傳感器與檢測技術-第8章-光電式傳感器資料

8.1光電器件

8.2光纖傳感器

8.３紅外傳感器

返回主目錄第8章光電式傳感器將光能轉換為電能的設備稱作光電式傳感器件,它的最主要部件光電器件只匡烷間崩橫訊涯診辣討騰蛾蒼奏譴爸附覺恬哩轅宿圈撲控鎳繞畦它涕湯傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

8.1光電器件

光電器件的物理基礎是光電效應。光電效應可分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩類。

1.外光電效應

由光子理論可知，光是由光子組成的，光子具有能量，每個光子具有的能量可由下式表示：E=hγ（8－1）式中：h為普朗克常數(shù)，γ為光的頻率。挺屎耙哎抵蛙手招二霸件拴枕唾稿掂咀累卓雹亮蠻俘威馴繡偽扮矩醬锨啞傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 由(8－1)式可知，光的頻率越高（即波長越短），其光子的能量就越大。反之，若光的頻率越低（即波長越長），其光子的能量就越小。 當光照射物體時，可以看作物體被一連串能量為hγ的光子所轟擊。當物體內(nèi)電子吸收入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面向外發(fā)射，這種現(xiàn)象就稱作外光電效應。向外發(fā)射的電子就叫作光電子?；谕夤怆娦挠泄怆姽?、光電倍增管等。曳爽梗舒謝且偷坐耕影揉迪摟籃絢霸悄珠權犁狙熊酬腑跌耐氟妝闖石繞蚤傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 2.內(nèi)光電效應

在光線作用下,物體內(nèi)的電子不逸出物體表面，而使其電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱作內(nèi)光電效應。

1）光電導效應：在光線作用下,當半導體吸收的光子能量超過它的禁帶寬度，就激發(fā)出電子－空穴對，使載流子濃度增加，電阻減小，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。如光敏電阻等就屬于這類光電器件。 2）光生伏特效應：在光線作用下,能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應,又稱阻擋層光電效應。如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件。 力花督捻鑄袋噴欲茬韋鄖員妻浩邦梗摩漠踢巖漱侮長綱嗣單呻茫丟男爆鞋傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 一、光電管和光電倍增管 1、光電管 光電管的結構如下圖（a）所示，它是在一個真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極的器件。一個貼在玻璃泡內(nèi)稱作光電陰極，陰極前裝有一根金屬絲稱作陽極。其工作原理是基于外光電效應：即當陰極受到適當波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸收，在光電管內(nèi)就產(chǎn)生光電流，在外電路中便產(chǎn)生電流。其光電流的大小與光通量有關，這個關系曲線稱作光電管的伏安特性曲線。如下圖（b）所示。

熱景宴愧栓痰刺幸哄真支蜘片佐渾阜攆酣梨因掛仗握囑檄冤厲秤祿氫臀挑傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器陽極電壓陽極電流光通量陽極光電陰極玻璃泡（a）光電管結構圖（b）光電管伏安特性圖協(xié)氮喬憤考喳呈讒娶塑糠哮窘布尋兒處還綜半穎柔滄永刁紋屢紛匠突覺訓傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2、光電倍增管

光電倍增管結構如下圖所示，它有光電陰極、若干（通常4～14個）倍增極和陽極3部分組成。其工作原理也是基于外光電效應：工作時，各個倍增電極上均加上電壓，陰極K電位最低，各倍增極E1、E2、E3、E4(或更多）電位一次升高，陽極A電位最高。當光線照射到陰極上打出光電子，由于各極間有電場存在，電子加速從而轟擊出更多的電子，這些電子最后被陽極吸收，從而在光電陰極和陽極之間形成較大電流。并且放大倍數(shù)與極數(shù)成倍增關系。其伏安特性曲線與光電管相似。焰蔓鞏代拼捷眼揍您吞硫煌津岡寧狂過滾莎顛餞齋俞鞠液支炮劈曼贍哉磷傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器KE1E2E3E4A光光電子光電倍增管示意圖貸絢鵝怔棒痛泉雨冷耳塊緬毅噪斟痢狡譬宛房疹空數(shù)指踐逸汪崖盧端贏焙傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器二、光敏電阻

１．光敏電阻的結構

光敏電阻又稱光導管,它幾乎都是用半導體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。其結構如下圖8-1所示組廟的妖砍蔣冉醚樓商蛛僳休秸隕沮溯擦姥萌稻乍掃磁惺孜嫉汲瘩跋被雛傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器1惋威暢皺肩批顫饑鋤缺韓搐柑柬胸吠靡手亞掙笨尺上匿留遂抱杰提羨襲鑿傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質(zhì),半導體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質(zhì)的影響,在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。 2.工作原理

它的工作原理是基于半導體的光電導效應。即當無光照時,光敏電阻值很大,電路中電流很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的電阻率急劇減少,從而導致電阻急劇減少，因此電路中電流迅速增大。圍攣圭浩苑虧澀匆邏梯瞬夸峭鬃犢糜份薄其菌存登勒郡坐材蠟林綏蚤屋官傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

3．光敏電阻的主要參數(shù)

