傳感器課程設(shè)計(jì)--紫外線傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)

1、<p>　　課 程 設(shè) 計(jì)</p><p>　　2013年7 月 16日</p><p><b>　　任務(wù)書</b></p><p>　　課程 傳感器課程設(shè)計(jì)</p><p>　　題目 紫外線傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)</p>

2、<p>　　專業(yè) 測控技術(shù)與儀器 姓名 學(xué)號(hào) </p><p><b>　　主要內(nèi)容：</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)為紫外線火焰監(jiān)測系統(tǒng)。紫外線是一種不可見光，波長范圍0.01-0.40微米，光子能量大。當(dāng)火焰燃燒到預(yù)定程度時(shí)會(huì)釋放出一定量的紫外線，光敏二極管導(dǎo)通，從而發(fā)出預(yù)警信號(hào)。采用紫

3、外線探測具有反應(yīng)速度快、避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾等優(yōu)點(diǎn)，可靠性高。</p><p><b>　　基本要求：</b></p><p>　　1、按照技術(shù)要求，提出自己的設(shè)計(jì)方案（多種）并進(jìn)行比較；</p><p>　　2、利用光電效應(yīng)設(shè)計(jì)一種紫外線自動(dòng)控制電路；</p><p>　　3、說明所用傳感器的基本工作原理、畫

4、出應(yīng)用電路電路圖、寫明電路工作原理、注明元器件選取參數(shù)、進(jìn)行方案比較。</p><p><b>　　主要參考資料：</b></p><p>　　[1]黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[2]陳章其.用于火焰探測的紫外光敏光敏管[J].傳感器學(xué)報(bào).1996.01期</p>&

5、lt;p>　　[3]崔景俊.紫外火災(zāi)探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)出版社.2007.</p><p>　　[4]李青文.紫外脈沖法在特高壓放電檢測中的應(yīng)用[J].高電壓技術(shù).2006.12</p><p>　　完成期限 2013.7.12—2013.7.16 </p><p>　　指導(dǎo)教師 &

6、lt;/p><p>　　專業(yè)負(fù)責(zé)人 </p><p>　　2013年 7 月 12 日</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　在我國城市燃燒氣體化的過程中，靈敏的監(jiān)測系統(tǒng)得到了廣泛的應(yīng)用。 煤氣、天然氣、酒精這類物質(zhì)，其火焰能見度低，點(diǎn)燃快，有爆炸危險(xiǎn)，

7、在燃燒時(shí)必須有熄火保護(hù)。本課題針對日益巨大的監(jiān)測系統(tǒng)市場，設(shè)計(jì)出一種簡單可行的紫外線自動(dòng)控制電路。采用紫外線控制電路，當(dāng)火焰燃燒達(dá)到一定程度時(shí)，利用紫外線接受器直接接受火焰信號(hào)，經(jīng)過電路處理，發(fā)出預(yù)警信號(hào)。采用紫外線探測有反應(yīng)速度快、靈敏度高，避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾等優(yōu)點(diǎn)，穩(wěn)定可靠，壽命長，耗能少，紫外線傳感器得到越來越多的重視。</p><p>　　關(guān)鍵詞：紫外線；自動(dòng)控制；熄火保護(hù)；預(yù)警</p&

8、gt;<p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　一 、設(shè)計(jì)要求1</b></p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)1</p><p><b>　　1、 方案一1</b></p><p><b>　　2 、方案二2</b

9、></p><p><b>　　3 、方案三2</b></p><p>　　三、傳感器工作原理3</p><p>　　四、電路的工作原理4</p><p>　　五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇5</p><p><b>　　2、參數(shù)計(jì)算7</b></

10、p><p><b>　　3、器件選擇8</b></p><p><b>　　六、總結(jié)8</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)10</b></p><p>　　紫外線傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)</p><p><b>　　一 、設(shè)計(jì)要求<

