光電檢測論文正文

..光電技術論文學院：機械工程學院專業(yè)：機械電子工程班級：機自114學號：光電檢測技術論文摘要：光電檢測技術主要依賴于光電檢測元件,屬于光電信息技術的主要技術之一。因其測量靈敏度高,可靠性好,體積小,非接觸,信息容量巨大,信息效率高等特點被廣泛應用于自動化領域,通常與機電專業(yè)知識的結合實現了機械精確的智能控制,在實際生活中有著廣泛的應用。關鍵詞：光電檢測；紅外光電傳感器；智能車系統(tǒng)；光機電一體化1.光電檢測技術概述1.1光電檢測的基本原理光電檢測涉及光學、電子學、光與物質相互作用等領域。它是以不同種的光電傳感器為基礎,通過檢測被測物體的光輻射并換為電信號,再通過輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息,經模/數轉換接口輸入計算機運算處理,最后儲存、顯示、控制輸出所需要的檢測物理量等參數。光電檢測系統(tǒng)工作原理如圖一所示。圖一光電檢測系統(tǒng)工作原理圖光電傳感器是以光電元件作為檢測元件,以光電效應原理為基礎。光電效應是指當光照射某一物體,可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上,此時光子能量就傳遞給電子,并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收,電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化,從而使受光照射的物體產生相應的電效應。通常根據這一原理,光電傳感器結構設計由光源、光學通路和光電元件三個部分；亦可以分成它們分為發(fā)送器、接收器和檢測電路三個部分。三者間的關系通過應用實例中的紅外光電傳感器加以具體介紹[1]。1.2光電檢測技術的特點光電檢測技術將光學技術與電子技術相結合,實現對各種量的測量,它具有如下特點：1高精度。光電測量的精度是各種測量技術中精度最高的一種。例如用激光干涉法測量長度的精度可達0.05um/m；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可達到1m。高速度。光電測量以光為媒介,而光是各種物質中傳播速度最快的,所以用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。遠距離、大量程。光有可以遠距離傳播的特性,適用于遙控和遙測,如武器制導、衛(wèi)星測繪、電視遙控等。非接觸測量。光照到被測物體上的力是可以忽略不計的,對被測物體毫無干擾,可實現動態(tài)測量,是各種測量方法中效率最高的一種。此外,光電檢測技術還具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息率極高、以及自動化程度高等突出特點,令其發(fā)展十分迅速,并推動著信息科學技術的發(fā)展。它將光學技術與現代電子技術相結合,廣泛應用于工業(yè)、農業(yè)、家庭、醫(yī)學、軍事和空間科學技術等領域[2]。1.3光電檢測技術的發(fā)展情況和趨勢在光電檢測技術的發(fā)展與應用過程中,直接受光電傳感器的影響和制約,所以,光電傳感器水平能代表光電檢測技術的發(fā)展水平。光電傳感器的應用涉及的領域非常廣泛,而且與我們的生活息息相關,應該說現代化的生活離不開光電傳感器的參與,如傳真機、復印機、掃描儀、打印機、車庫開門器、液晶顯示器、色度計、分光計、汽車和醫(yī)療診斷儀器等等不勝枚舉。美國是研究光電傳感器起步最早、水平最高的國家之一,在軍事和民用領域的應用發(fā)展得十分迅速。在軍事應用方面,研究和開發(fā)主要包括：水下探測、航空監(jiān)測、核輻射檢測等。民用領域方面,光電傳感器被運用在監(jiān)測電力系統(tǒng)的電流、溫度等重要參數,檢測肉類和食品的細菌和病毒等。20世紀90年代,由東芝、日本電氣等15家公司和研究機構,研究開發(fā)出多種具有一流水平的民用光電傳感器并以價格適中質量好而響譽全球。