第6章光电式传感器及应用1

1、第6章光电式传感器及应用 1 引言 v 光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量 通过光量的变化再转化成电量的传感器。通过光量的变化再转化成电量的传感器。 v 光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组部分组 成。成。 v 光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。 v 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可 靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常靠性，因此在自动检测，计算机

2、和控制系统中，应用非常 广泛。广泛。 v 光电式传感器的物理基础是光电效应。光电式传感器的物理基础是光电效应。 2 主要内容 v6.1光电效应及光电元器件光电效应及光电元器件 v6.2光电式传感器的实用电路光电式传感器的实用电路 v6.3光纤传感器光纤传感器 v6.4红外传感器红外传感器 3 6.1光电效应及光电元器件 v光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电 效应。效应。根据光的波粒二象性，光是一种以光速运根据光的波粒二象性，光是一种以光速运 动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量动的粒子流，这种粒子称为光子。具有的能量h 正比于光的频率正比于

3、光的频率（h普朗克常数）。每个光子具普朗克常数）。每个光子具 有的能量为有的能量为 E= h 6.1.1 光电效应及分类 4 v对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率 越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以 看作物体受到一连串能量为看作物体受到一连串能量为h的光子所轰击，组的光子所轰击，组 成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应成该物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应 的物理现象称为光电效应。的物理现象称为光电效应。 光电效应通常分为三类：光电效应通常分为三类： 1) 1)在光线作用下能使电子逸出

4、物体表面的现象在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象 称为称为外光电效应外光电效应，光电元件有光电管、光电倍增管，光电元件有光电管、光电倍增管 等。等。 2) 2)在光线作用下能使物体的导电性能发生变化在光线作用下能使物体的导电性能发生变化 的现象称为的现象称为内光电效应内光电效应。光电元件有光敏电阻、光。光电元件有光敏电阻、光 敏二极管、光敏三极管、光敏晶体管等。敏二极管、光敏三极管、光敏晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的在光线作用下，物体产生一定方向电动势的 现象称为现象称为光生伏特效应光生伏特效应，光电元件有光电池等。，光电元件有光电池等。 2021年7月9日 6.1

5、.2 光电元器件及基本测量电路 v它们是利用外光电效应制成的光电元件。它们是利用外光电效应制成的光电元件。 （1）光电管的结构如图）光电管的结构如图6-1所示。所示。半圆筒形金属制成阴极半圆筒形金属制成阴极K K、 阴极轴心的阳极阴极轴心的阳极A A封装在真空玻壳内，当入射光照射在封装在真空玻壳内，当入射光照射在K K上时，上时， 单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电 子，从而使自由电子的能量增加子，从而使自由电子的能量增加hvhv。 v 1光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管 图6-1 光电管的结构 6 光电子的能量 v当电

6、子获得的能量大于阴极材料的逸出功当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A时，时， 自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成自由电子就可以克服金属表面束缚而逸出，形成 逸出电子。这种逸出的电子称为逸出电子。这种逸出的电子称为光电子光电子，光电子，光电子 逸出金属表面的初速度逸出金属表面的初速度可由爱因斯坦光电效应可由爱因斯坦光电效应 方程确定。方程确定。 v（1/2）m2= hA 7 当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电当阴极金属材料选定后，要使阴极金属表面有电 子逸出，入射光的频率子逸出，入射光的频率要大于某一最低限度，否要大于某一最低限度，否 则当则当h小于小于A时，不管光通量有多大，

7、都不可能有时，不管光通量有多大，都不可能有 电子逸出，这个最低限度的频率称为电子逸出，这个最低限度的频率称为红限红限。当。当h大大 于于A时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光时，光通量越大，逸出的电子数目也越多，光 电流电流I就越大。就越大。 8 光电管符号及测量电路 v光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。光电管正常工作时，阳极电位高于阴极电位。 v在入射光频率大于在入射光频率大于“红限红限”的前提下，当光电管的前提下，当光电管 阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸阳极加上适当电压（几十伏）时，从阴极表面逸 出的电子被具有正电压的阳极所吸引，在光电管出的电子被具有正电压的阳极所吸

