第7章光電傳感器

1、1第第 7 章章 光電傳感器光電傳感器2 第第 7 章章 光電傳感器與光纖傳感器光電傳感器與光纖傳感器 以光為媒介，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。從而實(shí)現(xiàn)非電量的光信號(hào)電測(cè)量。 光電傳感器具有反應(yīng)速度快、檢測(cè)靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在生物醫(yī)學(xué)測(cè)量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用 371 光電傳感器的基本原理與基本特性光電傳感器的基本原理與基本特性 光電效應(yīng)光照射到物質(zhì)上引起其電特性（電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位、電流等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。 7. 1. 1 光電傳感器基本原理光電傳感器基本原理（1）外光電效應(yīng)）外光電效應(yīng) 受光照射

2、，物體內(nèi)的電子吸收光能逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。如：光電管、光電倍增管。 愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程: 光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。2maxmax0012EmVhhhA4 光電子的最大動(dòng)能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 h 普朗克常量 入射光頻率 產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率; 光子能量恰好等于逸出功A0 波長(zhǎng)閾值: 2maxmax0012EmVhhhA000chcA05 光子的能量必須大于逸出功時(shí)，才產(chǎn)生光電效應(yīng)，當(dāng)入射光的頻率 1)， 個(gè)次極電子經(jīng)聚焦、加速后轟擊第二倍增極，打出 2個(gè)電子n依次類推，經(jīng)過(guò)n個(gè)倍增極之后，一個(gè)電子則變成了 n個(gè)電子，所有

3、電子最后被陽(yáng)極收集，形成較強(qiáng)的輸出電流。n陰陽(yáng)極間電壓力：10002500V，相鄰電極電位相差100V。電流放大倍數(shù)，可達(dá)10610813假設(shè)某一光電倍增管的 4，n10，則放大倍數(shù) n，約為100萬(wàn)倍?？梢?，光電倍增管對(duì)很微弱的光能產(chǎn)生很大的電流。光電倍增管的倍增極的數(shù)目多在414之間， 值一般為36. 光電倍增管靈敏度高，不能受強(qiáng)光照射，否則容易損壞。14 (2)光電倍增管的主要特征參數(shù) 光電倍增管的主要特征參數(shù)有電流放大倍數(shù)、靈敏度和暗電流等。 電流放大倍數(shù)M(電流增益)。 電流放大倍數(shù)是指在一定工作電壓下，光電倍增管陽(yáng)極信號(hào)電流IA與陰極電流IK的比值。 即 MIAIK。 在一般正常條

4、件下，M值為104106，與加在光電倍增管上的總電壓(陰極陽(yáng)極之間的電壓)成正比，穩(wěn)定性為1左右。 15 靈敏度 光電倍增管的靈敏度：是指照射單位光通量時(shí), 陽(yáng)極產(chǎn)生的飽和光電流值。它是描述光電倍增管將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的能力，其大小與極間所加的電壓有關(guān)。 圖所示為光電倍增管的特征參數(shù)靈敏度、電流放大倍數(shù)與所加電壓的關(guān)系曲線。16 暗電流。 當(dāng)光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒(méi)有光照時(shí)，仍有陽(yáng)極電流輸出，此電流的直流分量(平均量)稱為暗電流。 暗電流的值與工作電壓和溫度有關(guān)，但是主要取決于光電倍增管材料本身的特性，例如漏電、熱發(fā)射等。 暗電流決定了光電倍增管可檢測(cè)光通量的閾值。17 3、光

5、電管、光電倍增管的應(yīng)用n在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，光電管、光電倍增管常用于探測(cè) 光學(xué)信號(hào)。這些探測(cè)儀器包括生化儀器、醫(yī)用射線儀器等。n光電管：光電管： 成本較低，要求直流電壓低，但是靈敏度也低，多用于光信號(hào)較強(qiáng)的光學(xué)分析儀器。n光電倍增管：光電倍增管： 靈敏度高，放大倍數(shù)高，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于弱光線的測(cè)量，尤其是對(duì)各種射線的探測(cè)。n例如，光電管、光電倍增管在分光光度計(jì)中得到應(yīng)用。n分光光度計(jì)是根據(jù)比爾定律比爾定律，測(cè)定物質(zhì)對(duì)不同波長(zhǎng)光吸收的大小，進(jìn)而測(cè)出物質(zhì)在溶液中的濃度和得到其光譜特性，在生化實(shí)驗(yàn)分析中是必不可少的儀器。18 從光源發(fā)出的光經(jīng)單色光器色散后變?yōu)閱紊猓藛紊馔高^(guò)比色皿內(nèi)的待測(cè)

