傳感器技術(shù)與應(yīng)用 第5版 課件 第4章 光電式傳感器

第4章光電式傳感器

4.1光電效應(yīng)

4.2光電器件

4.3紅外線傳感器

4.4色彩傳感器

4.5CZG－GD－500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅?/p>

4.6核輻射傳感器

4.7光纖傳感器

4.8

光傳感器應(yīng)用實例

4.9

實訓(xùn)

附錄EAN－13商品條形碼的編碼方法4.1光電效應(yīng)光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光可以認為是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量hγ正比于光的頻率γ（h為普朗克常數(shù)）。用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為hγ的光子所轟擊。物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。4.1.1外光電效應(yīng)光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。

逸出來的電子稱為光電子。外光電效應(yīng)可由愛因斯坦光電方程來描述：

一個光子的能量只能給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加hγ。這些能量一部分用于克服逸出功A。

另一部分作為光電子逸出時的初動能：4.1.2內(nèi)光電效應(yīng)光照射于某一物體上，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導(dǎo)效應(yīng)。硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等在受到光照時均會出現(xiàn)電阻下降的現(xiàn)象。電路中反偏的PN結(jié)在受到光照時也會在該PN結(jié)附近產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對）。利用上述現(xiàn)象可制成光敏電阻，光敏二極管，光敏晶體管，光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換器件。4.1.3光生伏打效應(yīng)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。例如，當(dāng)一定波長的光照射PN結(jié)時，就產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動勢。利用該效應(yīng)可制成各類光電池。

4.2光電器件4.2.1光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。1.光電管如圖4-1所示。金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時，逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。236145圖4-1一種常見的光電管外形1-陽極A2-陰極K3-玻璃外殼4-管座5-電極引腳6-定位銷圖4-2光電管符號及測量電路2.光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。U0RLD1D3KAD2D4φ圖4-3光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理4.2.2光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等半導(dǎo)體材料。例如：

硫化鎘（CdS），硒化鎘（CdSe)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻，如圖4-4（a）所示。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀，如圖4-4（b）所示。

圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

a）原理圖b)圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

b）外形圖

c)圖4-4光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號

c）圖形符號

光敏電阻無光照時的暗電阻一般大于1500kΩ,在有光照時，其亮電阻為幾kΩ,兩者差別較大。

對可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種光敏電阻。

光敏電阻的光照響應(yīng)速度較慢。例如：硫化鎘光敏電阻的響應(yīng)時間約為100ms，硒化鎘光敏電阻的響應(yīng)時間約為10ms。

光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。4.2.3光電二極管和光電晶體管1.光電二極管光電二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，其PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，以便接受光照，如圖4-5（a）所示。它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖4-5（b）所示。光電流與光照度成正比。還有一種雪崩式光電二極管（APD）。光照φPNa)+–RLEU0IφμAb)

圖4-5光電二極管

a)結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號b）基本應(yīng)用電路

2.光電晶體管光電晶體管有兩個PN結(jié)，從而可以獲得電流增益，如圖4-6所示。光電晶體管與一只普通晶體管制作在同一個管殼內(nèi)，連接成復(fù)合管，如圖4-6（e）所示，稱為達林頓型光電晶體管。它的靈敏度更大（β=β1β2）。但是達林頓光電晶體管的漏電（暗電流）較大，頻響較差，溫漂也較大。+CNNP-eJcJea)CIc=βIcboIcboeb)Cec)

圖4–6光電晶體管

a)結(jié)構(gòu)b)等效電路c）圖形符號

d)+UCCU0=UCC

－IcRLIcRLRL+UCC

（3~20）VU0=ICRLIceCe)

圖4–6光電晶體管

d)應(yīng)用電路e)光電達林頓管

4.2.4光電池光電池的工作原理是基于光生伏打效應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時，可以直接輸出電動勢及光電流。圖4-7所示是光電池結(jié)構(gòu)與圖形符號。光電池的種類很多，有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。焊點N型硅

–+金屬鍍層電極光P型硅PN結(jié)a)b)

圖4-7硅光電池

a)結(jié)構(gòu)示意圖b)圖形符號

應(yīng)用最廣的是硅光電池，優(yōu)點：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。

大面積的光電池組按功率和電壓的要求進行串、并聯(lián)，組成方陣，可以做成太陽能電池作為電源。

太陽能電池在宇宙開發(fā)、航空、通信、交通、家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用。4.2.5光電元器件的特性1.光照特性當(dāng)光電元件上加上一定電壓時，光電流I與光電元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系，稱為光照特性。

