光电探测器设计

中北大学

《光电探测理论与技术》

作业

学院：信息与通信工程学院

方向：动态测试与智能仪器

导师：靳鸿

姓名：李俊萍

学号： s2*******

班级： Y110503

成绩：

学习心得

通过本学期《光电探测理论与技术》课程的学习，使我了解了光电测试系统由光源、光学变换器件、光电转换器件、信号调理电路等模块构成，光电测试术具有精度高、测量范围广、非接触式测量等特点及优点。

本次作业的题目是红外线光电烟雾探测系统设计，我通过查阅相关文献资料，对光电探测电路进行了一定程度的总结。我参考了浦昭光（文献[1]）、曾光宇，张志伟，张存林的《光电检测技术》（文献[2]）、郝晓剑，李仰军的《光电探测技术与应用》（文献[3]）、张国立（文献[4]）、沈建华（文献[5]）、张丽英（文献[6]）等六篇文献资料，学习了光电探测电路的组成，光电转换器件的光电效应（包括外光电效应、内光电效应），了解了光电二极管的结构、特点、使用方法等。

通过本学期的课程学习，以及课程作业的完成，让我对光电探测理论与技术这门课程有了一定的了解，当然是比较浅显的。

谢谢尊敬的周老师！

学生：李俊萍（s2*******）

2011-8-28

红外线光电烟雾探测系统设计

中北大学信息与通信工程学院 S2*******李俊萍

摘要：光电技术目前已经全面渗透到人类社会生活的各个方面，部分改变着人们的行为模式和生活方式。光电系统在日常生活中有许多应用，在现代化的公共场所和管理部门如收费站、监控中心、隧道以及在其它军用和民用设施中，火灾自动报警系统己成为必不可少的设施。光电感烟探测器具有精度高，寿命长，成本低，生产、安装简单等优点，是火灾探测的主流产品。本文设计了一种红外线光电烟雾探测报警器，首先分析了目前市场上的情况，依据其工作原理对光电系统各个部分进行芯片选择及设计，选用MSP430超低功耗系列单片机作为探测器的微处理器，充分利用单片机的片上资源，设计了AD转换电路，缩小了体积，降低了功耗，提高了系统性能。通过采用功耗低、速度快、低成本的运算放大器LM358，硬件与软件的设计满足了系统的低功耗要求，实现了光电烟雾探测器的基本功能，且功耗低，性能稳定，实用性强。

关键词：光电烟雾探测器；MSP430；低功耗；运算放大器

0 引言

近年来，全球每年发生火灾600～700万起，为了早期发现和通报火灾，防止和减少火灾危害，保护人身和财产安全，在现代化的公路交通运营现场和管理部门以及许多场合比如收费站、宾馆、图书馆、机场、仓库等方面，火灾自动探测报警装置成为必不可少的设施。对保障人民生命财产安全，保障社会安定，保障交通事业和其它国民经济各部门的安全运营有着重要的意义。

设计火灾自动探测报警装置时的方案选择主要有：感温探测器、感光探测器和感烟探测器，感温探测器是感受到温度的变化，需要离火源较近的地方，感光探测器需要有明火出现才可以发现火情，感烟探测器是感应到烟雾的出现，相比较而言以及考虑火灾的特点，火灾总是先有烟雾的出现，感烟探测器能更快的检测到灾情，在实际应用中使用较多。感烟探测器又分为离子式和光电式两类。离子型感烟探测器对烟雾的探测响应性能较为均衡，但其主要利用放射源媚241进行工作，存在环保问题，并且不适合在潮湿环境中工作，目前处于逐步淘汰中。光电式对燃烧时的烟雾有较好的响应，全部由电子元器件组成，比较环保，基于以上原因本文设计一种低功耗的光电式烟雾探测器。

1光电系统概述

光电系统是用电子学的方法对光学信息进行处理与控制的系统，它是一种用于接收来自目标反射或自身辐射的光辐射，通过变换、处理、控制等环节，获得所需要的信息或能量，并进行必要处理的光电装置。它的基本功能就是将接收到的光辐射转换为电信号，并利用它去达到某种实际应用的目的。组成光电系统的基本框图如图1所示。其核心组成单元大致包括辐射源、传输介质、光学系统、光电探测器、电子系统、输出和控制单元等。

光学系统探测器电子系统输出和控制单元

图1 光电系统组成框图

2 光电烟雾探测器的工作原理与器件选型

本文设计的烟雾探测器的工作原理如图2所示

图2 光电烟雾探测器的工作原理

主控芯片定期驱动红外发射部分发射红外线，在被测区若有烟雾则产生光的散射，红外接收二极管接收光信号后产生电流信号，经运算放大器转换为电压信号，送入主控芯片ADC模块通道进行采样转换，当判断被测区烟雾超过安全值后，主控芯片驱动高声强压电蜂鸣器发出烟雾报警声音。在工作可靠性方面，本文采用了补偿测量的方法，主控芯片定期通过ADC 模块循环采样检测烟雾，消除了器件老化、电压变化等因素引起的测量偏差，保证探测器工作稳定可靠。（1）光源的选择

基于红外线对烟雾颗粒的敏感性，及隐蔽性好不易受自然光和其他光源干扰，选择红外线作为探测光源（红外发射二极管）。

（2）光电探测器件的选择

光电探测器的理论基础为光电效应，即光电探测器是把光辐射转换成电量的器件。利用将光辐射信号转换成电信号以进行显示或控制的功能，光电探测器不仅可以代替人眼，而且由于其光谱响应范围宽，更是人眼的延伸。探测器的分类如下：

热点探测元件

非放大型eg ：真空光电管，充气光电管

外光电效应

放大型 eg ：光电倍增管，变像管，像增强器，摄像管

光电探测元件本征型eg ：光敏电阻

光电导探测器

掺杂型eg ：红外探测器

内光电效应光磁电效应探测器

非放大型eg ：光电池，光电二极管光生伏特探测器

放大型 eg ：光电三极管，光电场效应管

气体光电探测元件

本论文使用的光电探测器件为：PIN 型红外接收二极管。红外接收二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管。PIN 光电二极管是上世纪50年代末期开发出来的光电子器件。它是灵敏度比一般PN 结光电二极管（PD ）要高的光检测二极管，它是针对一般PD 的不足、在结构上加以改进而得到的一种光电二极管。PIN 光电二极管克服了 PN 管结电容大的缺点，速度较快，其暗电流也较雪崩管小，由于在光通信领域有广泛应用，因此价格低，易于获得。本系统对暗电流通过补偿设计的办法进行消除，对响应速度尽管要求不高，但出于对系统速度改进空间的以及制作成本的综合考虑，使用 PIN 光电二极管作为光电探测器。其主要参数如下：①光谱范围p λ：0.4~1.1μm ；②工作波长0λ：0.9μm ；③光敏面直径Q ：4mm ；④响应度Re ：0.5A μ/W μ；⑤响应时间t ：<3ns 。PIN 光电二极管的实物图如图1所示。

