光電檢測論文.

1、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。量靈敏度高，可靠性好，體積小，非接觸，信息容量巨大，信息效率高等特點被廣泛應(yīng)用于因其測自動化領(lǐng)域， 通常與機(jī)電專業(yè)知識的結(jié)合實現(xiàn)了機(jī)械精確的智能控制，在實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

2、檢測電路提取有用信息，經(jīng)模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計算機(jī)運算處理，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

3、電路三個部分。 三者間的關(guān)系通過應(yīng)用實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，實現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點：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量長度的精度可達(dá)0.05um/m；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可達(dá)到1m。2）高速度。光電測量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，所以用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3）遠(yuǎn)距離、大量程。光有可以遠(yuǎn)距離傳播的特性，適用于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)、衛(wèi)星測繪、電視遙控等。4）非接觸測量。光照到被測物體上的力是可以忽略不計的，對

4、被測物體毫無干擾，可實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種。此外，光電檢測技術(shù)還具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息率極高、以及自動化程度高等突出特點，令其發(fā)展十分迅速，并推動著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域 2 。1.3光電檢測技術(shù)的發(fā)展情況和趨勢在光電檢測技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用過程中，直接受光電傳感器的影響和制約，所以，光電傳感器水平能代表光電檢測技術(shù)的發(fā)展水平。光電傳感器的應(yīng)用涉及的領(lǐng)域非常廣泛，而且與我們的生活息息相關(guān)，應(yīng)該說現(xiàn)代化的生活離不開光電傳感器的參與，如傳真機(jī)、復(fù)印機(jī)、掃描儀

5、、打印機(jī)、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫(yī)療診斷儀器等等不勝枚舉。 美國是研究光電傳感器起步最早、水平最高的國家之一，在軍事和民用領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展得十分迅速。在軍事應(yīng)用方面，研究和開發(fā)主要包括：水下探測、航空監(jiān)測、核輻射檢測等。 民用領(lǐng)域方面，光電傳感器被運用在監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、溫度等重要參數(shù)，檢測肉類和食品的細(xì)菌和病毒等。 20世紀(jì) 90 年代，由東芝、日本電氣等15 家公司和研究機(jī)構(gòu)，研究開發(fā)出多種具有一流水平的民用光電傳感器并以價格適中質(zhì)量好而響譽(yù)全球。我國對光電傳感器研究的起步時間與國際相差不遠(yuǎn)，目前主要是在光電溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領(lǐng)域進(jìn)行了大量

6、的研究，取得了上百項科研成果，有的達(dá)到世界先進(jìn)水平。但與發(fā)達(dá)國家相比， 我國的研究水平還有不小的差距，主要表現(xiàn)在商品化和產(chǎn)業(yè)化方面，大多數(shù)品種仍處于實驗研制階段，還無法投入批量生產(chǎn)和工程化應(yīng)用。光電傳感器的發(fā)展趨勢如下 2 ：1）高精度：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米級精度的光電測量新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點；2）智能化：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)；3）數(shù)字化：檢測結(jié)果向數(shù)字化、光電測量與光機(jī)電控制一體化方向發(fā)展；4）多元化：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向發(fā)展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)等；5）微型化： 光電檢測儀器所

7、用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展；光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機(jī)電檢測系統(tǒng)發(fā)展；6）檢測動態(tài)化：檢測技術(shù)向自動化，非接觸、快速在線測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動態(tài)測量方向發(fā)展；7）多功能化：即一種光電傳感器不僅能針對一種物理量，而且能夠?qū)Χ喾N物理量進(jìn)行同時測量；8）新型傳感材料、傳感技術(shù)的研究、開發(fā)與利用；9）品類更加齊全，價格低廉，能在多種環(huán)境中工作（如高溫高壓或者低溫低壓）。2. 應(yīng)用實例一種基于紅外光電傳感器尋跡的智能車系統(tǒng)2.1紅外光電傳感器工作原理紅外光電傳感器又稱光電開關(guān)，分為直射式與反射式兩大類。直射式紅外光電傳感器又稱光遮斷器， 其基本工作原理是：發(fā)光管發(fā)出的紅外光直接由光敏

8、管接收，當(dāng)有物體遮斷光路時可以檢測到輸出信號的變化，如圖二所示, 左邊是紅外發(fā)光器，右邊是紅外接收器。反射式光電傳感器發(fā)出的紅外光信號需要由目標(biāo)物體反射回來，再由光敏管接收， 從而實現(xiàn)對目標(biāo)的檢測，其原理如圖三所示3。圖二直射式紅外光線傳感器圖三反射式紅外光線傳感器直射型紅外光線傳感器把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側(cè)，檢測距離可達(dá)幾米乃至幾十米。檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關(guān)控制信號。反射式紅外光線傳感器的發(fā)光器和收光器被裝入同一個裝置內(nèi)，正常情況下， 發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到，一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關(guān)就動作，輸出一個開關(guān)控

9、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

10、，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 Vout 是反射面與傳感器間距X 的函數(shù)，當(dāng)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時，X 與 Vout 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)X 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

11、，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 X 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

12、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

13、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，檢測到的運動速度

14、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，實現(xiàn)簡單的機(jī)械運動，其效率和靈敏度很低。 在現(xiàn)代化的今天，越來越

15、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， 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， 學(xué)好相關(guān)的專業(yè)知識，學(xué)以致用，將理論聯(lián)系實際，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，