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-measurement.net 或www.liangsen.net2015年2月第1版（作者：梁森、黄杭美、王明霄、王侃夫）Date1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：*2模块八、光学量检测（中） 目录进入进入（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時間是：*进入*3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。回目录Date4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Date5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 ）Date6一、照度计 是一种专门测量光的照度的仪器仪表，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 Date7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 Date8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，必须进行颜 色补偿。光电池的峰值波长 约为0.78微米。Date9二、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；715Hz时火焰不稳定；小于7Hz时火 焰丧失。Date10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Date113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Date12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Date13锅炉安全保护系统FSSS系统Date14三、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。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。Date15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Date16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Date17色彩传感器（续）Date18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Date19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。Date20各种色标传感器外形色标传感器能区别红、绿 、蓝（或其他）颜色。 Date21色标传感器外形（续）Date22色标传感器在流水线上检测产品的颜色Date23用多个色标传感器 测量薄板的颜色Date24产品包装色彩检测、分选Date25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Date26波形放 大图 见后一 页图8-31Date27Date281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。Date29人体指尖脉搏仪原理（续） 每分钟的脉搏数值（8-8） 式（8-8）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。Date30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 。Date31二、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。Date32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 ） Date33透射式光电浊度仪参比通道与测量通道（放大图）Date34光电式含沙量测量将装有浊水的试管 插入仪器中Date35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。Date36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：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。Date37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Date38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Date39二、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）产产生火焰：火焰辐辐射出红红外 线线、可见见光和紫外线线。利用紫外线线 管能够够有效地监测监测 火焰发发出的紫外 线线，但应应避开太阳光的照射，以免 引起误动误动 作。 Date402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。Date41离子式烟雾报警器的安装Date423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 ）。Date43光电式烟雾报警器原理（放大图见下页）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。Date44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8-34Date45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，