光電檢測論文

光電技術(shù)論文學(xué)院：機(jī)械工程學(xué)院專業(yè)：機(jī)械電子工程班級：機(jī)自114學(xué)號：光電檢測技術(shù)論文摘要：光電檢測技術(shù)主要依賴于光電檢測元件，屬于光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一。因其測量靈敏度高，可靠性好，體積小，非接觸，信息容量巨大，信息效率高等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于自動化領(lǐng)域，通常與機(jī)電專業(yè)知識的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了機(jī)械精確的智能控制，在實(shí)際生活中有著廣泛的應(yīng)用。關(guān)鍵詞：光電檢測；紅外光電傳感器；智能車系統(tǒng)；光機(jī)電一體化1.光電檢測技術(shù)概述1.1光電檢測的基本原理光電檢測涉及光學(xué)、電子學(xué)、光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域。它是以不同種的光電傳感器為基礎(chǔ)，通過檢測被測物體的光輻射并換為電信號，再通過輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后儲存、顯示、控制輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。光電檢測系統(tǒng)工作原理如圖一所示。圖一光電檢測系統(tǒng)工作原理圖光電傳感器是以光電元件作為檢測元件，以光電效應(yīng)原理為基礎(chǔ)。光電效應(yīng)是指當(dāng)光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)。通常根據(jù)這一原理，光電傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)由光源、光學(xué)通路和光電元件三個部分；亦可以分成它們分為發(fā)送器、接收器和檢測電路三個部分。三者間的關(guān)系通過應(yīng)用實(shí)例中的紅外光電傳感器加以具體介紹[1]。1.2光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)光電檢測技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點(diǎn)：1）高精度。光電測量的精度是各種測量技術(shù)中精度最高的一種。例如用激光干涉法測輸出一個開關(guān)控制信號。這種傳感器的檢測效果與傳感器本身的特性、目標(biāo)物體的特性以及檢測距離也都有很大關(guān)系。智能車中的光電傳感器是用來判別方向的，直射式紅外光電傳感器很明顯不能滿足控制要求，故在智能車中使用的都是反射式紅外光電傳感器。反射式紅外光電傳感器的收光器接收的光源一般是由紅外發(fā)光二極管、普通發(fā)光二極管和激光二極管發(fā)出，前兩種光源易受外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不易被干擾，但價(jià)格高。紅外反射式光電傳感器工作時會受多種不確定因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光等，因此，為提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性，通常是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，再由光敏管接收調(diào)制的紅外信號。對于反射式紅外光線傳感器來講，接收的反射光強(qiáng)度經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換得到的輸出信號電壓是反射面與傳感器間距的函數(shù)，當(dāng)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，與的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖四所示，在一定區(qū)間內(nèi)，輸出信號的強(qiáng)度隨光強(qiáng)距離的增大而迅速增大，達(dá)到峰值之后，隨距離的增加而減弱[4]。圖四光強(qiáng)距離曲線另外，紅外接收器接收到的反射光強(qiáng)度與反射面的特性有關(guān)，當(dāng)一定時，光電傳感器輸出信號會因反射面顏色的不同而不一樣。黑色材料對光的吸收能力較強(qiáng)，反射光強(qiáng)度弱，測量靈敏度低，且有效測量距離范圍小。如果紅外線照射到黑色標(biāo)志線，黑色標(biāo)志線會吸收大部分紅外光，接收器接收到紅外線強(qiáng)度就很弱。當(dāng)紅外線照射到白色地面時有較大反射，如果取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強(qiáng)度較大。如圖五所示的電路中，當(dāng)檢測到黑色時，由于反射率不高，光電二極管（收光器）電流太小，比較電路的正極電位大于負(fù)極電位，輸出高電平。