第4章光電式傳感器

1、 第4章光電式傳感器 4.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 4.2 光電器件光電器件 4.3 紅外線傳感器紅外線傳感器 4.4 色彩傳感器色彩傳感器 4.5 CZGGD500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅飨盗凶贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅?4.6 光纖傳感器光纖傳感器 4.7 光傳感器應(yīng)用實(shí)例光傳感器應(yīng)用實(shí)例 4.8 實(shí)訓(xùn)實(shí)訓(xùn) 4.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) v光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 v 光可以認(rèn)為是由一定能量的粒子（光子） 所形成，每個(gè)光子具有的能量h正比于光的 頻率（h為普朗克常數(shù)）。 v 用光照射某一物體，可以看做物體受到 一連串能量為h的光子所轟擊。 v 物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效 應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 v4

2、.1.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) v 光照射于某一物體上，使電子從這些 物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也 稱光電發(fā)射。 v 逸出來(lái)的電子稱為光電子。 v 外光電效應(yīng)可由愛因斯坦光電方程來(lái) 描述： Ahmv 2 2 1 v 一個(gè)光子的能量只能給物體中的一個(gè)自 由電子，使自由電子能量增加h。 v 這些能量一部分用于克服逸出功A。 v 另一部分作為光電子逸出時(shí)的初動(dòng)能： 2 2 1 mv v4.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) v 光照射于某一物體上，使其導(dǎo)電能力發(fā) 生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光 電導(dǎo)效應(yīng)。 v 硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等在 受到光照時(shí)均會(huì)出現(xiàn)電阻下降的現(xiàn)象。 v 電路

3、中反偏的PN結(jié)在受到光照時(shí)也會(huì)在 該P(yáng)N結(jié)附近產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴 對(duì)）。 v 利用上述現(xiàn)象可制成光敏電阻，光敏二 極管，光敏晶體管，光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換 器件。 v4.1.3 光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng) v 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng) 勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。 v 具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、 硫化鎘、砷化鎵等。 v 例如，當(dāng)一定波長(zhǎng)的光照射PN結(jié)時(shí)，就 產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)的作用下， 空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N 區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動(dòng)勢(shì)。 v 利用該效應(yīng)可制成各類光電池。 4.2 光電器件光電器件 v4.2.1 光電管和光電倍增管光電管和

4、光電倍增管 v 光電管和光電倍增管同屬于用外光電效 應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。 v1.光電管光電管 v 如圖4-1所示。金屬陽(yáng)極A和陰極K封裝 在一個(gè)玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極時(shí)， 光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電 子獲得的能量足夠大時(shí)，逸出金屬表面形 成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。 23 6 1 4 5 圖4 -1 一種常見的光電管外形 1-陽(yáng)極A 2-陰極K 3-玻璃外殼 4-管座 5-電極引腳 6-定位銷 圖4 -2 光電管符號(hào)及測(cè)量電路 v2.光電倍增管 v 光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度 非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測(cè) 量。 U0 RL D1D3 K A D2D4

5、圖4 -3 光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理 v4.2.2 光敏電阻光敏電阻 v 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。 v 材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等 半導(dǎo)體材料。例如： v 硫化鎘（CdS），硒化鎘（CdSe)。 v 在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線， 將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光 敏電阻，如圖4-4（a）所示。 v 為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀， 如圖4-4（b）所示。 圖4-4 光敏電阻機(jī)構(gòu)示意圖及圖形符號(hào) a）原理圖 b) 圖4-4 光敏電阻機(jī)構(gòu)示意圖及圖形符號(hào) b）外形圖 c) 圖4-4 光敏電阻機(jī)構(gòu)示意圖及圖形符號(hào) c）圖形符號(hào) v 光敏電阻無(wú)光照時(shí)的暗電阻一般大于

6、1500k,在有光照時(shí)，其亮電阻為幾k,兩者 差別較大。 v 對(duì)可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有 代表性的一種光敏電阻。 v 光敏電阻的光照響應(yīng)速度較慢。例如： 硫化鎘光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間約為100ms，硒 化鎘光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間約為10ms。 v 光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。 v4.2.3光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 v1.光敏二極管光敏二極管 v 光敏二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦?的結(jié)型光電器件，其PN結(jié)裝在透明管殼的 頂部，以便接受光照，如圖4-5（a）所示。 v 它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖4-5 （b）所示。 v 光電流與光照度成正比。 v 還有一種雪