图1 PIN光电二极管的实物图

（3）电子器件的选择

本烟雾探测器的主控芯片使用美国TI 公司14 引脚的超低功耗MSP430F2012 单片机；烟雾检测的电流信号放大使用低成本的运算放大器LM358，为降低功耗，采用由PNP 和NPN 三极管组成的开关电路，为其提供9V 工作电源；驱动蜂鸣器采用具有使能控制端的压电蜂鸣器驱动专用芯片RE46C100；主控系统采用9V 电池降为3.3V 后供电，整个系统功耗低，结构简单。

MSP430F2012是TI公司2005年推出的一款高性能16位微控制器，特点是超低功耗和功能集成，特别适用开发自动信号采集、手持式和电池供电设备，其特性如下：

①低电压范围：1.8～3.6V

②超低功耗：活动模式（1MHz，2.2V时为200 μA) 待机模式(0.7μA)，掉电模式(RAM数据保持0.1 μA)，

③从待机到唤醒不到1μs;

④五种省电模式（此设计使用LPM3 模式: 在3V 时0.6～0.9μA）

⑤内部的超低功耗、低频率振荡器（VLO），不需要晶振就能提供12KHz 频率

⑥带有2 个捕捉/比较功能的16 位定时器Timer_A

⑦集成内部参考电压、采样及保持和自动扫描电路的8 通道、10 位200-Ksps A/D，通用串行接口USI；支持SPI和I2C；程序代码熔丝保护；零功耗BOR复位保护功能。

⑧16 位精简指令集，指令周期62.5ns

LM358 是具有内部频率补偿、直流电压增益较高的低功耗运算放大器。宽电压范围3～30V（单电源），输入失调电流为2nA，偏置电流为20nA ,单位增益

带宽为1.1MHz，其上电、稳定时间常数均满足探测器的设计要求。

强压电蜂鸣器的驱动采用性价比较高的专业芯片RE46C100，该芯片的电压工作范围宽（6～16V），低功耗（空闲电流小于100nA）。

3 系统光电结构设计

自然光和外界光都含有一定的红外光成分，都会对红外接受二极管产生一定的干扰，设计采用密封的方法，将二极管放在一个暗室里，阻断外界光线的进入，红外光发射和接收器件在暗室内的两边间隔一定距离并形成一定的夹角布放、进行可靠固定，保证了烟雾探测器对散射光有足够的灵敏度，如下图所示。

在烟气进入的通道上安装细的网罩用于防尘和蚊虫。由于不同入射光波长，不同尺寸的烟雾粒子散射信号不同，一般烟雾粒径分布在0.001到4um之间，绝大多数粒子属于中等粒子，密集分布在680nm到900nm的光波范围内。将红外发射二极管与红外接受二极管的管脚引出暗室外与外部电路相连。

图4 光电感烟式探测器暗盒示意图

4 系统硬件电路设计

（1）光电二极管的工作模式

光电二极管一般有两种工作模式：零偏置工作和反偏置工作。图2所示是光电二极管的两种工作模式的偏置电路，即光伏模式、光导模式。

(a) 光导模式(b) 光伏模式

图2 光电二极管的工作模式

图2中，在光伏模式时，光电二极管可非常精确的线性工作；而在光导模式时，光电二极管可实现较高的切换速度，但线性度较低。事实上，在反偏置条件下，即使无光照，仍有一个很小的电流(叫做暗电流或无照电流)；而在零偏置时则没有暗电流，这时二极管的噪声基本上是分路电阻的热噪声。在反偏置时，由于导电产生的散粒噪声成为附加的噪声源。因此，在设计光电二极管电路的过程中，通常是针对光伏或光导两种模式之一进行最优化设计，而不是对两种模式都进行最优化设计。一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱。因此，暗电流的影响一般都非常明显。本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号。所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，设计时选用图2(b)的光伏模式。（2）光源驱动和运放电路模块

主控芯片MSP430F2012的P1.4 引脚控制运放的电源开关电路，P1.6 引脚控制红外发射二极管的关断，LM358 运放将红外接收二极管的接收电流放大转换为电压信号，其输出被调节至能够由MSP430F2012 的10 位ADC 模块测量的范围。R4//C2 反馈网络用于建立电路的增益，C2 为消除运放自激振荡的反馈电容，实现光-电流-电压的线性变换。烟雾检测信号经放大后被引入主控芯片ADC 模块通道A3。图5为光源驱动电路和运放电路。该三极管为NPN型，当P1.6输出为高电平时，三极管导通，红外发射二极管发光。红外接收二极管接收到微弱的光信号以后，经运算放大器LM358放大后输入到单片机的P1.3口。

图5 光源驱动电路和运放电路

（3）主控芯片引脚接线

图4 MSP430F2012 单片机引脚接线

（4）信号处理电路模块

红外线烟雾传感器送出的信号是模拟信号，必须通过AD转换后，变成数字量，才能被单片机进行处理和控制，本设计采用MSP430单片机内置的AD转换

器，节约了成本，减小了体积，提高了效率。MSP430F2002单片机配置了10位的AD转换器，ADC10模块能够实现10位精度的模数块转换。将转换结果与设定的阀值进行比较，判断烟雾的存在与否，若存在则输出声光报警信号。

（5）强压电蜂鸣器驱动模块

该芯片采用9V电池供电，该芯片的使能端HRNET与MSP430 的P2.6 I/O 口连接，当芯片被使能时（也就是使能端为高电平时）,芯片和周边压电蜂鸣器等元器件产生自激振荡而发出报警声音，否则停止工作不报警。所选压电蜂鸣器可发出105dB 的报警声音，满足烟雾报警声强的要求。达到一定的烟雾报警，可以这样给个值，就是没有烟雾时采集一个电压值u，经过烟雾时采集到另一个值u0，用u比u0，得到值如果超过阀值就开始报警。阀值是经过多次测量实验，传感器标定的，直接写入单片机的。