6、溶液，照射到光電管上。 光電管把隨溶液濃度不同而變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再經(jīng)放大器放大后，由微安表將透光度或吸光度顯示出來(lái)。 如測(cè)量較弱的光線，可將光電管換成光電倍增管，使測(cè)量靈敏度增加。分光光度計(jì)的原理框圖分光光度計(jì)的原理框圖19 二、光敏電阻二、光敏電阻n 光照射光敏電阻時(shí)，導(dǎo)電性增加，電阻值下降，此時(shí)稱為亮阻，不受光照射時(shí)電阻為暗阻。n 暗、亮阻之比，可達(dá)102106。n 工作在可見光紅外區(qū)，弱光下工作靈敏度高于其它器件，頻率特性差，光電特性非線性。n光敏電阻利用的是光電導(dǎo)效應(yīng)。20 三、光電池與光敏管三、光電池與光敏管 1、光電池特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)象二極管，工作面大，受光面為正極。 有源器

7、件，不需外接電壓。 頻率特性好，光電轉(zhuǎn)換效率高。 光譜范圍寬：0.451.1 。 硒光電池： ，人眼視覺(jué)靈敏度最大點(diǎn)。mmax0.55 m21 光電池(photocell)是一種光生伏特效應(yīng)元件，屬于內(nèi)光電效應(yīng)的器件。 當(dāng)它受到光照時(shí)不需外加任何形式的能量就會(huì)產(chǎn)生電流輸出，其輸出電流與接受的光照有一定的關(guān)系，反映了光照強(qiáng)度的大小。 光電池按結(jié)構(gòu)可分為兩類：n 一是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的光電池； 常用的有:硅光電池,鍺光電池。 n另一類是用半導(dǎo)體與金屬接觸產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)制成的光 電池； 常見的有:硒光電池,氧化亞銅光電池。 22 以硅光電池和硒光電池為例，介紹光電池的基本性能。 (1)

8、光譜特性: 硅光電池適用的光波長(zhǎng)在0.41.2 范圍，最大靈敏峰在0.8 左右； 硒光電池適用的光波長(zhǎng)在0.30.7 范圍，最大靈敏峰在0.5 左右。 (2)頻率特性: n硅光電池比硒光電池的頻率響應(yīng)高得多，而且負(fù)載電阻越小，頻率響應(yīng)越好，因而需要快速響應(yīng)的場(chǎng)合可采用硅光電池。n硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好，因此使用最廣泛。n 光電池僅與電阻連接， 當(dāng)光照增加(減少)時(shí)， 負(fù)載RL中的電流隨之增加(減少)。mmmm23 (3)(3)光電池的伏安特性曲線光電池的伏安特性曲線 伏安特性曲線中最佳負(fù)載線為Rj， 把光電池特性曲線分成兩個(gè)區(qū)。 1）線性區(qū)：RLRj，在這個(gè)區(qū)域內(nèi)，光電池的輸

9、出電壓與光照度E的對(duì)數(shù)成正比，稱為光電壓區(qū)。 光電流與光照度E不存在線性關(guān)系，不能用于光探測(cè)電路，即不能用于線性測(cè)量中。2425 應(yīng)用舉例：光電比色計(jì) 光電比色計(jì)屬于光學(xué)分析儀器，其原理圖如圖所示。 從光源發(fā)出的光束分成左右兩路，其中右邊一路光程中放有標(biāo)準(zhǔn)樣品，左邊一路光程中放有被測(cè)溶液。兩路測(cè)量裝置采用兩個(gè)特性完全相同的光電池完成光電轉(zhuǎn)換，兩光電池的信號(hào)經(jīng)輸入放大器放大后送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算處理，然后輸出在表頭上顯示。顯示值正比于被分析樣品的某項(xiàng)指標(biāo)，如顏色、濃度、渾濁度等。26 2、光敏二極管n 光敏二極管(photodiode)亦稱光電二極管，是一種半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件，結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管相

