第4章光电式传感器_第1页
第4章光电式传感器_第2页
第4章光电式传感器_第3页
第4章光电式传感器_第4页
第4章光电式传感器_第5页
已阅读5页,还剩116页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

1、 第4章光电式传感器 4.1 光电效应光电效应 4.2 光电器件光电器件 4.3 红外线传感器红外线传感器 4.4 色彩传感器色彩传感器 4.5 CZGGD500系列紫外火焰传感器系列紫外火焰传感器 4.6 光纤传感器光纤传感器 4.7 光传感器应用实例光传感器应用实例 4.8 实训实训 4.1 光电效应光电效应 v光电元件的理论基础是光电效应。 v 光可以认为是由一定能量的粒子(光子) 所形成,每个光子具有的能量h正比于光的 频率(h为普朗克常数)。 v 用光照射某一物体,可以看做物体受到 一连串能量为h的光子所轰击。 v 物体材料吸收光子能量而发生相应电效 应的物理现象称为光电效应。 v4

2、.1.1 外光电效应外光电效应 v 光照射于某一物体上,使电子从这些 物体表面逸出的现象称为外光电效应,也 称光电发射。 v 逸出来的电子称为光电子。 v 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来 描述: Ahmv 2 2 1 v 一个光子的能量只能给物体中的一个自 由电子,使自由电子能量增加h。 v 这些能量一部分用于克服逸出功A。 v 另一部分作为光电子逸出时的初动能: 2 2 1 mv v4.1.2 内光电效应内光电效应 v 光照射于某一物体上,使其导电能力发 生变化,这种现象称为内光电效应,也称光 电导效应。 v 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在 受到光照时均会出现电阻下降的现象。 v 电路

3、中反偏的PN结在受到光照时也会在 该PN结附近产生光生载流子(电子-空穴 对)。 v 利用上述现象可制成光敏电阻,光敏二 极管,光敏晶体管,光敏晶闸管等光电转换 器件。 v4.1.3 光生伏打效应光生伏打效应 v 在光线作用下,物体产生一定方向电动 势的现象称为光生伏打效应。 v 具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、 硫化镉、砷化镓等。 v 例如,当一定波长的光照射PN结时,就 产生电子-空穴对,在PN结内电场的作用下, 空穴移向P区,电子移向N区,于是P区和N 区之间产生电压,即光生电动势。 v 利用该效应可制成各类光电池。 4.2 光电器件光电器件 v4.2.1 光电管和光电倍增管光电管和

4、光电倍增管 v 光电管和光电倍增管同属于用外光电效 应制成的光电转换器件。 v1.光电管光电管 v 如图4-1所示。金属阳极A和阴极K封装 在一个玻璃壳内,当入射光照射在阴极时, 光子的能量传递给阴极表面的电子,当电 子获得的能量足够大时,逸出金属表面形 成电子发射,这种电子称为光电子。 23 6 1 4 5 图4 -1 一种常见的光电管外形 1-阳极A 2-阴极K 3-玻璃外壳 4-管座 5-电极引脚 6-定位销 图4 -2 光电管符号及测量电路 v2.光电倍增管 v 光电倍增管有放大光电流的作用,灵敏度 非常高,信噪比大,线性好,多用于微光测 量。 U0 RL D1D3 K A D2D4

5、图4 -3 光电倍增管结构及工作原理 v4.2.2 光敏电阻光敏电阻 v 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。 v 材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等 半导体材料。例如: v 硫化镉(CdS),硒化镉(CdSe)。 v 在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了光 敏电阻,如图4-4(a)所示。 v 为了增加灵敏度,两电极常做成梳状, 如图4-4(b)所示。 图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 a)原理图 b) 图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 b)外形图 c) 图4-4 光敏电阻机构示意图及图形符号 c)图形符号 v 光敏电阻无光照时的暗电阻一般大于