8、引，在光电管 中形成电流，称为中形成电流，称为光电流光电流。 9 图6-2 光电管符号及测量电路 （2）光电倍增管）光电倍增管 光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电光电倍增管是把微弱的光输入转换成电子，并使电 子获得倍增的电真空器件。子获得倍增的电真空器件。 它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线它有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线 性好，多用于微光测量。性好，多用于微光测量。 光电倍增管由两个主要部分光电倍增管由两个主要部分构成构成：阴极室和若干光电倍阴极室和若干光电倍 增极组成的二次发射倍增系统增极组成的二次发射倍增系统 ，结构示意图如图结构示意图如图6-3所

9、示。所示。 10 v 在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极在它的阴极与阳极之间设置许多二次倍增极D1、D2、 D3、，它们又称为第，它们又称为第1倍增极、第倍增极、第2倍增极倍增极， 相邻电极之间通常加上相邻电极之间通常加上100V左右的电压，其电位逐左右的电压，其电位逐 级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差级提高，阴极电位最低，阳极电位最高，两者之差 一般在。一般在。6001 200V左右。左右。 图6-3 光电倍增管结构示意图 11 原理 v 当微光照射阴极当微光照射阴极K时，从阴极时，从阴极K上逸出的光电子在上逸出的光电子在D1-的电的电 场作用下，以高速向倍增极场作用下，以高

10、速向倍增极D1射去，产生二次发射，于射去，产生二次发射，于 是更多的二次发射的电子又在是更多的二次发射的电子又在D2电场作用下，射向第二电场作用下，射向第二 倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电倍增极，激发更多的二次发射电子，如此下去，一个光电 子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每子将激发更多的二次发射电子，最后被阳极所收集。若每 级的二次发射倍增率为级的二次发射倍增率为m，共有，共有n级（通常可达级（通常可达911级），级）， 则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大则光电倍增管阳极得到的光电流比普通光电管大mn倍，倍， 因此光电倍增管的灵敏度极高。因此光电倍增

11、管的灵敏度极高。 12 图6-3 光电倍增管结构示意图 光电倍增管的稳定性 v 各倍增极的电压是用分压电阻各倍增极的电压是用分压电阻R1、R2、Rn获得的，阳极电流流获得的，阳极电流流 经电阻经电阻RL得到输出电压得到输出电压Uo。 v (1)当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容当用于测量稳定的辐射通量时，图中虚线连接的电容C-1、C2、 Cn和输出隔离电容和输出隔离电容C0都可以省去。这时电路往往将电源正端接地，都可以省去。这时电路往往将电源正端接地， 并且输出可以直接与放大器输入端连接。并且输出可以直接与放大器输入端连接。(2)当入射光通量为脉冲量当入射光通量为脉冲量 时，则应将

12、电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地时，则应将电源的负端接地，因为光电倍增管的阴极接地比阳极接地 有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电有更低的噪声，此时输出端应接入隔离电容，同时各倍增极的并联电 容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱容亦应接入，以稳定脉冲工作时的各级工作电压，稳定增益并防止饱 和。和。 13 图6-4 光电倍增管的基本电路 2、光电管特性 v 光电特性光电特性 光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流光电特性表示当阳极电压一定时，阳极电流I与入射在光与入射在光 电管阴极上光通量电管阴极上光通量之间的关系。之间的关系。

13、v 伏安特性。伏安特性。 当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压当入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压 之间的关系称为光电管的伏安特性。之间的关系称为光电管的伏安特性。 图图6-5 光电管光电特性曲线光电管光电特性曲线 14 图图6-6 光电管伏安特性曲线光电管伏安特性曲线 v 光谱特性。光谱特性。 由于光电管阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也由于光电管阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也 有选择性，保持光通量和阳极电压不变，有选择性，保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长阳极电流与光波长 之间的关系叫光电管的光谱特性之间的关系叫光电管的光谱特性。 v 其他特性。

14、其他特性。 光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯性特性，暗电流和 衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。衰老特性等，使用时应根据产品说明书和有关手册合理选用。 15 图6-7 光电管光谱特性曲线 6.1.3光敏电阻 v光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，是一种均质半导体光电元，是一种均质半导体光电元 件。件。 v优点优点：它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积：它具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积 小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗 过载能力强和寿命长等过载能力强和寿命长等. 16 1

