1、傳感器與檢測技術結業作業 題 目：光電傳感器的應用 專 業：電氣工程及其自動化姓 名：張治中班 級：K0313417學 號：K031341725日 期：2015.12.25摘要：能感受規定的被測量并按照一定的規律轉換成可用信號的器件或裝置叫做傳感器，通常由敏感元件和轉換元件組成。傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器一般由敏感元件、轉換元件、基本轉換電路三部分組成，組成框圖見圖1。 新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要解決的就

2、是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主要途徑與手段。如今，傳感器早已滲透到諸如工業生產、宇宙開發、海洋探測、環境保護、資源調查、醫學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，以至各種復雜的工程系統，幾乎每一個現代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。圖2光電式傳感器（photoelectric transducer），基于光電效應的傳感器，在受到可見光照射后即產生光電效，將光信號轉換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應用極廣泛的重要

3、敏感器件。關鍵詞：光電傳感器、光電效應、轉速測量1設計目的轉速測量是社會生產和日常生活中重要的測量和控制對象。近年來，由于世界范圍內對轉速測量合理利用的日益重視，促使轉速測量技術的迅速發展，各種新型的測量儀表相繼問世并越來越多地得到應用。進行轉速測量的檢測控制，可以使用多種傳感器。由于技術保密，廠家不會提供詳細電路圖和源代碼，用戶很難自行進行二次開發和改進。針對這種現狀，使用光電傳感器結合STC公司的STC 89C51型單片機設計的一種轉速測量與控制系統。STC 89C51單片機采用了CMOS工藝和高密度非易失性存儲器技術，而且其輸入/輸出引腳和指令系統都與MCS-51兼容，是開發該系統的適合

4、芯片。2 系統組成及工作原理2.1 轉速測量原理在此采用頻率測量法，其測量原理為，在固定的測量時間內，計取轉速傳感器產生的脈沖個數，從而算出實際轉速。設固定的測量時間為Tc（min），計數器計取的脈沖個數m，假定脈沖發生器每轉輸出p個脈沖，對應被測轉速為N（r/min），則f=pN/60Hz；另在測量時間Tc內，計取轉速傳感器輸出的脈沖個數m應為 m=Tcf ，所以，當測得m值時，就可算出實際轉速值1：N=60m/pTc (r/min)（1） 2.2 轉速測量系統組成框圖系統由信號預處理電路、單片機STC 89C51、系統化LED顯示模塊、串口數據存儲電路和系統軟件組成。其中信號預處理電路包含

5、信號放大、波形變換和波形整形。對待測信號進行放大的目的是降低對待測信號的幅度要求；波形變換和波形整形電路則用來將放大的信號轉換成可與單片機匹配的TTL信號；通過對單片機的編程設置可使內部定時器T0對輸入脈沖進行計數，這樣就能精確地算出加到T0引腳的單位時間內檢測到的脈沖數；設計中轉速顯示部分采用價格低廉且使用方便的LED模塊，通過相關計算方法計算得到的轉速通過I2C總線放到E2PROM存儲，既節省了所需單片機的口線和外圍器件，同時也簡化了顯示部分的軟件編程。系統的原理框圖如圖2.1所示。波形整形波形變換信 號放大器鍵盤模塊單片機數字存儲電路RS232LED 顯 示圖2.1 系統的原理框圖光電轉

6、換及信號調理電路設計傳感器將電機的轉速信號轉變成了電脈沖信號，該信號經過LM324集成運放整形驅動，送到單片機進行脈沖計數，從而測出電動機轉速。光電轉換部分與單片機的連接框圖如圖3.2所示。LED數碼管數碼顯示譯碼器計數脈沖整形驅動LM324傳感器STC 89C51圖3.2 光電轉換部分與單片機的連接框圖LM324是四運放集成電路，它采用14腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內部包含四組形式完全相同的運算放大器， 除電源共用外，四組運放相互獨立。每一組運算放大器可用圖3.3所示的符號來表示，它有5個引出腳，其中“+”、“-”為兩個信號輸入端，“V+”、“V-”為正、負電源端，“Vo”為輸出

