任務2 測量小型光電傳感器
1.2.1 相關知識
1. 外光電效應器件
外光電效應器件一般都是真空或充氣的光電器件，由光電管和光電倍增管。
1）光電管
光電管由真空和充氣光電管兩類，兩者的結構相似。光電管結構示意圖如圖1-5所示，由一個陰極和一個陽極構成，并密封在一只玻璃管內。陰極涂有光電發射材料，裝在玻璃管內壁上；陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。在陽極和陰極間施加電壓（數十伏），當有滿足波長條件的光照射陰極時，就會有電子發射，在兩極間及外電路中形成電流。
為了獲得高靈敏度的光電管，在真空光電管中充入低壓惰性氣體，即充氣光電管。充氣光電管中的光電子向陽極加速運動過程中，撞擊惰性氣體，使其電離成正、負離子，正離子向陰極運動，負離子向陽極運動，運動過程中再度加速，并撞擊其他惰性氣體電離。因而在同樣的光通量照射下，充氣光電管的光電流比真空光電管大，靈敏度也更高。光電流IΦ正比于光電子數，而光電子數又正比于光通量。光電管電路符號及測量電路如圖1-6所示。
圖1-5 光電管結構示意圖
1—陽極A；2—陰極K；3—玻璃外殼
4—管座；5—電極引腳；6—定位銷
圖1-6 光電管電路符號及測量電路
2）光電倍增管
光電倍增管有放大電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。圖1-7所示是光電倍增管結構及工作原理示意圖。
從圖1-7中可以看到光電倍增管也有一個陰極K、一個陽極A。與光電管不同的是，在它的陰極和陽極間設置許多二次發射電極D1、D2、D3……它們又稱為第一倍增極、第二倍增極、第三倍增極……相鄰電極間通常加上100V左右的電壓，其電位逐級升高，陰極電位最低，陽極電位最高，兩者之差一般在600~1200V。
圖1-7 光電倍增管結構及工作原理示意圖
當微光照射陰極K時，從陰極K上逸出的光電子被第一倍增管D1所加速，以很高的速度轟擊D1，入射光電子的能量傳遞給D1表面的電子，使它們由D1表面逸出，這些電子稱為二次電子，一個入射光電子可以產生多個二次電子。D1發射出來的二次電子被D1、D2間的電場加速，射向D2，并再次產生二次電子發射，得到更多的二次電子。這樣逐級前進，一直到最后達到陽極A為止。若每級的二次電子發射倍增管為δ，共有n級（通常n為9~11），則光電倍增管陽極得到的光電流比普通光電管大δn倍，因此光電倍增管靈敏度極高，其光電特性基本上是一條直線。
2. 小型光電開關
松下CX-441型光電傳感器是一種小型光電傳感器，其外形照片如圖1-8所示。小型光電傳感器是利用光的各種性質，檢測物體的有無和表面狀態的變化等的傳感器。松下CX-441型光電傳感器主要由發光的投光部和接受光線的受光部構成。如果投射的光線因檢測物體不同而被遮掩或反射，到達受光部的量將會發生變化。松下CX-441型光電傳感器的受光部將檢測出這種變化，并轉換為電氣信號，進行輸出，其產品結構圖如圖1-9所示，其參數表如表1-5所示。
圖1-8 松下CX-441實物照片圖
圖1-9 松下CX-441外形示意圖
表1-5 松下CX-441光電開關參數表
1.2.2 任務描述
在公共場所，經常需要打開水龍頭洗手，水龍頭上的細菌會比較多。因此本任務主要設計一款無接觸式自動水龍頭，即可起到節約用水的作用，還可以避免人群中細菌的交叉傳播。
1.2.3 任務分析
無接觸式自動水龍頭采用松下CX-441光電開關作用檢測元件，其電路如圖1-10所示。
圖1-10 紅外線自動水龍頭電路圖
圖1-10中的LM567為音調解碼器，其振蕩信號的頻率f由5、6腳外接的R2、C1確定。
（1-1）
紅外線自動水龍頭電路工作原理如下：
LM567所產生的振蕩信號由5腳輸出，經運算放大器A1和VT1放大，驅動紅外發光二極管VL1發光向外發射。紅外光線經人手反射，由紅外光電二極管VD2接收，經運算放大器A2放大后，由3腳輸入到LM567音調解碼器中。音調解碼器把輸入信號與內部振蕩信號進行比較，若兩者頻率相等，則8腳輸出低電平。晶體管VT2飽和導通，集電極變為高電平，從而使得晶閘管BT139導通，接通電磁閥RL的電源，導致電磁閥處于打開狀態，從而放出水來。
若沒有人手的反射，則紅外光電二極管VD2沒有接收到信號，LM567音調解碼器3腳沒有輸入信號，8腳輸出就為高電平。VT2截止，集電極變為低電平，晶閘管不導通，電磁閥關閉，沒有水流出來。
圖中運算放大器A1和A2采用LM324芯片，VL1和VD2采用松下光電開關CX-441。本任務所使用到的實訓器材清單如表1-6所示。
表1-6 實訓器材清單表
1.2.4 任務實施
（1）按圖1-10所示接好電路。
（2）接通電源，用手演示遮擋和無遮擋，檢查水龍頭是否能夠正常工作。
1.2.5 任務表單
填寫任務表單（見表1-7），查找相關資料，制定任務設計方案和實施方案，填寫實施過程和檢查評價結果。
表1-7 任務表單
1.2.6 考核標準
根據考核標準（見表1-8）對本任務實施進行綜合評價，并進行任務總結，指導教師給出評價意見及評分。
表1-8 考核標準