當(dāng)檢測到白色時，由于反射率較高，光電二極管產(chǎn)生電流較大，比較電路的正極電位小于負(fù)極電位，輸出低電平。通過比較分析器輸出電平的高低，從而實(shí)現(xiàn)了檢測黑色的目的。（下圖收光器直接接收發(fā)光器發(fā)出的不同強(qiáng)度的光，模擬光線經(jīng)物體表面反射到收光器，檢測電路輸出不同信號的情況。實(shí)際上紅外光是要經(jīng)過反射面反射到收光器的。）圖五黑白顏色檢測電路圖2.2智能車系統(tǒng)及各部分工作原理該系統(tǒng)由電源模塊、主控制器模塊、路基識別模塊、車速檢測模塊、舵機(jī)控制模塊、直流驅(qū)動電機(jī)模塊組成，具體控制原理簡圖如下[4]：圖六智能車系統(tǒng)原理簡圖2.1.1路徑識別模塊智能車控制的設(shè)計(jì)中，光電傳感器對稱陣列分布來進(jìn)行路徑識別。智能控制與算法原理：工作時首先通過光電傳感器陣列檢測軌跡黑線的當(dāng)前位置，然后根據(jù)檢測結(jié)果判斷智能車與軌跡偏離的情況，若中間的光電傳感器檢測到黑線，則表明智能車未偏離軌跡，控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪不偏轉(zhuǎn)。若左（右）邊的光電傳感器檢測到黑線，則表示智能車向右（左）偏離軌跡，越靠左（右）的傳感器檢測到黑線，表示智能車向右（左）偏離軌跡的程度越大，控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪向左（右）偏轉(zhuǎn)，偏離程度越大，則偏轉(zhuǎn)角度越大。若光電傳感器沒有檢測到黑線或是其他的檢測結(jié)果，則表示智能車已脫離軌跡，則控制舵機(jī)使轉(zhuǎn)向輪保持偏轉(zhuǎn)原有角度不變，同時控制直流驅(qū)動電機(jī)使速度下降到速度最小設(shè)定值。由于傳感器對黑色和白色的反射率大小不同，MCU把各個傳感器輸出的最大、最小值間分為n個index區(qū)間，通過對各個傳感器index值的組合來獲得車身相對路徑標(biāo)志線的位置，從而對位置和行駛方向都能做較精確的控制。小車的偏出黑線的距離與傳感器輸出電位的關(guān)系如圖七[5]：圖七沿黑色標(biāo)志線分布的陣列光電傳感器輸出2.2.2車速檢測模塊車速檢測模塊采用旋轉(zhuǎn)編碼器作為車速檢測器件，檢測到的運(yùn)動速度反饋到控制模塊中，輔助控制直流驅(qū)動輸出值的大小，達(dá)到合理控制運(yùn)動速度的目的。旋轉(zhuǎn)編碼器硬件電路簡單、信號采集速度快,通過與直流驅(qū)動軸的齒輪嚙合，當(dāng)直流驅(qū)動機(jī)軸轉(zhuǎn)過一定角度即可獲得一個脈沖，一定時間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來表示車速,并可直接作為控制器參數(shù)。圖為車速檢測模塊硬件電路圖。圖八車速檢測模塊3.結(jié)束語光電測試技術(shù)的應(yīng)用除了作為單純的測量和采集工具測量溫度、粗糙度、采集圖像等之外，主要與機(jī)械電子結(jié)合，通過把光電傳感器與控制電路集成，實(shí)現(xiàn)智能控制的目的，例如上文介紹的智能小車。傳統(tǒng)的機(jī)械電子只能提供機(jī)械動力，實(shí)現(xiàn)簡單的機(jī)械運(yùn)動，其效率和靈敏度很低。在現(xiàn)代化的今天，越來越多的工程和領(lǐng)域需要用到機(jī)電器械，不同的領(lǐng)域和不同的需求對機(jī)械電子工程的要求也有所不同。結(jié)合工程中遇到的問題，利用光電檢測技術(shù)的功能及優(yōu)點(diǎn)，兩者結(jié)合形成光機(jī)電一體化工程學(xué)科。光機(jī)電一體化技術(shù)通過采用電力電子器件或用電子裝置進(jìn)行相關(guān)動作控制，該技術(shù)可以靈活方便地按需控制和改變生產(chǎn)操作程序，使得人從生產(chǎn)一線被解放出來，并使生產(chǎn)效率得到了巨大的提高；對于機(jī)械本身來講，使得產(chǎn)品機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，控制更加智能化，功能更加多樣化，精度進(jìn)一步提高。日常的生產(chǎn)生活里離不開光機(jī)電一體化技術(shù)，它加速社會智能化，給人們生活帶來了便利，在將來，仍然具有很廣闊的發(fā)展空間。作為機(jī)電專業(yè)的學(xué)生來講，我們要結(jié)合好機(jī)械、電子兩大學(xué)科的特點(diǎn)，學(xué)好相關(guān)的專業(yè)知識，學(xué)以致用，將理論聯(lián)系實(shí)際，為以后本專業(yè)的研究和工作打好基礎(chǔ)。4.參考文獻(xiàn)[1]彥曉河，董玲嬌，蘇紹興.光電技術(shù)的發(fā)展及其應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2006(4).[2]袁明輝，郭天太.光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景[J].應(yīng)用科技，2006(132).[3]馮笑笑，胡佳娟等.紅外光電傳感器的性能分析與應(yīng)用.蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（工科版），2012(1).[4