7、崩式光敏二極管（APD）。 光照 P N a) + RL E U0 I A b) 圖4 -5 光敏二極管 a)結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號(hào) b）基本應(yīng)用電路 v2.光敏晶體管光敏晶體管 v 光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié)，從而可以獲得 電流增益，如圖4-6所示。 v 光敏晶體管與一只普通晶體管制作在同 一個(gè)管殼內(nèi)，連接成復(fù)合管，如圖4-6（e） 所示，稱為達(dá)林頓型光敏晶體管。它的靈敏 度更大（=12）。 v 但是達(dá)林頓光敏晶體管的漏電（暗電流） 較大，頻響較差，溫漂也較大。 + C N N P - e Jc Je a) C Ic= Icbo Icbo e b) C e c) 圖4 6 光敏晶體管 a) 結(jié)構(gòu)

8、b) 等效電路 c）圖形符號(hào) d) +UCC U0 =UC C Ic R L Ic RL RL +UCC （3 20）V U0 =I C R L Ic e C e) 圖4 6 光敏晶體管 d) 應(yīng)用電路 e)光敏達(dá)林頓管 v4.2.4光電池光電池 v 光電池的工作原理是基于光生伏打效 應(yīng)。當(dāng)光照射在光電池上時(shí)，可以直接輸 出電動(dòng)勢(shì)及光電流。 v 圖4-7所示是光電池結(jié)構(gòu)與圖形符號(hào)。 v 光電池 的種類很多，有硅、砷化鎵、 硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。 焊點(diǎn) N型硅 + 金屬鍍層電極 光 P型硅 PN結(jié) a) b) 圖4-7 硅光電池 a) 結(jié)構(gòu)示意圖 b) 圖形符號(hào) v 應(yīng)用最廣的是硅光電

9、池，優(yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn) 定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率 高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜等。 v 大面積的光電池組按功率和電壓的要求 進(jìn)行串、并聯(lián)，組成方陣，可以做成太陽(yáng) 能電池作為電源。 v 太陽(yáng)能電池在宇宙開發(fā)、航空、通信、 交通、家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用。 v4.2.5 光電元件的特性光電元件的特性 v1.光照特性光照特性 v 當(dāng)光電元件上加上一定電壓時(shí)，光電 流I與光電元件上光照度E之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 稱為光照特性。 v I = f（E） v 對(duì)于光敏電阻器，因其靈敏度高而光 照特性呈非線性，一般用于自動(dòng)控制中作 開關(guān)元件。其光照特性見圖4-8（a）。 圖 4 -8 光照特性圖 (a)光敏

10、電阻器；(b)光電池；(c)光敏二極管；(d)光敏晶體管 v 光電池的開路電壓V與照度E是對(duì)數(shù)關(guān) 系，在2000lx的照度下趨于飽和。 v 在負(fù)載電阻遠(yuǎn)小于光電池內(nèi)阻時(shí)，光電 池的電流稱為短路電流Isc，與照度呈線性 關(guān)系。如圖4-8（b）直線所示。 v 光敏二極管的光照特性為線性，適于作 檢測(cè)元件，其特性如圖4-8（c）所示。 v 光敏晶體管的光照特性如圖4-8（d） 所示，呈非線性。 v 但由于其內(nèi)部具有放大作用，故其靈 敏度較高，輸出光電流較大 。 v2.光譜特性光譜特性 v 光敏元件上加上一定的電壓，這時(shí)如 有一單色光（單一波長(zhǎng)光）照射到光敏 元件上，如果入射光功率相同，光電流 會(huì)隨入

