第八章-光电传感器输出信号的采集

一、实验目的1. 了解光电测量技术的基本原理和实验方法；2. 掌握光电传感器的工作原理和应用；3. 通过实验验证光电测量技术的实际应用效果。

二、实验原理光电测量技术是利用光电效应将光信号转换为电信号，通过测量电信号的大小来反映光信号的强度、位置、频率等物理量。

本实验采用光电传感器作为测量工具，通过实验验证光电测量技术的实际应用效果。

三、实验器材1. 光电传感器；2. 光源；3. 信号发生器；4. 电压表；5. 数据采集器；6. 实验台。

四、实验步骤1. 将光电传感器固定在实验台上，确保传感器与光源的位置和距离符合实验要求；2. 打开信号发生器，设置合适的频率和幅度；3. 将光电传感器输出端连接到数据采集器，数据采集器连接到电脑；4. 打开数据采集器软件，设置采样频率和采集时间；5. 打开光源，观察光电传感器输出端电压的变化；6. 记录电压随时间的变化数据；7. 关闭光源，重复步骤5和6，观察光电传感器输出端电压的变化；8. 对实验数据进行处理和分析。

五、实验结果与分析1. 实验结果显示，在光源照射下，光电传感器输出端电压随着光源强度的增加而增加，随着光源距离的增加而减小；2. 在关闭光源的情况下，光电传感器输出端电压基本稳定，说明光电传感器具有较好的抗干扰能力；3. 通过对实验数据的处理和分析，可以得出以下结论：（1）光电测量技术可以有效地将光信号转换为电信号，实现对光强度的测量；（2）光电传感器具有较好的抗干扰能力，可以应用于实际测量场合；（3）光电测量技术具有测量精度高、响应速度快、非接触等优点。

六、实验总结1. 本实验验证了光电测量技术的实际应用效果，掌握了光电传感器的工作原理和应用；2. 通过实验，了解了光电测量技术在光强度、位置、频率等物理量测量中的应用；3. 实验过程中，学会了使用光电传感器、信号发生器、数据采集器等实验器材，提高了实验操作技能。

七、实验展望1. 深入研究光电测量技术的原理和应用，探索其在更多领域的应用前景；2. 优化实验方案，提高实验精度和可靠性；3. 探索光电测量技术与人工智能、大数据等领域的结合，推动光电测量技术的发展。

第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。

解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。

2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。

解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。

内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

3．简述CCD 的工作原理。

解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。

CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。

CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。

4．说明光纤传输的原理。

解：光在空间是直线传播的。

在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。

当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。

设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。

当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。

若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。

红外光电传感器采集电路设计近年来，随着科学技术的迅猛发展，特别是红外探测器技术及加工工艺的日益完善，红外辐射探测系统的应用越来越广泛，有着不可替代的作用。

同时，随着使用环境越来越复杂，对红外系统性能的要求也越来越高。

调研发现，在红外辐射系统设计中经常遇到系统的体积、重量、所选材料、使用温度范围等同成象质量及其它技术要求的矛盾，如不很好解决，则难以适应现代红外探测和多波段光谱探测的需要。

在这样的背景下，本课题针对红外预警探测系统的发展，并以其为应用对象，开展红外光学系统设计研究，其研究目的是为先进红外光学系统的设计提供理论基础、设计方法和手段。

整个系统包括硬件设计及软件设计两大部分，其中硬件由红外光发射电路、红外光检测电路、单片机控制电路、报警电路等组成；软件设计主要负责红外光微波信号的产生、红外光接收中断信号的处理、报警信号的传输等。

硬件设计红外采集系统整体设计红外光电传感器采集电路的硬件设计如下图所示，红外光发射电路主要实现红外光的产生和发射，发出的红外光经红外光接收电路负责将接受到的光信号转变成电信号以后送入信号放大及调制电路，信号放大及调制电路将电信号进行放大并进行调制，然后送入到单片机中，单片机进行处理以后发出报警信号，实现报警功能。

红外光发射电路红外光通讯以红外光作为通讯载体，通过红外光在空中的传播来传输数据，从而实现无线传输，硬件部分主要由红外光发射器和红外光接收器来完成。

在红外光发射器电路中，通过单片机软件编程，可以实现STC89C52RC的P3．4输出38kHzPWM红外光载波信号，然后经三极管9013驱动红外光发射管TSAL6200发射出红外光。

其原理图如图1所示。

图1 红外光发射电路原理图红外光检测电路TCRT5000光电传感器模块是基于TCRT5000红外光电传感器设计的一款红外反射式光电开关。

传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。

光电传感器信号采集与控制系统设计第一章：引言光电传感器信号采集与控制系统在现代工业自动化中扮演着重要的角色。

光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于工业生产中的测量、检测、控制等领域。

设计一套稳定可靠的光电传感器信号采集与控制系统，能够实时准确地采集和处理传感器信号，并对其进行精确控制，对于提高生产效率、降低成本具有重要意义。

第二章：光电传感器信号采集系统设计2.1 光电传感器信号采集原理光电传感器信号采集是通过光电器件将光信号转化为电信号的过程。

光电器件可以是光敏电阻、光电二极管、光电三极管等。

光敏电阻的电阻值与光照强度成反比，光电二极管和光电三极管的输入端光照强度增加时，输出电流或电压也相应增加。

通过对光电器件的电信号进行放大、滤波等处理，可以得到准确可靠的光电传感器信号。

2.2 光电传感器信号采集电路设计光电传感器信号采集电路主要包括前端传感器接口电路、放大电路、滤波电路和模数转换电路等。

前端传感器接口电路负责将传感器的信号转化为标准的电压或电流信号，放大电路用于放大传感器信号的幅度，滤波电路则对信号进行去噪处理，模数转换电路将模拟信号转化为数字信号，方便后续处理和控制。

