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。

第六章 思考题与习题1、什么是压电效应？答：沿着一定方向对某些电介质加力而使其变形时，在一定表面上产生电荷，当外力取消，又重新回到不带电状态，这一现象称为正压电效应。

当在某些电介质的极化方向上施加电场，这些电介质在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场散去，这些变形和应力也随之消失，此即称为逆压电效应。

2、为什么压电传感器不能测量静态物理量？ 答：压电元件送入放大器的输入电压由上式可知，用·当作用在压电元件上的力是静压力（ω=0）时，前置放大器输入电压等于零。

因为电荷就会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉。

所以压电传感器不能测量静态物理量。

3、压电式传感器中采用电荷放大器有何优点？为什么电压灵敏度与电缆长度有关？而电荷灵敏度与电缆长度无关？ 答：p115 ●补充题：1、有一压电晶体，其面积为20mm 2，厚度为10mm ，当受到压力p=10MPa 作用时，求产生的电荷及输出电压：①零度X 切的纵向石英晶体；②利用纵向效应之BaTiO 3（压电陶瓷）。

已知：S=20 mm 2，δ=10mm ，P=10MPa ， 求：Q=？，V=？ 解：①∵ PS d F d Q 1111== 而：)/(1031.21211N c d -⨯= ∴ c PS d Q 10111062.4-⨯== 又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.85.412-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(8.5797/0V SQ C Q U r a ===εεδ解②∵ PS d F d Q 3333== 而：)/(10901233N c d -⨯= ∴ c PS d Q 833108.3-⨯== 同上：又∵ SQ S Q C Q U r r a εεδδεε00)/(/=== 而：)/(1085.8120012-0m F r ⨯==εε、 ∴ )(3.1788/0V SQ C Q U r a ===εεδ2、某压电晶体的电容为1000pF;Kq=2.5C/cm,Cc=3000pF,示波器的输入阻抗为1M Ω和并联电容为50pF,求；①压电晶体的电压灵敏度；②测量系统的高频响应③如系统允许的测量幅值误差为5%,可测最低频率时多少？④如频率为10Hz,允许误差为5%,用并联方式，电容值是多少？已知：pF C M R pF C N c k pF C i i c q a 5013000/5.21000=Ω====；；；； 求： 解①∵ a q V C k k /= ∴ )/(105.29N V k V ⨯= 解②依据教材p113(6-14)式 ∵ ic a m im V C C Cd F U k ++=∞=33/)(；而：3333//d F F d F Q k q ===∴ )/(1017.68N V C C C k k ic a qV ⨯=++=解③依据教材p113(6-15)式 因： 222)(1)()(i c a i c a C C C R C C C R k +++++=ωωω高频响应时：1)(*=∞=k k而：%5)(**≤-kk k Lωγ 则：%95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中： 解得：Hz f LCL 5.1192==πω 解④因： %5)(**≤-k k k Lωγ 则： %95)(1)()(222≥+++++=i c a i c a C C C R C C C R k ωωω其中：解得：pF C C C C c a 48447=++=3、用石英晶体加速度计及电荷放大器测量机器的振动，已知：加速度计灵敏度为5pC/g,电荷放大器灵敏度为50mV/pC,当机器达到最大加速度值时相应的输出电压幅值为2V ,试求该机器的振动加速度。

《光电探测与信号处理》教学大纲一、课程基本信息1、课程名称:光电探测与信号处理全称（英文）Photoelectric detection and signal processing2、课程代码：B13090163、课程管理：数理学院应用物理教研室4、教学对象：应用物理5、教学时数：总时数48学时，其中理论教学32学时，实验实训16学时。

6、课程学分：37、课程性质：专业选修课程8、课程衔接：（1）先修课程：工程光学、电磁学、原子物理学、量子力学、模拟电子技术（2）后续课程：光电子技术二、课程简介《光电探测与信号处理》课程为一门主要专业方向课程，是从事光学工程、仪器仪表、测量与控制研究人员所必须具备的专业基础，是一门与现代科学技术紧密相连的正在发展的新兴学科。

本课程主要讲述光电检测理论基础知识以及光电检测的结构组成、设计思路和应用特点。

通过本课程的学习，使学生了解和掌握光电转换的基本原理及光电检测技术所必须的各种知识，了解和掌握常用光电测量方法及常用测量仪器的使用，具备进行各种基本光电测量所需技能和设计光电检测电路的能力。

三、教学内容及要求第一章绪论（一）教学目标掌握光电检测系统的组成及特点；了解信息技术及光电检测技术的概念。

（二）教学节次及要求第一节信息技术及光电检测技术了解信息技术及光电检测技术的概念。

第二节光电检测与光电传感器概念了解光电检测与光电传感器概念及各自的作用。

第三节光电检测系统的组成及特点了解光电检测系统的基本模型及光电系统框图。

第四节光电检测方法及应用发展趋势1、掌握光电检测的基本作用法、差动测量法补偿测量法和脉冲测量法；2、了解光电检测系统的及应用发展趋势。

（三）教学重点与难点1、教学重点：光电传感器、光电检测系统的组成及特点2、教学难点：光电检测系统的组成及特点（四）教学方法与手段课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数4学时第二章光电检测器件工作原理及特性（一）教学目标了解光电检测器件的特性参数；掌握光电导效应、光生伏特效应和热释电效应。

