光敏傳感器的應(yīng)用

PAGE1畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）論文（設(shè)計(jì)）題目：光敏傳感器的應(yīng)用所屬系別專業(yè)班級(jí)姓名學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師摘要在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中，對(duì)于高精密的產(chǎn)品需要借助各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù)，使設(shè)備工作在正常狀態(tài)或最佳狀態(tài)，并使產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量。因此可以說(shuō)，沒(méi)有眾多的優(yōu)良的傳感器，現(xiàn)代化生產(chǎn)也就失去了基礎(chǔ)。而光敏傳感器是利用光敏元件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。本文主要介紹了傳感器的分類及認(rèn)識(shí)，對(duì)光敏傳感器的工作原理概述，并對(duì)光敏傳感器在實(shí)際中的應(yīng)用進(jìn)行了介紹。關(guān)鍵詞：光敏傳感器；結(jié)構(gòu)；工作原理；應(yīng)用AbstractInmodernindustrialproduction,forthehighprecisionproductsneededbyvarioussensorstomonitorandcontroltheproductionprocessparameters,sothatthedevicesworkinthenormalstateorcondition,andmakethebestproductstothequality.Sowecansay,withoutalargenumberofexcellentsensor,themodernizationofproductionalsolostthefoundation.Whilethephotosensitivesensoristheuseofaphotosensitiveelementtoconvertopticalsignalsintoelectricalsignalsofthesensor,automaticcontrolandelectricmeasurementtechnologyoccupiesaveryimportantposition.Thispapermainlyintroducestheclassificationofsensorandtheunderstanding,theapplicationinpracticeareintroduced.Keywords：Photosensitivesensor;structure;workingprinciple;application目錄1引言 12傳感器的概述 12.1傳感器的定義 12.2傳感器的組成 12.3傳感器的特性 22.4光敏傳感器 23光敏傳感器的工作原理 34光敏傳感器的應(yīng)用 54.1光敏傳感器在智能手機(jī)上的應(yīng)用 54.2光敏傳感器在聲光控開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用 75總結(jié) 8參考文獻(xiàn) 9致謝詞 101引言傳感器是一種能夠感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，其輸入信號(hào)（被測(cè)量）往往是非電量，輸出信號(hào)常常為易于處理的電量，如電壓等。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，工業(yè)技術(shù)的廣泛拓展，而人類在探知各個(gè)未知領(lǐng)域和空間的拓展，電子信息種類也日益繁多，信息傳遞速度日益加快，信息處理能力日益增強(qiáng)，相應(yīng)的信息采集——傳感技術(shù)也將日益發(fā)展，傳感器也將無(wú)所不在。在機(jī)電一體化系統(tǒng)中，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當(dāng)于系統(tǒng)感受器官，能快速、精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴(yán)酷環(huán)境考驗(yàn)，是機(jī)電一體化系統(tǒng)達(dá)到高水平的保證。如缺少這些傳感器對(duì)系統(tǒng)狀態(tài)和對(duì)信息精確而可靠的自動(dòng)檢測(cè)，系統(tǒng)的信息處理、控制決策等功能就無(wú)法談及和實(shí)現(xiàn)。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因而在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用。2傳感器的概述2.1傳感器的定義傳感器好比人的五官，人通過(guò)五官即眼（視覺(jué)）、耳（聽(tīng)覺(jué)）、鼻（嗅覺(jué)）、舌（味覺(jué)）、四肢（觸覺(jué)）感知和接收外界信息，然后通過(guò)神經(jīng)系統(tǒng)傳輸給大腦進(jìn)行加工處理。傳感器則是一個(gè)控制系統(tǒng)的“電五官”，它感測(cè)到外界的信息，然后反饋給系統(tǒng)的處理器即“電腦”進(jìn)行加工處理。傳感器是一種以一定的精確度把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、便于應(yīng)用的某種物理量的測(cè)量裝置。