6、1500k,在有光照时,其亮电阻为几k,两者 差别较大。 v 对可见光敏感的硫化镉光敏电阻是最有 代表性的一种光敏电阻。 v 光敏电阻的光照响应速度较慢。例如: 硫化镉光敏电阻的响应时间约为100ms,硒 化镉光敏电阻的响应时间约为10ms。 v 光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。 v4.2.3光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 v1.光敏二极管光敏二极管 v 光敏二极管是一种利用PN结单向导电性 的结型光电器件,其PN结装在透明管壳的 顶部,以便接受光照,如图4-5(a)所示。 v 它在电路中处于反向偏置状态,如图4-5 (b)所示。 v 光电流与光照度成正比。 v 还有一种雪

7、崩式光敏二极管(APD)。 光照 P N a) + RL E U0 I A b) 图4 -5 光敏二极管 a)结构示意图及图形符号 b)基本应用电路 v2.光敏晶体管光敏晶体管 v 光敏晶体管有两个PN结,从而可以获得 电流增益,如图4-6所示。 v 光敏晶体管与一只普通晶体管制作在同 一个管壳内,连接成复合管,如图4-6(e) 所示,称为达林顿型光敏晶体管。它的灵敏 度更大(=12)。 v 但是达林顿光敏晶体管的漏电(暗电流) 较大,频响较差,温漂也较大。 + C N N P - e Jc Je a) C Ic= Icbo Icbo e b) C e c) 图4 6 光敏晶体管 a) 结构

8、b) 等效电路 c)图形符号 d) +UCC U0 =UC C Ic R L Ic RL RL +UCC (3 20)V U0 =I C R L Ic e C e) 图4 6 光敏晶体管 d) 应用电路 e)光敏达林顿管 v4.2.4光电池光电池 v 光电池的工作原理是基于光生伏打效 应。当光照射在光电池上时,可以直接输 出电动势及光电流。 v 图4-7所示是光电池结构与图形符号。 v 光电池 的种类很多,有硅、砷化镓、 硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。 焊点 N型硅 + 金属镀层电极 光 P型硅 PN结 a) b) 图4-7 硅光电池 a) 结构示意图 b) 图形符号 v 应用最广的是硅光电

9、池,优点:性能稳 定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率 高、能耐高温辐射、价格便宜等。 v 大面积的光电池组按功率和电压的要求 进行串、并联,组成方阵,可以做成太阳 能电池作为电源。 v 太阳能电池在宇宙开发、航空、通信、 交通、家用电器等方面得到了广泛应用。 v4.2.5 光电元件的特性光电元件的特性 v1.光照特性光照特性 v 当光电元件上加上一定电压时,光电 流I与光电元件上光照度E之间的对应关系, 称为光照特性。 v I = f(E) v 对于光敏电阻器,因其灵敏度高而光 照特性呈非线性,一般用于自动控制中作 开关元件。其光照特性见图4-8(a)。 图 4 -8 光照特性图 (a)光敏

10、电阻器;(b)光电池;(c)光敏二极管;(d)光敏晶体管 v 光电池的开路电压V与照度E是对数关 系,在2000lx的照度下趋于饱和。 v 在负载电阻远小于光电池内阻时,光电 池的电流称为短路电流Isc,与照度呈线性 关系。如图4-8(b)直线所示。 v 光敏二极管的光照特性为线性,适于作 检测元件,其特性如图4-8(c)所示。 v 光敏晶体管的光照特性如图4-8(d) 所示,呈非线性。 v 但由于其内部具有放大作用,故其灵 敏度较高,输出光电流较大 。 v2.光谱特性光谱特性 v 光敏元件上加上一定的电压,这时如 有一单色光(单一波长光)照射到光敏 元件上,如果入射光功率相同,光电流 会随入

11、射光波长的不同而变化。 v 入射光波长与光敏器件相对灵敏度或 相对光电流间的关系即为该元件的光谱 特性。 图4 9 各种光敏元件的光谱特性图 (a)光敏电阻器;(b)硅光敏二极管;(c)光敏晶体管 v 由图4-9可见,元件材料不同,所能响 应的峰值波长也不同。 v 应根据光谱特性来确定光源与光电器 件的最佳匹配。 v 在选择光敏元件时,应使最大灵敏度 在需要测量的光谱范围内,才有可能获得 最高灵敏度。 v3.伏安特性伏安特性 v 在一定照度下,光电流I与光敏元件两 端电压V的对应关系,称为伏安特性。 v 各种光敏元件的伏安特性如图4-10所 示。 v 伏安特性可以帮助我们确定光敏元件 的负载电

