光電式傳感器-1課件

第七章光電式傳感器本章要點(diǎn):1）光電器件的特性和選擇、光電傳感器設(shè)計(jì)原理及應(yīng)用2）光纖傳感器原理和典型應(yīng)用舉例3）莫爾條紋現(xiàn)象和重要特性、光柵傳感器工作原理及應(yīng)用方法工作原理：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變成電信號(hào)。

優(yōu)點(diǎn)：由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，一般情況下具有非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)快。應(yīng)用：在檢測(cè)和控制領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器的內(nèi)容極其豐富。第一節(jié)光源大多數(shù)光電傳感器都離不開光源，選擇時(shí)要考慮波長(zhǎng)、譜分布、體積、造價(jià)、功率等因素。一、熱輻射光源（鎢絲白熾燈）二、氣體放電光源（低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈）三、電致發(fā)光器件——發(fā)光二極管四、激光器（一）固體激光器（二）氣體激光器（三）半導(dǎo)體激光器一、熱探測(cè)器（一）測(cè)輻射熱電偶（二）測(cè)輻射熱敏電阻（三）熱釋電探測(cè)器敏感部分為（陶瓷）鐵電材料。應(yīng)用于防火、防盜、光譜儀、紅外測(cè)溫儀、熱象儀、紅外遙感技術(shù)等。二、光子探測(cè)器光以光速c傳播，其波長(zhǎng)c/f光是一種稱為光子的物質(zhì)組成，兼有波和粒子的特性。光是一種電磁波，其能量E和振蕩頻率的關(guān)系為頻率越高，能量越大。E=hf普朗克常數(shù):h=6.62610–34(J·s)光電效應(yīng)：物體吸收能量為E的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。外光電效應(yīng)：當(dāng)物體在光的作用下能使物體中的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象。如金屬和金屬氧化物。內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)物體在光的作用下所釋放的電子不逸出物體表面，而只在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)并使其電特性發(fā)生變化。常在半導(dǎo)體材料內(nèi)。根據(jù)愛(ài)因斯坦假設(shè)：一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子。光子具有的能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，這時(shí)逸出表面的電子就具有動(dòng)能（一）光電發(fā)射型（外光電效應(yīng)）光電子逸出時(shí)所具有的初始動(dòng)能EK與光的頻率有關(guān)。能激發(fā)電子逸出的頻率限稱為“紅限”，

fkA0/h其波長(zhǎng)也稱為臨界波長(zhǎng)。光電倍增管結(jié)構(gòu)如圖。光電轉(zhuǎn)換分為光電發(fā)射和電子倍增兩個(gè)過(guò)程

（二）光電導(dǎo)型（內(nèi)，半導(dǎo)體）在光線作用下其電阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。具有這種性質(zhì)的材料稱為光敏電阻，也叫光導(dǎo)管。光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子—空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。光敏二極管、光敏三極管外形

（四）光電伏特型（半導(dǎo)體）是自發(fā)電式的，有源器件。即是說(shuō)，受光照射時(shí)就產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，而不需要外部電源。這種因光照而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。用可見(jiàn)光作光源的光電池是最常用的光生伏特型元件。它是大面積的pn結(jié)。**CCD和PSD后敘光電池外形光敏面較大電流的大面積光電池外形三、測(cè)量電路

（一）光電管的測(cè)量電路1.真空光電管的測(cè)量電路2.光電倍增管的測(cè)量電路當(dāng)測(cè)量穩(wěn)定的輻射源時(shí),各電容可省去,此時(shí)往往電源的正端接地。當(dāng)輻射源為脈沖通量時(shí),電源的負(fù)端接地。（二）半導(dǎo)體光電元件的測(cè)量電路

光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量煙霧報(bào)警煙霧報(bào)警器吸收式光電傳感器反射式光電傳感器光電自動(dòng)門表面質(zhì)量濁度計(jì)光電轉(zhuǎn)速表光電傳感器光電式帶材跑偏檢測(cè)器

遮光式光電傳感器當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

光線被遮斷（報(bào)警）

當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。

光幕應(yīng)用三維尺寸檢測(cè)寬度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量高度測(cè)量

光幕應(yīng)用（續(xù)）集成IC溫度測(cè)量人體額溫測(cè)量耳溫儀紅外線輻射溫度計(jì)在非接觸溫度測(cè)量中的應(yīng)用利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測(cè)物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）用于食品溫度測(cè)量（二）脈沖式光電傳感器作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)，也稱光電元件的開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。光電管在電影放映機(jī)上的應(yīng)用條形碼掃描筆送料器定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)落料口遮斷式光電開關(guān)（計(jì)數(shù)）光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用漫反射型光電開關(guān)的應(yīng)用第三節(jié)光纖傳感器1970年，美國(guó)研制成功傳輸損耗為20dB/km的石英質(zhì)玻璃光導(dǎo)纖維（又稱光學(xué)纖維），這是光通訊史上一個(gè)劃時(shí)代的貢獻(xiàn)。1979年，日本又研制成功傳輸損耗僅為0.2db/km的光導(dǎo)纖維。與常規(guī)的傳感器相比：1）抗電磁干擾能力強(qiáng)2）靈敏度高3）重量輕，體積小4）適用于遙測(cè)各種裝飾性光導(dǎo)纖維

