光电检测实验讲义 (新) 王孟禄 张忠锁(1)

光电检测技术实验讲义

王孟禄 张忠锁

河南大学物理与电子学院测控工程系

2012年1月

目 录

实验一 光敏电阻特性测试及分析 ........................3 实验二 光敏二极管、光敏三极管特性测试 .................7 实验三 红外光电报警系统设计 ........................10 实验四 光纤温度传感器实验 ........................15 实验五 光纤压力传感器实验 ............................18 实验六 红外遥控系统设计 ............................21 实验七 光纤位移实验 ...............................25 实验八 热释电传感器实验 ..........................28 实验九 光电技术创新实验(选作) .................（见资料）

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实验一 光敏电阻特性测试及分析

一、实验目的

1、了解光敏电阻的基本特性和基本应用；

2、掌握光敏电阻的工作原理及特性测试的方法。

二、实验内容

1、光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻； 2、光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流； 3、光敏电阻的光谱特性； 4、伏安特性； 5、光电特性； 6、温度特性。

三、实验原理

在光照作用下，能使物体的的电导率改变的现象称为光电导效应。光敏电阻是利用半导体的光电导效应制成，其电阻值随入射光的强弱而改变。

半导体的导电能力取决于半导体导带内载流子数目的多少。当光敏电阻受到光照时，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，半导体中的载流子数目增加，电导率增加使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。

1.光敏电阻的结构与接线图：如下图所示。

2.光敏电阻的主要参数

（1） 暗电阻:光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 （2）亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。 （4）光谱范围、峰值波长和时间常量等。 3、光敏电阻的种类

根据光敏电阻的光谱特性，制作光敏电阻的材料不同，可分为三种光敏电阻器：

（1）紫外光敏电阻器：对紫外线较灵敏，包括硫化镉、硒化镉光敏电阻器等，用于探测紫外线。 （2）红外光敏电阻器：主要有硫化铅、碲化铅、硒化铅、锑化铟等光敏电阻器，广泛用于导弹制导、天文探测、非接触测量、人体病变探测、红外光谱，红外通信等国防、科学研究和工农业生产中。

（3）可见光光敏电阻器：包括硒、硫化镉、硒化镉、碲化镉、砷化镓、硅、锗、硫化锌光敏电阻器等。主要用于各种光电控制系统，如光电自动开关门户，航标灯、路灯和其他照明系统的自动亮灭，自动给水和自动停水装置，机械上的自动保护装置和“位置检测器”，极薄零件的厚度检测

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器，照相机自动曝光装置，光电计数器，烟雾报警器，光电跟踪系统等方面。

4、光敏电阻的基本特性

（1）伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图46-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其曲线为直线。

（2）光电特性：光敏电阻的光照特性是描述光电流和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图46-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。

（3）光谱特性：光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。图46-4 为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。

光电流（或电压）与入射单色光辐射能量之比称为光谱响应率，不同波长的的光谱响应率连接起来，即为光谱响应曲线，将光谱响应函数最大值归一化为1，得到相对光谱响应曲线，即相对灵敏度与波长的关系曲线——光谱特性曲线。

（4）频率特性：实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。 大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数(毫秒数量级)， 因而它们的频率特性也就各不相同。 图46-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性。

（5）温度特性：光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图46-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。

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四、实验仪器

实验板、稳压电源、万用表、光敏电阻、各种光源。

五、实验步骤

1、测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻。

用遮光罩将光敏电阻完全遮盖，用万用表测得的电阻值为暗电阻；移开遮光罩，在环境光照下测得的电阻值为亮电阻；暗电阻与亮电阻之差为光电阻。光电阻越大，则灵敏度越高。数据计入表1。

2、测试光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流。

按照图1接线，电源可选用10V，RL为1.9k?，分别在暗光和正常环境光照下测出I暗、I亮，或测出RL端电压U暗和U亮 ，则暗电流I暗 = U暗

RL ，亮电流

I亮 = U亮 RL 。亮电流与暗电流

之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。数据计入表1。

图1 光敏电阻的测量电路 图2发光二极管电路

表1 光敏电阻 型号

3、光敏电阻的光谱特性

当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。

更改发光光源，用高亮度LED（红、黄、绿、蓝、白）作为光源，一般发光二极管通过的最大电流为20～30mA。发光二极管驱动电路如图2连接为：+12V—680?—LED+ — LED- —地。

暗电阻 （M?） 亮电阻 （k?） 光电阻 （?） 暗电流 (mA) 亮电流 (mA) 光电流 (mA) - 5 -

R2VCCDAR16278NE555435VO1C1 图2 NE555定时器构成多谐振荡器

NE555集成电路用它构成占空比为50%的多谐振荡器原理图如图2所示。下面对照电路图简述其工作原理及参数选择。

在前半周期，VCC通过R2、D对C1充电，由于二极管D的作用，电流不经过R1，因此其充电时间T1为：

1Vcc3=RCln2 T1=R2C1ln212Vcc-Vcc3Vcc-而在后半周期，电容放电时，二极管反向电阻无穷大，555内部的三极导通，电流通过R1至7脚直接放电，此时其放电时间T2为：