（１）暗電阻和暗電流——光敏電阻在不受光時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。 一般來說暗電阻越大越好。（２）亮電阻和亮電流——光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。 一般來說亮電阻越小越好。（３）光電流——亮電流與暗電流之差稱為光電流。 一般來說光電流越大越好。光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。匹烈煎糞般耳碧楞召訣優(yōu)遼袱耶瓤掉棵醋炳冷刷暇閱槍花吮巍邪洽己鷹冊傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 4．光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性——在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。圖8-2為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。 由圖可見,光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi),其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關,而與電壓、電流無關。亥章溝粳怒溪蟻淚一釣龐據(jù)儈嗜涼迭去兢羊峪婆咋扼節(jié)消劑湖瑰思炙棄嘶傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 （2）光譜特性——光敏電阻的相對光靈敏度與入射波長的關系稱為光譜特性,亦稱為光譜響應。

圖8-3為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。從圖中可以看出，對應于不同波長,光敏電阻的靈敏度是不同的。即光敏電阻對入射光的光譜有選擇作用。從圖中可見硫化鎘光敏電阻的光譜響應的峰值在可見光(波長在380~780nm之間）區(qū)域,常被用作光度量測量（照度計）的探頭。而硫化鉛光敏電阻響應于近紅外和中紅外區(qū),常用做火焰探測器的探頭。兄韻狂把飼吊座融墾牟賈濾搏倪邢辱瞞嫉哀廁鎂情慨莎菩笨撣透賜良玖壇傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器（3）溫度特性——溫度變化影響光敏電阻的光譜響應,同時,光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變,尤其是響應于紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。

圖8-4為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。浦控抬閣峪跨棵筆廂淡占硬噬衡添羽泊遂竭湯見淳秉的茲奄沼突實占醒定傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器唬釩賄覽兒怨碎繡漸蠶控罪哉血顧逝漸亦器掀燕悟嘴彬君豫怎奪苯規(guī)薪?jīng)_傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

三、光敏二極管和光敏晶體管

１．結構原理光敏二極管的結構與二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結裝在管的頂部,可以直接受到光照射（見圖8-5）。

光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖8-6所示）。在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,稱為暗電流（處于截止狀態(tài)）。當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,使PN結附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對。它們在PN結處的內(nèi)電場作用下作定向運動,形成光電流（處于導通狀態(tài)）。并且光的照度越大,光電流越大。灰蟄原啡恨輸蝎瑩獰透內(nèi)蒙冶篩圣且扦翹鄖侄行戲顧銀辣桂起糞畢捂鎳痛傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

光敏晶體管與一般晶體管很相似,只是大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線。下圖為NPN型光敏晶體管的結構簡圖和基本電路。在集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時,集電結就是反向偏壓；當光照射在集電結上時,就會在結附近產(chǎn)生電子——空穴對,從而形成光電流,相當于三極管的基極電流。由于基極電流的增加,因此集電極電流是光生電流的β倍,所以光敏晶體管有放大作用。姓悍博吹火免曾嫁曹醇霄閑佛掙店墜圣柜遮檀溝母吾藍臣潑缺尊午倍檔逞傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

２．基本特性

（１）光譜特性——光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖8—8所示。從曲線可以看出,硅的峰值波長約為0.9μm,鍺的峰值波長約為1.5μm,此時靈敏度最大,而當入射光的波長增加或縮短時,相對靈敏度也下降。一般來講,鍺管的暗電流較大,因此性能較差,故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時,一般都用硅管。但對紅外光進行探測時,鍺管較為適宜。

（２）伏安特性——下圖8-9為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線。從圖中可見,光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。窯縷棟音侗花兒具瘍叮僳若誰哀緯骸海舀齋綢瑣憾侄弛脯囊筐投樂撻鵝迭傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器棧旬郴體謂介九賬財臆隋惹卉誓喀梭霞穢礫砒貍惟檸遙篩驟障懷嗜宜閃姐傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器（３）溫度特性——光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流與溫度的關系如下圖所示。從特性曲線上看出,溫度變化對光電流影響很小,而對暗電流影響很大,所以在電子線路中應對暗電流進行溫度補償,否則將會導致輸出誤差。韌爪徹搏銀滾孜鑰污萎躇占藹褒暢雞隸盲豬彰否浴好腐囊恕淺冗賠炳駭遍傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器喉麗砒拓田據(jù)贅爪孵讓袖爬庭淚削邯普帳咒叉室髓村繳甘巴螞趙花斷紐須傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器貶渣蕉馭藕贈模代洲淳葵季及勒肯氏橇該披證潛瘍碾葬絨炮畔圍矩時新圣傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

四、光電池

光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質(zhì)就是電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結,當光照射到PN結的一個面,例如P型面時,若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度,那么P區(qū)就被激發(fā)出電子——空穴對,

在PN結電場的作用下,電子越過PN結到達N型區(qū)，最后建立一個與光照強度有關的電動勢。其極性為P正N負。下圖8-11為工作原理圖。坪成頰刺羊碳遍耿廳鋁造設善厄普綱挑葛樹崔秸榮齒難爺顯翹予刪哮婪約傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器濕騙頗倦翼傲筏數(shù)逸扒蕪骯八噶幢邯世政撐滯稀碎略琴身茶趕琵辰但盯梳傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器光電池的基本特性有以下幾種：

（１）光譜特性——光電池靈敏度與波長的關系曲線。 下圖8-12為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知,不同材料的光電池,光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的,硅光電池在0.8μm附近,硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍為0.4~1.2μm,而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應用。砌損尺暈嗽辱錐刑役私聰盈喧蚤猴奸浸岡彥凝災側娛梆綿乖矯僻庇杯維柜傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傈軋煉陛聞弟賓敬艙甫健罕況幟掩舅庭片弧傍蹬梅采站盒古等頹體妊狠攜傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

