機電一體化講議—3

1、第二章第二章 傳感器及測量系統(tǒng)（傳感器及測量系統(tǒng)（2 2）吉林大學 機械電子工程學科趙丁選2021年12月21日2.7 光電傳感器22.7光電傳感器 n在車輛自動控制過程中充當著重要的角色角色n分類分類：光束傳感器、反射傳感器、散射傳感器n原理原理：通過發(fā)射器發(fā)出可見、不可見或紅外光，被接收器所接收，并轉換成電信號。n特點特點：(1)無接觸檢測，減少了被測物及探頭的磨損，確保產品的使用壽命與安全操作。(2)被測物的材料不受限制，可測玻璃、塑料、木質及液體等各種的被測材料。(3)長距離檢測，反射傳感器的檢測距離可達。(4)反應速度快，其反應能力在50s之內。2021年12月21日2.7 光電傳感

2、器3(5)可分辨顏色。高精度檢測，利用奇特的視覺系統(tǒng)和精確的電子線路可以實現(xiàn)對物體的精確測量。 n光電傳感器分為亮通型亮通型與暗通型暗通型兩類。2.7.1光電器件光電器件n分類分類：光電發(fā)射器、光電探測器2.7.1.1 光電發(fā)射器件 (1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續(xù)、價格便宜 (2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發(fā)光。特點：特點：效率高，發(fā)熱少。 (3)電致發(fā)光器：PN結發(fā)光（發(fā)光二極管）。特點：特點：功率低，驅動電壓低，效率高，可直接調制，小型化等。 2021年12月21日2.7 光電傳感器4 (4)激光器：a.氦氖激光器：n特點特點：輸出連續(xù)，頻率穩(wěn)定，相干性與方向性極強，

3、居各類激光之首。但效率低體積大，電源復雜。b.半導體激光器：n特點特點：效率相當高，容易調制，體積小，結構簡單，抗振性能好，但方向性差，PN結摻雜影響大。2.7.1.1 光電探測器件n原理原理：光電探測器件是利用物體的光電效應。分類分類：光電導效應，光伏效應和光電子發(fā)射效應三種。 2021年12月21日2.7 光電傳感器51.光電導器件(光敏電阻)注意注意：光敏電阻必須在適當的波長光照射下，電阻才會改變。 圖2-7-1光敏電阻的原理圖 2-7-2 CdS、CdSe光譜響應曲線 2021年12月21日2.7 光電傳感器6 2.光伏效應器件(光電二極管與光敏三極管)n原理原理：利用光照在半導體器件

4、上產生伏特效應而制成的器件，應用極廣。 (1)光電二極管n原理原理：在光的照射下，光電二極管產生光電流。注意：注意：光電流向光電二極管的反方向流動。n伏安特性伏安特性：見圖2-7-3（a）。n等效電路等效電路：電流源與二極管的并聯(lián)，如圖2-7-3(b)所示n光譜特性光譜特性：如圖2-7-4。2021年12月21日2.7 光電傳感器7(2)光電三極管n工作原理工作原理：光電轉換，其功能同光電二極管；光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。n分類分類：無基極引線、有極基引線兩種。a)無基極引線光電管靠光的注入代替基極的信號輸入，并將集電結產生的光電流放大。圖2-7-3光電二極管伏安特性 圖2-7-

5、4光電二極管光譜響應曲線2021年12月21日2.7 光電傳感器8b)有基極引線光電管設置基極的主要目的是為了預置一個基極電流n優(yōu)點優(yōu)點： 減小了光電三極管發(fā)射極的電阻，可以改善弱光下的響應時間； 使光電三極管的交流放大系數進入線性區(qū)，這對調制光的檢測特別有利。(3)光電池n分類分類：硅光電池（最受歡迎）、硒光電池、硫化鎘光電池、氧化亞銅光電池、砷化鉀光電池等。n硅光電池硅光電池：性能穩(wěn)定，光譜范圍寬；頻率特性好；換能效率高；能耐高能輻射等。 2021年12月21日2.7 光電傳感器9圖2-7-5光電三極管輸出特性圖 2-7-6硅光電池光照特性曲線2021年12月21日2.7 光電傳感器102

6、.7.2光束傳感器光束傳感器n特點特點：發(fā)射器與接收器分開。圖2-7-7光束傳感的電氣結構圖 2021年12月21日2.7 光電傳感器112.7.3反射傳感器反射傳感器n特點特點：發(fā)射器與接收器放于同一個外殼內。n常規(guī)反射傳感器常規(guī)反射傳感器：不能檢測反光體，易產生誤動作。n帶偏振片的反射傳感器：帶偏振片的反射傳感器：無論是否反射體在遮住光通路后就一定能被檢出。與常規(guī)反射傳感器的區(qū)別：(1)在發(fā)射器與接收器的光通道上分別安裝互成直角的偏振片；(2)采用三角反射鏡，經它反射的偏振光其振蕩面旋轉90。 圖2-7-8帶偏振片的反射傳感器工作原理及電氣結構 2021年12月21日2.7 光電傳感器12

