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1、任务2 部署小区智能安防信息采集系统传感器技术及应用活动三 装调小区周界防盗报警系统 系统装调 任务场景传感器知识 活动总结传感器技术及应用传感器技术及应用周界防盗报警系统 在小区智能安防信息采集系统中，周界防盗报警系统是防止小区业主人身财产受到损失的第一道关口，是阻止入侵者由围墙翻入小区作案，保证小区内居民的生活安全的有力措施。整个系统以基于社区局域网搭建，由红外探测装置、声光报警器、紧急报警按钮、摄像头以及社区监控中心等设备组成，系统结构如图2-3-1所示。图2-3-1 周界防盗报警系统结 构图 系统装调 任务场景传感器知识 活动总结传感器技术及应用周界防盗报警系统工作过程 周界防盗报警系
2、统选用红外对射探测器对周边进行防护，红外对射探测器属于光电传感器，是整个系统中最重要的装置。 当有人非法翻越围墙闯入小区的时候，阻断了来自发射器的红外光线触发报警，同时出发现场摄像机拍摄，摄像机将拍摄入侵画面传送到监控中心，在监控中心弹出报警现场的画面，并进行存储。由报警系统软件中的周界电子地图直观地显示出报警的区域。监控中心接收到报警信号之后，通过无线对讲机通知巡逻中的保安人员，靠近报警区域的保安立刻赶往现场处理。监控中心随后将画面切换到电视墙上指定的监视器、控制服务器监控软件界面开的视频窗以及监控室内的硬盘录像机的视频输入，同时通过网络发出指令命令，对指定通道进行录像取证。 系统装调 任务
3、场景传感器知识 活动总结传感器技术及应用周界防盗报警系统工作过程图2-3-2 红外对射探测器 系统装调 任务场景传感器知识 活动总结传感器技术及应用 周界防盗报警系统中传感器的使用图2-3-3 红外对射探测器小区周边布局示意图 红外对射探测器安装在小区周边，如图2-3-3所示。每对红外对射探测器的发射器和接收器安装在墙体内侧低处隐蔽点，保持在五米的直线距离内，安装方法如图2-3-4（a）所示；摄像头安装于墙体高处隐蔽点，且与墙体保持一定的斜角，安装方法如图2-3-4（b）所示。 系统装调 任务场景传感器知识 活动总结传感器技术及应用 周界防盗报警系统中传感器的使用图2-3-4 红外对射探测器安
4、装示意图 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调 光电传感器是一种基于光电效应的传感器，它能测量直接引发光量变化的物理量，如发光强度、光通量、光照度、气体浊度等；也可以测量利用光线物理效应引发光量变化的物理量，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。 光电传感器的组成如图2-3-5所示。当被测量的物体接近光敏元件时，使光敏元件感受到光信号（光量）发生变化，并将光信号变化转化为电信号（电阻、电压等），进而经过电路输出。光电传感器图2-3-5 光电传感器组成框图 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（1）光电效应
5、 在光线的作用下，不同的光敏元件可以呈现不同的光电效应，分别是外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三种类型。 外光电效应是在光线作用下，材料表面的电子吸收了光足够大的能量，电子会克服束缚逸出表面，从而改变光电子材料的导电性，这种现象称为外光电效应，其代表元件为光电管和光电倍增管。 内光电效应是在光线的作用下，材料内的自由电子或空穴获得了能量，但仅在材料内部运动，能量状态没有发生改变，然而这种运动可以导致材料的电导率发生变化，这种现象称为为内光电效应，其代表元件为光敏电阻。 光生伏特效应是在光线的作用下，半导体或金属与半导体结合处产生电位差的现象，这种现象称为光生伏特效应，其代表元件为光电池、光