I

=f（E）對于光敏電阻器，因其靈敏度高而光照特性呈非線性，一般用于自動控制中作開關(guān)元件。其光照特性見圖4-8（a）。

圖4-8光照特性圖

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電二極管；(d)光電晶體管

光電池的開路電壓V與照度E是對數(shù)關(guān)系，在2000lx的照度下趨于飽和。在負載電阻遠小于光電池內(nèi)阻時，光電池的電流稱為短路電流Isc，與照度呈線性關(guān)系。如圖4-8（b）直線所示。光電二極管的光照特性為線性，適于作檢測元件，其特性如圖4-8（c）所示。

光電晶體管的光照特性如圖4-8（d）所示，呈非線性。

但由于其內(nèi)部具有放大作用，故其靈敏度較高，輸出光電流較大。2.光譜特性光敏元器件上加上一定的電壓，這時如有一單色光（單一波長光）照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變化。入射光波長與光敏元器件相對靈敏度或相對光電流間的關(guān)系即為該元件的光譜特性。

圖4–9各種光敏元件的光譜特性圖

(a)光敏電阻器；(b)硅光電二極管；(c)光電晶體管

由圖4-9可見，元件材料不同，所能響應(yīng)的峰值波長也不同。應(yīng)根據(jù)光譜特性來確定光源與光電器件的最佳匹配。在選擇光敏元件時，應(yīng)使最大靈敏度在需要測量的光譜范圍內(nèi)，才有可能獲得最高靈敏度。3.伏安特性在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。

各種光敏元件的伏安特性如圖4-10所示。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。圖4-10各種光敏元件的伏安特性

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電晶體管

4.頻率特性在相同的電壓和同樣幅值的光照下，當(dāng)入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會隨調(diào)制頻率f而變化，它們的關(guān)系為：

I

=F1（f

）或S

=F2（f）稱為頻率特性。以光生伏打效應(yīng)原理工作的光敏元件（如光電池）頻率特性較差，以內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光敏元件（如光敏電阻）頻率特性更差。光電二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光敏元器件中最好的。

圖4-11各種光敏元器件的頻率響應(yīng)

(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電二極管

5.溫度特性光敏電阻，當(dāng)溫度上升時，暗電流增大，靈敏度下降。光電晶體管，由于溫度變化對暗電流影響非常大，并且是非線性的，給微光測量帶來較大誤差。光電池受溫度的影響主要表現(xiàn)在開路電壓隨溫度增加而下降，短路電流隨溫度上升緩慢增加。應(yīng)采取相應(yīng)措施進行溫度補償。6.響應(yīng)時間光敏電阻較慢，約為（10－1~10－３）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。工業(yè)用的硅光電二極管的響應(yīng)時間為（10－5~10－7）s左右，光電晶體管的響應(yīng)時間比光電二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光電二極管。4.2.6光耦合器件

發(fā)光器件與光敏元器件集成在一起便可構(gòu)成光耦合器件，圖4-12為其結(jié)構(gòu)示意圖。圖a為窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測，或碼盤、轉(zhuǎn)速測量中；圖b為反射式可用于反光體的位置檢測，對被測物不限制厚度；圖c為全封閉式，用于前后級電路的隔離。(a)(b)(c)圖4-12光耦合器典型結(jié)構(gòu)

光耦合器件中的發(fā)光元件多半是發(fā)光二極管。光耦合器件中的光敏元器件多為光電二極管和光電晶體管，少數(shù)采用光電達林頓管或光控晶閘管。對于光耦合器件的特性，應(yīng)注意以下各項參數(shù)。（1）電流傳輸比（2）輸入輸出間的絕緣電阻（3）輸入輸出間的耐壓（4）輸入輸出間的寄生電容（5）最高工作頻率（6）脈沖上升時間和下降時間采用雙光耦合器件TLP521的光隔離放大器電路如圖4-13所示。兩光耦合器件本身是非線性的，由于非線性程度相同，所以采用了負反饋的方法相互抵消，改善了線性。電容C用于防止運放的自激振蕩。輸出放大器OP-07用于緩沖隔離。圖4-13光隔離放大器電路4.3紅外線傳感器4.3.1概述凡是存在于自然界的物體，例如：人體、火焰、冰等物體都會放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長不同而已。人體的溫度為36~37οC，所放射的紅外線波長為9~10μm（屬于遠紅外線區(qū)）。加熱到400~700οC的物體，其放射出的紅外線波長為3~5μm（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測量、成像或控制。

