光电传感与系统设计实验.docx

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光电传感与系统设计实验

光电传感与系统设计

实验讲义

靳龙编

张兴强审

湖北汽车工业学院

光电类传感器安全基本事项

传统电学类电磁传感器测量是研究电流、电压、电阻、电容、电感、频率等电路参量和力学量、光学量、热学量及其它电磁量之间关和技术的一门科学，是光电传感实验课的主要内容之一。

由于电磁测量具有仪器灵敏度高、测试范围宽、滞后小、响应快等优点，特别适用于迅变和动态过程的测试与记录。

许多非电量都可以转化为电测，因而在现代生产、科学研究中广泛应用。

由于电磁测量系统较为复杂，特别是各种电源的带电操作，若测试过程稍有不慎，极易酿成人身安全和设备事故。

为此，做传统电学类电磁传感器时，必须先对常用的仪器有所了解，同时必须严格遵守有关安全操作规程和制度，绝不可掉以轻心并注意以下事项：

1．按线路图从电源负极开始（正极在最后检查完线路后再连接），以顺时针方向一层一层向外扩展。

或者先接主回路，再连接分回路。

2．接好线路后自己先检查一遍，然后必须由指导教师复查线路。

3．预置安全位置：

检查电源电压旋钮和电流旋钮是否调在最低或最小位置，滑线变阻器滑动端是否置于合适点，电阻箱是否已放到预估的阻值等。

4．接通电源，开始实验。

5．实验完毕，先关闭电源，经指导教师检查实验数据并签字后，再拆去线路，仪器按要求归位放置。

光学类传感器安全基本事项

光纤是一门应用性极强的基础学科。

在光学类光纤传感器实验中，实验者通过对光学仪器的调整、对外界力、热、光、电等物理量甚至化学量通过光纤传输进而达到检测的观察和记录，学习和掌握光纤传感器的基本方法与基本知识。

光纤传感仪器是比较精密的仪器，其核心部分是它的光学元件，这些元件大部分是玻璃制品，如光纤、棱镜、分划板等。

它们的光学表面经过精细抛光，有些表面还镀有膜层，因此，实验时必须严格遵守以下操作规程：

1．光学元件易损，必须在详细了解仪器的使用方法和操作要求后才可以使用仪器。

使用时要耐心细致，动作要轻、慢、缓，不准强拉硬扳，严禁私自拆卸仪器。

2．轻拿、轻放，勿使仪器或光学元件受到冲击或震动，更要避免跌落到地面。

光学元件使用完毕，应立即放回原处并加罩；长期不用的，应放回带有干燥剂的木箱内，防止沾染灰尘。

3．在暗室中应先熟悉各种仪器用具的安放位置。

在黑暗环境下摸索仪器时，手应贴着桌面缓慢移动，以免碰倒或带落仪器。

4．保护好光学元件的光学表面，不能用手触及光学表面。

若发现光学表面有灰尘，可用专用软毛刷或镜头纸轻轻擦去，但不要加压擦拭，更不准用手帕、普通纸片、衣服等擦拭；如果光学表面有汗渍、指纹等，用干净的脱脂棉花蘸上清洁的溶剂（酒精、乙醚等），轻轻地将污渍擦去（镀膜面的处理应由实验室人员进行，学生不得触碰或擦拭镀膜面）。

5．使用激光光源时切不可直视激光束，以免灼伤眼睛。

6．对于光学仪器中机械部分应注意添加润滑剂，以保持各部分转动灵活自如，平稳连续，并注意防锈，以保持仪器外貌光洁美观。

实验一光纤温度传感器11

实验二光纤烟雾报警器19

实验三光电透过率测量系统设计实验....................................................................24