1Vcc3=RCln2 T2=RC11ln112Vcc-Vcc3当A点电压上升到上限阈值电压（约2VCC）时，定时器输出翻转成低电平。这时，A点电压

3Vcc-将随C1放电而按指数规律下降。当A点下降到下限阈值电压（约23VC）时，定时器输出又变成高电平，调整R1、R2的电阻值得到严格的方波输出。当R1=R2时，输出为方波信号。其输出频率为：

f=11 =T1+T22RCln211参考值：R1 = 5.6K? R2 = 5.6K? C1 =0.1μF

44f?21R.1C1?1.3KHZ

用NE555组成振荡器来作红外发射信号时，由于红外发光管BT401的工作电流在30mA以上，因

此要加一个三极管驱动电路。使输出电流大于或等于红外发光管的最小工作电流IF。其驱动电路的参考电路图如下图3。

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VCC39红外发射二极管1K

图3 红外发光二极管驱动电

（2）信号放大、检波、比较（判决）参考电路原理

电路如图4所示，先用OP07CP(运算放大器)构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的电流信号放大。再用

12LF353构成一个比较器，放大器的正端加2V左右偏压，负端加信号电压。当光线

未被阻断时，从放大器来的交流信号经二极管检波电路，再经R9C2低通滤波器后得到直流电压，使后面的放大器负输入端电位大于或等于正输入端电位。则放大器输出电压为负电压，LED截止，报警器不发声；当光线被阻断时，信号消失，放大器只有正端加正电压，输出为正电压，LED发光，报警器发声，以示报警。电阻R8是LED的限流电阻。

在检波电路部分,C1为隔直电容,滤除电路或环境所带来的直流成分,也可以通过提高判决电平的高低来滤除直流成分的干扰。 参数值：

R1：1KΩ R2：1KΩ R3：100KΩ R4：100KΩ R5：1KΩ W1：10KΩ C1：0.1uF C2：1uF

?VR1312R2?VR3光敏二极管C1D1R5+5V?V6?81LF35327R85R4C2R9W1?4?VLED接收放大检波判决报警

图4 报警用参考电路

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（3）报警保持电路

阻断发射系统和接收系统的红外光束时，比较器的输出变为高电平，而当发射系统和接收系统的红外光恢复时，输出又变为低电平；如果用手晃过，阻断的时间非常短，要让报警系统持续报警，就应在比较器的输出加上报警保持电路。74HC74为双D触发器，是上跳沿触发的边沿触发器，带有预置、清零输入。当红外线阻断结束，D触发器输出仍保持高电平，系统持续报警，直至清零。

2、注意事项

1、实验过程中，未经指导老师的许可，请勿随意拆开光通路组件，以免损坏光学器件。 2、实验过程中，请勿带电连线，以免烧坏电子元器件。

3、红外发射二极管组件及光敏二极管的结构组件中，P、N极分别与红和黑的接插件相连。 4、报警保持电路中的声音报警使用的是扬声器发声，发光报警是使用发光二极管发光，二者电路上是独立的，可并联使用。在实验调试过程中，建议使用发光报警模式，以免实验过程中影响其他人实验。

四、实验步骤

1、红外发光二极管驱动电流测试实验

（1）安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）将光源调制单元的T1（LED+）和电流表的“+”极相连，将电流表的“-”极与光发射器件的P极相连，光源调制单元的T2（LED-）与光发射器件的N极相连。光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连。（注：C9，C15，C13的电容值分别为473(0.047uF)，103(0.01uF)，472(0.0047uF)）

（3）打开电源开关，再打开直流开关，发光二极管D4、D5亮。用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为1：1的方波信号。

（4）读出电流表的读数，即为此时红外发光二极管的驱动电流。

（5）将光源调制单元J2 上的短路块分别与103和472相连，用同样的方法测试出相应的红外发光二极管的驱动电流。并进行比较。

电容选择 驱动电流（mA） 473 103 472

（6）实验完成，关闭直流开关与电源开关，将短路块与473电容相连，拆除各导线。 （结论：改变驱动频率时，发光二极管的驱动电流也随之改变）

2、信号检波设计光电报警系统实验

（1）安装好光发射装置和光接收装置：并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。 （2）连接LED、PD：将光源调制单元的T1（LED+）和T2（LED-）分别与光发射单元的P极和N极相连，光接收单元的P极和N极分别与T3（PD+）和T4（PD-）。光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连。

（3）连接整流、滤波、比较电路：按如图5所示的电路图连接电路，在设计模块中取不同的电

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阻、电容值，使用连接导线连接出电路。图中C2为滤波电容，通过D1整流，C2滤波后得直流信号，R6和R7组成比较电平，当滤波所得到直流信号高于比较电平时，输出为高电平。

（4）连接放大输出T5到下图中的接入端，输出端接入报警保持的输入端T10，T11接入报警保持电路T50。

（5）打开电源开关，再打开直流开关，发光二极管D4、D5亮，用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为1：1的方波信号。

C2=1uF R9=100KΩ R6=5.1KΩ R7=2.2KΩ

图5 光电报警电路简易设计图

（6）测量比较器LF353同相端电压,调节放大电路增益（电位器调节），使LF353反相端电压略高于同相端,此时发光二极管不发光，分析原因。

（7）用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块的发光二极管会亮，按下报警保持模块的轻触开关，发光二极管会熄灭。若实验不成功，检查各部分的连线情况重新实验。