用紅外線作為檢測媒介，來測量某些非電量，比可見光作為媒介的檢測方法要好。其優(yōu)越性表現(xiàn)在：(1)可在晝夜進行測量。(2)不必設(shè)光源。(3)大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少（2~2.6μm,3~5μm,8~14μm三個波段稱為“大氣窗口”）,故適用于遙感技術(shù)。

紅外線傳感器按其工作原理可分為兩類：量子型及熱型。熱型紅外線光敏元件的特點是：靈敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格比較便宜、能在室溫下工作。量子型紅外線光敏元件的特性則與熱型正好相反，一般必須在冷卻（77K）條件下使用。4.3.2熱釋電型紅外傳感器1.熱釋電效應(yīng)若使某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。在鈦酸鋇之類的強介電質(zhì)物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，很快便被空氣中的各種離子所結(jié)合。2.熱釋電紅外線光敏元器件的材料熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。3.熱釋電紅外傳感器如圖4-14所示。傳感器的敏感元件是PZT（鈦鋯酸鉛），在上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。內(nèi)接線

氧化膜PZT元件

鋁件

引腳FET

空洞

圖4–14熱釋電紅外傳感器基本結(jié)構(gòu)

等效電路如圖4-15所示。

電路結(jié)構(gòu)是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱。

管內(nèi)有場效應(yīng)管FET放大器及厚膜電阻，以達到阻抗變換的目的。元件FETDSERgRsRs為負載電阻，有的傳感器內(nèi)無Rs（需外接）圖4-15熱釋電紅外傳感器等效電路4.PVF2熱釋電紅外傳感器

PVF2是聚偏二氟乙烯的縮寫，是一種經(jīng)過特殊加工的塑料薄膜。它具有壓電效應(yīng)，同時也具有熱釋電效應(yīng)，是一種新型傳感器材料。熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等低。具有不吸濕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易加工及成本低的特點，是制造紅外線監(jiān)測報警裝置的好材料。5.菲涅耳透鏡是由塑料制成的特殊設(shè)計的光學(xué)透鏡，配合熱釋電紅外線傳感器使用。透鏡由很多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一系列的光脈沖進入傳感器，從而提高了接收靈敏度。

物體或人體移動的速度越快，靈敏度就越高。一般配上透鏡可檢測10米上下，新設(shè)計的雙重反射型，則其檢測距離可達20米以上。菲涅耳透鏡圖4-16菲涅耳透鏡的應(yīng)用

6．熱釋電紅外探測模塊熱釋電紅外探測模塊由菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、放大器、基準(zhǔn)電壓源、比較器、驅(qū)動放大電路、繼電器或晶閘管組成，如圖4-17所示。菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器放大器比較器基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動電路繼電器圖4-17熱釋電紅外探測模塊結(jié)構(gòu)

熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生的微弱電信號，經(jīng)放大器放大，然后與基準(zhǔn)電壓比較。若大于基準(zhǔn)電壓，則輸出高電平，經(jīng)驅(qū)動放大后，控制繼電器動作。通常將熱釋電紅外傳感器和全部電路安裝在一個小印制電路板上，然后將其裝入一個帶有菲涅爾透鏡的ABS工程塑料外殼內(nèi)，做成一個組件。表4-3熱釋電紅外傳感器組件性能型號工作電壓延遲時間探測角度探測距離輸出方式BH9402DC5V2～5s120°5m高電平TWH9241ADC12V10s80°7m繼電器GH608DC9V3s110°12m315MHz信號HT807AC220V50s110°5m晶閘管4.4色彩傳感器色彩傳感器是由單晶硅和非單晶態(tài)硅制成的半導(dǎo)體器件。物體的顏色是由照射物體的光源和物體本身的光譜反射率決定的。在光源一定的條件下，物體的顏色取決于反射的光譜（波長），能測定物體反射的波長，就可以測定物體的顏色。色彩傳感器有兩種：雙PN結(jié)光電二極管和非晶態(tài)集成色彩傳感器。1.雙結(jié)型色彩傳感器

在一塊單晶硅基片上作了兩個PN結(jié)的三層結(jié)構(gòu)，如圖4-18所示。兩個光電二極管PD1及PD2反向連接。光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的厚薄有很大關(guān)系。PN結(jié)的面做得薄一點對藍光的靈敏度高。

PD1與PD2的厚薄不同所以光譜特性也不同，如圖4-19所示。電極3PPN絕緣膜電極1電極2a)123PD2PD1b)圖4–18雙結(jié)型色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路

