光电传感器

        课    程：传感器原理及应用

姓    名：      。。。。         

系    别：      电子科学系                  

班    级：   。。。。。。。。。。。。。。。

学    号：        。。。。              

日    期：     20##年12月25日              

光电传感器

摘要：光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器,具有反应快、精度高、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领域中应用非常广泛。

关键词：光电式 传感器 创新应用

　　

　　一、光电传感器基本知识

　　

　　光电传感器最根本的原理是光电效应,光电效应又分为外光电效应和内光电效应外光电效应:在光线作用下,物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。在光线作用下,物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类:(1)光电导效应。在光线作用下,对于半导体材料吸收了入射光子能量,若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度,就激发出电子-空穴对,使载流子浓度增加,半导体的导电性增加,阻值减低,这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。(2)光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。

　　

　　常用的光电传感器有光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏三极管等。利用这些传感器各自的特点加上巧妙的设计,光电传感器几乎被应用于生活的各个方面。光电传感器特点有:(1)检测距离长。如果在对射型中保留10m以上的检测距离等,便能实现其他检测手段(磁性、超声波等)无法离检测。(2)对检测物体的限制很少 。由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理,所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属,它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。(3)响应时间短。光本身为高速,并且传感器的电路都由电子零件构成,所以不包含机械性工作时间,响应时间非常短。 (4)分辨率高。能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点,或通过构成特殊的受光光学系统,来实现高分辨率。也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。(5)可实现非接触的检测。可以无须机械性地接触检测物体实现检测,因此不会对检测物体和传感器造成损伤。因此,传感器能长期使用。(6)可实现颜色判别。通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投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。(7)便于调整。在投射可视光的类型中,投光光束是眼睛可见的,便于对检测物体的位置进行调整。

　　

二、光电传感器的原理

光电传感器：是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。

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。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。

　　三、创新应用举例

　　

　　1.测温功能

　　应用时,将感温头插入被测温环境中,外部法兰安装密封。传感器输出端与二次仪表输入端经辐射至光电转换器接收, 转换成毫伏电压信号。感温管一般为经过特殊处理的高刚玉管或特殊材质管。光电转换器由光学透镜、光栏、硅光电池,温度稳定性网络组成。高压密封器将感温管开口端高压密封,防止感温管透气或断裂产生高压泄露, 不影响辐射光传输,所以传感器在现场工作时,可拆卸光电转换器通过高压密封器观察感温管状况或检修光电转换器, 信号传输导线为双芯屏蔽铜电缆, 将传感器输出端按正负端与仪表信号输入端相接,接地端与地线相接,仪表上电即可实现测温。

　　

　　2.火焰探测报警器

　　硫化铅光敏电阻的暗电阻为1 MΩ,亮电阻为 0.2 MΩ,峰值响应波长为2.2μm。硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路,其偏置电压约为 6 V,电流约为 6μΑ。V2管集电极电阻两端并联 68μF的电容,可以抑制 100 Hz以上的高频,使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反馈互补放大器,火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后,器件阻值的变化不致于影响输出信号的幅度, 确保火焰报警器能长期稳定地工作。

　  3.光控大门

我们都有这样的苦恼每次开车到了小区大门都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关,既费时又费人力,如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。这里要用到一种电子元件——干簧继电器,它由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成。当线圈内有电流时,线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质簧片磁化,两个簧片在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态,线圈内没有电流时,磁场消失,瓷片在弹力的作用下,回复到分离状态。把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方,把带动大门的电动机接在干簧管的电路中,那么夜间汽车开到大门前,灯光照射光敏电阻时,干簧继电器接通电动机电路,电动机带动大门打开。

　　4.烟尘浊度监测仪

    防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

5.光电池在光电检测和自动控制方面的应用

   光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。

　　四、小结

　　

　　以上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。从这些实例中我们可窥见光电传感器无限的发展应用前景。光电式传感器在科学技术领域、工农业生产以及日常生活中发挥着越来越重要的作用。人类社会对传感器提出的要求越来越高是其发展的强大动力,突飞猛进现代科学技术的则为其提供了坚强的后盾,我们相信在不懈地探索中,光电传感器的应用定会有新的飞跃。

　　

　　参考文献:

[1]唐守锋,童敏.检测与转换技术.    中国矿业大学出版社.