实验四PSD位置传感器实验………………………………………………………29

实验五CCD驱动电路和特性测试…………………………………………………31

实验1光纤温度传感实验

【产品介绍】

通常按光纤在传感器中所起的作用，将光纤传感器分成功能型（称为传感型）和非功能性（传光型，结构型）两大类。

功能型光纤传感器大多数使用单模光纤，它在传感器中不仅起传导光作用，而且有是传感器的敏感元件，但这类传感器在技术制造上难度较大，结构较为复杂，且调试困难。

传感型光纤传感器中，光纤本身同时起传光作用和传感作用。

传感型光纤传感器也包含强度调制型光纤传感器的基本原理，是待测物理量引起光纤中传输光强变化，通过检测光强I的变化实现对待测物理量的测量。

强度调制的特点是简单，可靠，经济。

强度调制方式很多，大体可分为：

1反射式强度调制2投射式强度调制3吸收系数强度调制4折射率强度调制5光模式强度调制。

强度调制型光纤传感器的特点是结构简单，可靠。

目前，消防上的火灾报警有两种方式;1火灾前温度升高·通过对温度的探测来实现对火灾的监控；2火灾前产生烟雾，通过对烟雾的探测来实现对火灾的监控。

光纤火灾报警传感系统中的光纤温度传感器通过对周围温度测量与记录，当环境温度到达设定阈值时产生声光报警，光纤烟雾传感器对周围烟雾浓度测量，当环境烟雾浓度到达设定阈值时产生声光报警。

该实验系统重点研究光纤传感器的结构特点，原理，光路调整方法，光纤传感的制作及电路设计，ARM单片机应用设计，工程布防等。

【相关参数】

1光源：

高亮度LED直径5mm

2探测器：

高灵敏度光敏二极管直径5mm

3光纤烟雾OFS-R型：

直径1/2.2mm,工程封装，长度：

4光纤烟雾OFS-T型：

直径1/2.2mm,工程封装，长度：

5光纤温度OFS型:

直径1/2.mm,长度：

2m,分辨率：

0.1℃

6液晶:

2.8寸TFT高亮度显示

7键盘:

PS/2外置键盘

8光纤卡架:

25x25x18mm数量:

2个

9电源:

220VAC

10电源适配器:

5V2A

11串口:

RS232,9针

12USB接口:

USB2.0

【外置键盘功能键介绍】

图1键盘示意图

“enter”键数字存入键，及试验中输入读取物理量或参考值后，按下此键，数据被保存（初始值与步进值除外）；

“-”键删除键，删除输入值；

“+”键恢复键，恢复被删除的值；

“del”键修正键，删除输入数值的最后一位；

“*”键绘图键/测量精度验证键，输入数据结束后，按下此键系统自动在液晶显示屏上画出相应的关系曲线；验证测量精度时按下此键，液晶显示屏上动画以及给出相应参考值和电压数值；

“numlock“键初始值设定键，按下此键保存初始值（初始值不能为·0）

“/”键步进设置键，按下此键保存步进数值{每次新实验前，一定把原来数字删除，再重新设定步进值}

【实验目的】

1掌握对射式强度调制型光纤温度传感器工作原理及特性；

2掌握温度对光纤温度传感器灵敏度的因素与解决办法

3纤温度传感器用于火灾报警的原理；

4了解双金属片的特性；

5光纤温度传感器的制作；

6光纤温度传感器测量温度的原理与方法；

7掌握影响光纤温度传感器灵敏原理与方法

【实验内容】

1光路与机械组件组装调试实验；

2抗外界环境光干扰实验；

3温度变化（包括升温和降温）与电压变化关系实验；

4改变增益大小后温度变化（包括升温和降温）与电压变化关系实验；

5温度测量与对比实验及误差分析；

6火灾报警中报警温度阈值设定以及解除警报；

7设计实验若干：

1光纤温度传感器探头和机械制图；2用万能板及面包板分别搭建光源驱动电路，PD检测电路，调零挡路3光纤温度传感器探头的设计与制作；

【实验仪器】

1光纤火灾报警传感系统一台

2对射式强度调制型光纤温度传感器两根

3加热模块一套

4光纤温度传感器机械装置一套

5小键盘一套

6电源线一根

7串口线一根

8电源适配器一个

【实验原理】

传感探头结构

图2传感探头结构示意图

【测量原理】

当图2所示的加热模块通电后，被测温度的变化将引起双金属片的弯曲变形，通过遮光片将其转化为直线位移，从而使得从输入光纤耦合到输出光纤的通光亮发生变化，即光强度受到了调制。