第三章供料单元的结构与控制3.1 供料单元的结构3.1.1 供料单元的功能供料单元是YL-335A中的起始单元，在整个系统中，起着向系统中的其他单元提供原料的作用。

具体的功能是：按照需要将放置在料仓中待加工工件（原料）自动地推出到物料台上，以便输送单元的机械手将其抓取，输送到其他单元上。

如图3-1所示为供料单元实物的全貌。

3.1.2供料单元的结构组成供料单元的结构组成如图3-2所示。

其主要结构组成为：工件推出与支撑，工件漏斗，阀组，端子排组件，PLC，急停按钮和启动/停止按钮，走线槽、底板等。

1．工件推出与支撑及漏斗部分该部分如图3-3所示。

用于储存工件原料，并在需要时将料仓中最下层的工件推出到物料台上。

它主要由大工件装料管、推料气缸、顶料气缸、磁感应接近开关、漫射式光电传感器组成。

该部分的工作原理是：工件垂直叠放在料仓中，推料缸处于料仓的底层并且其活塞杆可从料仓的底部通过。

当活塞杆在退回位置时，它与最下层工件处于同一水平位置，而夹紧气缸则与次下层工件处于同一水平位置。

在需要将工件推出到物料台上时，首先使夹紧气缸的活塞杆推出，压住次下层工件；然后使推料气缸活塞杆推出，从而把最下层工件推到物料台上。

在推料气缸返回并从料仓底部抽出后，再使夹紧气缸返回，松开次下层工件。

这样，料仓中的工件在重力的作用下，就自动向下移动一个工件，为下一次推出工件做好准备。

为了使气缸的动作平稳可靠，气缸的作用气口都安装了限出型气缸截流阀。

气缸截流阀的作用是调节气缸的动作速度。

截流阀上带有气管的快速接头，只要将合适外径的气管往快速接头上一插就可以将管连接好了，使用时十分方便。

图3-4是安装了带快速接头的限出型气缸截流阀的气缸外观。

图3-5是一个双动气缸装有两个限出型气缸节流阀的连接和调节原理示意图，当调节节流阀A时，是调整气缸的伸出速度，而当调节节流阀B时，是调整气缸的缩回速度。

从图3-4上可以看到，气缸两端分别有缩回限位和伸出限位两个极限位置，这两个极限位置都分别装有一个磁感应接近开关，如图3-6(a)所示。

光电传感器有NPN型输出型(电流流入)和PNP输出型(电流流出)两种，当电流流出的传感器(PNP输出型)在接通时，电流是从电源经传感器的输出端（output）流到负载（load）上，进入负载, 然后流到接地端。

而电流流入(NPN 输出型)的传感器接通时，电流是从电源经负载流到传感器的输出端(output)，然后流到接地端(GND)，最后进入系统的地（GND）。

PNP与NPN型传感器一般有三条引出线，即电源线VCC、GND，OUT信号输出线1、NPN类NPN是指当有信号触发时，信号输出线OUT和GND连接，相当于OUT 输出低电平。

2、PNP类PNP是指当有信号触发时，信号输出线OUT和VCC连接，相当于OUT输出高电平的电源线。

有两个方法：1。

产品上肯定会有接线图，NPN型的接线图是负载连接正电（棕线）及信号输出线（黑线）；PNP型的接线图是负载连接负电（蓝线）及信号输出线（黑线）。

2。

万用表检测信号线（黑线）有信号输出时的电压：为正电压，侧PNP型。

为负电压，侧NPN 型。

我知道，呵呵，我用的槽式光电开关TP850，刚开始也不知道怎么搞，不过后来弄明白了，NPN和PNP型的光电开关功能是相同的，只是接线方式不同，如果你的光电开关是NPN型的，选择发射级接地，集电极接一个限流电阻后接+5v电压（我选择的是6.8K欧的电阻），同样的，如果你的光电开关是PNP的，选择集电极接地，发射级接一个限流电阻后接+5v电压。

而且，一般的光电开关NPN的用的较多，呵呵，希望可以帮到你NPN与PNP传感器的区别。

常用的这类传感器可分为4个分类，即NPN-NO、NPN-NC、PNP-NO与PNP-NC（三条引线，电源线L+与L-，信号输出线）。

NPN是指当有触发信号时，信号输出线动作于L+这条高电平的电源线。

对于NO型，在没有触发信号时，输出线是悬空的；有触发时则发出与L+电源线相同的电平（实际是这两条线连通了）。