10、似，工作要加反向偏壓。n其基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時(shí)，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照度變化而變化，實(shí)現(xiàn)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的功能。n 無(wú)光照時(shí)，反向電阻達(dá)4M，n 有光照時(shí)，反向電阻1K幾百歐。n 頻率特性好，弱光靈敏度低。光照特性線性好。27n 光敏二極管響應(yīng)速度快，體積小，價(jià)格低，堅(jiān)實(shí)耐用，所以目前已得到廣泛的應(yīng)用。n 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，由一個(gè)PN結(jié)組成，封裝在透明外殼中，引出兩個(gè)電極。光敏二極管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。n與普通二極管相比，光敏二極管的特點(diǎn)是結(jié)面積較大。28n 光敏二極管在無(wú)光照時(shí)，電路中只有很小的反向漏電流，稱為光敏二極

11、管的暗電流。暗電流主要是由PN結(jié)中少數(shù)載流子運(yùn)動(dòng)形成。n 當(dāng)光照射光敏二極管時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，它們?cè)谕怆妶?chǎng)的作用下，與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子做定向運(yùn)動(dòng)而形成電流，此時(shí)的電流要比無(wú)光照時(shí)的漏電流大得多。這種因光照而大大增加的反向電流稱為光敏二極管的光電流。n 光電流隨入射光光照度而做相應(yīng)變化，光照度越強(qiáng)則光電流越大。n 使用中，光敏二極管的正極與電源的負(fù)極相連，負(fù)極通使用中，光敏二極管的正極與電源的負(fù)極相連，負(fù)極通過(guò)負(fù)載電阻接電源的正極。過(guò)負(fù)載電阻接電源的正極。29 光敏二極管結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖所示。 普通的PN結(jié)型光敏二極管的暗電流較大，響應(yīng)速度也不快，在

12、要求響應(yīng)速度快，線性度好和微弱信號(hào)檢測(cè)的測(cè)量系統(tǒng)中常采用雪崩光敏二極管（APD）.30 光敏二極管的伏安特性曲線如圖所示。 1）無(wú)光照時(shí)，光敏二極管的電壓電流特性與一般二極管一樣，如圖中無(wú)光照曲線所示. 2）對(duì)光敏二極管施加正向電壓時(shí)，正向電流將幾乎隨電壓升高而按指數(shù)規(guī)律上升，如圖中第象限虛線所示。如圖導(dǎo)通的二極管，不可用于光電測(cè)量。 3）特性曲線在第象限時(shí)，表示光敏二極管呈“發(fā)電”特性，此時(shí)光敏二極管在光照下相當(dāng)于光電池的特性。15916331 4）特性曲線在第象限時(shí)，光敏二極管反向偏置，反向電流隨入射光光照度的增強(qiáng)而增大，在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無(wú)關(guān)，但是

13、與光照度成正比例。這正是光敏二極管用作光電探測(cè)器時(shí)的工作區(qū)域。正確使用: 對(duì)光敏二極管加反向電壓，工作在第III象限。 選擇合適的工作點(diǎn)(I0，U0)和輸出的負(fù)載RL，如圖所示，保證光敏二極管工作在線性區(qū)。負(fù)載電阻過(guò)大和過(guò)小都會(huì)使光敏二極管偏離線性工作區(qū)。 在入射光光照度一定的條件下，反向偏置的光敏二極管相當(dāng)于一個(gè)恒流源15916332 光敏二極管的測(cè)量電路圖3所示 光敏二極管加反向電壓，選擇合適的負(fù)載電阻使其工作在線性區(qū)，光電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生成比例的電壓，對(duì)于交流信號(hào)采用電容耦合后接交流放大器。l (a)和(b)中輸出信號(hào)電壓與負(fù)載RL的信號(hào)電壓成正比。l 若輸入光信號(hào)是正脈沖，(a)

14、接法在RL上也得到正脈沖電壓；l 而在(b)接法在RL上得到負(fù)脈沖電壓。l (c)用于直流信號(hào)的測(cè)量，電路由于不受電容影響，適合于高頻脈沖狀態(tài)。33 3、光敏晶體管(光電三極管) 光敏晶體管(phototransistor)也是一種半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件， 兼有晶體管的放大特點(diǎn)，光敏感性比光敏二極管更好。 光敏晶體管由兩個(gè)PN結(jié)組成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型為常見。 與普通晶體管相比，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，光敏晶體管的集電結(jié)面積較大，發(fā)射結(jié)面積較小，目的是擴(kuò)大光照面積； 在外形上多數(shù)只有集電極c、發(fā)射極e引線，基極b作為光敏感極無(wú)引線接出。光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于基極電流，集電極電流

