傳感器與自動(dòng)檢測技術(shù)（第二版）光電式傳感器

4.1光電效應(yīng)與光電元件4.2光電式傳感器4.3光纖傳感器4.4紅外傳感器

光電元件是把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕钠骷?。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因此在工業(yè)自動(dòng)化裝置和機(jī)器人中獲得了廣泛應(yīng)用。

光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)換器件的傳感器?？捎糜跈z測直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。罐裝生產(chǎn)流水線動(dòng)畫演示光的特性光波是波長為10～106nm的電磁波。紫藍(lán)綠黃橙紅380nm780nm

光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。包括外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。4.1光電效應(yīng)與光電元件4.1.1光電效應(yīng)1.外光電效應(yīng)（光電發(fā)射效應(yīng)）在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)?；谕夤怆娦?yīng)的光電元件有光電管等。外光電效應(yīng)動(dòng)畫演示1905年德國物理

學(xué)家愛因斯坦用光量

子學(xué)說解釋了光電發(fā)

射效應(yīng)，并為此而獲

得1921年諾貝爾物理

學(xué)獎(jiǎng)。他的研究推動(dòng)

了量子力學(xué)的發(fā)展。光電管基于外光電效應(yīng)的光電元件光電倍增管當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。2.內(nèi)光電效應(yīng)根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。光電導(dǎo)效應(yīng)動(dòng)畫演示（1）在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電元件有光敏電阻（2）在光線作用下，能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元件有光敏晶體管和光電池。基于光生伏特效應(yīng)的光電元件光敏二極管光敏三極管光電池4.1.2光電元件1.光電管

由真空管、光電陰極K和光電陽極A組成

當(dāng)一定頻率光照射到光電陰極時(shí)，陰極發(fā)射的電子在電場作用下被陽極所吸引，光電管電路中形成電流，稱為光電流。

不同材料的光電陰極對不同頻率的入射光有不同的靈敏度，人們可以根據(jù)檢測對象是紅外光、可見光或紫外光而選擇陰極材料不同的光電管。

在光通量不太大時(shí)，光電特性基本是一條直線。光通量φ：人眼所能感覺到的輻射功率。單位：lm（流明）

適用場合：分光光度計(jì)、光電比色計(jì)等分析儀器和各種自動(dòng)裝置。現(xiàn)在使用較少。I0/μAΦ/lm02.光敏電阻光敏電阻具有很高的靈敏度及很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)，而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。（1）光敏電阻的符號和結(jié)構(gòu)（2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性①暗電阻、亮電阻、光電流光敏電阻的暗電阻越大而亮電阻越小,則靈敏度越高、性能越好。暗電阻：置于室溫、全暗條件（1～100MΩ）亮電阻：置于室溫、一定光照條件（幾百到數(shù)千歐）暗電流亮電流光電流是亮電流與暗電流之差②光照特性表示在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。光照度：被攝主體表面單位面積上受到的的光通量。單位：勒克斯（lux或lx）③光譜特性

光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)。硫化鉛光敏電阻在較寬的光譜范圍內(nèi)均有較高的靈敏度，峰值在紅外區(qū)域；硫化鎘、硫化鉈的峰值在可見光區(qū)域。在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類結(jié)合起來考慮。④伏安特性在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系。曲線1、2分別表示照度為零及照度為某值時(shí)的伏安特性。在一定的光照度下，所加的電壓越大，光電流越大，而且無飽和現(xiàn)象。⑤頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。不同材料的光敏電阻時(shí)延特性不同，頻率特性也不同。多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，響應(yīng)時(shí)間：10-1～10-3s。不能用在要求快速響應(yīng)的場合。⑥溫度特性隨著溫度升高，光敏電阻的暗電阻和靈敏度下降。硫化鎘的光電流I和溫度T的關(guān)系如下圖所示。有時(shí)為了提高靈敏度，或?yàn)榱四軌蚪邮蛰^長波段的輻射，將元件降溫使用。