其具體含義包括以下幾方面：（1）傳感器是測(cè)量裝置，能完成檢測(cè)任務(wù)；（2）它的輸入量是某一被測(cè)量，可能是物理量，也可能是化學(xué)量、生物量等；（3）它的輸出量是某種物理量，且這種量要便于傳輸、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等，另外，這種量可以是氣、光、電量，但主要是電量；（4）輸出/輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系，且應(yīng)有一定的精確程度。2.2傳感器的組成傳感器的輸出信號(hào)通常是電量，因?yàn)樗阌趥鬏?、轉(zhuǎn)換、處理和顯示等。電量有很多形式，如電壓、電流、電容、電阻等，輸出信號(hào)的形式由傳感器的原理確定。通常，傳感器由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件及其他輔助部件組成。其中，敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分；轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦袑⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào)的部分。由于傳感器的輸出信號(hào)一般都很微弱，因此需要有信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路對(duì)其進(jìn)行放大和運(yùn)算調(diào)制等。隨著半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)在傳感器中的應(yīng)用，傳感器的信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路可以安裝在傳感器的殼體里，也可以與敏感元件一起集成在同一芯片上。此外，信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及傳感器工作必須有輔助電源，因此，信號(hào)調(diào)理與轉(zhuǎn)換電路以及所需的電源都應(yīng)作為傳感器組成的一部分。（1）敏感元件。它能直接感受被測(cè)非電量，并按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成與被測(cè)非電量有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的其他物理量。（2）轉(zhuǎn)換器件（又稱變換器、傳感器件）。將敏感元件輸出的非電物理量（如位移、應(yīng)變、光強(qiáng)等）轉(zhuǎn)換成電路參量。（3）信號(hào)調(diào)節(jié)（轉(zhuǎn)換）電路。將轉(zhuǎn)換器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、運(yùn)算、處理等，以獲得便于顯示、記錄、處理和控制的有用電信號(hào)。（4）輔助電源。它的作用是提供能源。有的傳感器需要外部電源供電；有的傳感器則不需要外部電源供電，如壓電傳感器。2.3傳感器的特性傳感器的特性是指?jìng)鞲衅鞯妮斎肓亢洼敵隽恐g的對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常把傳感器的特性分為兩種：靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性。靜態(tài)特性是指輸入不隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器在被測(cè)量各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)下輸入輸出的關(guān)系。動(dòng)態(tài)特性是指輸入隨時(shí)間而變化的特性，它表示傳感器對(duì)隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。一般來(lái)說(shuō)，傳感器的輸入和輸出關(guān)系可用微分方程來(lái)描述。理論上，將微分方程中的一階及以上的微分項(xiàng)取為零時(shí)，即可得到靜態(tài)特性。因此傳感器的靜特性是其動(dòng)特性的一個(gè)特例。傳感器除了描述輸入與輸出量之間的關(guān)系特性外，還有與使用條件、使用環(huán)境、使用要求等有關(guān)的特性。2.4光敏傳感器光敏傳感器是最常見(jiàn)的傳感器之一，它的種類繁多，主要有：光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽(yáng)能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長(zhǎng)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)附近，包括紅外線波長(zhǎng)和紫外線波長(zhǎng)。2-1光敏傳感器光傳感器不只局限于對(duì)光的探測(cè)，它還可以作為探測(cè)元件組成其他傳感器，對(duì)許多非電量進(jìn)行檢測(cè)，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的變化即可。光傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動(dòng)控制和非電量電測(cè)技術(shù)中占有非常重要的地位。最簡(jiǎn)單的光敏傳感器是光敏電阻，當(dāng)光子沖擊接合處就會(huì)產(chǎn)生電流。