15、是光電流的 倍。基極與集電極之間相當(dāng)于反向偏置的光敏二極管；光敏晶體管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。34 光敏晶體管的靈敏度比二極管要高； 暗電流和噪聲較大的，穩(wěn)定性比光電二極管差； 響應(yīng)速度慢于光敏二極管。 光敏晶體管的輸出特性如圖所示。常見的光敏晶體管有硅光敏晶體管和鍺光敏晶體管。 硅光敏晶體管穩(wěn)定性較好，最高使用溫度為125左右。 鍺光敏晶體管一般暗電流較大，最高使用溫度約50 。35光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法:l 遮住窗口，用萬(wàn)用表 R*1K擋，測(cè)兩管腳引線間正、反向電阻；l 均為無(wú)窮大的為光電三極管。l 正、反向阻值一大一小者為光電二極管。光電二極

16、管與光電三極管的判別36光敏三極管的基本應(yīng)用電路光敏三極管的基本應(yīng)用電路 (a)電流控制電路電流控制電路 (b) 電壓控制電路電壓控制電路37光敏器件的主要特性曲線38各種光電元件，峰值波長(zhǎng)各種光電元件，峰值波長(zhǎng) 相差較大，應(yīng)選用與之匹配的光源相差較大，應(yīng)選用與之匹配的光源。max3940 4、雪崩二極管（APD） 在PN結(jié)的P型區(qū)再設(shè)置一層摻雜濃度很高的P+層，工作電壓接近擊穿的反向偏壓，光子激發(fā)的電子在P+區(qū)受強(qiáng)大的內(nèi)部電場(chǎng)作用，加速轟向P區(qū)。 通過(guò)反向電壓擊穿，引起電流增益，類似光電倍增管的工作原理，功率比一般二極管大104倍，工作電壓比光電倍增管低。（約幾百伏） 一個(gè)入射光子激發(fā)出一個(gè)

17、電子，通過(guò)碰撞電離產(chǎn)生更多的二次電子空穴對(duì)，頻響100GHz以上，靈敏度極高，。610/A lm41四、半導(dǎo)體位置傳感器（PSD）nPSD(Position Sensitive Detector) 基于側(cè)向光電效應(yīng)，A、B間產(chǎn)生的側(cè)向光電勢(shì)的大小、方向與光斑相對(duì)靈敏面中心位置有關(guān)。n可將光敏面上的光點(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。n 當(dāng)一束光射到PSD的光敏面上時(shí)，在同一面上的不同電極之間將會(huì)有電流流過(guò)，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。n利用PSD的pn結(jié)上的橫向光電效應(yīng)，可以檢測(cè)入射光點(diǎn)的照射位置。它不

18、像傳統(tǒng)的硅光電探測(cè)器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強(qiáng)測(cè)量等方面的應(yīng)用；n能直接用來(lái)測(cè)量位置、距離、高度、角度和運(yùn)動(dòng)軌跡等。42PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理： 由三層構(gòu)成，最上層是P層，下層是N層，中間是較厚的高阻層，形成P-I-N結(jié)構(gòu)，l當(dāng)PSD表面受到光照射時(shí)，在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電子空穴對(duì),流過(guò)P層電阻，分別從兩個(gè)電極上輸出光電流I1和I2。l由于P層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到電極間的距離，光電流I1和I2用下面兩種方式表示：43n由上式可知I1、I2是光能量(I0)與位置的函數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，由于光源光功率的波動(dòng)及光源與PSD間距離的變化，I0并不是一個(gè)

19、恒定值，為了消除I0的影響，通常把輸出電流的差與和相除作為位置檢測(cè)信號(hào)，即:n當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD中心時(shí)： n當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD一端時(shí)： n 只要檢測(cè)出I1和I2的大小，即可以算出光點(diǎn)所在的位置。2121AIIXLII2212BIXLII44 五、五、CCD固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 CCD固態(tài)圖像傳感器集光電轉(zhuǎn)換，電荷存貯，電荷轉(zhuǎn)移為一體。 光信號(hào)CCD（電荷耦合器件） 一個(gè)脈沖反映1個(gè)光敏元受光情況 電脈沖信號(hào) 幅度受光強(qiáng)弱 順序光能元位置 光生電荷與入射光成正比。 常用線陣CCD、面陣CCD器件、攝像頭。1123121231123123122,0,1,1,0,0,1,1,0,1,AA

