第7章 光電傳感器

1第7章光電傳感器2

第7章光電傳感器與光纖傳感器

以光為媒介，以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的一種傳感器。從而實(shí)現(xiàn)非電量的光信號電測量。光電傳感器具有反應(yīng)速度快、檢測靈敏度高、可實(shí)現(xiàn)非接觸測量、可靠性好、抗干擾能力強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此在生物醫(yī)學(xué)測量系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用

3§7—1光電傳感器的基本原理與基本特性光電效應(yīng)——光照射到物質(zhì)上引起其電特性（電子發(fā)射、電導(dǎo)率、電位、電流等）發(fā)生變化的現(xiàn)象。7.1.1光電傳感器基本原理（1）外光電效應(yīng)受光照射，物體內(nèi)的電子吸收光能逸出物體表面，向外發(fā)射的現(xiàn)象。如：光電管、光電倍增管。愛因斯坦光電效應(yīng)方程:光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)無關(guān)。4

光電子的最大動能與入射光的頻率成線性關(guān)系，而與入射光強(qiáng)無關(guān)。

h—普朗克常量

—入射光頻率

—產(chǎn)生光電發(fā)射的極限頻率;

光子能量恰好等于逸出功A0波長閾值:

5①光子的能量必須大于逸出功時，才產(chǎn)生光電效應(yīng)，當(dāng)入射光的頻率<，入射光強(qiáng)再大，也不會產(chǎn)生光電效應(yīng)。②當(dāng)入射光的頻率不變，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)越強(qiáng)，逸出的電子數(shù)越越多，產(chǎn)生的光電流也越大。

斯托列夫定律:當(dāng)入射光的頻率或頻譜成分不變時，飽和光電流與入射光強(qiáng)成正比。③光電子逸出物體表面具有初始動量；加負(fù)的截止電壓可使光電流為零?；谕夤怆娦?yīng)的光電轉(zhuǎn)換器件有：

光電管、光電倍增管等。6

（2）內(nèi)光電效應(yīng)：受光照射，物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的現(xiàn)象。

1）光電導(dǎo)效應(yīng)：在光照射下，電子吸收光能過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率的變化。如光敏電阻。

2）光生伏特效應(yīng)：在光照射下，使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢。

如：光電池、光電二極管、光電三極管。77.1.2光電器件基本特性（1）光譜靈敏度—光電器件對單色輻射通量的反應(yīng)，是波長的函數(shù)。在處的為最大值時，對應(yīng)的為峰值波長。單色輻射通量—單位時間內(nèi)發(fā)射的輻射能。（2）積分靈敏度S—光電器件對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。（3）頻率特性：靈敏度隨射光強(qiáng)調(diào)制頻率f變化。（4）光照（光電）特性：光電流（或電壓）與入射光通量之間的關(guān)系。（5）伏安特性：入射光頻譜及光通量一定時，光電流和電壓之間的關(guān)系。8§7

.2光電器件與光電傳感器類型7.2.1光電器件一、光電管與光電倍增管

1、光電管光電管(phototube)的種類很多，其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。在真空玻璃泡內(nèi)有兩個電極：陰極K和陽極A。陰極是在半圓形的金屬片上涂上感光材料，不同的感光材料對光波長敏感程度不同，即光譜特性不同。常用的感光材料有銀、鈣、銻等。在陰極前面的陽極是由環(huán)狀的單根金屬絲構(gòu)成。

9

光電管工作電路如圖所示。在陰極和陽極之間供給直流電壓E，陽極接電源正極，陰極接電源負(fù)極。在沒有受到光照時電路無電流。如果陰極受到光照，將發(fā)射電子，電子在陽極正電動勢吸引下形成電子流，并在輸出負(fù)載RL中形成電壓降，這個輸出電壓反映光強(qiáng)度的變化。光電管在很寬的光強(qiáng)度范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，但是靈敏度較低。為獲得更高的靈敏度，可采用光電倍增管。102、光電倍增管(1)光電倍增管(photomultiplier，PMT)的結(jié)構(gòu)和原理為了提高探測靈敏度，光電倍增管在高真空管中裝入一個光電陰極和多個倍增電極，使用時在各個倍增電極均加上電壓，而且電壓依次升高，形成電子流的不斷倍增，可使極其微弱的入射光轉(zhuǎn)換成放大電子流，因此具備更靈敏的光檢測能力。在無熱生電子狀態(tài)，光電倍增管甚至可檢測到單個光電子。