11、射光波長(zhǎng)的不同而變化。 v 入射光波長(zhǎng)與光敏器件相對(duì)靈敏度或 相對(duì)光電流間的關(guān)系即為該元件的光譜 特性。 圖4 9 各種光敏元件的光譜特性圖 (a)光敏電阻器；(b)硅光敏二極管；(c)光敏晶體管 v 由圖4-9可見，元件材料不同，所能響 應(yīng)的峰值波長(zhǎng)也不同。 v 應(yīng)根據(jù)光譜特性來(lái)確定光源與光電器 件的最佳匹配。 v 在選擇光敏元件時(shí)，應(yīng)使最大靈敏度 在需要測(cè)量的光譜范圍內(nèi)，才有可能獲得 最高靈敏度。 v3.伏安特性伏安特性 v 在一定照度下，光電流I與光敏元件兩 端電壓V的對(duì)應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。 v 各種光敏元件的伏安特性如圖4-10所 示。 v 伏安特性可以幫助我們確定光敏元件 的負(fù)載電

12、阻，設(shè)計(jì)應(yīng)用電路。 圖4 -10 各種光敏元件的伏安特性 (a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電晶體管 v4.頻率特性頻率特性 v 在相同的電壓和同樣幅值的光照下， 當(dāng)入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時(shí)， 光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會(huì)隨調(diào) 制頻率f而變化，它們的關(guān)系為： v I = F1（f ） v或 S = F2（f ） v 稱為頻率特性。 v 以光生伏打效應(yīng)原理工作的光敏元件 （如光電池）頻率特性較差， v 以內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光敏元件 （如 光敏電阻）頻率特性更差。 v 光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光敏 元件中最好的。 圖4 -11各種光敏元件的頻率響應(yīng) (a)光敏電阻器；(b

13、)光電池；(c)光敏二極管 v5.溫度特性溫度特性 v 光敏電阻，當(dāng)溫度上升時(shí)，暗電流增 大，靈敏度下降。 v 光敏晶體管，由于溫度變化對(duì)暗電流 影響非常大，并且是非線性的，給微光測(cè) 量帶來(lái)較大誤差。 v 光電池受溫度的影響主要表現(xiàn)在開路 電壓隨溫度增加而下降，短路電流隨溫度 上升緩慢增加。 v 應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。 v6.響應(yīng)時(shí)間響應(yīng)時(shí)間 v 光敏電阻較慢，約為（10 110）s， 一般不能用于要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。 v 工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為 （105107）s左右， v 光敏晶體管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一 個(gè)數(shù)量級(jí)，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制 光頻率較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二

14、極管。 v4.2.6 光耦合器件光耦合器件 v 將發(fā)光器件與光敏元件集成在一起便可 構(gòu)成光耦合器件，圖4-12為其結(jié)構(gòu)示意圖。 v 圖a為窄縫透射式，可用于片狀遮擋物 體的位置檢測(cè)，或碼盤、轉(zhuǎn)速測(cè)量中； v 圖 b為反射式可用于反光體的位置檢測(cè)， 對(duì)被測(cè)物不限制厚度； v 圖c為全封閉式，用于前后級(jí)電路的隔 離。 (a) (b) (c) 圖 4 -12 光耦合器典型結(jié)構(gòu) v 光耦合器件中的發(fā)光元件多半是發(fā)光 二極管。 v 光耦合器件中的光敏元件多為光敏二 極管和光敏晶體管，少數(shù)采用光敏達(dá)林頓 管或光控晶閘管。 v 對(duì)于光耦合器件的特性，應(yīng)注意以 下各項(xiàng)參數(shù)。 v（1）電流傳輸比 v（2）輸入輸

15、出間的絕緣電阻 v（3）輸入輸出間的耐壓 v（4）輸入輸出間的寄生電容 v（5）最高工作頻率 v（6）脈沖上升時(shí)間和下降時(shí)間 v 采用雙光耦合器件TLP521的光隔離 放大器電路如圖4-13所示。 v 兩光耦合器件本身是非線性的，由 于非線性程度相同，所以采用了負(fù)反饋 的方法相互抵消，改善了線性。 v 電容C用于防止運(yùn)放的自激振蕩。輸 出放大器OP-07用于緩沖隔離。 圖4-13 光隔離放大器電路 4.3 紅外線傳感器紅外線傳感器 v4.3.1概述概述 v 凡是存在于自然界的物體，例如： 人體、火焰、冰等物體都會(huì)放射出紅外 線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同而 已。 v 人體的溫度為3637C，