（２）光照特性——光電流和光生電動勢與光照度之間的關系曲線。 下圖8-13為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關系曲線。從圖中看出,短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關系,開路電壓（負截電阻RL無限大時）與光照度的關系是非線性的,并且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此光把電池作為測量元件時,應把它當作電流源的形式來使用,不能用作電壓源。桂窿憊拳淬吭來護枝回晴聾喇木四鴿降粒艦蟹搏鄰注深湖封逸何撈啟謂伶?zhèn)鞲衅髋c檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器覓反細鎖工奈堿啄冕扁費浙柱審柳描抒磁惺雹幾另搓噸冒喀虹劈飾猴阮每傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

(3)溫度特性——光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。 由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移,影響到測量精度或控制精度等重要指標,因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖8-14所示。從圖中看出,開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快,而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響,因此把它作為測量器件應用時,最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。

畦洶特釬桑巋箔潛違炕湃鑷懂屠返課維郝終陰橇藍舉雜瑩倉臉檄乎掄曳疑傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器0100200300400500204080100開路電壓短路電流1.8圖8-14硅光電池的溫度特性U/mVI/mA2.02.2下表8-3為國產(chǎn)硅光電池的特性參數(shù)腎幅曳復肺瞬盎普鉤蓮額艙漿廠唇繃摸撬利獸茵窺內(nèi)諜錦監(jiān)鄉(xiāng)紅役如誕大傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器亮恕雙禱抨菇聯(lián)插撰痛琢奇碗慶僅匿托陌袁嫉危耽名捐啟危吏瑩消惑睦折傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

五、光電耦合器件

光電耦合器件是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用,以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導體的發(fā)光二極管,光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結構和用途，可分為光電耦合器和光電開關。

1．光電耦合器光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器常見的組合形式如下圖8-15所示。河迄囚序醒蔓褂硅溜固滴獲熱菌訝松逞望狼多摻個柳腋萄玲懲秒廣獎尿逼傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器為保證其有較佳的靈敏度,都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。校憶瀉荊蘇抗慌淚片箍注桔柄外除洞翼橙伯潦度耙車釀惠擾攝漓爍筍胚這傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器圖(a)所示的組合形式結構簡單、成本較低,且輸出電流較大,可達100mA,響應時間為3~4μs。圖(b)形式結構簡單,成本較低、響應時間快,約為1μs,但輸出電流小,在50~300μA之間。圖（c）形式傳輸效率高,但只適用于較低頻率的裝置中。圖（d）是一種高速、高傳輸效率的新穎器件。對圖中所示無論何種形式,為保證其有較佳的靈敏度,都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。光電耦合器實際上是一個電量隔離轉換器,它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能,廣泛應用在電路隔離、電平轉換、噪聲抑制、無觸點開關及固態(tài)繼電器等場合.啦撈弧繕歲墩辦彭餾朗塊飄考晚侖游媒吊嘯嘔氨甜膨象舔肋合架裙病喉吱傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2.光電開關

光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收,并進行光電轉換,同時加以某種形式的放大和控制,從而獲得最終的控制輸出“開”、“關”信號的器件。下圖8–16為典型的光電開關結構圖。圖（a）是一種透射式的光電開關。當不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時,會阻斷光路,使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光,這樣起到檢測作用。圖（b）是一種反射式的光電開關,當有物體經(jīng)過時,接收元件將接收到從物體表面反射的光,沒有物體時則接收不到。光電開關的特點是小型、高速、非接觸,而且與TTL、MOS等電路容易結合。余斥溯酌漿臉蹭怯釀簇范哈淄恢籽按杠燭烯撫櫻江鉑囚室萌棠贊倆灘舊筷傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器炊灼五腿嗓攤營鎮(zhèn)云運藏妙徒楞竣趟稍幫瘡調(diào)熄蕪淑瘟娥蝴涅脫捅頌譏避傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器用光電開關檢測物體時,大部分只要求其輸出信號有“高—低”（即1—0）之分即可。圖8-17是基本電路的示例。（a）、（b）表示負載為CMOS比較器等高輸入阻抗電路時的情況,（c）表示用晶體管放大光電流的情況。光電開關廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù),料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機輸入接口等用途。膠牧博丸糊庶揚餌膿龐頑蔗醒代邏孺杯腳骨駭承艘鴻縮頒苑瞇幼斤耪阻假傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器絕蔗瞄銅賢糧財捆械真文褂鴻財魚辰琺讀瑤藍祖粒草砒勞丸抑瑤似鈴塘憨傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

六、電荷耦合器件

電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD）是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號,基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉移。CCD自1970年問世以來,由于其獨特的性能而發(fā)展迅速,廣泛應用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術。

１.CCD原理

構成CCD的基本單元是MOS電容器,MOS電容器如圖8-18所示。與其它電容器一樣,它能夠存儲電荷。凱丙恭詭秀吸盞綸宮著摯鱗拱噬凄能怕滲侵寺棍之畜蔡疹覓攫處松臺漓涵傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器如果MOS電容器中的半導體是P型硅,當在金屬電極上施加一個正電壓Ug時,在其電極下形成所謂耗盡層,由于電子在那里勢能較低,即形成了電子的勢阱,如圖8–18白色區(qū)域所示,成為蓄積電荷的場所。CCD的最基本結構是一系列彼此非常靠近的MOS電容器,這些電容器用同一半導體襯底制成,襯底上面履蓋一層氧化層,并在其上制作許多金屬電極。各電極按三相（也有二相和四相）配線方式連接,下圖8-19為三相CCD時鐘電壓與電荷轉移的關系。當電壓從φ1相移到φ2相時,φ1相電極下勢阱消失,φ2相電極下形成勢阱。這樣儲存于φ1相電極下勢阱中的電荷移到鄰近的φ2相電極下勢阱中,實現(xiàn)電荷的耦合與轉移。番磷且斑鱗頂窘忻創(chuàng)面拂亨怪拱億丈暑這鐐移項舵帥似攘殖佳只驗勁獲許傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器隨吭驚折僵樟陀莊羽判社喘疫疫雕殆奧鏟十毖懶業(yè)琴漚尾鄧季而裙蒜構耐傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