20、AAAAAAAtqtqqtqq45TCD1703的驅(qū)動(dòng)時(shí)序轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動(dòng)脈沖 1E,1O,2E,2O,2B 、復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP等。46TCD1703的驅(qū)動(dòng)時(shí)序 CCD傳感器必需在一組時(shí)序脈沖的驅(qū)動(dòng)下才能正常工作。 TCD1703的時(shí)序脈沖共有：轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP驅(qū)動(dòng)脈沖1E,1O,2E,2O,2B等。 各路脈沖的時(shí)序關(guān)系如圖所示，兩個(gè)SH脈沖之間的時(shí)間即為一個(gè)積分周期。 1E,1O的時(shí)序相同，2E,2O,2B的時(shí)序相同， 且與1E,1O的時(shí)序相反。 所以，只需把握SH、1、RS、CP之間的時(shí)序關(guān)系即可。 總共12路驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)，只需產(chǎn)生SH,1，RS這3路脈

21、沖。 將1反向后可得到2和2B； 將RS經(jīng)過(guò)一個(gè)觸發(fā)器延時(shí)可得到CP。47 7. 2. 2 光電傳感器的計(jì)算光電傳感器的計(jì)算 一、光通量的計(jì)算一、光通量的計(jì)算 單色點(diǎn)光源的輻射光通量： 波長(zhǎng)為 的光源的發(fā)光強(qiáng)度。 球面面積 整個(gè)球面立體度： 光學(xué)元件（透鏡）對(duì)點(diǎn)光源所張的立體角 ，接收的光通量 。 A 光學(xué)元件面積 R 光源與光學(xué)元件之間的距離 若考慮光學(xué)元件的吸收和反射損耗： 反射系數(shù) 光譜透射比 l光學(xué)元件內(nèi)路徑長(zhǎng) k 吸收系數(shù) 4 II24 r2244rr 2AR 24AR24AR ()(1) kle48 二、光電流的計(jì)算二、光電流的計(jì)算單色光源： 光譜靈敏度非單色光源：三、電路分析計(jì)算

22、三、電路分析計(jì)算 按晶體管電路理論分析計(jì)算 輸入光通量 或光照度E代替晶體管輸入電流Ib，以靈敏度代替晶體管電流放大倍數(shù) 。iSS21 iSd49 減小暗電流（噪聲電流隨溫度升高而增大 ）的措施。(如圖)1、橋式補(bǔ)償電路： 二個(gè)相同的光電元件，一個(gè)接收信號(hào)，一個(gè)在暗盒中。2、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：T，I暗，RT，Ub基本穩(wěn)定。3、光電三極管有基極引線，基射之間接入Rb，Ube,趨于穩(wěn)定4、二極管電壓負(fù)溫度特性：T，I暗，URb，但 UD2，Ub基本不變。507. 2. 3 光電傳感器的類型光電傳感器的類型 一、基本類型一、基本類型 （如下頁(yè)圖所示）（如下頁(yè)圖所示）1、透射式：由 測(cè) 吸收被測(cè)量

23、2、反射式：由 測(cè)= 反射被測(cè)量3、輻射式：光源=被測(cè)對(duì)象， 測(cè)被測(cè)量4、遮擋式：5、開關(guān)式(If光遮)51 二、雙光路光電傳感器二、雙光路光電傳感器 目的：減少電源波動(dòng)，光路干擾等引起的測(cè)量誤差。 工作原理：初始時(shí)，調(diào)整光楔6改變 兩個(gè)光電元件輸出相等電橋平衡 測(cè)量中：外界干擾兩光路 同時(shí)變化在電橋中抵消52 機(jī)械光電鼠標(biāo)機(jī)械光電鼠標(biāo): :利用利用LEDLED與光敏晶體管來(lái)測(cè)量位移與光敏晶體管來(lái)測(cè)量位移機(jī)械光電鼠標(biāo)機(jī)械光電鼠標(biāo): :利用利用LEDLED與光敏晶體管來(lái)測(cè)量位移與光敏晶體管來(lái)測(cè)量位移54 86 光電傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用光電傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 一、光電式脈博波檢測(cè)一、光電

24、式脈博波檢測(cè) 1、光電式脈博波傳感器 原理: 利用近紅外單色光在一般組織中的穿透性比血液中大幾十倍的現(xiàn)象，被測(cè)部位的透光率隨血管博動(dòng)而變化。n 用光電信號(hào)測(cè)量脈搏容積變化。血管內(nèi)血容量變化,使組織對(duì)光吸收量發(fā)生變化，利用光電傳感器可測(cè)血液脈動(dòng)基本參數(shù)情況（包括頻率，幅度，形狀改變）。 552、光電脈博波測(cè)量血壓當(dāng)P袖P動(dòng)脈，動(dòng)脈被阻斷，脈博波消失最高血壓(收縮壓） 脈博振幅最大點(diǎn)P袖=P動(dòng)脈平均血壓 光源手指（透射法）當(dāng)V血管容積變化V吸光物質(zhì)變化 透射變化56Geddes固定比率法由脈搏波包絡(luò)線特征點(diǎn)獲取血壓值。包絡(luò)線頂點(diǎn)Om對(duì)應(yīng)袖帶壓Pm，即平均壓；包絡(luò)線上升沿一點(diǎn)Os對(duì)應(yīng)袖帶壓Ps，即收