（6）电源模块

系统需要提供9v和3.3V两个工作电压，9V供给RE46C100，3.3V是单片机MSP430F2012的工作电压，本电路选用稳压器TPS715333。TPS71533是一款采用SC-70封装的高输入电压LDO(低压降)稳压器，其与微处理芯片MSP430F1232同属于美国的TI公司。该稳压器的特点是：高输入、低压降、低功耗和小型封装。芯片的输入电压范围为2.5～24V，低压降和低静态电流(最大静态电流为3.2 μA)使该芯片的功耗处于极低的水平，适用于电池供电的场合。

4 软件设计

本探测器软件采用C 语言进行程序设计，MSP430 系列单片机的C430 语言与C 语言兼容程度高，容易理解，硬件控制能力好，表达和运算能力强，能够充分发挥MSP430 的功能，明显提高了软件开发效率与执行效率。系统的软件设计采用模块化设计方法，各模块之间相互独立，使得程序结构清晰。整个软件设计包括主程序、烟雾采样与处理子程序等。为降低系统功耗,除采样烟雾外, MSP430单片机均工作在低功耗模式LPM3，在主程序和初始化中最大化CPU 的低功耗模式LPM3 时间为6S，单片机从LPM3模式中断唤醒后，开始执行烟雾采样子程序。ADC 模块的数据传递控制器DTC 允许ADC 采样和存储在其他任何的寄存器而不受单片机的干预，故在采样转换期间，单片机可进入LPM3 模式以进一步降低功耗。在烟雾采样与处理子程序中，将ADC10 设置为4 次序列通道

转换模式，采样转换烟雾信号的变化；ADC 在打开和关闭红外发射二极管的状态下分别打开运算放大器电源的开关电路，采样红外接收二极管的电流进行比较，从而判断是否出现烟雾，为避免误报警，必须连续两次判断烟雾信号出现时才启动声光报警。烟雾报警的阈值偏移量可通过软件设置进行灵活调整，确保探测器在烟参数达到预定值时开始报警。主程序流程图如图6 所示。

5 所设计烟雾探测器的特点及参数

◆ 吸顶安装

◆ 光学迷宫

◆ 采用低功耗 CMOS 微处理器

◆ 特殊防潮设烟雾声光报警

设置连接两次检测有烟标准smoke=1 再次检测是否出现烟雾首次检测是否出现烟雾关闭报警设置6S 中断采样烟雾子程序退出LPM3 开始 VLO 6S 校准 LPM3模式

◆具有手动测试功能

◆工作性能稳定可靠

◆采用超薄式结构设计

◆结构设计独特，防尘、防虫、抗外界光线干扰

技术参数

传感器：光学腔迷宫

工作电压：9VDC/12VDC

工作电流：静态电流小于10uA，报警工作电流10-30mA

烟雾灵敏度：符合ul217 号标准，测试值每英尺 3.2% 微弱灰烟探测器有反应工作环境：-10℃~50℃

报警音量：10 英尺处为105 分贝

监视面积：20平方米

报警输出：有线型：现场声光报警，有线输出开关信号

6 结束语

本文设计的基于MSP430单片机的光电烟雾探测器，主控芯片及外围器件多选用低功耗、低成本的芯片，具有快速唤醒、快速处理时间、超低待机功耗的特点。本设计使用了具有自动采集信号和ADC 模块的自动序列多次转换的超低功耗单片机MSP430F2012，实现了对烟雾信号精确检测，在硬件选型和软件设计优化中充分考虑超低功耗、低成本的要求，在灵敏可靠性、稳定性、实用性等方面也有了较大改进。

光电测试系统是测控领域的重要组成部分，它与电子技术、精密机械及计算机相结合，构成光、机、电、计算机相结合，具有精度高、非接触测量、测量范围大、信息处理能力强等许多重要的优点。

参考文献

[1] 浦昭光，王宝光. 测控仪器设计[M]. 北京：机械工业出版社，2007.

[2] 曾光宇，张志伟，张存林. 光电检测技术[M]. 北京：清华大学出版社，2005.

[3] 郝晓剑，李仰军. 光电探测技术与应用[M]. 北京：国防工业出版社，2009.

[4] 张国立，沈天键. 基于PIC16F676单片机的点型光电感烟探测器的设计《国外电子元器件》2005.4.

[5] 沈建华，杨艳琴. MSP430系列16位超低功耗单片机原理及应用. 北京：清华大学出版社，2005.

[6] 张丽英，张景春，葛超，朱艺.基于红外技术的光电报警系统的研究. 微计算机信息.2007.5

光电探测器原理

光电探测器原理及应用光电探测器种类繁多，原则上讲，只要受到光照后其物理性质发生变化的任何材料都可以用来制作光电探测器。现在广泛使用的光电探测器是利用光电效应工作的，是变光信号为电信号的元件。光电效应分两类，内光电效应和外光电效应。他们的区别在于，内光电效应的入射光子并不直接将光电子从光电材料内部轰击出来，而只是将光电材料内部的光电子从低能态激发到高能态。于是在低能态留下一个空位——空穴，而高能态产生一个自由移动的电子，如图二所示。硅光电探测器是利用内光电效应的。由入射光子所激发产生的电子空穴对，称为光生电子空穴对，光生电子空穴对虽然仍在材料内部，但它改变了半导体光电材料的导电性能，如果设法检测出这种性能的改变，就可以探测出光信号的变化。无论外光电效应或是内光电效应，它们的产生并不取决于入射光强，而取决于入射光波的波长λ或频率ν，这是因为光子能量E只和ν有关： E=hν（1）式中h为普朗克常数，要产生光电效应，每个光子的能量必须足够大，光波波长越短，频率越高，每个光子所具有的能量hν也就越大。光强只反映了光子数量的多少，并不反映每个光子的能量大小。目前普遍使用的光电探测器有耗尽层光电二极管和雪崩光电二极管，是由半导体材料制作的。半导体光电探测器是很好的固体元件，主要有光导型，热电型和P—N结型。但在许多应用中，特别是在近几年发展的光纤系统中，光导型探测器处理弱信号时噪声性能很差；热电型探测器不能获得很高的灵敏度。而硅光电探测器在从可见光到近红外光区能有效地满足上述条件，是该波长区理想的光接收器件。一、耗尽层光电二极管在半导体中，电子并不处于单个的分裂能级中，而是处于能带中，一个能带有许多

