1、光敏传感器及应用本科毕业论文光敏传感器及应用本科毕业论文本科毕业论文(设计)题目： 光敏传感器及应用 学院： 班级： 姓名： 指导教师： 王振义 职称： 副教授 完成日期： 2015 年 5 月 15 日光敏传感器及应用 摘 要：在现代生活和工业生产中,机器设备和产品需要完整的监视和控制,因此传感器得到广泛应用。要使设备能够正常工作并能够及时发现问题,做出最好的产品。传感器的发展前途无限,任何工业变革,都改变不了传感器在现代化工业中的不可替代地位。传感器的种类繁多,最常用的有光敏电阻,光敏电阻能够将光信号转化为电信号。因此在实际生活中得到广泛应用,常用于照明自动控制控制,光电信号传送等领域。本
2、文主要介绍了对传感器机理做一概述，对光敏传感器的工作原理进行了分析和描绘，并光敏传感器在实际中应用做一介绍。关键词：传感器；光敏传感器；应用；Photosensitive Sensor And ApplicationAbstract: In the modern life and industrial production, machinery and equipment, and products need to complete the monitoring and control, so the sensor has been widely used. To make the equip
3、ment can work normally and can find problems in time, make the best products. Sensor development prospect is infinite, any changes in the industry, change sensor in modern industry can not replace the position. Photosensitive sensor as will convert the optical signal for the signal of a sensor, in d
4、aily life become the most commonly used sensors. Plays a very important role in automatic control, lighting circuit technology.Are introduced in this paper analysis and understanding of the sensor is simple, the working principle of the photosensitive sensor are briefly, and a photosensitive sensor
5、in practical application are introduced. Keywords: sensor； light sensor；application； 2.1 传感器的定义 （1）2.2 传感器的组成 （2）2.3光敏传感器 （2）3 光敏传感器的工作原理 （3）3.1光敏电阻 （3）3.2光敏二极管 （4）4.1温度对光敏电阻的影响 （6）5 光敏传感器的应用 （7）光敏传感器是一种使用广泛的传感器，大量用于电路控制中。它的探测范围即敏感波长范围比较宽广，可见光，人眼看不见的红外线和紫外线。根据探测范围分为红外传感器，可见光传感器，紫外线传感器。光敏传感器种类颇多，生活常见
6、的光敏传感器有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三级管、光电管，还有用于照相机图像处理比较复杂的CCD和COMS传感器。图1 光敏电阻传感器结构图普通意义上光敏传感器只是对光的检测，但在工业应用中它还可以与其他探测元件组成新的传感器，可以进行其他非电量进行检测。犹如光电耦合器件，就是让发光器件和光敏器件一起，对传导的光进行放大处理，然后进行传导。在光通讯，光电信息的的处理中，光敏传感器成为重要的组成部分，成为当前应用最广泛的传感器。最简单的光敏传感器就是光敏电阻。他的结构示意图如图1，当光子照射在两个电极蛇形结合处时会产生光生载流子，阻值随光照变化。3 光敏传感器的工作原理在众多光敏传感器中，要完成