圖4-19雙結(jié)型色彩傳感器的光譜特性

PD1接近表面，所以對藍光（波長430~460nm）、綠光（波長490~570nm）有較高的靈敏度。

PD2則對紅光（波長650~760nm）及紅外線有較高的靈敏度。分別測PD1及PD2的短路電流，ISC1、ISC2，可得圖4-20所示的特性。圖4–20短路電流比與波長特性

根據(jù)色彩傳感器檢測的短路電流比，由圖4-20可以求出對應(yīng)的波長，即可分辨出不同的顏色。由圖4-20可知，不同的溫度，其特性有所變動。因此在作精密測量時要在電路上加溫度補償，或者在計算機中用軟件進行補償。2.非晶態(tài)集成色彩傳感器如圖4-21所示，在非晶態(tài)的硅的基片上，平排做了三個光電二極管。在各個光電二極管上分別加上紅（R）、綠（G）、藍（B）濾色鏡，將來自物體的反射光分解為三種顏色。根據(jù)R、G、B濾色鏡下光電二極管輸出的短路電流大小，通過電子線路及計算機，可以識別十二種以上的顏色。

非晶態(tài)硅引線樹脂導(dǎo)電膜

玻璃板濾色鏡RGB圖4–21非晶態(tài)集成色彩傳感器

a)b)

AM3301系列集成色彩傳感器的三色相對靈敏度與波長特性如圖4-22所示。波長λ（nm）70060050040000.51.0相對靈敏度BGR圖4–22相對靈敏度與波長特性

非晶態(tài)色彩傳感器的入射光照度與輸出電壓的關(guān)系如圖4-23所示。圖4-23非晶態(tài)色彩傳感器輸出電壓與照度關(guān)系

傳感器上有時并聯(lián)一個100KΩ電阻，以保證良好的線性度。放大電路如圖4-24所示。+-色彩傳感器100K

RCRfV0圖4-24非晶態(tài)傳感器放大電路（僅一路）

4.5CZG-GC-500系列

紫外火焰?zhèn)鞲衅?/p>

敏感元件為紫外電管，由管殼、充入的氣體、陽極和光陰極組成。

如圖4-25所示。在火焰中的遠紫外線的照射下，光陰極中的電子吸收能量而逸出光陰極表面。

在電場的作用下向陽極運動，從而產(chǎn)生電信號，達到檢測火焰的目的。圖4-25CZG-GC-500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅髯贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來檢測火焰的產(chǎn)生。該傳感器也可用于發(fā)動機、鍋爐、窯爐等的火焰報警系統(tǒng)。4.6核輻射傳感器核輻射傳感器的檢測原理是基于放射性同位素核輻射粒子的電離作用。

核輻射傳感器包括放射源、探測器和信號轉(zhuǎn)換電路。放射源一般為圓盤狀（β放射源）或絲狀、圓柱狀、圓片狀（γ放射源）。

例如TI204（鉈）鍍在銅片上，上面覆蓋云母片，然后裝入鋁或不銹鋼殼內(nèi)，最后用環(huán)氧樹脂密封成為放射源。探測器工作機理是放射線照射下，材料發(fā)光閃爍效應(yīng)和氣體電離效應(yīng)。

常用的探測器有電離室、蓋格計數(shù)管和閃爍計數(shù)管，半導(dǎo)體探測器也已使用。

圖4-27所示為蓋格計數(shù)管結(jié)構(gòu)組成，金屬圓筒的陰極，鎢絲或鉬絲的陽極，充以氬、氦氣體。放射線照射氣體電離，在1MΩ電阻上產(chǎn)生幾V到幾十V的電壓。圖4-27蓋格計數(shù)管結(jié)構(gòu)組成探測器可以單獨使用，察看天然本底計數(shù)（太陽輻射和宇宙輻射），檢查局部輻射污染，檢查石材、瓷器、珠寶的有害放射性。探測器也可以與放射源、信號轉(zhuǎn)換電路組合，進行多種物理量的檢測。α粒子能量大，電離作用最強，常用于氣體成分分析和壓力檢測；β粒子在氣體中的射程可達20米，易于散射、行程彎曲，可測量材料厚度、密度；γ射線在氣體中的射程可達幾百米，能穿透幾十厘米厚的固體物質(zhì)，常用于金屬探傷和厚度、密度、速度、物位測量。4.7光纖傳感器可分為功能型和非功能型。功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。4.7.1光纖傳感元器件光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細的石英玻璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。

內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠的地方去。光纖的直徑比光的波長大很多，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖中的傳播。