12、阻,设计应用电路。 图4 -10 各种光敏元件的伏安特性 (a)光敏电阻器;(b)光电池;(c)光电晶体管 v4.频率特性频率特性 v 在相同的电压和同样幅值的光照下, 当入射光以不同频率的正弦频率调制时, 光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调 制频率f而变化,它们的关系为: v I = F1(f ) v或 S = F2(f ) v 称为频率特性。 v 以光生伏打效应原理工作的光敏元件 (如光电池)频率特性较差, v 以内光电效应原理工作的光敏元件 (如 光敏电阻)频率特性更差。 v 光敏二极管的频率特性是半导体光敏 元件中最好的。 图4 -11各种光敏元件的频率响应 (a)光敏电阻器;(b

13、)光电池;(c)光敏二极管 v5.温度特性温度特性 v 光敏电阻,当温度上升时,暗电流增 大,灵敏度下降。 v 光敏晶体管,由于温度变化对暗电流 影响非常大,并且是非线性的,给微光测 量带来较大误差。 v 光电池受温度的影响主要表现在开路 电压随温度增加而下降,短路电流随温度 上升缓慢增加。 v 应采取相应措施进行温度补偿。 v6.响应时间响应时间 v 光敏电阻较慢,约为(10 110)s, 一般不能用于要求快速响应的场合。 v 工业用的硅光敏二极管的响应时间为 (105107)s左右, v 光敏晶体管的响应时间比二极管约慢一 个数量级,在要求快速响应或入射光、调制 光频率较高时应选用硅光敏二

14、极管。 v4.2.6 光耦合器件光耦合器件 v 将发光器件与光敏元件集成在一起便可 构成光耦合器件,图4-12为其结构示意图。 v 图a为窄缝透射式,可用于片状遮挡物 体的位置检测,或码盘、转速测量中; v 图 b为反射式可用于反光体的位置检测, 对被测物不限制厚度; v 图c为全封闭式,用于前后级电路的隔 离。 (a) (b) (c) 图 4 -12 光耦合器典型结构 v 光耦合器件中的发光元件多半是发光 二极管。 v 光耦合器件中的光敏元件多为光敏二 极管和光敏晶体管,少数采用光敏达林顿 管或光控晶闸管。 v 对于光耦合器件的特性,应注意以 下各项参数。 v(1)电流传输比 v(2)输入输

15、出间的绝缘电阻 v(3)输入输出间的耐压 v(4)输入输出间的寄生电容 v(5)最高工作频率 v(6)脉冲上升时间和下降时间 v 采用双光耦合器件TLP521的光隔离 放大器电路如图4-13所示。 v 两光耦合器件本身是非线性的,由 于非线性程度相同,所以采用了负反馈 的方法相互抵消,改善了线性。 v 电容C用于防止运放的自激振荡。输 出放大器OP-07用于缓冲隔离。 图4-13 光隔离放大器电路 4.3 红外线传感器红外线传感器 v4.3.1概述概述 v 凡是存在于自然界的物体,例如: 人体、火焰、冰等物体都会放射出红外 线,只是其发射的红外线的波长不同而 已。 v 人体的温度为3637C,

16、所放射的红 外线波长为910m(属于远红外线区)。 v 加热到400700C的物体,其放射出 的红外线波长为35m(属于中红外线 区)。 v 红外线传感器可以检测到这些物体发 射出的红外线,用于测量、成像或控制。 v 用红外线作为检测媒介,来测量某些 非电量,比可见光作为媒介的检测方法 要好。其优越性表现在: v(1) 可在昼夜进行测量。 v(2) 不必设光源。 v(3) 大气对某些特定波长范围的红外线吸 收甚少(22.6m ,35m ,814m三个 波段称为“大气窗口”),故适用于遥感 技术。 v 红外线传感器按其工作原理可分为两 类:量子型及热型。 v 热型红外线光敏元件的特点是: v 灵

