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1、目录目录I摘 要II第1章 光电传感器概述11.1 光电探测器概况11.2 光电传感器应用11.3 光电传感器特点2第2章 光电探测器工作原理32.1 光电探测器的原理32.1.1 光电探测器的种类32.1.2 光电探测器原理42.2 光电探测器的特性参数62.3 光电探测器的噪声82.4 光电二极管82.4.1 Si光电二极管92.4.2 PIN光电二极管122.4.3 雪崩光电二极管(APD)122.4.4光电三极管13第3章 光电报警器工作原理及电路设计153.1 光电传感器的分类及其工作方式153.2 光电报警器的基本组成163.3 光电报警系统电路设计16第4章 报警器实验研究214
2、.1 实验原理214.2 实验仪器、方法和结果23总 结26参考文献27致 谢28摘 要光电报警器是采用光电探测器作为检测元件的传感器，它首先经过光电探测器把光的变化转换成电信号的变化,然后借助放大和检测电路把光的变化检测到，进而发现异常进行报警。近年来,随着光电技术的发展,光电传感器借助于模拟电路和数字逻辑电路，采用模块化的设计思想，使设计变得简单、方便、灵活性强，电路简单容易实现，工作稳定。光电检测方法更具有精度高,反应快,非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,体积小。光电传感器已成为系列产品,其品种及产量日益增加,用户可根据需要选用各种规格产品,因此得到了广泛的应
3、用。本文在较深入地分析了光电探测器工作原理的基础上，研究了对射式光电报警器的基本组成、基本电路的设计及其应用。Photoelectric alarm is used for testing components of photoelectric detector, it first light sensor changes into electrical signal by photoelectric detector, and then the changes with the light amplification and detection circuit testing, and ch
4、ange of abnormal for alarm. In recent years, with the development of photoelectric technology, photoelectric sensor with analog and digital logic circuit, modular design concept design simple, convenient and flexible, simple circuit, steady job. Photoelectric detection method has high precision, fas
5、t response, etc, and the noncontact measuring parameters can be more simple structure, forms the sensor, flexible, small volume. Photoelectric sensor has become a series of products, the varieties and yield increasing, user can choose according to various specifications of products, so it has been w
6、idely used. Based on the deep analysis of the working principle of photoelectric detector, Studying the photoelectric alarm on the radio the basic components, the basic circuit design and application.关键词：光电报警、光敏二极管、光探测器Keywords: Photoelectric alarm、light-sensitive diode、Photoelectric detector第1章 光电传