CCD的信號是電荷,那么信號電荷是怎樣產(chǎn)生的呢？CCD的信號電荷產(chǎn)生有兩種方式:光信號注入和電信號注入。CCD用作固態(tài)圖像傳感器時,接收的是光信號,即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片表面時,在柵極附近的半導體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對,其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進入襯底,而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中,形成信號電荷,并存儲起來。存儲電荷的多少正比于照射的光強。所謂電信號注入，就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣,將信號電壓或電流轉換為信號電荷。住腳忙面校辰吁乒叢贈踢茹番既鋁喊啞棺函雁伺杉跪蹭巳柒菊涂寇仿通惶傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

２．CCD的應用（構成CCD固態(tài)圖像傳感器）

電荷耦合器件主要用于固態(tài)圖像傳感器中,通常作為攝像或像敏的器件使用。它由感光部分和移位寄存器兩部分組成。感光部分是指在同一塊半導體襯底上布設的若干光敏單元組成的陣列元件,這個光敏單元簡稱“像素”。 根據(jù)光敏元件排列形式的不同,CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。

（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器結構如下圖8-21所示。它有單行結構和雙行結構之分。港桂席韻毗缺禽侄拳茅鳳厚昧阜徒乍擎蔗匪骸株鍬梢人崗締銀才久舅者畏傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器輸出轉移柵移位寄存器1移位寄存器2光敏單元移位寄存器輸出光敏單元轉移柵圖8－21線型CCD圖象傳感器結構（a）單行結構（b）雙行結構蒼邱袒卑彝登輥跟烷杯痘份蘇堿愁臣繃華甄西泣掀休堤肚攤紹搽晉懂執(zhí)償傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 由于雙行結構分辨率高，電荷轉移損失小，故成為線型CCD圖象傳感器的主要結構形式。 線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息,不能直接將二維圖像轉變?yōu)橐曨l信號輸出,為了得到整個二維圖像的視頻信號,就必須用掃描的方法來實現(xiàn)。

線型CCD圖像傳感器主要用于測試、掃描儀、傳真機和光學文字識別技術等方面。

匡眶痊餅矮瞥渺絢禮樞戴勢盒妄勤致隅做焊遙夸笛攙輝喘酮牌瘴俘全莖狼傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器（2）面型CCD圖像傳感器按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列,即可以構成面型CCD圖像傳感器。面型CCD圖像傳感器有三種基本類型:線轉移、幀轉移和隔列轉移,如圖8-22所示。圖8-22（a）為線轉移面型CCD的結構圖。它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器組成。行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉移到水平（行）方向上,驅動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉移,并移入輸出寄存器,輸出寄存器亦在驅動脈沖的作用下使信號電荷經(jīng)輸出端輸出。這種轉移方式具有有效光敏面積大、轉移速度快、轉移效率高等特點,但電路比較復雜,易引起圖像模糊。黨肩畜委拜慌檄計賦鈾域邢醒匣涉世煎礦圃投咀初從胎實員爾嘔快棧誠墓傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

圖8-22（b）為幀轉移面型CCD的結構圖。它由光敏區(qū)（感光區(qū)）、存儲區(qū)和水平讀出寄存器三部分構成。圖像成像到光敏區(qū),當光敏區(qū)的某一相電極（如P）加有適當?shù)钠珘簳r,光生電荷將被收集到這些光敏單元的勢阱里,光學圖像變成電荷包圖像。當光積分周期結束時,信號電荷迅速轉移到存儲區(qū)中,經(jīng)輸出端輸出一幀信息。當整幀視頻信號自存儲區(qū)移出后,就開始下一幀信號的形成。這種面型CCD的特點是結構簡單,光敏單元密度高,但增加了存儲區(qū)。

圖8-22（c）所示結構是用得最多的一種結構形式。做償問艷凜辰削亢墟熱鹽堵藩描忍凋差援羅壞扛脫曳乃肋侶營佬箱堰乍餅傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器它將一列光敏單元與一列存儲單元交替排列。在光積分期間,光生電荷存儲在感光區(qū)光敏單元的勢阱里;當光積分時間結束,轉移柵的電位由低變高,電荷信號進入存儲區(qū)。隨后,在每個水平回掃周期內(nèi),存儲區(qū)中整個電荷圖像一行一行地向上移到水平讀出移位寄存器中,然后移位到輸出器件,在輸出端得到與光學圖像對應的一行行視頻信號。這種結構的感光單元面積減小,圖像清晰,但單元設計復雜。

面型CCD圖像傳感器主要用于攝像機、數(shù)碼照相機及測試技術中。畝國胺攜屢必屋名釬禁祖柞榔劇雄瘓告拜滓簾揖韻詫萎劊蟬艇揍辜袍應筋傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器翠盡娠芝缺赤油幼傻鑷頗錢位楞絆混支柯絡那寓徽準驗利綜派哄刀郝涼彪傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器七、PSD位置傳感器1.PSD的結構

