傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件第七章

2023/7/271第7章光電式傳感器2023/7/261第7章光電式傳感器2023/7/272引言光電式傳感器是把被測(cè)物理量的變化先轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后再通過光電轉(zhuǎn)換元件把光信號(hào)變換成電信號(hào)的一種傳感器。光電式傳感器的測(cè)量方法靈活多樣，并且具有使用方便、非接觸、高精度、高分辨力、高可靠性和反應(yīng)快等一系列優(yōu)點(diǎn)，因而發(fā)展十分迅速，而且隨著激光、光柵、光導(dǎo)纖維、CCD等器件的相繼問世，光電傳感器在檢測(cè)及自動(dòng)控制領(lǐng)域中得到了更廣泛的應(yīng)用。2023/7/262引言光電式傳感器是把被測(cè)物理量的變化先轉(zhuǎn)2023/7/2737.1.1光電效應(yīng)所謂光電效應(yīng)是指在光的照射下一些金屬、金屬氧化物或半導(dǎo)體材料釋放電子的現(xiàn)象。光子是具有一定能量的微粒，是以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流。每一個(gè)光子都具有一定的能量，它的能量大小E與其頻率

成正比。7.1光電傳感器2023/7/2637.1.1光電效應(yīng)所謂光電效應(yīng)是指在光2023/7/2747.1.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。當(dāng)物體在光的作用下所釋放的電子沒有逸出物體表面，而只在物體的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)并使物體的電學(xué)特性發(fā)生變化的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，內(nèi)光電效應(yīng)多產(chǎn)生于半導(dǎo)體材料內(nèi)。當(dāng)物體在光的作用下使物體中的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，叫做外光電效應(yīng)，外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬或金屬氧化物內(nèi)。2023/7/2647.1.1光電效應(yīng)光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效2023/7/275特點(diǎn)光的波長越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長越長，其光子的能量也就越小。不同顏色的光子由于其光波頻率不同其能量也是不同的，綠光光子比紅光光子具有更多的能量，照射在物體上可看作是一連串具有能量為E的粒子轟擊在物體上。光子與物質(zhì)間的連接體是電子。2023/7/265特點(diǎn)光的波長越短，即頻率越高，其光子的能2023/7/2767.1.2外光電效應(yīng)器件光電管2023/7/2667.1.2外光電效應(yīng)器件光電管2023/7/2777.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的伏安特性曲線2023/7/2677.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的伏安特2023/7/2787.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光照特性2023/7/2687.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光照特2023/7/2797.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光譜特性曲線2023/7/2697.1.2外光電效應(yīng)器件光電管的光譜特2023/7/27107.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管2023/7/26107.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管2023/7/27117.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的工作原理

基于外光電效應(yīng)、二次電子發(fā)射和電子光學(xué)基礎(chǔ)上。在光電倍增管的各倍增電極D1、D2、D3…和陽極上，依次有逐漸增高的正電壓，即陰極電位最低，從陰極開始，各個(gè)倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高，而且相鄰兩極之間電壓應(yīng)使二次發(fā)射系數(shù)大于1。在入射光作用下，光電陰極發(fā)射的光電子在D1電場作用下，以高速向倍增電極D1打去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射電子又在D2電場作用下，射向第二倍增電極，激發(fā)更多的次發(fā)射電子，如此下去，一個(gè)光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此不斷倍增，最后陽極收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105～106倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)到幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬到幾百萬倍。因此，在很微弱的光照下，光電倍增管也能產(chǎn)生很大的光電流。2023/7/26117.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的2023/7/27127.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的主要參數(shù)

（1)倍增系數(shù)M。（2)光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。2023/7/26127.1.2外光電效應(yīng)器件光電倍增管的2023/7/27137.1.3內(nèi)光電效應(yīng)器件光電倍增管的主要參數(shù)

（1）倍增系數(shù)M。（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管的總靈敏度。2023/7/26137.1.3內(nèi)光電效應(yīng)器件光電倍增管的2023/7/27141．光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過載能力強(qiáng)和壽命長等特點(diǎn)2023/7/26141．光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一2023/7/2715（1）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)。光敏電阻受到光照時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)，因而其導(dǎo)電性能增強(qiáng)而電阻R0值下降，所以流過負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓會(huì)發(fā)生變化。一般而言，光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)會(huì)立即消失，電阻又恢復(fù)原值。2023/7/2615（1）光敏電阻的原理和結(jié)構(gòu)。光敏電阻2023/7/2716光敏電阻