7、感器概述1.1 光电探测器概况光电探测器是采用光电元件作为检测元件的探测器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电探测器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，探测器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式探测器在检测和控制中应用非常广泛。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器的功能主要有：检测物体的有
8、无，检测透明物体，检测色标，检测颜色，检测发光物体，检测位移，激光传感器，CCD视像传感器，槽形开关等；检测和测量的光栅及传感器的功能主要有：测量物体的外形，纠偏，检测微小的透明物体，测量位移等；安全光幕的功能主要有：对人的手指，手掌，手臂等身体各部位的二级和四级保护；温度控制器的功能主要有：PID控制和自动演算，自诊断，自动调谐和自适应等功能以及三级软件安全锁。1.2 光电传感器应用1、烟尘浊度监测仪 防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。
9、如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 2、光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。 1.3 光电传感器特点1、检测距离长如果在对射型中保留10m以上的检测距离等，便能实现其他检测手段（磁性、超声波等）无距离检测。2、对检测物体的限
10、制少 由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不像接近探测器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃、塑料、木材、液体等几乎所有物体进行检测。3、响应时间短光本身为高速，并且探测器的电路都由电子零件构成，所以不包含机械性工作时间，响应时间非常短。 4、分辨率高 能通过高级设计技术使投光光束集中在小光点，或通过构成特殊的受光光学系统，来实现高分辨率；也可进行微小物体的检测和高精度的位置检测。 5、可实现非接触的检测可以无须机械性地接触检测物体实现检测，因此不会对检测物体和探测器造成损伤。因此，探测器能长期使用。 6、可实现颜色判别 通过检测物体形成的光的反射率和吸收率根据被投光的光线波长和检测物
11、体的颜色组合 而有所差异。利用这种性质，可对检测物体的颜色进行检测。 7、便于调整 在投射可视光的类型中，投光光束是眼睛可见的，便于对检测物体的位置进行调整。第2章 光电探测器工作原理光电探测器是利用光电效应探测光信息，并将其转换成电信息的器件。在光电检测系统中它占有重要的地位。它的灵敏度、响应时间、响应波长等特性参数直接影响光电系统的总性能。本章重点讨论光电检测系统中光电探测器的原理和特性，为设计光电报警器正确选择和使用光电探测器奠定必要的基础。2.1 光电探测器的原理光辐射探测器按响应方式不同或者说器件机理不同一般分为热电和光电探测器两大类。热电探测器包括：热敏电阻、热电偶、热释电探测器等
12、。它们的原理是基于光辐射引起的探测器的温度变化从而使与温度有关的电物理量发生变化响应的是入射光的能量或功率输出电量的函数关系。因为温度升高是一种热积累过程，与入射光子能量的大小有关。所以探测器对光谱的响应没有选择，即从可见光到红外波段均可响应，由于篇幅关系本章不再细述。光电探测器已有一系列工作于紫外光、可见光、红外光波段的各种器件，是检测技术中用的做多的探测器。下面予以详细讨论。2.1.1 光电探测器的种类光电探测器把光能直接转换成电信息，它的工作原理是基于光电效应，即光电子发射效应、光电导效应、光生伏特效应及光磁电效应等。按上述工作效应的不同，把检测中常用的光电探测器件归类如下：1、光电子发
13、射器件：光电管和光电倍增管属外光电效应型。2、光电导器件：包括单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻等，属于内光电效应型。3、光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管和光电三极管等，属于内光电效应型。光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像器件等。单元器件只是把投射在其光接受面元上的平均光能量变成电信号，而阵列器件或成像器件则可测出物面上的光强分布。成像器件一般放在光学系统的像面上，能获得物面上的图像信号。光电探测器还可以从用图上分为用于检测微弱信号的存在及其强弱的探测器，这是主要考虑的是器件探测微弱信号的能力，要求器件输出灵敏度高、噪声低；用于控制系统中做光电转换器，主要考虑的是光电转换效能
