光电传感器技术的新发展及应用.docx
- 文档编号:30511850
- 上传时间:2023-08-16
- 格式:DOCX
- 页数:53
- 大小:1.14MB
光电传感器技术的新发展及应用.docx
《光电传感器技术的新发展及应用.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《光电传感器技术的新发展及应用.docx(53页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
光电传感器技术的新发展及应用
班级
学号
本科毕业设计论文
题目光电传感器技术的新发展及应用
学院
专业
学生姓名
导师姓名
毕业设计(论文)诚信声明书
本人声明:
本人所提交的毕业论文《光电传感器技术的新发展及应用》是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果,论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果,均在论文中加以说明;有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议,均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。
本论文和资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。
论文作者:
(签字)时间:
年月日
指导教师已阅:
(签字)时间:
年月日
西安电子科技大学长安学院
毕业设计(论文)任务书
学生姓名学号指导教师职称
学院专业
题目名称光电传感器技术的新发展及应用
任务与要求
本课题要求学生对光感应器技术及器件(包括器件的分类、分装、性能、应用场合等等)做初步了解,再介绍这些技术的具体应用,并结合资料分析其发展趋势。
要求:
1、查找与光电传感器技术相关的资料。
认真阅读查找的文献资料。
2、通过对文献资料的分析、总结、归纳、比较,确定本课题的研究方法。
3、撰写论文的提纲和框架结构。
4、撰写论文时结果与讨论中对所列的论据、现象等要作充分分析。
做出结论时要有充足的论据作为依据,不可带有主观的牵强附会。
5、论文内容要论点突出,论据充分,论证有力,数据可靠,结构紧凑,层次分明,图表清晰,格式规范,语言流畅,结论正确。
开始日期2013年1月10日完成日期2013年5月24日
院长(签字)2013年月日
注:
本任务书一式两份,一份交学院,一份学生自己保存。
西安电子科技大学长安学院
毕业设计(论文)工作计划
学生姓名学号
指导教师职称
学院专业
题目名称光电传感器技术的新发展及应用
一、毕业设计(论文)进度
起止时间工作内容
2013年1月10日(起)
1月10日—1月20日选定毕业论文题目,和指导老师见面
1月21日—3月5日上网查找资料,查找相关书籍,设计论文流程
3月6日—3月20日提交开题报告和写作提纲
3月21日—4月20日撰写初稿,撰写二稿
4月21日—5月24日撰写终稿,准备答辩
二、主要参考书目(资料)
[1]刘笃仁,传感器原理及应用技术(第2版),西安电子科技大学出版社,2009
[2]余瑞芬,传感器原理,北京:
航空工业出版社,1995
[3]张正伟,传感器原理与应用,北京:
中央广播电视大学出版,1991
三、主要仪器设备及材料
计算机
四、教师的指导安排情况(场地安排、指导方式等)
每周集中汇报,指导一次
五、对计划的说明
注:
本计划一式两份,一份交学院,一份学生自己保存(计划书双面打印)
西安电子科技大学长安学院
毕业设计(论文)中期检查表
学院
专业
学生姓名
学号
班级
导师姓名
职称
单位
西安电子科技大学
题目名称
光电传感器技术的新发展及应用
检查内容
检查结果
题目是否更换及更换原因
否
学生出勤情况
80%的出勤率,时间抓的很紧
进度评价
(完成总工作量的百分比)
70%
质量评价、进度描述
目前已完成数据资料的搜集和整理,以下正在进行的是毕业论文初稿的撰写,已完成部分质量较好
总体评价
(按优、良、中、及格、不及格五挡评价)
良
存在的问题与建议
论文涉及方面较广,建议在现有基础上能够更加翻阅和整理出更加完善的资料,以补充现有的不足,需要阅读更多书籍或查找资料来完成
学院审核(盖章)
注:
此表由指导教师填写,中期检查成绩将作为毕业设计总成绩的一部分;此表装订入毕业设计(论文)中。
西安电子科技大学长安学院
毕业设计(论文)成绩登记表
学院
专业
姓名
学号
成绩
题目名称
光电传感器技术的新发展及应用
指导教师
职称
指导教师评语及对成绩的评定意见
本文主要介绍了光电传感器的基本原理和其特点,并列举了一些在生活实际中的创新应用实例及新型传感器,分析了光电传感器的发展趋势和动向,预见光电传感器无限的发展应用前景。
刘博宇同学在完成论文期间,查阅了大量专业资料和文献,选题难度适当,论文目的明确。
在进行论文指导过程中,工作态度认真,遵守纪律,工作记录详细、具体。
该论文用语规范,具有一定的质量和水平,符合本科毕业生论文要求,同意参加答辩。
签名年月日
评阅人评语及成绩评定意见
论文的选题具有一定的理论价值和显著的工程应用价值,工作量充足。