16、所放射的紅 外線波長(zhǎng)為910m（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)）。 v 加熱到400700C的物體，其放射出 的紅外線波長(zhǎng)為35m（屬于中紅外線 區(qū)）。 v 紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā) 射出的紅外線，用于測(cè)量、成像或控制。 v 用紅外線作為檢測(cè)媒介，來(lái)測(cè)量某些 非電量，比可見光作為媒介的檢測(cè)方法 要好。其優(yōu)越性表現(xiàn)在： v(1) 可在晝夜進(jìn)行測(cè)量。 v(2) 不必設(shè)光源。 v(3) 大氣對(duì)某些特定波長(zhǎng)范圍的紅外線吸 收甚少（22.6m ,35m ,814m三個(gè) 波段稱為“大氣窗口”）,故適用于遙感 技術(shù)。 v 紅外線傳感器按其工作原理可分為兩 類：量子型及熱型。 v 熱型紅外線光敏元件的特點(diǎn)是： v 靈

17、敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的 紅外線波長(zhǎng)范圍較寬，價(jià)格比較便宜、能 在室溫下工作。 v 量子型紅外線光敏元件的特性則與熱 型正好相反，一般必須在冷卻（77K）條 件下使用。 v4.3.2熱釋電型紅外傳感器熱釋電型紅外傳感器 v1. 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) v 若使某些強(qiáng)介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生 變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物 質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象 稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。 v 在鈦酸鋇之類的強(qiáng)介電質(zhì)物質(zhì)材料上 表現(xiàn)得特別顯著。 v 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，很 快便被空氣中的各種離子所結(jié)合。 v2. 熱釋電紅外線光敏元件的材料熱釋電紅外線光敏元件的材料 v

18、 熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其 中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。 v3. 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器 v 如圖4-14所示。傳感器的敏感元件是 PZT（鈦鋯酸鉛 ），在上下兩面做上電極， 并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn) 換效率。 內(nèi)接線 氧化膜 PZT元件 鋁件 接腳 FET 空洞 圖 4 14 熱釋電紅外傳感器基本結(jié)構(gòu) v 等效電路如圖4-15所示。 v 電路結(jié)構(gòu)是一個(gè)在負(fù)載電阻上并聯(lián)一 個(gè)電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高， 輸出電壓信號(hào)又極其微弱。 v 管內(nèi)有場(chǎng)效應(yīng)管FET放大器及厚膜電 阻，以達(dá)到阻抗變換的目的。 元件FET D S E Rg Rs Rs為負(fù)載電阻，有

19、的傳感器內(nèi)無(wú)Rs（需外接） 圖 4 -15 熱釋電紅外傳感器等效電路 v4. PVF2 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器 v PVF2是聚偏二氟乙烯的縮寫，是一種 經(jīng)過(guò)特殊加工的塑料薄膜。 v 它具有壓電效應(yīng)，同時(shí)也具有熱釋電效 應(yīng)，是一種新型傳感器材料。 v 熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等低。 v 具有不吸濕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易 加工及成本低的特點(diǎn)，是制造紅外線監(jiān)測(cè) 報(bào)警裝置的好材料。 v5. 菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡 v 是由塑料制成的 特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡， 配合熱釋電紅外線傳感器使用。 v 透鏡由很多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組 成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過(guò)菲涅耳透 鏡會(huì)產(chǎn)生一系列的光脈

20、沖進(jìn)入傳感器，從而 提高了接收靈敏度。 v 物體或人體移動(dòng)的速度越快，靈敏度就 越高。一般配上透鏡可檢測(cè)10米上下， v 新設(shè)計(jì)的雙重反射型，則其檢測(cè)距離可 達(dá)20米以上。 菲涅耳透鏡 圖4 - 16菲涅耳透鏡的應(yīng)用 v6熱釋電紅外探測(cè)模塊熱釋電紅外探測(cè)模塊 v 熱釋電紅外探測(cè)模塊由 v 菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、放大 器、基準(zhǔn)電壓源、比較器、驅(qū)動(dòng)放大電路、 繼電器或晶閘管組成， v 如圖4-17所示。 菲涅 爾透 鏡 熱釋電 紅外傳 感器 放大 器 比較 器 基準(zhǔn)電壓 源 驅(qū)動(dòng) 電路 繼 電 器 圖4-17 熱釋電紅外探測(cè)模塊結(jié)構(gòu) v 熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生的微弱電信號(hào)， 經(jīng)放大器放大，然

