傳感器原理與應用課程設計(共17頁)

1、傳感器原理(yunl)與應用課程設計專 業(yè)： 測控技術(jsh)與儀器 設計(shj)題目： 光控手電筒 班級：1242 學生姓名：楊儻月 學號： 06 指導教師： 張立新 馮璐 分院院長： 許建平 教研室主任： 馮璐 電氣工程學院目錄(ml)TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc23899 第一章 課程設計內容(nirng)及要求1 HYPERLINK l _Toc2972 1.1課程設計題目(tm)1 HYPERLINK l _Toc16115 1.2 設計目的1 HYPERLINK l _Toc28803 1.3 設計內容1 HYPERLINK l _Toc3719

2、 第二章 設計計劃與方案論證2 HYPERLINK l _Toc18654 2.1 設計思路來源2 HYPERLINK l _Toc27758 2.2 設計電路思路2 HYPERLINK l _Toc2820 2.3 方案論證（電路原理）4 HYPERLINK l _Toc21531 第三章 設計方案實現(xiàn)5 HYPERLINK l _Toc19099 3.1 元件清單5 HYPERLINK l _Toc27581 3.2 相關元器件的說明和介紹 5 HYPERLINK l _Toc575 3.3課設步驟 第一章 課程設計內容(nirng)及要求1.1課程設計題目(tm)光敏開關(kigun)傳

3、感器檢測電路1.2 設計目的（1）培養(yǎng)學生測控系統(tǒng)的設計能力。（2）系統(tǒng)訓練典型傳感器的應用能力。（3）提高傳感器及其應用電路的調試能力。（4）重點掌握典型傳感器的應用方法、測量范圍、應用電路以及檢測精度與誤 差等解決實際工程問題的方案和操作方法。1.3 設計內容（1）提出總體設計方案；（2）應用傳感器實驗設備與自制電路系統(tǒng)進行設計；（3）系統(tǒng)硬件電路調試；（4）撰寫課程設計論文；（5）完成課程設計答辯。（6）以下題目由學生任選其一完成。設計題目A類1）直流電壓傳感器檢測電路；2）交流電壓傳感器檢測電路；3）直流電流傳感器檢測電路；4）交流電流傳感器檢測電路；5）電阻傳感器檢測電路；6）電容傳

4、感器檢測電路；7）電感傳感器檢測電路。 主要參數(shù)：供電電源、測量范圍、測量精度、線性度、輸出類型(lixng)（電壓/電流(dinli)）等。設計(shj)題目B類1）光電開關傳感器檢測電路；2）接近開關傳感器檢測電路；3）光敏開關傳感器檢測電路；4）濕敏開關傳感器檢測電路；5）氣敏開關傳感器檢測電路； 主要參數(shù)：供電電源、測量范圍、測量精度、輸出類型（電平/觸點）等。設計題目C類1）溫度變送器；2）壓力變送器；3）位移變送器；4）液位變送器；5）稱重變送器。 主要參數(shù)：供電電源、測量范圍、測量精度、輸出類型（DC0-2V,0-20mA）等。設計(shj)計劃與方案論證2.1 設計(shj)思

5、路來源隨著科學技術的發(fā)展，許多高端技術已經(jīng)實現(xiàn)(shxin)了自動檢測與控制。同時傳感器的應用也逐漸增多，遍及人們生活的各個方面，給人們的生產(chǎn)和生活帶來極大的方便。 本設計選用光敏傳感器，對特殊場合的光照強度進行檢測與報警。主要應用于農(nóng)業(yè)大棚、城市照明等對光照強度有要求的場合。本設計用發(fā)光二極管作為警示燈，當光照強度不滿足要求時就會發(fā)光起到警示的作用。2.2 設計電路思路要設計光控燈，首先要掌握光敏電阻的特性，光敏電阻又稱光導管，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器,常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照

6、射下（光敏電阻器對光的敏感性（即光譜特性）與人眼對可見光（0.40.76）m的響應很接近，只要人眼可感受的光，都會引起它的阻值變化），其阻值迅速減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換（將光的變化轉換為電的變化）。經(jīng)測量隨著外部環(huán)境的改變，本次所用光敏電阻阻值的變化范圍為2K-3M,即在有光照射時電阻阻值下降，無光照時阻值上升，根據(jù)這一特性可以控制三極管工作狀態(tài)進而控制燈的亮滅的電路。 三極管工作狀態(tài)分為放大、截止和飽和。當工作在放大區(qū)時，