11

光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理如圖所示。圖中K為陰極，A為陽極。在陰極和陽極之間的Dl、

D2、…、Dn為倍增極。在陰極和陽極之間加入1000～2500V的高壓。通過電壓分配器使各電極的電位從陰極到陽極逐級升高，一般每相鄰倍增電極間電位相差為100V左右。12倍增極用次極發(fā)射材料制成，在受到一個電子轟擊后能釋放出數(shù)個電子。當(dāng)有微弱光線射入時，若光子打在陰極上發(fā)射出一個電子，極間的電壓差使此電子加速飛向第一倍增極.引起倍增極二次電子發(fā)射，在第一倍增極上有個次極電子打出(>1)，個次極電子經(jīng)聚焦、加速后轟擊第二倍增極，打出2個電子……依次類推，經(jīng)過n個倍增極之后，一個電子則變成了n個電子，所有電子最后被陽極收集，形成較強(qiáng)的輸出電流。陰陽極間電壓力：1000~2500V，相鄰電極電位相差100V。電流放大倍數(shù)，可達(dá)106~10813假設(shè)某一光電倍增管的＝4，n＝10，則放大倍數(shù)n，約為100萬倍?？梢?，光電倍增管對很微弱的光能產(chǎn)生很大的電流。光電倍增管的倍增極的數(shù)目多在4～14之間，值一般為3—6.光電倍增管靈敏度高，不能受強(qiáng)光照射，否則容易損壞。14(2)光電倍增管的主要特征參數(shù)

光電倍增管的主要特征參數(shù)有電流放大倍數(shù)、靈敏度和暗電流等。①電流放大倍數(shù)M(電流增益)。

電流放大倍數(shù)是指在一定工作電壓下，光電倍增管陽極信號電流IA與陰極電流IK的比值。

即M＝IA／IK。

在一般正常條件下，M值為104～106，與加在光電倍增管上的總電壓(陰極—陽極之間的電壓)成正比，穩(wěn)定性為1％左右。

15②靈敏度光電倍增管的靈敏度：是指照射單位光通量時,

陽極產(chǎn)生的飽和光電流值。它是描述光電倍增管將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?，其大小與極間所加的電壓有關(guān)。圖所示為光電倍增管的特征參數(shù)靈敏度、電流放大倍數(shù)與所加電壓的關(guān)系曲線。16

③暗電流。當(dāng)光電倍增管加有一定的工作電壓，但完全沒有光照時，仍有陽極電流輸出，此電流的直流分量(平均量)稱為暗電流。

暗電流的值與工作電壓和溫度有關(guān)，但是主要取決于光電倍增管材料本身的特性，例如漏電、熱發(fā)射等。暗電流決定了光電倍增管可檢測光通量的閾值。173、光電管、光電倍增管的應(yīng)用在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域，光電管、光電倍增管常用于探測光學(xué)信號。這些探測儀器包括生化儀器、醫(yī)用射線儀器等。光電管：

成本較低，要求直流電壓低，但是靈敏度也低，多用于光信號較強(qiáng)的光學(xué)分析儀器。光電倍增管：

靈敏度高，放大倍數(shù)高，性能穩(wěn)定，因此廣泛用于弱光線的測量，尤其是對各種射線的探測。例如，光電管、光電倍增管在分光光度計中得到應(yīng)用。分光光度計是根據(jù)比爾定律，測定物質(zhì)對不同波長光吸收的大小，進(jìn)而測出物質(zhì)在溶液中的濃度和得到其光譜特性，在生化實(shí)驗分析中是必不可少的儀器。18