中远红外探测器发展动态

中远红外探测器发展动态 1 红外光电探测器的的历史红外探测成像具有作用距离远、抗干扰性好、穿透烟尘雾霾能力强、可全天候、全天时工作等优点在军用和民用领域都得到了极为广泛的应用按照探测过程的物理机理，红外探测器可分为两类即热探测器和光电探测器。光电探测器的工作原理是目标红外辐射的光子流与探测器材料相互作用，并在灵敏区域产生内光电效应。因具有灵敏度高、响应速度快的优点，光电探测器在预警、精确制导、火控和侦察等红外探测系统中得到广泛应用。红外焦平面阵列可探测目标的红外辐射，通过光电转换、电信号处理等手段，可将目标物体的温度分布图像转换成视频图像，是集光、机、电等尖端技术于一体的红外光电探测器H。目前许多国家，尤其是美国等西方军事发达国家，都花费大量的人力、物力和财力进行此方面的研究与开发，并获得了成功。红外光电探测器研究从第一代开始至今已有40余年历史，按照其特点可分为三代。第一代(1970s～1980s)主要是以单元、多元器件进行光机串／并扫描成像，以及以4×288为代表的时间延迟积分(TDI，time delay integration)类扫描型(scanning)红外焦平面列阵。单元、多元探测器扫描成像需要复杂笨重的二维、一维扫描系统结构，且灵敏度低。第二代红外光电探测器是小、中规格的凝视型(staring)红外焦平面列阵。M×N凝视型红外焦平面探测元数从1元、N元变成M×N元，灵敏度也分别从l与N1/2增长M×N1/2倍和M1/2。而且，大规模凝视焦平面阵列，不再需要光机扫描，大大简化整机系统。目前，正在发展第三代红外光电探测器。探测器具有大面阵、小型化、低成本、双色(two-color)与多色(multi-color)、智能型系统级灵巧芯片等特点，并集成有高性能数字信号处理功能，可实现单片多波段融合高分辨率探测与识别。因此，本文将重点综述三代红外光电探测器的材料体系及其研究现状，并分析未来红外光电探测器的材料选择及发展趋势。 2 三代探测器的材料体系与发展现状红外光电探测器的材料很多，但真正适于发展三代红外光电探测器，即响应波段灵活可调的双色与多色红外焦平面列阵器件的材料则很少。目前，主要有传统的HgCdTe和QWIPs，以及新型的二类SLs和QDIPs，共四个材料体系。作为

基于51单片机的红外反射式光电传感器测速机的简易设计

光电传感器——基于红外反射式的测速机

引言在工程实践中,经常会遇到各种需要测量转速的场合。转速是电动机极为重要的一个状态参数,在很多运动系统的测控中,都需要对电机的转速进行测量,不论是直流调速系统还是交流调速系统,只有转速的高精度检测才能得到高精度的控制系统。迄今为止,测速可分为两类:模拟电路测速和数字电路测速。随着微电子技术的发展,计算机技术的广泛应用,出现了以计算机为核心的数字测速装置。这样的速度测量装置测量范围宽、工作方式灵活多变、适应面广,具有普通数字测速装置不可比拟的快速性、精确性和优越性。一：设计思路用一个红外发光二极管和一个接受红外光的二极管组成一套光电管。当检测到物表面为黑色时，反射光很弱，接收端检测到的光线可以忽略，使接收端呈现一种状态，例如开关管截止；当被检测物表面为白色时，反射光强烈，发射端发射的红外线被接收端全部接收，使接收端呈现另一种相反的状态，例如开关管开通。这两种相反的状态表现在电路中，就是高低电平组成的脉冲信号。由此，我想到用一个比较器来比较两种接受到的信号，从而输出“0”“1”两种高低电平，并把两种信号传给单片机进行统计，然后利用设定算法进行计算，最后通过数码显示管显示计算结果。二：所需模块本测速系统共有两个模块构成，一个为光电传感器部分，用于接收光信号并转换为电信号，即高低电平信号；另一个为单片机部分，用于接收高低电平信号并通过内部计算，然后再通过数码显示管显示测出的结果。（一）光电传感器部分（1）LM339工作原理及管脚图： LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端中的一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入

InGaAs PIN 光电探测器

SHINE-YOU TECHNOLOGY CO., LTD Addr: 3F,Bld.5,Shangsha Innovative Science & Tech Park,Futian,Shenzhen,China,518048 Tel: +86-755-29812573 Email: info@https://www.360docs.net/doc/6714770851.html, https://www.360docs.net/doc/6714770851.html, 微型封装（MINI CAN ）InGaAs PIN 光电探测器特点：微型封装，封装尺寸≤2.41 mm 高响应工作电压 5V 超低暗电流单针脚密封工作温度 -40～+85℃ 应用：光纤通信数据/图像传输光纤传感光测量仪器仪表最大额定值：工作温度（℃） -40～+125 存储温度（℃） -50～+125 正向电流（mA ） 4/8 反向电压（V ） ≥20 光电特性（T = 25℃，Vr = 5 V ）参数指标测试条件光敏面直径（μm ） 75/300 带宽（GHz ） 1.5/0.5 RL = 50 Ω λ= 1310 nm 0.85/0.80 响应度（A/W ） λ= 1550 nm 0.90/0.85 暗电流（nA ） 0.3 / 1 总电容（pF ） 0.6/6.0 f = 1 MHz 响应度一致性（dB ） ±0.2 λ = 1530～1620 nm, T = -10～+85℃ 注意事项（1）静电对器件有极大伤害，使用中要保证人体、测试仪表、检验装置及工作台接地良好。（2）电源需有稳压装置，且不可在开关电源过程中产生冲击电压损害器件。（3）焊接时烙铁应接地良好，温度控制在260℃±5℃，时间不超过5 秒。（4）测试正向电压时要监控正向电流，不超过100 μA ，否则会击穿器件而失效。

探测器暗电流综述报告

暗电流形成及其稳定性分析综述报告目录光电探测器基本原理 (2) 1.1 PIN光探测器的工作原理 (2) 1.2雪崩光电二极管工作原理 (3) 暗电流的形成及其影响因素 (4) 2.1暗电流掺杂浓度的影响 (4) 2.1.2复合电流特性 (5) 2.1.3表面复合电流特性 (5) 2.1.4欧姆电流特性 (5) 2.1.5隧道电流特性 (6) 2.2结面积和压焊区尺寸对探测器暗电流的影响 (8) 2.3腐蚀速率和表面钝化工艺对探测器暗电流的影响 (10) 2.4温度特性对暗电流影响 (11) 暗电流稳定性分析小结 (12) 参考文献 (13)

