传感器技术与应用 第5版 课件 第4章 光电式传感器

第4章光电式传感器

4.1光电效应

4.2光电器件

4.3红外线传感器

4.4色彩传感器

4.5CZG－GD－500系列紫外火焰传感器

4.6核辐射传感器

4.7光纤传感器

4.8

光传感器应用实例

4.9

实训

附录EAN－13商品条形码的编码方法4.1光电效应光电元件的理论基础是光电效应。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hγ正比于光的频率γ（h为普朗克常数）。用光照射某一物体，可以看做物体受到一连串能量为hγ的光子所轰击。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。4.1.1外光电效应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。

逸出来的电子称为光电子。外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描述：

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hγ。这些能量一部分用于克服逸出功A。

另一部分作为光电子逸出时的初动能：4.1.2内光电效应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。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。电路中反偏的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）。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。4.1.3光生伏打效应在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏打效应。具有该效应的材料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。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。利用该效应可制成各类光电池。

4.2光电器件4.2.1光电管和光电倍增管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。1.光电管如图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。236145图4-1一种常见的光电管外形1-阳极A2-阴极K3-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2.光电倍增管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。U0RLD1D3KAD2D4φ图4-3光电倍增管结构及工作原理4.2.2光敏电阻光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。材料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体材料。例如：

硫化镉（CdS），硒化镉（CdSe)。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。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

光敏电阻无光照时的暗电阻一般大于1500kΩ,在有光照时，其亮电阻为几kΩ,两者差别较大。

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。

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。

光敏电阻通常都工作于直流或低频状态下。4.2.3光电二极管和光电晶体管1.光电二极管光电二极管是一种利用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。它在电路中处于反向偏置状态，如图4-5（b）所示。光电流与光照度成正比。还有一种雪崩式光电二极管（APD）。光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)

图4-5光电二极管

a)结构示意图及图形符号b）基本应用电路

2.光电晶体管光电晶体管有两个PN结，从而可以获得电流增益，如图4-6所示。光电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，称为达林顿型光电晶体管。它的灵敏度更大（β=β1β2）。但是达林顿光电晶体管的漏电（暗电流）较大，频响较差，温漂也较大。+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)

图4–6光电晶体管

a)结构b)等效电路c）图形符号

d)+UCCU0=UCC

－IcRLIcRLRL+UCC

（3~20）VU0=ICRLIceCe)

图4–6光电晶体管

d)应用电路e)光电达林顿管

4.2.4光电池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。图4-7所示是光电池结构与图形符号。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

应用最广的是硅光电池，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。

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。

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。4.2.5光电元器件的特性1.光照特性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。

I

=f（E）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)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光电二极管；(d)光电晶体管

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。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。光电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。

光电晶体管的光照特性如图4-8（d）所示，呈非线性。

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。2.光谱特性光敏元器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，光电流会随入射光波长的不同而变化。入射光波长与光敏元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)硅光电二极管；(c)光电晶体管

由图4-9可见，元件材料不同，所能响应的峰值波长也不同。应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最佳匹配。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。3.伏安特性在一定照度下，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。

各种光敏元件的伏安特性如图4-10所示。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，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

4.频率特性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：

I

=F1（f

）或S

=F2（f）称为频率特性。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，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。光电二极管的频率特性是半导体光敏元器件中最好的。

图4-11各种光敏元器件的频率响应

(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光电二极管

5.温度特性光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，灵敏度下降。光电晶体管，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。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。应采取相应措施进行温度补偿。6.响应时间光敏电阻较慢，约为（10－1~10－３）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光电二极管的响应时间为（10－5~10－7）s左右，光电晶体管的响应时间比光电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电二极管。4.2.6光耦合器件

发光器件与光敏元器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。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；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；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

