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1、机、电类 传感器与检测技术项目教程 模块八、光学量检测 课件 统一书号：ISBN 978-7-111-48817-0 课程配套网站 www.sensor- 或 2015年2月第1版,（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）,本模块介绍“光学量” 的基本概念、各种光电元件，例如：紫外光电管、光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电池，介绍各种光电元件的应用。还介绍了光导纤维传感器及其应用。,内容简介,今天是：2019年1月8日星期二,模块八、光学量检测（中） 目录,（上）知识链接 光学量的基本概念 （上）项目一、光电元件及应用电路 （中）项目二、光电传感器的应用 拓展阅读 光导纤维传感器及应用,現在
2、時間是：16:35,项目二 光电传感器的应用,【项目教学目标】 知识目标 1）了解光电传感器4种类型的应用。 2）了解锅炉炉膛火焰的检测方法。 技能目标 1）掌握转速测量中的1误差分析。 2）掌握边缘位置的检测和纠偏方法。,光电传感器的几种基本应用型式,图8-23 光电传感器的4种应用型式 a）被测物是光源 b）被测物吸收部分光 c）被测物是有反射能力的表面 d）被测物遮蔽部分光,光电传感器的几种应用形式的演示,任务一 被测物本身是光源的检测,光的照度E的单位是lx（勒克斯），表示受照物体被照亮的程度，可以用照度计（也称勒克斯计）来测量。,光电池(外加柔光罩）,一、照度计,是一种专门测量光的照
3、度的仪器仪表，又称勒克斯计。照度计通常是由硅光电池（或硒光电池）与微安表（模拟式）或数字电路组成。,a）原理图 b）外形 1余弦角度补偿器 2V()修正滤光片 3磷硅玻璃 4氮化硅减反射膜 5SnO2半透明栅线前电极 6光电池 7银铝浆电极 8微安表 9液晶屏 10控制键,图8-24,照度计的 技术指标,技术指标： 示值切换范围： 1.99910n lx （n=15） 取样率： 2.5次/秒 操作环境： 050 相对湿度 70%RH,照度计中的 补偿器,1.受照面的亮度与光源的入射角度有关。当光源入射角度不与柔光罩垂直时，必须进行余弦补偿。,斜向光照,2.光电池对不同颜色光的转换效率不同，必须
4、进行颜色补偿。光电池的峰值波长约为0.78微米。,二、火焰探测器,1火焰探测器的用途 在大型锅炉的燃烧过程中，需要利用火焰探测器来检测火焰的燃烧和熄灭，并检测火焰的稳定性。火焰探测器与炉膛吹扫、送风机、给煤粉机等组成FSSS（或BMS）燃烧器管理系统，可以防止火焰突然熄灭时，炉膛内积存的可燃性气体在高温下发生炉膛爆燃事故。 2火焰的特点 较强的火焰能发射出几乎连续的发光光谱，包含红外光、可见光和紫外光。多数火焰的燃烧信号是一种不规则的脉动信号。频率信号包含信号的频谱、带宽、峰峰值等参数，要对这部分信号进行滤波，从中提取火焰的燃烧特征。 锅炉中的煤粉火焰存在着3种闪烁频率：1550Hz时火焰正常
5、；715Hz时火焰不稳定；小于7Hz时火焰丧失。,火焰信号 的特点,火力发电厂,图8-25 锅炉炉膛的 辐射强度变化,跳动的火焰,3火焰探测器的结构,图8-26 锅炉火焰检测原理图 1火焰 2高温镜头 3红外滤除片 4成像光导纤维束 5光导纤维外壳 6火焰成像 7光电池,图8-27 火焰探头的光谱响应,图8-28 炉膛火焰探测器的安装,锅炉安全保护系统FSSS系统,三、色彩传感器,也称颜色传感器、色标传感器等。 色彩是光源、物体和观察者之间交互的结果。例如，红纸会吸收光谱中大多数带绿色的部分和带蓝色的部分，同时反射光谱中红色的部分，因此对观察者会表现为红色。叶绿素吸收红、蓝、紫光，反射绿色光。