7、發(fā)射極正偏，集電極反偏；當工作在截止區(qū)時，發(fā)射極和集電極均反偏；當工作在飽和狀態(tài)時，發(fā)射極和集電極均正偏。同時三級管有兩種材料做成，一種為硅管，其正偏發(fā)射結導通電壓為0.7V；一種為鍺管，其正偏發(fā)射結導通電壓為0.3V。三極管種類(zhngli)有NPN和PNP兩種，本次課設用到的三極管為NPN型硅管9014和PNP型硅管9012。2.3 方案論證（電路(dinl)原理） 由2.2設計電路(dinl)思路設計出如圖2.3的電路圖。圖 2.3 如圖2.3所示，光敏電阻R1和可調電阻RP組成串聯(lián)電路，當光線變暗時，光敏電阻阻值升高，RP兩端電壓下降，使VT1晶體管C、E之間阻值變大，導致VT2、U

8、b升高C、E之間電阻迅速減小，發(fā)光二極管導通。反之不亮。電子光控開關，將發(fā)光管改接繼電器，可控制各種電器設備，可作為機器人光控探頭。通電后，調節(jié)RP可以改變控制要求。設計方案實現(xiàn)(shxin)3.1 元件(yunjin)清單VT1 9014 1個VT2 9014 1個光敏電阻R1 1支滑動變阻器RP 10K 1支電阻R2 4.7K 1支發(fā)光二極管VD 一個3.2 相關(xinggun)元器件的說明和介紹 3.2.1光敏電阻 圖3.2.1介紹(jisho)及應用 光敏電阻又稱光阿導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料。這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅

9、速 6 減小的特性。這是由于光照產(chǎn)生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降。 光敏電阻屬半導體光敏器件，除具靈敏度高，反應速度快，光譜特性及r值一致性好等特點外，在高溫，多濕的惡劣環(huán)境下，還能保持高度的穩(wěn)定性和可靠性，可廣泛應用于照相機，太陽能庭院燈，草坪燈，驗鈔機，石英鐘，音樂(ynyu)杯，禮品盒，迷你小夜燈，光聲控開關，路燈自動開關以及各種光控玩具，光控燈飾，燈具等光自動開關控制領域。 光敏電阻(un mn din z)的分類圖根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三種光敏電阻器： （1）紫外光敏電阻器：對紫外線較

10、靈敏，包括硫化鎘、硒化鎘光敏電阻器等，用于探測紫外線。 （2）紅外光敏電阻器：主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛。銻化銦等光敏電阻器，廣泛用于導彈制導、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。 （3）可見光光敏電阻(un mn din z)器：包括 HYPERLINK /view/38906.htm t _blank 硒、 HYPERLINK /view/797739.htm t _blank 硫化鎘、 HYPERLINK /view/488636.htm t _blank 硒化鎘、 HYPERLINK /view/3099350.htm t _blan

11、k 碲化鎘、 HYPERLINK /view/34646.htm t _blank 砷化鎵、 HYPERLINK /view/4748.htm t _blank 硅、 HYPERLINK /view/34272.htm t _blank 鍺、 HYPERLINK /view/39160.htm t _blank 硫化鋅光敏電阻器等。主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關門戶，航標燈、路燈(ldng)和其他 HYPERLINK /view/3842448.htm t _blank 照明(zhomng)系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和“位置檢測器”，極薄零件的厚度檢

12、測器，照相機 HYPERLINK /view/3842539.htm t _blank 自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。（本設計采用的就是） 主要參數(shù)特性 （1）光電流、亮電阻。 光敏電阻器在一定的外加電壓下，當有光照射時，流過的電流稱為光電流，外加電壓與光電流之比稱為亮電阻，常用“100LX”表示。（2）暗電流、暗電阻。 光敏電阻在一定的外加電壓下，當沒有光照射的時候，流過的電流稱為暗電流。外加電壓與暗電流之比稱為暗電阻，常用“0LX”表示。 （3）靈敏度。 靈敏度是指光敏電阻不受光照射時的電阻值（暗電阻）與受光照射時的電阻值（亮電阻）的相對變化值。（4）光照特性。

13、 光照特性指光敏電阻輸出的電信號隨光照度而變化的特性。從光敏電阻的光照特性曲線可以看出，隨著的光照強度的增加，光敏電阻的阻值開始迅速下降。若進一步增大光照強度，則電阻值變化減小，然后逐漸趨向平緩。在大多數(shù)情況下，該特性為非線性。（5）伏安特性曲線。伏安特性曲線用來描述(mio sh)光敏電阻的外加電壓與光電流的關系，對于(duy)光敏器件來說，其光電流隨外加電壓(diny)的增大而增大。溫度系數(shù)光敏電阻的光電效應受 HYPERLINK /view/8193.htm t _blank 溫度影響較大，部分光敏電阻在低溫下的光電靈敏較高，而在高溫下的靈敏度則較低。 額定功率額定功率是指光敏電阻用于某

14、種線路中所允許消耗的 HYPERLINK /view/44147.htm t _blank 功率，當溫度升高時，其消耗的功率就降低。 工作原理 光敏電阻原理圖 光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構成光敏電阻，為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導體。通常采用涂敷、噴涂、燒結等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內，以免受潮影響其 HYPERLINK /view/495141.htm t _blank 靈敏度。在黑暗環(huán)境里