光耦合器件中的发光元件多半是发光二极管。光耦合器件中的光敏元器件多为光电二极管和光电晶体管，少数采用光电达林顿管或光控晶闸管。对于光耦合器件的特性，应注意以下各项参数。（1）电流传输比（2）输入输出间的绝缘电阻（3）输入输出间的耐压（4）输入输出间的寄生电容（5）最高工作频率（6）脉冲上升时间和下降时间采用双光耦合器件TLP521的光隔离放大器电路如图4-13所示。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。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4.3.1概述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。人体的温度为36~37οC，所放射的红外线波长为9~10μm（属于远红外线区）。加热到400~700οC的物体，其放射出的红外线波长为3~5μm（属于中红外线区）。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。

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：(1)可在昼夜进行测量。(2)不必设光源。(3)大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少（2~2.6μm,3~5μm,8~14μm三个波段称为“大气窗口”）,故适用于遥感技术。

红外线传感器按其工作原理可分为两类：量子型及热型。热型红外线光敏元件的特点是：灵敏度较低、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。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。4.3.2热释电型红外传感器1.热释电效应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。在钛酸钡之类的强介电质物质材料上表现得特别显著。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。2.热释电红外线光敏元器件的材料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。3.热释电红外传感器如图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

引脚FET

空洞

图4–14热释电红外传感器基本结构

等效电路如图4-15所示。

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。

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FETDSERgRsRs为负载电阻，有的传感器内无Rs（需外接）图4-15热释电红外传感器等效电路4.PVF2热释电红外传感器

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。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。热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等低。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。5.菲涅耳透镜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。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冲进入传感器，从而提高了接收灵敏度。

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，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

6．热释电红外探测模块热释电红外探测模块由菲涅尔透镜、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，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

热释电红外传感器产生的微弱电信号，经放大器放大，然后与基准电压比较。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。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4-3热释电红外传感器组件性能型号工作电压延迟时间探测角度探测距离输出方式BH9402DC5V2～5s120°5m高电平TWH9241ADC12V10s80°7m继电器GH608DC9V3s110°12m315MHz信号HT807AC220V50s110°5m晶闸管4.4色彩传感器色彩传感器是由单晶硅和非单晶态硅制成的半导体器件。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。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。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。1.双结型色彩传感器

在一块单晶硅基片上作了两个PN结的三层结构，如图4-18所示。两个光电二极管PD1及PD2反向连接。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。

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3PPN绝缘膜电极1电极2a)123PD2PD1b)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

PD1接近表面，所以对蓝光（波长430~460nm）、绿光（波长490~570nm）有较高的灵敏度。

PD2则对红光（波长650~760nm）及红外线有较高的灵敏度。分别测PD1及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

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。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。2.非晶态集成色彩传感器如图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。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。根据R、G、B滤色镜下光电二极管输出的短路电流大小，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λ（nm）70060050040000.51.0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100KΩ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

RCRfV0图4-24非晶态传感器放大电路（仅一路）

4.5CZG-GC-500系列

紫外火焰传感器

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。

如图4-25所示。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。

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4-25CZG-GC-500系列紫外火焰传感器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。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核辐射传感器核辐射传感器的检测原理是基于放射性同位素核辐射粒子的电离作用。

核辐射传感器包括放射源、探测器和信号转换电路。放射源一般为圆盘状（β放射源）或丝状、圆柱状、圆片状（γ放射源）。

例如TI204（铊）镀在铜片上，上面覆盖云母片，然后装入铝或不锈钢壳内，最后用环氧树脂密封成为放射源。探测器工作机理是放射线照射下，材料发光闪烁效应和气体电离效应。

常用的探测器有电离室、盖格计数管和闪烁计数管，半导体探测器也已使用。

图4-27所示为盖格计数管结构组成，金属圆筒的阴极，钨丝或钼丝的阳极，充以氩、氦气体。放射线照射气体电离，在1MΩ电阻上产生几V到几十V的电压。图4-27盖格计数管结构组成探测器可以单独使用，察看天然本底计数（太阳辐射和宇宙辐射），检查局部辐射污染，检查石材、瓷器、珠宝的有害放射性。探测器也可以与放射源、信号转换电路组合，进行多种物理量的检测。α粒子能量大，电离作用最强，常用于气体成分分析和压力检测；β粒子在气体中的射程可达20米，易于散射、行程弯曲，可测量材料厚度、密度；γ射线在气体中的射程可达几百米，能穿透几十厘米厚的固体物质，常用于金属探伤和厚度、密度、速度、物位测量。4.7光纤传感器可分为功能型和非功能型。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。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。4.7.1光纤传感元器件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。