適用場合：不宜作線性測量元件，一般用作開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。使用在要求不高的場合。3.光敏晶體管光敏晶體管是光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管的統(tǒng)稱。（1）光敏晶體管的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏二極管在電路中一般加反偏電壓，不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏二極管

光敏三極管有NPN型和PNP型兩種。

光敏三極管在光照作用下，產(chǎn)生基極電流，即光電流，與普通三極管的放大作用相似，在集電極上則產(chǎn)生是光電流β倍的集電極電流，所以光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。（2）光敏晶體管的基本特性

光敏晶閘管也稱光控晶閘管，它由PNPN四層半導(dǎo)體構(gòu)成，其工作原理是由光敏二極管與普通晶閘管的工作原理組合而成。①光譜特性硅管峰值波長為0.9μm——可見光或赤熱狀態(tài)物體鍺管峰值波長為1.5μm——紅外光②伏安特性右圖所示為鍺光敏三極管的伏安特性曲線。光敏三極管在不同照度Ee下的伏安特性，就像一般三極管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏三極管看成一般的三極管。③光電特性光敏晶體管的輸出電流Ie和光照度Ee之間關(guān)系可近似地看作線性關(guān)系。④溫度特性鍺光敏晶體管的溫度變化對輸出電流的影響較小，主要由光照度所決定，而暗電流隨溫度變化很大。所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。⑤響應(yīng)時(shí)間硅和鍺光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間分別為l0-6s和l0-4s左右，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比相應(yīng)的二極管約慢一個(gè)數(shù)量級，因此，在要求快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率較高時(shí)選用硅光敏二極管較合適。（3）特點(diǎn)：

光電特性線性好、受溫度影響小、響應(yīng)時(shí)間短、靈敏度高、可靠性高。適用場合：

用于模擬量、數(shù)字量的測量及要求快速響應(yīng)的場合，廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。4.光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢。（1）光電池的符號、結(jié)構(gòu)和工作原理（2）光電池基本特性①光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動(dòng)勢是不同的，它們和光照度之間的關(guān)系就是光照特性。

光電池作為測量元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式使用。②負(fù)載特性（輸出特性）光電池作為電池使用。在光電池兩端加一個(gè)負(fù)載就會有電流流過，當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，電流較小而電壓較大；當(dāng)負(fù)載很大時(shí)，電流較大而電壓較小。我們可改變負(fù)載電阻的值來測定硅光電池的負(fù)載特性。③光譜特性一般光電池的光譜響應(yīng)特性表示在入射光能量保持一定的條件下，光電池所產(chǎn)生短路電流與入射光波長之間的關(guān)系。下圖所示為硅光電池的光譜特性曲線。曲線1為硒光電池，曲線2為硅光電池。（3）特點(diǎn)：

適用場合：

短路電流的光照特性線性好，受溫度影響較小，硅光電池頻率響應(yīng)較好。

可用于模擬量、數(shù)字量的測量及響應(yīng)較快的場合。太陽能手機(jī)充電器硅光電池太陽能電池光電傳感器的組成

光源光學(xué)元件光電元件測量轉(zhuǎn)換電路光路光路光電元件：將光量變?yōu)殡娏康脑?/p>

光源：各種白熾燈和發(fā)光二極管。光學(xué)元件：多種反射鏡、透鏡和半透半反鏡等。光路：空氣---光電傳感器；光纖---光纖傳感器。4.2光電傳感器

按輸出量性質(zhì)可分為：

模擬輸出型（模擬式）光電傳感器和數(shù)字輸出型（脈沖式）光電傳感器光電傳感器屬于非接觸式測量方式。

按被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，光電式傳感器的應(yīng)用分為以下四種基本類型：4.2.1光電傳感器的類型1.輻射型光源本身是被測物，由被測物發(fā)出的光通量到達(dá)光電元件上。光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。如：光電比色溫度計(jì)、光照度計(jì)等。被測物光電元件例：光電高溫計(jì)和比色高溫計(jì)的傳感器光通量和光譜密集度分布是溫度的函數(shù)2.吸收型恒定光源發(fā)出的光通量穿過被測物，部分被吸收后到達(dá)光電元件上。吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。