17、敏度较低、响应速度较慢、响应的 红外线波长范围较宽,价格比较便宜、能 在室温下工作。 v 量子型红外线光敏元件的特性则与热 型正好相反,一般必须在冷却(77K)条 件下使用。 v4.3.2热释电型红外传感器热释电型红外传感器 v1. 热释电效应热释电效应 v 若使某些强介电质物质的表面温度发生 变化,随着温度的上升或下降,在这些物 质表面上就会产生电荷的变化,这种现象 称为热释电效应,是热电效应的一种。 v 在钛酸钡之类的强介电质物质材料上 表现得特别显著。 v 热释电效应产生的电荷不是永存的,很 快便被空气中的各种离子所结合。 v2. 热释电红外线光敏元件的材料热释电红外线光敏元件的材料 v

18、 热释电红外线光敏元件的材料较多,其 中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。 v3. 热释电红外传感器热释电红外传感器 v 如图4-14所示。传感器的敏感元件是 PZT(钛锆酸铅 ),在上下两面做上电极, 并在表面上加一层黑色氧化膜以提高其转 换效率。 内接线 氧化膜 PZT元件 铝件 接脚 FET 空洞 图 4 14 热释电红外传感器基本结构 v 等效电路如图4-15所示。 v 电路结构是一个在负载电阻上并联一 个电容的电流发生器,其输出阻抗极高, 输出电压信号又极其微弱。 v 管内有场效应管FET放大器及厚膜电 阻,以达到阻抗变换的目的。 元件FET D S E Rg Rs Rs为负载电阻,有

19、的传感器内无Rs(需外接) 图 4 -15 热释电红外传感器等效电路 v4. PVF2 热释电红外传感器热释电红外传感器 v PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写,是一种 经过特殊加工的塑料薄膜。 v 它具有压电效应,同时也具有热释电效 应,是一种新型传感器材料。 v 热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等低。 v 具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易 加工及成本低的特点,是制造红外线监测 报警装置的好材料。 v5. 菲涅耳透镜菲涅耳透镜 v 是由塑料制成的 特殊设计的光学透镜, 配合热释电红外线传感器使用。 v 透镜由很多“盲区”和“高灵敏区”组 成,物体或人体发射的红外线通过菲涅耳透 镜会产生一系列的光脉

20、冲进入传感器,从而 提高了接收灵敏度。 v 物体或人体移动的速度越快,灵敏度就 越高。一般配上透镜可检测10米上下, v 新设计的双重反射型,则其检测距离可 达20米以上。 菲涅耳透镜 图4 - 16菲涅耳透镜的应用 v6热释电红外探测模块热释电红外探测模块 v 热释电红外探测模块由 v 菲涅尔透镜、热释电红外传感器、放大 器、基准电压源、比较器、驱动放大电路、 继电器或晶闸管组成, v 如图4-17所示。 菲涅 尔透 镜 热释电 红外传 感器 放大 器 比较 器 基准电压 源 驱动 电路 继 电 器 图4-17 热释电红外探测模块结构 v 热释电红外传感器产生的微弱电信号, 经放大器放大,然

21、后与基准电压比较。 v 若大于基准电压,则输出高电平,经驱 动放大后,控制继电器动作。 v 通常将热释电红外传感器和全部电路安 装在一个小印制电路板上,然后将其装入一 个带有菲涅尔透镜的ABS工程塑料外壳内, 做成一个组件。 表表4-3 4-3 热释电红外传感器组件性能热释电红外传感器组件性能 型型 号号 工作工作 电压电压 延迟延迟 时间时间 探测探测 角度角度 探测探测 距离距离 输出方式输出方式 BH9402BH9402DC5VDC5V2 25s5s120120 5m5m高电平高电平 TWH9241ATWH9241ADC12VDC12V10s10s8080 7m7m继电器继电器 GH60

