中北大学《光电子学原理》火警光电探测系统设计

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1、中北大学《光电探测技术》选修课课程考查设计题目：火警光电探测系统设计姓名：范宇聪班级：13060241学号：32邮箱：1239164919@qq.com中北大学仪器与电子学院一、设计目的和要求：1、目的：1）进一步加强对所学常见光源、光电器件、探测原理和光电转换电路的理解及其在应用中的选择；2）通过调研掌握工业生产中实际使用的光电、热电检测器件、光源器件的原理和分类，可根据实际检测需要选型；3）通过本设计培养学生分析问题和设计光电探测系统的能力2、要求：1）、设计一个光电探测系统（自己任选，如火警、照相机、位置传感、米粒分拣系统等），题目自拟，如xxxxx光电探测系统设

2、计。2）、画出测量原理图，选定测试用光源、光敏元器件、信号处理电路，并详细阐述。二、探测原理介绍：在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在火灾发生时，当烟雾进入检测室时，由于烟雾粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫反射，这种漫反射被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了将烟雾先好转变为电信号的功能，探测器发出报警信号。原理示意图如图2-1。图2-1三、元器件选择：电阻；电容；二极管；稳压二极管；三极管（NPN/PNP型）；CMOS时基电路7555；红外发光管。四、系统电路设计：1.倒相电路按国际标定，探测器输入24

3、V直流电压。桥式倒相电路的优点在于接入电源时不必区分正负端，可以随意接入电源的两根线，而输出是有确定极性的+E电压，给施工安装带来很大的方便。电路如图4-1所示。图4-12.稳压、限流电路上电后，Q1、Q2均处于导通状态，形成I4电流对C2充电。由于R1和R2阻值的选择使I4电流较小，C2取值又较大，所以B点电位缓慢上升。此时，Z1处于不稳压状态，I2很小。由于Q2导通，A点电位随B点电位上升而上升。当A点电位上升到Z1管的稳压值附近时，Z1管的动态电阻增大，I2电流突然增大。在这瞬间，I1电流基本稳定，这样I3电流相应减小，Q1、Q2相继截止，C2开始放电。经过一段时

4、间后，B点电位下降，当B点电位降到一定值时，Q1、Q2又重新导通，I3逐渐增大，I2减小，使Z1管又处于不稳压状态。   如此周而复始，Z1管间隙工作在稳压点附近。B点电位虽略有起伏，但还是较为稳定。如图4-2-1所示。B点电压波形见图4-2-2。图4-2-1图4-2-23.振荡电路由NPN型Q3管，PNP型Q4管与阻容反馈支路C3、R4构成一个无稳态振荡电路。当B点电位达到某一值时，通过偏置电阻R3使Q3导通，从而在R4上建立偏置电压，高速开关管Q4迅速导通，C点电位升高。从C点流出I5、I6电流，I6用于驱动接收放大电路，I5则通过阻容正反馈回路C3、R4流入Q3的

5、基极，巩固Q3的导通。   当C3充电到一定值时，将D点电位下拉，Q3截止，Q4也相应截止。当B点电位又上升到某一值时，Q3、Q4继续导通，形成一个无稳态振荡电路。如图4-3-1所示。C点电压波形如图4-3-2所示。图4-3-1图4-3-2从图中可以看出,在3 s低电平期间，电容C2在存储能量，只在100 μs内释放能量，从而实现了探测器在正常监视状态下平均工作电流为100 μA，呈高阻状态。4.接收放大电路电路如图4-4所示。图4-4从图4-4中看出光电转换是由红外接收管PE完成。PE与红外发光管LED相匹配，波长均为900 nm。PE由B点供电，一直处于导通状态。L

6、ED由F点脉冲供电，所以为间断的。当有烟雾时，PE应该接收到LED的发光信号。对LED采用脉冲供电方式，除省电外，还有抗瞬间尖峰脉冲干扰的作用。   光电管PE接收到信号后送运放A1(3140)的同相端，A1在此作比较器用，A1的反相端接的R10与可调电阻R11，可以根据探测器所需的不同灵敏度调节P点电位。A1输出电压UH直接送抗干扰电路。运放A1的电源也是由F点供给脉冲电压，平均耗电极少，这就是为何μA级电流能驱动工作电流为mA级的器件的原因所在。5.报警接口电路在抗干扰电路未输出正脉冲的火警信号时，可控硅的控制端为低电平，可控硅不导通。当正脉冲到来时，可控硅的控制端

7、为正脉冲触发，可控硅导通，Z3稳压管开始工作，电压E被稳定在7～8 V左右，报警电流增至几十mA，探测器呈低阻状态，符合技术条件的要求。   另外，Z4、R17组成的抗干扰电路，这样,低于火警信号电压幅值的干扰信号就不能使可控硅触发。如图4-5所示。图4-5五、系统电路工作过程详细介绍：总电路图如图5所示。图51.在正常情况下，受光器件是接收不到发光器件发出的光的，因而不产生光电流。在火灾发生时，当烟雾进入检测室时，由于烟粒子的作用，使发光器件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光器件接收，使受光器件的阻抗发生变化，产生光电流，从而实现了将烟