如：測液體、氣體的透明度或混濁度的光電比色計(jì)或混濁度計(jì)、煙塵濃度計(jì)等。被測物光電元件恒光源3.遮擋型恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過被測物遮擋一部分后照射到光電元件上。光電元件的輸出反映了被測物尺寸等參數(shù)。如：測元件尺寸、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等。被測物光電元件恒光源4.反射型恒定光源發(fā)出的光通量到達(dá)被測物被反射出來投射到光電元件上。光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。如：測紙張白度、零件表面粗糙度、光電轉(zhuǎn)速表、激光測距等。被測物光電元件恒光源注意：恒定光源特指輻射強(qiáng)度和波譜分布都不隨時(shí)間變化的光源。

對于模擬量的檢測，一般要有參比信號和溫度補(bǔ)償措施，用來消除或削弱背景光及溫度等因素對光電元件的影響。1.光電比色溫度計(jì)問題的提出：高溫測量，物體輻射出的光波與溫度有關(guān)。掃描式光電比色溫度計(jì)（光源本身是被測物，即輻射型）哪一種應(yīng)用類型？4.2.2光電傳感器的應(yīng)用

原理：根據(jù)熱輻射定律，使用光電池進(jìn)行非接觸測溫。根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個(gè)特定波長λ1、λ2上的輻射強(qiáng)度Iλ1、Iλ2之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系。

、—與、及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)黑度：物體的實(shí)際輻射能力與同溫度下絕對黑體的輻射能力之比值。絕對白體：凡是將輻射熱全部反射的物體。絕對黑體：凡是將輻射熱全部吸收的物體。絕對透明體（熱透體）：凡是將輻射熱全部透過的物體。光闌：光具組件中對光束起限制作用的光學(xué)元件。主要用于調(diào)節(jié)通過的光束的強(qiáng)弱等。光電比色溫度計(jì)光路原理圖被測對象物鏡半透半反鏡光闌反射鏡目鏡觀察者的眼睛硅光電池1光導(dǎo)棒分光鏡濾光片硅光電池2光線λ1光線λ2分光鏡的功能：使紅外光通過，可見光反射。光電比色溫度計(jì)電路原理框圖硅光電池1RfRf運(yùn)算電路顯示器I1I2U1U2硅光電池2而I1正比于Iλ1所以U1正比于Iλ1λ1Iλ1λ2Iλ22.光電式煙塵濃度計(jì)

問題的提出：為了控制和減少煙塵的排放量或及時(shí)發(fā)現(xiàn)樓宇火災(zāi)，對煙塵的監(jiān)測是必須的。

原理：恒定光源發(fā)出的光通量透過被測物，由被測物吸收一部分后到達(dá)光電元件上。（吸收型）

哪一種應(yīng)用類型？光電式煙塵濃度檢測動(dòng)畫演示光電式煙塵濃度計(jì)原理圖光源聚光透鏡半透半反鏡反射鏡被測煙塵光電池1光電池2RfRf運(yùn)算電路顯示器I1I2U1U2光源聚光透鏡半透半反鏡反射鏡被測煙塵光電池1光電池2RfRf運(yùn)算電路顯示器I1I2U1U2

提問：1、有參比信號嗎？如何獲得？

2、采用參比通道獲得參比信號的好處？參比通道參比信號好處：當(dāng)光源的光通量由于種種原因有所變化或因環(huán)境溫度變化引起光電池靈敏度改變時(shí)，由于兩個(gè)通道結(jié)構(gòu)完全一樣，在最后運(yùn)算U1/U2值時(shí)，上述誤差可自動(dòng)抵消，減小了測量誤差。光源聚光透鏡半透半反鏡反射鏡被測煙塵光電池1光電池2RfRf運(yùn)算電路顯示器I1I2U1U2參比通道參比信號3.光電式邊緣位置檢測器