光通量的变化与遮光片的位移大小有关系，于是通过光电检测到的电流大小也发生相应的变化，再通过电流甚至电压的转换，使得测得的电压值为位移的变量，即V（y）,传感原理如图3所示，光强度调制曲线如图4所示

图3传感原理分析图图4光强度调制曲线图

对于多模光纤来说，其模端出射光场的场强分布由下式给出

（1）式中，I0—由光源耦合到输入光纤中的光强，Ф（x,y,z）--纤端光场中位置（x,y,z）处光通量密度，δ表征光纤折射率分布的相关函数对于阶跃型光纤，δ=1，a0--

光纤纤芯半径，ξ--与光源种类及光源跟光纤耦合情况有关的调制参数，θc--

光纤最大出射角。

如果将同种光纤置于输入光纤纤端出射光场中作为探测接收器时，所接收到的光强可表示为

I（x,y,z）=

exp[

]ds

（2）

上式

w（s）=δa0[1+ξ

tgθc]（3）

s—接受光面，即纤芯面。

在纤端出射光场的远场区，为了方便起见，可用输入光纤端面中心点处的光强来作为整个纤芯面上的平均光强。

在这种近似下，得到在输入光纤端面所探测到的光强公式为：

I（x,y,z）=

exp[

]（4）

对于遮光式光强度调制光纤传感器来说。

输出光纤接收到的透射光强值等于图5中光纤纤芯阴影部分所接收到的入射光强，于是有：

I（y）=

（5）

式中，-a0≤x,y≤a0,x=

S—图2中光纤纤芯阴影部分面积。

当输入光纤与输出光纤端面距离较近时，则在输入光纤纤芯边界处，金丝有I（x,y,z）>>0,则上式可表示为：

I（y）=

exp[

]dxdy（6）

对于固定的z值，w（z）为一个常数，又有

（7）

从而得到：

I（y）=

[1-erf（

）]（8）

式中erf（y）—误差函数，erf（y）=

可知，多模光纤的遮光式光强度调制特性曲线分布是重积分函数，难以手工计算，可运用Matlab工程计算绘图软件绘制调制特性曲线。

【注意事项】

1光纤卡架安装不可倾斜，保证输入光纤与输出光纤对准，接收光强最大。

2传感探头安装不可倾斜，保证遮光片面与光纤端表面垂直。

3实验中，不得用手下压传感探头。

4加热器，必须调节“偏压旋钮”将电压值在3500左右。

5在刚加热时，由于热传导不均匀导致温度上下漂浮0.5℃。

6当没有完整采集一次实验数据时，必须重新开始实验。

7光纤传感器弯曲半径不得小于5cm以免损耗太大及折断。

8当温度超过报警阈值时，可以人工解除报警声音。

9第一次按下Numlock“开始加热，再按下此键停止加热。

【实验操作】

界面操作，光路与机械系统组装调试实验

1按照图2安装光纤传感器，把输入光纤，输出光线分别插入光纤火灾报警传感系统的“光源”座孔和“PD“座孔上，另一端安装在光纤卡架上。

2按照图2安装传感探头，使遮光片面与光纤端面垂直，接上“5V”适配器。

3将USB接入实验仪，并将PS/2接入键盘。

4将两光纤间距离调至3mm左右，然后固定光纤。

5打开电源开关，进入实验系统液晶显示主界面，按下数字键“1”进入光纤温度传感器界面。

图5火灾报警中光纤温度传感器界面

6观察“电压显示”与“温度显示”

7关闭电源

抗外界环境光干扰实验

1重复实验1）中步骤1~5.