内芯的折射率略大于包层的折射率。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。光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来说明光在光纤中的传播。

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，

即光不再离开光密介质。光纤圆柱形内芯的折射率n1大于包层的折射率n2，

因此，如图4-28所示，在角2θ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。在光纤的末端以与入射角相等的出（反）射角射出光纤。图4-28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2θ张角之内的光功率能被光纤接收。角2θ与光纤内芯和包层材料的折射率有关，我们将θ的正弦定义为光纤的数值孔径（NA）。

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：

（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：（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。4.7.2常用光纤传感器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。光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。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。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。1.光纤压力传感器按光强度调制原理制成。

（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。（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4–29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。

（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。（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。光纤压力传感器不受电磁干扰，响应速度快、尺寸小、重量轻、耐热性好。由于没有导电元件，特别适合于有防爆要求的场合使用。2.光纤血流传感器利用频率调制原理，也就是利用光的多普勒效应，在这里光纤只起传输作用。

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θ频移器分束器图4-30光纤血流传感器光电二极管接收该两束光信号，送入频率分析器分析，记录仪上显示对应于血流速度的多普勒频移谱，如图4-31所示。

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。f1f0OI相对电流Δff/Hz图4–31多普勒频移谱4.7.3光纤传感器水源检测设备光纤传感器水源检测设备如图4-32所示，由光纤传感器、聚光镜、CCD图像传感器以及计算机组成。

利用载体将对重金属离子特别敏感的试剂覆膜于光纤的一端形成探头，探头放置于监测水源中。照进水源的太阳光线经探头进入光纤。被探头覆膜颜色调制的光线由光纤传输至高清晰度CCD图像传感器成像。例如，利用硅烷醇将一种对Hg（Ⅱ）特别敏感的试剂——二苯卡巴腙涂膜于光纤一端，形成Hg（Ⅱ）识别光纤探头。

二苯卡巴腙与水源中的Hg（Ⅱ）发生配合反应，在膜中生成蓝色配合物。膜颜色的变化及程度迅速通过光纤生成彩膜图像。

彩膜图像传输至计算机，通过与原来存储在计算机中标准样本图像比较匹配，判明Hg（Ⅱ）是否存在及含量。图4-32光纤传感器水源检测设备采用集束光纤，用载体分别将对各重金属离子特别敏感的各种试剂，覆膜于集束光纤的各个单支光纤一端形成探头，放置于水源中。

集束光纤的另一端传输至高清晰度CCD传感器成像，再由计算机处理成可对比图像，通过与原来存储在计算机中的标准样本图像比较匹配.，可同时检测水源中多种重金属种类和含量。4.8光传感器应用实例4.8.1自动照明灯如图4-33所示。D1为触发二极管，触发电压约为30V左右。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。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~VTVDGC2R2AR1C1R3图4–33自动照明灯电路

4.8.2物体长度及运动速度的检测图4-34为示意图和电路简图。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。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

图4–34（a）光电元件检测运动物体速度信号示意图S0LEDBLEDAQLυ7＆689清零信号

VDAVDBSR－－314

25

图4–34（b）光敏元器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

；6RS触发器；7高频脉冲信号源；8计数器；9显示器

4.8.3红外线自动水龙头

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4-35所示。

音调解码器LM567的振荡信号频率由5、6脚外接的R2、C1确定。

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4-35红外线自动水龙头

红外光线经人手反射，由红外光敏二极管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。

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。

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。

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。

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。4.8.4手指光反射测量心率方法

如图4-36所示。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。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。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4-36手指光反射测量心率示意图