我國對光電傳感器研究的起步時間與國際相差不遠,目前主要是在光電溫度傳感器、壓力計、流量計、液位計、電流計等領域進行了大量的研究,取得了上百項科研成果,有的達到世界先進水平。但與發(fā)達國家相比,我國的研究水平還有不小的差距,主要表現在商品化和產業(yè)化方面,大多數品種仍處于實驗研制階段,還無法投入批量生產和工程化應用。光電傳感器的發(fā)展趨勢如下[2]：1高精度：檢測精度向高精度方向發(fā)展,納米、亞納米級精度的光電測量新技術是今后的發(fā)展熱點；2智能化：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展,如光電跟蹤與光電掃描測量技術；3數字化：檢測結果向數字化、光電測量與光機電控制一體化方向發(fā)展；4多元化：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數、多維測量等多元化方向發(fā)展,如微空間三維測量技術和大空間三維測量技術等；5微型化：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展；光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光機電檢測系統(tǒng)發(fā)展；6檢測動態(tài)化：檢測技術向自動化,非接觸、快速在線測量方向發(fā)展,檢測狀態(tài)向動態(tài)測量方向發(fā)展；7多功能化：即一種光電傳感器不僅能針對一種物理量,而且能夠對多種物理量進行同時測量；8新型傳感材料、傳感技術的研究、開發(fā)與利用；9品類更加齊全,價格低廉,能在多種環(huán)境中工作〔如高溫高壓或者低溫低壓。2.應用實例——一種基于紅外光電傳感器尋跡的智能車系統(tǒng)2.1紅外光電傳感器工作原理紅外光電傳感器又稱光電開關,分為直射式與反射式兩大類。直射式紅外光電傳感器又稱光遮斷器,其基本工作原理是：發(fā)光管發(fā)出的紅外光直接由光敏管接收,當有物體遮斷光路時可以檢測到輸出信號的變化,如圖二所示,左邊是紅外發(fā)光器,右邊是紅外接收器。反射式光電傳感器發(fā)出的紅外光信號需要由目標物體反射回來,再由光敏管接收,從而實現對目標的檢測,其原理如圖三所示[3]。圖二直射式紅外光線傳感器圖三反射式紅外光線傳感器直射型紅外光線傳感器把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側,檢測距離可達幾米乃至幾十米。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。反射式紅外光線傳感器的發(fā)光器和收光器被裝入同一個裝置內,正常情況下,發(fā)光器發(fā)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。這種傳感器的檢測效果與傳感器本身的特性、目標物體的特性以及檢測距離也都有很大關系。智能車中的光電傳感器是用來判別方向的,直射式紅外光電傳感器很明顯不能滿足控制要求,故在智能車中使用的都是反射式紅外光電傳感器。反射式紅外光電傳感器的收光器接收的光源一般是由紅外發(fā)光二極管、普通發(fā)光二極管和激光二極管發(fā)出,前兩種光源易受外界光源的干擾,而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中,傳感器只接收很窄的頻率范圍信號,不易被干擾,但價格高。紅外反射式光電傳感器工作時會受多種不確定因素的影響,如反射表面的形狀、顏色、光潔度,日光等,因此,為提高系統(tǒng)的可靠性和準確性,通常是將發(fā)射信號經調制后送紅外管發(fā)射,再由光敏管接收調制的紅外信號。對于反射式紅外光線傳感器來講,接收的反射光強度經檢測電路轉換得到的輸出信號電壓是反射面與傳感器間距的函數,當反射面物質為同種物質時,與的響應曲線是非線性的,如圖四所示,在一定區(qū)間內,輸出信號的強度隨光強距離的增大而迅速增大,達到峰值之后,隨距離的增加而減弱[4]。圖四光強距離曲線另外,紅外接收器接收到的反射光強度與反射面的特性有關,當一定時,光電傳感器輸出信號會因反射面顏色的不同而不一樣。