（8）声音报警：关闭直流电源，将T50与T52相连。打开直流开关，用手或其它物体阻断光发射与光接收之间的警戒线时，报警电路模块会同时发光报警和声音报警，光电报警设计完成。

（9）实验完成，关闭直流电源和交流电源，拆除各导线。

3、自拟红外报警系统实验（选作）

自拟一套红外报警系统原理图，将所设计的原理图以及元器件的参数记录如下，并用实验证明之。

五、思考题

1、为了提高作用距离，光源调制频率和占空比如何取值？

2、当拦截光束的目标运动较快或较慢，电路参数应如何考虑才能保证正常报警。

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实验四 光纤温度传感

一、实验目的

1、了解并掌握传导型光纤温度传感器工作原理及其应

二、实验内容

1、传导型光纤温度传感光学系统组装调试实验 2、发光二极管驱动及探测器接收实验 3、传导型光纤温度传感器测温度原理实验

三、实验仪器

1、光纤温度传感器实验仪 1台 2、集成温度传感器 1个 3、光纤 1根

四、实验原理(电路图见P32)

1、光纤传感器

光纤传感器分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器; 另一类是非功能型（传输型）传感器。

功能型光纤传感器：是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化, 再通过对被调制过的信号进行解调, 从而得出被测信号。光纤既是敏感元件又传输光信息。多采用多模光纤，优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高。典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

传输型光纤传感器：是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质，仅起导光作用，常采用单模光纤。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术；比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是传输型的光纤传感器。

在传输型光纤温度传感器中，光纤本身作为信号的传输线，利用温度－电－光－光－电的转换来实现温度的测量。主要应用在恶劣环境中，用光纤代替普通电缆传送信号，可以大大提高温度测量系统的抗干扰能力，提高测量精度。 2、集成温度传感器

集成温度传感器将温敏晶体管与相应的辅助电路集成在同一芯片上，它能直接给出正比于绝对温度的理想线性输出，一般用于—50℃～+150℃之间测量，温敏晶体管是利用管子的集电极电流恒定时，晶体管的基极—发射极电压与温度成线性关系。为克服温敏晶体管电压产生的离散性，采用了特殊的差分电路。集成温度传感器有电压型和电流型两种，电流型集成温度传感器在一定温度下相当于一个恒流源。因此它具有不易受接触电阻、引线电阻、电压噪声的干扰，具有良好的线性特性。本实验采用的是国产的AD590。它只需要一种电源（+4V～+30V）。即可实现温度到电流的线性变换，然后在终端使用一只取样电阻即可实现电流到电压的转换。它使用方便且电流型比电压型的测量精度更高。

3、白色发光二极管及其驱动

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发光机理：单芯片白色LED是一种含InGaN活性层的CaN发光二极管,它主要有两种发光机理：一种是结合蓝色LED和黄磷,通过蓝光和磷发射的黄光的混合产生白光;另一种是通过紫外光LED和红、蓝、绿磷的组合产生白光。

特性：白色LED的主要特性有：正向压降为3．5 V;发光效率大于20lm／W,优于白炽灯泡,次于荧光灯

驱动：驱动白色LED需要一个恒流源,电流一般为15mA～20mA。LED的亮度依赖于其正向电流。 4、温控器

温控器是调控一体化智能温度控制仪表，采用先进单片微机作主机，控制方式采用模糊理论和传统PID控制相结合的控制方式进行控制，使控制过程具有响应快、超调小、稳态精度高等优点。本仪表已广泛应用于机械、化工、陶瓷、轻工、冶金、石化、热处理等行业的温度。

调节：SV—设置温度，PV—实际温度。

5、光纤温度传感器装置系统框图

温度传温度信驱动发温度源 感器 号处理 光二极 实际温光纤传输 度显示

测量温探测信探测器

度显示 号处理 接收

图1 光纤温度传感原理

电路说明：

集成温度传感器测量电路：温度传感器与R2组成，检测输出信号为R2两端电压u2 稳压电路：R1、Z组成，经WTI调节输出电压为u1 差动运算放大电路：UO 电压跟随器： 驱动电路：

同相输入运算放大：UO

RWT2 =

R3( u2 - u1) , WTI改变运算放大器输入电压大小，WT2改变Au

RW量程 )u ,W=( 1+

R12i

量程

调节Au ，W零点 调节：当输入电压为零时（遮盖光

电二极管接收孔），输出为零。运算放大器的输入端都要求对称工作，但实际的运算放大器输入级差分放大器的对管不会完全对称，一般当Ui=0时，Uo?0(零点漂移)。为使输出电压为零，需在输入端加补偿电压，用调零电位器调节，即在放大电路中进行调零。