21、后與基準(zhǔn)電壓比較。 v 若大于基準(zhǔn)電壓，則輸出高電平，經(jīng)驅(qū) 動(dòng)放大后，控制繼電器動(dòng)作。 v 通常將熱釋電紅外傳感器和全部電路安 裝在一個(gè)小印制電路板上，然后將其裝入一 個(gè)帶有菲涅爾透鏡的ABS工程塑料外殼內(nèi)， 做成一個(gè)組件。 表表4-3 4-3 熱釋電紅外傳感器組件性能熱釋電紅外傳感器組件性能 型型 號(hào)號(hào) 工作工作 電壓電壓 延遲延遲 時(shí)間時(shí)間 探測(cè)探測(cè) 角度角度 探測(cè)探測(cè) 距離距離 輸出方式輸出方式 BH9402BH9402DC5VDC5V2 25s5s120120 5m5m高電平高電平 TWH9241ATWH9241ADC12VDC12V10s10s8080 7m7m繼電器繼電器 GH60

22、8GH608DC9VDC9V3s3s110110 12m12m315MHz315MHz信號(hào)信號(hào) HT807HT807AC220VAC220V50s50s110110 5m5m晶閘管晶閘管 4.4 色彩傳感器色彩傳感器 v 色彩傳感器是由單晶硅和非單晶態(tài)硅 制成的半導(dǎo)體器件。 v 物體的顏色是由照射物體的光源和物 體本身的光譜反射率決定的。 v 在光源一定的條件下，物體的顏色取 決于反射的光譜（波長(zhǎng)），能測(cè)定物體反 射的波長(zhǎng)，就可以測(cè)定物體的顏色。 v 色彩傳感器有兩種：雙PN結(jié)光電二極 管和非晶態(tài)集成色彩傳感器。 v1. 雙結(jié)型色彩傳感器雙結(jié)型色彩傳感器 v 在一塊單晶硅基片上作了兩個(gè)PN結(jié)

23、的三層結(jié)構(gòu)，如圖4-18所示。 v 兩個(gè)光電二極管PD1及PD2反向連接。 v 光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的厚 薄有很大關(guān)系。PN結(jié)的面做得薄一點(diǎn)對(duì) 藍(lán)光的靈敏度高。 v PD1與PD2的厚薄不同所以光譜特性 也不同，如圖4-19所示。 電極3 P P N 絕緣膜電極1電極2 a) 1 2 3 PD2 PD1 b) 圖4 18 雙結(jié)型色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路 圖4-19 雙結(jié)型色彩傳感器的光譜特性 v PD1接近表面，所以對(duì)藍(lán)光（波長(zhǎng) 430460nm）、綠光（波長(zhǎng)490570nm） 有較高的靈敏度。 v PD2則對(duì)紅光（波長(zhǎng)650760nm）及 紅外線有較高的靈敏度。 v 分別測(cè)PD1及

24、PD2的短路電流，ISC1、 ISC2，可得圖4-20所示的特性。 圖 4 20 短路電流比與波長(zhǎng)特性 v 根據(jù)色彩傳感器檢測(cè)的短路電流比，由 圖4-20可以求出對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，即可分辨出 不同的顏色。 v 由圖4-20可知，不同的溫度，其特性有 所變動(dòng)。因此在作精密測(cè)量時(shí)要在電路上 加溫度補(bǔ)償，或者在計(jì)算機(jī)中用軟件進(jìn)行 補(bǔ)償。 v2. 非晶態(tài)集成色彩傳感器非晶態(tài)集成色彩傳感器 v 如圖4-21 所示，在非晶態(tài)的硅的基片 上，平排做了三個(gè)光電二極管。 v 在各個(gè)光電二極管上分別加上紅（R）、 綠（G）、藍(lán)（B）濾色鏡，將來(lái)自物體的 反射光分解為三種顏色。 v 根據(jù)R、G、B濾色鏡下光電二極管輸出