6用日光灯或其他光源照射温度传感器端面观测电压值显示的变化

7关闭电源

温度变化（包括升温和降温）与电压变化关系实验

1重复实验1）中步骤1~5.

2调节“增益按钮”，将电压值调至3500左右。

7按下”Numlock”，即使温度传感器开始加热，同时观测“温度显示”和“电压显示”的变化。

8当温度到达（室温+50）℃时左右（根据夏冬实际调整），再按一下“Numlock”使停止加热同时观测“温度显示”和“电压显示”的变化直到温度恢复为室温。

9根据以上数据完成下列表格

表1温度电压关系表

T（℃）

升温电源（V）

降温电压（V）

10根据表中数据在Excel绘制曲线。

11曲线分析，关闭电源。

改变增益大小后温度变化（包括升温和降温）与电压变化关系实验

1重复实验1）中步骤1~5

6通过调节增益旋钮改变增益大小

7重复3）中7~10

11对比试验30分析曲线，关闭电源

TFT液晶中温度曲线的动态显示实验

1重复3）中步骤1~8

9按一下“*”键进入曲线绘制界面

10对比试验3）中曲线

11再按下“*”键进入温度传感器动态显示界面

图6火灾报警中光纤温度传感器动态显示界面

12关闭电源

精准验证实验

1重复实验5）中步骤1~12

13待温度恢复为常温后按下加热键“Nunlock”键

14观察曲线变化，并且记录实际温度与显示温度的值

15待温度到达50℃左右时停止加热同样记录实际温度与显示温度的值

16对比实际温度与显示温度确定实验精度

17待温度恢复常温后关闭电源

声光报警实验

1重复实验5）中1~12

13按下数字键盘设定报警温度值（如果输入有误，按Del键删除）

14按下加热键“Numlock”观察实验现象

15再按下加热键“Numlock”停止加热观察实验现象

16声光报警后，可按下蜂鸣器右侧开关解除报警声音，但报警灯还存在

17待温度恢复常温时关闭电源。

【实验思考题】

1影响光纤温度传感器的温度响应速度因素有哪些？

如何提高响应强度？

2光纤温度传感器与传统温度传感器相比，有何优点？

3光纤温度传感器主要损耗在哪里？

采用什么光纤比较好？

4通过测量曲线分析，为何升温过程与降温曲线不重合？

5调节增益旋钮，V-T曲线有何变化？

增益调剂多大合适？

6遮光片厚度，材质，颜色对实验数据测量有何影响？

7该实验系统如何应用于实际工程？

如果应用到实际工程中，光纤温度传感器探头应该做何种改进？

实验2光纤烟雾报警器

【实验目的】

1.掌握R型光纤烟雾传感器原理及其特性

2.掌握T型光纤烟雾传感器原理及其特性

3.掌握R型光纤烟雾传感器判断烟雾有无以及判断烟雾浓度大小原理与方法。

4.掌握T型光纤烟雾传感器判断烟雾有无以及判断烟雾浓度大小原理与方法。

5.掌握光纤烟雾传感器灵敏度原理与方法

6.光纤烟雾传感器用于火灾报警

7.光纤烟雾传感器的制作

【实验内容】

1.界面调节，光路与机械系统组装调试实验

2.光纤烟雾传感器输出信号放大处理实验

3.抗外界环境干扰实验（不要扰动光纤）

4.R型光纤烟雾传感器原理及其特性实验

5.T型光纤烟雾传感器原理及其特性实验

6.R型光纤烟雾传感器判断烟雾有无以及判断烟雾浓度大小原理与方法实验。

7.T型光纤烟雾传感器判断烟雾有无以及判断烟雾浓度大小原理与方法实验。

8.光纤烟雾传感器电压比较值设定实验。

9.光纤报警中报警烟雾浓度阈值设定及解除实验。

【实验仪器】

1光纤火灾报警传感系统一台

2R型光纤烟雾传感器一根

3T型光纤烟雾传感器一根

4烟雾发生材料一套

5小键盘一套

6电源线一根

7串口线一根

8电源适配器一个

【实验原理】

1反射式强度调制原理

R型光纤传感器是一种非功能型光纤传感器，光纤本身只起传光作用。

光纤分为两部分，即输入光纤和输出光纤，亦可称为发送光纤和接收光纤。

传感器的调制机理：

输入光纤将光源的光射向被测物体表面，再从被测面反射到另一根输出光纤中，其光强的大小随被测表面与光纤间的距离而变化。

图1反射强度调制式光纤传感原理

d>（a+2r）/2T时，输出光纤与虚像发出的光锥底端相交，其相交的截面积恒为πr2，光锥的底面积为π（2dT）2,因此在这个范围内，传光系数为（r/2dT）2；