五、注意事项

1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。

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2、光纤传感器弯曲半径不得小于3cm，以免折断。

3、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。

六、实验步骤

1、传导型光纤温度传感光学系统组装调试实验

1、集成温度传感器插入主机箱面板上散热块，连线按照颜色对应接入主机箱温度传感器接口。光纤两端分别插入实验仪面板发射接收处孔。

2、将主机箱上的输出“Uo”、“?”和电压表的“+”、“-”相连，“mA”上下两个插孔按颜色对电流表的“+”、“-” 输入插孔。

3、打开主机箱电源，再打开温控仪电源开关和致冷器开关。调节温度，观察电压表变化情况，分析原理，系统组装完成。

4、关闭电源。

2、发光二极管驱动及探测器接收实验

1、集成温度传感器插入主机箱面板上散热块，连线按照颜色对应接入主机箱温度传感器接口。 2、打开主机箱电源，再打开温控仪电源开关和致冷器开关。取出发射端光纤，观察发光二极管发光，发光二极管发出的光很耀眼，不要用眼直视。慢慢插入发射端光纤至底，插入过程中观察电压表变化，并分析变化原因。根据实验仪面板上探测器接收电路图示分析探测器工作原理。

3、关闭电源。

3传导型光纤温度传感器测温度原理实验

1、集成温度传感器插入主机箱面板上散热块，连线按照颜色对应接入主机箱温度传感器接口。光纤两端分别插入实验仪面板发射接收处孔。

2、将主机箱上的输出“Uo”、“?”和电压表的“+”、“-”相连，“mA”上下两个插孔按颜色对电流表的“+”、“-” 输入插孔。

3、打开主机箱电源，再打开温控仪电源开关和致冷器开关。 4、定标过程

a设置温控仪的控制温度为60℃，待加热至60℃时，调节WT2，使电流表显示值为8mA左右。b设置温控仪的控制温度为10℃，待冷却至10℃时，调节WT1，使电流表显示值为4mA左右。重复步骤a、b，使温度在10℃～60℃之间变化时，电流表能在4mA～8mA之间变化。注:最大电流8mA和最小电流4mA并不绝对限制，但要保证最大电流不得超过20mA，最小电流要保证发光器件能够正常发光。

5、接收端运放调零及增益调节。

6、温度从10℃开始，仪表每隔5℃，记录一次电压表读数。当温度加热与冷却平衡时，即温控仪的显示的温度稳定不变时，记下主机箱电压表的读数,填入下表，并根据实验数据作实验曲线。

表1 温控仪(℃) 电压表(V) 10℃ 15℃ 20℃ 25℃ ???? 50℃ 55℃ 60℃ ???? 七、实验思考题

你认为造成温度值和电压表读数不是完全成线性的原因有哪些？

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实验五 光纤压力实验

一、实验目的

1、了解并掌握传导型光纤压力传感器工作原理及其应用

二、实验内容

1、传导型光纤压力传感光学系统组装调试实验 2、发光二极管驱动及探测器接收实验 3、传导型光纤压力传感器测压力原理实验

三、实验仪器

1、光纤压力传感器实验仪 1台 2、气压计 1个 3、气压源 1套 4、光纤 1根

四、实验原理

1、压力传感器

压力传感器种类繁多，其中常用的压阻式压力传感器有：应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电式压力传感器等。本实验所用的压力传感器是硅压阻式压力传感器，型号为BP300T。

硅压阻式压力传感器工作原理：硅压阻式压力传感器是利用单晶硅的压阻效应制成的。在硅膜片特定方向上扩散4个等值的半导体电阻，并连接成惠斯通电桥，如图1所示，作为力——电变换器的敏感元件。当膜片受到外界压力作用，4个桥臂电阻中2个阻值增加，另两个阻值减小，电桥失去平衡。若对电桥加激励电源（恒流和恒压），便可得到与被测压力成正比的输出电压，从而达到测量压力的目的。 2、光纤：为传输型光纤，仅传输光信号。 3、光纤压力传感器装置系统框图

本实验所使用的光纤压力传感器是一种传光型的复合型光纤传感器。光纤本身作为信号的传输线，在实验过程中实现了压力－电－光－光－电的转换，如图2。

压力传感压力信号驱动发光气压源 器 处理 二极管 实际压力显示 测量压力显示 探测信号处理 光纤传输

探测器接收

图1 硅力敏电阻构成电桥

图2 光纤压力传感原理系统框图

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电路说明

硅压阻式压力传感器：型号为BP300T。

WP1与射随器：改变差动运放反相端输入电压，即改变差动输入电压的大小，从而改变运放输出电压。

WP2：改变运放的电压放大倍数。

电压跟随器、驱动电路、同相输入运算放大。

五、实验步骤

1、气压源装置组装

（1）空气压缩机输出口接气袋输入端，气袋输出端通过三通一端接气压表，另一端接入主机箱引压口，如下图：

气压源 缓冲气袋 流量计 控制阀 压力显三通 示 主机箱.+ 引压口

（2）打开主机箱电源，再打开气压电源开关，调节气压（气压表监测气压大小），观察电压表变化情况，系统组装完成。

（3）关闭电源。

2、发光二极管驱动及探测器接收实验

（1）安装气压源装置以及连线请参照实验步骤1。 （2）光纤两端分别插入实验仪面板发射接收处孔。 （3）将主机箱上的输出“Uo”、“?”和电压表的“+”、“-”相连，“mA”上下两个插孔按颜色对电流表的“+”、“-” 输入插孔。