15、.光敏电阻的工作原理和结构。 v 光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。在半导体光敏材 料两端上电极引线，将其封装在带透明窗的管壳内就构成料两端上电极引线，将其封装在带透明窗的管壳内就构成 光敏电阻，如图光敏电阻，如图a所示，为了增加灵敏度，常将所示，为了增加灵敏度，常将 两电极做两电极做 成梳状，如图成梳状，如图b所示；图形符号如图所示；图形符号如图c所示。所示。 17 光敏电阻光敏电阻 当光敏电阻受到 光照时， 阻值减小。 18 2.光敏电阻的基本特性 v 暗电阻和暗电流。暗电阻和暗电流。 v 亮电阻和亮电流。亮电阻和亮电流。 v 伏安特性。

16、伏安特性。 光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 19 v 光电特性。光电特性。 光谱特性。光谱特性。 v 响应时间。响应时间。 v 温度特性。温度特性。 某光敏电阻的光电特性 光敏电阻的光谱特性 20 3、常用光电导材料 21 6.1.4 光敏晶体管 光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管，光敏晶体管包括光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管， 它们的工作原理是基于内光电效应。它们的工作原理是基于内光电效应。 光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差，光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，但频率特性较差， 目前广泛应用于光纤通信、红外线遥控器、光电耦合器、控目前广泛应用于光纤通信、

17、红外线遥控器、光电耦合器、控 制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管制伺服电机转速的检测、光电读出装置等场合。光敏晶闸管 主要应用于光控开关电路主要应用于光控开关电路 22 1.光敏晶体管结构与工作原理 v 光敏二极管。光敏二极管。 v 通常处于反向偏通常处于反向偏 置状态置状态 。当没有。当没有 光照射时，其反光照射时，其反 向电阻很大，反向电阻很大，反 向电流很小，这向电流很小，这 种反向电流称为种反向电流称为 暗电流。暗电流。 1负极引脚 2管芯 3外壳 4玻璃聚光镜 5正极引脚 6N型衬底 7SiO2保护圈 8SiO2透明保护层 9铝引出电极 10P型扩散层 11PN结

18、12金属引出线 23 光敏二极管外形光敏二极管外形 光敏二极管阵列光敏二极管阵列 包含包含1024个个InGaAs元件元件 的线性光电二极管阵列，可用的线性光电二极管阵列，可用 于分光镜。于分光镜。 24 红外发射、接收对管外形红外发射、接收对管外形 红外发射管红外发射管 红外接收管红外接收管 25 光敏三极管 v集电极电流是原始集电极电流是原始 光电电流的光电电流的倍。倍。 因此，光敏三极管因此，光敏三极管 比光敏二极管的灵比光敏二极管的灵 敏度高许多倍。敏度高许多倍。 光敏三极管光敏三极管 26 光敏三极管外形光敏三极管外形 27 光敏晶闸管 v光敏晶闸管（光敏晶闸管（LCR）又称为光控晶

19、闸管）又称为光控晶闸管 v光敏晶闸管的特点光敏晶闸管的特点是工作电压很高，有的可达数是工作电压很高，有的可达数 百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出百伏，导通电流比光敏三极管大得多，因此输出 功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会功率很大，在自动检测控制和日常生活中应用会 越来越广泛。越来越广泛。 28 2.光敏晶体管的基本特性。 v 光谱特性。光谱特性。 伏安特性伏安特性 v 图6-16 光敏晶体管的光谱特性 1硅光敏晶体管 2锗光敏晶体管 29 图6-17 光敏三极管的伏安特性 v 光电特性光电特性 v 温度特性温度特性 v 频率特性频率特性 v 响应时间响应时间 图6-18 光