a/2T

（测量范围）

图2不同反射位置光波的传输能量大小

输出光纤端面受光锥照射的表面所占的百分比为

将发射光纤与接收光纤对准，调制信号加在移动的遮光板上，或直接移动接收光纤，使接收光纤只能收到发射光纤发出的部分光，从而实现光强调制。

图3投射强度调制式光纤传感原理

其他方法

遮光屏截断光路来实现透射式光强调制：

采用了一个双透镜系统使入射光纤在出射光纤上聚焦成像，遮光屏在垂直于两透镜之间的光传播方向上下移动。

图4带有遮光屏投射强度调制式光纤传感原理

【注意事项】

1.不能随意动摇各种元件，以免造成实验仪器不能正常工作。

2.光纤烟雾传感器的弯曲半径不得小于5cm，以免折断。

3.T型光纤传感器在调节灵敏度中，光纤断面不得碰在一起。

4.在使用过程中，出现任何异常必须首先关闭电源，以确保安全。

5.R型光纤传感器在调节灵敏度中，不能使光纤接触反射面。

6.产生烟雾时注意防火。

7.长时间不用，请拔下光纤，用酒精清洗端面，以免影响使用。

【实验操作】

1）界面调节，光路与机械系统组装调试实验

1.把T型光纤烟雾传感器的发射端、接收端分别插入实验仪上的光源座孔和探测器PD坐孔上。

2.将PS/2接口结上键盘。

3.打开电源开关，进入主界面按下键盘上的数字‘“2”进入光纤烟雾传感器界面。

4.改变2光纤端面间距，观测电压值的变化。

5.关闭电源。

6.更换R型光纤烟雾传感器，改变光纤端面至反射面距离，重复以上步骤。

2）光纤烟雾传感器输出信号放大处理实验

1.重复1）中1至三步骤。

4.调节增益旋钮观测TFT液晶电压值显示变化并分析。

5.关闭电源。

6.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

3）抗外界环境干扰实验

1.重复1）中1至3步骤

4.把光纤烟雾传感器从PD接口处拔下，用手捂着PD接口以及松开手，分别观测液晶屏上电压值的变化，分析其原因。

5.步骤4中，用其他光源照射PD端口并移走其他光源，分别观测液晶上电压显示有何变化，分析其原因。

6.在光纤烟雾传感器端面用其他光源照射并观测电压有什么变化。

7.关闭电源。

8.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上实验。

4）光纤烟雾传感器判断有无烟雾及烟雾浓度实验

1.重复实验1）中1至3

4.用烟雾喷向探头，观测读出电压变化并分析其原因。

5.用淡烟和浓烟分别喷向探头，分别观测电压值读出变化及蜂鸣器的反应，并分析原因。

6.关闭电源

7.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

5）光纤烟雾传感器电压比较值设定实验

1重复实验步骤1）中1至3

4按键盘上的”+”,”-”键调节光标的位置并显示相应的电压值。

5.调节好电压值在喷以烟雾观测实验现象。

6.关闭电源。

7.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

7）.光纤烟雾传感器灵敏度检测实验

1.重复6）中实验1至6步骤

7.分别用浓烟和淡烟喷向T型光纤烟雾传感器探头，记录电压大小及蜂鸣器反应，分析灵敏度与烟雾浓度关系。

8.改变两光纤端面的间距，喷向相同浓度的烟雾，记录电压大小以及蜂鸣器的反应，分析灵敏度与Z的大小关系。

9.调节增益在适当的位置，重复步骤1至7。

10.比较记录实验现象，得出光纤烟雾传感器灵敏度与哪些因素有关。

11.关闭电源