（4）打开主机箱电源，再打开气压电源开关。取出发射端光纤，观察发光二极管发光，发光二极管发出的光很耀眼，不要用眼直视。慢慢插入发射端光纤至底，插入过程中观察电压表变化，并分析变化原因。根据实验仪面板上探测器接收电路图示分析探测器工作原理。 3、传导型光纤压力传感器测压力原理实验 （1）定标过程

a调节气压为20KPa（气压表监测气压大小），待指针稳定后调节WP2使电流表显示值为8mA。b调节转子流量计旋钮设置气压为4KPa，待指针稳定后调节WP1使电流表显示值为4mA。重复步骤a、b，气压在4KPa～20KPa之间变化时，电流表能在4mA～8mA之间变化。注:该过程为定标过程，最大电流8mA和最小电流4mA并不绝对限制，但要保证最大电流不得超过20mA，最小电流要保证发光器件能够正常发光。 （2）接收端运放调零及增益调节。

（3）气压从7KPa开始，根据表1，记录主机箱电压表读数（待气压表指针稳定后再读数）,填入下表1，并根据实验数据作特性曲线。

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表1

压力KPa U(V)

7 8 9 10 12 14 16 18 六、问题分析及数据处理

七、实验思考题

根据你的理解，光纤压力传感的核心是什么？

光纤压力传感器实验

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实验六 红外遥控系统设计

红外遥控与电视的遥控器原理一样，通过发射编码，接收解码的方式识别所发射的数据，

再对所解码的数据进行处理。

一、实验目的

1、了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用 2、了解锁相环的原理及应用 3、了解红外遥控电路的设计原理 4、设计红外遥控系统

5、对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力

二、实验仪器

1、光电报警综合应用实验箱 1个 8、示波器 1台 9、万用表 1台

三、实验原理(电路模块见32)

1、单路红外遥控电路设计原理

在不需要多路控制的应用场合，可以使用由常规集成电路组成的单通道红外遥控电路。这种遥控电路不需要使用较贵的专用编译码器，因此成本较低。 单通道红外遥控电路方框图如图6所示

光调制光发射光接收弱信号放大判决锁相环

图6 单路红外遥控原理图

（1）光调制与光发射：光调制部分采用555定时器构成多谐振荡器，用它产生占空比为1：1的方波信号，通过调整不同的电容值而产生不同频率的方波信号，即调制信号，设定不同频率的调制信号代表不同的意义，如设定1K频率的信号代表数字“1”，10K频率的信号代表数字“2”等等；通过红外发光二极管发射信号，由光敏二极管接收放大判决后得到原始的调制信号，再将调制信号送入锁相环电路。若输入的信号与锁相环设置的中心频率一致时，输出为低电平，从而实现了单路红外遥控的功能。可见，本实验的核心即为红外接收解调控制电路。

（2）光接收与若信号放大：光敏二极管把接收的红外光转换成微弱的调制电信号，OP07CP(运算放大器)构成一个放大电路，将光敏二极管所接收的电流信号放大。

（3）判决电路：判决电路即比较器，LM339N为四路电压比较器，判决电路应用其中

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的一个比较器；HD74HC04P为六反向器。信号经判决电路进行整形、变换成幅度较大的方波信号。

（4）锁相环电路：图7为红外接收解调控制电路。图中，IC1是LM567。LM567是一片锁相环电路芯片（音频解码器/锁相环），采用8脚双列直插塑封。其⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。其①、②脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。③脚是输入端，要求输入信号≥25mV。⑧脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时，⑧脚由高电平变成低电平，②脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的②脚输入音频信号，则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图7的电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后⑧脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。

图7 红外接收解调控制电路

弄清了LM567的基本工作原理和功能后，再来分析图7电路便非常简单了。IC1是红

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外接收头，它接收发射器发出的红外信号，其中心频率与发射器载波频率f0相同，在输出端OUT输出频率为f1的方波信号。我们调节LM567的中心频率f2使f2= f1。则当发射器发射信号时，LM567便开始工作，⑧脚由高电平变为低电平，利用这个变化的电平便可去控制各种对象。利用图7的电路，我们可以做成遥控开关，遥控家里的各种家用电器。 实际上，利用图7所示的电路，我们也可以较容易地将其改造成多路遥控电路。方法是：在发射器中将改变电阻和电容的值，使之产生若干种频率不同的调制信号；在接收电路中，设置若干只LM567，其输入均来自红外接收头，各个LM567的振荡频率不同但与发射端一一对应。这样当发射器按压不同的按钮，接入不同的调制信号时，在接收端对应的LM567的⑧脚的电平就会发生变化，由此形成多路控制。严格说来，这属于一种频分多路，与数字编译码多路控制相比，缺点是调试比较复杂。但在有些场合，如在多路报警中，也有其一席之地。因在报警应用场合中，需要解决两路以上同时报警的问题时，用时分多路存在复杂的同步问题，在频宽允许的情况下用频分多路则很容易解决。

2、注意事项

1、实验过程中，未经指导老师的许可，请勿随意拆开光通路组件，以免损坏光学器件。 2、实验过程中，请勿带电连线，以免烧坏电子元器件。

3、红外发射二极管组件及光敏二极管的结构组件中，P、N极分别与红和黑的接插件相连。

4、报警保持电路中的声音报警使用的是扬声器发声，发光报警是使用发光二极管发光，二者电路上是独立的，可并联使用。在实验调试过程中，建议使用发光报警模式，以免实验过程中影响其他人实验。