光探测器芯片处于反向偏置时，在没有光照的条件下也会有微弱的光电流，被称为暗电流，产生暗电流的机制有很多，主要包括表面漏电流、反向扩散电流、产生复合电流、隧穿电流和欧姆电流。。本文就将介绍光电探测器暗电流形成及其稳定性分析，并介绍了一些提高稳定性的方案，讨论它们的优势与存在的问题。光电探测器基本原理光电检测是将检测的物理信息用光辐射信号承载,检测光信号的变化,通过信号处理变换,得到检测信息。光学检测主要应用在高分辨率测量、非破坏性分析、高速检测、精密分析等领域,在非接触式、非破坏、高速、精密检测方面具有其他方法无比拟的。因此,光电检测技术是现代检测技术最重要的手段和方法之一,是计量检测技术的一个重要发展方向。 1.1 PIN光探测器的工作原理在PD的PN结间加入一层本征（或轻掺杂）半导体材料（I区），就可增大耗尽区的宽度，减小扩散作用的影响，提高响应速度。由于I区的材料近似为本征半导体，因此这种结构称为PIN光探测器。图（a）给出了PIN光探测器的结构和反向偏压时的场分布图。I区的材料具有高阻抗特性，使电压基本落在该区，从而在PIN 光探测器内部存在一个高电场区，即将耗尽层扩展到了整个I区控制 I 区的宽度可以控制耗尽层的宽度。 PIN光探测器通过加入中间层，减小了扩散分量对其响应速度的影响，但过大的耗尽区宽度将使载流子通过耗尽区的漂移时间过长，导致响应速度变慢，因此要根据实际情况折中选取I层的材料厚度。

光电探测器调研报告

题目：光电探测器的原理及国内外研究现状学生姓名：学号：院（系）：专业：

光电探测器的原理及国内外研究现状摘要概述了光电探测器的分类和基本原理，并从材料体系的选择和器件的主要应用等方面阐述了光电探测器国内外研究现状，预测了硅基雪崩光电探测器在军事和激光雷达等方向的应用前景。关键词：光电探测器；硅基雪崩光电探测器；激光雷达 Principle and Research Statue at Home and Abroad of photoelectric detector Abstract Described the basic principle and assortment of the photoelectric detector. The domestic and abroad research statue from the aspects of material selection and device main applications is summarized. At last the application prospects of silicon-based avalanche photodetector are predicted, such as research on military and laser radar. Keywords: phoroelectric detector；silicon-based avalanche photodetector；laser radar

1 引言光电探测器的发展历史比较悠久，已有上百年的研究历史。由于这种器件在军事和民用中的重要性，发展非常迅速。随着激光与红外技术的发展，材料性能的改进和制造工艺的不断完善，光电探测器朝这集成化的方向发展。这大大缩小体积、改善性能、降低成本。此外将光辐射探测器阵列与CCD 器件结合起来，可以实现信息的传输也可用于热成像领域。因此，进一步研究光电探测器是一项重要课题，本文章就从原理及国内外最新的研究状况探索光电探测器领先应用。 2 光电探测器入门 2.1 光电探测器的发展历史最早用来探测可见光辐射和红外辐射的光辐射探测器是热探测器。其中，热电偶早在1826年就已发明出来【1】。1880年又发明了金属薄膜测辐射计。1947年制成了金属氧化物热敏电阻测辐射热计。1947年又发明了气动探测器。经过多年的改进和发展，这些光辐射探测器日趋完善，性能也有了较大的改进和提高。但是，与光子探测器相比，这些光辐射探测器的探测率仍较低，时间常数也较大。从五十年代开始人们对热释电探测器进行了一系列研究工作，发现它具有许多独特的优点，因此近年来有关热释电探测器的研究工作特别活跃，发展异常迅速。热释电探测器的发展以使得热探测器这个领域大为改观，以致有人估计热释电技术将成为发展电子——光学工业的先导。应用广泛的光子探测器，除了发展最早、技术上也最成熟、响应波长从紫光到近红外的光电倍增管以外，硅和锗材料制作的光电二极管、铅锡、Ⅲ～Ⅴ族化合物、锗掺杂等光辐射探测器，目前均已达到相当成熟的阶段，器主要性能已接近理论极限。 1970年以后又出现了一种利用光子牵引效应制成的光子牵引探测器。其主要用于CO 2 激光的探测。八十年代中期，出现了利用掺杂的GaAs/AlGaAs材料、基于导带跃迁的新型光探测器——量子阱探测器。这种器件工作于8～12μm波段，工作温度为77K。 2.2 光电探测的分类及原理光电探测器能把光信号转换为电信号。根据器件对辐射响应的方式不同或者说器件工作的机理不同，光电探测器可分为两大类：一类是光子探测器；另一类是热探测器。光电探测器的工作原理是基于光电效应【2】。热探测器是用探测元件吸收入射辐射而产生热、造成温升,并借助各种物理效应把温升转换成电量的原理而制成的器件。最常用的有温差电偶、测辐射热计、高莱管、热电探测器。一般来说，热探测器的接收元由于表面涂黑它的光谱响应是无选择性的，它只受透光窗口光谱透射特性的限制，因此主要应用于红外区和紫外区，但它的响应率较低、响应速度慢、机械强度低，近来由于热电探测器和薄膜器件的发展，上述缺点已有所改进。光子型探测器，利用外光电效应制成的光子型探测器是真空电子器件，如光电管、光电倍增管和红外变像管等。这些器件都包含一个对光子敏感的光电阴极，当光子投射到光电阴极上时，光子可能被光电阴极中的电子吸收，获得足够大能量的电子能逸出光电阴极而成为自由的光电子。在光电管中，光电子在带正电的阳极的作用下运动，构成