當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，阻值減小。2023/7/2616光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到2023/7/2717（2）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性2023/7/2617（2）光敏電阻的基本特性和主要參數(shù)。光2023/7/2718光敏電阻的頻率特性光敏電阻的光譜特性。2023/7/2618光敏電阻的頻率特性2023/7/2719光敏電阻的頻率特性暗電阻、亮電阻與光電流。光敏電阻在受到光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。在沒有受到光照射時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流被稱為暗電流。2023/7/2619光敏電阻的頻率特性2023/7/2720光敏電阻的溫度特性。2023/7/2620光敏電阻的溫度特性。2023/7/27212．光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、光電讀出裝置等場合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開關(guān)電路2023/7/26212．光敏晶體管光敏晶體管包括光敏二極2023/7/2722（1）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理①光敏二極管。通常處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)沒有光照射時(shí)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。1—負(fù)極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡5—正極引腳6—N型襯底7—SiO2保護(hù)圈

8—SiO2透明保護(hù)層9—鋁引出電極10—P型擴(kuò)散層11—PN結(jié)12—金屬引出線2023/7/2622（1）光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理①光2023/7/2723光敏二極管外形

光敏二極管陣列

包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。2023/7/2623光敏二極管外形光敏二極管陣列2023/7/2724紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形

紅外發(fā)射管紅外接收管2023/7/2624紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形紅外發(fā)射管紅外2023/7/2725②光敏三極管集電極電流是原始光電電流的β倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。光敏三極管2023/7/2625②光敏三極管集電極電流是原始光電電2023/7/2726②光敏三極管外形

2023/7/2626②光敏三極管外形2023/7/2727③光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管光敏晶閘管的特點(diǎn)是工作電壓很高，有的可達(dá)數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動(dòng)檢測(cè)控制和日常生活中應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。2023/7/2627③光敏晶閘管光敏晶閘管（LCR）又2023/7/2728光敏晶閘管外形光敏面2023/7/2628光敏晶閘管外形光敏面2023/7/2729（2）光敏晶體管的基本特性。①光譜特性。

2023/7/2629（2）光敏晶體管的基本特性。①光譜2023/7/2730②伏安特性2023/7/2630②伏安特性2023/7/2731③光敏晶體管的光照特性2023/7/2631③光敏晶體管的光照特性2023/7/2732

④光敏晶體管的溫度特性2023/7/2632④光敏晶體管的溫度特性2023/7/2733⑤光敏晶體管的頻率特性2023/7/2633⑤光敏晶體管的頻率特性2023/7/2734.電池光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電池上時(shí)，可以直接輸出光電流。常用的光電池有兩種，一種是金屬—半導(dǎo)體型，另一種是PN結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺光電池等。2023/7/2634.電池光電池的工作原理是基于光生伏特2023/7/2735硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有電流流過2023/7/2635硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理用導(dǎo)線連接P2023/7/2736光電池外形光敏面2023/7/2636光電池外形光敏面2023/7/2737能提供較大電流的大面積光電池外形2023/7/2637能提供較大電流的大面積光電池外形2023/7/2738光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2023/7/2638光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人2023/7/2739典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)1—發(fā)光元件2—接收元件3—?dú)んw

4—導(dǎo)線5—反射物6—窗體2023/7/2639典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)1—發(fā)光元件2023/7/2740

光電開關(guān)外形2023/7/2640光電開關(guān)外形2023/7/2741應(yīng)用范圍用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高—低”之分即可。2023/7/2641應(yīng)用范圍用光電開關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只2023/7/2742光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。2023/7/2642光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝2023/7/27437.1.4光電傳感器的應(yīng)用1、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀煙囪里的煙塵濁度是通過光在煙囪里傳輸時(shí)的變化大小來檢測(cè)的。如果煙塵濁度增加，那么光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射就會(huì)增加，使到達(dá)接收端的光減少，因而光檢測(cè)器輸出的信號(hào)就會(huì)減弱；反之，煙塵濁度減少，光檢測(cè)器輸出的信號(hào)就會(huì)增強(qiáng)。2023/7/26437.1.4光電傳感器的應(yīng)用1、煙塵濁2023/7/27447.1.4光電傳感器的應(yīng)用吸收式煙塵濁度檢測(cè)儀框圖2023/7/26447.1.4光電傳感器的應(yīng)用吸收式煙塵2023/7/27457.1.4光電傳感器的應(yīng)用2、光電轉(zhuǎn)速傳感器

如圖所示為在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)盤，在轉(zhuǎn)盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)由光敏晶體管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。2023/7/26457.1.4光電傳感器的應(yīng)用2、光電轉(zhuǎn)2023/7/27467.1.4光電傳感器的應(yīng)用光電脈沖轉(zhuǎn)換電路2023/7/26467.1.4光電傳感器的應(yīng)用光電脈沖轉(zhuǎn)2023/7/27477.2紅外傳感器紅外傳感器是用來檢測(cè)物體紅外輻射的敏感器件。所謂紅外輻射就是紅外光，紅外光是太陽光譜的一部分，其波長范圍為0.76～1000μm，紅外線在電磁波譜中的位置。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分：近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外和極遠(yuǎn)紅外。2023/7/26477.2紅外傳感器紅外傳感器是用來檢測(cè)2023/7/27487.2.1紅外輻射的基本定律1、斯忒藩—玻爾茲曼定律物體溫度越高，它輻射出來的能量就越大，公式表示為。2023/7/26487.2.1紅外輻射的基本定律1、斯2023/7/27497.2.1紅外輻射的基本定律2、希爾霍夫定律