六、实验步骤

1、锁相环原理及应用测试实验

（1）调节光调制电路输出方波信号。打开电源开关以及直流开关，光源调制单元J2上的短路块与C9电容相连，调节光源调制电位器，并用示波器测试方波输出的信号TP1，直到信号输出为1：1的方波为止。将信号的幅度、频率计入表1。

（2）将光源调制模块的T53（方波输出）与锁相环模块T8（锁相环输入）相连。 （3）锁相测试

调节锁相环模块的电位器，用示波器测试锁相环芯片LM567的第5脚（该脚为锁相环本振信号输出端）的波形变化；同时用万用表测试锁相输出端电平；当本振信号与输入信号频率相等时，锁相输出由高电平变为低电平，则锁相成功。将本振信号数据计入表1。

（4）实验完成，关闭直流电源和交流电源，拆除各导线。 表1

输入信号 本振信号

信号频率（Hz）

信号幅度（V）

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2、单路红外遥控设计实验

（1）安装与电路连接：

a.安装好光发射装置和光接收装置，并且使红外发光二极管与光电二极管在同一水平线上。

b.将光源调制单元的T1（LED+）和T2（LED-）分别与光发射单元的P极和N极相连，光接收单元的P极和N极分别与T3（PD+）和T4（PD-）。光源调制单元J2上的短路块与473电容C9相连。

c.连接放大输出T5与判决输入T6，T7与T8相连，输出端T9接入下图中的接入端（其目的为将锁相环的输出信号反相），输出端接入报警电路T50。

R6=5.1KΩ R7=2.2KΩ

图9 红外遥控补充电路

（2）调节光调制方波信号：打开电源开关，再打开直流开关，用示波器测试光源调制单元的调制信号TP1，调节相应的电位器使得调制波形为1：1的方波信号。

（3）调节放大电路：调节放大模块电位器，并用示波器测试放大输出TP2，直到放大信号幅度调节到最大为止。

（4）调节判决电路：示波器CH1测试判决输出TP3，示波器CH2测试光源调制输出TP1,调节判决模块的电位器，直到TP3波形与TP1的波形一致为止。

（5）调节锁相环：调节锁相环模块的电位器，示波器CH1测试锁相环芯片的5脚, 观察调节过程中的波形变化，当方波重合时，锁相成功；用示波器CH2测试锁相环输出信号TP5，此时可以看到波形为低电平。

（6）改变光调制频率，实现锁相：关闭直流电源开关，改变调制信号的频率，将光源调制单元J2的短路块分别与电容C15和C13相连，分别得到两种不同频率的调制波形，打开直流开关，报警电路模块的发光二极管不发光，说明红外接收器不能识别其它频率的调制信号。此时需调节锁相环模块的电位器，才能使得锁相环再次锁相。从而实现了单路红外遥控实验的设计。

（7）实验完成：关闭直流电源和交流电源，拆除各导线，把实验箱还原。

3、自拟红外遥控系统实验（选作）

自拟一套红外遥控系统原理图，将所设计的原理图以及元器件的参数记录如下，并用实验证明之。

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实验七 光纤位移测试传感器实验

一、实验目的

1、了解光纤位移传感器工作原理及其特性。

2、学习并掌握光纤位移传感器测量微小位移的方法。

二、实验内容

1、发光二极管驱动及探测器接收实验 2、光纤位移传感器输出信号处理实验 3、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验

4、利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系 5、实验误差测量

三、实验仪器

1、光纤位移传感器实验仪 1台 2、反射式光纤 1根

四、实验原理(电路图见P33)

图1是光纤位移测量装置。

输入光纤光源输出光纤探测器adb被测物体

图1 光纤位移构成

反射式光纤位移传感器工作原理如图1所示，光纤为传光型，采用Y型结构，两束多模光纤合并于一端组成光纤探头，由光源发出的光经输入光纤传到端部照射至被测物，由被测物反射的光信号经接收光纤传输至光电转换器件转换为电信号，反射光的强弱与反射物与光纤探头的距离成一定的比例关系，通过对光强的检测就可得知位置量的变化，因此可用于测量位移。

下图为光纤位移传感器输出特性曲线，分为前坡Ⅰ和后坡Ⅱ。前坡Ⅰ工作范围较小，线性较好。后坡Ⅱ工作范围大但线性较差。因此平时用光线位移传感器测试位移时一般采用前坡特性范围。

电路原理：

1、稳压电路：R1D1组成稳压电路，C1滤波，VZ = 5.20V。 2、运算放大器：同相输入，Vi = 5.19V，Vo = 5.88V。

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3驱动电路：Q1放大状态，IC驱动发光二极管。 4、光敏三极管：不接受光的强弱变为电流大小。 5、运算放大器：反相输入运算放大器。

6、运算放大器：增益调节——使最大电流不超过电压表量程；补偿调零——被测面与反射式光纤端面接触时（输入电压为0），输出电压应为0，若不为零，则接入并调节调零电位器，使输出电压为0。