[2]高晓蓉.传感器技术             西安交通大学出版社.
　 [3]彭军.传感器与检测技术         高等教育出版社.
　 [4]王元庆.新型传感器原理及应用   :机械工业出版社.
　

第二篇：传感器课程设计

传感器课程设计

课程： 电容感应防疲劳安全驾驶系统

学院： 人民武装学院

指导老师： 马 光 喜

班级： 10级电子信息科学与技术

学号： P B 1 0 2 0 2 7 1 0 1

姓名： 杨 宏 娜

目录

引言—————————————————————2

设计系统简介———————————————————3

传感器设计与选择—————————————————4

整体系统设计———————————————————7

系统应用前景———————————————————10

参考文献——————————————————11

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摘要：电容感应防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐刺激司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。

一、引言

随着社会经济的发展，商用长途货物运输车越来越多，随着人们生活水平提高，私家轿车数量与日俱增。为满足人们生活工作需要，长途汽车运输得到飞速发展，各地高速公路的筹建，驾车旅游路线的开设，代驾公司的建立，这些都促使汽车用户大幅度增加，汽车成为每家每户外出首选的交通方式。在沿海发达城市汽车保有量不亚于发达国家，我国人均汽车拥有量增长很快， 汽车使用量增加，由此引发的交通安全问题是影响我国乃至全球和谐发展的严重问题。随着交通运输业的发展，道路交通伤害已日益成为威胁人类生命安全的一种世界性公害。全球每年约有120万人死于道路交通伤害，同时大约有5000万人受伤。在我国，每年因道路交通伤害死亡的人数居世界首位，而且以每年10％的速度递增。

注意力不集中是许多司机经常遇到的一个问题，它比较常发生在长时间驾驶，或者身体不适处于疲惫状态下驾驶。疲劳驾驶的特征为反应迟钝、动作不灵敏、精力不集中甚至打瞌睡，由此，注意力分散的司机对驾驶环境的识别缓慢，产生相应驾驶操作需要较长的时间，这样带来较高的行车危险性。

防疲劳安全驾驶系统设计的设计旨在使注意力分散驾驶的司机能随时通过系统发觉自己的驾驶状态，通过此系统刺激驾驶员集中注意力，若使用在客车上还可以让乘客对司机进行监督，从而保障行车安全，减小由于注意力分散产生交通事故的可能性。这也为人类生命财产安全提供了有力保障，降低道路伤害对国家社会经济造成的损害。

自主创新是当今社会的另一大主题。防疲劳安全驾驶系统采用先进的电容感应触摸式传感器，通过微处理器判断驾驶员的注意力集中程度，通过音乐系统播放不同类型的音乐或语音来刺激警示司机，缓解驾驶员的压力，使其集中注意力。