11、/b></p><p>　　電路設(shè)有預(yù)定的火焰預(yù)警范圍，當(dāng)火焰超過給定的紫外線輻射最低量量時(shí)，電路會(huì)在毫秒級(jí)的數(shù)量級(jí)上報(bào)警，并切斷燃料供應(yīng)；火焰的紫外線輻射量低于給定個(gè)范圍，對電路沒有影響。可見光、紅外線的輻射不會(huì)對電路造成影響[1]。</p><p>　　二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)</p><p>　　紫外線是一種不可見光，光子能量大。利用光電效應(yīng)有光敏電阻、光敏

12、二極管、光敏三極管三種方案。方案如下：</p><p><b>　　1、方案一</b></p><p>　　采用光敏電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻原件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。其設(shè)計(jì)簡單，造價(jià)低廉，但舍棄這個(gè)方案的主要原因是光敏電阻多數(shù)是非線性的，不宜做定量監(jiān)測，如圖1所示。其次光敏電阻具有延時(shí)性的特點(diǎn)，而且時(shí)間常數(shù)都很大。再次光敏電阻

13、具有溫度特性，隨著溫度升高，其暗電流和靈敏度下降[2]。</p><p><b>　　2 、方案二</b></p><p>　　采用光敏三極管。光敏三極管的光照特性近似線性關(guān)系，故可以做定量測量。而且，溫度變化對光電流的影響很小，對暗電流的影響很大，但電子線路中應(yīng)對電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償[3]。舍棄方案二的主要原因是無論是硅管還是鍺管都對紫外線不敏感，從圖2的光譜特性可以看

14、出。</p><p>　　光敏三極管對紫外線不敏感，對可見光和紅外線較敏感，而對于火焰監(jiān)測系統(tǒng)來說，要避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾，所以光敏三極管不適合本設(shè)計(jì)。</p><p><b>　　3 、方案三</b></p><p>　　采用光電管作為敏感元件，可應(yīng)通過感受紫外線的強(qiáng)度，來完成對電路的控制，實(shí)現(xiàn)自控預(yù)警。如圖3光電管（又稱電子光電管

15、）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當(dāng)入射光線穿過光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空[4]。在電場的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。方案方框圖如圖4。</p><p>　　圖4 紫外線火焰監(jiān)測系統(tǒng)方框圖</p><p><b>　　三、傳感器工作原理&l

16、t;/b></p><p>　　天然氣、煤氣、石油液化氣、汽油、柴油、酒精等類物質(zhì)，其火焰能見度低，點(diǎn)燃快，有爆炸危險(xiǎn)，在燃燒時(shí)必須有熄火保護(hù)。在火情預(yù)報(bào)時(shí)沒有引燃階段，采用紫外探測比其他形式的探測有明顯的優(yōu)勢能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)，可以避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾。在本文中我們利用紫外線能量強(qiáng)的原理，當(dāng)有一定量的紫外線照射在陰極上時(shí)，光電流迅速增大。</p><p>　　光子是

17、具有能量的粒子，每個(gè)粒子具有的能量可以由下列是自確定：</p><p>　　（1） </p><p>　　式中：h——普朗克常數(shù)，6.626x10-34 J. S；</p><p>　　0——電子逸出速度。</p><p>　　在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。當(dāng)

18、物體中的電子吸收入射光子的能量且足以克服電子逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。如果一個(gè)想逸出，光子能量hv必須超過逸出功A0，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的能量[5]。根據(jù)能量守恒定理：</p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　式中：m——靜止電子質(zhì)量，m=9.1091x10-31kg；</p><p>

19、;　　0——電子逸出速度。</p><p>　　根據(jù)愛因斯坦方程我們得出以下三點(diǎn)：入光成分不變，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比；光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0；光電表面具有初始動(dòng)能子逸出物體表1/2mv0。</p><p>　　當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，中央陽極可以收集從陰極上溢出的電子，在外電場作用下形成電流I。</p><p><