五、注意事项

1、不得随意摇动和插拔面板上元器件和芯片，以免损坏，造成实验仪不能正常工作。 2、光纤传感器弯曲半径不得小于3cm，以免折断。

3、旋动螺旋测微丝杆尾帽，使其产生位移，出现咔咔声表示不能继续前进。 4、在使用过程中，出现任何异常情况，必须立即关机断电以确保安全。

5、实验前确保螺旋测微丝杆端部光洁，可用酒精清洗，实验过程中请勿用手及任何东西接触端部，以免端部脏污影响实验精度。

6、实验要在环境光稳定的情况下进行，否则会影响实验精度，最好在避光环境下实验。

六、实验步骤

1、光纤位移光学系统组装调试

(1)根据图3安装光纤位移装置。反射式光纤传感器通过自带螺母固定在光纤支架上（左边支架），端面朝右。二束光纤分别插入实验仪左侧发射、接收端。注意：反射式光纤为二束，其中一束由单根光纤组成，实验时对应插入发射孔；另一束由16根光纤组成，实验时对应插入接收孔。发射和接收孔内部已和发光二极管及光电探测器相接。

图3 光纤位移传感装置

（2）螺旋测微丝杆插入右边支架，调节测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触并同轴心。最后用固定螺钉将螺旋测微丝杆固定在支架上。

（3）电路连接： 发光二极管、光敏三极管接入电路，颜色对应；探测器输出信号处理电路不接调零电路，即绿色测试孔和其下方黑色测试孔（系统地）用导线连接；电压表接入，量程选择2V档。

(4)打开电源开关，调节测微丝杆使反射面离开光纤传感器，观察电压表显示变化，系统组装完成。

2、发光二极管驱动及探测器接收实验

（1）打开电源开关，取出发射端光纤，观察发光二极管发光，慢慢插入发射端光纤至底，插入过程中观察电压表变化，并分析变化原因。

（2）调节螺旋测微头，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收电路图示分析探测器工作原理。

（3）用万用表测试发光二极管工作电压，根据实验仪面板上发光二极管驱动电路图示分析驱动原理。

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3、光纤位移传感器输出信号处理实验

调节螺旋测微丝杆使反射面离开反射式光纤传感器；调节增益调节旋钮，观察电压表显示变化。根据实验仪面板上探测器接收放大电路图示分析放大电路工作原理。

4、光纤位移传感器输出信号误差补偿实验（补偿调零）

(1)调节测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触，观察电压表显示值，并分析原因。

(2)关闭电源，增加加补偿调零电路。绿色测试孔与黑色测试孔的连线拆除，补偿调零调节旋钮的测试孔按照颜色对应接入电路中测试孔（黄接黄、绿接绿、蓝接蓝）。

(3)打开电源，调节补偿调零旋钮，将电压表显示值调节为0。分析补偿调零电路原理。 5、利用反射式光纤位移传感器测量出光强随位移变化的函数关系和实验误差分析实验 （1）调节螺旋测微丝杆，使测微丝杆顶端光滑反射面与反射式光纤端面接触，调节调零电位器使电压表显示为零。

（2）调节测微丝杆使反射面离开反射式光纤传感器，每隔0.1mm读出电压表数值，并填入表1。测微丝杆的刻度线面对观察者，且读数为0.5mm的整数倍开始起调，以利于读数。如果最大时读数超过2V档量程，可逆时针调节增益调节旋钮，使最大值在2V档量程之内。 注意：调节x = 0时，要用手压住探测头支架以防止后移；千分尺转动一周的位移为0.5mm。

表1 X（mm） 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 U（V） X（mm） 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 U（V） (3)根据上表，作光纤位移传感器的位移特性曲线，计算在量程1mm时灵敏度和非线性误差。 (4)根据曲线，分析反射式光纤位移传感器的应用范围。

七、实验思考题

1、根据特性曲线，试想一下光纤位移传感可做哪些测量？ 2、室内光线对测试数据有什么影响？如何解决？

3、放大器的稳定放大倍数和低噪声对信号的影响？如何设计? 4、两束光纤有什么不同？这样设计有什么好处？

5、如果不接入补偿调零电路，如何才能使测量结果更精确？

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实验八 热释电传感实验

一、实验目的

1、了解热释电传感器的工作原理及其特性

2、了解并掌握热释电传感器信号处理方法及其应用 3、了解并掌握超低频前置放大器的设计

二、实验仪器

1、热释电传感器实验仪 一台 2、红外热释电报警器 一个 3、红外热释电探头 一个 4、支架 一套 5、万用表 1台

三、实验原理

1、热释电探测器简介

热释电探探器是一种利用某些晶体材料(例如硫酸三甘肽、铌酸锂、铌酸锶钡等晶体)自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。当晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电荷，利用感应电荷的变化可测量辐射的能量。因为热释电探测器输出的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其他热探测器需要有个热平衡过程，所以其响应速度比其它热探测器快得多，一般热探测器典型时间常数值在1～O.01s范围，而热释电探测

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器的有效时间常数低达10～3x10s。虽然目前热释电探测器在探测率和响应速度方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范围宽，较大的频响带宽，在室温下工作无需致冷，可以有大面积均匀的光敏面，不需要偏压，使用方便等优点而得到日益广泛的应用。

2、热释电效应

某些晶体受到光辐射后将其转换成热能，使晶体的温度升高，温度的变化引起自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