從光源發(fā)出的光經(jīng)單色光器色散后變?yōu)閱紊猓藛紊馔高^比色皿內(nèi)的待測溶液，照射到光電管上。

光電管把隨溶液濃度不同而變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，再經(jīng)放大器放大后，由微安表將透光度或吸光度顯示出來。

如測量較弱的光線，可將光電管換成光電倍增管，使測量靈敏度增加。分光光度計的原理框圖19

二、光敏電阻

光照射光敏電阻時，導(dǎo)電性增加，電阻值下降，此時稱為亮阻，不受光照射時電阻為暗阻。暗、亮阻之比，可達(dá)102～106。工作在可見光～紅外區(qū)，弱光下工作靈敏度高于其它器件，頻率特性差，光電特性非線性。光敏電阻利用的是光電導(dǎo)效應(yīng)。20

三、光電池與光敏管

1、光電池特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)象二極管，工作面大，受光面為正極。有源器件，不需外接電壓。頻率特性好，光電轉(zhuǎn)換效率高。光譜范圍寬：0.45~1.1。硒光電池：，人眼視覺靈敏度最大點(diǎn)。21

光電池(photocell)是一種光生伏特效應(yīng)元件，屬于內(nèi)光電效應(yīng)的器件。

當(dāng)它受到光照時不需外加任何形式的能量就會產(chǎn)生電流輸出，其輸出電流與接受的光照有一定的關(guān)系，反映了光照強(qiáng)度的大小。光電池按結(jié)構(gòu)可分為兩類：一是利用PN結(jié)的光生伏特效應(yīng)制成的光電池；常用的有:硅光電池,鍺光電池。另一類是用半導(dǎo)體與金屬接觸產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)制成的光電池；常見的有:硒光電池,氧化亞銅光電池。22

以硅光電池和硒光電池為例，介紹光電池的基本性能。

(1)光譜特性:

硅光電池適用的光波長在0.4～1.2范圍，最大靈敏峰在0.8左右；硒光電池適用的光波長在0.3～0.7范圍，最大靈敏峰在0.5左右。

(2)頻率特性:硅光電池比硒光電池的頻率響應(yīng)高得多，而且負(fù)載電阻越小，頻率響應(yīng)越好，因而需要快速響應(yīng)的場合可采用硅光電池。硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好，因此使用最廣泛。光電池僅與電阻連接，當(dāng)光照增加(減少)時，負(fù)載RL中的電流隨之增加(減少)。23

(3)光電池的伏安特性曲線伏安特性曲線中最佳負(fù)載線為Rj，把光電池特性曲線分成兩個區(qū)。

1）線性區(qū)：RL<Rj，在這個區(qū)域內(nèi)光電流I與光照度E正成正比，基本保持線性關(guān)系。該區(qū)域稱為光電流區(qū)，一般用于線性測量中。

2）對數(shù)區(qū)：RL>Rj，在這個區(qū)域內(nèi)，光電池的輸出電壓與光照度E的對數(shù)成正比，稱為光電壓區(qū)。

光電流與光照度E不存在線性關(guān)系，不能用于光探測電路，即不能用于線性測量中。24

(4)光電池的光電特性

光電池作傳感器時，應(yīng)利用短路電流ISC的線性特性，采用較小的負(fù)載電阻，以滿足近似短路。光電池作電源時，負(fù)載電阻應(yīng)適當(dāng)，使輸出電壓與電流的乘積最大。25

應(yīng)用舉例：光電比色計光電比色計屬于光學(xué)分析儀器，其原理圖如圖所示。

從光源發(fā)出的光束分成左右兩路，其中右邊一路光程中放有標(biāo)準(zhǔn)樣品，左邊一路光程中放有被測溶液。兩路測量裝置采用兩個特性完全相同的光電池完成光電轉(zhuǎn)換，兩光電池的信號經(jīng)輸入放大器放大后送到計算機(jī)進(jìn)行計算處理，然后輸出在表頭上顯示。顯示值正比于被分析樣品的某項指標(biāo)，如顏色、濃度、渾濁度等。262、光敏二極管光敏二極管(photodiode)亦稱光電二極管，是一種半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件，結(jié)構(gòu)與PN結(jié)二極管相似，工作要加反向偏壓。其基本工作原理是當(dāng)光照射半導(dǎo)體的PN結(jié)時，在反向電壓的作用下，其反向電流隨光照度變化而變化，實(shí)現(xiàn)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的功能。無光照時，反向電阻達(dá)4MΩ，有光照時，反向電阻1KΩ~幾百歐。頻率特性好，弱光靈敏度低。光照特性線性好。27