問題的提出：帶型材料在生產(chǎn)過程中偏離正確的位置如何進(jìn)行糾偏控制。

原理：恒定光源發(fā)出的光通量經(jīng)過被測物遮擋一部分后，另一部分照射到光電元件上。（遮擋型）哪一種應(yīng)用類型？光電式邊緣位置檢測器光路圖

光源透鏡光敏電阻被測帶材暗亮光電式邊緣位置檢測器測量電路圖

R2R1R3RPRRRfRfUoUcc測量用光敏電阻補(bǔ)償用光敏電阻遮光罩溫度補(bǔ)償注意問題：（2）橋路及運(yùn)算放大器組成，接入?yún)⒈裙饷綦娮?；?）起始時(shí)，光路一半遮擋一半透過；（3）光敏電阻一般不能作模擬量測量，這里對測量精確度要求不高（Uo用于控制）。若要求精確測量呢？光敏電阻線性較差

光控小夜燈在居室周圍環(huán)境燈光很暗或沒有燈光的情況下，晚上起夜若開燈會感到燈光比較刺眼。因此市場上出現(xiàn)了一種“小夜燈”，采用簡單的電子整流器和日光燈管制成，亮度跟月光差不多。但缺點(diǎn)是耗電比較大，壽命短。下圖所示的光控小夜燈采用LED制作，極大地延長了使用壽命，并且減少了耗電量。4.2.3光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例4.3光纖傳感器

光（導(dǎo)）纖（維）是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地。

目前，已研發(fā)出測量位移、速度、加速度、壓力、溫度、流量、電場、磁場等各種物理量的數(shù)百種光纖傳感器。當(dāng)光纖受到外界環(huán)境因素的影響，如溫度、壓力、電場、磁場等條件變化時(shí)，光纖的傳輸特性將隨之改變，且二者之間存在一定的對應(yīng)關(guān)系，由此便研制出光纖傳感器。用光纖作為功能材料的傳感器

工作原理：通過被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸光的振幅、波長、相位、頻率或偏振態(tài)等發(fā)生變化，再對被調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得出相應(yīng)的被測量。（4）可以用很相近的技術(shù)基礎(chǔ)構(gòu)成傳感不同物理量的傳感器，包括聲場、磁場、壓力、溫度、加速度、轉(zhuǎn)動(dòng)(陀螺)、位移、液位、流量、電流、輻射等；（5）便于與計(jì)算機(jī)和光纖傳輸系統(tǒng)相連，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的遙測和控制；（6）可用于高溫、高壓、強(qiáng)電磁干擾、腐蝕等各種惡劣環(huán)境；（7）結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、耗能少。優(yōu)點(diǎn)：（1）具有很高的靈敏度；（2）頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大；（3）可根據(jù)實(shí)際需要做成各種形狀；4.3.1光纖及其傳光原理

1.光纖的結(jié)構(gòu)中心圓柱體稱為纖芯，由某種玻璃或塑料制成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是一層塑料保護(hù)外套。n1n2n2n1n2纖芯包層涂覆層護(hù)套光導(dǎo)纖維的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯折射率n1略大于包層折射率n2（n1＞n2）。光疏介質(zhì)折射率n2光密介質(zhì)折射率n1n1>n2

2.光纖的傳光原理當(dāng)光線由光密媒質(zhì)(折射率為n1)射入光疏媒質(zhì)(折射率為n2，n1＞n2)時(shí)，若入射角大于等于臨界角f＝sin－1(n2/n1)，在媒質(zhì)界面上會發(fā)生全反射現(xiàn)象。