7、2.7.4 散射傳感器，散射傳感器，n結構結構：發(fā)射器與接收器也置于同一個外殼內，發(fā)出的光照在被測物體上，并被反射回來，被接收器接收。n特點特點：對傳感區(qū)域內發(fā)光與不發(fā)光的物體只要在傳感器的靈敏度范圍內，都可被檢測。圖2-7-9散射傳感器的工作原理 2021年12月21日2.7 光電傳感器132.7.5紅外傳感器紅外傳感器圖2-7-10曲型紅外傳感器的電氣結構n構成構成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級構成n用途用途：紅外傳感器用于高溫物體遠距離、非接觸檢測2021年12月21日2.8 光纖傳感器142.8光纖傳感器2.8.1光纖傳感器概述光纖傳感器概述n起步：起步：光纖傳感器技術是70年

8、代末發(fā)展起來的一項新型傳感技術。n技術構成：技術構成：光纖傳感技術是傳統(tǒng)的光檢測技術和纖維光學應用的結合n應用范圍：應用范圍：位移、振動、轉速、溫度、壓力、電場、流量、濃度、PH值等70多項參數的檢測。n適用：適用：普通光電傳感器所不能適應的條件，例如有限空間、高溫、或危險地區(qū)，因而具有廣泛的應用潛力。n測量原理：測量原理：外界待測信號調制光參數光纖光電探測器。2021年12月21日2.8 光纖傳感器15n調制參數：調制參數：光可以看成簡諧振蕩的電磁波，其電場分量表達式為：E=E0sin(t+)n因此光可以被調制的參數有四個，即光強度、相位、偏振角及頻率。n按調制形式分類：按調制形式分類：強度

9、調制型、相位調制型、偏振調制型、頻率調制型。大部分傳感器屬于前三類。n按光纖光纖作用分類：按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。n（1）非功能型傳感器：利用外加的敏感元件對光進行調制而光纖僅僅作為傳光之用。n（2）能型光纖傳感器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。n功能型光纖傳感器的調制原理： 溫度、壓力、振動 光纖 光纖的長度、形狀、折射率等發(fā)生變化 光纖中傳輸光的強度、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化2021年12月21日2.8 光纖傳感器16n特點：特點：(1)檢則精度與靈敏度高。強度調制型光纖傳感器的靈敏度與一般傳感器不相上下，而相位調制型光纖傳感器的靈敏度比普通傳感器高出幾個數量

10、級，具有較大的動態(tài)范圍。(2)響應速度高，頻響寬，可實現(xiàn)非接觸高速檢測。(3)環(huán)境適應性強，由于光纖具有可撓曲、耐高溫、耐腐蝕、抗電磁干擾，本質安全防暴，因而光纖傳感器適用于一切場合。(4)體積小、重量輕，因而具有可集成的替力。隨著集成光學的發(fā)展，將有可能出現(xiàn)將敏感元件、光學元件、光纖等集成一體的光纖傳感器。 2021年12月21日2.8 光纖傳感器17圖2-8-1強度調制型光纖傳感器的幾種基本形式及工作原理 2021年12月21日2.8 光纖傳感器182.8.2光纖傳感器工作原理光纖傳感器工作原理(1)強度調制型光纖傳感器n特點特點：結構簡單、可靠性高、對光纖要求不高，信號檢測簡單等。(2)

11、相位調制型光纖傳感器n原理原理：外界待測信號作用于光纖時，引起光纖中傳輸的光的相位必生變化。n測量測量：光相位變化難以直接檢測出來，通常用光的干涉效應將光相位的變化轉換為干涉強度的變化來檢測。n相位調制型光纖傳感器又稱為干涉型干涉型光纖傳感器。n相位調制型光纖傳感器一般具有極高的靈敏度極高的靈敏度和動態(tài)動態(tài)范圍范圍。光纖干涉儀可以檢測出小于10-6rad的相位變化。2021年12月21日2.8 光纖傳感器19n 例例 溫度變化11m長的光纖中光相位變化100rad分辨率達到10-8圖2-8-2相位調制型光纖傳感器的干涉系統(tǒng)及基本結構 2021年12月21日2.8 光纖傳感器20 (3)偏振調制型光纖傳感器 n原理原理：法拉弟旋光效應（檢測磁場與電場）；泡克爾效應（檢則電場與電壓）；光彈效應（測量應力）n光彈效應原理光彈效應原理：透明晶體在受到應力時，其內部對光的折射率發(fā)生變化。 圖2-8-3 偏振調制原理2021年12