若幾個(gè)物體處于同一溫度場中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)，這就是希爾霍夫定律。其表示公式為2023/7/26497.2.1紅外輻射的基本定律2、希2023/7/27507.2.1紅外輻射的基本定律3、維恩位移定律

熱輻射發(fā)射的電磁波中包含著各種波長。物體峰值輻射波長

與物體的自身的絕對(duì)溫度

成反比，即2023/7/26507.2.1紅外輻射的基本定律3、維2023/7/27517.2.2紅外傳感器的組成及原理紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、敏感元件（也叫探測(cè)器）、前置放大器和信號(hào)調(diào)制器等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。紅外探測(cè)器是利用紅外輻射與物體相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測(cè)紅外輻射的。紅外探測(cè)器的種類很多，按探測(cè)機(jī)理的不同，分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。2023/7/26517.2.2紅外傳感器的組成及原理紅外2023/7/27527.2.3紅外傳感器的應(yīng)用1、紅外測(cè)溫儀2023/7/26527.2.3紅外傳感器的應(yīng)用1、紅外測(cè)2023/7/27537.2.3紅外傳感器的應(yīng)用2、紅外線氣體分析儀根據(jù)紅外輻射在氣體中的吸收帶的不同，可以對(duì)氣體成分進(jìn)行分析。2023/7/26537.2.3紅外傳感器的應(yīng)用2、紅外線2023/7/2754

7.3光纖傳感器7.3.1光纖傳感器概述20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來

優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機(jī)連接、便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測(cè)量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。2023/7/2654

7.3光纖傳感器7.3.1光2023/7/2755分類光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2～12μm，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。2023/7/2655分類光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功2023/7/2756各種裝飾性光導(dǎo)纖維2023/7/2656各種裝飾性光導(dǎo)纖維2023/7/2757

發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。上海東方明珠2023/7/2657發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光2023/7/27587.3.1光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。1．光纖的結(jié)構(gòu)2023/7/26587.3.1光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光2023/7/2759光纖的結(jié)構(gòu)2023/7/2659光纖的結(jié)構(gòu)2023/7/2760光纖的結(jié)構(gòu)

2023/7/2660光纖的結(jié)構(gòu)2023/7/2761光纖傳感器外形

2023/7/2661光纖傳感器外形2023/7/27627.3.2光纖的分類(1)按光纖的折射率可分為階躍型和梯度型。(2)按傳輸模數(shù)可分為單模光纖和多模光纖2023/7/26627.3.2光纖的分類(1)按光纖的折2023/7/27637.3.3光纖的傳光原理光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。2023/7/26637.3.3光纖的傳光原理光纖的傳輸是2023/7/2764只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA

NA=sinθc=數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。2023/7/2664只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)?？?023/7/27657.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn)光纖傳感器是將光源發(fā)出的光經(jīng)過光纖再送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)如光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光。已調(diào)制的信號(hào)光再經(jīng)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，最終獲得被測(cè)量的參數(shù)。1．光纖傳感器工作原理2023/7/26657.3.4光纖傳感器的工作原理及類型2023/7/27667.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn)按光纖在傳感器中功能的不同，光纖傳感器可分為兩種類型，即非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型)光纖傳感器（又稱光纖式光電傳感器）和功能性(或稱物性型、傳感型)光纖傳感器。前者常使用多模光纖，而后者常使用單模光纖。2、光纖傳感器的類型及組成2023/7/26667.3.4光纖傳感器的工作原理及類型2023/7/2767光纖傳感器組成示意圖2023/7/2667光纖傳感器組成示意圖2023/7/27687.3.4光纖傳感器的工作原理及類型特點(diǎn)（1）抗電磁干擾能力強(qiáng)。常用光纖主要是由電絕緣、耐腐蝕的SiO2做成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場干擾，加之電磁干擾噪聲的頻率與光頻相比很低，對(duì)光波沒有干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光頻性質(zhì)的干擾也很難進(jìn)入光纖。（2）靈敏度高。（3）重量輕、體積小。（4）適于遙測(cè)。可以利用光通訊技術(shù)組成遙測(cè)網(wǎng)。3、光纖傳感器的特點(diǎn)2023/7/26687.3.4光纖傳感器的工作原理及類型2023/7/27