光敏二極管響應(yīng)速度快，體積小，價格低，堅實(shí)耐用，所以目前已得到廣泛的應(yīng)用。光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，由一個PN結(jié)組成，封裝在透明外殼中，引出兩個電極。光敏二極管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。與普通二極管相比，光敏二極管的特點(diǎn)是結(jié)面積較大。28

光敏二極管在無光照時，電路中只有很小的反向漏電流，稱為光敏二極管的暗電流。暗電流主要是由PN結(jié)中少數(shù)載流子運(yùn)動形成。當(dāng)光照射光敏二極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)空間電荷區(qū)產(chǎn)生電子—空穴對，它們在外電場的作用下，與P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子做定向運(yùn)動而形成電流，此時的電流要比無光照時的漏電流大得多。這種因光照而大大增加的反向電流稱為光敏二極管的光電流。光電流隨入射光光照度而做相應(yīng)變化，光照度越強(qiáng)則光電流越大。

使用中，光敏二極管的正極與電源的負(fù)極相連，負(fù)極通過負(fù)載電阻接電源的正極。29

光敏二極管結(jié)構(gòu)和引腳圖如圖所示。

普通的PN結(jié)型光敏二極管的暗電流較大，響應(yīng)速度也不快，在要求響應(yīng)速度快，線性度好和微弱信號檢測的測量系統(tǒng)中常采用雪崩光敏二極管（APD）.30

光敏二極管的伏安特性曲線如圖所示。1）無光照時，光敏二極管的電壓—電流特性與一般二極管一樣，如圖中無光照曲線所示.

2）對光敏二極管施加正向電壓時，正向電流將幾乎隨電壓升高而按指數(shù)規(guī)律上升，如圖中第Ⅰ象限虛線所示。如圖導(dǎo)通的二極管，不可用于光電測量。

3）特性曲線在第Ⅳ象限時，表示光敏二極管呈“發(fā)電”特性，此時光敏二極管在光照下相當(dāng)于光電池的特性。159～16331

4）特性曲線在第Ⅲ象限時，光敏二極管反向偏置，反向電流隨入射光光照度的增強(qiáng)而增大，在一定的反向電壓范圍內(nèi)，反向電流的大小幾乎與反向電壓的高低無關(guān)，但是與光照度成正比例。這正是光敏二極管用作光電探測器時的工作區(qū)域。正確使用:

對光敏二極管加反向電壓，工作在第III象限。選擇合適的工作點(diǎn)(I0，U0)和輸出的負(fù)載RL，如圖所示，保證光敏二極管工作在線性區(qū)。負(fù)載電阻過大和過小都會使光敏二極管偏離線性工作區(qū)。在入射光光照度一定的條件下，反向偏置的光敏二極管相當(dāng)于一個恒流源159～16332

光敏二極管的測量電路圖3所示

光敏二極管加反向電壓，選擇合適的負(fù)載電阻使其工作在線性區(qū)，光電流在負(fù)載電阻RL上產(chǎn)生成比例的電壓，對于交流信號采用電容耦合后接交流放大器。(a)和(b)中輸出信號電壓與負(fù)載RL的信號電壓成正比。若輸入光信號是正脈沖，(a)接法在RL上也得到正脈沖電壓；而在(b)接法在RL上得到負(fù)脈沖電壓。

(c)用于直流信號的測量，電路由于不受電容影響，適合于高頻脈沖狀態(tài)。33

3、光敏晶體管(光電三極管)

