基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计doc.docx
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基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计doc
安徽建筑大学
毕业设计（论文）
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课题基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计
指导教师
年月日
第三章虚拟仪器及LabVIEW编程
基于LabVIEW光敏电阻特性测试系统设计
摘要：
测量光敏电阻各项特性参数，基于虚拟仪器技术，利用LabVIEW软件功能,设计开发了电阻参数测量系统.将光敏电阻传感器测量到的数据通过数据采集卡采集到计算机,接着利用虚拟仪器开发软件LabVIEW进行编程．向用户提供操作界面和显示界面，实现了光敏电阻参数的采集、传送、分析和显示.结果表明，系统结构简单、易于操作、稳定可靠、界面良好、光敏电阻各项参数精度得到进一步提高.
关键词：
光敏电阻；虚拟仪器；LabVIEW；数据采集
Abstract：
Inviewoftraditionaltemperaturemeasurementexistencecertainquestions，usingofLabVIEWsoftware，thetemperaturemeasuringsystembasedonvirtualinstrumenttechniqueisdesigned．Itcanrealizethedataacquisitionoftemperatureaswellasdatatransmission，analysisanddisplay，withthedevelopmentsoftwareofvirtualinstrumentsLabVIEW，sensors，dataacquisitionsandSOon，inadditiontoprovideuserswithhistoricdatainquire．Experimentalresultsshowthatthesystemissimple，goodinterface，easyoperation，measurementaccuracy，stable，temperaturecontrolaccuracyisbetterthan±0.3℃tomeettheneedsofindustrialtest．
KeyWords：
virtualinstrument；LabVIEW；temperaturemeasuring；DAQ
第一章绪论
1.1光敏电阻的最新发展方向
光电传感器及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器重要性不断提高.目前，光电传感器发展的主要方向是：
（1）多用途,一种光电传感器不仅能这对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；
（2）新型传感材料、传感技术等的开发；（3）在恶劣条件下，如高温、高压条件，低成本传感器的开发和应用；（4）光电传感器与其他微光学技术的发展.
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好.而且具备一定得数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿.传统的光电传感器已不能满足这样的要求了.目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究.
1.2虚拟仪器的发展史及发展动态
（1）虚拟仪器的发展
虚拟仪器的起源可以追朔到20世纪70年代，那时计算机测控系统在国防、航天等领域已经有了相当的发展，大致说来，虚拟仪器发展至今，可以分为三个阶段，而这三个阶段又可以说是同步进行的.
第一阶段，利用计算机增强传统仪器的功能.由于GPIB总线标准的确立，计算机和外界通信成为可能，只需要把传统仪器通过GPIB和RS-232同计算机连接起来，用户就可以用计算机控制仪器.随着计算机系统性能价格比的不断上升，用计算机控制测控仪器成为一种趋势.这一阶段虚拟仪器的发展几乎是直线前进.
第二阶段，开放式的仪器构成.仪器硬件上出现了两大技术进步：
一是插入式计算机数据处理卡（plug-inPC-DAQ）；二是VXI仪器总线标准的确立.这些新的技术使仪器的构成得以开放，消除了第一阶段内在的由用户定义和供应商定义仪器功能的区别.
第三阶段，虚拟仪器框架得到了广泛认同和采用.软件领域面向对象技术把任何用户构建虚拟仪器需要知道的东西封装起来.许多行业标准在硬件和软件领域以产生，几个虚拟仪器平台已经得到认可并逐渐成为虚拟仪器行业的标准工具.发展到这一阶段，人们也认识到了虚拟仪器软件框架才是数据采集和仪器控制系统实现自动化的关键.
（2）把虚拟仪器用于光敏电阻性能测试两者相结合的特点
虚拟仪器将所有的仪器控制信息均集中在软件模块中，可以采用多种方式显示采集的数据、分析的结果和控制过程.这种对关键部分的转移进一步增加了虚拟仪器的灵活性.虚拟仪器利用计算机强大的图形用户界面，用计算机直接读数.根据工程的实际需要，使用人员可以通过软件编程或采用现有分析软件，实时、直接地对测试数据进行各种分析与处理.虚拟仪器可实时、直接地对数据进行编辑，也可通过计算机总线将数据传输到存储器或打印机.