14、。 2.1.2 光电探测器原理光电探测器利用材料的光电效应制成，在光辐射作用下，电子溢出材料表面产生光电子发生称为外光电效应，或光电子发射效应；电子并不逸出材料表面的为内光电效应。光电导效应、光生伏特效应均属于内光电效应。1、光电子发射效应根据光的量子理论，频率为的光照列固体表面时，进入固体的光能总是以整个光子的能量h起作用。固体中的电子吸收了能量h后将增加动能。其中向表面运动的电子，如果吸收的光能能够满足途中由于与晶格或其它电子碰撞而损失的能量外，尚有一定能量足以克服固体表面的势垒(或叫逸出功)，那么这些电子就可以穿出材料表面。这些逸出表面的电子又称光电子。这种现象叫光电子发射或外光电效应。
15、吸收光能的电子在向材料表面运动途中的能量损失无法计算。显然与其到表面的距离有关，非常接近表面且运动方向合适的电子在穿出表面前的能量损失可能很小。逸出表面的光电子最大可能的动能由爱因斯坦方程描述： （2.1）式中是光电子的动能，其中m是光电子质量、是光电子离开材料表面的速度、是光电子发射材料的逸出功，表示产生一个光电子必须克服材料表面对其束缚的能量。光电子的动能与照射光的强度无关。仅随入射光的频率增加而增加。在临界情况下，当电于逸出材料表面后，能丝全部耗尽而速度减为零，即=0，从则=/h=。也就是说，当入射光频率为时，光电子刚刚能逸出表面；当光频，时，则无论光通量多大，也不会有光电子产生。称为光
16、电子发射效应的低频限。这就是外光电效应光电探测器的光谱响应表现比选择性的物理基础。2、 光电导效应若光照射到某些半导体材料上时，透过到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。光电导效应可分为本征型和杂质别两类。如图2.1所示。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与导电，使电导增加，此时长波限条件由禁带宽度决定，即。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级
17、中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加，此时长波限由杂质的电离能，决定，即。因为，所以杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长得多。Eg导带价带图2.1 光电导效应和光电导器件结构3、光生伏特效应光生伏特效应原理示意图如图2.2。RLPNIL图2.2 光生伏特效应原理示意图在无光照时，PN结内存在内部自建电场E，当光照射在PN结及其附近时这些载流子在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子(电子、空穴对)。流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势。此现象
18、称为光生伏特效应。通常，对PN结加反偏压工作时，则形成光电二极管。2.2 光电探测器的特性参数光电探测器种类繁多，如何判断光电探测器的优劣，以及根据特定的要求恰当地选择探测器，就必须找出能反映光电探测器特性的参量。作到这一点，也就为掌握探测器的性质及正确选择、使用探测器奠定了基础。光电探测器的基本参量如下。1、量子效率光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。由光子统计理论得到光电流I与每秒入射的光子数，即光功率P成正比。 (2.2)式中：光电转换因子； 单位时间入射到探测器表面的光子； 单位时间内被光子激励的光电子数。量子效率定义为户，即单位时间探测器传输出的光电子数与单位时间入射到探测
19、器表面的光子效之比。对于理想的探测器，1，即一个光子产生一个光电子，但实际探测器1。显然，量子效率愈高愈好。量子效率是一个微观参数。2、响应度响应度是与量子效率相对应的一个宏观参数，指单位入射的光辐射功率所引起的反应称为响应度(率)，它包括电压响应度和电流灵敏度。（1）电压响应度及入射的单位光功率P所产生的信号电压定义为电压的响应度Rm，即（2.3）（2）电流灵敏度入射的单位光功率P产生的信号电流，定义为电流灵敏度，即 （2.4）规定公式（2.3）、公式（2.4）中P、U、I均取有效值。 3、光谱响应光谱响应是光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性，即上述三个参量、都是入射光波长的函数