6、敏晶体管。本活动仅介绍光敏电阻和光敏晶体管。光电传感器工作原理 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏电阻 光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种传感器，其电阻值随入射光的强弱而改变，光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈电阻性质。光敏电阻有两种结构：一种是带有外壳，顶部有玻璃窗口。另外一种是不带外壳的，如图2-3-6所示。光敏电阻是采用硅、锗、硒化铅、硒化鎘等材料制成，它的工作区在一个很薄的光敏层上，光敏层具有电阻特性，两端用金属电极引出。 光电传感器工作原理图2-3-6 光敏电阻 任务场景 传感器知识 活动总结传
7、感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏电阻 光敏电阻属有源器件，工作时在它的两电极上必须加上直流或交流工作电压。如图2-3-7所示。 半导体如N型半导体在无光照时，光敏电阻呈高阻态，回路中仅有微弱的暗电流通过；一旦光线照射到光敏层上，半导体材料中的载流子迅速增加，电阻率变小，光敏电阻阻值下降，而且随着照射量的增大，载流子数目也随之增大，电流随之增大，回路中有较大的亮电流通过。如果将该亮电流去除，经放大后即可作为其他电路的控制电流，当光照停止时，光敏电阻又逐渐恢复原值呈高阻态，电路又只有微弱的暗电流通过。 光电传感器工作原理图2-3-7 光敏电阻工作原理 任务场景 传感器知识 活
8、动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏电阻 暗电阻与亮电阻是光敏电阻性能中的最主要的一个参数。所谓暗电阻是指在不受光照射时所测得的电阻值。这时在给定工作电压下，流过光面电阻的电流叫暗电流。在有光照射时，光敏电阻的阻值称为亮电阻，此时的电流叫亮电流。亮电流与暗电流的差值被称为光电流。 显然，亮电阻与暗电阻之差越大，光电流越大，灵敏度越高，光敏电阻的性能越好。实用的光敏电阻，其暗电阻阻值往往超过1M，甚至高达100M，而亮电阻则在几千欧以下。 在一定电压下，光敏电阻的光电流与光强之间的关系称为光照特性，其特性曲线如图2-3-8所示。特性曲线说明在给定电压下，光电流的数值随光
9、照的增强而增加；曲线是非线性的，不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一，一般在自动控制系统中用作开关式光电信号传感元件。光电传感器工作原理图2-3-8 光敏电阻的光照特性 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 光敏晶体管分为光敏二极管和光敏三极管，两种晶体管是光电耦合器的重要组成部分。具体外观如图2-3-9所示。光电传感器工作原理图2-3-8 光敏晶体管外形图 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 光敏晶体管性能比较如表2-3-1所示。表2-3-1 光敏二极管与光敏三极管性能比
10、较表。光电传感器工作原理 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （a）光敏二极管 光敏二极管是一种能将光能转换为电能的敏感性二极管，其结构与普通半导体二极管一样，而且都是非线性器件，具有单向导电性能。光敏二极管管芯是一个具有光敏特征的PN结，它的外壳可用金属、玻璃、陶瓷树脂封装。凡是金属外壳封装的光敏二极管，都有一个用于进光的玻璃窗口， PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射，其结构和电路如图2-3-10所示。光线通过该窗口照射到管芯上，如图2-3-10（a）所示。当没有光照射时，其反向电阻很大，反向电流很小，这种反向电流称为暗电流。
11、当光照射到PN结时，PN结吸收光能，其周围及其附近产生电子-空穴对，它们在反向电压作用下参与导电，形成比光照时大得多的反向电流，该反向电流称为光电流，此时光敏二极管的反向电阻下降。光电流与光照强度成正比，光照度越大，光电流越大。如果外电路接上负载，便可获得随光照强弱变化的电信号。光电传感器工作原理图2-3-10 光敏二极管工作原理图 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （a）光敏二极管 光敏二极管的光照特性如图2-3-11所示，它给出了光敏二极管的光电流与照度的关系。从图中可以看出，光敏二极管光照特性的线性好。光电传感器工作原理图2-3