电路组成如图4-37所示。光发生器采用超亮度LED管，光检测器使用光敏电阻。当食指前端接触光传感器时，从光传感器输出可得到约100μV的电压变化。该信号经电容器C加到放大器的输入端，经放大、信号变换处理，便可从显示器上直接得到心率的测量结果。显示器信号变换处理放大器＋5VLEDB光传感器68K270C图4-37手指光反射测量心率电路图4.8.5条形码与扫描笔

商品外包装上都印有条形码符号。条形码是由一组规则排列的条、空组成的编码。“条”指对光线反射率较低的深色（最好是黑色）部分，“空”指对光线反射率较高的浅色（最好是白色）部分.。

不同的条和空宽度带有国家、厂家、商品、型号、规格、价格等信息，能够用扫描笔识读。扫描笔的前方为光电读入头，它由一个发光二极管和一个光电晶体管组成，如图4-38所示。当扫描笔头在条形码上移动时，黑色线条吸收光线，白色间隔反射光线。光电晶体管将条形码黑色线条和白色间隔变成了一个个电脉冲信号，如图4-39所示。脉冲列经计算机处理后，完成对条形码信息的识别。图4-38条形码扫描笔笔头结构

图4-39扫描笔输出的脉冲列

为了人工直接识读或通过键盘向计算机输入使用，在条形码的下方，标有对应的阿拉伯数字字符。

计算机数据库建立有条形码与商品信息的对应关系，当条形码数据传到计算机上时，由计算机安装的应用程序对该商品信息进行操作处理。世界上常用的条形码制式有EAN条形码、UPC条形码、二五条形码、交叉二五条形码、库德巴条形码、三九条形码和128条形码等。

商品上最常使用的是EAN商品条形码。EAN商品条形码亦称通用商品条形码，分为EAN－13（标准版）和EAN－8（缩短版）两种。EAN－13共13位，只能用来表示数字资源，从左到右为前缀码（1～3位）制造厂商代码（4～8位）商品代码（9～12位）校验码（13位）

为了扫描识读定位需要，还有左空白区、左起始符、中心分隔符、右终止符和右空白区，如图4-40所示。图4-40EAN－13（标准版）商品条形码

美国用12位编码（UPC条形码，与EAN条形码兼容），如上图所示，现也已用13位编码。前缀码是用来标识国家或地区的代码，赋码权在国际物品编码协会，

例如00～09代表美国、加拿大，30～37代表法国，45、49代表日本，46代表俄罗斯，50代表英国，69代表中国大陆，880代表韩国，955代表马来西亚。图书和期刊作为特殊的商品也采用EAN－13码，如图4-41所示。前缀码978用于图书号ISBN，977用于期刊号ISSN。图4-41EAN－13（标准版）图书和期刊条形码制造厂商代码的赋权在各个国家或地区的物品编码组织，中国由国家物品编码中心赋予制造厂商代码。商品代码是用来标识商品的代码，赋码权由产品生产企业自己行使。企业生产的商品需要条形码，可到所在地的编码分支机构办理申请注册手续，完成审批程序。商品代码一经分配，就不再更改，并且是终身的。商品条形码最后1位为校验码，用来校验条形码第1－12数字识读的正确性。

校验由计算机或扫描笔中配置的微处理器完成。

附录：条形码识读正确否校验方法。1.把13位条形码从右往左依次编序号为“1,2,3,4…”；2.从序号2开始把所有偶数序号的数相加求和；3.用求出的和乘以3；4.从序号3开始把所有奇数序号的数相加求和；5.把第4步所得数与第3步所得数相加求和；6.用10减去这个和的个位数，得到的数的个位数与校验码相同，则识读条形码数字正确无误。4.8.6插卡式电源开关

电路如图4-42所示。主要用于宾馆和集体宿舍，可以起到安全和节约用电的作用。当住宿人员回到房间时，把住宿卡插入该电源开关，房间总电源接通，然后才能打开房间内的所有电气设备开关。住宿人员外出，取走住宿卡，房间总电源切断，房间内的所有电气设备都打不开。图4-42插卡式电源开关