光敏晶體管(phototransistor)也是一種半導(dǎo)體光電轉(zhuǎn)換器件，兼有晶體管的放大特點(diǎn)，光敏感性比光敏二極管更好。光敏晶體管由兩個PN結(jié)組成，有NPN型，也有PNP型，其中以NPN型為常見。與普通晶體管相比，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)上，光敏晶體管的集電結(jié)面積較大，發(fā)射結(jié)面積較小，目的是擴(kuò)大光照面積；在外形上多數(shù)只有集電極c、發(fā)射極e引線，基極b作為光敏感極無引線接出。光照射發(fā)射結(jié)產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于基極電流，集電極電流是光電流的倍?；鶚O與集電極之間相當(dāng)于反向偏置的光敏二極管；光敏晶體管的頂部有受光窗口和透鏡，以便接受光的照射。34光敏晶體管的靈敏度比二極管要高；暗電流和噪聲較大的，穩(wěn)定性比光電二極管差；

響應(yīng)速度慢于光敏二極管。

光敏晶體管的輸出特性如圖所示。常見的光敏晶體管有硅光敏晶體管和鍺光敏晶體管。

硅光敏晶體管穩(wěn)定性較好，最高使用溫度為125℃左右。鍺光敏晶體管一般暗電流較大，最高使用溫度約50℃

。35光電二極管與光電三極管外殼形狀基本相同，其判定方法:遮住窗口，用萬用表R*1K擋，測兩管腳引線間正、反向電阻；

均為無窮大的為光電三極管。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。

光電二極管與光電三極管的判別36光敏三極管的基本應(yīng)用電路

(a)電流控制電路(b)電壓控制電路37光敏器件的主要特性曲線38各種光電元件，峰值波長相差較大，應(yīng)選用與之匹配的光源。39404、雪崩二極管（APD）在PN結(jié)的P型區(qū)再設(shè)置一層摻雜濃度很高的P+層，工作電壓接近擊穿的反向偏壓，光子激發(fā)的電子在P+區(qū)受強(qiáng)大的內(nèi)部電場作用，加速轟向P區(qū)。通過反向電壓擊穿，引起電流增益，類似光電倍增管的工作原理，功率比一般二極管大104倍，工作電壓比光電倍增管低。（約幾百伏）一個入射光子激發(fā)出一個電子，通過碰撞電離產(chǎn)生更多的二次電子空穴對，頻響100GHz以上，靈敏度極高，。41四、半導(dǎo)體位置傳感器（PSD）PSD(PositionSensitiveDetector)

基于側(cè)向光電效應(yīng)，A、B間產(chǎn)生的側(cè)向光電勢的大小、方向與光斑相對靈敏面中心位置有關(guān)?？蓪⒐饷裘嫔系墓恻c(diǎn)位置轉(zhuǎn)化為電信號。當(dāng)一束光射到PSD的光敏面上時，在同一面上的不同電極之間將會有電流流過，這種電壓或電流隨著光點(diǎn)位置變化而變化的現(xiàn)象就是半導(dǎo)體的橫向光電效應(yīng)。利用PSD的pn結(jié)上的橫向光電效應(yīng)，可以檢測入射光點(diǎn)的照射位置。它不像傳統(tǒng)的硅光電探測器只能作為光電轉(zhuǎn)換、光電耦合、光接收和光強(qiáng)測量等方面的應(yīng)用；能直接用來測量位置、距離、高度、角度和運(yùn)動軌跡等。42PSD的結(jié)構(gòu)和工作原理：

由三層構(gòu)成，最上層是P層，下層是N層，中間是較厚的高阻Ⅰ層，形成P-I-N結(jié)構(gòu)，當(dāng)PSD表面受到光照射時，在光斑位置處產(chǎn)生比例于光能量的電子—空穴對,流過P層電阻，分別從兩個電極上輸出光電流I1和I2。由于P層電阻是均勻的，電極輸出的光電流反比于入射光斑位置到電極間的距離，光電流I1和I2用下面兩種方式表示：(1)當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD中心時：I1=I0(L－XA)/2L，I2=I0(L＋XA)/2L(2)當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD一端時：I1=I0(2L-XB)/2L，I2=I0XB/2L43由上式可知I1、I2是光能量(I0)與位置的函數(shù)，實(shí)際應(yīng)用中，由于光源光功率的波動及光源與PSD間距離的變化，I0并不是一個恒定值，為了消除I0的影響，通常把輸出電流的差與和相除作為位置檢測信號，即:當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD中心時：