20、敏晶体管的光电特性 1光敏二极管的光电特性 2光电三极管的光电特性 30 6.1.5光电池 v光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照光电池的工作原理是基于光生伏特效应，当光照 射到光电池上时，可以直接输出光电流。射到光电池上时，可以直接输出光电流。 v常用的光电池有两种，一种是金属常用的光电池有两种，一种是金属半导体型，半导体型， 另一种是另一种是PN结型，如硒光电池、硅光电池、锗光结型，如硒光电池、硅光电池、锗光 电池等。电池等。 31 1、硅光电池的结构及工作原理 v用导线连接用导线连接P区和区和N 区，电路中就有电区，电路中就有电 流流过流流过 32 光电池光电池外形外形 光敏面光敏

21、面 33 能提供较大电流的大面积光电池能提供较大电流的大面积光电池外外 形形 34 2.光电池的基本特性 v 光谱特性光谱特性 v 光电特性光电特性 v 温度特性温度特性 v 频率特性频率特性 35 光电池和光谱特性曲线 1硅光电池 2硒光电池 硅光电池的光电特性 1开路电压特性曲线 2短路电流特性曲线 光电池的温度特性 光电池的频率特性 3.短路电流的测量 v Uo= -UR f = -I Rf v 该电路的输出电压该电路的输出电压Uo与光电流与光电流I 成正比，从而达到电流成正比，从而达到电流/ 电压转换关系。电压转换关系。 光电池短路电流测量电路 37 在光电特性中谈到，光电流与照度成线

22、性关系， 当负载电阻短路时，线性关系最好，线性范围更宽。 6.1.6光电耦合器件 v光电耦合器光电耦合器是由是由发光元件发光元件（如发光二极管）和（如发光二极管）和光光 电接收元件电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的合并使用，以光作为媒介传递信号的 光电器件。光电器件。 v发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收 元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光 可控硅等。可控硅等。 v根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔 离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电

23、开关。离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。 38 （1）光电耦合器 v光电耦合器实际上是一个光电耦合器实际上是一个电量隔离转换器电量隔离转换器，它具，它具 有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在有抗干扰性能和单向信号传输功能，广泛应用在 电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及 固态继电器等场合。固态继电器等场合。 光电耦合器组合形式 39 （2）光电开关 v光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加 以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的 放大和控制

24、，从而获得最终的控制输出放大和控制，从而获得最终的控制输出“开开”、 “关关”信号的器件。信号的器件。 v光电开关的光电开关的特点特点是小型、高速、非接触，而且与是小型、高速、非接触，而且与 TTL、MOS等电路容易结合。等电路容易结合。 40 典型的光电开关结构 1发光元件 2接收元件 3壳体 4导线 5反射物 6窗体 41 光电开关外形光电开关外形 42 应用范围 v用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信 号有号有“高高低低”之分即可。之分即可。 43 v光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及 安全

25、装置中作光控制和光探测装置。可在自控系安全装置中作光控制和光探测装置。可在自控系 统中用作统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸物体检测、产品计数、料位检测、尺寸 控制、安全报警及计算机输入接口控制、安全报警及计算机输入接口等用途。等用途。 44 （3）光电断续器 v工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、 接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以 两者能可靠地对准。两者能可靠地对准。 v分为分为遮断型和反射型遮断型和反射型2种。种。 45 1发光二极管发光二极管 2红外光红外光 3光电元件光电元件 4

26、槽槽 5被测物被测物 光电断续器外形光电断续器外形 46 光电断续器外形（续）光电断续器外形（续） 红色红色 光柱光柱 47 齿 盘 每齿 盘 每 转过一个齿，转过一个齿， 光电断续器就光电断续器就 输出一个脉冲。输出一个脉冲。 通过脉冲频率通过脉冲频率 的测量或脉冲的测量或脉冲 计数，即可获计数，即可获 得齿盘转速和得齿盘转速和 角位移。角位移。 光电断续器的应用光电断续器的应用 请写出转速与频率的关系式请写出转速与频率的关系式 n= ？ n 48 6.2光电式传感器的实用电路 v非接触式测量，由非接触式测量，由光源、光学通路和光电元件光源、光学通路和光电元件3 部分组成。部分组成。 v按照