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二 设计系统简介

1系统名称：电容感应防疲劳安全驾驶系统设计

2系统功能：

1）自动检测功能；

2）实时判断驾驶员注意力集中情况；

3)音乐系统根据驾驶员精神状态播放不同类型音乐和语音警醒，起提神作用；

4)与汽车中央CPU通信功能。

3系统特点：

1)可非接触式测量，可在高温、辐射和强烈震动等剧烈工作环境下工作；

2)自动检测；智能化判断司机注意力情况；

3)成本低、使用方便；采用新型触摸开关，美观、磨损小、寿命长；

4)操作简单，使用方便；空间占用小，易安装；

5)操作模式具有可选择性；可与汽车中央CPU实时通信。

4系统创新点：

1) 安装庞大的不同类型的音乐和不同语音提醒；

2)智能判断驾驶员注意力集中程度；

3)采用多任务实时操作系统；

4)通过警示灯和音乐系统或语音来对司机提神；

5)采用电容感应触摸式传感器，无磨损，寿命长，可靠性高。

三 传感器设计与选择

在这个系统中，电容式传感器起到举足轻重的作用，我们先来讨论有关传感器的信息。

面向汽车应用的开关和按钮所遭受的设计约束必须应对的不利条件是： ● 宽温度范围

● 宽湿度范围

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● 驾乘人员连续不断的污损

与早期的车型相比，如今汽车的开关和按钮要多得多。不仅数量众多，而且还必需能够很容易地安装到外形日益多样化的操纵面之中。另外，它们还需具备成本效益性，以取代密封型开关。一种逐渐走红的方法是转变为采用电容式触摸开关。由于未采用机械式部件，而且能够与成形操纵面相吻合，因此电容式触摸开关提供了汽车行业所需要的可靠性和价位。

汽车内传感器的工作环境十分恶劣，因此对传感器的要求也十分严格。这些传感器必须要经受住从一40℃~+150℃的温度变化，而且要求精度高、可靠性好、反应快、抗干扰和抗振动能力强，才能准确地实时检测汽车运行的有关状态，并将这些状态转换成电信号供给单片机处理。

图1 电容感应防疲劳安全驾驶系统组成示意图

电容感应防疲劳安全驾驶系统组成示意图如图1所示，图中方向盘左右分别装有电容感应式传感器，专用于识别人手的触摸动作，在汽车行驶过程中，驾驶者必须在一定的时间间隔内触摸传感器位置把柄，如若在规定的时间内驾驶者没有触摸电容感应传感器，则系统警示灯闪烁，同时音乐系统慢慢响起随和的音乐，若在音乐想起一段时间后，驾驶者仍然未触摸传感器，系统再次判断驾驶者最近

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几次从看到警示灯或听到音乐后到触摸开关动作完成的时间间隔信息，粗略判断驾驶者的反应灵敏度，然后更据不同情况播放不同类型音乐或语音。若认为最近司机反映敏捷则音响系统会自动播送节奏明快的进行曲，让人精神更加振奋；当司机注意力严重不集中时，音响系统自动播激情音乐，从而引起司机的注意力。倘若驾驶者一直不触摸电容感应传感器，则系统会自动给汽车中央CPU系统发送信号，并作出相应处理，比如中央CPU会再次判断车体运动状态，进行减速等操作。

此系统主要用到以下几种传感器

1、 电容式传感器工作原理

电容式传感器中的电容值以及电容变化值都非常小，这样微小的电容量还不能直接为目前的现实仪表所显示，也和难为记录仪所接受。这就必须借助于测量电路检测这一微小电容增量。并将其转换成与其成单值函数关系的电压、电流或者频率。电容转换电路有调频电路、运算放大器式电路、二极管双T型交流电桥、脉冲宽度调制电路等。

经过大量资料证明，调频电容传感器测量电路具有较高的灵敏性度，可以测量高至0.01?m级位移变化量。信号的输出频率易于用数字仪器测量，并与计算机通讯，抗干扰能力强，可以发送接收，以达遥控遥测的目的。这正好符合了智能化与自动检测的要求，因此选择调频电容传感器测量电路装入此测量系统。

调频测量电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容发生变化时，振荡器的震荡频率就发生变化，经过放大就可以用仪器指示记录仪记录下来。调频式测量电路如下图所示。

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图1、调频式测量电路原理图 其中震荡频率为f?1/2?LC。

2、触摸传感器

对于典型的电容式传感器，规定其覆盖层的厚度为3mm或更薄。随着覆盖层厚度的增加，来传感手指的触摸将变得越来越困难。所有电容式触摸传感系统的核心部分都是一组与电场相互作用的导体。在皮肤下面，人体组织中充满了传导电解质。正是手指的这种导电特性，使得电容式触摸传感成为可能。简单的平行板电容器具有两个导体，其间隔着一层电介质。该系统中的大部分能量直接聚集在电容器极板之间。少许能量会泄露到电容器极板以外的空间。

该电容式传感系统的基本元件包括：一个可编程电流源、一个精密模拟比较器和一根用来按顺序传输一组电容式传感器信号的多路复用总线。在本文所讨论的系统中，一个弛张振荡器起着电容传感器的作用。该振荡器的简化电路示意图如下图所示。