12、-11 光敏二极管的的光照特性 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （b）光敏三极管 光敏三极管是一种具有放大能力发的光-电转换的三极管，和普通管类似，也分为PNP和NPN两种管型，其结构如图2-3-12(a)所示。以NPN为例，电路图2-3-12(b)连接。无光照的时候与普通三极管一样，处于截止状态；当光线通过透明窗照射到集电结上，与光敏二极管相似，入射光子在集电结附近产生电子一空穴对，电子受集电结电场的吸引流向集电区，基区中留下的空穴构成“纯正电荷”，使基区电压提高，致使电子从发射区流向基区。由于基区很薄，所以只有一小部分从发射区来
13、的电子与基区的空穴结合，而大部分电子穿过基区流向集电区，这一过程与普通三极管的电流放大作用相似，集电极电流是光照电流的倍，很显然，光敏三极管具有放大作用，比光敏二极管有更高的灵敏度，但暗电流较大，响应速度慢。光电传感器工作原理图2-3-12 光敏三极管 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （b）光敏三极管 光敏三极管的光照特性如图2-3-13所示，它给出了光敏三极管的光电流与照度的关系。图中可以看出，光敏三级管光照特性的线性没有二极管的好，而且在照度小时，光电流随照度的增加而增加得较小，即其起始要慢。当光照足够大时，输出电流又有饱和现象
14、(图中未画出)，这是由于三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。光电传感器工作原理图2-3-13 光敏三极管的光照特性 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （b）光敏三极管 光敏晶体管一般由光源、光学通路和光敏晶体管三部分组成。按照光源、被测物和光敏晶体管三者之间的关系，光敏晶体管可分为被测物发光型、被测物透光型、被测物反光型和被测物遮光型，如图2-3-14所示。光电传感器工作原理图2-3-14 光敏晶体管分类 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调（2）光电传感器工作原理 光敏晶体管 （b）光敏三极管 图
15、2-3-14（a）为被测物发光型。被测物本身就是光源，所发射的光直接射向光敏晶体管，或者经过一定光路后照射到光敏晶体管上。光敏晶体管将感受到的光信号转换为相应的电信号，其输出反映了光源的某些物理参数，该形式的传感器主要用于光电比色温度计、光照度计中。 图2-3-14（b）为被测物透光型。被测物体置于光源和光敏晶体管之间，光源发出的光穿过被测物，部分被被测物吸收，剩余光透射到光敏晶体管上。透射光的强度取决于被测物对光吸收的多少，被测物透明，吸收光就少；被测物浑浊，吸收光就多。该形式的传感器常用来测量液体、气体的透明度、浑浊度，用于光电比色计等。 图2-3-14（c）为被测物反光型。光源与光敏晶体
16、管位于同一侧，光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光敏晶体管上。反射光的强度取决于被测物体表面的性质、状态及其与光源间的距离，利用此原理可用来测试物体表面光洁度、粗糙度、纸张白度或用作位移测试仪等。 图2-3-14（d）为被测物遮光型。被测物置于光源和光敏晶体管之间，因被测物不透光，光源发出的光照射到被测物时，光线被遮去其中一部分，使投射到光敏晶体管上的光信号发生改变，其变化程度与被测物的尺寸及其在光路中的位置有关。该形式的传感器可用于测量物体的尺寸、位置、振动、位移等。光电传感器工作原理 任务场景 传感器知识 活动总结传感器技术及应用 系统装调光电传感器测量电路（1）光敏电阻测量电路 按照光敏电阻在电路中所处位置不同，光敏电阻测量电路分为两种连接形式。在图2-3-15（a）中，当加大光照量时，光敏电阻RJ阻值下降，在RP分得的电压减小，负载电压UO增加，该电路输出电压UO与光照量变化趋势相同；在图2-3-15（b）中， RJ作为负载，当加大光照量时，光敏电阻RJ阻值依旧下降，导致RJ上的压降UO减小，该电路的输出电压UO与光照量变化趋势相反。 图2-3-15 光敏