论文概括全面,撰写认真,格式规范,层次分明,反映出作者扎实的理论基础和系统的专业知识,具有一定的科研工作能力。
签名年月日
答辩小组意见
签名年月日
学院答辩委员会
意见
答辩委员
会主任签名(学院盖章)年月日
注:
学院、专业名均写全称;成绩登记表双面打印
摘要
随着科学技术的不断进步,光电传感器以其具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应灵敏、形式灵活多样等优点,并依靠检测技术手段对信息进行获取、筛选和传输,来实现自动控制,广泛应用于生产、生活、安防、军事等各个领域。
信息革命的两大重要支柱是信息的采集和处理,而信息采集的关键是传感器,传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,是摄取信息的关键器件。
传感器技术是实现测试与自动控制的重要环节,是现代信息技术的重要组成部分,是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段,也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法。
它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱,是当前各发达国家竞相发展的高技术,是进入2l世纪以来优先发展的十大项尖技术之一。
本文主要对光电传感器的基本原理和其特点进行了详细阐述,并综述了一些在生产、生活、安防、军事等领域中的创新应用实例和近几年高端前沿的新型传感器技术,分析了光电传感器的发展趋势和应用前景。
关键词:
光电传感器光电传感器技术发展及应用
ABSTRACT
Therapiddevelopmentofsciencetechnology,thephotoelectrictransducerhasThephotoelectrictransducerhasbecomeacommoninallkindsofphotoelectricdetectionsystemofphotoelectricconversionofthekeycomponents,andplaysanimportantroleinthefieldofsensor,suchasfacilitiesofindustry,living,defensesandsecurity,military,becauseithasbeenasimplestructure,andtheformofnon-contact,high-reliability,high-precision,responsive,flexibleanddiverseanditcanbemeasuredmanyparameters.Theautomaticcontrolhasbeenachievebythedetectiontechniquesofinformationacquisition,filteringandtransmissionaboutthephotoelectrictransducer.Theacquisitionandprocessingofinformationisthetwoimportantpillarsoftheinformationrevolution,andthetransducerisanimportanttechnicalfoundationbetweenthenewtechnologicalrevolutionandtheinformationsociety,whichisakeydeviceforintakeinformation.Transducertechnologyisanimportantpartofthetestingandautomaticcontrol,whichisanimportantpartofmoderninformationtechnology,moderninformationsystemsandvarioustypesofequipmentindispensablemeansofinformationcollection,microelectronicstechnologytotransformtraditionalindustries.Thehistoryofthedevelopmentofphotoelectrictransducersandthebasicprinciplesofphotoelectrictransducersandfeatureshavebeenillustratedinthispaperindetail,andtheapplicationsofaphotoelectricsensortechnologyinsomeareassuchasindustry,agriculture,life,militaryhasbeensummarized.Atthesametime,thedevelopmentandapplicationsofthephotoelectrictransducertechnologyhavebeenanalyzed.