7、端。兩個信號輸入端中，Vi-（-）為反相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的位相反;Vi+（+）為同相輸入端，表示運放輸出端Vo的信號與該輸入端的相位相同。LM324的引腳排列見圖3.4 圖3.3放大器圖 圖3.4 引腳圖由于LM324四運放電路具有電源電壓范圍寬，靜態功耗小，可單電源使用，價格低廉等優點，因此被廣泛應用在各種電路中。本設計計劃采用高性能集成四運放LM324來進行光電信號調理電路設計。電路采用兩級放大電路對脈沖信號進行放大，防止信號脈沖太小以至對實驗結果不產生影響。此外，還設計了有源帶通濾波器。為了達到預定效果，對系統運用MULTISIM 8進行模擬仿真，并利用模擬仿真

8、結果對有關元器件進行參數設定，以使電路滿足要求。如圖3.5所示是MULTISIM 進行電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結果。圖3.5 電路模擬仿真示意圖及其模擬仿真結果 電源模塊設計電源模塊為系統板上其它模塊提供5V電源以及±15V電源。電源的設計有分立元件和集成穩壓器幾種方法，目前較常用的是用集成穩壓器來設計穩壓電源。常用的集成穩壓器有固定式三端穩壓器與可調式三端穩壓器。常用可調式集成穩壓器有LM317系列，它們的輸出電壓從1.25V37伏可調，負端則為LM337等。最簡的電路外接元件只需一個固定電阻和一只電位器。其芯片內有過熱和安全工作區保護，最大輸出電流為1.5A。系統需要設計兩

9、個電源，其中5V電源采用7805，電路原理圖如圖3.12所示。原理：9V的交流電壓輸入后經橋堆整流，通過1000F的電解電容進行濾波，再經過集成穩壓器7805穩壓，C17、C19等電容對其進行濾波后，最后輸出+5V電壓。供系統板上的其它模塊使用。圖3.12 5V電源模塊電路圖±15V電源采用LM317與LM337設計，其典型電路如圖3.13。220V的交流電壓經變壓器變為±15V交流電壓，再經橋堆整流器變為大小變化的直流電壓。C1C4為濾波電容，濾除電壓中的高頻部分，使電壓趨于穩定的直流電壓。其中LM317和LM337構成±15V直流穩壓電源的穩壓部分，確保在其輸

10、出端的電壓穩定在1.25V左右。D1D4對LM317和LM337具有短路保護作用。通過對電位器R3、R4的調節來獲得所需的電壓，即±15V穩定的直流電壓。圖3.13 ±15V直流穩壓電源程序模塊設計軟件部分由數據處理程序、按鍵程序設計、中斷服務子程序、LED顯示程序等幾個部分組成。數據處理完成對各種測量數據的處理，如各種數據的計算、數據格式的轉換等。按鍵程序包括按鍵防抖動處理、判鍵及修改項目等。按鍵流程圖如圖4.1所示。定時器1服務子程序設計，流程圖如圖4.2所示。定時器1完成定時功能，定時2Oms，并每隔20ms進行一次顯示，每隔1秒讀一次計數結果。單片機對在1秒內計數的

11、值進行處理，轉換成每分鐘的速度送顯存以便顯示。 圖4.1 按鍵流程圖 圖4.2定時器1服務子程序流程圖 制作調試及精度評價方法在硬件調試與制作方面，可從下面系列著手考慮。信號盤可用一般鋼板制成，這個信號盤就是發動機實驗時所用的轉盤，盤上共有11個齒，每個大孔直徑為6mm，盤中心還有一個中心孔。中心孔主要用于在固定發動機上。將信號盤與電機安裝在一起，使其隨電機轉動；傳感器固定在支架上，垂直于轉速盤，當轉速盤旋轉時，光電傳感器就輸出矩形脈沖信號，每11個脈沖對應發動機1個工作循環，其中的2個寬脈沖信號配合上止點信號可精確確定上止點的位置。此檢測裝置完全按照發動機上傳感器的實際安裝位置進行安裝。如圖