22、8GH608DC9VDC9V3s3s110110 12m12m315MHz315MHz信号信号 HT807HT807AC220VAC220V50s50s110110 5m5m晶闸管晶闸管 4.4 色彩传感器色彩传感器 v 色彩传感器是由单晶硅和非单晶态硅 制成的半导体器件。 v 物体的颜色是由照射物体的光源和物 体本身的光谱反射率决定的。 v 在光源一定的条件下,物体的颜色取 决于反射的光谱(波长),能测定物体反 射的波长,就可以测定物体的颜色。 v 色彩传感器有两种:双PN结光电二极 管和非晶态集成色彩传感器。 v1. 双结型色彩传感器双结型色彩传感器 v 在一块单晶硅基片上作了两个PN结

23、的三层结构,如图4-18所示。 v 两个光电二极管PD1及PD2反向连接。 v 光电二极管的光谱特性与PN结的厚 薄有很大关系。PN结的面做得薄一点对 蓝光的灵敏度高。 v PD1与PD2的厚薄不同所以光谱特性 也不同,如图4-19所示。 电极3 P P N 绝缘膜电极1电极2 a) 1 2 3 PD2 PD1 b) 图4 18 双结型色彩传感器的结构与等效电路 图4-19 双结型色彩传感器的光谱特性 v PD1接近表面,所以对蓝光(波长 430460nm)、绿光(波长490570nm) 有较高的灵敏度。 v PD2则对红光(波长650760nm)及 红外线有较高的灵敏度。 v 分别测PD1及

24、PD2的短路电流,ISC1、 ISC2,可得图4-20所示的特性。 图 4 20 短路电流比与波长特性 v 根据色彩传感器检测的短路电流比,由 图4-20可以求出对应的波长,即可分辨出 不同的颜色。 v 由图4-20可知,不同的温度,其特性有 所变动。因此在作精密测量时要在电路上 加温度补偿,或者在计算机中用软件进行 补偿。 v2. 非晶态集成色彩传感器非晶态集成色彩传感器 v 如图4-21 所示,在非晶态的硅的基片 上,平排做了三个光电二极管。 v 在各个光电二极管上分别加上红(R)、 绿(G)、蓝(B)滤色镜,将来自物体的 反射光分解为三种颜色。 v 根据R、G、B滤色镜下光电二极管输出

25、的短路电流大小,通过电子线路及计算机, 可以识别十二种以上的颜色。 非晶态硅 引线 树脂 导电膜 玻璃板 滤色镜 RGB 图 4 21 非晶态集成色彩传感器 a)b) AM3301系列集成色彩传感器的三色相对 灵敏度与波长特性如图4-22所示。 波长(nm) 700600500400 0 0.5 1.0 相对 灵敏 度 BGR 图 4 22 相对灵敏度与波长特性 非晶态色彩传感器的入射光照度与输出电压 的关系如图 4-23所示。 图 4-23 非晶态色彩传感器输出电压与照度关系 传感器上有时并联一个100K电阻,以 保证良好的线性度。放大电路如图4-24所示。 + - 色彩传感 器 100K

26、R C Rf V0 图 4-24 非晶态传感器放大电路(仅一路) 4.5 CZG-GC-500系列系列 紫外火焰传感器紫外火焰传感器 v 敏感元件为紫外电管,由管壳、充入 的气体、阳极和光阴极组成。 v 如图4-25 所示。 v 在火焰中的远紫外线的照射下,光阴 极中的电子吸收能量而逸出光阴极表面。 v 在电场的作用下向阳极运动,从而产 生电信号,达到检测火焰的目的。 图4-25 CZG-GC-500系列紫外火焰传感器 v 紫外火焰传感器主要应用于火灾消 防系统,尤其是一些易燃易爆场所,用 来检测火焰的产生。 v 该传感器也可用于发动机、锅炉、 窑炉等的火焰报警系统。 4.6 光纤传感器光纤传