20、。把响应度随波长变化的规律画成曲线，即为光谱响应曲线。有时取曲线响应的相对变化值，并把响应的相对最大值作为1，则曲线称为“归-化光谱响应曲线”。响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长，用表示。当光波长偏离时，响应度就降低。当响应度下降到其峰值的50(有时也以1，10定义，目前还不统一)时，所对应的波长称为光谱响应的截止波长。4、响应时间当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流总不能完全跟随输入变化。同样，在光照突然停止时也是这样，这就是探测器的隋性。通常用响应时间来衡量。在阶跃输入光功率的条件下，光电探测器输出电流为： （2.5）上升到稳态值（）0.63倍的时间即t=
21、称为探测器的响应时间。5、噪声等效功率(NEP)当选择光电探测器时，似乎响应度愈大愈好，但在探测极其微弱的信号时，限制光电探澜器对极微弱光辐射探酗能力的不是响应度的大小，而是光电探测器的噪声。当遮断入射光时，输出端仍有电信号输出。这就是噪声的影响。噪声的存在限制了探测器对微弱光信号的探测能力，般引入等效噪声功率的概念来表征探测器的最小可探测功率。等效噪声功率定义为，使探测器输出电压正好等于输出噪声电压时的入射光功率。NEP可认为是探测器的最小可探测功率。NEP值愈小，表示探测器的探测能力越高。一个较好的光电探测器的等效噪声功率约为微瓦左右。6、线性度线性度是指探测器的输出光电流(或光电压)与输
22、入光功率成比例的程度和范围。一般说来，在弱光照时探测器输出光电流都能在较大范围内与输入光功率(或辐照度)成线性关系。在强光照时就趋于平方根关系。不过这是就器件本身而言的。但是有的器件在使用中由偏置电路输出光信号电压，有时在弱光范围内也会不成线性。7、其它参数光电探测器还有其他一些特性参数，在使用时必须注意到，例如光敏面积、探测器电阻、电容等。特别是极限工作条件，正常使用时都不允许超过这些指标，则会影响探测器的正常工作，甚至使探测器损坏。通常规定了工作电压、电流、温度以及光照功率允许范围，使用时要特别加以注意。2.3 光电探测器的噪声任何一个探测器都一定有噪声。在它输出端总存在着一些毫无规律，事
23、先天法预知的电压起伏。这种无规则起伏，在统计学中称为随机起伏，它是微观世界服从统计规律的反映。从这个意义上说，实现微弱光信号的探测，就是从噪声中如何提取信号的问题。光电探测器噪声主要来源于热噪声、暗电流噪声、散粒噪声及低频噪声等。1、热噪声凡有功耗电阻的元件都有热噪声。它来源于电阻内部自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动。热噪声与温度T成正比，与测旦仪器的电子带宽4成正比、与频率无关。2、暗电流噪声当探测器接入电路后，即使没；有任何外来光照射。但由于热电子发射，场致发射或半导体中晶格热振动激发出载流子。也会有电流输出，此电流称为暗电流。其大小与工作电压及工作温度有关。是一种随机起伏的噪声。只要
24、设法减小暗电流，即可使噪声减小。3、散粒噪声这是一种由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。对于内光电效应探测器，由于光电载流子（电子、空穴对）的产生和复合过程的随机性。每一瞬时通过PN结的载流子数总有微小的不规则起伏，是探测器输出电流也随之起伏，引起散粒噪声。2.4 光电二极管以光导模式工作的结型光伏型探测器称为光电二极管，它在微弱、快速光信号探侧方面有着非常重要的应用。为了提高它的工作性能，人们做出了大量的研究工作，出现了许多性能优良的新品种。概括起来，有Si光电二极管，PIN光电二极管，雪崩光电二极管(记为API)，肖特基势垒光电二极管HgcdTe光伏二极管，光子牵引探测器以及光电三极管
25、等。为了节省篇幅，一些共性的问题我们放在Si光电二极管中讨论，对其他种类的光电二极管我们着重介绍它们的原理和特点。2.4.1 Si光电二极管制造一般光电二极管的材料几乎全部选用硅或锗的单晶材料。由于硅器件较之锗器件暗电流和温度系数都小得多，加之制作硅器件采用的平面工艺使其管芯结构很容易精确控制，因此硅光电二极管得到了广泛府用。1、 结构原理硅光电二极管的两种典型结构如图2.3所示。图2.3硅光电二极管的典型结构上面组图是采用N型单晶硅和扩散工艺，称为p+n结构。它的型号是2CU型。而下面组图是采用P型单晶和磷扩散工艺，称n+p结。它的型号为2DU型。光敏芯区外侧的n+环区，称为保护环。其目的是