25、縮壓；包絡(luò)線下降沿一點(diǎn)Od對(duì)應(yīng)袖帶壓Pd，即舒張壓。Os和Od的大小可由經(jīng)驗(yàn)公式求得：Os/ Om=0.55， 取值范圍：0.450.57Od/ Om=0.82，取值范圍：0.690.8957 二、生物化學(xué)光譜分析儀測(cè)量原理二、生物化學(xué)光譜分析儀測(cè)量原理 可見光分光光度計(jì)、紫外光分光光度計(jì)、紅外光、熒光分光光度計(jì)（框圖）。測(cè)量原理： 不同物質(zhì)吸收光波長(zhǎng)不同，物質(zhì)本身具有自己的吸收光譜。 測(cè)出吸收光譜曲線，就可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定位、定量分析。吸收曲線與物質(zhì)濃度成正比。 朗伯-比爾定律： I透射光強(qiáng)度 C溶液濃度 I0入射光強(qiáng)度 L溶液厚度 K消光系數(shù)（吸收系數(shù)）0KCLII eAKL C58 當(dāng)I0

26、、K、L不變時(shí)，濃度C越大，I越小，光被吸收越多。要滿足使用條件，溶液濃度太大，比爾定律不成立。朗伯定律：AL 比爾定律：AC A光的吸收程度（吸光度）單色器可由濾光片、棱鏡、光柵等得到波長(zhǎng) 的單色光。棱鏡色散波長(zhǎng)越短，色散程度越好。紫外區(qū)分辨率可達(dá) 0.2nm，長(zhǎng)波段只能達(dá)5nm。衍射光柵較長(zhǎng)的光波偏折角大，較短的光波偏折的角度 小，因而形成光譜。 棱鏡色散后起分光作用，只允許待測(cè)溶液所能吸收的單色光射出。 59光的吸收曲線 ： 吸收系數(shù)k不僅與物質(zhì)的種類有關(guān),而且還與入射光的波長(zhǎng)有關(guān)。正確選擇入射光的波長(zhǎng)對(duì)于測(cè)量十分重要。u可見光分光光度計(jì)系統(tǒng)框圖 60u基于ARM的測(cè)量系統(tǒng)總體框圖光學(xué)系

27、統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊微處理器模塊人機(jī)交互模塊通訊接口模塊6162基于ARM的測(cè)量系統(tǒng)電路板圖63測(cè)量軟件界面 64比較法求濃度C n實(shí)際測(cè)量溶液的濃度常采用比較法或者比色法， 用兩個(gè)同樣比色杯，厚度L相等和透明度均相等。n 一個(gè)盛待測(cè)溶液,另一個(gè)盛濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液, 由于兩者為同品種溶液,用同一波長(zhǎng)測(cè)量時(shí)吸收系數(shù)k相等。n 分別測(cè)量?jī)烧叩奈舛戎礎(chǔ),其大小與濃度的關(guān)系為：65待測(cè)溶液： 標(biāo)準(zhǔn)溶液： 兩式相比較有： A0，C0是己知的值,所以測(cè)出吸光度A，可求出待測(cè)的濃度C。 66 三、光電法測(cè)血氧飽和度三、光電法測(cè)血氧飽和度 血氧飽和度被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中的血氧濃度。 根據(jù)LambertBeer定律 E 吸光系數(shù) C 血液中HbO2濃度 L 動(dòng)脈血液光路長(zhǎng)度（溶液厚度） 吸光度：010ECLII01122log /()WI IECE C L 67動(dòng)脈博動(dòng)時(shí)， 不變，吸光度變化：E1、C1 動(dòng)脈血液中HbO2的吸光系數(shù)和濃度。E2、C2 動(dòng)脈血液中HbR（還原血紅蛋白，放出氧）的吸光系數(shù)和濃度。F 皮膚、肌肉、指角、靜脈血液等其它組織的吸光率。透射光強(qiáng)由Imax減少到00IFI 1122log