1.3光敏电阻测量的基本模型
基于光电效应，光敏电阻传感器将接收到的光信号转变为电信号，通过转换电路将电流信号转换为电压，传送到数据采集卡进行数据采集，将接收到的数据传送到计算机，最后利用软件LabVIEW进行编程和数据处理再显示在用户操作界面.
第二章光敏电阻的理论研究
2.1光敏电阻的工作原理
2.1.1光敏电阻原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应.半导体光敏材料两端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成光敏电阻，为了增加灵敏度，两电极常做成梳状.用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体.通常采用涂敷、喷涂、烧结等方法在绝缘衬底上制作很薄的光敏电阻体及梳状欧姆电极，接出引线，封装在具有透光镜的密封壳体内，以免受潮影响其灵敏度.在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降.照愈强，阻值愈低.射光消失后，由光子激发产生的电子—空穴对将复合，光敏电阻的阻值也就恢复原值.在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换.光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压.导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少.
2.2光敏电阻特性及主要参数
根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：
紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器.
光敏电阻的主要参数有：
（1）光电流、亮电阻.光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示.
（2.1-1）
（2）暗电流、暗电阻.光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流.外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示.
（2.1-2）
（3）灵敏度.灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值.
（2.1-3）
（4）光谱响应.光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度.若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线.
光敏电阻的光谱特性
（5）光照特性.光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性.从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降.若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓.在大多数情况下，该特性为非线性.
光敏电阻的光照特性
（6）伏安特性曲线.伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大.
硫化镉光敏电阻的伏安特性
（2.1-4）
（7）温度系数.光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低.
（8）额定功率.额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其小号的功率就降低.
光敏电阻的频率特性
图2-1光敏电阻原理图
2..1.2光敏电阻使用时注意事项
光敏电阻在使用中应注意以下几个问题：
（1）用于测光的光源光谱特性必须与光敏电阻的光电特性匹配;
（2）要防止光敏电阻受杂散光的影响;
（3）要防止使光敏电阻的电参数（电压、功耗）超过允许值;
（4）根据不同用途，选用不同特性的光敏电阻.一般说，用于数字信息传输时，选用亮电阻与暗电阻差别大的光敏电阻为宜，且尽量选用光照指数大的光敏电阻;用于模拟信息传输时，则以选用光照指数值小的光敏电阻为好，因为这种光敏电阻的线性特性好.
2.1.4光敏电阻优缺点
缺点：
1受温度影响较大
2响应速度不快，在ms到s之间，延迟时间受入射光的光照度影响
3比较耗材
优点：
1可靠性高
2尺寸小（体积小）
3高灵敏度
4反应速率快
5有良好的频谱特性
2.3光敏电阻各种特性实验测量
一、暗电阻的测量
从GDS-Ⅱ型实验平台备件箱中取出光敏电阻实验装置，并将光敏电阻探测器实验装置11
图2-1光敏电阻暗，亮电阻测量电路
的引线连接到实验平台上的半导体光电传感器插孔内，并用导线将光敏电阻及测量电表连接成如图2-1所示电路，电路中的电流表用实验平台主机提供的数字微安表，电源也使用由实验平台提供的数字电压表，可调电源应该用平台上提供的12V电源、电位器、电阻与三极管等元器件自行设计装调出可调电压的电源.
实验时，应该首先测量光敏电阻的暗电阻.测量时千万不要打开光敏电阻实验装置的保护窗盖，必须使它始终处于暗室状态才能测出它的真实暗电阻，否则由于光敏电阻的惯性与前历效应使你在实验阶段无法测出准确的暗电阻.
按着如图2-1所示的测量电路测出它的暗电流Id，它与电源电压Ubb之比的倒数即为光敏电阻的暗电阻Rd.将所测得的电源电压Ubb值与电流Id值分别填入表2-1，得到光敏电阻暗电阻的阻值.