Keywords:
PhotoelectrictransducerTechnologyofphotoelectrictransducer
Applicationanddevelopment
目录
第一章绪论1
1.1传感器技术的发展史与现状1
1.2光电传感器概述2
第二章光电传感器5
2.1光电传感器的原理与特点5
2.1.1光电传感器的工作原理5
2.1.2光电传感器的特点7
2.2光电传感器的分类8
第三章光电传感器技术的应用11
3.1光电传感器在自动化生产线上的应用11
3.1.1光电色质检测11
3.1.2光电式带材跑偏检测器11
3.1.3包装充填物高度检测12
3.1.4彩塑包装制袋塑料薄膜位置控制13
3.1.5产品计数器13
3.1.6测量转速14
3.1.7测量温度14
3.1.8测量工件表面的缺陷15
3.2光电传感器在安防系统中的应用15
3.2.1光电式烟雾报警器15
3.2.2防盗报警电路15
3.3光电传感器在生活中的应用16
3.3.1条形码扫描笔16
3.3.2公共汽车关门安全指示器17
3.3.3自动门传感17
3.4光电传感器的其他应用17
3.4.1在烟尘浊度监测上的应用17
3.4.2在高压大电流测试中的应用18
3.4.3光电传感器在继电保护中的应用18
3.4.4光电传感器在军事领域的应用19
第四章几种新型光电传感器21
4.1CCD传感器21
4.1.1CCD的结构和基本原理21
4.1.2电荷耦合器件22
4.1.3CCD图像传感器应用25
4.2CMOS传感器27
4.2.1CMOS的结构和基本原理27
4.2.2CMOS图像传感器的应用28
4.2.3CMOS与CCD光电传感器的性能比较28
4.3光纤传感器29
4.3.1光纤传感器的原理和组成29
4.3.2光纤传感器的类型及特点30
4.3.3光纤传感器的应用领域31
4.4光电池33
4.4.1光电池的原理及结构33
4.4.2光电池的分类及特性35
4.4.3光电池的应用37
第五章光电传感器技术的发展趋势39
5.1传感器改善性能的途径及发展方向39
5.2光电传感器技术的新发展39
第六章结论43
致谢44
参考文献46
第一章绪论
1.1传感器技术的发展史与现状
传感器技术是在20世纪的中期才刚刚同世的。
在那时,与计算机技术和数字控制技术相比,传感技术的发展都落后于它们,不少先进的成果仍停留在实验研究阶段,并没有投入到实际生产与广泛应用中。
传感器技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。
1、结构型传感器:
以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。
2、物性型传感器:
利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其它信号输出。
3、智能型传感器:
把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。
它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了,由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一[]。
其测量技术、方法和特点的发展历程见表1.1[]。
表1.1传感器的发展阶段
时间
传感器特点
测量技术
测量方法
测量特点
测量变量
40~50年代
结构型传感器
模拟测量法
单参数测量
静态或工作参数
温度、压力、流量、物位、电压、电流、功率
60年代
数字测量法
复参数扫描测量
动态、不接触式、质量指标
重力、位移、尺寸、速度、加速度、湿度、气候、离子等
70年代
物性型传感器(直接变换)
模拟、数字混合测量法
图形测量(二维)
振动、位移等机械运转状态;设备异常状态如过热、泄漏、绝缘等;产品在线检测如表面质量、形状等;
80年代~至今
物性型传感器、智能型传感器(带微处理器)
测量技术与信息处理技术相结合
多层扫描、数据处理、物体识别(三维)
五官感觉
我国于20世纪60年代开始传感技术的研究与开发.经过“六五”到“九五”的国家攻关,在传感器研的开发、设计、制造、可靠性改进等方面获得明显进步,并在数控机床攻关中取得了发明专利。
初步形成了传感器研究、开发、生产和应用的体系。
但从总体上讲,它还不能适应我国经济与科技的迅速发展,我国不少传感器、信号处理和识别系统仍然依赖进口。
同时,我国传感技术产品的市场竞争力优势尚未形成,如产品的改进与革新速度慢、生产与应用系统的创新与改进少等。
在国外,传感器技术早期多用于国家级项目的科研研发以及各国军事技术、航空航天领域的试验研究。
然而.随着各国机械工业、电子、计算机、自动化等相关信息化产业的迅猛发展.以欧美和日本等西方国家为代表的传感器研发及其相关技术产业的发展已在国际市场中逐步占有了主要的份额。
特别是近20年来,随着社会的进步,科学技术的发展,电子技术日新月异,计算机的普及和应用把人类带到了信息时代。
新型传感器与计算机相结合,不但使计算机的应用进入了崭新时代,也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。
1.2光电传感器概述
近年来,随着各种新型光电器件的不断涌现,特别是激光技术和图像技术的迅猛发展。
光电传感器已成为各种光电检测系统中常见的光电转换的关键元件,在传感器领域中扮演着重要角色,在非接触测量领域占据绝对统治地位。
光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。
它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。
光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。
光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。
目前,光电式传感器已在国民经济和科学技术各个领域得到广泛的应用,并发挥着越来越重要的作用[]。
光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。
它可用于检测直接引起光量变化的非电量,如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等;也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量,如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度,以及物体的形状、工作状态的识别等。
光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点,因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