27、被测物、光源、光电元件三者之间的关系按照被测物、光源、光电元件三者之间的关系 v4种类型种类型 1被测物 2光电元件 3恒光源 49 光电传感器的分类光电传感器的分类 按光电元件按光电元件输出量性质输出量性质可分二类：可分二类：模拟式光电模拟式光电 传感器、脉冲传感器、脉冲(开关开关)式光电传感器。式光电传感器。 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变 化的光电流，它与被测量间呈单值关系。化的光电流，它与被测量间呈单值关系。 模拟式光电传感器按被测量方法可分为：透模拟式光电传感器按被测量方法可分为：透 射射(吸收吸收)式、漫反射式、遮光式三大类。式、漫反射

28、式、遮光式三大类。 2021年7月9日 （1）透射式透射式：指被测物体放在光路中，恒光源发：指被测物体放在光路中，恒光源发 出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投 射到光电元件上，因此又称之为吸收式。射到光电元件上，因此又称之为吸收式。可用于测可用于测 量透明度、混浊度。量透明度、混浊度。 2021年7月9日 （2）漫反射式漫反射式：指恒光源发出的光投射到被测物：指恒光源发出的光投射到被测物 上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上。 可用于可用于测量工件表面粗糙度、纸张的白度等。测量工件表面粗糙度

29、、纸张的白度等。 2021年7月9日 （3）遮光式遮光式：指当光源发出的光通量经被测物光：指当光源发出的光通量经被测物光 遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变，遮其中一部份，使投射刭光电元件上的光通量改变， 改变的程度与被测物体在光路位置有关。改变的程度与被测物体在光路位置有关。可用于工可用于工 件尺寸测量、振动测量等。件尺寸测量、振动测量等。 2021年7月9日 （5）脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器：在这种传感器中，光电在这种传感器中，光电 元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处 于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种于开关工

30、作状态，它输出的光电流通常是只有两种 稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光 电式转速测量等。电式转速测量等。 （4）光源本身是被测物光源本身是被测物，这种型式的光电传感器，这种型式的光电传感器 可可用于光电比色高温计和照度计。用于光电比色高温计和照度计。 2021年7月9日 1.高温比色温度仪高温比色温度仪 v 根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长1、2上上 的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系，即的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系，即 v K1、K2是与是与1、2及物体的黑度有关的常数。及物

31、体的黑度有关的常数。 TK eKII / 1 2 21 / 55 使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪 1高温物体 2物镜 3半反半透镜 4反射镜 5目镜 6观察者眼睛 7光阑 8光导棒 9分光镜 10、12滤光镜 11、13硅光电池 14、15电流/电压转换器 56 图6-32 高温比色温度仪原理图 2.光电比色计光电比色计 v这是一种化学分析仪器这是一种化学分析仪器 ，如图，如图6-33所示。所示。 57 图6-33 光电比色仪原理图 1光源 2透镜 3滤色镜 4标准样品 5被检测样品 6、7光电池 8差动放大电路 9指示仪表 由于被检测样品在颜色、成分或浑浊度等 某一方面与 标准样品

32、的不同，导致两光电池收到的透射光强度不等， 从而使光电池转换出来的电信号大小不同，经放大器后， 用指示仪表显示出来，由此被测样品的某项指标即可检测 出来。 3.光电式带材跑偏检测装置光电式带材跑偏检测装置 v 带材跑偏检测装置带材跑偏检测装置是用来检测带型材料在加工过程中偏离是用来检测带型材料在加工过程中偏离 正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信正确位置的大小与方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信 号。号。 58 图6-34 光电式边沿位置检测装置 1被测带材 2光源 3、4光透镜 5光敏电阻 6遮光罩 4.物体长度及运动速度的检测物体长度及运动速度的检测 v光电元件检测运动物体的

33、速度光电元件检测运动物体的速度 1光源A 2光敏元件VA 3运动物体 4光源B 5光敏元件VB 6RS触发器 59 6.3光纤传感器光纤传感器 6.3.1 光纤传感器概述光纤传感器概述 20世纪世纪70年代中期发展起来年代中期发展起来 优点优点：如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵：如不受电磁干扰、体积小、重量轻、可挠曲、灵 敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、 便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、便于遥测等。它能用于温度、压力、应变、位移、速度、 加速度、磁、电、声和加速度、磁、电、声和pH值等各种物理量的测量，