雪崩光电探测器

雪崩光电探测器雪崩光电探测器光电探测器是将光信号转变为电信号的器件，雪崩光电探测器采用的即是雪崩光电二极管(APD) ，能够具有更大的响应度。APD将主要应用于长距离或接收光功率受到其它限制而较小的光纤通信系统。目前很多光器件专家对APD 的前景十分看好，认为APD 的研究对于增强相关领域的国际竞争力，是十分必要的。雪崩光电探测器的材料1)Si Si 材料技术是一种成熟技术，广泛应用于微电子领域，但并不适合制备目前光通信领域普遍接受的 1.31mm,1.55mm 波长范围的器件。 2)Ge Ge APD 虽然光谱响应适合光纤传输低损耗、低色散的要求，但在制备工艺中存在很大的困难。而且，Ge的电子和空穴的离化率比率( )接近1，因此很难制备出高性能的APD 器件。 3)In0.53Ga0.47As/InP 选择In0.53Ga0.47As 作为APD 的光吸收层，InP 作为倍增层，是一种比较有效的方法[2] 。In0.53Ga0.47As 材料的吸收峰值在 1.65mm, 在 1.31mm,1.55mm 波长有约为104cm-1 高吸收系数，是目前光探测器吸收层首选材料。In0.53Ga0.47As 光电二极管比起Ge 光电二极管，有如下优点：（1） In0.53Ga0.47As 是直接带隙半导体，吸收系数高；（2） In0.53Ga0.47As 介电常数比Ge 小，要得到与Ge 光电二极管相

同的量子效率和电容，可以减少In0.53Ga0.47As 耗尽层的厚度，因此可以预期In0.53Ga0.47As/InP 光二极管具有高的效应和响应；（3）电子和空穴的离化率比率（）不是1，也就是说In0.53Ga0.47As/InP APD 噪声较低；（4） In0.53Ga0.47As 与InP 晶格完全匹配，用MOCVD 方法在InP 衬底上可以生长出高质量的In0.53Ga0.47As 外延层，可以显着的降低通过p-n 结的暗电流。（5）In0.53Ga0.47As/InP 异质结构外延技术，很容易在吸收区生长较高带隙的窗口层，由此可以消除表面复合对量子效率的影响。 4）InGaAsP/InP 选择InGaAsP 作为光吸收层，InP 作为倍增层,可以制备响应波长在1-1.4mm ，高量子效率，低暗电流，高雪崩增益得的APD 。通过选择不同的合金组分，满足对特定波长的最佳性能。）InGaAs/InAlAs ln0.52AI0.48As 材料带隙宽（1.47 eV）,在 1.55 mm 波长范围不吸收，有证据显示，薄In0.52Al0.48As 外延层在纯电子注入的条件下，作为倍增层材料，可以获得比lnP 更好的增益特性。 6）InGaAs/InGaAs（P）/InAlAs 和InGaAs/In（Al ）GaAs/InAlAs 材料的碰撞离化率是影响APD 性能的重要因素。研究表明[6] ，可以通过引入InGaAs（P）/InAlAs 和In（Al ）GaAs/InAlAs 超晶格结构提高倍增层的碰撞离化率。应用超晶格结构这一能带工程可以人为控制导带和价带值间的非对称性带边不连续性，并保证

光电探测技术发展概况

光电探测技术发展概况学号：20121226465姓名：熊玉宝摘要:本文扼要论述光电探测技术重要性，并简要地介绍了光电探测技术的几种主要方法及发展趋势。关键词:光电；探测；技术光电探测技术是根据被探测对象辐射或反射的光波的特征来探测和识别对象的一种技术，这种技术本身就赋予光电技术在军事应用中的四大优点，即看得更清、打得更准、反应更快和生存能力更强。光电探测技术是现代战争中广泛使用的核心技术，它包括光电侦察、夜视、导航、制导、寻的、搜索、跟踪和识别多种功能。光电探测包括从紫外光（0.2～0.4μm）、可见光（0.4～0.7μm）、红外光（1～3μm，3～5μm，8～12μm）等多种波段的光信号的探测。新一代光电探测技术及其智能化，将使相关武器获得更长的作用距离，更强的单目标/多目标探测和识别能力，从而实现更准确的打击和快速反应，在极小伤亡的情况下取得战争的主动权。同时使武器装备具有很强的自主决策能力，增强了对抗，反对抗和自身的生存能力。实际上，先进的光电探测技术已成为一个国家的军事实力的重要标志。现代高技术战争的显著特点首先是信息战，而信息战中首要的任务是如何获取信息。谁获取更多信息，谁最早获取信息，谁就掌握信息战的主动权。光电探测正是获取信息的重要手段。微波雷达和光电子成像设备常常一起使用，互相取长补短，相辅相成，可以获取更多信息，可以更早获取信息。前者作用距离远，能全天候工作；后者分辨率高，识别能力和抗干扰能力强。无论侦察卫星、预警卫星、预警飞机还是无人侦察机往往同时装备合成孔径雷达和CCD相机、红外热像仪或多光谱相机。为改进对弹道导弹的预警能力，美国正在研制的天基红外系统（SBIRS）拟用双传感器方案，即一台宽视场扫描短波红外捕获传感器和一台窄视场凝视多色（中波/长波红外、长波红外/可见光）跟踪传感器，能捕获和跟踪弹道导弹从发射到再入大气的全过程。美国已经装备并正在不断改进的CR-135S眼镜蛇球预警机，采用可见光和中波红外像机，能精确测定420km外的导弹发射，确定发动机熄火点，计算出它的弹道和碰撞点。最近在上面加了一台远程激光测距机，其作用距离可达400km。美国海军也在为战区弹道导弹防御

光电探测器

一`光电探测器第一节光辐射探测器的主要指标光信号的探测是光谱测量中的重要一环，在不同的场合和针对不同的目的所采用的探测器也不同，最重要的考虑是探测器的应用波长范围、探测灵敏度以及响应时间。光探测器是将光辐射能转变为另一种便于测量的物理量的器件，它的门类繁多，一般来说可以按照在探测器上所产生的物理效应，分成光热探测器、光电探测器和光压探测器，光压探测器使用得很少。本章将着重介绍光谱学测量中常用的探测器。光热探测器是探测元件吸收光辐射后引起温度的变化，例如光能被固体晶格振动吸收引起固体的温度升高，因此对光能的测量可以转变为对温度变化的测量。这种探测器的主要特点是：具有较宽的光波长响应范围，但时间响应较慢，测量灵敏度相对也低一些，经常用于光功率或光能量的测量。光电探测器是将光辐射能转变为电流或电压信号进行测量，是最常使用的光信号探测器。它的主要特点是：探测灵敏度高，时间响应快，可以对光辐射功率的瞬时变化进行测量，但它具有明显的光波长选择特性。光电探测器又分内光电效应器件和外光电效应器件，内光电效应是通过光与探测器靶面固体材料的相互作用，引起材料内电子运动状态的变化，进而引起材料电学性质的变化。例如半导体材料吸收光辐射产生光生载流子，引起半导体的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，所对应的器件称为光导器件；又如半导体PN 结在光辐照下，产生光生电动势，称为光生伏特效应，利用这种效应制成的器件称为光伏效应器件。外光电效应器件是依据爱因斯坦的光电效应定律，探测器材料吸收辐射光能使材料内的束縛电子克服逸出功成为自由电子发射出来。 P k E h E -=ν ---------------------------------- (2.1-1) 上式中 νh 是入射光子的能量，E p 是探测器材料的功函数，即光电子的逸出功，E k 是光电子离开探测器表面的动能。这种探测器有一个截止频率和截止波长C ν和C λ： h p E c = ν , () ()nm eV E E hC p p C 1240= = λ --------(2.1-2)

