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I_Φ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R₂、C₁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R_L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