26、切断表面层漏电流，使暗电流明显减小。硅光电二极管的电路中的符号及偏置电路也在图2.3中一并画出。一律采构反向电压偏置。有环极的光电二极管，有三根引出线，通常把n侧电极称为前极，P侧电极称为后极。环极接偏置电源的正极，如果不用环极，把它断开，空着即可。硅光电二极管的封装有多种形式,常见的是金属外壳加入射窗口封装，入射窗口又有透镜和平面镜之分。凸镜有聚光作用，有利于提高灵敏度。而且由于聚焦位置与入射光方向有关，因此还能减小杂散背景光的干扰。缺点是灵敏度随方向而变，因此给对推和可靠性带来问题。采用平面镜窗口的硅光电二极管虽然没有尖锐的对准问题，但易受杂散光干扰的影响硅光电二极管的外型及灵敏度的方向性
27、如图2.4所示。图2.4硅光电二极管的封装2、 光谱响应特性和光电灵敏度Si光电二极管具有一定的光谱响应范围。图2.5给出了Si光电二极管的光谱响应曲线。常温下，Si材料的禁带宽度为1.12(eV)，峰值波长约为0.9，长波限约为1.1，由于入射波长愈短，管芯表面的反射损失就愈大，从而使实际管芯吸收的能量愈少，这就产生了短波限问题。Si光电二极管的短波跟约为0.4。Si光电二极管的电流灵敏度主要决定于量了效率在峰值波长0.9条件下，50。电流灵敏度0.4()。图2.5Si光电二极管光谱响应3、光电变换的伏安特性分析我们已经知道，光电二极管是一种以光导模式工作的光伏探侧器，其等效电路已在图2.6
28、给出。图2.6光伏探测器的工作模式因为光电二极管总是在反向偏压下工作所以=，和光电流都是反向电流。为了符合人们通常的观察习惯，我们将图2.6(b)中的和方向倒转，就可以在第一象限位置表示第三象限(光导模式工作区)的伏安特性，如图2.7 (a)所示。其中，弯曲点所对应的电压值称为曲膝电压。为了分析方便，经线性化处理后的特性曲线如图2.7 (b)所示。其中，Q为直流工作点、和为各斜线与水平轴夹角的正切，意义是：是光电二极管的内电导，其值等于管子内阻的倒数；是光电二极管的临界电导，显然，如果光电二极管的内电寻超过值，则表明光电二极管已进入饱和导通的工作状态；为负载电导，其值等于负载电阻值的倒数。图2
29、.7光电二极管的伏安特性4、频率响应特性硅光电二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，因此特别适宜于快速变化的光信号探测。下面我们稍详细地讨论一下这个问题。光电二极管的频率响应特性主要由三个因素决定：(a)允生载流于在耗尽层附近的扩散时间；(b)光生载流子在耗尽层内的漂移时间；(c)与负载电阻并联的结电容所决定的电路时间常数。2.4.2 PIN光电二极管从硅光电二极管的讨论可知，改善其频率响应特性的途径是设法减小载流子扩散时间和结电容。从这个思路出发，人们制成了一种在p区和n区之间相隔一本征层(1层)的PIN光电二极管。PIN硅光电二极管的结构及管内电场分布如图2.8所示。从图可见，本征
30、层首先是个高电场区。这是因为，本征材料的电阻率很高，因此反偏电场主要集中在这一区域。高的电阻使暗电流明显减小。在这里产生的光生电子空穴对将立即被电场分离，并作快速漂移运动。本征层的引入明显地增大了p+区的耗尽层厚度。这有利于缩短载流子的扩散过程。耗尽层的加宽也明显地减小了结电容，从而使电路时间常数减小。由于光谱响应的长波区硅材料的吸收系数明显减小，所以耗尽层的加宽还有利于对长波区光辐射的吸收。这样，PIN结构又提供了较大的灵敏体积，有利于量子效率的改善。图2.8 PIN硅光电二极管性能良好的PIN光电二极管，扩散和漂移时间一般在量级，相当于干兆赫频率响应。因此实际应用中决定光电二极管频率响应的
31、主要因素是电路时间常数。 PIN结构的结电容一般可控制在10pF量级，适当加大反偏压，还减小一些。因此，合理选择负载电阻。是实际应用中的重要问题。PIN光电二极管的上述优点，使它在光通信、光雷达以及其他快速光电自动控制领域得到了非常广泛的应用。2.4.3 雪崩光电二极管(APD)基于载流子雪崩效应，从而提供电流内增益的光电二极管称为雪崩光电二极管。由于雪崩效应的要求，必须选用高纯度，高电阻率，而且均匀性非常好的硅或锗单晶材料制备。一般光电二极管的反偏压在几十伏以下，而雪崩光电二极管的反偏压一般在几百伏量级。Ge-APD和Si-APD两种雪崩光电二极管原理如图2.9所示。其中，图(a)为GeAP
32、D的管芯，图(b)为Si-APD管芯，两种朋管芯中都存在一个保护环，其目的在于提高雪崩击穿电压，以达到高倍增效果。图2.9 APD光电二极管雪崩原理如下：进入耗尽区内的光生电子被雪崩电场加速，获得很高的动能。在A处与晶格上的原子发生冲击碰撞而使原子电离，产生出新的电子空穴对。新空穴又被雪崩电场反向加速而获得很高的动能，在途中E处再次与晶格上的原子发生碰撞并使原子电离，产生出又一个新电子空穴对。新生的电子又被雪崩电场反向加速。上述过程反复进行，使pn结内的电流急剧增大，这种现象称之为雪崩效应。2.4.4光电三极管在光电二极管基础上，为了获得内增益，另外一条途径是利用一般晶体三极管的电流放大原理。