红外光电探测器技术的发展(学术前沿专题)

量子点红外光电探测器技术的发展（学术前沿专题）专业：测试计量技术及仪器班级：硕研22班学生学号： S0908******* 学生姓名：李刚

量子点红外光电探测器目前大多数红外焦平面阵列（FPA）都以量子阱红外光电探测器（QWIP）或碲镉汞（MCT）光电探测器为基础，而这两类探测器都存有重大的不足。 QWIP对垂直入射光的探测效率很低，因为垂直方向上光子的跃迁被禁止。尽管利用光栅可以弥补这一缺点，但光栅的制作无疑会增加系统的成本。另外，QWIP在高温工作时暗电流较高，所以通常采用冷却方式使其在低温下工作，这便大大增加了成像系统的成本、体积和功耗。 MCT光电探测器则因为MCT固有的不稳定性，很难实现高度均匀的探测器阵列，而且以MCT为基础的FPA还具有成本高和效率低的缺点。近年来，量子点红外光电探测器（QDIP）在工作温度和量子效率方面取得的重大进步，将有望引领新一轮成像技术热潮，并将在医学与生物学成像、环境与化学监测、夜视与太空红外成像等领域开辟新的应用天地。目前，通过采用纳米技术形成量子点，研究人员已经在开发室温或接近室温工作的高性能成像器方面迈出了一大步。量子点又称“人造原子”，目前量子点作为提高电子与光电子器件性能的一种手段，已经被广泛应用。量子点的尺寸很小，通常只有10nm，因此其具有独特的三维光学限制特性。将量子点应用在红外光电探测器上，可以使探测器在更高的温度下工作。开发高温工作的红外光电探测器，可以降低红外成像系统的成本，减小重量，提高效率，这将极大地拓展红外光电探测器的应用范围。研究人员已经开发出了首个以QDIP为基础的焦平面阵列。

基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计-课设报告

北京信息科技大学测控综合实践课程设计报告题目：基于光电传感器的直流电机转速测量系统设计学院：仪器科学与光电工程学院专业：测控技术与仪器学生姓名：

摘要摘要基于单片机的转速测量方法较多，本次设计主要针对于光电传感器测量直流电机转速的原理进行简单介绍，并说明它是如何对电机转速进行测量的。通过实验得到结果并进行了数据分析。本次设计应用了STC89C52RC单片机，采用光电传感器测量电机转速的方法，其中硬件系统包括脉冲信号的产生模块、脉冲信号的处理模块和转速的显示模块三个模块，采用C语言编程，结果表明该方法具有简单、精度高、稳定性好的优点。关键词：直流电机；单片机；PWM调节；光电传感器

Abstract

目录摘要................................................................................................I 第一章概述 (1) 1.1 课设目标 (1) 1.2 内容 (1) 第二章系统设计原理 (2) 2.1 STC89C52单片机介绍 (2) 2.2 STC89C52定时计数器 (4) 2.3 STC89C52中断控制 (6) 2.4 光电传感器 (6) 2.5 数码管介绍 (7) 第三章硬件系统设计 (10) 3.1测速信号采集及其处理 (10) 3.2 单片机处理电路设计 (11) 3.3 显示电路 (12) 3.4 PWM驱动电路 (13) 第四章软件设计 (14) 4.1语言选用 (14) 4.2程序设计流程图 (14) 4.3原程序代码 (15) 第五章数据分析 (19) 总结 (20) 附件 (21) 参考文献 (23)

光电探测器入门详细解析

光电探测器摘要本文研究了近期崛起的高科技新秀：光电探测器。本文从光电探测器的分类、原理、主要参数、典型产品与应用、前景市场等方面简单介绍了光电探测器，使大家对光电探测器有一个初步的理解。了解光电探测材料的原理不仅有利于选择正确适宜的光电探测材料，而且对研发新的光电探测器有所帮助一、简单介绍引入光电探测器是指一类当有辐射照射在表面时，性质会发生各种变化的材料。光电探测器能把辐射信号转换为电信号。辐射信号所携带的信息有：光强分布、温度分布、光谱能量分布、辐射通量等，其进过电子线路处理后可供分析、记录、储存和显示，从而进行探测。光电探测器的发展历史： 1826年，热电偶探测器→1880，金属薄膜测辐射计→1946，热敏电阻→20世纪50年代，热释电探测器→20世纪60年代，三元合金光探测器→20世纪70年代，光子牵引探测器→20世纪80年代，量子阱探测器→近年来，阵列光电探测器、电荷耦合器件（CCD）这个被誉为“现代火眼金睛”的光电探测材料无论在经济、生活还是军事方面，都有着不可或缺的作用。二、光电探测材料的分类。由于器件对辐射响应的方式不一样，以此可将光电探测器分为两大类，分别是光 1

子探测器和热探测器。 ○1光子探测器：光子，是光的最小能量量子。单光子探测技术，是近些年刚刚起步的一种新式光电探测技术，其原理是利用新式光电效应，可对入射的单个光子进行计数，以实现对极微弱目标信号的探测。光子计数也就是光电子计数，是微弱光（低于10－14W）信号探测中的一种新技术。 ○2利用光热效应制作的元件叫做热探测器，同时也叫热电探测器。（光热效应指的是当材料受光照射后，光子能量会同晶格相互作用，振动变得剧烈，温度逐渐升高，由于温度的变化，而逐渐造成物质的电学特性变化）。若将光电探测器按其他种类分类，则按应用分类：金属探测器，非成像探测器（多为四成像探测器），成像探测器（摄像管等）。按波段分类：红外光探测器（硫化铅光电探测器），可见光探测器（硫化镉、硒化镉光敏电阻），紫外光探测器。 2