當(dāng)光從光密（折射率大）介質(zhì)射向光疏（折射率小）介質(zhì)，且入射角大于臨界角時，光會產(chǎn)生全反射，

即光不再離開光密介質(zhì)。光纖圓柱形內(nèi)芯的折射率n1大于包層的折射率n2，

因此，如圖4-28所示，在角2θ之間的入射光，除了在光纖玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上產(chǎn)生多次反射，以鋸齒形的線路在光纖中傳播。在光纖的末端以與入射角相等的出（反）射角射出光纖。圖4-28光導(dǎo)纖維中光的傳輸特性

光纖的主要參數(shù)和類型：（1）數(shù)值孔徑：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θ張角之內(nèi)的光功率能被光纖接收。角2θ與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)，我們將θ的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。

一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑越大,光信號畸變就越嚴(yán)重,所以要適當(dāng)選擇。（2）光纖模式：多模光纖中，同一光信號采用很多模式傳輸，會使這一光信號分裂為不同時間到達接收端的多個小信號，導(dǎo)致合成信號畸變。希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。

階躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量v可簡單表示為：

（3）傳播損耗：由于光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地會有損耗。假設(shè)從纖芯左端輸入一個光脈沖，其峰值強度（光功率）為Io，傳播損耗后，光纖中任一點處的光強度為：（4）光纖類型

按折射率變化分為階躍型光纖和漸變型光纖。

按傳輸模式多少分為單模光纖與多模光纖。4.7.2常用光纖傳感器光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個環(huán)節(jié)。光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上。承載了被測信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該被測信息。常用的光調(diào)制方法有強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。1.光纖壓力傳感器按光強度調(diào)制原理制成。

（1）被測力作用于膜片，使光纖與膜片間的氣隙減小，使棱鏡與光吸收層之間的氣隙發(fā)生改變。（2）氣隙發(fā)生改變引起棱鏡界面上全（內(nèi)）反射的局部破壞，造成一部分光離開棱鏡的上界面，進入吸收層并被吸收，致使反射回接收光纖的光強度減小。

圖4–29光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)

1—膜片；2—光吸收層；3—墊圈；4—光導(dǎo)纖維；5—橋式光接收線路；6—發(fā)光二極管；7—殼體；8—棱鏡；9—上蓋。

（3）接收光纖內(nèi)反射光強度的改變可由橋式光接收器檢測出來。（4）橋式光接收器輸出信號的大小只與光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關(guān)。光纖壓力傳感器不受電磁干擾，響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。由于沒有導(dǎo)電元件，特別適合于有防爆要求的場合使用。2.光纖血流傳感器利用頻率調(diào)制原理，也就是利用光的多普勒效應(yīng)，在這里光纖只起傳輸作用。

激光器發(fā)出的光波頻率為f，激光束由分束器分為兩束，一束作為測量光束，通過光纖探針進到被測血液中，由于血流速度，其反射光具有多普勒頻移△f

。另一束作為參考光由頻移器產(chǎn)生參考頻移。氬氖激光器頻率分析器記錄儀

光電二極管

動脈血管光纖探針托座θ頻移器分束器圖4-30光纖血流傳感器光電二極管接收該兩束光信號，送入頻率分析器分析，記錄儀上顯示對應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜，如圖4-31所示。

圖中，I表示輸出的光電流；f0表示最大頻移；△f的符號由血流方向確定。f1f0OI相對電流Δff/Hz圖4–31多普勒頻移譜4.7.3光纖傳感器水源檢測設(shè)備光纖傳感器水源檢測設(shè)備如圖4-32所示，由光纖傳感器、聚光鏡、CCD圖像傳感器以及計算機組成。

利用載體將對重金屬離子特別敏感的試劑覆膜于光纖的一端形成探頭，探頭放置于監(jiān)測水源中。照進水源的太陽光線經(jīng)探頭進入光纖。被探頭覆膜顏色調(diào)制的光線由光纖傳輸至高清晰度CCD圖像傳感器成像。例如，利用硅烷醇將一種對Hg（Ⅱ）特別敏感的試劑——二苯卡巴腙涂膜于光纖一端，形成Hg（Ⅱ）識別光纖探頭。

二苯卡巴腙與水源中的Hg（Ⅱ）發(fā)生配合反應(yīng)，在膜中生成藍色配合物。膜顏色的變化及程度迅速通過光纖生成彩膜圖像。

彩膜圖像傳輸至計算機，通過與原來存儲在計算機中標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像比較匹配，判明Hg（Ⅱ）是否存在及含量。圖4-32光纖傳感器水源檢測設(shè)備采用集束光纖，用載體分別將對各重金屬離子特別敏感的各種試劑，覆膜于集束光纖的各個單支光纖一端形成探頭，放置于水源中。