2.3 光电传感器信号采集系统的可靠性设计为了提高光电传感器信号采集系统的可靠性，可以采取以下措施：一是选择稳定可靠的光电器件，保证其性能指标符合要求；二是合理设计电路布局，减少干扰和噪声，提高信号质量；三是使用高质量的元器件和连接线，提高系统的抗干扰能力；四是进行严格的系统测试和质量控制，确保系统的长期稳定运行。

第三章：光电传感器信号控制系统设计3.1 光电传感器信号处理算法设计光电传感器信号处理算法包括对信号的滤波、放大、数字滤波、数据处理等。

滤波算法可以选择低通滤波、高通滤波等，根据实际需求进行选择和优化；放大算法可以根据传感器信号的幅度范围进行放大系数的设置，使得采集的信号能够被系统准确地识别和控制；数字滤波算法可以通过滑动平均、中值滤波等方法去除噪声，提高系统的抗干扰能力。

基于3D打印的近红外光谱成像系统前端设计谢宏;徐升;姚楠;杨文璐;夏斌【摘要】针对当前近红外成像光谱系统研发成本高、结构复杂、便携性差等问题,提出了基于3D打印的近红外光谱成像系统前端设计.通过3D打印技术设计系统前端发射器、接收器和采集头套,并与近红外光谱成像系统结合,设计出尺寸小、硬度强、易扩展的前端采集设备.利用高灵敏度的OPT101、ADS1299和GS1011完成信号采集与传输,通过3D打印可实现精度高、无线传输、可实时检测脑部血氧浓度的近红外光谱成像系统.【期刊名称】《微型机与应用》【年(卷),期】2016(035)013【总页数】4页(P76-78,81)【关键词】3D打印;fNIRS;可穿戴;光源【作者】谢宏;徐升;姚楠;杨文璐;夏斌【作者单位】上海海事大学信息工程学院,上海201306;上海海事大学信息工程学院,上海201306;上海海事大学信息工程学院,上海201306;上海海事大学信息工程学院,上海201306;上海海事大学信息工程学院,上海201306【正文语种】中文【中图分类】TN98引用格式：谢宏，徐升，姚楠，等. 基于3D打印的近红外光谱成像系统前端设计[J].微型机与应用，2016,35(13)：76-78，81.目前，近红外医疗设备朝着“微型化、智能化、可穿戴”的方向发展。

日立公司近几年推出了两款采用电池运行的可穿戴无线成人前额皮质fNIRS测量系统，即22通道WOT (2009)和2通道HOT 121B (2011)。

美国NIRx公司其产品系列从DYNOT演变到NIRScout，再到NIRSport，设备逐渐变小，实现多通道可扩展，更加便携式[1]。

美国TechEn公司在1999年推出了首款商用CW fNIRS系统，其目前的系统CW6已经具有32个激光源和32个探测头[2]。

瑞士苏黎世(Zurich)大学的Wolf等开发出4通道无线fNIRS成像系统。

中国近红外光谱技术还处在发展阶段，北京师范大学近红外脑成像研究中心(Center for fNIRS Brain Imaging Research，CNBIR)[3]致力于脑成像领域新方法与新技术的研究和探索，其中fNIRS静息态(脑网络)成像新技术、fNIRS双脑耦合神经反馈新技术、fNIRS双脑同时成像新技术都取得了丰硕成果，而对用于脑功能探测的fNIRS系统尤其是便携式、3D打印方式的研究相对较少。

第1篇一、实验目的1. 理解传感器的基本原理和分类。

2. 掌握常见传感器的工作原理和特性。

3. 学会传感器信号的采集和处理方法。

4. 提高实验操作能力和数据分析能力。

二、实验设备与器材1. 传感器实验平台2. 数据采集卡3. 信号发生器4. 示波器5. 计算机及相应软件6. 传感器：热敏电阻、霍尔传感器、光电传感器、电容式传感器、差动变压器等三、实验内容及步骤1. 热敏电阻实验（1）目的：了解热敏电阻的工作原理和特性。

（2）步骤：1. 将热敏电阻连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。

2. 通过数据采集卡采集热敏电阻的输出信号。

3. 使用示波器观察热敏电阻输出信号的波形和幅度。

4. 分析热敏电阻输出信号与温度的关系。

2. 霍尔传感器实验（1）目的：了解霍尔传感器的工作原理和特性。

1. 将霍尔传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。

2. 通过数据采集卡采集霍尔传感器的输出信号。

3. 使用示波器观察霍尔传感器输出信号的波形和幅度。

4. 分析霍尔传感器输出信号与磁场强度的关系。

3. 光电传感器实验（1）目的：了解光电传感器的工作原理和特性。

（2）步骤：1. 将光电传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。

2. 通过数据采集卡采集光电传感器的输出信号。

3. 使用示波器观察光电传感器输出信号的波形和幅度。

4. 分析光电传感器输出信号与光照强度的关系。

4. 电容式传感器实验（1）目的：了解电容式传感器的工作原理和特性。

（2）步骤：1. 将电容式传感器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。

2. 通过数据采集卡采集电容式传感器的输出信号。

3. 使用示波器观察电容式传感器输出信号的波形和幅度。

4. 分析电容式传感器输出信号与电容变化的关系。

5. 差动变压器实验（1）目的：了解差动变压器的工作原理和特性。

1. 将差动变压器连接到实验平台上，并设置信号发生器输出一定频率的正弦波信号。