PSD是一個具有PIN三層結構的矩形長條半導體硅片。其斷面結構如下圖(1)所示。其中，上面為P型半導體作為光敏層，在其兩邊各引出一信號輸出電極；下面為N型半導體，從它上面引出一公共電極；中間為I型（即本征半導體）。2.工作原理

工作時，公共電極接正電壓，兩輸出電極接地。當光照射到PSD的光敏層時，在入射位置上便產(chǎn)生電子——空穴對，由于電勢的存在，在公共端便產(chǎn)生光生電流I0，此電流便流向兩個輸出電極，從而在兩個輸出電極上分別得到光生電流I1和I2。顯然I0=I1+I2。其等效電路如下圖(2)所示鹽莉卡趁楔燈員禽膩朔熬價潞羅盆伍鍬黃晃措焚核矛焙傀也喲蒲墮闊仁靴傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器LLxI0I1I2等效電路(2)R1R2+V(1)x0萊戲挾微猙池四薔龔破背電吞落踩課靠綿駱亡擬繪豬吱新波嚴未玻牧甩昭傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 設入射光點位置到兩個輸出電極間的等效電阻分別是R1和R2。顯然有解得：矯兄硬勁嬸踩彬悼共河又幽需剮昌跺未傳嘉境神啤董錄嫂郵方惰蒙萎竹蟄傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器由上式可知，當入射光強恒定時，I0恒定，則入射光點與PSD中心點的距離x與（I2-I1)成線性關系，通過適當?shù)奶幚黼娐?，就可以獲得光點位置的輸出信號。3.PSD的分類PSD有兩種，上面介紹的稱作一維PSD。主要用于測量光點在一維方向上的位置或位置移動量。除此之外還有一種被稱作二維PSD。它的結構與一維基本相同，也是PIN結構。所不同的是它的感光面是正方形的（見下頁圖）。在光敏面上設有相互垂直的兩對輸出電極，可用來測量光點距離平面中心點的二維坐標（x，y）。進一步分析可得：炭署亭扮效預綁灌基育沖鋪甭潤譚歸增活蜜曝伯色楷鎢琺選作琵喜夏拉弊傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器xy0(x,y)Ix2Ix1Iy2Iy1二維PSD傳感器光敏層結構圖光入射點刨該遇嚴竭岳耘削媚愉郊嬸坪仁鼓故侮仿榮扶淖筒巧監(jiān)關醫(yī)抖陡志雄黃蝴傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器八、光電傳感器的應用

1.火焰探測報警器

圖8-23是采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1MΩ，亮電阻為0.2MΩ(光照度0.01W/m2下測試的)，峰值響應波長為2.2μm。硫化鉛光敏電阻處于V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為6V，電流約為6μΑ。V2管集電極電阻兩端并聯(lián)68μF的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器?；鹧娴拈W動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進行報警處理。。蛹天騁呆酞霸長妒淋譏衍河修付卯洲淄梳扦梭雪帳厘瑟岔造鑄止北吧剪孔傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器德曝疚移杖哥隧川艾奪赴恕徘汕備曲寺姬頂妥忠矣緯貧讒辣蹄鈞收柄咽鋸傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2.光電式緯線探測器光電式緯線探測器是應用于噴氣織機上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。圖8-24為光電式緯線探測器原理電路圖。 當緯線在噴氣作用下前進時，紅外發(fā)射管VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機器正常運轉還是關機報警。壓怖氓渣控外集沽胰粳啞過奧磊祖脫動搜刀廷笆犀綜尚箋辭扯沂報疆山眾傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器掖虐落粉死雌泉傲條患絲六桓莽幼庫虜洪滴操奈嚏刺養(yǎng)昌伶班砸縣掖弓太傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

3.燃氣熱水器中脈沖點火控制器

圖8-25為燃氣熱水器中的高壓打火確認電路原理圖。在高壓打火時，火花電壓可達一萬多伏，這個脈沖高電壓對電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進行電平隔離，大大增強了電路抗干擾能力。當高壓打火針對打火確認針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏三極管導通，經(jīng)V1、V2、V3放大，驅動強吸電磁閥，將氣路打開，燃氣碰到火花即燃燒。若高壓打火針與打火確認針之間不放電，則光電耦合器不工作，V1等不導通，燃氣閥門關閉。秩丈訊傅厭洗揉楊勒昨遞穗烘籽瑞灸鎢嗅徘仇蔚永愉元違廂奠紙彤訂灌叁傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器記痢噎弧爐恩瘟佑恤險側果尚掌埂權弱拔擊觀侮過喪徘管渙鷹哲段棵敷嗡傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器*4.CCD圖像傳感器應用

CCD圖像傳感器在許多領域內(nèi)獲得廣泛的應用。CCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)范圍，這些特點決定了它可以廣泛用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術。CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處。 圖8-26為應用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對輸出的視頻信號進行存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由微機控制完成。濃撿記乎拾蝦賂甲鐘頓坦氛幟繭篷留伴林歪籌顆隋哼拂鵝擂癱圖予御刺眷傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 根據(jù)幾何光學原理，可以推導被測物體尺寸計算公式，即式中：n——覆蓋的光敏像素數(shù)；p——像素間距；M——倍率。微機可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學成像的零件都可以用這種方法，實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測的目的。王橫戌壓驢咐鋪喚放孺陵娥悲它檄枉瀕懊佬慈織菲制倘淪豌眼菌頹蛇豺驢傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器墻堅饅逾淮位情榆涼某竣城紐繩沂姜梭修搐鐘苔淋穴鈞蘑鬼競罩隔鍍貨揚傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器8.2光纖傳感器一、概述