6、,任何一个物体的颜色都可用红、绿、蓝（R、G、B）三原色的光功率谱的函数来表示。射入眼睛的光线刺激视网膜上对不同颜色有不同灵敏度的视觉细胞，并通过视神经传送到大脑，从而感觉到色彩。,色彩,色度图,色彩传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测。,视网膜中的三种视锥细胞对颜色的感应,三基色光合成,色彩传感器（续）,图8-29 色彩传感器及信号处理示意图 1红、绿、蓝滤色片 2玻璃基板 3-Si 4透明导电膜 5公共电极 6背面引出电极 7遮光保护树脂 8电流/电压转换器,色彩传感器（续）,色彩传感器（续）,无定型硅（-Si）制成的色彩传感器能得到三色信号。在玻
7、璃基板上按顺序粘贴红、绿、蓝滤色镜，分别与R、G、B三个输出电极处于同一轴线上。-Si本身的光谱灵敏度与人眼十分接近，峰值波长约为0.50.6m。当光线透过红、绿、蓝滤光片后，就可以分别得到R、G、B三根光谱特性。,图8-29 色彩传感器 及信号处理示意图,色标传感器的原理及应用,颜色传感器中，有一类称为“色标传感器”，常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,可用于包装、印刷、制药、纺织、涂料、化妆品、农业、血液诊断、尿样分析和假牙等。还可用于彩色材料的定位、定长、分切、纠偏、计数等功能。,各种色标传感器外形,色标传感器能区别红、绿、蓝（
8、或其他）颜色。,色标传感器外形（续）,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,用多个色标传感器测量薄板的颜色,产品包装色彩检测、分选,任务二 被测物吸收部分光的检测,一、人体指尖脉搏仪（放大图见后一页）,图8-31 光电式指尖脉搏仪示意图 a）电原理框图 b）各关键点信号波形 1中指 2遮光盒 3红色发光二极管 4光敏晶体管 5基座,波形放大图 见后一页,图8-31,1误差,因时间闸门开启和关闭时与时钟脉冲的边沿不同步而致，使计数脉冲群的首尾可能多一个脉冲或少一个脉冲，从而产生“1误差”。可以提高“时钟”频率，来相对地减小1误差。,人体指尖脉搏仪原理（续）,每分钟的脉搏数值 （8-8） 式（8-8
9、）给出的理论分辨率可达1/1000。因时间闸门开启和关闭时与时钟脉冲的边沿不同步，致使计数脉冲群的首尾可能多一个或少一个脉冲，称为1误差。,当脉搏在99次/min以下时，小数点设置在倒数第二位，分辨力为0.1次/min；当脉搏在99次/min以上时，不设小数点。,血氧、脉搏检测仪,脉搏血氧饱和度测量的基本原理是：还原血红蛋白(RHb)与氧气结合后变成氧合血红蛋白(HbO2)，呈暗红色，氧合血红蛋白呈鲜红色，两者对红光和红外光的吸收不同。,在波长为660nm的红光处，还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白强十倍以上，而在波长为940nm的红外光处，还原血红蛋白对光的吸收比氧合血红蛋白弱得多。,二、
10、透射式光电浊度仪,水的“混浊程度”可以用“浊度”来表示。 当水体中有体积较大的悬浮颗粒物时，通过水体的部分光线会被吸收、多次反射及散射，此时需采用吸收法测量水样的“吸光度”。水的浊度值越高，透射光就越弱。,透射式光电浊度仪原理,将一定量的白色高分子聚合物作为浊度标准溶液的基准物质。1L水中含有1mg的硫酸肼与六次甲基胺聚合的浊度定义为1FNU。,图8-32 透射式光电吸光度仪原理图 1恒流源 2遮光盒 3波长为850nm的LED 4小孔 5半反半透镜 6全反射镜 7含沙被测水样 8、11光电池 9、12电流/电压转换器 10标准水样,参比通道（抵消外界影响）,透射式光电浊度仪参比通道与测量通道
11、,（放大图）,光电式含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,透射式光电浊度仪原理（续）,红外光从小孔4射出，经过半反半透镜5分成两束强度相等的光线： 一路光线穿过标准水样10（有时也采用标准衰减板），到达光电池11，产生作为被测水样浊度的参比信号； 另一路光线经全反射镜6后，穿过含沙被测水样7到达光电池8，其中一部分光线被样品介质吸收。,透射式光电浊度仪原理（续）,样品水样越混浊，光线衰减量越大，到达光电池8的光通量就越小。上下两路光信号分别为转换成电压信号Uo1和Uo2，由运算器计算出Uo1/Uo2的比值以及被测水样的浊度。 采用半反半透镜5、标准水样10以及光电池11作为参比通道的好处是：