33、这就是用Ge或Si单晶制造的NPN型或PNP型光电三极管。PNP型光电三极管的结构，使用电路及等效电路如图2.10所示。从图可见，B、E、C分别表示光电三极管的基极、发射极和集电极，表示晶体管的放大倍数。光敏面是基区。使用时，管子的基极开路，发射极和集电极之间所加的电压使基极与集电极之间的pn结(光电二极管)承受反向电压。光电三极管只引出C、E极。图2.10 光电三极管光电三极管的作用原理，由图2.10(c)说明如下；从图2.10(b)可知，基区和集电结区处于反向偏压状态，内电场Ei从集电结指向基区。光照基区，产生光电子空穴对。光生电子在内电场作用下漂移到集电极，空穴留在基区，使基极与发射极间
34、的电位升高(注意到空穴带正电荷)。根据一般晶体管原理，基极电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，最后形成光电流。光照越强，由此形成的光电流越大。上述作用用等效电路2.10(c)表示。光电三极管等效于一个光电二极管与一个般晶体管基极、集电极并联。集电极基极光电二极管产生的光电流，输入到共发三极管的基极再得到放大。与一般晶体管不同的是，集电极电流(光电流)由集电结上产生的控制。集电结起双重作用；把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般晶体管的集电结作用。一般光电三极管只引出E、C两个电极，体积小，广泛应用于光电自动控制技术。也有三个极同时引出的，常用于光信号和电信号的双重控
35、制中。常用的基本电路如图2.11所示。其中图(a)相当于射极跟随器，有光照时输出高电位；图(b)相当于共射极电路，无光照时，输出高电位。图2.11 两种基本应用电路第3章 光电报警器工作原理及电路设计3.1 光电传感器的分类及其工作方式光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等
36、。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。它们的分类和工作方式如下：1、对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收光器就
37、动作输出一个开关控制信号。下面本文将叙述的光电报警器即为对射型光电传感器。2、槽型光电传感器把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。3、反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光
38、路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。4、扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。 3.2 光电报警器的基本组成光电报警系统是一种重要的监视系统，目前其种类已经日益增多。有对飞机、导弹等军事目标入侵进行的报警系统，也有对机场、重要设施或危禁区域防范进行报警的系统。一般说来，被动报警系统的保密性好，但是设备比较复杂；而主动报警系统可以利用特定的调制编码规律，达到一定的保密效果，设备比较简单。光调制光发射
39、光接收弱信号放大判决锁相环报警电路图3.1 报警器系统的组成光电报警器系统可由图3.1所示的五个部分组成。调制电源提供红外发射二极管确定规律变化的调制电流，使发光管发出红外调制光，在一定距离以外用光电二极管接收调制光。转换后的信号经弱信号放电电路将信号放大放大,判决电路对信号调整，锁相环电路保持系统固有频率后控制报警器，全部实验电路自拟。3.3 光电报警系统电路设计光电报警系统电路如图3.2-图3.6所示。其中图3.2给出了光发射部分电路图，图3.3给出了弱信号放大电路，图3.4为告警判决电路，图3.5为锁相环电路，图3.6为报警保持器电路。1、 光发射部分电路其中T53，调制波信号输出口（扩
40、展用）,TP1为调制信号测试点。在前半周期，VCC通过R1、D1对C7充电，由于二极管D1的作用，电流不经过W；而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大555内部的三极导通，电流通过W放电。VCCTRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS78GND1U1NE555VCCR110KB1C2E3Q19013R161KR2539R151KW147K12D11N4007R3471TP1TEST1T1CON11T2CON1C70.01uFAAA1T53CON1图3.2 光发射部分电路2、信号放大电路原理光发射部分输出的信号往往是比较微弱的，这就需要信号放大电路、如图3.3光电探测器输出接入T3,