光电传感器的设计

光电传感器的设计-CAL-FENGHAI-(2020YEAR-YICAI)_JINGBIAN

光电传感器的设计题目：光电传感器的设计院（系）：信息工程学院专业：光电信息科学与工程姓名：褚飞亚学号： 20 指导教师：张洋洋 2016年6月27号

摘要随着信息技术的迅猛发展，传感器的应用技术也在飞速发展，新的应用技术呈现出爆炸式的发展。传感器作为作为测控系统中对象信息的入口，作为捕获信息的主要工具，在现代化事业中的重要性已被人们所认识。光电传感器的应用技术为信息科学的一个分支，俗称“电眼”。它是将传统光学技术与现代微电子技术以及计算机技术机密结合的纽带，是获取光信息或借助光提取其他信息的重要手段。现如今汽车成为大多数人必不可少的东西。经常开车的朋友们，应该都有过这样的苦恼每次开车到了单位或者小区大门口都要等门卫来开门或者等其按动电动门的开关,既费时间又费人力,如果巧妙地利用光电传感器就可以实现光控大门。所以借此次课程设计来设计一个光控大门，即把光敏电阻装在大门上并且在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,灯光照射到光敏电阻时,干簧继电器就可以自动接通电动机电路,电动机就能带动大门打开。这样就解决了上述的问题。

目录 1、设计要求...............................................错误!未定义书签。功能与用途 ............................................................................................. 错误!未定义书签。指标要求 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 2、光电传感器介绍及工作原理 ...............错误!未定义书签。、光电传感器 ......................................................................................... 错误!未定义书签。工作原理 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 3、方案设计...............................................错误!未定义书签。 4、元件选择和电路设计 ...........................错误!未定义书签。元件选择 ................................................................................................. 错误!未定义书签。电路设计 ................................................................................................. 错误!未定义书签。 5、总结.......................................................错误!未定义书签。参考文献.....................................................错误!未定义书签。

光电探测器综述(PD)分解

光电探测器综述摘要：近年来，围绕着光电系统开展了各种关键技术研究，以实现具有高集成度、高性能、低功耗和低成本的光电探测器（Photodetector）及光电集成电路（OEIC）已成为新的重大挑战。尤其是具有高响应速度，高量子效率和低暗电流的高性能光电探测器，不仅是光通信技术发展的需要，也是实现硅基光电集成的需要，具有很高的研究价值。本文综述了近十年来光电探测器在不同特性方向的研究进展及未来几年的发展方向，对其的结构、相关工艺和制造的研究具有很重要的现实意义。关键词：光电探测器，Si ,CMOS Abstrac t: In recent years, around the photoelectric system to carry out the study of all kinds of key technologies, in order to realize high integration, high performance, low power consumption and low cost of photoelectric detector (Photodetector) and optoelectronic integrated circuit (OEIC) has become a major new challenge. Especially high response speed ，high quantum efficiency, and low dark current high-performance photodetector, is not only the needs for development of optical communication technology, but also realize the needs for silicon-based optoelectronic integrated,has the very high research value.This paper reviews the development of different characteristics and results of photodetector for the past decade, and discusses the photodetector development direction in the next few years,the study of high performance photoelectric detector, the structure, and related technology, manufacturing, has very important practical significance. : Key Word: photodetector, Si ,CMOS 一、光电探测器概念光电探测器在光通信系统中实现将光转变成电的作用，这主要是基于半导体材料的光生伏特效应，所谓的光生伏特效应是指光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。（光电导效应是指在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化的象。即当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强，光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象，光子作用于光电导材

光电传感器课程设计汇编

光电传感器在光控大门中的应用 2014年11 月9 日

目录摘要一、设计要求 (1) 二、光电传感器介绍及工作原理 (1) 三、方案设计 (3) 四、元件选择及电路设计 (4) 五、总结 (5) 参考文献

一、设计要求 1、功能与用途光电传感器是将光通量转化为电量的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和反应快等特点，加之激光电源、光栅、光学码盘、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器的内容极其丰富，在检测和控制领域获得了广泛的应用。例如家用电视机的遥控器，太阳能的发电、电梯的安全光幕，火焰探测报警器等多个方面。 2、指标要求利用光电转换元件的光电效应将光信息转变为电信息，同时利用变电流生磁特性，从而达到控制相应电路的目的。二、光电传感器介绍及工作原理 1、光电传感器光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器.它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号.光电传感器一般由光源,光学通路和光电元件三部分组成.光电检测方法具有精度高,反应快,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,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。 2、工作原理由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光电流，它与被测量间呈单值关系。模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可分为透射式，漫反射式，遮光式三大类。所谓透射式是指被测物体放在光路中,恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上；所谓漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上,再从被测物体表面反射后投射到光电元件上；所谓遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份,使投射刭光电元件上的光通量改变,改变的程度与被测物体在光路位置

光电传感器转速测量系统设计讲解

专业课程设计题目光电传感器的转速测量设计院系：自动化学院专业班级：小组成员：指导教师：日期：2012年10月8---2012年10月19

一．课程设计描述采用单片机、uln2003为主要器件，设计步进电机调速系统，实现电机速度开环可调。二．课程设计具体要求 1、通过按键选择速度； 2、转速测量显示范围为0~9999转/秒。 3、检测并显示各档速度。三．主要元器件实验板（中号） 1个步进电机 1个 STC89C52 1个电容（30pF、10uF）各1个数码管（共阳、四位一体）1个晶振（12MHz） 1个小按键 4个 ULN2003 1个电阻若干发光二极管 1个三极管（NPN） 4个排阻 1个四．原理阐述 4.1系统简述按照题给要求，我们最终设计了如下的解决方案：用户通过键盘键入控制指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的PWM 波，最终在ULN2003的驱动下电机转速发生改变。通过ST151传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，将定时器0作为计数器，计数ST151产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。设计思路：（1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖1小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。（2）对光电开关信号整流放大。（3）脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。（4）显示电路采用单片机动态显示。

4.2转速测量原理在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N （r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值[1]： N=60m/pTc (r/min) （1） 4.3转速测量系统组成框图系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图2.1所示。图2.1 系统的原理框图五．系统硬件电路的设计系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。在硬件搭建前，先通过Proteus Pro 7.5进行硬件仿真实现。 5.1脉冲产生电路设计