3光敏傳感器的工作原理光敏傳感器內(nèi)裝有一個(gè)高精度的光電管,光電管內(nèi)有一塊由”針式二管”組成的小平板,當(dāng)向光電管兩端施加一個(gè)反向的固定壓時(shí),任何光了對(duì)它的沖擊都將導(dǎo)致其釋放出電子,結(jié)果是,當(dāng)光照強(qiáng)度越高,光電管的電流也就越大,電流通過(guò)一個(gè)電阻時(shí),電阻兩端的電壓被轉(zhuǎn)換成可被采集器的數(shù)模轉(zhuǎn)換器接受的0-5V電壓,然后采集以適當(dāng)?shù)男问桨呀Y(jié)果保存下來(lái).簡(jiǎn)單的說(shuō)，光敏傳感器就是利用光敏電阻受光線強(qiáng)度影響而阻值發(fā)生變化的原理向機(jī)器人主機(jī)發(fā)送光線強(qiáng)度的模擬信號(hào)。光敏電阻器又叫光感電阻，其工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏電阻是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。⑴光敏電阻原理：它是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的。光敏電阻無(wú)極性，純粹是一個(gè)電阻元件。使用時(shí)可以加直流電壓，也可以加交流電壓。光敏電阻的工作原理：光照時(shí)，電阻很??；無(wú)光照時(shí)，電阻很大。光照越強(qiáng)，電阻越??；光照停止，電阻又恢復(fù)原值。光譜范圍：從紫外線區(qū)到紅外線區(qū)。優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小，性能穩(wěn)定，價(jià)格較低。光敏電阻的性能參數(shù)：光敏電阻不受光照時(shí)的電阻成為暗電阻，此時(shí)流過(guò)的電流成為暗電流。在受到光照時(shí)的電阻成為亮電阻，此時(shí)電流稱為亮電流。暗電阻越大越好，亮電阻越小越好。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，暗電阻大約在兆歐級(jí)，亮電阻大約在幾千歐以下。光敏電阻的伏安特性：①所加電壓Ｕ越高，光電流Ｉ也越大，而且無(wú)飽和現(xiàn)象。②在給定的光照下，Ｕ－Ｉ曲線是一直線，說(shuō)明電阻值與外加電壓無(wú)關(guān)。③在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隨光照的增強(qiáng)而增加。(2)光敏二極管光敏二極管與半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的,其管芯是一個(gè)具有光敏特征的PN結(jié)，具有單向?qū)щ娦?，因此工作時(shí)需加上反向電壓。無(wú)光照時(shí),有很小的飽和反向漏電流,即暗電流，此時(shí)光敏二極管截止。當(dāng)受到光照時(shí),飽和反向漏電流大大增加，形成光電流,它隨入射光強(qiáng)度的變化而變化。當(dāng)光線照射PN結(jié)時(shí)，可以使PN結(jié)中產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，使少數(shù)載流子的密度增加。這些載流子在反向電壓下漂移，使反向電流增加。因此可以利用光照強(qiáng)弱來(lái)改變電路中的電流。無(wú)光是出于截止?fàn)顟B(tài)，有光時(shí)導(dǎo)通。（3）光敏三極管非為PNP和NPN兩種。光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。通?；鶚O不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。光電特性：在光敏電阻兩級(jí)電壓固定不變時(shí)，光照度與電阻及電流間的關(guān)系稱為光電特性，光電特性曲線如圖3-1所示圖3-1光敏電阻特性曲線4光敏傳感器的應(yīng)用光敏傳感器的應(yīng)用主要是光敏電阻的應(yīng)用，因此在自動(dòng)控制、家用電器中存在廣泛的應(yīng)用，例如：在電視機(jī)中作亮度自動(dòng)調(diào)節(jié)、在照相機(jī)中作自動(dòng)曝光、在路燈、航標(biāo)中作自動(dòng)電路控制、防盜報(bào)警裝置等。4.1光敏傳感器在智能手機(jī)上的應(yīng)用手機(jī)從最初的芯片降耗節(jié)能，實(shí)現(xiàn)超常待機(jī)，到LCD“屏變”，節(jié)能、健康、不刺眼，一直發(fā)展到今天，利用線性光敏傳感器LXD/GB5-A1DPZ實(shí)現(xiàn)諸多功能，值得大家一起來(lái)鑒賞：⑴節(jié)能（鍵盤(pán)感應(yīng)）在正常使用手機(jī)的情況下，白天可自動(dòng)關(guān)閉鍵盤(pán)背光燈，晚上則可自動(dòng)開(kāi)啟，起到節(jié)能作用。⑵智能感光（LCD屏感應(yīng)）感應(yīng)環(huán)境光線強(qiáng)弱自動(dòng)調(diào)節(jié)LCD屏亮度等級(jí)、圖像色彩。太陽(yáng)光下看得更清晰，晚上不刺眼，隨時(shí)隨地自動(dòng)調(diào)節(jié)亮度。保護(hù)視力的同時(shí)能節(jié)省30%的功耗。⑶來(lái)電鈴聲轉(zhuǎn)靜音當(dāng)您正在會(huì)議中，手機(jī)卻響起洪亮的來(lái)電鈴聲，而對(duì)方又是自己多年未見(jiàn)的好朋友，接？還是掛？都不行！輕觸光感IC窗口兩次，來(lái)電鈴聲輕松轉(zhuǎn)為靜音了，既不打擾會(huì)議，又不會(huì)得罪朋友，一舉兩得。⑷拍攝自動(dòng)補(bǔ)光感應(yīng)拍照時(shí)什么時(shí)候該開(kāi)補(bǔ)光燈呢？