34、具有值等各种物理量的测量，具有 极为广泛的应用前景。极为广泛的应用前景。 60 分类 v 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传 感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。 v 光纤传感器所用光纤有光纤传感器所用光纤有单模光纤和多模光纤单模光纤和多模光纤。单模光纤的。单模光纤的 纤芯直径通常为纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源，很细的纤芯半径接近于光源 波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和 偏振调制型的光纤传感器采用

35、单模光纤；光强度调制型或偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或 传光型光纤传感器多采用多模光纤。传光型光纤传感器多采用多模光纤。 61 各种装饰性光导纤维各种装饰性光导纤维 62 发光二极 管产生多种颜 色的光线，通 过光导纤维传 导到东方明珠 球体的表面。 在计算机控制 下，可产生动 态图案。 上海东方明珠上海东方明珠 63 6.3.2 光纤的结构和传输原理 v光导纤维简称为光导纤维简称为光纤光纤，目前基本上还是采用石英，目前基本上还是采用石英 玻璃，其结构如图玻璃，其结构如图6-36所示。中心的圆柱体叫做所示。中心的圆柱体叫做 纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做纤芯，围绕着纤芯的圆

36、形外层叫做包层包层。纤芯和。纤芯和 包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。 1光纤的结构光纤的结构 64 图6-36 光纤 光纤的结构光纤的结构 65 光纤传感器光纤传感器外形外形 66 2.光纤的传输原理 v光纤的传输是基于光的全反射。光纤的传输是基于光的全反射。 67 1122 sinsinnn 如图，根据几何光学理论， 当光线以某一较小的入射角 ， 由折射率为n1的光密物质射向折 射率为n2的光疏物质(即n1n2) 时，则一部分入射光以折射角 折射入光疏物质，其余部分以 角度反射回光密物质，根据折 射定律(斯涅尔定律)，光折射 和反射之间的关系为： 1 2

37、1 当光线的入射角 增大到某一角度 时，透射入光疏物质的 折射光则沿界面传播，即 90，称此时的入射角 为临界角。 那么，由斯涅尔定律得 2 1 c c 2 c 1 sin n n 临界角仅与介质的 折射率的比值有关 2.光纤的传输原理 v光纤的传输是基于光的全内反射。光纤的传输是基于光的全内反射。 69 v只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这只要满足全反射条件，光线仍继续前进。可见这 里的光线里的光线“转弯转弯”实际上是由光的全反射所形成实际上是由光的全反射所形成 的的 v光纤集光本领的术语叫数值孔径光纤集光本领的术语叫数值孔径NA vNA= sinc= v数值孔径反映纤芯接收光量的多

38、少。数值孔径反映纤芯接收光量的多少。 22 12 nn 70 6.3.3 光纤传感器 v 一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束 光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感 器感受加速度时，由于质量块器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光对光纤的作用，从而使光 纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模纤被拉伸，引起光程差的改变。相位改变的激光束由单模 光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪的 干

39、涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处 理电路处理后便可正确地测出加速度值。理电路处理后便可正确地测出加速度值。 1光纤加速度传感器光纤加速度传感器 71 光纤加速度传感器组成结构 简图 72 2.液位的检测技术 v 在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回在球状对折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回 来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于来，由光纤的另一端导向探测器。反射光强的大小取决于 被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接被测介质的折射率。被测介质的折射率与光纤折射率越接 近，反射光强度越

40、小。显然，传感器处于空气中时比处于近，反射光强度越小。显然，传感器处于空气中时比处于 液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用于液位报液体中时的反射光强要大。因此，该传感器可用于液位报 警。若以探头在空气中时的反光强度为基准，则当接触水警。若以探头在空气中时的反光强度为基准，则当接触水 时反射光强变化时反射光强变化6dB7dB，接触油时变化，接触油时变化25dB 30dB。 （1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 73 球面光纤液位传感器 74 （2）斜端面光纤液位传 感器 v当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤当传感器接触液面时，将引起反射回另一根光纤 的光强减小。这种形式的探