27、感器 v 可分为功能型和非功能型。 v 功能型传感器是利用光纤本身的特 性随被测量发生变化,利用光纤作为敏 感元件,又称为传感型光纤传感器。 v 非功能型传感器是利用其他敏感元件 来感受被测量变化,光纤仅作为光的传 输介质,也称为传光型光纤传感器或称 混合型光纤传感器。 v4.6.1 光纤传感元器件光纤传感元器件 v 光导纤维是用比头发丝还细的石英玻 璃制成的,每根光纤由圆柱形的内芯和包 层组成。 v 内芯的折射率略大于包层的折射率。 v 光是直线传播的。然而入射到光纤中 的光线却能限制在光纤中,而且随着光纤 的弯曲而走弯曲的路线,并能传送到很远 的地方去。 v 光纤的直径比光的波长大很多,可

28、以 用几何光学的方法来说明光在光纤中的传 播。 v 当光从光密(折射率大)介质射向光 疏(折射率小)介质,且入射角大于临界 角时,光会产生全反射, v 即光不再离开光密介质。 v 光纤圆柱形内芯的折射率n1大于包层 的折射率n2, v 因此,如图4-27所示,在角2之间的 入射光,除了在光纤玻璃中吸收和散射之 外,大部分在界面上产生多次反射,以锯 齿形的线路在光纤中传播。 v 在光纤的末端以与入射角相等的出 (反)射角射出光纤。 图4 -27 光导纤维中光的传输特性 光纤的主要参数和类型: (1)数值孔径: 无论光源发射功率有多大,只有2张角之 内 的光功率能被光纤接收。角2与光纤内芯 和包层

29、材料的折射率有关,我们将的正弦定 义为光纤的数值孔径(NA)。 2 1 2 2 2 1 )(sinnnNA 一般希望有大的数值孔径,以利于耦合效 率的提高,但数值孔径越大,光信号畸变就越 严重,所以要适当选择。 (2)光纤模式: 多模光纤中,同一光信号采用很多模式 传输,会使这一光信号分裂为不同时间到达 接收端的多个小信号,导致合成信号畸变。 希望模式数量越少越好,尽可能在单模 方式下工作,即单模光纤。 阶跃型的圆筒光纤内传播的模式数量v 可简单表示为: 0 2 1 2 2 2 1 )( nnd v (3)传播损耗: 由于光纤纤芯材料的吸收、散射以及光纤 弯曲处的辐射损耗等影响,光信号在光纤中

30、的 传播不可避免地会有损耗。 假设从纤芯左端输入一个光脉冲,其峰值 强度(光功率)为Io,传播损耗后,光纤中任 一点处的光强度为: L eILI 0 )( (4)光纤类型 按折射率变化分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输模式多少分为单模光纤与多模光纤。 v4.6.2 常用光纤传感器常用光纤传感器 v 光纤传感器的种类很多,工作原理也各 不相同,但都离不开光的调制和解调两个 环节。 v 光调制就是把某一被测信息加载到传输 光波上。 v 承载了被测信息的已调制光,传输到光 探测系统后再经解调,便可获得所需的该 被测信息。 v 常用的光调制方法有强度调制、相位调 制、频率调制、偏振调制等几种。 v

31、1. 光纤压力传感器光纤压力传感器 v 按光强度调制原理制成。 v (1)被测力作用于膜片,使光纤与膜 片间的气隙减小,使棱镜与光吸收层之间的 气隙发生改变。 v (2)气隙发生改变引起棱镜界面上全 (内)反射的局部破坏,造成一部分光离开 棱镜的上界面,进入吸收层并被吸收,致使 反射回接收光纤的光强度减小。 图4 28 光纤压力传感器结构 1膜片;2光吸收层;3垫圈;4光导纤维;5桥式光 接收线路;6发光二极管;7壳体;8棱镜;9上盖。 v (3)接收光纤内反射光强度的改变可由 桥式光接收器检测出来。 v (4)桥式光接收器输出信号的大小只与 光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。 v 光纤压力

32、传感器不受电磁干扰,响应速度 快、尺寸小、重量轻、耐热性好。 v 由于没有导电元件,特别适合于有防爆要 求的场合使用。 v2. 光纤血流传感器光纤血流传感器 v 利用频率调制原理,也就是利用光的 多普勒效应,在这里光纤只起传输作用。 v 激光器发出的光波频率为f,激光束由 分束器分为两束,一束作为测量光束,通 过光纤探针进到被测血液中, 由于血流速 度 ,其反射光具有多普勒频移f 。另一 束作为参考光由频移器产生参考频移。 氩氖激光器 频率分析器 记录仪 光电二极管 动脉血管 光纤探针 托座 频移器 分束器 图4 -29 光纤血流传感器 v 光电二极管接收该两束光信号,送入 频率分析器分析,记