7、光和电转换，必然有光电效应的发生。光电效应有两种：内光电效应与外光电效应。光敏传感器采用后者。即在有光照的发生时，光敏传感器的导电性发生了变化。光敏三极管和二极管是基于半导体PN结的原则进行。光敏电阻基于半导体在光照时产生光生载流子的感光原理，随着入射光强度的变化，电阻阻值也发生变化，是一个光控变阻器3.1光敏电阻原理：光敏电阻是利用内光电效应开发的一种光敏传感器。一般采用增加受光面积的方法来提高灵敏度，中间做成蛇形分界线。表面用塑胶做成保护层，底部采用陶瓷基板作为绝缘体。常用于做光敏电阻的材料主要是硫（S）化物、碲（Td）化物、硒（Sd）化物等半导体。光敏电阻的感光波长在380780nm之间
8、，与人的视力频谱约吻合。工作原理是由光子激发半导体材料产生电子-空穴对，即光生载流子，在外加电压的情况下做定向移动。光敏电阻的阻值大小取决于光生载流子的数目，光敏电阻级性和普通电阻一样，不分正负极。相当于一个由光控制阻值大小的滑动变阻器，所以可在直流电压环境工作也可以在交流电压环境工作。图2 光敏电阻的工作原理光谱范围：包括可见光，对红外线和紫外线不敏感。优点：响应时间快，体积小，性能稳定，价格较低。工作特性：阻值大小与光照强度成反比。光敏电阻的性能参数：光敏电阻也有一定的阻值范围。不同型号的光敏电阻阻值范围受制作材料，受光面积等因素的影响。在通常情况下，光敏电阻最大值在兆欧级，最小值在千欧以
9、内。光敏电阻的伏安特性：图3 伏安特性曲线(1) 在同等光照条件下，电压与电流成正比关系，I=U/R。(2) 在同等光照下，U曲线是一条直线，说明电阻值是恒定的，即只与光照强度有关。(3)在电压一定上网条件下，开始光照从无到逐渐增强的过程中，电流的随之变大。当光强达到某个数值时，电流不再增加，既达到饱和。3.2光敏二极管光敏二极管是最常用的红外光敏二极管，是红外光线极为敏感。在结构的光敏二极管和普通二极管相似，PN结光敏感的特性。因此，受光照影响电导率。光敏二极管具有单向导，所以反向电压可用于正常运行。在光照条件下光敏二极管，也是反向电流很小的饱和，称为暗电流，此时二极管截止。当光辐射，饱和反
10、向电流急剧增加，形成光电流，其大小由光强和光的强度变化控制。光电特性曲线如图4：1000lx图4 光敏二极管光电特性曲线二极管的PN结对光特别敏感，当光的PN结，由于光子对电子的影响，PN结产生电子空穴对，使载流子数量增加，这些载流子在电场力的作用下做定向漂移运动，产生一个反向电流。因此，光照强度影响电路中的电流变化，无光时截止，有光时导通。3.3光敏三极管光敏三极管根据内部构造不同分为PNP和NPN两种。但实际应用比较少，工作原理和普通三极管相类似，有着对电流的放大作用，它对电流放大受两个变量的控制，一个控制变量是基极路，一个控制变量是外界光照辐射。在一般情况下基级电极不做引出，但也有特殊的
11、情况下引出作为其他控制量。由于光敏三极管特殊光电特性，光照强度与器件的电流电阻之间的关系也不同，它的光电特性曲线比较变化明显，即随光照强度的变化电阻电流变化迅速，光电特性曲线如图5和图6所示： 图5 三极管光电阻特性曲线 图6 三极管光电流特性曲线 4影响光敏传感器的主要因素电子元件的运行，都受外界环境和工作环境的影响，如外界环境的温度、湿度、压强、光照、辐射；内部工作环境的电流、电压、磁场、电路的稳定性。影响光敏传感器的主要因子有温度、湿度等。4.1温度对光敏电阻的影响温度是影响光敏传感器准确性的第一要素。对于普通电阻，温度的升高会使电阻阻值变大，这与温度升高使得电子的无序运动剧烈有关。同样
12、，作为光敏传感中电流产生的载体载流子，在同等光照条件下，载流子的无序运动强烈程度直接关系着光敏传感器的阻值，即通过光敏的电流大小。温度越高，光敏传感器中的载流子的无序运动越剧烈，所以电阻也相应变大。图7和图8为不同照度CdS光敏电阻在相同光照下不同温度对光敏电阻阻值的影响。 图7 温度对暗电阻的特性影响 图8 温度对亮电阻特性影响从上图可以看出，温度对光敏的准确性影响是很大的。为了降低温度对光敏准确性的影响，需要在一个温度相对恒定的环境中工作，也可以把温度传感器和光敏传感器组合在一起得出比较精确的结果。5 光敏传感器的应用光敏传感器实用好，在生活中也很常见，主要应用在家用电器和自动控制中十分广
13、泛。根据光敏传感器在电路中的不同用途可以分为以下几类：自动开关，可变电阻器，信号接收器。例如在光控路灯，光控报警器，声光控开关中起的就是自动开关的作用；在智能手机屏幕亮度调节，自动避障或循迹的儿童玩具车，照相机的对焦曝光，起的作用就是可变电阻器；在电视机的遥控，光纤接口转换器中就是信号接收器。对于高电压电流电流，光敏传感器不直接控制电路通断，以免损坏，而是通过继电器来完成。5.1光敏传感器在智能手机上的应用在智能机普及的今天，手机的超长待机尤为重要，因此，节电是必要的一种选择， 手机从过去单一的芯片节能到现在传感器自动节能，使用诸如LXD/GB5-A1DPZ等线性光敏传感器来实现许多功能，从而
