【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 8 頁(yè) 共 29 頁(yè) 第二章 元 器 件 方案 傳感器 根據(jù)我對(duì)市場(chǎng)的調(diào)查了解，目前傳感器有 CCD 圖像傳感器 、電容式傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器四種。 CCD圖像傳感器 這種傳感器 可直接將光學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)圖像的獲取、存儲(chǔ)、傳輸、處理和復(fù)現(xiàn)。其顯著特點(diǎn)是： ； ，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長(zhǎng)； ，噪聲低， 動(dòng)態(tài)范圍 大； 速度快，有自?huà)呙韫δ?，圖像畸變小，無(wú)殘像； 術(shù)生產(chǎn)，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。因此，許多采用光學(xué)方法測(cè)量外徑的儀器，把 CCD 器件作為光電接收 器。 CCD 從功能上可分為 線(xiàn)陣 CCD 和面陣 CCD 兩大類(lèi)。線(xiàn)陣 CCD 通常將 CCD內(nèi)部電極 分成數(shù)組，每組稱(chēng)為一相，并施加同樣的時(shí)鐘脈沖。所需相數(shù)由 CCD芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定，結(jié)構(gòu)相異的 CCD 可滿(mǎn)足不同場(chǎng)合的使用要求。線(xiàn)陣 CCD 有單溝道和雙溝道之分，其光敏區(qū)是 MOS 電容或光敏二極管結(jié)構(gòu)，生產(chǎn)工藝相對(duì)較簡(jiǎn)單。它由光敏區(qū)陣列與移位寄存器掃描電路組成，特點(diǎn)是處理信息速度快，外圍電路簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，但獲取信息量小，不能處理復(fù)雜的圖像。面陣CCD 的結(jié)構(gòu)要復(fù)雜得多，它由很多光敏區(qū)排列成一個(gè)方陣，并以一定的形式連接成一個(gè)器件，獲取信息量大，能處理復(fù)雜的圖像。 電容式 傳感器 它是一種 把被測(cè)的機(jī)械量， 如位移、壓力等轉(zhuǎn)換為電容量變化的傳感器。它的敏感部分就是具有可變參數(shù)的電容器。其最常用的形式是由兩個(gè)平行電極組成、極間以空氣為介質(zhì)的電容器。若忽略邊緣效應(yīng)，平板電容器的電容為 εA／ δ，式中 ε為極間介質(zhì)的介電常數(shù)， A 為兩電極互相覆蓋的有效面積 ,δ為兩電極之間的距離。 δ、 A、 ε 三個(gè)參數(shù)中任一個(gè)的變化都將引起電容量變化，并可用于測(cè)量。因此電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型、介質(zhì)變化型三類(lèi)。極距變化型一般用來(lái)測(cè)量微小的線(xiàn)位移或由于力、壓力、振動(dòng)等引起的極距變化。面積變化型一般用于測(cè)量角位移或較大的線(xiàn)位移。介 質(zhì)變化型常用于物位測(cè)量和各種介質(zhì)的溫度、密度、濕度的測(cè)定。電容器傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,價(jià)格便宜，靈敏度高 ,過(guò)載能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng) 四 川 科 技 職 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 9 頁(yè) 共 29 頁(yè) 性強(qiáng)等。缺點(diǎn)是輸出有非線(xiàn)性，寄生電容和分布電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等。 70 年代末以來(lái) ,隨著集成電路技術(shù)的發(fā)展 ,出現(xiàn)了與微型測(cè)量?jī)x表封裝在一起的電容式傳感器。這種新型的傳感器能使分布電容的影響大為減小，使其固有的缺點(diǎn)得到克服。電容式傳感器是一種用途極廣，很有發(fā)展?jié)摿Φ膫鞲衅鳌? 