3、热释电探测器工作原理

人体都有恒定的体温，一般在37度，人体辐射的红外线中心波长为9 —10um， 而

探测元件的波长灵敏度在0.2 —20um范围内几乎稳定不变。在传感器顶端开设了一个装有滤光镜片的窗口，这个滤光片可通过光的波长范围为7 —10um，正好适合于人体红外辐射的探测，而对其它波长的红外线由滤光片予以吸收，这样便形成了一种专门用作探测人体辐射的红外线传感器。人体发射的10um左右的红外线通过菲涅尔透镜增强后聚集到红外感应源上， 红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度下降，表面电荷减

少，相当于”释放”一部分电荷，故名热释电。释放的电荷通过一系列的放大，转化成输出

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电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到TC(居里温度)值时，自发极化突然消失。不再释放电荷，输出信号为零,见图1。

电极PS光PSTC热电体图9-1 热释电效应图 1

T

因此，热释电探测器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量）。当面积为A的热释电晶体受到调制加热，而使其温度T发生微小变化时，就有热释电电流i。

i=APdTdtdTA为面积，P为热电体材料热释电系数，dt是温度的变化率。

4、电路原理

（1）超低频放大电路：LM324为四运放集成电路，其中一个运放用于超低频放大电路。该电路为同相输入交流放大器，由于C隔直流，使直流形成全反馈，而交流为部分反馈，可在交流电压增益较大时，直流电压增益很小，从而避免造成运放的饱和。

（2）窗口比较电路：电路有两个幅度比较器和一些二极管和电阻构成。当VI > VH时，VO为高电平，当VI < VL时，VO为高电平，当VH > VI > VL时, VO为低电平。热释电传感器未受到辐射热时，VH > VI > VL，VO为低电平，驱动电路中的LED不亮，当热释电传感器受到辐射热时，VI < VL或VI > VH，VO为高电平，LED点亮。

（3）延时电路：有555定时器组成，延长LED点亮时间。

（4）菲涅尔透镜：为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出10 —20米范围内人的行动。 5、热释电红外探头的优缺点：

优点：本身不产生任何类型的辐射，功耗很小，隐蔽性好，价格低廉。

缺点：容易受各种热源、光源干扰，射频辐射干扰，环境温度接近人体温度时，灵敏度下降有时造成短时失灵。

安装：红外热释电人体传感器只能安装在室内，选择合适的安装位置。如热释电探头不直接对窗口，最好关闭日光灯，拉上窗帘，远离空调、冰箱、暖气片等空气温度变化敏感的的地方。

四、实验操作

1、热释电传感器系统安装调试

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（1）安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，把热释电探头按颜色连到实验模板上。将实验模板上的“S”和 “O1”、 “I1”和 “O1”、 “I2”和 “O2” 、 “I3”和 “O3”用导线对应连接。

（2）万用表黑色表笔接地（GND），红色表笔接热释电红外探头“S”端，选择直流电压2V档。打开实验箱电源，观察万用表数值变化，约2分钟左右，直至数值趋于稳定，实验仪开始正常工作。

（3）用手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出（可用万用表测量）。经超低频放大电路放大后，通过万用表检测到“O2”输出端输出的电压变化较大。再经电压比较器构成的开关电路和延时电路（延时时间可以通过电位器调节），使指示灯点亮。观察这个现象过程。通过调节“灵敏度调节”电位器，可以调整热释电红外探头的感应距离。

2、热释电传感器信号处理实验

（1）超低频放大电路实验

1、安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，探头接口用导线按颜色相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上。将实验模板上的“S”和 “O1”用导线对应连接，再将实验箱上边部分的探测器信号输入端（“SIN+”和“GND”）用导线连接。

2、打开实验箱电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。数字万用表黑色表笔接地（GND），红色表笔接热释电红外探头“S”端。手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出，用万用表直流电压2V档测量其值的变化范围并记录分析。

3、“I1”和“O1”对应连接，手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档测量“O2”处电压值，测量其值的变化范围并记录，即为超低频放大电路输出信号值。分析比较探头输出电压值大小和放大后信号大小。 4、分析超低频放大电路原理及其工作过程。 （2）窗口比较电路实验

1、“I2”和 “O2” 对应连接，打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。用万用表直流电压档测量窗口比较器上下限比较基准电压（“VH”“VL”）并做记录。

2、手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档测量O2端输出的热释电信号比较电压和“KG”端开关量输出信号。分析窗口比较电路原理及其工作过程。 （3）红外驱动实验

1、“I3”和 “O3” 对应连接，打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头端面晃动时，用万用表直流电压档观察测量“I3”端开关输出信号大小和延时后发光二极管指示状态并分析。 （4）延时时间控制实验

1、打开电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头端面晃动时，观察发光二极管指示状态。

2、调节延时时间旋钮，用万用表直流电压20V档测量“I3”端输出信号变化，观察发光二极管指示状态。 3、分析延时的好处。

3、热释电传感器响应距离特性实验

1、安装支架，将红外热释电探头固定在支架上，热释电探头接口用导线按颜色相应地连到实验模板热释电红外探头的输入端口上，将实验模板上的“S”和 “O1”、 “I1”和 “O1”、 “I2”和 “O2” 、 “I3”和 “O3”用导线对应连接，再将实验箱上边部分的探测器信号输入端（“SIN+”和“GND”）用导线短接。

2、打开实验箱电源，需要延时2分钟左右实验仪才能正常工作。手在红外热释电探头

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