當(dāng)坐標(biāo)原點(diǎn)選在PSD一端時：

只要檢測出I1和I2的大小，即可以算出光點(diǎn)所在的位置。44

五、CCD固態(tài)圖像傳感器

CCD固態(tài)圖像傳感器—集光電轉(zhuǎn)換，電荷存貯，電荷轉(zhuǎn)移為一體。光信號→CCD（電荷耦合器件）→①一個脈沖反映1個光敏元受光情況電脈沖信號②幅度—受光強(qiáng)弱③順序—光能元位置光生電荷與入射光成正比。常用線陣CCD、面陣CCD器件、攝像頭。45TCD1703的驅(qū)動時序

轉(zhuǎn)移脈沖SH、驅(qū)動脈沖

Φ1E,Φ1O,Φ2E,Φ2O,Φ2B、復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP等。46TCD1703的驅(qū)動時序

CCD傳感器必需在一組時序脈沖的驅(qū)動下才能正常工作。

TCD1703的時序脈沖共有：

轉(zhuǎn)移脈沖SH，復(fù)位脈沖RS和鉗位脈沖CP

驅(qū)動脈沖Φ1E,Φ1O,Φ2E,Φ2O,Φ2B等。

各路脈沖的時序關(guān)系如圖所示，兩個SH脈沖之間的時間即為一個積分周期。

Φ1E,Φ1O的時序相同，Φ2E,Φ2O,Φ2B的時序相同，

且與Φ1E,Φ1O的時序相反。

所以，只需把握SH、Φ1、RS、CP之間的時序關(guān)系即可。

總共12路驅(qū)動脈沖信號，只需產(chǎn)生SH,Φ1，RS這3路脈沖。

將Φ1反向后可得到Φ2和Φ2B；

將RS經(jīng)過一個觸發(fā)器延時可得到CP。477.2.2光電傳感器的計算一、光通量的計算單色點(diǎn)光源的輻射光通量：

—波長為的光源的發(fā)光強(qiáng)度?！咔蛎婷娣e整個球面立體度：光學(xué)元件（透鏡）對點(diǎn)光源所張的立體角，接收的光通量。

A—光學(xué)元件面積R—光源與光學(xué)元件之間的距離∴若考慮光學(xué)元件的吸收和反射損耗：

—反射系數(shù)—光譜透射比l—光學(xué)元件內(nèi)路徑長k—吸收系數(shù)

48

二、光電流的計算單色光源：—光譜靈敏度非單色光源：三、電路分析計算按晶體管電路理論分析計算輸入光通量或光照度E代替晶體管輸入電流Ib，以靈敏度代替晶體管電流放大倍數(shù)。49

減小暗電流（噪聲電流—隨溫度升高而增大）的措施。(如圖)1、橋式補(bǔ)償電路：二個相同的光電元件，一個接收信號，一個在暗盒中。2、負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻：T↑，I暗↑，RT↓，Ub基本穩(wěn)定。3、光電三極管有基極引線，基射之間接入Rb，Ube↓,趨于穩(wěn)定4、二極管電壓負(fù)溫度特性：T↑，I暗↑，URb↑，但UD2↓，∴Ub基本不變。507.2.3光電傳感器的類型一、基本類型（如下頁圖所示）1、透射式：由測→吸收→被測量2、反射式：由測=反射→被測量3、輻射式：光源=被測對象，測→被測量4、遮擋式：5、開關(guān)式51