20、b>　　四、電路的工作原理</b></p><p>　　當(dāng)沒有火焰產(chǎn)生或火焰紫外線輻射沒有達(dá)到最低閾值時(shí)，光電管沒有導(dǎo)通，三極管Q1、Q2、Q3均截止，此時(shí)二極管D2截止，光聲報(bào)警器中發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器均不工作。</p><p>　　當(dāng)火焰燃燒會(huì)輻射各種各樣的光，如圖5若火焰紫外線輻射超過最低閾值，光電管會(huì)瞬間導(dǎo)通，則三極管Q1、Q2導(dǎo)通，Q2經(jīng)R4產(chǎn)生的發(fā)射極輸出電壓將

21、三極管Q3導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器均工作，起到了報(bào)警作用。當(dāng)火焰強(qiáng)度得到控時(shí)，光電管截止，光聲報(bào)警器也停止工作。</p><p>　　圖5 紫外線火焰報(bào)警系統(tǒng)電路</p><p>　　調(diào)節(jié)RP1可以控制紫外線輻射的最低強(qiáng)度即調(diào)節(jié)閾值，從而提高電路的靈敏度和實(shí)用性。在不同的場合，對紫外線輻射強(qiáng)度報(bào)警要求不同，通過改變調(diào)節(jié)器的位置，可使用在不同環(huán)境。</p><p&g

22、t;　　五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇</p><p><b>　　1、單元電路設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　?。?）接收器單元</b></p><p>　　到最低閾值時(shí)，如圖6三極管Q1,Q2開始到導(dǎo)通工作。其中光電管起到十分重要的作用，它相當(dāng)于啟動(dòng)電路的開關(guān)，紫外線輻射低于閾值，光電管截止，輻射高于閾值

23、，光電管導(dǎo)通。</p><p>　　光電管（phototube）基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。光電管可使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。如圖7光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的靈敏度。用作光電陰極的金屬有

24、堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替光電管原理是光電效應(yīng)[6]。</p><p><b>　　圖7 光電管原理圖</b></p><p>　　光電二極管是一種半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理：光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征

25、激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。</p><p><b>　　（2）聲光報(bào)警器</b></p><p>　　如圖8在輸出電壓U0為低電平時(shí)，即小于三極管的開啟電壓，Q3截止，二極管D2截止，此時(shí)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器由于D2的截止和停止工作。&

26、lt;/p><p>　　在輸出電壓U0為高電平時(shí)，即大于三極管的開啟電壓，Q3導(dǎo)通，其發(fā)射極</p><p>　　的輸出電壓將二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器電路導(dǎo)通，D3發(fā)光，LS1發(fā)出報(bào)警聲。</p><p><b>　　2、參數(shù)計(jì)算</b></p><p>　　接收器電路由光電管D1，晶體三極管Q1、Q2，電阻R

27、1、R2、R3、R4，電位器PR1，電池BT1和揚(yáng)聲器LS1組成。</p><p>　　聲光報(bào)警電路由電阻R5、R6、R7，晶體三極管Q3、Q4，普通二極管D2，發(fā)光二極管D3，和揚(yáng)聲器BL組成。</p><p>　　Rl-R7選用1/4W碳膜電阻器或金屬膜電阻器；RPl叫選用超小型合成碳膜電位器或可變電阻器。</p><p>　　Q1-Q4選用3AX31 型PNP

28、晶體三極管；D1選用GD-7銻銫陰極真空光電管；D2選用1N4148型硅開關(guān)二極管；D3采用選用SE303型紅外發(fā)光二極管。</p><p>　　BL1選取8Ω、0.5W揚(yáng)聲器；BTI選用9V電池。</p><p>　　設(shè)接受器電路中電池電壓VEE，通過光電管D1的電流為I1，則I1為</p><p><b>　　（3）</b></p&g

29、t;<p>　　則三極管Q1發(fā)射極電流IE1</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　則三極管Q2發(fā)射極電流IE2</p><p><b>　?。?）</b></p><p&g