41、T4，探测器输出信号经R26输入有芯片OP07组成的放大电路，放大后的信号有芯片6脚输出，放大倍数（增益）由W2调节。VCC1T3CON11T4CON1R261KR271.5K2374618U2OP07-5VW247KR28471TP2CON11T5CON1图3.3 弱信号放大3、判决电路红外发射端调制信号为方波信号，但是由于探测器对信号有时间相应，因此接收到得信号会产生失真变形，而非方波，因此需要对此信号进行整形，判决电路的作用就是对信号进行整形，输出与发射端对应的波形。电路如下图：信号经R4输入比较器（LM339）5脚，与比较器4脚电压进行比较，当5脚电压高于4脚时，比较器2脚输出高电平，
42、反之输出低电平，即形成方波。比较器输出信号进入非门芯片，经过两个非门进行进一步整形，最后由U5的4脚输出对应发射端的波形。图中U5A U5B为两个非门，非门输入高电平，则在输出端得到低电平，反之输入低电平，输出端就得到高电平。542312U3ALM339R410KR54.7KR103.3K-5VVCC1T7CON1R6471TP3TESTVCC-5VW347K1T6CON1C810412U5A74HC0434U5B74HC04R24.7KVCC图3.4 判决电路4、锁相环电路LM567是一片锁相环电路，作用是把接收到的调制信号的频率改变成与系统的固有频率一致的频率。采用8脚双列直插塑封。其、脚
43、外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。其、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。脚是输入端，要求输入信号25mV。脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经
44、频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。弄清了LM567的基本工作原理和功能后，再来分析图3.5电路便非常简单了。IC1是红外接收头，它接收发射器发出的红外信号，其中心频率与发射器载波频率f0相同，在输出端OUT输出频率为f1的方波信号，也就是与图1中A点波形相同的信号。我们将LM567的中心频率调到与发射器中“与非”门1、2振荡频率相同，即使f2= f1。则当发射器发射信号时，LM567便开始工作，脚由高电平变为低电平，利用这个变化的电平便可去控制各种对象。图3.5 锁相环电路5、报警保持电路阻断发射系统和接收系统的红外光束时，比较
45、器的输出为高电平，而当发射系统和接收系统的红外光恢复时，输出仍为低电平，如果有人影晃过时，阻断的时间非常短时，报警系统应该持续报警，而不是马上恢复。因此应当在比较器的输出加上报警保持电路。直到人工解除报警。这就是报警保持电路的作用。74HC为触发器，此电路由芯片3脚输入触发电平，此触发电平使5脚输出电压翻转，驱动后面报警电路工作，此电平触发后不再随3脚输入电平变化，直到按下S2键使电路复位。触发电路才重新工作。VCCR171KR11D2C13S456U6A74HC74S2SW-SPSTR325.1KE410uF1T10CON11T11CON1图3.6 报警保持器电路第4章 报警器实验研究4.1
46、 实验原理1、用NE555定时器构成多谐振荡器作调制电源。NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理图如图3.2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。图4.1 多谐振荡器原理图在前半周期，V1通过R2、D对C1充电，由于二极管D的作用，电流不经过R1，因此其充电时间T1为 （4.1）而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大，555内部的三极导通，电流通过R1至7脚直接放电，此时其放电时间T2为： （4.2）当A点电压上升到上限阈值电压（约）时，定时器输出翻转成低电平。这时，A点电压将随放电而按指数规律下降。当A点下降到下限阈值电压（约）时，定时器输出又变成高电平，调整、的电阻值得到严格的方波输出。当R1=R2时，输出为方波信号。其输出频率为： （4.3） 。 （4.4）用NE555组成振荡器来作红外发光管BT401时，由于