光的全反射一、光導(dǎo)纖維

（一）光導(dǎo)纖維（光纖）的結(jié)構(gòu)：光導(dǎo)纖維是一種傳輸光信號(hào)的導(dǎo)光纖維，它由石英玻璃或塑料制成，由導(dǎo)光的纖芯及包層組成。其導(dǎo)光能力主要取決于纖芯折射率n1和包層的折射率n2（n1>n2）

，它們的相對(duì)折射率差=1-n2/n1，一般為0.005~0.14。(二)光導(dǎo)纖維的工作原理光纖工作的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。從光密媒介（n1）射入光疏媒介（n2）時(shí)，有反射和折射，由斯乃爾定律（法則），11122=90°01>C1<C0折射率n2折射率n1入射光反射光折射光全反射光(a)(b)(c)1=C當(dāng)

1>

c，光不再折射，只有反射，這種反射稱為全內(nèi)反射。必須強(qiáng)調(diào)只有n2<n1才會(huì)發(fā)生全內(nèi)反射。所以當(dāng)入射角1csin-1n2/n1時(shí)，射入的光線在光纖的界面上產(chǎn)生全內(nèi)反射，并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面?？梢?jiàn)，這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由很多直線的全內(nèi)反射所組成。當(dāng)

1=

c，2=90°，臨界角c為：數(shù)值孔徑是光纖的一個(gè)基本參數(shù)，它決定了c，反映了光纖的集光能力。纖芯與包層的折射率差越大，光纖的集光能力越強(qiáng)。按斯乃爾定律，在端面入射的光滿足全內(nèi)反射條件時(shí)入射角c為NA—光纖的數(shù)值孔徑，而n0

=1，（三）光纖的種類1.按材料分：玻璃光纖和塑料光纖2.按傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w：纖芯直徑很?。?~10m），只能傳播一個(gè)模；多模光纖：纖芯直徑較大（50m以上），能傳播幾百個(gè)以上的模。3.按折射率分布規(guī)律分：a.梯度型(也稱漸變型)，也稱自聚焦光纖b.階躍型(也稱臺(tái)階型)c.單孔型二、光纖傳感器它具有“傳”和“感”的兩種功能。按工作原理分為兩類；一類是利用光纖本身具有的某種敏感功能，稱為功能型（FF型，F(xiàn)unctionalFiber）也稱物性型、傳感型。另一類是光纖僅僅起傳輸光波作用，必須在光纖端面加裝其它敏感元件才能構(gòu)成傳感器的非功能型（NFF型NonFunctionalFiber）也稱結(jié)構(gòu)型、傳光型。（一）FF型光纖傳感器這類主要是單模光纖。光纖既傳光，又是敏感元件，它是靠被測(cè)物理量調(diào)制或影響光纖特性，把被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。因此這一類光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等。光源光敏元件被測(cè)對(duì)象光導(dǎo)纖維（二）NFF型光纖傳感器NFF型中，光纖只“傳”不“感”。它又可分為兩種：a）把敏感元件置于發(fā)送、接受的光纖中間；b）在光纖終端設(shè)置“敏感元件+發(fā)光元件”的組合體。光源光敏元件敏感元件測(cè)得信息輸入輸出被測(cè)對(duì)象光敏元件敏感元件+發(fā)光元件光導(dǎo)纖維被測(cè)對(duì)象測(cè)得信息應(yīng)用舉例：

微彎型光纖敏感元件：（光強(qiáng)調(diào)制型）FF型可測(cè)力、位移、聲壓等物理量。光纖電流傳感器：（光偏振調(diào)制型）FF型旋光效應(yīng)：即法拉第效應(yīng)。在大電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，處在磁場(chǎng)中的光纖會(huì)使其中傳播的光發(fā)生偏振面的旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)角度與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中的光纖長(zhǎng)度L成正比。=VHLV—光纖的弗爾徳常數(shù)。由于載流導(dǎo)線在周圍空間產(chǎn)生的磁場(chǎng)滿足安培環(huán)路定律：H=I/2R。因此只要測(cè)出并知道L和R值，就可求得電流I。光纖位移傳感器：NFF型實(shí)際是由許多根光纖組成的光纜。組合方式有：混合式、對(duì)半分式、共軸內(nèi)發(fā)射分布。多模光纖傳感器（瞬逝波光纖位移傳感器）測(cè)量范圍為光波波長(zhǎng)量級(jí)，靈敏度達(dá)納米量級(jí)。光纖加速度傳感器：NFF型光纖壓力傳感器：NFF型光纖溫度傳感器：NFF型

利用熱光效應(yīng)，某些液體或固體在溫度不同時(shí)，透光率和反射率發(fā)生變