——基于光的全反射

光線在光纖端面入射角θi減小到某一角度θmax時(shí)，光線全部反射。只要θi＜θmax，光在纖芯和包層界面上反復(fù)地發(fā)生全反射而向前傳播，最后從另一端面射出。3.光纖的主要參數(shù)1）數(shù)值孔徑光從空氣入射到光纖輸入端面時(shí)，處在某一角錐內(nèi)的光線一旦進(jìn)入光纖，就將被截留在纖芯中，此光錐半角（qC）的正弦稱為數(shù)值孔徑。數(shù)值孔徑NA反映了光纖與光源或探測器等元件耦合時(shí)的耦合效率，只有入射光處于2qC的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。2）光纖的傳輸模式（1）單模光纖傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，制成的傳感器比多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動(dòng)態(tài)測量范圍。但由于纖芯太小，制造、連接和耦合都很困難。只允許一束光傳播（2）多模光纖性能較差，但纖芯截面大，容易制造，連接耦合也比較方便。這種光纖常用于非功能型光纖傳感器。允許許多束光在光纖中同時(shí)傳播3）傳輸損耗光波在光纖中傳輸，隨著傳輸距離的增加，光功率逐漸下降，這就是光纖的傳輸損耗。4）色散光纖的色散是由于光信號中的不同頻率成分或不同的模式，在光纖中傳輸時(shí)，由于速度不同而使得傳播時(shí)間不同，從而產(chǎn)生波形畸變的現(xiàn)象。當(dāng)輸入光束是光脈沖時(shí)，隨著光的傳輸，光脈沖的寬度可被展寬，如果光脈沖變得太寬以致發(fā)生重疊或完全吻合，施加在光束上的信息就會喪失。這種光纖中產(chǎn)生的脈沖展寬現(xiàn)象稱為色散。表4-1常用光纖類型及參數(shù)類

型折射率分布纖芯直徑/μm包層直徑/mm數(shù)值孔徑單

模2～880～1250.10～0.15多模階躍光纖(玻璃)80～200100～2500.1～0.3多模階躍光纖(玻璃/塑料)200～1000230～12500.18～0.50多模梯度光纖50～100125～1500.1～0.2利用全反射原理制成的光纖燈飾光纖裝飾玩具專用的光纖連接頭及光纖插座光纖中繼轉(zhuǎn)換器

精密光纖耦合器

1.光纖傳感器的基本組成主要包括光纖、光源、光探測器三個(gè)重要部件。4.3.2光纖傳感器的組成及分類

（1）光源：分為相干光源(各種激光器)和非相干光源(白熾燈、發(fā)光二極管)。實(shí)際中，一般要求光源的尺寸小、發(fā)光面積大、波長合適、足夠亮、穩(wěn)定性好、噪聲小、壽命長、安裝方便等。（2）光探測器：包括光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管、光電池等。光探測器在光纖傳感器中有著十分重要的地位，它的靈敏度、帶寬等參數(shù)將直接影響傳感器的總體性能。光的干涉：振動(dòng)頻率和方向相同、相位差恒定的兩列光相遇時(shí)，某些地方振動(dòng)加強(qiáng)（顯得明亮），而另一些地方振動(dòng)減弱（顯得暗淡）的現(xiàn)象。兩束滿足相干條件的光稱為相干光。2.光纖傳感器的分類光纖傳感器一般可分為功能型和非功能型兩大類。（1）功能型光纖傳感器

又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是敏感元件?！垂饫w的作用（2）非功能型光纖傳感器又稱傳光型光纖傳感器，主要使用多模光纖。它是利用在兩根光纖中間或光纖端面放置敏感元件來感受被測量的變化，光纖僅起傳光作用。1.光纖溫度傳感器4.3.3光纖式傳感器應(yīng)用技術(shù)

