任务2 测量小型光电传感器

1.2.1 相关知识

1. 外光电效应器件

外光电效应器件一般都是真空或充气的光电器件,由光电管和光电倍增管。

1)光电管

光电管由真空和充气光电管两类,两者的结构相似。光电管结构示意图如图1-5所示,由一个阴极和一个阳极构成,并密封在一只玻璃管内。阴极涂有光电发射材料,装在玻璃管内壁上;阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中央。在阳极和阴极间施加电压(数十伏),当有满足波长条件的光照射阴极时,就会有电子发射,在两极间及外电路中形成电流。

为了获得高灵敏度的光电管,在真空光电管中充入低压惰性气体,即充气光电管。充气光电管中的光电子向阳极加速运动过程中,撞击惰性气体,使其电离成正、负离子,正离子向阴极运动,负离子向阳极运动,运动过程中再度加速,并撞击其他惰性气体电离。因而在同样的光通量照射下,充气光电管的光电流比真空光电管大,灵敏度也更高。光电流IΦ正比于光电子数,而光电子数又正比于光通量。光电管电路符号及测量电路如图1-6所示。

图1-5 光电管结构示意图 

1—阳极A;2—阴极K;3—玻璃外壳

4—管座;5—电极引脚;6—定位销

图1-6 光电管电路符号及测量电路

2)光电倍增管

光电倍增管有放大电流的作用,灵敏度非常高,信噪比大,线性好,多用于微光测量。图1-7所示是光电倍增管结构及工作原理示意图。

从图1-7中可以看到光电倍增管也有一个阴极K、一个阳极A。与光电管不同的是,在它的阴极和阳极间设置许多二次发射电极D1、D2、D3……它们又称为第一倍增极、第二倍增极、第三倍增极……相邻电极间通常加上100V左右的电压,其电位逐级升高,阴极电位最低,阳极电位最高,两者之差一般在600~1200V。

图1-7  光电倍增管结构及工作原理示意图

当微光照射阴极K时,从阴极K上逸出的光电子被第一倍增管D1所加速,以很高的速度轰击D1,入射光电子的能量传递给D1表面的电子,使它们由D1表面逸出,这些电子称为二次电子,一个入射光电子可以产生多个二次电子。D1发射出来的二次电子被D1、D2间的电场加速,射向D2,并再次产生二次电子发射,得到更多的二次电子。这样逐级前进,一直到最后达到阳极A为止。若每级的二次电子发射倍增管为δ,共有n级(通常n为9~11),则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大δn倍,因此光电倍增管灵敏度极高,其光电特性基本上是一条直线。

2. 小型光电开关

松下CX-441型光电传感器是一种小型光电传感器,其外形照片如图1-8所示。小型光电传感器是利用光的各种性质,检测物体的有无和表面状态的变化等的传感器。松下CX-441型光电传感器主要由发光的投光部和接受光线的受光部构成。如果投射的光线因检测物体不同而被遮掩或反射,到达受光部的量将会发生变化。松下CX-441型光电传感器的受光部将检测出这种变化,并转换为电气信号,进行输出,其产品结构图如图1-9所示,其参数表如表1-5所示。

图1-8  松下CX-441实物照片图

图1-9 松下CX-441外形示意图

表1-5 松下CX-441光电开关参数表

1.2.2 任务描述

在公共场所,经常需要打开水龙头洗手,水龙头上的细菌会比较多。因此本任务主要设计一款无接触式自动水龙头,即可起到节约用水的作用,还可以避免人群中细菌的交叉传播。

1.2.3 任务分析

无接触式自动水龙头采用松下CX-441光电开关作用检测元件,其电路如图1-10所示。

图1-10 红外线自动水龙头电路图

图1-10中的LM567为音调解码器,其振荡信号的频率f由5、6脚外接的R2C1确定。

(1-1)

红外线自动水龙头电路工作原理如下:

LM567所产生的振荡信号由5脚输出,经运算放大器A1和VT1放大,驱动红外发光二极管VL1发光向外发射。红外光线经人手反射,由红外光电二极管VD2接收,经运算放大器A2放大后,由3脚输入到LM567音调解码器中。音调解码器把输入信号与内部振荡信号进行比较,若两者频率相等,则8脚输出低电平。晶体管VT2饱和导通,集电极变为高电平,从而使得晶闸管BT139导通,接通电磁阀RL的电源,导致电磁阀处于打开状态,从而放出水来。

若没有人手的反射,则红外光电二极管VD2没有接收到信号,LM567音调解码器3脚没有输入信号,8脚输出就为高电平。VT2截止,集电极变为低电平,晶闸管不导通,电磁阀关闭,没有水流出来。

图中运算放大器A1和A2采用LM324芯片,VL1和VD2采用松下光电开关CX-441。本任务所使用到的实训器材清单如表1-6所示。

表1-6  实训器材清单表

1.2.4 任务实施

(1)按图1-10所示接好电路。

(2)接通电源,用手演示遮挡和无遮挡,检查水龙头是否能够正常工作。

1.2.5 任务表单

填写任务表单(见表1-7),查找相关资料,制定任务设计方案和实施方案,填写实施过程和检查评价结果。

表1-7  任务表单

1.2.6 考核标准

根据考核标准(见表1-8)对本任务实施进行综合评价,并进行任务总结,指导教师给出评价意见及评分。

表1-8  考核标准