表2-1光敏电阻暗电阻的测量
二、亮电阻的测量
光敏电阻的亮电阻测量装置如图2-2所示，测量电路依然如图2-1所示.当光敏电阻在一定的光照下（可以用数字照度计事先测出LED光源在不同电流下的照度值确定），测得的电流IP与电源电压Ubb（测量亮电阻时为确定值如12V）之比的倒数为光敏电阻的亮电阻阻值RL.将所测得的电源电压Ubb值与电流IP填入表2-2，利用测量数据计算光敏电阻的亮电阻值.并在图2-3中画出亮电阻的特性曲线.
三、时间响应特性及其测量
光敏电阻是半导体光电器件中时间响应特性最强（或惯性最大）的器件，掌握它的测量方法有利于正确应用这类器件，同时也为测量其他光电器件的时间响应奠定基础.
1.时间响应特性
光敏电阻时间响应特性的内容，掌握光敏电阻在弱辐射与强辐射条件下光敏电阻时间响应的不同.
（1）弱辐射条件下的时间响应
设入射辐射如图2-6上方的方波所示光脉冲，其辐射通量Φe表示为
（2-1）
光敏电阻的光电导率Δσ和光电流Ie随时间变化的规律为如图2-6下方所示的输出波形，其变化规律为：
（2-2）
（2-3）
式中Δσ0与Ie0分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值.
显然，当t>>τr时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，I=0.63Ie0；τr定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值IΦe0的63%所需要的时间.
停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为
（2-4）
同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律
（2-5）
（2-6）
当t=τf时，Δσ0下降到Δσ=0.37Δσ0，Ie0下降到I=0.37Ie0；当t>>τf时，Δσ0与Ie0均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf.
显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等.
（2）强辐射条件下的时间响应[]1
如图2-7所示为较强的辐射通量Φe（图的上方）脉冲作用于光敏电阻上时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由式（2-6）表示.设入射辐射为方波脉冲
（2-7）
光敏电阻电导率的变化规律为
（2-8）
其光电流的变化规律为
（2-9）
显然，当t>>τ时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0，Ie=0.76Ie0.在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间τr定义为强辐射作用下的上升时间常数.
当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程.停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为
（2-10）
2.4GL4526光敏电阻
型号
最大功耗（mW）
环境温度
（℃））
光谱峰值
（nm）
亮电阻
（KΩ）
暗电阻
（MΩ
最大电压（VDC）
价格（圆）
直径（mm）
GL4526
50
-30～+70
540
10-20
1
150
1
4
GL4526光敏电阻
第三章虚拟仪器及LabVIEW编程
3.1虚拟仪器
3.1.1虚拟仪器简介
虚拟仪器技术就是利用高性能的模块化硬件，结合高效灵活的软件来完成各种测试、测量和自动化的应用.自1986年问世以来，世界各国的工程师和科学家们都已将NILabVIEW图形化开发工具用于产品设计周期的各个环节，从而改善了产品质量、缩短了产品投放市场的时间，并提高了产品开发和生产效率.使用集成化的虚拟仪器环境与现实世界的信号相连，分析数据以获取实用信息，共享信息成果，有助于在较大范围内提高生产效率.虚拟仪器提供的各种工具能满足我们任何项目需要.
3.1.2虚拟仪器的系统构成
虚拟仪器由硬件设备与接口、设备驱动软件和虚拟仪器面板组成.其中，硬件设备与接口可以是各种以PC为基础的内置功能插卡、通用接口总线接口卡、串行口、VXI总线仪器接口等设备，或者是其它各种可程控的外置测试设备，设备驱动软件是直接控制各种硬件接口的驱动程序，虚拟仪器通过底层设备驱动软件与真实的仪器系统进行通讯，并以虚拟仪器面板的形式在计算机屏幕上显示与真实仪器面板操作元素相对应的各种控件.用户用鼠标操作虚拟仪器的面板就如同操作真实仪器一样真实与方便.