黑色材料對光的吸收能力較強,反射光強度弱,測量靈敏度低,且有效測量距離范圍小。如果紅外線照射到黑色標志線,黑色標志線會吸收大部分紅外光,接收器接收到紅外線強度就很弱。當紅外線照射到白色地面時有較大反射,如果取值合適,紅外接收管接收到反射回的紅外線強度較大。如圖五所示的電路中,當檢測到黑色時,由于反射率不高,光電二極管〔收光器電流太小,比較電路的正極電位大于負極電位,輸出高電平。當檢測到白色時,由于反射率較高,光電二極管產生電流較大,比較電路的正極電位小于負極電位,輸出低電平。通過比較分析器輸出電平的高低,從而實現了檢測黑色的目的?！蚕聢D收光器直接接收發(fā)光器發(fā)出的不同強度的光,模擬光線經物體表面反射到收光器,檢測電路輸出不同信號的情況。實際上紅外光是要經過反射面反射到收光器的。圖五黑白顏色檢測電路圖2.2智能車系統(tǒng)及各部分工作原理該系統(tǒng)由電源模塊、主控制器模塊、路基識別模塊、車速檢測模塊、舵機控制模塊、直流驅動電機模塊組成,具體控制原理簡圖如下[4]：圖六智能車系統(tǒng)原理簡圖2.1.1路徑識別模塊智能車控制的設計中,光電傳感器對稱陣列分布來進行路徑識別。智能控制與算法原理：工作時首先通過光電傳感器陣列檢測軌跡黑線的當前位置,然后根據檢測結果判斷智能車與軌跡偏離的情況,若中間的光電傳感器檢測到黑線,則表明智能車未偏離軌跡,控制舵機使轉向輪不偏轉。若左〔右邊的光電傳感器檢測到黑線,則表示智能車向右〔左偏離軌跡,越靠左〔右的傳感器檢測到黑線,表示智能車向右〔左偏離軌跡的程度越大,控制舵機使轉向輪向左〔右偏轉,偏離程度越大,則偏轉角度越大。若光電傳感器沒有檢測到黑線或是其他的檢測結果,則表示智能車已脫離軌跡,則控制舵機使轉向輪保持偏轉原有角度不變,同時控制直流驅動電機使速度下降到速度最小設定值。由于傳感器對黑色和白色的反射率大小不同,MCU把各個傳感器輸出的最大、最小值間分為n個index區(qū)間,通過對各個傳感器index值的組合來獲得車身相對路徑標志線的位置,從而對位置和行駛方向都能做較精確的控制。小車的偏出黑線的距離與傳感器輸出電位的關系如圖七[5]：圖七沿黑色標志線分布的陣列光電傳感器輸出2.2.2車速檢測模塊車速檢測模塊采用旋轉編碼器作為車速檢測器件,檢測到的運動速度反饋到控制模塊中,輔助控制直流驅動輸出值的大小,達到合理控制運動速度的目的。旋轉編碼器硬件電路簡單、信號采集速度快,通過與直流驅動軸的齒輪嚙合,當直流驅動機軸轉過一定角度即可獲得一個脈沖,一定時間內單片機累加器獲得的脈沖數值可以用來表示車速,并可直接作為控制器參數。圖為車速檢測模塊硬件電路圖。圖八車速檢測模塊3.結束語光電測試技術的應用除了作為單純的測量和采集工具測量溫度、粗糙度、采集圖像等之外,主要與機械電子結合,通過把光電傳感器與控制電路集成,實現智能控制的目的,例如上文介紹的智能小車。傳統(tǒng)的機械電子只能提供機械動力,實現簡單的機械運動,其效率和靈敏度很低。在現代化的今天,越來越多的工程和領域需要用到機電器械,不同的領域和不同的需求對機械電子工程的要求也有所不同。結合工程中遇到的問題,利用光電檢測技術的功能及優(yōu)點,兩者結合形成光機電一體化工程學科。光機電一體化技術通過采用電力電子器件或用電子裝置進行相關動作控制,該技術可以靈活方便地按需控制和改變生產操作程序,使得人從生產一線被解放出來,并使生產效率得到了巨大的提高；對于機械本身來講,使得產品機械結構大大簡化,控制更加智能化,功能更加多樣化,精度進一步提高。日常的生產生活里離不開光機電一體化技術,它加速社會智能化,給人們生活帶來了便利,在將來,仍然具有很廣闊的發(fā)展空間。作為機電專業(yè)的學生來講,我們要結合好機械、電子兩大學科的特點,學好相關的專業(yè)知識,學以致用,將理論聯系實際,為以后本專業(yè)的研究和工作打好基礎。4.參考文獻[1]彥曉河,董玲嬌,蘇XX.光電技術的發(fā)展及其應用[J].電子工業(yè)專用設備,2006<4>.[2]袁明輝,郭天太.光電檢測技術的發(fā)展趨勢及應用前景[J].