二、雙光路光電傳感器目的：減少電源波動，光路干擾等引起的測量誤差。工作原理：初始時，調(diào)整光楔6→改變→兩個光電元件輸出相等→電橋平衡測量中：外界干擾→兩光路同時變化→在電橋中抵消52機(jī)械光電鼠標(biāo):利用LED與光敏晶體管來測量位移機(jī)械光電鼠標(biāo):利用LED與光敏晶體管來測量位移54§8—6光電傳感器在生物醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用一、光電式脈博波檢測

1、光電式脈博波傳感器原理:利用近紅外單色光在一般組織中的穿透性比血液中大幾十倍的現(xiàn)象，被測部位的透光率隨血管博動而變化。用光電信號測量脈搏容積變化。血管內(nèi)血容量變化,使組織對光吸收量發(fā)生變化，利用光電傳感器可測血液脈動基本參數(shù)情況（包括頻率，幅度，形狀改變）。

552、光電脈博波測量血壓當(dāng)P袖>P動脈，動脈被阻斷，脈博波消失→最高血壓(收縮壓）脈博振幅最大點(diǎn)P袖=P動脈→平均血壓光源→手指（透射法）→當(dāng)V血管容積變化→V吸光物質(zhì)變化→

透射變化56Geddes固定比率法由脈搏波包絡(luò)線特征點(diǎn)獲取血壓值。包絡(luò)線頂點(diǎn)Om對應(yīng)袖帶壓Pm，即平均壓；包絡(luò)線上升沿一點(diǎn)Os對應(yīng)袖帶壓Ps，即收縮壓；包絡(luò)線下降沿一點(diǎn)Od對應(yīng)袖帶壓Pd，即舒張壓。Os和Od的大小可由經(jīng)驗公式求得：Os/Om=0.55，取值范圍：0.45~0.57Od/Om=0.82，取值范圍：0.69~0.8957

二、生物化學(xué)光譜分析儀測量原理可見光分光光度計、紫外光分光光度計、紅外光、熒光分光光度計（框圖）。測量原理：不同物質(zhì)吸收光波長不同，物質(zhì)本身具有自己的吸收光譜。測出吸收光譜曲線，就可以對物質(zhì)進(jìn)行定位、定量分析。吸收曲線與物質(zhì)濃度成正比。

朗伯-比爾定律：

I—透射光強(qiáng)度C——溶液濃度

I0—入射光強(qiáng)度

L——溶液厚度

K——消光系數(shù)（吸收系數(shù)）58

當(dāng)I0、K、L不變時，濃度C越大，I越小，光被吸收越多。要滿足使用條件，溶液濃度太大，比爾定律不成立。朗伯定律：A∝L

比爾定律：A∝CA—光的吸收程度（吸光度）單色器可由濾光片、棱鏡、光柵等得到波長的單色光。棱鏡色散——波長越短，色散程度越好。紫外區(qū)分辨率可達(dá)

0.2nm，長波段只能達(dá)5nm。衍射光柵——較長的光波偏折角大，較短的光波偏折的角度小，因而形成光譜。棱鏡色散后起分光作用，只允許待測溶液所能吸收的單色光射出。

59光的吸收曲線：吸收系數(shù)k不僅與物質(zhì)的種類有關(guān),而且還與入射光的波長有關(guān)。正確選擇入射光的波長對于測量十分重要?？梢姽夥止夤舛扔嬒到y(tǒng)框圖

60基于ARM的測量系統(tǒng)總體框圖光學(xué)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集模塊微處理器模塊人機(jī)交互模塊通訊接口模塊6162基于ARM的測量系統(tǒng)電路板圖63測量軟件界面

64比較法求濃度C實(shí)際測量溶液的濃度常采用比較法或者比色法，用兩個同樣比色杯，厚度L相等和透明度均相等。

一個盛待測溶液,另一個盛濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)溶液,由于兩者為同品種溶液,用同一波長測量時吸收系數(shù)k相等。

分別測量兩者的吸光度值A(chǔ),其大小與濃度的關(guān)系為：65待測溶液：標(biāo)準(zhǔn)溶液：兩式相比較有：A0，C0是己知的值,所以測出吸光度A，可求出待測的濃度C。66

三、光電法測