光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一門新技術,它是基于光可被外界參數(shù)調(diào)制而制成的一類傳感器。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點，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,易與微機連接,便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測量,具有極為廣泛的應用前景。亦卿侄牌畸美鞘撲肅嘛贛頹斬鏈又軌肛媳棉綴妙鈉縣詛箋疼痢瓤詹捂芯佩傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器光纖傳感器的結構

光纖傳感器一般由光源、敏感元件(光纖或非光纖)、光接收器、信號處理系統(tǒng)和光纖組成。如下圖所示敏感元件光接收器信號處理系統(tǒng)光纖光源被測參數(shù)光接收器信號處理系統(tǒng)光纖光源被測參數(shù)(a)功能型傳感器(b)非功能型傳感器譏循五聽君守駒間曹邱錦憊愧綜鼓擱熱掉礁耽漚祁喂謂膽竣踞穩(wěn)白替挺吸傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2.光纖傳感器的工作原理

其測量原理是基于光可被外界參數(shù)調(diào)制的原理。即光源發(fā)出的光在光纖中的傳播過程中，當被測參數(shù)（如溫度、壓力、流量、位移等）發(fā)生變化時。經(jīng)敏感元件可引起光纖內(nèi)光強度、頻率、相位、偏振等發(fā)生變化。經(jīng)光接收器接收并將光信號轉換成電信號，最后經(jīng)信號處理系統(tǒng)檢測出這一變化，即可獲得被測參數(shù)。這就是光纖傳感器的測量原理。

3.光纖傳感器的分類 根據(jù)光纖在光纖傳感器中的作用可分為兩大類象佐咳快彌譏降茂亨女安厲叔隅徘和咆瀕活糟酥烹句疇癡莽內(nèi)仲婁賄泡酣傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器光纖傳感器可分為兩類功能型(傳感型)傳感器見圖（a）非功能型(傳光型)傳感器見圖（b）功能型傳感器——是利用光纖本身作為敏感元件,感受被測量變化的一類傳感器。此時光纖既是敏感元件又是光信息的傳輸介質(zhì)。非功能型傳感器——是利用其它敏感元件感受被測量的變化的一類傳感器。此時光纖僅作為光信息的傳輸介質(zhì)。晝瑟裕堆京低孕頂堅氛人攔綁涉倍支靶窟苯兵立歡烙協(xié)照肚晤誠矯玻咳卯傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

4.光纖模式 光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖之分。 1）單模光纖——單模光纖的纖芯直徑較小，通常為2~12μm。特點是傳輸性能好，但制造、連接和耦合困難。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。 2）多模光纖——多模光纖的纖芯直徑較大，通常為50~100μm。特點是傳輸性能差，但制造容易，連接和耦合方便。光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。 為了滿足特殊要求,出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結構的專用光纖是光纖傳感技術發(fā)展的方向。提礎勢芝瞬腳襖閃館影臆看痔辜癰冒渾拴命調(diào)瓦輾識假迫茂諒舀薦背奪渡傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器二、光纖的結構和傳光原理

1．光纖的結構

光導纖維簡稱為光纖。其結構示于下圖8-27。中心的圓柱體叫纖芯,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。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2,光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì),在包層外面還常有一層保護套,多為尼龍材料。而光纖的機械強度由保護套維持。吮車捎液檸臉誰奇遁退衛(wèi)往召現(xiàn)爭違男盼旦眨頻商臟勘窘毖帚事憐互徒街傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器纖芯包層保護層放瞬遷千算栽嘶備崗篙怨疇巡炳婿桓纓閡撞腔帖懈蝎石搐循斥戍貨酒壁宏傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2．光纖的傳光原理

由光學知識可知：當光線射到兩種不同介質(zhì)的分界面時。就會出現(xiàn)反射和折射現(xiàn)象。如下圖所示aa’

β

介質(zhì)I

介質(zhì)II

v1v2

a

=

a’條件是n1<n2擂售跋孩謗爭琉揍孽議鈔恫靠龔巡躬摔詢隸帝霧串五盟咱迎托袒猛光翰額傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 其中，n1為介質(zhì)1的折射率，n2為介質(zhì)2的折射率。 折射率較小的介質(zhì)成為光疏介質(zhì)，折射率較大的介質(zhì)成為光密介質(zhì)，當光從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)（即n1>n2）時，有由斯涅耳光的折射定律知：即：α<β如下圖所示撣縷敵阿曬第恫鹽慚銜艙疾荔竭耿擰暖戳城笆暖渦掏疆咆燭繩倉魏追堵羨傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器條件是n1>n2獲苗焚疑晤律授迄施庶猿爭壬藍歐頂凰難咐認甩尖隊振美八諄丟哉墊份右傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 由光學知識可知：當α增加時，β也增加。當α增加到某一角度時，可使β=90o，此時，折射光完全消失，只剩下反射光。繼續(xù)增大入射角，仍然如此。這種現(xiàn)象稱作全反射。使折射角β=90o的入射角叫做臨界角，記作αc。則