33、录仪上显示对应于血 流速度的多普勒频移谱,如图4-30所示。 v 图中,I表示输出的光电流;f0表示最 大频移;f的符号由血流方向确定。 f1 f0 O I 相对 电流 f f / Hz 图4 30 多普勒频移谱 4.7 光传感器应用实例光传感器应用实例 v4.7.1 自动照明灯自动照明灯 v 如图4-31所示。D1为触发二极管,触发 电压约为30V左右。 v 白天,光敏电阻的阻值低, A点分压低 于30V,触发二极管截止,双向可控硅无触 发电流,T1、T2之间呈断开状态。 v 晚上天黑,光敏电阻的阻值增加,A点 电压大于30V,触发二极管导通,双向可控 硅呈导通状态,电灯亮。 220V VT

34、 VD G C2 R2 A R1 C1 R3 图4 31 自动照明灯电路 v4.7.2 物体长度及运动速度的检测物体长度及运动速度的检测 v 图4-32为示意图和电路简图。 v 当工件自左向右运动时,首先遮断光源 A的光线,经过设定的S0距离后再遮断光源 B的光线,经光敏元件VDA、VDB和 RS触 发器输出高频脉冲,计数器进行计数。 v 若所计脉冲数为n 和脉冲周期为T,则 可计算物体平均运动速度为 nT S t S 00 图4 32(a) 光电元件检测运动物体速度信号示意图 S 0 LEDBLEDA Q L 7 689 清零信号 VDA VDB S R 3 1 4 2 5 图4 32(b)

35、 光电元件检测运动物体速度电路图 1光源A ;2光敏元件VDA ;3运动物体 ;4光源B ;5光敏元 件VDB ;6 RS触发器;7高频脉冲信号源;8计数器;9显示器 v4.7.3 红外线自动水龙头红外线自动水龙头 v 红外线自动水龙头属无接触式自动水龙 头,起到节约用水的作用,还可以避免人群 中病菌的交叉传播。电路如图4-33所示。 v 音调解码器LM567的振荡信号频率由5、 6脚外接的R2、C1确定。 v 产生的振荡信号,由5脚输出,经运算 放大器A1和VT1放大,驱动红外发光二极管 VL1发光向外发射。 图图4-33 红外线自动水龙头红外线自动水龙头 v 红外光线经人手反射,由红外光敏

36、二极 管VD2接收,经运算放大器A2放大后,由3脚 输入到LM567音调解码器。 v 音调解码器把输入信号与内部振荡信号 比较,两者频率相等,8脚输出低电平。 v 晶体管VT2饱和导通,集电极变为高电 平,使晶闸管BT139导通,接通电磁阀RL的 电源。电磁阀打开,放出水来。 v 手离开后,没有人手的反射,红外光 敏二极管VD2没有接收信号,LM567音调 解码器3脚没有输入信号,8脚输出为高电 平。 v VT2截止,集电极变为低电平,晶闸管 不导通,电磁阀关闭,没有水流出来。 v4.7.4 手指光反射测量心率方法手指光反射测量心率方法 v 如图4-34所示。 v 用一光发生器向手指发射光,用一光检 测器放在手指的同一边,接收手指反射的 光。 v 手指反射的光的强度及其变化会随血液 脉搏的变化而变化。 v 由光检测器检测到手指反射的光,并对 其强度变化速率进行记数,即可测得被测 人的心率。 图4-34 手指光反射测量心率示意图 v 电路组成如图4-35所示。 v 光发生器采用超亮度LED管,光检测器 使用光敏电阻。 v 当食指前端接触光传感器时,从光传 感器输出可得到约100V的电压变化。 v 该信号经电容器C加到放大器的输入端, 经放大、信号变换处

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

最新文档

评论

0/150

提交评论