生物医学传感器原理与应用：光电传感器

1、生物医学传感器原理及应用第七章 光电传感器 第七章 光电传感器光电器件 被测非电量电信号测量电路U、I光电式传感器的定义 以光电器件或传播光路为敏感元件，将被测量通过光信号的变化转换为电信号变化的传感器。光电式传感器的物理基础和组成 物理基础：光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。光电式传感器的种类 根据工作原理：内光电效应型和外光电效应型。7.1 光电传感器的基本原理及基本特性7.2 光电器件与光电传感器类型7.3 光纤传感元件7.4 光电式传感器应用 第七章 光电传感器光波：波长10106nm电磁波。可见光波长：3807

2、80nm；紫外线波长：10380nm；红外线波长：780106nm。一、光的特性光的特性与光源光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。电磁波谱图一、光的特性光的特性与光源电磁波谱图二、常用光源光的特性与光源常用光源发光器件物体辐射光白炽光源气体放电光源发光二极管激光器GaP、SiC可见光LEDGaAs红外LED二、常用光源光的特性与光源808 nm 大功率LD650 nm LD1.55 um LD模块一、光电效应基本概念光电效应金属金属氧化物半

3、导体光照 电子光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。 内光电效应光照半导体 电子在物体内部运动外光电效应金属金属氧化物光照电子逸出物体表面外光电效应：物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。二、外光电效应（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间 d，入射端面为基准，则出射光的相位为因此，应变和折射率的变化会产生相位的变化。测量物理量：温度、压力、加速度等。调制解调方法：常采用干涉技术。 常用干涉测量仪器：马赫泽德干涉仪、迈克耳逊干涉仪、赛格纳克干涉仪等。光纤传感元件三、光纤传感器3、光纤传感器分类（1）功能型

4、光纤传感器相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示光纤传感元件特点：内部变化，宜在恶劣环境中应用，灵敏度高，结构简单，性能稳定。三、光纤传感器 光强调制型光纤传感器原理：光纤微弯曲损耗。3、光纤传感器分类（1）功能型光纤传感器 相位调制型光纤传感器例如：迈克耳逊干涉调制解调技术。光纤传感元件三、光纤传感器3、光纤传感器分类（1）功能型光纤传感器光纤传感元件三、光纤传感器3、光纤传感器分类（2）非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能由光电转换元件实现。光纤传感元件2. 求光纤n1=1.46，n2=1.45的NA值；如果外部的n0=1，求光纤的临界入射角。

5、1. 利用折射定律推导出临界角C的表达式。计算水与空气分界面(n水=1.33)的C值。 第七章 光电传感器 （例题）7.1 光电传感器的基本原理及基本特性7.2 光电器件与光电传感器类型7.3 光纤传感元件7.4 光电式传感器应用 第七章 光电传感器光电式传感器应用光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等相继应用，使光电式传感器在检测和控制领域应用非常广泛。光电式传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。光纤加速度传感器光纤加速度传感器是一种简谐振子的结构形式。

6、激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，质量块M对光纤作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变，进而反射光相位发生变化。相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号， 经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。 光电式传感器应用光纤温度传感器根据工作原理光纤温度传感器可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。光强调制半导体光吸收型光纤温度传感器的结构由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。光透过率特性

7、曲线随温度的增加向长波方向移动，透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即可测量温度。光电式传感器应用光纤温度传感器半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2s。特点：体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。 光电式传感器应用光纤位移传感器反射式光纤位移传感器利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离

8、的变化。光电式传感器应用光纤式光电开关遮断型光纤光电开关 光电式传感器应用光纤式光电开关缺料检测或计数机械手控制螺丝长度和有无的检测断线监测光电式传感器应用光电开关应用鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制光电式传感器应用光电开关应用自动扶梯自动启停汽车通过检测汽车喷涂控制门窗防盗控制光电式传感器应用光幕传感器应用自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测光电式传感器应用光电池路灯自动控制器 天黑： BG1导通，J动作，路灯亮。天亮： 光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。220VCJD-10路灯8V C1 200u C2 200u R1 470k R2 200kR3 10kR4 57k

9、R5 4.3kR6 25k R7 10k R8 280k J C3 100u BG1BG2 BG3 BG42CR光电式传感器应用光电转距测量仪光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹。无转矩作用：光栅盘1的透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号。有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，转矩成正比。 光电式传感器应用太阳能电池电源系统 调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池太阳电池组件阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电光电式传感器应用光电式太阳能自动跟踪控制器B1、B3安装在控制电路外壳的同一侧，B2、B4安装在另一侧。B1、B3受光

10、照：3电位增大，K1工作，3、1闭合；5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转。B2、B4受光照：M反转。面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止。光电式传感器应用光电管在电影放映机上的应用 影片声音重放过程录制： 声音机械振动通过光束宽度变换记录在电影胶片上宽度不同的影像声迹重放： 光声迹光电管 声迹宽度起伏变化光线强弱变化光电流变化光电式传感器应用光电式注油液位控制装置 光电式传感器应用光电式心率测量装置脉搏跳动生物组织血液量变化传输光的性能变化变化速率心率手指光反射强度变化的测量光电式传感器应用光电式条形码扫描笔光电式传感器应用红外线警戒报警器电源光源滤光片红外线凸透镜红外接

11、收器报警系统声光报警VD12CURP110kVT13AX31R251kR1R310kVT2VD2 2CP10K2KS9VK1+V有人遮挡：报警光电式传感器应用光电式大米分选机在光照下，大米、杂质发出的光信号不同。光电式传感器应用光电式可逆计数器出入场人数统计运动方向光电式传感器应用光电吸收式烟尘浊度检测仪白炽平行光源光检测放大显示报警器刻度校正透射式光电传感器测狭缝光电式传感器应用光电式高低电压隔离数据传输通道光电式传感器应用光电式烟雾报警器光电式传感器应用光电式浊度计光电式传感器应用光电式测量运动物体速度装置光电式传感器应用光电开关的类型及应用光电式传感器应用光电开关的类型及应用光电式传感器

12、应用二十五、直射式光电转速传感器组成： 开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等。原理： 通过测量光敏元件输出的脉冲频率f来测转速n=f/NN圆盘孔数。光电式传感器应用CCD传感器应用各类工件尺度测量测量：拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径，等等。例如：玻璃管直径与壁厚的测量。 玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。光电式传感器应用CCD传感器应用数码相机索尼F828数码相机光电式传感器应用CCD传感器应用M2A摄影胶囊（Mouth anus）以色列导弹专家20世纪90年代中期开发。发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器（数据记录仪腰带），存储器取下后接入计算机下载图像。用水将胶囊吞下后，随胃肠肌肉的运动沿胃十二指肠空肠与回肠