25、的短路電流大小，通過(guò)電子線路及計(jì)算機(jī)， 可以識(shí)別十二種以上的顏色。 非晶態(tài)硅 引線 樹脂 導(dǎo)電膜 玻璃板 濾色鏡 RGB 圖 4 21 非晶態(tài)集成色彩傳感器 a)b) AM3301系列集成色彩傳感器的三色相對(duì) 靈敏度與波長(zhǎng)特性如圖4-22所示。 波長(zhǎng)（nm） 700600500400 0 0.5 1.0 相對(duì) 靈敏 度 BGR 圖 4 22 相對(duì)靈敏度與波長(zhǎng)特性 非晶態(tài)色彩傳感器的入射光照度與輸出電壓 的關(guān)系如圖 4-23所示。 圖 4-23 非晶態(tài)色彩傳感器輸出電壓與照度關(guān)系 傳感器上有時(shí)并聯(lián)一個(gè)100K電阻，以 保證良好的線性度。放大電路如圖4-24所示。 + - 色彩傳感 器 100K

26、R C Rf V0 圖 4-24 非晶態(tài)傳感器放大電路（僅一路） 4.5 CZG-GC-500系列系列 紫外火焰?zhèn)鞲衅髯贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅?v 敏感元件為紫外電管，由管殼、充入 的氣體、陽(yáng)極和光陰極組成。 v 如圖4-25 所示。 v 在火焰中的遠(yuǎn)紫外線的照射下，光陰 極中的電子吸收能量而逸出光陰極表面。 v 在電場(chǎng)的作用下向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，從而產(chǎn) 生電信號(hào)，達(dá)到檢測(cè)火焰的目的。 圖4-25 CZG-GC-500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅?v 紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消 防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場(chǎng)所，用 來(lái)檢測(cè)火焰的產(chǎn)生。 v 該傳感器也可用于發(fā)動(dòng)機(jī)、鍋爐、 窯爐等的火焰報(bào)警系統(tǒng)。 4.6 光纖傳感器光纖傳

27、感器 v 可分為功能型和非功能型。 v 功能型傳感器是利用光纖本身的特 性隨被測(cè)量發(fā)生變化，利用光纖作為敏 感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。 v 非功能型傳感器是利用其他敏感元件 來(lái)感受被測(cè)量變化，光纖僅作為光的傳 輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱 混合型光纖傳感器。 v4.6.1 光纖傳感元器件光纖傳感元器件 v 光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻 璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包 層組成。 v 內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。 v 光是直線傳播的。然而入射到光纖中 的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖 的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠(yuǎn) 的地方去。 v 光纖的直徑比光的波長(zhǎng)大很多，可

28、以 用幾何光學(xué)的方法來(lái)說(shuō)明光在光纖中的傳 播。 v 當(dāng)光從光密（折射率大）介質(zhì)射向光 疏（折射率小）介質(zhì)，且入射角大于臨界 角時(shí)，光會(huì)產(chǎn)生全反射， v 即光不再離開光密介質(zhì)。 v 光纖圓柱形內(nèi)芯的折射率n1大于包層 的折射率n2， v 因此，如圖4-27所示，在角2之間的 入射光，除了在光纖玻璃中吸收和散射之 外，大部分在界面上產(chǎn)生多次反射，以鋸 齒形的線路在光纖中傳播。 v 在光纖的末端以與入射角相等的出 （反）射角射出光纖。 圖4 -27 光導(dǎo)纖維中光的傳輸特性 光纖的主要參數(shù)和類型： （1）數(shù)值孔徑： 無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有2張角之 內(nèi) 的光功率能被光纖接收。角2與光纖內(nèi)芯 和包層