12.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤

8）火灾报警器中烟雾报警设置及解除报警实验

1.重复6）中1至6步骤

7设置报警烟雾浓度后，再次分别用浓烟与淡烟喷向T型光纤烟雾传感器探头，观测表示烟雾浓度变化的曲线顶部是否在图14中箭头下方，同时观测声光报警响应（下次实验前，记得把此按钮弹起）。

8.若想接触报警，按下蜂鸣器右侧按钮，可解除声光报警信号，但是光报警信号还存在，直到烟雾消散，且动态曲线顶部在图14中箭头上方。

9.关闭电源。

10.更换R型光纤烟雾传感器，重复以上步骤。

【实验思考题】

1.T型光纤烟雾传感器的灵敏度决定于哪些因素？

2.R型光纤烟雾传感器的灵敏度决定于哪些因素？

3.为何调节增益按钮能改变灵敏度的大小？

4.还有哪些其他因素能改变光纤烟雾传感器灵敏度的大小？

5.实际工程中，T型和R型光纤传感器有何异同？

3.设计激光透过率测量系统的各部分电路并调试

【实验仪器】

实验中使用仪器较多，主要有：

半导体激光器，GDT-1型透射率检测实验装置，直流稳压电源，函数发生器，示波器，台式数字万用表等。

【实验原理】

单通道直接光电探测系统是光电系统中比较简单的一种，是其他复杂广电系统的基础。

透过率的测量是光学测量的一项重要内容，在物质结构分析、物体的化学性质、生物医学等领域得到了广泛的应用。

一般情况下，辐射源的辐射要受到中介媒质（大气，光学系统元件等）的吸收，辐射等，只有一部分辐射功率透过媒质，最后被探测器接受。

当以平行辐射束在媒质中传播时，若媒质有吸收，则在传播一段距离之后，在垂直于传播方向单位面积上的辐射能通量将减少。

实验证明，对于在均匀吸收媒质，如果不考虑散射时，被吸收的辐射能通量的相对值

为吸收系数，是个有量纲的量，当x以米为单位时，

的平行辐射束，入射到包含许多微粒质点的非均匀媒质上，由于媒质内微粒的散射而衰减的相对值

与通过的距离

成正比，即：

（3）

将上式从0到x积分，得到在x处的辐射能通量：

（4）

该式称为散射定律，式中

为在x=0处的辐射功率，

为散射系数，与吸收情况相似，媒质散射也是辐射能通量按指数规律衰减。

如果传播媒质中同时存在吸收和散射，则辐射能通量为

的入射辐射在传播x距离之后，透过的辐射能通量为：

激光透过媒质后的光强与透过前的光强的比值称为透过率。

本实验激光透过率测量系统采用单通道直接测量系统，原理框图如下：

图1系统功能框图

由经过调制的激光器发出的一定波长的激光经过介质后衰减，光强减小，分别测量出激光通过介质前后的光强，即可测出激光通过此介质的透过率。

光电传感器将入射的光信号转变成电信号，经信号处理电路，如I—V转换电路、滤波电路、积分电路，将交流信号变成直流信号，该直流信号的大小与入射到光电传感器上的光信号的强度成正比，通过测量该直流电流的大小即可测量出激光通过介质的透过率。

各部分电路说明

驱动与调制电路：

半导体激光器外接一个+12V的直流电源，调制信号可以用函数发生器中的方波，方波信号频率可以变化。

本实验中，半导体激光器的调制频率采用1KHz。

光电传感I/V转换电路：

光电传感器采用光电池，光电池输出为电流信号，后续电路采用集成运算放大器CA3140构成I/V转换电路。

本方案设计一个2阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率f=1khz,

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