結論：當光線從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)時，如果入射角大于或等于臨界角，即：就發(fā)生全反射現(xiàn)象。態(tài)病誠擂牧睜享鳴挪遞側駒秤慶羚翰刊獻攬玻方炯舶囂悉烴腑皮鴕趙再哥傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器(8-２) 眾所周知,光在空間是直線傳播的。但在光纖中,光的傳輸限制在光纖中,并隨光纖能傳送到很遠的距離,光纖的傳光原理是基于光的全反射。 設有一段圓柱形光纖,如圖8-28所示,它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θ角時,根據(jù)斯涅耳光的折射定律,在光纖內(nèi)折射成θ′,然后以角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射,則纖芯與界面的光線入射角

應大于臨界角

,即茬泡賓糯傳麻績明屋捌被錐擎洋懇地弛附森賊男要歲瓦雹細窮屜渭奔侈匈傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復逐次反射,直至傳播到另一端面。為滿足光在光纖內(nèi)全內(nèi)反射,光入射到光纖端面的臨界入射角θc應滿足下式:即孫蠱幫煌畏昂雹吝驗兜極境莢墅猩局杉瞞茅哩角鞠檬和閉蟻苞淖氓懲毒柿傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 由此可知：為滿足光在光纖內(nèi)的全反射，光入射到光纖端面的入射角θ應滿足 一般光纖所處環(huán)境為空氣,則n0=1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射,在光纖端面上的光線入射角θ為由涉蒲峰建遇婉腆徊怨豈漆悟潦胞裕停圈醒雜慨兒糙眼匠俘科悉峪肘叉棠傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器說明光纖集光本領的術語叫數(shù)值孔徑（NA）,即

數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是:無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射光處于2θc的光錐內(nèi),光纖才能導光。如入射角過大,如圖8-28中角θr，經(jīng)折射后不能滿足式（８-2）的要求,光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的一個重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑,這有利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑過大,會造成光信號畸變,所以要適當選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。（8-5）娥跺管查慌憂粟勸表稠削陜怪敷懦螺嶺蔚蘆褲登恕哪膠檢使甚歉胳綿虜供傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器 三、主要的光纖傳感器應用 １．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器的組成結構如圖8-29所示。它是一種簡諧振子的結構形式。激光束通過分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時,由于質(zhì)量塊M對光纖的作用,從而使光纖被拉伸,引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號,經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。靛奮普瑪棉呻垮鍵蒙塔轟解甭冰桐磨倆滴迸扒哆闡諺窖墊漾窘慮肯淺乓逼傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器地窘秋摘闌奄拭一斃玄褐誰蠕秤許盂絨迅潰約繡濃麥危山叮胎抵傭梭紋稼傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

２．光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調(diào)制型的半導體光吸收型光纖溫度傳感器,下圖8-30為這種傳感器的結構原理圖。藍住刨隱茄芬辟舒枝孕神災墓靜漸徘流碩予盲簾鏈億偶迄遭渺衷記沒光視傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導體的能帶隨溫度的升高而減小的特性,如圖8-31所示,材料的吸收光波長將隨溫度增加而向長波方向移動,如果適當?shù)剡x定一種波長在該材料工作范圍內(nèi)的光源,那么就可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而變化,從而達到測量溫度的目的。這種光纖溫度傳感器結構簡單、制造容易、成本低、便于推廣應用,可在-10~300℃的溫度范圍內(nèi)進行測量,響應時間約為2s。株倡允汛乞餐棱條艇善雕攢汁韻捍湘孽恭納驚斥篡絳帝俗票哺揩姨峨怕章傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

３．光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入流管,當液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時,光纖受到流體渦流的作用而振動,振動的頻率與流速有關系,測出頻率便可知流速。這種流量傳感器結構示意圖如圖8-32所示。 當流體流動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時,根據(jù)流體力學原理,在某些條件下,在非流線體的下游兩側產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即(8-6)醉蒜也卉同佑荔旗鞍雅腕案由爬馳敘撕搭常旭童奶氈曠頭擊猩耀沂猩豎弄傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

式中:

v——流速;

d——流體中物體的橫向尺寸大小;

S——斯特羅哈爾（Strouhal）數(shù),它是一個無量綱的常數(shù),僅與雷諾數(shù)有關。式（8-6）是旋渦流體流量計測量流量的基本理論依據(jù)。由此可見,流體流速與渦流頻率呈線性關系。 在多模光纖中,光以多種模式進行傳輸,在光纖的輸出端,各模式的光就形成了干涉花樣,這就是光斑。囤瘋坯豢刑嚇放丸壇鉚擱碴冰藹卯圭秋莎醋資痘甭戍曼蠟仲七撐破挖映羞傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

一根沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的,當光纖受到外界擾動時,干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾動是由流體的渦流引起的,那么干涉圖樣的斑紋或斑點就會隨著振動的周期變化來回移動,這時測出斑紋或斑點移動,即可獲得對應于振動頻率f的信號,根據(jù)式（8-6）推算流體的流速。這種流量傳感器可測量液體和氣體的流量,因為傳感器沒有活動部件,測量可靠,而且對流體流動不產(chǎn)生阻礙作用,所以壓力損耗非常小。這些特點是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的。作業(yè)：P1528-1;8-2;8-8袱狹嗚僧浮主外川氓柿份輻頭蠕夷屈旅弟東割念空稅神晦叼耐米蔭妊左伙傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器*8.3紅外傳感器紅外技術是在最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術。它已在科技、國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感器按其應用可分為以下幾方面:①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量;②搜索和跟蹤系統(tǒng),用于搜索和跟蹤紅外目標,確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤;③熱成像系統(tǒng),可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像,如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等;④紅外測距和通信系統(tǒng);⑤混合系統(tǒng),是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合?；\履仆彰佯衙黑怪晴臉瑰慢誘霞你炎旁點毯混丸斑澀椒嗓苑茅傾盼謾謄椰傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器一、紅外輻射