集束光纖的另一端傳輸至高清晰度CCD傳感器成像，再由計算機處理成可對比圖像，通過與原來存儲在計算機中的標(biāo)準(zhǔn)樣本圖像比較匹配.，可同時檢測水源中多種重金屬種類和含量。4.8光傳感器應(yīng)用實例4.8.1自動照明燈如圖4-33所示。D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。白天，光敏電阻的阻值低，A點分壓低于30V，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)。晚上天黑，光敏電阻的阻值增加，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。220V~VTVDGC2R2AR1C1R3圖4–33自動照明燈電路

4.8.2物體長度及運動速度的檢測圖4-34為示意圖和電路簡圖。當(dāng)工件自左向右運動時，首先遮斷光源A的光線，經(jīng)過設(shè)定的S0距離后再遮斷光源B的光線，經(jīng)光敏元件VDA、VDB和RS觸發(fā)器輸出高頻脈沖，計數(shù)器進行計數(shù)。若所計脈沖數(shù)為n和脈沖周期為T，則可計算物體平均運動速度為

圖4–34（a）光電元件檢測運動物體速度信號示意圖S0LEDBLEDAQLυ7＆689清零信號

VDAVDBSR－－314

25

圖4–34（b）光敏元器件檢測運動物體速度電路圖

1光源A

；2光敏元件VDA

；3運動物體；4光源B

；5光敏元件VDB

；6RS觸發(fā)器；7高頻脈沖信號源；8計數(shù)器；9顯示器

4.8.3紅外線自動水龍頭

紅外線自動水龍頭屬無接觸式自動水龍頭，起到節(jié)約用水的作用，還可以避免人群中病菌的交叉?zhèn)鞑?。電路如圖4-35所示。

音調(diào)解碼器LM567的振蕩信號頻率由5、6腳外接的R2、C1確定。

產(chǎn)生的振蕩信號，由5腳輸出，經(jīng)運算放大器A1和VT1放大，驅(qū)動紅外發(fā)光二極管VL1發(fā)光向外發(fā)射。

圖4-35紅外線自動水龍頭

紅外光線經(jīng)人手反射，由紅外光敏二極管VD2接收，經(jīng)運算放大器A2放大后，由3腳輸入到LM567音調(diào)解碼器。

音調(diào)解碼器把輸入信號與內(nèi)部振蕩信號比較，兩者頻率相等，8腳輸出低電平。

晶體管VT2飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)楦唠娖?，使晶閘管BT139導(dǎo)通，接通電磁閥RL的電源。電磁閥打開，放出水來。

手離開后，沒有人手的反射，紅外光敏二極管VD2沒有接收信號，LM567音調(diào)解碼器3腳沒有輸入信號，8腳輸出為高電平。

VT2截止，集電極變?yōu)榈碗娖?，晶閘管不導(dǎo)通，電磁閥關(guān)閉，沒有水流出來。4.8.4手指光反射測量心率方法

如圖4-36所示。用一光發(fā)生器向手指發(fā)射光，用一光檢測器放在手指的同一邊，接收手指反射的光。手指反射的光的強度及其變化會隨血液脈搏的變化而變化。由光檢測器檢測到手指反射的光，并對其強度變化速率進行記數(shù)，即可測得被測人的心率。圖4-36手指光反射測量心率示意圖

電路組成如圖4-37所示。光發(fā)生器采用超亮度LED管，光檢測器使用光敏電阻。當(dāng)食指前端接觸光傳感器時，從光傳感器輸出可得到約100μV的電壓變化。該信號經(jīng)電容器C加到放大器的輸入端，經(jīng)放大、信號變換處理，便可從顯示器上直接得到心率的測量結(jié)果。顯示器信號變換處理放大器＋5VLEDB光傳感器68K270C圖4-37手指光反射測量心率電路圖4.8.5條形碼與掃描筆

商品外包裝上都印有條形碼符號。條形碼是由一組規(guī)則排列的條、空組成的編碼?！皸l”指對光線反射率較低的深色（最好是黑色）部分，“空”指對光線反射率較高的淺色（最好是白色）部分.。