15、，它的電阻值很高，當受到光照時，只要 HYPERLINK /view/9448.htm t _blank 光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，則價帶中的 HYPERLINK /view/3476.htm t _blank 電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶 HYPERLINK /view/532075.htm t _blank 正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對了半導體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照愈強，阻值愈低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復合，光敏電阻的阻值也就恢復原值。在光敏電阻兩端的 HYPERLINK /v

16、iew/1528693.htm t _blank 金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到波長的光線照射時，電流就會隨光強的而變大，從而實現(xiàn)光電轉換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加 HYPERLINK /view/2070482.htm t _blank 直流電壓，也加 HYPERLINK /view/3822215.htm t _blank 交流電壓。半導體的導電能力取決于半導體導帶內載流子數(shù)目的多少。3.2.2 發(fā)光(f un)二極管 圖3.3 發(fā)光(f un)二極管（LED）是一種由磷化鎵（GaP）等半導體材料制成的、能直接將電能轉變成光能的發(fā)光顯示器件。當其內部有一

17、定電流通過時，它就會發(fā)光。它是半導體二極管的一種，可以把電能轉化成光能。發(fā)光二極管與普通二極管一樣是由一個PN結組成，也具有單向導電性。當給發(fā)光二極管加上正向電壓后，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴和由N區(qū)注入到P區(qū)的電子，在PN結附近數(shù)微米內分別與N區(qū)的電子和P區(qū)的空穴復合，產(chǎn)生自發(fā)輻射的熒光。不同的半導體材料中電子和空穴所處的能量狀態(tài)不同。當電子和空穴復合時釋放出的能量多少不同，釋放出的能量越多，則發(fā)出的光的波長(bchng)越短。常用的是發(fā)紅光、綠光或黃光的二極管。 它的基本結構是一塊電致發(fā)光的半導體材料，置于一個有引線的架子上，然后四周用環(huán)氧樹脂密封，起到保護內部芯線的作用(zuyng)，所以L

18、ED的抗震性能好。發(fā)光二極管的核心部分是由P型半導體和N型半導體組成的 HYPERLINK /view/1201023.htm t _blank 晶片，在P型半導體和N型半導體之間有一個過渡層，稱為PN結。在某些半導體材料的PN結中，注入的少數(shù) HYPERLINK /view/394083.htm t _blank 載流子與多數(shù)載流子復合時會把多余的能量以光的形式釋放出來，從而把電能直接轉換為光能。PN結加 HYPERLINK /view/2979173.htm t _blank 反向電壓，少數(shù)載流子難以注入，故不發(fā)光。這種利用 HYPERLINK /view/2243347.htm t _b

19、lank 注入式電致發(fā)光原理制作的二極管叫發(fā)光二極管，通稱LED。 當它處于正向 HYPERLINK /view/670206.htm t _blank 工作狀態(tài)時（即兩端加上正向電壓），電流從LED HYPERLINK /view/767315.htm t _blank 陽極流向陰極時，半導體 HYPERLINK /view/51869.htm t _blank 晶體就發(fā)出從紫外到紅外不同顏色的光線，光的強弱與電流有關。3.2.3 三極管 三極管，全稱應為半導體三極管，也稱雙極型晶體管,晶體三極管，是一種電流控制電流的半導體器件其作用是把微弱信號放大成輻值較大的電信號， 也用作無觸點開關。

20、三極管在我們的日常生活中非常常用，90三極管在電子制作中也是一個不可缺少的重要部分。9014則為NPN型、45V 100mA、功率(gngl)為450mW、頻率(pnl)為150MHz 、放大(fngd)倍數(shù)為20-90。3.3課設步驟 1.確定課題設計電路并計算出所需元件的大小 2.采購元器件 3.焊接電路 除電池外，全部元器件都可焊裝在印刷電路板上。安裝順序為R2、R1，再裝RP可調電阻、兩支三極管和發(fā)光管。通電后，調節(jié)RP可以改變控制要求。 4.檢查實際所焊電路并調試 (1)觀察電路是否有虛焊點或是短路的地方，并檢查實際所焊電路是否與電路圖一致并調試錯誤。 (2) 檢查發(fā)光二極管是否損壞：將萬用表至于測二極管的檔位，將紅黑表筆分別接在發(fā)光二極管的兩端，查看發(fā)光二極管是否發(fā)光，若有一次測量發(fā)光則說明二極管正常。 （3）檢查光敏電阻是否正常。將萬用表至于測電阻的檔位，分別測量在有光照和無光照時光敏電阻的電阻。若電阻為0或是無窮大，則說明此光敏電阻損壞。第四章 課程設計心得(xnd) 通過這次課程設計，我對傳感器書上的知識又復習了一遍，而且更重要的是電