14、达到节能，舒适的目的。 5.1.1自动感光（1）节能（键盘感应）在手机的使用过程中，白天可以关掉呼吸灯，按键的背光灯，在晚上根据感光自动关闭，这样既方便操作，又能起到省电效果。（2）智能感光（LCD 屏感应）手机屏幕亮度是耗电的一大因素，因此，随着外界光线强弱感应，自动调节屏幕背光强弱，色彩的饱和度，实现在强光下看得清晰的屏幕图像，在弱光条件下舒适，不刺眼，自动调节亮度，在保护眼睛同时也节省了电池电量（3）拍摄自动补光感应在大多有补光灯手机相机中，都有自动选择开补光灯的功能，在什么时候开或者关闭补光灯，这里需要一个光感电路了，常用的光感芯片有 LXD/GB5-A1DPZ。5.1.2 应用电路L
15、XD/GB5-A1DPZ(SMD1206)是一款可见光传感器，用于数码产品的光照控制，一般采用国标LED1206的2脚贴片封装。在实际电路中，通常采用串联输出的方式，串联电流信号输出，串联一个电阻就是电压信号输出。LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)的输出信号是线性的，所以非常适合带ADC数模转换接口的芯片，通常采用增加一个保护电阻的方式接入ADC芯片就可以组成一个完整的光电转换系统，中央数据处理器CPU就可以从ADC接口读到一个数字，该数字的大小就更随LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)所在环境感应光强的变化而变化，通常采用正线性规律接入，那么，光照强度越大读到的数字越大，反
16、之数字越小，这样系统软件师在设计软件时就可以非常方便的利用这个变量数字。在接口芯片越精确的情况下，这个数字可以更多。如01000，因此可以把这些数字分成多组，每组的范围对应一个屏幕亮度的等级。从而达到调节亮度的目的。在现在众多手机的设计中，许多手机设计都有 自动感光的功能，而感光的用途不仅仅是在调节屏幕，按键亮度等基本的要求，而且有很多很有趣的创意，这些创意不只有厂家来完成，任何一个软件编写人员都可以，通过调用感光功能，用户只需要下载相应的软件就可以实现相应的功能，比如光控震动的功能，就是利用手机外界环境光照强弱，来控制手机震动强弱，当手机在口袋里时，就需要震动强烈，这样就最大的避免误接电话，
17、又避免影响他人。5.2 光敏传感器在声光控开关电路中的应用声光控电路是由声音和光控制的电路，其系统结构原理如下图：灯 图10 声光控开关节能灯控制电路光敏传感器是声光控电路的必要设备，和声音信号芯片有着一样的地位，在声光控电路中，通常选用光敏电阻作为光敏传感器。光敏传感器感光范围从可见光到红外光不等，通过光敏器件的电流一般很小，一般都要经过放大电路，或通过继电器，自动开关来控制大电流部件。而光敏电阻的感光特性最与人眼接近，而且结构简单，造价便宜，耐用使用寿命长，电压阈值宽广，所以是做光控电路、光照强度测量电路的最佳选择。在声光系统电路中，光敏电阻决定开关的闭合，随着光照强弱的发生电阻阻值，因而
18、使通过电阻的电流发生变化在光照强度较低时，光敏电阻阻值很大；在光照强度较强时，光敏电阻阻值变小，光敏电阻在经过放大电路时通常都是直流低频的工作状态，达到一定阀值时来决定开关的闭合。声光控电路常用的是与非门电路，一个接光控电路，一个接声控电路，我们知道与非门逻辑关系是输入一个或两个低电平时输出为高电平，只有两个都为高电平时输出为低电平，常用于声光控电路的芯片是CD4011，,它是由四个与非门组成电路，可以控制多组电路。图11 CD4011内部结构 声光控电路是生活中应用最广泛的的一种结构简单自动控制电路，但不只是作为开关而被我们认知，而我们更应该认识到自动控制给我们生活带来的便利。在提倡可持续发
19、展的今天，节能环保是时代的要求，而声光控电路研究正是基于这种理念，有着良好发展前景。 5.3在汽车中的应用汽车作为现代工业产品的代表，光敏传感器也因此广泛应用。光敏传感器主要应用于汽车的自动控制，信息传送等方面。5.3.1测速汽车行驶过程中要对速度进行实时监测，以便更好控制方向，避免超速。在过去通常采用的设备主要是机械测速，是通过汽车转轴带动齿轮的转动，最后通过转动数字转盘的方式显示速度和里程数。此类测速设备比较笨重，而且容易损坏。相对而言，采用光敏传感器的测速设备有着无可比拟的优点。其结构简单，使用寿命长，所测数据快速精准，而且容易被电子设备记录和显示。具体作用就是在车的轮轴上安装发光器件和