第二章光电传感器
2.1光电传感器的原理与特点
2.1.1光电传感器的工作原理[]
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的,它的物理基础是光电效应。
光电传感器的基本结构如图2.l,主要由光源,光通路、光电元件和测量电路四个部分组成。
图2.1光电传感器工作原理图
由于光电传感器是一种依靠被测物与光电元件和光源之间的关系,为达到测量目的,光电传感器的光源扮演着很重要的角色,所以光电传感器的电源通常是一个恒光源,常用光源有以下几种:
发光二极管、丝灯泡、激光。
光电元件是将光能转换为电能的一种传感器件.并负责把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号。
光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管(LED)、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。
由光源、光学通路和光电元件组成的光电传感器在用于光电检测时,还必须配备适当的测量电路。
测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流,并对光电元件输出的电信号进行放大或转换。
不同的光电元件,所要求的测量电路也不相同。
下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。
半导体光敏电阻可以通过较大的电流,所以在一般情况下,无需配备放大器。
在要求较大的输出功率时,可用图2.2所示的电路。
图2.3(a)给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。
当入射光强度缓慢变化时,光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的,温度的变化将造成电桥输出电压的漂移,必须进行补偿。
图中一个光敏二极管做为检测元件,另一个装在暗盒里,置于相邻桥臂中,温度的变化对两只光敏二极管的影响相同,因此,可消除桥路输出随温度的漂移。
光敏三极管在低照度入射光下工作时,或者希望得到较大的输出功率时,也可以配以放大电路,如图2.3所示。
图2.3光敏晶体管测量电路
a)光敏二极管测量电路b)光敏三极管测量电路
图2.2光敏电阻测量电路
由于光敏电池即使在强光照射下,最大输出电压也仅0.6V,还不能使下一级晶体管有较大的电流输出,故必须加正向偏压,如图2.3(a)所示。
为了减小晶体管基极电路阻抗变化,尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压,可在光电池两端并联一个电阻。
或者像图2.3(b)所示的那样利用锗二极管产生的正向压降和光电池受到光照时产生的电压叠加,使硅管e、b极间电压大于0.7V,而导通工作。
这种情况下也可以使用硅光电池组,如图2.4所示。
图2.4光电池测量电路
半导体光电元件的光电转换电路也可以使用集成运算放大器。
硅光敏二极管通过集成运放可得到较大输出幅度,如图2.5(a)所示。
当光照产生的光电流为时,输出电压为了保证光敏二极管处于反向偏置,在它的正极要加一个负电压。
图2.5(b)给出硅光电池的光电转换电路,由于光电池的短路电流和光照成线性关系,因此将它接在运放的正、反相输入端之间,利用这两端电位差接近于零的特点,可以得到较好的效果。
在图中所示条件下,输出电压
图2.5使用放大器的光敏元件放大电路
a)硅光敏二极管放大电路b)硅光电池放大电路
由于半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化,一般情况下,光电传感器由发送器、接收器和检测电路三部分构成(如图2.6)。
图2.6光电传感器构成示意图
其中,发送器对准目标发射光束,发射的光束一般来源于半导体光源,发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。
接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。
在接收器的前面,装有光学元件如透镜和光圈等。
在其后面是检测电路,它能滤出有效信号和应用该信号。
此外,光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
2.1.2光电传感器的特点
1、检测距离长:
通过设计使投光光束集中从而提高分辨率,可以实现无机械接触地检测物体,能够实现其他检测手段(如:
磁性、超声波等)不能检测的对象。
2、非机械性接触检测:
不会对检测物体和传感器造成损坏,从而提高传感器的寿命;
3、检测物体种类多:
对检测物体的限制少:
利用被检测物对光束的遮挡或反射,因此物体不限于金属,所有能反射光线的物体均可被检测如玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体都能进行检测;
4、可实现对检测物体的颜色辨别:
通过检测物体形成的光的反射率和吸收率,根据被透光的光线波长和检测物体的颜色组合而有所差异。
利用这种性质,可对检测物体的颜色进行检测;
5、响应时间很短:
传感器的电路都由电子元件构成,不包含机械性工作时间,加上光本身就高速,所以响应时间非常短;
6、易于调整:
在投射可视光的类型中,投光的光束是可见光,易于对检测物体的位置进行调整;
7、由于光电传感器所使用的光敏元件是光敏电阻和光敏二极管等,所以具有精度高、性价比高、抗干扰能力强和可靠性强等优点。
2.2光电传感器的分类
光电传感器用于检测多种非电量,由于光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的。
按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类:
即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器[]。
按照工作方式可分为:
第一类、漫反射式光电传感器:
它的检测头里也装有一个发射器和一个接受器,没有反光板。
正常情况下,发射器发出的光接受器是收不到的,只有当检测物通过时挡住了光,并把光部分反射回来,接受器才收到光信号,然后输出一个开关控制信号。
特征:
有效作用距离是由目标的反射能力决定,由目标表面性质和颜色决定。
被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电传感器是首选的检测模式。
第二类、反射
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 光电 传感器 技术 新发展 应用
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)