保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器按調(diào)制原理分為相干型和非相干型兩類。在相干型中有偏振干涉、相位干涉以及分布式溫度傳感器等；在非相干型中有輻射溫度計(jì)、半導(dǎo)體吸收式溫度計(jì)以及熒光溫度計(jì)等。（1）半導(dǎo)體吸收式溫度傳感器半導(dǎo)體材料的光吸收和溫度的關(guān)系曲線半導(dǎo)體材料的吸收邊波長λg(T)隨溫度增加而向較長波長方向位移。若能適當(dāng)選擇發(fā)光二極管，使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域，即可做成透射式光纖溫度傳感器。透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)隨溫度升高而減少。光源為發(fā)光二極管，測溫介質(zhì)為測量光纖上的半導(dǎo)體材料。參考光纖上面沒有敏感材料，采用除法器消除外界干擾，提高測量精度。測溫范圍在40℃～120℃之間，精度為±1℃。雙光纖參考基準(zhǔn)通道法半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器電路原理圖非功能型即傳光型光纖傳感器的類型？參比信號（2）干涉型光纖溫度傳感器溫度變化引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔蛔兓?，利用光纖干涉儀檢測相位變化即可測得溫度。馬赫-曾特爾干涉儀測溫原理圖功能型即傳感型光纖傳感器的類型？參比信號

2.光纖位移傳感器（1）反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器通過改變反射面與光纖端面之間的距離來調(diào)制反射光的強(qiáng)度。Y形光纖束由幾百根至幾千根直徑為幾十mm的階躍型多模光纖集束而成。它被分成纖維數(shù)目大致相等、長度相同的兩束。非功能型即傳光型發(fā)送光纖束和接收光纖束在匯集處端面的分布有多種，如隨機(jī)分布、對半分布、同軸分布(分為接收光纖在外層和接收光纖在內(nèi)層兩類)。發(fā)送光纖束和接收光纖束的匯集處端面可知，隨機(jī)分布時(shí)傳感器的靈敏度和線性都較好。AB段的靈敏度和線性好，但測量范圍小，CD段的斜率小即靈敏度低，但線性范圍寬。1-隨機(jī)分布；2-對半分布；3-同軸分布；4-同軸分布反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系曲線光纖位移傳感器一般用來測量小位移。最小能檢測零點(diǎn)幾mm的位移量。已在鍍層不平度、零件橢圓度、錐度、偏斜度等測量中得到應(yīng)用，還可以用來測量微弱振動(dòng)，而且是非接觸測量。1-隨機(jī)分布；2-對半分布；3-同軸分布；4-同軸分布反射光強(qiáng)與位移的關(guān)系曲線（2）干涉型光纖位移傳感器和反射強(qiáng)度調(diào)制型位移傳感器相比，測量范圍大，測量精度高。物光和參考光干涉，在全息干板上形成干涉條紋。如因被測物體位移變化引起四面體移動(dòng)時(shí)，由于光程差變化而使干涉條紋移動(dòng)，從干涉條紋的移動(dòng)量可以確定位移的大小。測量位移的邁克爾遜干涉儀基本原理圖1-氦氖激光器；2-分束器；3-擴(kuò)束鏡；4-反射鏡；5-可移動(dòng)四面體棱鏡；6-全息照片；7-光纖參考臂；8-光探測器；9-可逆計(jì)數(shù)器；10-光闌非功能型即傳光型3.光纖流量、流速傳感器（1）光纖渦流流量計(jì)采用一根橫貫液流管的大數(shù)值孔徑的多模光纖作為傳感元件。光纖受到液體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)頻率與液體的流速有關(guān)。當(dāng)光通過未受擾動(dòng)的光纖時(shí)，如果光纖直徑為200mm～300mm，在距離光纖端面約15～20cm的地方可以觀察到清晰而穩(wěn)定的斑圖，但它的分布是無規(guī)則的。當(dāng)光纖振動(dòng)時(shí)，這些斑圖就會不斷地振動(dòng)，如用光探測器接收斑圖的一個(gè)小區(qū)域，即可通過頻譜儀讀出光纖振動(dòng)的頻率。由公式算出流速，得出流量。這種流量計(jì)結(jié)構(gòu)簡單而且安全可靠，可用于易燃、易爆及有腐蝕性的液體測量。因?yàn)楣饫w直徑很細(xì)，對流體的流阻小，對流場幾乎沒有影響，不足之處是對低速流體不敏感。功能型即傳感型（2）光纖多普勒血流傳感器