29、材料的折射率有關(guān)，我們將的正弦定 義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。 2 1 2 2 2 1 )(sinnnNA 一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效 率的提高,但數(shù)值孔徑越大,光信號(hào)畸變就越 嚴(yán)重,所以要適當(dāng)選擇。 （2）光纖模式： 多模光纖中，同一光信號(hào)采用很多模式 傳輸，會(huì)使這一光信號(hào)分裂為不同時(shí)間到達(dá) 接收端的多個(gè)小信號(hào)，導(dǎo)致合成信號(hào)畸變。 希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模 方式下工作，即單模光纖。 階躍型的圓筒光纖內(nèi)傳播的模式數(shù)量v 可簡(jiǎn)單表示為： 0 2 1 2 2 2 1 )( nnd v （3）傳播損耗： 由于光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖 彎曲處的輻射損耗等影響，光信號(hào)在光纖中

30、的 傳播不可避免地會(huì)有損耗。 假設(shè)從纖芯左端輸入一個(gè)光脈沖，其峰值 強(qiáng)度（光功率）為Io，傳播損耗后，光纖中任 一點(diǎn)處的光強(qiáng)度為： L eILI 0 )( （4）光纖類型 按折射率變化分為階躍型光纖和漸變型光纖。 按傳輸模式多少分為單模光纖與多模光纖。 v4.6.2 常用光纖傳感器常用光纖傳感器 v 光纖傳感器的種類很多，工作原理也各 不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個(gè) 環(huán)節(jié)。 v 光調(diào)制就是把某一被測(cè)信息加載到傳輸 光波上。 v 承載了被測(cè)信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦?探測(cè)系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該 被測(cè)信息。 v 常用的光調(diào)制方法有強(qiáng)度調(diào)制、相位調(diào) 制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。 v

31、1. 光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器 v 按光強(qiáng)度調(diào)制原理制成。 v （1）被測(cè)力作用于膜片，使光纖與膜 片間的氣隙減小，使棱鏡與光吸收層之間的 氣隙發(fā)生改變。 v （2）氣隙發(fā)生改變引起棱鏡界面上全 （內(nèi)）反射的局部破壞，造成一部分光離開 棱鏡的上界面，進(jìn)入吸收層并被吸收，致使 反射回接收光纖的光強(qiáng)度減小。 圖4 28 光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu) 1膜片；2光吸收層；3墊圈；4光導(dǎo)纖維；5橋式光 接收線路；6發(fā)光二極管；7殼體；8棱鏡；9上蓋。 v （3）接收光纖內(nèi)反射光強(qiáng)度的改變可由 橋式光接收器檢測(cè)出來(lái)。 v （4）橋式光接收器輸出信號(hào)的大小只與 光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關(guān)。 v 光纖壓力

32、傳感器不受電磁干擾，響應(yīng)速度 快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。 v 由于沒有導(dǎo)電元件，特別適合于有防爆要 求的場(chǎng)合使用。 v2. 光纖血流傳感器光纖血流傳感器 v 利用頻率調(diào)制原理，也就是利用光的 多普勒效應(yīng)，在這里光纖只起傳輸作用。 v 激光器發(fā)出的光波頻率為f，激光束由 分束器分為兩束，一束作為測(cè)量光束，通 過(guò)光纖探針進(jìn)到被測(cè)血液中， 由于血流速 度 ，其反射光具有多普勒頻移f 。另一 束作為參考光由頻移器產(chǎn)生參考頻移。 氬氖激光器 頻率分析器 記錄儀 光電二極管 動(dòng)脈血管 光纖探針 托座 頻移器 分束器 圖4 -29 光纖血流傳感器 v 光電二極管接收該兩束光信號(hào)，送入 頻率分析器分析，記

33、錄儀上顯示對(duì)應(yīng)于血 流速度的多普勒頻移譜，如圖4-30所示。 v 圖中，I表示輸出的光電流；f0表示最 大頻移；f的符號(hào)由血流方向確定。 f1 f0 O I 相對(duì) 電流 f f / Hz 圖4 30 多普勒頻移譜 4.7 光傳感器應(yīng)用實(shí)例光傳感器應(yīng)用實(shí)例 v4.7.1 自動(dòng)照明燈自動(dòng)照明燈 v 如圖4-31所示。D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā) 電壓約為30V左右。 v 白天，光敏電阻的阻值低， A點(diǎn)分壓低 于30V，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無(wú)觸 發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)。 v 晚上天黑，光敏電阻的阻值增加，A點(diǎn) 電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控 硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。 220V VT