光耦合器由发光二极管和光敏晶体管组成。住宿卡插入光断路器的凹槽内，正好挡住光线，光敏晶体管截止，光断路器输出高电平，使VT1和VT2导通，继电器K工作，接通房间内的总电源。住宿人员外出，取走住宿卡，光线无阻挡，光敏晶体管导通，光断路器输出低电平，使VT1截止。C3起延时作用，其充的电放完后，VT2截止，继电器K断开，切断房间总电源。4.8.7虚拟现实3维空间跟踪球虚拟现实（VirtualReality,VR）技术，又称灵境技术.。

是从真实存在的现实社会环境中，用照相、录像、绘画等方法，采集几个方向必要的数据，输入计算机，经过计算机的计算补插处理，模拟生成3维虚拟环境。使用者通过传感器技术手段和计算机3D软件，感触和融入该虚拟环境，对虚拟世界对象，例如：园林、建筑、设备、零件、人物、服饰、医疗、游戏等，进行可视化操作，实现人机交互，获得设计、模拟和仿真。头戴VR显示器是用两个显示器分别向两只眼睛显示两幅图像，两幅图像有细小差别，类似于人的双眼视差，从而给人造成3维沉浸感。操作的传感器，有光电、电磁波、超声波、机械力等多种类型.。其中虚拟现实3维空间跟踪球是一种可以提供6自由度控制的光电传感器，是一种简单实用、应用较多的桌面控制设备。虚拟现实3维空间跟踪球如图4-43所示，跟踪球被安装在一个小型平台上，可以扭转、挤压、下按、上拉、摇摆。图4-43虚拟现实3维空间跟踪球半球形凹洞均匀装有6个发光二极管，球面相对位置安装有6个光敏传感器。当使用者以不同方式施加外力作用于跟踪球时，6个光敏传感器接收光的强度不同，产生不同强度的电信号，通过无线或USB接口送入计算机。计算机根据这些量值改变屏幕上显示的虚拟对象的运动状态。4.9实训4.9.1熟悉常用光敏元器件的性能指标在众多的光传感器中，最为成熟且应用最广的是可见光和近红外光传感器。

如CdS、Si、Ge、InGaAs光传感器。

已广泛应用于工业电子设备的光电子控制系统、光纤通信系统、雷达系统、仪器仪表、电影电视、摄影曝光等方面。

提供光信号检测、自然光检测、光量检测和光位检测之用。类别灵敏度暗电流频率特性光谱特性线性稳定性分散度测量范围主要用途价格光敏电阻器很高大差窄差差大中测开关量低光电池低小中宽好好小宽测模拟量高光电二极管较高大好宽好好小中测模拟量高光电晶体管高大差较窄差好小窄测开关量中

熟悉下表所列光敏元器件的特性和用途。4.9.2测光文具盒电路的装配与测试电路如图4-44所示。(1)准备电路板和元器件,认识元器件；(2)电路装配调试；(3)电路各点电压测量；(4)实验过程和结果记录；(5)调电位器RP和电阻R，进行电路各点电压测量和实验结果分析。图4-44测光文具盒电路

附录：EAN－13商品条形码的编码方法

EAN－13商品条形码组成顺序为：左空白区，11个条形模块宽；前置码，

1位数字，不用条码符号表示，0个条形模块组成，为国家代码的第一位数字，其功能为设定左侧数据符的编码方式，解码时由左侧数据符的编码方式推定其数字；

左起始符101，条形模块比数据码条形模块长；左侧数据码，6位数字，42个条形模块组成；中心分隔符01010，条形模块比数据码条形模块长；右侧数据码，5位数字，35个条形模块组成；校验码，

1位数字，7个条形模块组成；右起始符101

，条形模块比数据码条形模块长；右空白区，11个条形模块宽。

商品条码模块的标准宽度是0.33mm，一个标准宽度的条模块表示二进制的“1”，而一个标准宽度的空模块表示