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。目录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…………………………………………………314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5mm2探测器：高灵敏度光敏二极管直径5mm3光纤烟雾OFS-R型：直径1/2.2mm,工程封装，长度：2m4光纤烟雾OFS-T型：直径1/2.2mm,工程封装，长度：2m5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:220VAC10电源适配器:5V2A11串口:RS232,9针12USB接口:USB2.0【外置键盘功能键介绍】5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；64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7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+ξtgθc](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220220.52221.520000(,,)exp[()](1(/)tan)(1(/)tan)ccIxyxyzazaaza8=(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。9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1~56通过调节增益旋钮改变增益大小7重复3）中7~1011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1~89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10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