交給光感ICLXD/GB5-A1DPZ吧，只要您在自動(dòng)模式下，它就會(huì)在需要補(bǔ)光時(shí)自動(dòng)為您開(kāi)啟補(bǔ)光燈，不需時(shí)自動(dòng)為您關(guān)閉。⑸應(yīng)用電路以國(guó)產(chǎn)器件為例介紹下可見(jiàn)光傳感器在手機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)是專為小型數(shù)碼產(chǎn)品設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的低照度IC型可見(jiàn)光傳感器，為縮小體積，為國(guó)標(biāo)LED1206的2腳貼片封裝，采用串聯(lián)電流輸出方式，串一個(gè)電阻就可以轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)是線性輸出的器件，非常適合帶ADC口的芯片，只需增加一個(gè)電阻就可以完成硬件的電路。CPU從ADC口讀出的是一個(gè)數(shù)字，這數(shù)字隨LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)感應(yīng)到光的亮度的變化而變化，光越強(qiáng)這數(shù)字就越大，光減弱這數(shù)字也跟著減小，這樣軟件設(shè)計(jì)人員就非常簡(jiǎn)單方便的利用這個(gè)數(shù)字。假設(shè)在最強(qiáng)的環(huán)境光下讀出的數(shù)值是9999，如果背光亮度分5級(jí)變光，那預(yù)設(shè)每級(jí)的增量就是2000，在實(shí)際調(diào)試中再作增減。如果是數(shù)字輸出的軟件設(shè)計(jì)人員還得學(xué)習(xí)了解該器件的數(shù)字輸出方式，測(cè)試解決好跟CPU的IO口握手的問(wèn)題，增加了工作量跟開(kāi)發(fā)周期。建議采樣周期為0.5秒，不會(huì)過(guò)多的占用系統(tǒng)資源。手機(jī)在使用中比如在車上，會(huì)一時(shí)在太陽(yáng)下一時(shí)在樹(shù)陰下，為了避免屏幕背光跟隨環(huán)境光突變產(chǎn)生頻閃傷害到眼睛，需要在級(jí)與級(jí)變化中加上延時(shí)，具體的延時(shí)時(shí)間看各手機(jī)公司的方案了，一般是在2秒內(nèi)完成級(jí)變。圖4-1應(yīng)用電路很多的手機(jī)廠家更有自己的創(chuàng)意，有一個(gè)光控鈴聲音量的功能，即通過(guò)外界光線的強(qiáng)弱，來(lái)控制鈴聲的大小，如手機(jī)裝在衣服口袋或是皮包里時(shí)，就大聲振鈴，而取出時(shí)，環(huán)境光改變了，振鈴就隨著減小。這個(gè)功能很有意思，一方面可以避免鈴聲過(guò)小誤接電話，一方面又可以適應(yīng)環(huán)境的需要，避免影響他人，同時(shí)還能節(jié)省電量。4.2光敏傳感器在聲光控開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用聲光控開(kāi)關(guān)節(jié)能燈控制電路方框如圖4-2所示：聲音信號(hào)聲音信號(hào)MIC電子開(kāi)關(guān)與非門(mén)控制電路光敏電阻整流電路延時(shí)電路圖4-2聲光控開(kāi)關(guān)節(jié)能燈控制電路光敏器件包括光敏電阻、光敏二極管及光敏三極管等。光敏器件可以用來(lái)以可見(jiàn)光或紅外光的形式控制報(bào)警器、測(cè)試儀、自動(dòng)開(kāi)關(guān)、繼電器等多種裝置或執(zhí)行機(jī)構(gòu)。因此光敏器件在自動(dòng)化技術(shù)中起著極其重要的作用。光敏電阻的特性與人眼最為接近，因此，光敏電阻比較適合用于聲光控路燈、照相機(jī)曝光表、空氣煙塵檢測(cè)器等可見(jiàn)光裝置。在光線較暗時(shí)，光敏電阻呈高阻態(tài)；在光線較亮?xí)r，光敏電阻呈低阻態(tài)，光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。因此，選擇光敏電阻做為光敏器件。每個(gè)與非門(mén)有2個(gè)輸入端一個(gè)輸出端，與非門(mén)的特點(diǎn)是，輸入端有低電平輸出高電平，輸入端全部高電平輸出低電平，邏輯表達(dá)式為：。圖3-2CD4011內(nèi)部結(jié)構(gòu)聲光控電路不僅應(yīng)用于燈開(kāi)關(guān)，還可以應(yīng)用很多的自動(dòng)開(kāi)關(guān)電路，甚至還可以做成簡(jiǎn)易的報(bào)警電路；做為學(xué)電子信息的一名學(xué)生，我們還可在這一領(lǐng)域探討研究，將聲光控電路加以改進(jìn)。實(shí)踐證明：采用聲光控電路能有效的節(jié)約能源。因此構(gòu)建節(jié)約型社會(huì)，請(qǐng)選擇聲光控傳感電路產(chǎn)品。5總結(jié)隨著社會(huì)的發(fā)展，電子信息、傳感器產(chǎn)品在日常生活中屢見(jiàn)不新，更新的速度也飛之極快。傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測(cè)、感受外界的信號(hào)、物理?xiàng)l件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并將探知的信息傳遞給其他裝置或器官，也就是我們所說(shuō)的將非電量轉(zhuǎn)化為電量的一種儀器。光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中將得到廣泛應(yīng)用。

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