41、头在空气中和水中时，的光强减小。这种形式的探头在空气中和水中时， 反射光强度差在反射光强度差在20dB以上。以上。 1、2光纤 3棱镜 75 （3）单光纤液位传感器 v 将光纤的端部抛光成将光纤的端部抛光成45的圆锥面。当光纤处于空气中时，的圆锥面。当光纤处于空气中时， 入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传入射光大部分能在端部满足全反射条件而返回光纤。当传 感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分感器接触液体时，由于液体的折射率比空气大，使一部分 光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强光不能满足全反射条件而折射入液体中，返回光纤的光强 就减小。利用就减小。利

42、用X形耦合器即可构成具有两个探头的液位报形耦合器即可构成具有两个探头的液位报 警传感器。警传感器。 76 图6-41 单光纤液位传感器结构 专用的光纤连接头及光纤插座专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心 必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及 光纤插座来完成。 77 光纤式光电开关应用光纤式光电开关应用 标志孔标志孔 电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出当光纤发出 的光穿过标志孔的光穿过标志孔 时，若无反射，时，若无反射， 说明电路板方向说明电路板方向 放置正确。放置正确。 光纤光纤 耦合器耦合器 传输光纤传输光纤 出射光纤出射光纤 78 6.4红外传感器 红

43、外传感器按其应用分类可分为以下几类：红外传感器按其应用分类可分为以下几类： （1）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；）红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量； （2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其 空间位置并对它的运动进行跟踪；空间位置并对它的运动进行跟踪； （3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像， 如红外图像仪、多光谱扫描仪等；如红外图像仪、多光谱扫描仪等； （4）红外测距和通信系统；）红外测距和通信系统； （5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。）混合系统

44、，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。 79 6.4.1 红红 外外 辐辐 射射 v红外辐射俗称红外辐射俗称红外线红外线，它是一种不可见光，由于，它是一种不可见光，由于 是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线 v波长范围大致在波长范围大致在0.761 000 m v红外辐射的物理本质是热辐射红外辐射的物理本质是热辐射 v以波的形式在空间直线传播的以波的形式在空间直线传播的 v是是22.6 m、35 m和和814 m，统称它们，统称它们 为为“大气窗口大气窗口”。 80 电磁波谱图 81 6.4.2 红外探测器 v红外传感器一般由红外传感器一般由光

45、学系统、探测器、信号调理光学系统、探测器、信号调理 电路及显示系统电路及显示系统等组成。红外探测器是红外传感等组成。红外探测器是红外传感 器的核心。器的核心。 v红外探测器种类很多，常见的有两大类：红外探测器种类很多，常见的有两大类：热探测热探测 器和光子探测器器和光子探测器。 82 1.热探测器 v热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏热探测器是利用红外辐射的热效应，探测器的敏 感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关 物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变 化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。化，

46、便可确定探测器所吸收的红外辐射。 83 类型类型 v热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热 电偶型和气体型探测器。电偶型和气体型探测器。 热释电红外探测器 v具有极化现象的热晶体或被称为具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体铁电体”的材的材 料制成的。料制成的。“铁电体铁电体”的极化强度（单位面积上的极化强度（单位面积上 的电荷）与温度有关。的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极当红外辐射照射到已经极 化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高， 使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释使其极化强度降低，

47、表面电荷减少，这相当于释 放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。 v如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载上便如果将负载电阻与铁电体薄片相连，则负载上便 产生一个电信号。产生一个电信号。输出信号的强弱取决于宝骗你输出信号的强弱取决于宝骗你 温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的温度变化的快慢，从而反映出入射的红外辐射的 强弱，热释电红外传感器的电压响应率正比于入强弱，热释电红外传感器的电压响应率正比于入 射光辐射率变化的速率。射光辐射率变化的速率。 84 2.光子探测器 v 光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电 子的相互作用来改变电子的能量状态，引起各种电学现象。子的相互作用来改变电子的能量状态，引起各种电学现象。 v 利用光子效应制成的红外探测器，统称利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器光子探测器。 v 光子探测器有内光电和外光电探测器两种光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光，后者又分