30、t;<b>　?。?）</b></p><p>　　則三極管Q3發(fā)射極電流IE3</p><p><b>　?。?）</b></p><p><b>　?。?）</b></p><p>　　可求發(fā)光二極管功率W1和揚(yáng)聲器功率W2</p><p><

31、b>　?。?0）</b></p><p>　　（11） </p><p><b>　　3、器件選擇</b></p><p><b>　　表1 元器件清單</b></p><p><b>　　六、總結(jié)</b></p&

32、gt;<p>　　本文設(shè)計(jì)的紫外線火焰預(yù)警傳感器利用光電效應(yīng)，經(jīng)過濾、放大處理，當(dāng)火焰紫外線輻射量超過最低閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出火警預(yù)報(bào)。光電管光電流與光通量符合線性關(guān)系，可以對系統(tǒng)設(shè)定預(yù)定值。其次，紫外線光譜在其靈敏度范圍內(nèi)，可以對紫外線輻射量迅速作出反應(yīng)。再者，溫度變化對光電管的靈敏度影響很小，增強(qiáng)其實(shí)用性。</p><p>　　紫外火焰探測技術(shù)，使系統(tǒng)避開了最強(qiáng)大的自然光源一太陽造成的復(fù)雜背景，使得

33、在系統(tǒng)中信息處理的負(fù)擔(dān)大為減輕。所以可靠性較高，加之它是光子檢測手段，因而信噪比高，具有極微弱信號(hào)檢測能力，除此之外，它還具有反應(yīng)時(shí)間極快的特點(diǎn)。與紅外探測器相比，紫外探測器更為可靠，且具有高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度和應(yīng)用線路簡單等特點(diǎn)。因而充氣紫外光電管正日益廣泛地應(yīng)用于燃燒監(jiān)控、火災(zāi)自報(bào)警、放電檢測、紫外線檢測、及紫外線光電控制裝置中。但對于傳統(tǒng)的紫外光電管器件，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝的限制，其噪聲和靈敏度是一個(gè)互相矛盾的參數(shù)。一

34、般而言，需將靈敏度控制在一個(gè)合適的水平，過高的靈敏度對器件的低噪聲指標(biāo)是十分困難的，因?yàn)殪`敏度和噪聲信號(hào)都是由光敏管發(fā)出，傳統(tǒng)的檢測器會(huì)將兩種信號(hào)同時(shí)放大。所以其靈敏度比較差,檢測距離小,不能抗雷電的干擾,存在一定的誤報(bào)率。因而需要基于現(xiàn)有或新發(fā)展的探測原理方法，與其它學(xué)科技術(shù)交叉，通過改進(jìn)信號(hào)采集和處理等方法來改善系統(tǒng)性能。</p><p>　　紫外線火焰預(yù)警系統(tǒng)不僅是對光電效應(yīng)的深刻了解，更是對電路設(shè)計(jì)的靈活

35、應(yīng)用。該設(shè)計(jì)有反應(yīng)速度快、無延遲、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，隨著城市氣化工程的進(jìn)一步拓展，火焰預(yù)警系統(tǒng)有著很好的市場前景。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計(jì)，是我對紫外線傳感器有了更加深刻了解和認(rèn)識(shí)，對Protel軟件掌握更加熟練，深刻意識(shí)到傳感器在我們生活中無處不在，將理論知識(shí)運(yùn)用到生活中，對專業(yè)課知識(shí)更加全面的認(rèn)識(shí)，收獲頗多。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b>

36、</p><p>　　[1] 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用[M].電子科技大學(xué)出版社,2004.</p><p>　　[2]陳章其.用于火焰探測的紫外光敏光敏管[J].傳感器學(xué)報(bào).1996.01</p><p>　　[3]崔景俊.紫外火災(zāi)探測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].電子科技大學(xué)出版社.2007.</p><p>　　[4]李青文.紫外脈沖