不同的條和空寬度帶有國家、廠家、商品、型號、規(guī)格、價格等信息，能夠用掃描筆識讀。掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個發(fā)光二極管和一個光電晶體管組成，如圖4-38所示。當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動時，黑色線條吸收光線，白色間隔反射光線。光電晶體管將條形碼黑色線條和白色間隔變成了一個個電脈沖信號，如圖4-39所示。脈沖列經(jīng)計算機處理后，完成對條形碼信息的識別。圖4-38條形碼掃描筆筆頭結(jié)構(gòu)

圖4-39掃描筆輸出的脈沖列

為了人工直接識讀或通過鍵盤向計算機輸入使用，在條形碼的下方，標(biāo)有對應(yīng)的阿拉伯?dāng)?shù)字字符。

計算機數(shù)據(jù)庫建立有條形碼與商品信息的對應(yīng)關(guān)系，當(dāng)條形碼數(shù)據(jù)傳到計算機上時，由計算機安裝的應(yīng)用程序?qū)υ撋唐沸畔⑦M行操作處理。世界上常用的條形碼制式有EAN條形碼、UPC條形碼、二五條形碼、交叉二五條形碼、庫德巴條形碼、三九條形碼和128條形碼等。

商品上最常使用的是EAN商品條形碼。EAN商品條形碼亦稱通用商品條形碼，分為EAN－13（標(biāo)準(zhǔn)版）和EAN－8（縮短版）兩種。EAN－13共13位，只能用來表示數(shù)字資源，從左到右為前綴碼（1～3位）制造廠商代碼（4～8位）商品代碼（9～12位）校驗碼（13位）

為了掃描識讀定位需要，還有左空白區(qū)、左起始符、中心分隔符、右終止符和右空白區(qū)，如圖4-40所示。圖4-40EAN－13（標(biāo)準(zhǔn)版）商品條形碼

美國用12位編碼（UPC條形碼，與EAN條形碼兼容），如上圖所示，現(xiàn)也已用13位編碼。前綴碼是用來標(biāo)識國家或地區(qū)的代碼，賦碼權(quán)在國際物品編碼協(xié)會，

例如00～09代表美國、加拿大，30～37代表法國，45、49代表日本，46代表俄羅斯，50代表英國，69代表中國大陸，880代表韓國，955代表馬來西亞。圖書和期刊作為特殊的商品也采用EAN－13碼，如圖4-41所示。前綴碼978用于圖書號ISBN，977用于期刊號ISSN。圖4-41EAN－13（標(biāo)準(zhǔn)版）圖書和期刊條形碼制造廠商代碼的賦權(quán)在各個國家或地區(qū)的物品編碼組織，中國由國家物品編碼中心賦予制造廠商代碼。商品代碼是用來標(biāo)識商品的代碼，賦碼權(quán)由產(chǎn)品生產(chǎn)企業(yè)自己行使。企業(yè)生產(chǎn)的商品需要條形碼，可到所在地的編碼分支機構(gòu)辦理申請注冊手續(xù)，完成審批程序。商品代碼一經(jīng)分配，就不再更改，并且是終身的。商品條形碼最后1位為校驗碼，用來校驗條形碼第1－12數(shù)字識讀的正確性。

校驗由計算機或掃描筆中配置的微處理器完成。

附錄：條形碼識讀正確否校驗方法。1.把13位條形碼從右往左依次編序號為“1,2,3,4…”；2.從序號2開始把所有偶數(shù)序號的數(shù)相加求和；3.用求出的和乘以3；4.從序號3開始把所有奇數(shù)序號的數(shù)相加求和；5.把第4步所得數(shù)與第3步所得數(shù)相加求和；6.用10減去這個和的個位數(shù)，得到的數(shù)的個位數(shù)與校驗碼相同，則識讀條形碼數(shù)字正確無誤。4.8.6插卡式電源開關(guān)

電路如圖4-42所示。主要用于賓館和集體宿舍，可以起到安全和節(jié)約用電的作用。當(dāng)住宿人員回到房間時，把住宿卡插入該電源開關(guān)，房間總電源接通，然后才能打開房間內(nèi)的所有電氣設(shè)備開關(guān)。住宿人員外出，取走住宿卡，房間總電源切斷，房間內(nèi)的所有電氣設(shè)備都打不開。圖4-42插卡式電源開關(guān)

光耦合器由發(fā)光二極管和光敏晶體管組成。住宿卡插入光斷路器的凹槽內(nèi)，正好擋住光線，光敏晶體管截止，光斷路器輸出高電平，使VT1和VT2導(dǎo)通，繼電器K工作，接通房間內(nèi)的總電源。住宿人員外出，取走住宿卡，光線無阻擋，光敏晶體管導(dǎo)通，光斷路器輸出低電平，使VT1截止。C3起延時作用，其充的電放完后，VT2截止，繼電器K斷開，切斷房間總電源。4.8.7虛擬現(xiàn)實3維空間跟蹤球虛擬現(xiàn)實（VirtualReality,VR）技術(shù)，又稱靈境技術(shù).。