利用多普勒效應(yīng)可構(gòu)成光纖速度傳感器。由于光纖很細(xì)(外徑約幾十mm)，能裝在注射器針頭內(nèi)，插入血管中。又由于光纖速度傳感器沒有觸電的危險(xiǎn)，所以用于測量心臟內(nèi)的血流十分安全。光纖多普勒血流傳感器原理圖光纖液位檢測功能型即傳感型非功能型即傳光型光纖放大傳感器光纖傳感器.光電眼4.4紅外傳感器

紅外傳感器是以紅外線為介質(zhì)將被測量轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，可實(shí)現(xiàn)紅外熱成像、紅外搜索（跟蹤目標(biāo)、確定位置、紅外制導(dǎo)）、紅外輻射測量、通信、測距和紅外測溫等。紅外傳感器主要由紅外輻射源和紅外探測器兩部分組成。有紅外輻射的物體能將紅外輻射能轉(zhuǎn)換為電能的器件或裝置紅外輻射是介于可見光和微波之間的電磁波，是一種不可見光，其光譜位于可見光中的紅色以外，所以俗稱紅外線，波長約0.75～1000μm。按照與可見光的距離，通常將紅外輻射分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外、極遠(yuǎn)紅外四個(gè)波段。4.4.1紅外輻射自然界中任何物體，只要溫度高于絕對零度，都會有一部分能量以電磁波形式向外輻射，溫度越高，紅外輻射的能量越強(qiáng)。由于散射作用及介質(zhì)的吸收，紅外線不具有穿過遮擋物去控制被控對象的能力，輻射距離一般為幾米到幾十米或更遠(yuǎn)一些。紅外線的特點(diǎn)：（1）紅外線易于產(chǎn)生，容易接收；（2）紅外發(fā)光二極管結(jié)構(gòu)簡單，易于小型化且成本低；（3）紅外線調(diào)制簡單，依靠調(diào)制信號編碼可實(shí)現(xiàn)多路控制；（4）紅外線不能通過遮擋物，不會產(chǎn)生信號串?dāng)_等誤動(dòng)作；（5）功率消耗小，反應(yīng)速度快；（6）對環(huán)境無污染，對人、物無損害；（7）抗干擾能力強(qiáng)。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，可分為熱探測器和光子探測器兩大類。4.4.２