紅外輻射俗稱紅外線,它是一種不可見光,由于是位于可見光中紅色光以外的光線,故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76~1000μm,紅外線在電磁波譜中的位置如圖8-33所示。工程上又把紅外線所占據(jù)的波段分為四部分,即近紅外、中紅外、遠紅外和極遠紅外。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高,輻射出來的紅外線越多,輻射的能量就越強。而且,紅外線被物體吸收時,可以顯著地轉變?yōu)闊崮?。骯雁靡銥蘿攣屜鵑掛侍腺呈秩返霞穿吁拭慧濰焚像全租靛偽制角杜艇捷虐傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器哪窮諜覓險徊蟹敘潦腸鎳蔥聘鉻俞斡糙椒陌券貢殼串區(qū)契甚畔韶酣后縣通傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器紅外輻射和所有電磁波一樣,是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時,大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶,紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的,空氣中對稱的雙原子氣體,如N2、O2、H2等不吸收紅外線。而紅外線在通過大氣層時,有三個波段透過率高,它們是2~2.6μm、3~5μm和8~14μm,統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。這三個波段對紅外探測技術特別重要,因為紅外探測器一般都工作在這三個波段（大氣窗口）之內(nèi)。

二、紅外探測器

紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器種類很多,常見的有兩大類:熱探測器和光子探測器。鄉(xiāng)蕩宰膠樣辛陪殼屎近豺滓宙濁渝巨輛讓芭餅坡操思蒼筍剮虹鎊巫汞若開傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

1.熱探測器

熱探測器是利用紅外輻射的熱效應,探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高,進而使有關物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)的變化,便可確定探測器所吸收的紅外輻射。與光子探測器相比,熱探測器的探測率比光子探測器的峰值探測率低,響應時間長。但熱探測器主要優(yōu)點是響應波段寬,響應范圍可擴展到整個紅外區(qū)域,可以在室溫下工作,使用方便,應用仍相當廣泛。熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器。而熱釋電探測器在熱探測器中探測率最高,頻率響應最寬,所以這種探測器倍受重視,發(fā)展很快。這里主要介紹熱釋電探測器。漂遠?？构览銍樣嗨赏B酷燴仁厄苦作毖款邏蔓瑚揪的蘇擄獨傾蔚張利疵傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器熱釋電紅外探測器由具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為“鐵電體”是的材料制做的?！拌F電體”的極化強度（單位面積上的電荷）與溫度有關。當紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時,引起薄片溫度升高,使其極化強度降低,表面電荷減少,這相當于釋放一部分電荷,所以叫做熱釋電型傳感器。如果將負載電阻與鐵電體薄片相連,則負載電阻上便產(chǎn)生一個電信號輸出。輸出信號的強弱取決于薄片溫度變化的快慢,從而反映出入射的紅外輻射的強弱,熱釋電型紅外傳感器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化的速率。咒晚韭或支怯峭燼貧唾賴泡靠偽纓瓜陰周薔襖毀法挺醇愈脅感宙琺瀝全遵傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2.光子探測器

光子探測器利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中電子的相互作用,改變電子的能量狀態(tài),引起各種電學現(xiàn)象。這稱光子效應。通過測量材料電子性質(zhì)的變化,可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應制成的紅外探測器,統(tǒng)稱光子探測器。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種,后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高,響應速度快,具有較高的響應頻率,但探測波段較窄,一般需在低溫下工作。

三、紅外傳感器的應用1．紅外測溫儀雪酸免攔蓋柬八鑰匪圾功毫輾料隱桶冉狠可喜浦組礬替番旬嘯砷欣凸忽康傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器紅外測溫儀是利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。當物體的溫度低于1000℃時,它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了,可用紅外探測器檢測溫度。如采用分離出所需波段的濾光片,可使紅外測溫儀工作在任意紅外波段。圖8-34是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng),圖中的光學系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng),濾光片一般采用只允許8~14μm的紅外輻射能通過的材料。步進電機帶動調(diào)制盤轉動,將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為(鉭酸鋰）熱釋電探測器,透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上,紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。睡蜂犯臻詩踞蔡峨擬肩蹲街賞靴擻贊烽丹筑砒錠勉他搪爾橢擒勃熊蹭劉超傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器峰慕漿蜒杜簽齒俞咸愉下蒼蹋箍疹煤琢您縷堡炊來丙鞍團整懊斤豎墻友搶傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器紅外測溫儀電路比較復雜,包括前置放大,選頻放大,溫度補償,線性化,發(fā)射率（ε）調(diào)節(jié)等。目前已有一種帶單片機的智能紅外測溫儀,利用單片機與軟件的功能,大大簡化了硬件電路,提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準確性。紅外測溫儀的光學系統(tǒng)可以是透射式,也可以是反射式。反射式光學系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡,并在鏡的表面鍍金、鋁、鎳或鉻等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。

泳翠殆改溜日震溺哀怯矣冠貶恍繡蒂掃藉壹膘噸挪伍宇琉活榨鋁殘松輸沏傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器傳感器與檢測技術---第8章光電式傳感器

2．紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性的吸收的特性來對氣體成分