34、 VD G C2 R2 A R1 C1 R3 圖4 31 自動(dòng)照明燈電路 v4.7.2 物體長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè)物體長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè) v 圖4-32為示意圖和電路簡(jiǎn)圖。 v 當(dāng)工件自左向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，首先遮斷光源 A的光線，經(jīng)過(guò)設(shè)定的S0距離后再遮斷光源 B的光線，經(jīng)光敏元件VDA、VDB和 RS觸 發(fā)器輸出高頻脈沖，計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。 v 若所計(jì)脈沖數(shù)為n 和脈沖周期為T，則 可計(jì)算物體平均運(yùn)動(dòng)速度為 nT S t S 00 圖4 32（a） 光電元件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體速度信號(hào)示意圖 S 0 LEDBLEDA Q L 7 689 清零信號(hào) VDA VDB S R 3 1 4 2 5 圖4 32（b）

35、 光電元件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體速度電路圖 1光源A ；2光敏元件VDA ；3運(yùn)動(dòng)物體 ；4光源B ；5光敏元 件VDB ；6 RS觸發(fā)器；7高頻脈沖信號(hào)源；8計(jì)數(shù)器；9顯示器 v4.7.3 紅外線自動(dòng)水龍頭紅外線自動(dòng)水龍頭 v 紅外線自動(dòng)水龍頭屬無(wú)接觸式自動(dòng)水龍 頭，起到節(jié)約用水的作用，還可以避免人群 中病菌的交叉?zhèn)鞑?。電路如圖4-33所示。 v 音調(diào)解碼器LM567的振蕩信號(hào)頻率由5、 6腳外接的R2、C1確定。 v 產(chǎn)生的振蕩信號(hào)，由5腳輸出，經(jīng)運(yùn)算 放大器A1和VT1放大，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管 VL1發(fā)光向外發(fā)射。 圖圖4-33 紅外線自動(dòng)水龍頭紅外線自動(dòng)水龍頭 v 紅外光線經(jīng)人手反射，由紅外光敏

36、二極 管VD2接收，經(jīng)運(yùn)算放大器A2放大后，由3腳 輸入到LM567音調(diào)解碼器。 v 音調(diào)解碼器把輸入信號(hào)與內(nèi)部振蕩信號(hào) 比較，兩者頻率相等，8腳輸出低電平。 v 晶體管VT2飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)楦唠?平，使晶閘管BT139導(dǎo)通，接通電磁閥RL的 電源。電磁閥打開，放出水來(lái)。 v 手離開后，沒有人手的反射，紅外光 敏二極管VD2沒有接收信號(hào)，LM567音調(diào) 解碼器3腳沒有輸入信號(hào)，8腳輸出為高電 平。 v VT2截止，集電極變?yōu)榈碗娖?，晶閘管 不導(dǎo)通，電磁閥關(guān)閉，沒有水流出來(lái)。 v4.7.4 手指光反射測(cè)量心率方法手指光反射測(cè)量心率方法 v 如圖4-34所示。 v 用一光發(fā)生器向手指發(fā)射光，用一光檢 測(cè)器放在手指的同一邊，接收手指反射的 光。 v 手指反射的光的強(qiáng)度及其變化會(huì)隨血液 脈搏的變化而變化。 v 由光檢測(cè)器檢測(cè)到手指反射的光，并對(duì) 其強(qiáng)度變化速率進(jìn)行記數(shù)，即可測(cè)得被測(cè) 人的心率。 圖4-34 手指光反射測(cè)量心率示意圖 v 電路組成如圖4-35所示。 v 光發(fā)生器采用超亮度LED管，光檢測(cè)器 使用光敏電阻。 v 當(dāng)食指前端接觸光傳感器時(shí)，從光傳 感器輸出可得到約100V的電壓變化。 v 該信號(hào)經(jīng)電容器C加到放大器的輸入端， 經(jīng)放大、信號(hào)變換處