紅外探測器１.熱探測器熱探測器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)制成，當(dāng)器件吸收輻射能時(shí)溫度上升，溫升引起材料各種有賴于溫度的參數(shù)變化（如熱釋電電荷、熱敏電阻阻值、熱電偶電勢、氣體壓強(qiáng)變化等），檢測其變化，即可探知輻射的存在和強(qiáng)弱。熱探測器主要有四種類型：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型。探測率最高，頻率響應(yīng)最寬（1）熱釋電效應(yīng)熱釋電晶體是把具有熱釋電效應(yīng)的晶體薄片兩面鍍上電極（類似電容），將透明電極涂上黑色膜使晶體吸收紅外線。晶體本身具有一定極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）P，并與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的晶體薄片表面時(shí)，薄片溫度升高，使極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以稱為熱釋電。調(diào)制光使溫度變化熱釋電元件的溫度一定時(shí)，因極化產(chǎn)生的電荷被附集在外表面的自由電荷慢慢中和掉，不顯電特性，要讓熱釋電元件顯現(xiàn)出電特性，必須用光調(diào)制器使其溫度變化。調(diào)制器的入射光頻率必須大于電荷中和時(shí)間的頻率。。熱釋電元件表面電荷隨溫度變化的過程鐵電體在溫度變化時(shí)，極化強(qiáng)度發(fā)生變化，無論溫度上升還是下降，介質(zhì)從帶電到不帶電有一個(gè)中和時(shí)間，為使電荷不被中和掉，必須使晶體處于冷熱交替變化的工作狀態(tài)，使電荷表現(xiàn)出來，表面才能產(chǎn)生電荷。（2）熱釋電元件的等效電路熱釋電元件是電荷存儲元件，傳感器可視為電流源，電流大小與溫度隨時(shí)間的變化率有關(guān)，即S：元件面積；P：極化強(qiáng)度；g：熱釋電系數(shù)熱釋電元件只有在溫度變化時(shí)才產(chǎn)生電流、電壓，其輸出電壓為Z：熱釋電元件的等效阻抗元件結(jié)構(gòu)等效電路市場購買的普通熱釋電元件已經(jīng)將前極的VF和輸入電阻Rd安裝在管殼中，VF起到阻抗變換的作用。T為熱釋電晶體，Rd是輸入絕緣電阻，RL為外接負(fù)載電阻。由于熱釋電元件絕緣電阻很高，高達(dá)幾十至幾百兆歐，容易引入噪聲，使用時(shí)要求有較高的輸入電阻。窗口選用不同材料做濾光器，使器件具有一定波長選擇范圍2.光子探測器（量子型）光子探測器是利用紅外輻射的光電效應(yīng)制成，通過改變電子能量的狀態(tài)引起電學(xué)現(xiàn)象。光子探測器主要有：（1）光電導(dǎo)型(PC)。利用光敏電阻受光照后引起電阻變化；（2）光電型(PV)。由于光照產(chǎn)生光生電子-空穴對，形成光生電動(dòng)勢；（3）光電磁型(PEM)。器件利用光電磁效應(yīng)，加電場和磁場的同時(shí)產(chǎn)生與光照成正比的感應(yīng)電荷；（4）肖特基型(ST)。利用金屬與半導(dǎo)體接觸形成肖特基勢壘隨光照而變化。表4-2熱探測器與光子探測器的性能比較4.4.3紅外傳感器的應(yīng)用

紅外傳感器普遍用于紅外測溫、遙控器、紅外攝像機(jī)、夜視鏡等，紅外攝像管成像，電荷耦合器件(CCD)成像是目前較為成熟的紅外成像技術(shù)。許多場合人們不僅需要知道物體表面平均溫度，更需要了解物體的溫度分布情況，以便分析研究物體的結(jié)構(gòu)內(nèi)部缺陷和狀況，紅外成像技術(shù)就是將物體的溫度分布以圖像的形式直觀地顯示出來。1．工業(yè)紅外熱成像儀工業(yè)現(xiàn)場利用熱成像技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測是最新的測量技術(shù)之一，通過測量熱流或熱量來檢測鑒定金屬或非金屬材料的質(zhì)量和內(nèi)部缺陷，稱為紅外無損檢測。特點(diǎn)是非接觸測量，可用于安全距離檢測；可快速掃描設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障；可測量移動(dòng)中目標(biāo)物體。（1）高爐爐襯檢測

高爐是鋼鐵冶金行業(yè)的重要設(shè)備，運(yùn)行的好壞直接關(guān)乎整個(gè)鋼鐵廠全部流程的運(yùn)行，而高爐爐襯嚴(yán)重?fù)p毀會造成高爐無法繼續(xù)生產(chǎn)。紅外熱成像儀可以快速、安全的檢測爐襯磨損，保證設(shè)備的維護(hù)和長久運(yùn)行。（1）高爐爐襯檢測

當(dāng)耐火材料出現(xiàn)裂縫、脫落、局部缺陷時(shí)，高爐表面的溫度場分布不均勻，造成安全隱患。利用紅外熱像儀可以測量出過熱（缺陷）區(qū)的溫度、位置以及分布面積的大小。（2）檢查軸承