1.1虚拟仪器系统的硬件构成
虚拟仪器的硬件系统一般分为计算机硬件平台和测控功能硬件.计算机硬专用虚拟仪器系统。
按照测控功能硬件的不同，VI可分为DAQ、GPIB、VXI、PXI和串口总线五种标准体系结构，它们主要完成被测输入信号的采集、放大、模/数转换.
1.2虚拟仪器系统的软件构成
测试软件是虚拟仪器的主心骨.NI公司在提出虚拟仪器概念并推出第一批实用成果时，就用软件就是仪器来表达虚拟仪器的特征，强调软件在虚拟仪器中的重要位置.NI公司从一开始就推出丰富而又简洁的虚拟仪器开发软件.使用者可以根据不同的测试任务，在虚拟仪器开发软件的提示下编制不同的测试软件，来实现当代科学技术复杂的测试任务.在虚拟仪器系统中用灵活强大的计算机软件代替传统仪器的某些硬件，特别是系统中应用计算机直接参与测试信号的产生和测量特性的分析，使仪器中的一些硬件甚至整个仪器从系统中消失，而由计算机的软硬件资源来完成它们的功能.
3.1.3虚拟仪器优势
编辑本段优势同其他技术相比，虚拟仪器技术具有优势：
性能高
扩展性强
开发时间少
3.1.4软件LabVIEW
LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器（NI）公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：
其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式.
LabVIEW是一个革命性的图形化开发环境，内置信号采集，测量分析和数据显示功能，作为传统的开发工具的复杂性，为您提供强大的功能，也保证了系统的灵活性.LabVIEW进行广泛的数据采集，分析和显示功能集中在同一环境中，让你可以根据自己的平台上无缝地集成一套完整的应用程序，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件.LabVIEW[2]集成了与满足GPIB、VXI、RS-232和RS-485协议的硬件及数据采集卡通讯的全部功能.它还内置了便于应用TCP/IP、ActiveX等软件标准的库函数.这是一个功能强大且灵活的软件.利用它可以方便地建立自己的虚拟仪器，其图形化的界面使得编程及使用过程都生动有趣.
3.2.2LabVIEW优点
LabVIEW有很多优点优点，尤其是在某些特殊领域其特点尤其突出.
测试测量：
LABVIEW最初就是为测试测量而设计的，因而测试测量也就是现在LABVIEW最广泛的应用领域.经过多年的发展，LABVIEW在测试测量领域获得了广泛的承认.至今，大多数主流的测试仪器、数据采集设备都拥有专门的LabVIEW驱动程序，使用LabVIEW可以非常便捷的控制这些硬件设备.同时，用户也可以十分方便地找到各种适用于测试测量领域的LabVIEW工具包.这些工具包几乎覆盖了用户所需的所有功能，用户在这些工具包的基础上再开发程序就容易多了.有时甚至于只需简单地调用几个工具包中的函数，就可以组成一个完整的测试测量应用程序.
3.2信号的处理
信号处理是指对阻值所测的电量进行放大和转换，因为光敏电阻的输出是微弱的电流信号，要想在后面的环节进行数据采样的话，就必须事先对信号加以处理，将它转换成可被数据采集卡接受的电压信号.
3.2.1信号放大电路
放大电路（又称放大器）广泛应用于各种电子设备中，如音响设备、视听设备、精密测量仪器、自动控制系统等.放大电路的功能是将微弱的电信号（电流、电压）进行放大得到所需要的信号.我们知道三极管可以通过控制基极电流来控制集电极的电流，来达到放大的目的.放大电路就是利用三极管的这种特性来组成放大电路.下面以共发射极的接法为例来说明一下.
三极管有三个电极，其中两个可以作为输入,两个可以作为输出，这样必然有一个电极是公共电极，因此，构成放大器时可以有三种连接方式，也称三种组态，见下图3-3：
（1）共基极，如图
（1）所示
（2）共发射极，如图
（2）所示
（3）共集电极，如图（3）所示
图3-3放大电路的三种组态
下面重点介绍一下共射极基本放大电路，如图：
图3-4共射极基本放大电路
共射极基本放大电路的放大原理：
（1）输入信号Vi通过输入耦合电容C1加到VT基极、发射极间，引起基极电流iS作相应变化.