是從真實存在的現(xiàn)實社會環(huán)境中，用照相、錄像、繪畫等方法，采集幾個方向必要的數(shù)據(jù)，輸入計算機，經(jīng)過計算機的計算補插處理，模擬生成3維虛擬環(huán)境。使用者通過傳感器技術(shù)手段和計算機3D軟件，感觸和融入該虛擬環(huán)境，對虛擬世界對象，例如：園林、建筑、設(shè)備、零件、人物、服飾、醫(yī)療、游戲等，進行可視化操作，實現(xiàn)人機交互，獲得設(shè)計、模擬和仿真。頭戴VR顯示器是用兩個顯示器分別向兩只眼睛顯示兩幅圖像，兩幅圖像有細小差別，類似于人的雙眼視差，從而給人造成3維沉浸感。操作的傳感器，有光電、電磁波、超聲波、機械力等多種類型.。其中虛擬現(xiàn)實3維空間跟蹤球是一種可以提供6自由度控制的光電傳感器，是一種簡單實用、應(yīng)用較多的桌面控制設(shè)備。虛擬現(xiàn)實3維空間跟蹤球如圖4-43所示，跟蹤球被安裝在一個小型平臺上，可以扭轉(zhuǎn)、擠壓、下按、上拉、搖擺。圖4-43虛擬現(xiàn)實3維空間跟蹤球半球形凹洞均勻裝有6個發(fā)光二極管，球面相對位置安裝有6個光敏傳感器。當(dāng)使用者以不同方式施加外力作用于跟蹤球時，6個光敏傳感器接收光的強度不同，產(chǎn)生不同強度的電信號，通過無線或USB接口送入計算機。計算機根據(jù)這些量值改變屏幕上顯示的虛擬對象的運動狀態(tài)。4.9實訓(xùn)4.9.1熟悉常用光敏元器件的性能指標(biāo)在眾多的光傳感器中，最為成熟且應(yīng)用最廣的是可見光和近紅外光傳感器。

如CdS、Si、Ge、InGaAs光傳感器。

已廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子設(shè)備的光電子控制系統(tǒng)、光纖通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、儀器儀表、電影電視、攝影曝光等方面。

提供光信號檢測、自然光檢測、光量檢測和光位檢測之用。類別靈敏度暗電流頻率特性光譜特性線性穩(wěn)定性分散度測量范圍主要用途價格光敏電阻器很高大差窄差差大中測開關(guān)量低光電池低小中寬好好小寬測模擬量高光電二極管較高大好寬好好小中測模擬量高光電晶體管高大差較窄差好小窄測開關(guān)量中

熟悉下表所列光敏元器件的特性和用途。4.9.2測光文具盒電路的裝配與測試電路如圖4-44所示。(1)準(zhǔn)備電路板和元器件,認識元器件；(2)電路裝配調(diào)試；(3)電路各點電壓測量；(4)實驗過程和結(jié)果記錄；(5)調(diào)電位器RP和電阻R，進行電路各點電壓測量和實驗結(jié)果分析。圖4-44測光文具盒電路

附錄：EAN－13商品條形碼的編碼方法

EAN－13商品條形碼組成順序為：左空白區(qū)，11個條形模塊寬；前置碼，

1位數(shù)字，不用條碼符號表示，0個條形模塊組成，為國家代碼的第一位數(shù)字，其功能為設(shè)定左側(cè)數(shù)據(jù)符的編碼方式，解碼時由左側(cè)數(shù)據(jù)符的編碼方式推定其數(shù)字；

左起始符101，條形模塊比數(shù)據(jù)碼條形模塊長；左側(cè)數(shù)據(jù)碼，6位數(shù)字，42個條形模塊組成；中心分隔符01010，條形模塊比數(shù)據(jù)碼條形模塊長；右側(cè)數(shù)據(jù)碼，5位數(shù)字，35個條形模塊組成；校驗碼，

1位數(shù)字，7個條形模塊組成；右起始符101

，條形模塊比數(shù)據(jù)碼條形模塊長；右空白區(qū)，11個條形模塊寬。

商品條碼模塊的標(biāo)準(zhǔn)寬度是0.33mm，一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的條模塊表示二進制的“1”，而一個標(biāo)準(zhǔn)寬度的空模塊表示