12、5.1，將信號盤固定在電動機轉軸上，光電轉速傳感器正對著信號盤。光電轉速傳感器接有4根導線，其中黑線、黃線為電源輸入線，紅線為信號輸出線，白線為共地線。測量頭由光電轉速傳感器組成，而且測量頭兩端的距離與信號盤的距離相等。測量用器件封裝后，固定裝在貼近信號盤的位置，當信號盤轉動時，光電元件即可輸出正負交替的周期性脈沖信號。信號盤旋轉一周產生的脈沖數，等于其上的孔數。因此，脈沖信號的頻率大小就反映了信號盤轉速的高低。此轉速測量裝置可以實現數字顯示，成為數字式轉速表。圖5.1 轉速測速示意圖除了要考慮到硬件方面，對軟件調試也不能忽視。程序應該模塊化，便于修改。使用RAM或IO，必須先定義再使用，避免

13、直接引用。將來需要調整時，只要修改定義部分就好了。寫程序要有足夠的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。每次修改程序，應該同步更新相關的注釋、說明文檔、流程圖、原理圖。免得下次再改時對不上號。系統評定設計已基本完成題目中的各項要求，但是還是有一定的誤差，其中電機轉速的測量與實際轉速相差15 轉/分左右，經分析主要是由以下原因造成的：中斷處理的進入和中斷處理程序都會有一定時間的延時，從而造成時間閘門的誤差，這是造成測量誤差的一個主要因素。另外，由于電機的轉盤是采用塑料盤片磨制而成，高速旋轉時容易打飄不穩，導致獲得的脈沖信號頻率與實際轉速有一定的誤差。系統關鍵零部件零部件89C51A/D轉換芯片LCD顯

14、示屏Rs232、光電傳感器可以用不同的觀點對傳感器進行分類：它們的轉換原理(傳感器工作的基本物理或化學效應)；它們的用途；它們的輸出信號類型以及制作它們的材料和工藝等。按照其用途，傳感器可分類為：壓力敏和力敏傳感器、位置傳感器、液面傳感器、能耗傳感器、速度傳感器、加速度傳感器、射線輻射傳感器、熱敏傳感器等；按照其原理，傳感器可分類為：振動傳感器、濕敏傳感器、磁敏傳感器、氣敏傳感器真空度傳感器、生物傳感器等。例如以下幾個：1）槽開光電開關把一個光發射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發光器能發出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，

15、光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。 2）對射式光電開光若把發光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發光器和一個收光器組成的光電開關就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號。 3）反光板反射式光電開關把發光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射鏡反射式）光電開關。正常情況下，發光器

16、發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，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。 4）擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發光器和一個收光器，但前方沒有反光板。正常情況下發光器發出的光收光器是收不到的；當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信號。光纖式光電開關把發光器發出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。四光電傳感器的應用 4.1光電傳感器的應用特點檢測距離長。對檢測物體的限制少。

17、響應時間短。分辨率高。能通過高級設計使投光光束集中在小光點，或通過構成特殊的受光光學系統，來實現高分辨率。也可進行微小物體的檢測和高精度的位置檢測?？蓪崿F非接觸的檢測?？蔁o機械接觸地檢測物體，因此不會對檢測物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長期使用?？蓪崿F顏色判別。通過檢測物體形成的光的反射率和吸收率根據被投光的光線波長和檢測物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質，可對檢測物體的顏色進行檢測。便于調整。在投射可視光的類型中，投光光束是眼睛可見的，便于對檢測物體的位置進行調整。4.2光電傳感器的應用實例4.21測量工件表面的缺陷用光電傳感器測量工件表面缺陷的工作原理如圖1 所示，激光管1 發出的光束經過透鏡2 和3 變為平行光束，再由透鏡4 把平行光束聚焦在工件7的表面上，形成寬約0.1mm 的細長光帶。光欄5 用于控制光通量。如果工件表面有缺陷( 粗糙、裂紋等) ，則會引起光束偏轉或散射，這些光被硅光電池6 接收，即可轉換成電信號輸出。4.22 測量轉速如圖2所示為用光電傳感器測量轉速的工作原理。在電動機的旋轉軸上涂上黑白兩種顏色，當電動機轉動時，反射光與不反射光交替出現，光電元件1相應地間斷接收光的反射信