超聲波傳感器 超聲波傳感器 是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線(xiàn)而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽(yáng)光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位（液位）監(jiān)測(cè)，機(jī)器人防撞，各種超聲波接近開(kāi)關(guān)，以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng) 域，工作可靠，安裝方便， 防水型，發(fā)射夾角較小，靈敏度高，方便與工業(yè)顯示儀表連接，也提供發(fā)射夾角較大的探頭。 光電傳感器 光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)（紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。 它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 標(biāo)準(zhǔn)的光電傳感器可以分為 漫反射型 、 反射型 、 對(duì)射型 、 槽型 、 光纖傳感器 、色標(biāo)傳感器 、 光通訊 、 激光測(cè)距 、 光柵 、 防爆 /隔爆型 等十種。 它的特長(zhǎng)有以下七點(diǎn)： （ 1） 檢測(cè)距離長(zhǎng) 如果在對(duì) 射型中保留 10m以上的檢測(cè)距離等，便能實(shí)現(xiàn)其他檢測(cè)手段（磁性、超聲波等） 無(wú)法離檢測(cè)。 （ 2） 對(duì)檢測(cè)物體的限制少 由于以檢測(cè)物體引起的遮光和反射為檢測(cè)原理，所以不象接近傳感器等將檢測(cè)物體限定 在金屬，它可對(duì)玻璃 .塑料 .木材 .液體等幾乎所有物體進(jìn)行檢測(cè)。 四 川 科 技 職 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 10頁(yè) 共 29頁(yè) （ 3） 響應(yīng)時(shí)間短 光本身為高速，并且傳感器的電路都由電子零件構(gòu)成，所以不包含機(jī)械性工作時(shí)間，響應(yīng)時(shí)間非常短。 （ 4） 分辨率高 能通過(guò)高級(jí)設(shè)計(jì)技術(shù)使投光光束集中在小光點(diǎn)，或通過(guò)構(gòu)成特殊的受光光學(xué)系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高分辨率。也可進(jìn)行微小物體的檢測(cè)和高精度的位置檢 測(cè)。 （ 5） 可實(shí)現(xiàn)非接觸的檢測(cè) 可以無(wú)須機(jī)械性地接觸檢測(cè)物體實(shí)現(xiàn)檢測(cè)，因此不會(huì)對(duì)檢測(cè)物體和傳感器造成損傷。因此，傳感器能長(zhǎng)期使用。 （ 6） 可實(shí)現(xiàn)顏色判別 通過(guò)檢測(cè)物體形成的光的反射率和吸收率根據(jù)被投光的光線(xiàn)波長(zhǎng)和檢測(cè)物體的顏色組合 而有所差異。利用這種性質(zhì)，可對(duì)檢測(cè)物體的顏色進(jìn)行檢測(cè)。 （ 7） 便于調(diào)整 在投射可視光的類(lèi)型中，投光光束是眼睛可見(jiàn)的，便于對(duì)檢測(cè)物體的位置進(jìn)行調(diào)整。 因此 ,光電式傳感器 在檢測(cè)和控制中 得到廣泛的應(yīng)用 。 通過(guò)幾種傳感器的辯證比較，我選擇了第四種 —— 光電傳感器 ，并采用其中的反射式光電傳感器 來(lái)作為我設(shè)計(jì)的核心元件。 發(fā)光二極管（ LED） 做傳感器的 LED 要求亮度高，顏色合適，光斑形狀合適。為了防止 LED 損壞，應(yīng)該注意：（ 1） LED 的伏安特性曲線(xiàn)很陡，測(cè)試和使用時(shí)一定要串聯(lián)電阻限制電流。（ 2）氮化鎵材料的高亮度 LED 容易被反向電壓、靜電或電源尖峰擊穿損壞，電源電壓較高時(shí)不可反饋。 不同的管子允許的工作電流不同，紅外的平均電流最大可以用到 100 毫安，用作調(diào)制時(shí)幾十微妙的窄脈沖峰值甚至可以接近 1 安。 3 毫米的白色高亮度管子持續(xù)最大電流 20 毫安，一般低亮度的管子要小一些，工作電流的限制一是發(fā)熱限制平均電流，二是高電流下亮度飽和限制峰值電流，有些管子電流大了之后還 四 川 科 技 職 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 11頁(yè) 共 29頁(yè) 會(huì)變色。 常用的 LED 有紅外，紅，橙，黃，黃綠，純綠，藍(lán)，紫，白等顏色，作為成品銷(xiāo)售的“變色 LED”是在一個(gè)管殼里封裝了多個(gè)不同顏色的 LED，紅，綠，藍(lán)三色的 LED 非常適合作顏色傳感器的照明。紅外線(xiàn) LED 配合紅外接收管抗干擾能力強(qiáng)，但 是不適合用于識(shí)別顏色，因?yàn)槲矬w在可見(jiàn)光下的顏色不能很好的代表它對(duì)于紅外線(xiàn)的反射率。 