比较器的输出被送进脉冲宽度调制器(PWM)的时钟输入电路，该PWM负责对一个时钟频率为24MHz的16位计数器进行门控。传感器上面的手指使电容增大，从而导致计数值增加。就是基于这一原理来检测到手指的存在。

3、光电式车速传感器

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光电式车速传感器是固态的光电半导体传感器，它由带孔的转盘两个光导体纤维，一个发光二极管，一个作为光传感器的光电三极管组成。

一个以光电三极管为基础的放大器为发动机控制电脑或点火模块提供足够功率的信号，光电三极管和放大器产生数字输出信号(开关脉冲)。发光二极管透过转盘上的孔照到光电二极管上实现光的传递与接收。转盘上间断的孔可以开闭照射到光电三极管上的光源，进而触发光电三极管和放大器，使之像开关一样地打开或关闭输出信号。

四 整体系统设计

电容感应防疲劳安全驾驶系统由电容感应传感器，微处理器和音乐系统等部分组成。其独特之处是：在方向盘左右两边个安装有一个电容式触摸传感器，用于接收或识别人的触摸动作，微处理器实时检测传感器信号，记录每次接收到信号的时间，实时判断上次信号已发生的时间间隔和分析次信号发生的时间信息，智能判断驾驶者的精神状态和注意力集中情况，然后根据判断结果命令音响系统播放不同类型的音乐。

该系统工作时有两种工作模式可以供司机选择，第一种是定时提示，即每过一定的时间进行提示，时间间隔为正常人的注意力集中时间；第二种工作模式是智能化提示模式，在该模式运行时，系统会自动判定司机的注意力集中情况和车速大小智能选取提示时间间隔。

总的设计流程如下：

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电容感应防疲劳安全驾驶系统整体工作流程图设计

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1、信号检测

汽车传感器输出信号一般为电压、电阻、脉冲信号及开关量等，下面分别介绍这些信号的检测方法。

（1）电压信号

为了提高抗干扰能力和检测精度，先将电压信号经信号调理电路变换为0～5V的标准信号，再经V/F变换转换为脉冲量，经光耦隔离后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。V／F转换器的应用电路如图2所示，其中，将有源时钟振荡器输出的3MHz脉冲信号经74HC393四分频后作为AD652的外部时钟源。

（ 2） 电阻信号

电阻信号先经惠斯通电桥转换为0~5V的标准信号，再经V／F变换转换为脉冲量，经光耦隔离，最后通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。

（3 ）脉冲信号

经光耦隔离后的脉冲信号直接通过C8051F005单片机的PCA阵列计数处理。

（4） 开关信号

开关量采集原理图如图3所示。当刹车和转向灯等工作状态发生改变时，其 9

辅助接点将接通YX回路的+12V电源，此时光耦导通，其输出状态发生改变，在单片机定时中断服务程序内通过I／O口读取该状态即可，其动作分辨率可达lms。

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五 系统应用前景

电容感应防疲劳安全驾驶系统解决了消费者在使用汽车中所遇到的困难，这套系统在实际设计的时候能够达到性能稳定、操作简便、 10

价格适中，会很受消费者欢迎，具有一定的商业价值，这样系统的市场潜力很大。但是我只是在学习了传感器这门课后进行了浅显的设想，将所学的知识进行了一定的整合，并与实际生活联系起来，让理论与实际相结合。真正是否能够设计并投入使用还需要一定的时间和更专业和精确的计算。

六 参考文献

[1] 何金田, 张斌.传感器原理与应用课程设计指南.哈尔滨:哈尔滨工业大学

出版社 ,2009.

[2] 张洪润.传感器应用设计300例.北京:北京航空航天大学出版社 ,2008.

[3] 童敏明,唐守峰.检测与转换技术.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

[4] 何金田, 张斌.传感器原理与应用课程设计指南.哈尔滨:哈尔滨工业大学出

版社 ,2009.

[5] 张洪润.传感器应用设计300例.北京:北京航空航天大学出版社 ,2008.

[6] 付家才.传感器与检测技术原理及实践.北京:中国电力出版社, 2008.

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