20、光敏器件，在车轮相对应的点安装一个或多个反光片，车轮旋转到一个反光片时由发光器件发出的光经反光片反射被光敏传感器接收，电路产生一个脉冲信号，经过信号处理系统，根据车轮半径参数就能准确计算出车速。发光器件：发光器件通常采用红外线发光二极管，持续发出波长830950nm的光波。光敏传感器：与发光器件匹配，采用红外线光敏传感器。该器件一般是接受、放大、解调做成一体化，红外二极管发出的光经镜面反射以后被接头解调后，数据“0”光敏传感器发光器件图12 测速装置示意图和“1”在单片机的读取不同。容易被识别。计数器：通常采用51单片机可以实现计数功能，并以其定时和计数产生的结果作用在处理系统上。定时是是用来
21、确定各个时间段的，可以当用作计数器用，并且在脉冲上进行计数的操作。并行通信接口：51单片机用于数据的输入和输出功能的接口。 串行通信接口：51单片机有一个能够编程的插口，这个插口必须接外部设备或电脑。我们可以看到单片机和其它设备在数据传送的时候必须用到。这个插口是双排的，它的功能第一可以用作接收信号，第二可以作为移位器用。RXD（ P3.0）脚为接收端口，TXD（P3.1）脚为发送端口。中断系统 ：51单片机有中断系统，我们可以用他中断程序。51系列是有5个中断源，分别是外中断（2个），定时中断（2个），串行中断（1个），所有的中断从不同的顺序开始执行。 时钟电路：单片机的芯片的内部是有时钟电
22、路的。时钟电路可以生产我们可以看到的时钟脉冲序列。系统默许的晶振频率肯定是6 MHz到12 MHz。 图13 单片机引脚显示设备：通常采用的有由LED发光二极管组成八段字符显示器。经过处理的信号由单片机处理后直接显示出来，通过单片机输出的信号显示。5.3.2照明控制汽车的供电系统来自引擎带动的发电机，根据能量的转换，带动发电机就需要发动机做额外的功，用电越多就需要发动机做越多的功，消耗更多的燃料。在出租车的顶部，都有广告牌，里面就有车灯。在白天亮灯显然是不需要的，而夜晚就需要点亮，因此，设计为用光敏电阻控制闭合的电路，就能自动控制灯管的亮灭，因此起到节能减排的作用。6 总结随着信息时代的到来，
23、电子产品日益丰富着我们的生活，传感器更是在生活中屡见不鲜，自动化，规范化，智能化是信息时代电子产品的发展要求，随之而来的是传感器飞快的更新速度。传感器作为一种探测工具，其探测过程是一个是一个信息转换的过程，能够把人类观测不到或观测到的信息通过模电途径转化成直观可靠地信息，也就是我们所说的将非电量转化为电量的并能够直观数据或其他形式规范的一种仪器。人类的生存离不开光，对光的检测已成了生活不可缺少的部分。作为光的的探测工具，光敏传感器不只在实验室中，更是广泛的应用于各种电路和工业设备中，作为使用最广泛的一种传感器，必然有着它自有的响应快、性能可靠、使用寿命长等优秀特点。相信未来会应用于更多的领域。
24、参考文献1 沈聿农.传感器及应用技术M.北京:化学工业出版社.2001.2 梁森.黄杭美.自动检测与转换技术M.机械工业出版社.20103 周绍敏.电工基础M.高等教育出版社.20094 郭勇.PROTEL DXP 2004 SP2印制电路板设计教程M.机械工业出版社.20095 张开逊 现代传感技术在信息科学中的地位J.工业计量2006(1)6 Daniel C. Kammer. Sensor Placements for On-Orbit Modal Identification and Correlation of Large Space Structures. Journal of G
25、uidance, Control, and Dynamics,7 梁景凯 机电一体化技术与系统M.北京:机械工业出版社 20098 郁有文 传感器原理及工程应用M.西安:西安电子科技大学出版社,20019 周磊, 高维璐, 沈学浩. 光敏电阻在一定光照条件下随温度变化的特性J. 实验室研究与探索, 2010, 29(5). DOI:10.3969/j.issn.1006-7167.2010.05.008.致 谢大学四年的时光如白驹过隙，随之而来的是这段路程的终结。但学无止境 ，我会不断充实自我，给自己充电。而在大同大学学习和生活的这段时间，将是一段深刻难以忘却的记忆，大学生活是美好的。四年，走过的每一步都是成长的印记，学习也并非是一个非常享受的过程，甚至显得有些单调，就像重复的广告片，但有理想就应该去追求，去感受成功的快乐，这便是学习的一个过程。作为一个即将迈出校园走向社会的人，我首先要感谢父母这么多年默默的支持和无私的付出，还要感谢恩师对我的谆谆教诲，要感谢那些帮助我的同窗，你们是我不断向前的动力。这篇论文得以完成，我要特别感谢论文指导老师，他治学严谨，知识渊博，是他的精选细挑，指出论文的缺点和不足，提出修改和改进的意见，才使我能够顺利的完成这篇论文的写作工作，我还要感谢那些为我找资料找工具的同学和朋友。最后，我要向各位参与论文答辩的老师表示由衷的感谢。