LED 發(fā)光的原理是半導(dǎo)體 PN 結(jié)中的電子與空穴復(fù)合時(shí)產(chǎn)生光子，不同的材料由于能帶寬度不同，導(dǎo)致發(fā)光顏色和導(dǎo)通電壓不同。另外，不同材料的發(fā)光效率（一般以量子效率衡量，量子效率 =發(fā)射的光子數(shù) /流過(guò)的電子數(shù)）也有較大的差別（見(jiàn)表 21）。 表 21 常用 LED 的參數(shù)比較 材料 發(fā)光顏色 量子效率（與工藝有關(guān)） 砷化鎵 紅外 高， 30% 磷砷化鎵 紅 中， 10% 磷化鎵 (摻雜氮 ) 黃綠 低，不到 1% 磷化鎵 (摻雜氧化鋅 ) 紅到 黃 中低 鋁砷化鎵 鮮紅 中高 鋁鎵銦磷 橙紅 高， 30% 氮化鎵 從純綠到紫外 高， 20% 接收管 常用的接收管有硅光電二極管，硅光電三極管，光敏電阻三種。光電二極管產(chǎn)生的電流小，需要高倍放大，但是速度很高，可以高頻調(diào)制，在遮光狀態(tài)下的特性類(lèi)似普通二極管，使用時(shí)加反向電壓，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的光電流。光電三極管一般基極不引出，只有兩根管腳，購(gòu)買(mǎi)的時(shí)候叫作光敏管。光電三極 四 川 科 技 職 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 12頁(yè) 共 29頁(yè) 管產(chǎn)生的電流較大，無(wú)需前置高倍放大，但是速度較低，調(diào)制頻率低于 100KHz。遮光狀態(tài)下正反向電阻都很大，用強(qiáng)光照射， 可以測(cè)出一個(gè)方向的電阻明顯變小，這個(gè)方向是正向，使用時(shí)加正向電壓＞ 1V，輸出與光照強(qiáng)度近似成正比的光電流。 這些光電接收管的外殼有無(wú)色透明和黑色兩種，黑色管殼幾乎只透過(guò)紅外光，與紅外發(fā)光管配套使用。 光敏電阻的電特性是電阻而不是恒流，受到光照后電阻值大幅度減小，輸出電流也較大，數(shù)量級(jí)類(lèi)似光電三極管。工作頻率一般較低，但也有高的。在使用上最重要的區(qū)別于光敏電阻接收光照的是一個(gè)平面，沒(méi)有管殼聚光，方向性差，一般用在不區(qū)分光照方向或者要降低成本的電路里。 接收管的光譜特性： 光電二極管，光電三極管都是半導(dǎo)體 PN 結(jié) 光電元件，靠?jī)?nèi)光電效應(yīng)接收光線(xiàn)，因此入射光子能量超過(guò)材料能帶寬度才能接收，表現(xiàn)在它的光譜。靈敏度特性在長(zhǎng)波方向有一個(gè)陡的截止。在短波方向如果波長(zhǎng)太短，靈敏度也會(huì)下降。一般的硅管最適合用在紅外到紅黃光范圍內(nèi)，但是可以一直用到近紫外。 另類(lèi)的應(yīng)用，用發(fā)光二極管當(dāng)充電二極管，它的材料能帶較寬，只接收短波的可見(jiàn)光。理論上可以用于識(shí)別顏色。 某些光敏電阻對(duì)于可見(jiàn)光中間部分的靈敏度較高。加裝濾色片可以方便的改變管子的光譜特性，以制造各種顏色傳感器。 四 川 科 技 職 業(yè) 學(xué) 院 畢 業(yè) 論 文 ( 設(shè) 計(jì) ) 第 13頁(yè) 共 29頁(yè) 第三 章 紅外線(xiàn)控制自動(dòng)水龍頭設(shè)計(jì) 水龍頭的構(gòu) 成 及傳感器控制 水龍頭采用了反射式紅外傳感器。紅外線(xiàn)的發(fā)射和接收一般使用紅外發(fā)光二極管和紅外接收管來(lái)完成。當(dāng)有物體靠近時(shí)，一部份紅外光被發(fā)射到接收管。反射 式紅外傳感器（如 圖 31 所示 ）。 圖 31 反射式紅外傳感器 反射式光電傳感器可以用來(lái)檢測(cè)地面明暗和顏色的變化，也可以探測(cè)有無(wú)接近的物體。我設(shè)計(jì)的紅外線(xiàn)控制自動(dòng)水龍頭就運(yùn)用了它這個(gè)特點(diǎn)。 光譜范圍，靈敏度，抗干擾能力，輸出特性等都是反射式光電傳感器的重要參數(shù)。 這種光電傳感器的基本原理是，當(dāng)人或有物體接近時(shí)，遮擋了紅外光，光敏元件接收到光信號(hào) ，從而進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，電磁閥作用，使水源打開(kāi)。 紅外 線(xiàn)控制自動(dòng) 水龍頭 的控制過(guò)程是：當(dāng)人或物體靠 近自動(dòng)水龍頭時(shí)，紅外發(fā)射光電管發(fā)出的紅外經(jīng)人和物體反射到紅外接收光電管。接收光電管接收到的反射光信號(hào)自動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)后續(xù)電路進(jìn)一步放