12、当光源的光通量由于种种原因有所变化或环境温度变化引起光电池灵敏度发生改变时，由于两个通道的结构完全一样，所以在计算Uo1/Uo2值时，上述误差可自动抵消。,任务三 被测物反射部分光的检测,一、散射式浊度仪 将一束光照射一定厚度的待测水样，穿过待测水样的入射光束被待测水样中的悬浮颗粒所散射。按照国际标准所规定，在与入射光90的方向上测量散射光强，可以得到水样的浊度。,散射光浊度仪的准确度、精度、重现性和重复性都较好。,600mm波长的光线照射在胶体颗粒上的散射3种状况,散射式浊度仪工作原理,图8-33 散射式光电浊度仪原理图 1恒流源 2遮光盒 3波长为850nm的LED 4出光孔 5被测浊度水
13、样玻璃杯（顶视图） 6悬浮颗粒 790散射光 8散射光测量光电池 9散射光电流/电压转换器 10参比透射光 11参比透射光光电池 12透射光电流/电压转换器,二、光电反射式烟雾报警器,1火灾报警器 物质在燃烧过程中一般有下列现象发生： （1）产生热量：使环境温度升高，可以用各种温度传感器来测量。 （2）产生可燃性气体：释放出可燃性气体，如CO等，可以用可燃性气体传感器来检测。 （3）产生烟雾：粒子直径大于10nm。当烟雾潜入烟雾传感器的检测室时，可引起烟雾室电流增大。,（4）产生火焰：火焰辐射出红外线、可见光和紫外线。利用紫外线管能够有效地监测火焰发出的紫外线，但应避开太阳光的照射，以免引起误
14、动作。,2离子式烟雾报警器,离子式烟雾报警器中的关键元件是离子室，被安装在天花板下。离子室所用放射元素为镅241，强度约为0.8微居里。正常状态下离子室的电流很小（约10A）。当有烟尘进入电离室后，产生大量的正负电离子，在电场的作用下，各自向负电极和正电极移动。,报警电路检测到离子电流（毫安数量级）超过设定的阈值时发出报警信号。,离子式烟雾报警器的安装,3光电式烟雾报警器,光电反射式烟雾报警器由总线供电。总线上可以连接几百个报警器，与火灾报警控制器联网，组成一个报警系统。报警时主机有声、光提示，值班人员可以根据感烟报警器的地址编码发现报警的物理位置（房间号码）。,光电式烟雾报警器原理（放大图见
15、下页）,没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏晶体管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏晶体管。,光电式烟雾报警器原理（续）,a）原理示意图 b）外形 1红外发光二极管 2烟雾检测室 3透烟孔 4红外光敏晶体管 5黑色吸光绒布 6烟雾,图8-34,烟雾报警器（续）,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏晶体管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射，使部分红外光到达光敏晶体管。,报警,无线烟雾报警器内部结构
16、,可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器,无线火灾烟雾传感器,无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部使用一节9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为15微安，报警发射时工作电流为20毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出90分贝的断续报警声，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷地可以达到200米，在有阻挡的普通房间结构中，可以达到20米。 可穿透200mm砖墙。,火灾感知传感器及玻璃球洒水喷头,烟雾传感器,当发生火灾时，温度升高使玻璃球爆裂，高压自来水自动喷出。,反射式烟雾报警器演示,红外LED的激励电流用40kHz调制