（2）通过VT的电流放大作用，VT的集电极电流iC也将变化.
（3）iC的变化引起VT的集电极电阻RC上的压降变化，由于VCE=VCC--iCRC，集电极和发射极之间的电压VCE也跟着变化.
（4）输出信号VCE通过输出耦合电容C2隔离直流，交流分量畅通地传送给负载RL，成为输出交流电压VO，实现了电压放大作用.[13]
3.2.2电流电压转换电路
我们注意到前面所用的UFT电池供电型一体式超声波流量计的输出是4—20mA的电流信号，而后面将要用到的数据采集卡所采集的是电压信号，所以在这之前需要把流量计输出的电流信号转换成电压信号，这就需要电流电压转换电路.参考电路见图3-5所示.
图3-5电流电压转换电路
图中A1运放采用差动输入，其转换电压用电阻R1两端接电流环两端，阻值用500Ω，可由二只1KΩ电阻并联实现.这样输入电流4mA对应电压2V，输入电流20mA对应电压10V.A1设计增益为1，对应输出电压为-2V---10V.故要求电阻R2,R3,R4和R5+RW阻值相等.这里选R2=R3=R4=10KΩ；选R5=9.1KΩ，RW1=2KΩ.Rw1是用于调整由于电阻元件不对称造成的误差，使输出电压对应在-2V---10V，变化范围为-2-（-10）=8V.而最终输出应为-10V--+10V，变化范围10V-（-10V）=20V，故A2级增益为20V/8V=2.5倍，又输入电流为12mA时，A1输出电压为-12mA×0.5mA=-6V.此时要求A2输出为0V.故在A2反相输入端加入一个+6V的直流电压，使 A2输出为0.A2运放采用反相加法器，增益为2.5倍.取R6=R7=10KΩ，R9=22KΩ，RW2=5KΩ，R8=R6//R7//R9=4KΩ，取标称值R8=3.9KΩ.
反相加法器引入电压为6V，通过稳压管经电阻分压取得.稳压管可选稳定电压介于6--8V间的系列.这里取6V2，稳定电压为6.2V.工作电流定在5mA左右.电位器电流控制在1--2mA左右.这里IRW3=6.2V/2K=3.1mA.
则有（12V-VZ）/R10=IZ+IRW3
故
取标称值R10=750Ω.式中12V为电路工作电压.
RW2用于设置改变增益或变换的斜率（4mA为-10V，20mA为+10），通过调整RW2使变换电路输出满足设计要求.[13]
3.2.3信号放大器
在测量过程中，所用到的是MV20型号的测量信号放大器，见下图3-6：
图3-6MV20型测量信号放大器
MV20型测量信号放大器可以将所有物理信号如温度，湿度，压力，ph-值等转换为电信号.其紧凑的设计及螺丝固定方式使其安装在开关柜中仅占很少的空间.并且还可卡装在导轨上.它的参数是，
（1）外形尺寸：
48x96x150mm（宽x高x深）
（2）工作电源：
115/230VAC±10%/50-60Hz,功耗约4VA
（3）输入信号：
-mV,uA,mA,（亦可为变化值）
-不同的热工元件及电阻式温度计
-电阻值
（4）输出信号：
防短路型电压输出0--10V或根据客户要求（例如-10—0--+10V）,最大5mA或带有主动型电流限制的0（4）--20mA电流输出,最大负荷550Ohm20mA时=11V）
由于MV20型测量信号放大器具有将电流信号转换成电压信号的功能，通过调节，将其输出值设成0—10v的电压信号，这样就可以省去电流电压转换这一环节，这与本章开头部分有所不同，请注意.
3.3数据采集及数据采集系统
3.3.1数据采集的概念及现状
数据采集，本文是指基于LabVIEW的数据获取系统，它是利用一种装置，从系统外部采集数据并输入到系统内部的一个接口，
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