机电一体化讲议—3

1、第二章第二章 传感器及测量系统（传感器及测量系统（2 2）吉林大学 机械电子工程学科赵丁选2021年12月21日2.7 光电传感器22.7光电传感器 n在车辆自动控制过程中充当着重要的角色角色n分类分类：光束传感器、反射传感器、散射传感器n原理原理：通过发射器发出可见、不可见或红外光，被接收器所接收，并转换成电信号。n特点特点：(1)无接触检测，减少了被测物及探头的磨损，确保产品的使用寿命与安全操作。(2)被测物的材料不受限制，可测玻璃、塑料、木质及液体等各种的被测材料。(3)长距离检测，反射传感器的检测距离可达。(4)反应速度快，其反应能力在50s之内。2021年12月21日2.7 光电传感

2、器3(5)可分辨颜色。高精度检测，利用奇特的视觉系统和精确的电子线路可以实现对物体的精确测量。 n光电传感器分为亮通型亮通型与暗通型暗通型两类。2.7.1光电器件光电器件n分类分类：光电发射器、光电探测器2.7.1.1 光电发射器件 (1)热辐射光源：如白炽灯。光谱连续、价格便宜 (2)气体放电光源：如氙灯光源等。气体超高压放电发光。特点：特点：效率高，发热少。 (3)电致发光器：PN结发光（发光二极管）。特点：特点：功率低，驱动电压低，效率高，可直接调制，小型化等。 2021年12月21日2.7 光电传感器4 (4)激光器：a.氦氖激光器：n特点特点：输出连续，频率稳定，相干性与方向性极强，

3、居各类激光之首。但效率低体积大，电源复杂。b.半导体激光器：n特点特点：效率相当高，容易调制，体积小，结构简单，抗振性能好，但方向性差，PN结掺杂影响大。2.7.1.1 光电探测器件n原理原理：光电探测器件是利用物体的光电效应。分类分类：光电导效应，光伏效应和光电子发射效应三种。 2021年12月21日2.7 光电传感器51.光电导器件(光敏电阻)注意注意：光敏电阻必须在适当的波长光照射下，电阻才会改变。 图2-7-1光敏电阻的原理图 2-7-2 CdS、CdSe光谱响应曲线 2021年12月21日2.7 光电传感器6 2.光伏效应器件(光电二极管与光敏三极管)n原理原理：利用光照在半导体器件

4、上产生伏特效应而制成的器件，应用极广。 (1)光电二极管n原理原理：在光的照射下，光电二极管产生光电流。注意：注意：光电流向光电二极管的反方向流动。n伏安特性伏安特性：见图2-7-3（a）。n等效电路等效电路：电流源与二极管的并联，如图2-7-3(b)所示n光谱特性光谱特性：如图2-7-4。2021年12月21日2.7 光电传感器7(2)光电三极管n工作原理工作原理：光电转换，其功能同光电二极管；光电流放大，将光电流放大几十部至几百倍。n分类分类：无基极引线、有极基引线两种。a)无基极引线光电管靠光的注入代替基极的信号输入，并将集电结产生的光电流放大。图2-7-3光电二极管伏安特性 图2-7-

5、4光电二极管光谱响应曲线2021年12月21日2.7 光电传感器8b)有基极引线光电管设置基极的主要目的是为了预置一个基极电流n优点优点： 减小了光电三极管发射极的电阻，可以改善弱光下的响应时间； 使光电三极管的交流放大系数进入线性区，这对调制光的检测特别有利。(3)光电池n分类分类：硅光电池（最受欢迎）、硒光电池、硫化镉光电池、氧化亚铜光电池、砷化钾光电池等。n硅光电池硅光电池：性能稳定，光谱范围宽；频率特性好；换能效率高；能耐高能辐射等。 2021年12月21日2.7 光电传感器9图2-7-5光电三极管输出特性图 2-7-6硅光电池光照特性曲线2021年12月21日2.7 光电传感器102

6、.7.2光束传感器光束传感器n特点特点：发射器与接收器分开。图2-7-7光束传感的电气结构图 2021年12月21日2.7 光电传感器112.7.3反射传感器反射传感器n特点特点：发射器与接收器放于同一个外壳内。n常规反射传感器常规反射传感器：不能检测反光体，易产生误动作。n带偏振片的反射传感器：带偏振片的反射传感器：无论是否反射体在遮住光通路后就一定能被检出。与常规反射传感器的区别：(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振片；(2)采用三角反射镜，经它反射的偏振光其振荡面旋转90。 图2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构 2021年12月21日2.7 光电传感器12

7、2.7.4 散射传感器，散射传感器，n结构结构：发射器与接收器也置于同一个外壳内，发出的光照在被测物体上，并被反射回来，被接收器接收。n特点特点：对传感区域内发光与不发光的物体只要在传感器的灵敏度范围内，都可被检测。图2-7-9散射传感器的工作原理 2021年12月21日2.7 光电传感器132.7.5红外传感器红外传感器图2-7-10曲型红外传感器的电气结构n构成构成：光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成n用途用途：红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测2021年12月21日2.8 光纤传感器142.8光纤传感器2.8.1光纤传感器概述光纤传感器概述n起步：起步：光纤传感器技术是70年

8、代末发展起来的一项新型传感技术。n技术构成：技术构成：光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维光学应用的结合n应用范围：应用范围：位移、振动、转速、温度、压力、电场、流量、浓度、PH值等70多项参数的检测。n适用：适用：普通光电传感器所不能适应的条件，例如有限空间、高温、或危险地区，因而具有广泛的应用潜力。n测量原理：测量原理：外界待测信号调制光参数光纤光电探测器。2021年12月21日2.8 光纤传感器15n调制参数：调制参数：光可以看成简谐振荡的电磁波，其电场分量表达式为：E=E0sin(t+)n因此光可以被调制的参数有四个，即光强度、相位、偏振角及频率。n按调制形式分类：按调制形式分类：强度

9、调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型。大部分传感器属于前三类。n按光纤光纤作用分类：按光纤光纤作用分类：非功能型传感、功能传感两种。n（1）非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进行调制而光纤仅仅作为传光之用。n（2）能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光，本身也是敏感元件。n功能型光纤传感器的调制原理： 温度、压力、振动 光纤 光纤的长度、形状、折射率等发生变化 光纤中传输光的强度、相位、偏振态等发生变化2021年12月21日2.8 光纤传感器16n特点：特点：(1)检则精度与灵敏度高。强度调制型光纤传感器的灵敏度与一般传感器不相上下，而相位调制型光纤传感器的灵敏度比普通传感器高出几个数量

10、级，具有较大的动态范围。(2)响应速度高，频响宽，可实现非接触高速检测。(3)环境适应性强，由于光纤具有可挠曲、耐高温、耐腐蚀、抗电磁干扰，本质安全防暴，因而光纤传感器适用于一切场合。(4)体积小、重量轻，因而具有可集成的替力。随着集成光学的发展，将有可能出现将敏感元件、光学元件、光纤等集成一体的光纤传感器。 2021年12月21日2.8 光纤传感器17图2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理 2021年12月21日2.8 光纤传感器182.8.2光纤传感器工作原理光纤传感器工作原理(1)强度调制型光纤传感器n特点特点：结构简单、可靠性高、对光纤要求不高，信号检测简单等。(2)

11、相位调制型光纤传感器n原理原理：外界待测信号作用于光纤时，引起光纤中传输的光的相位必生变化。n测量测量：光相位变化难以直接检测出来，通常用光的干涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测。n相位调制型光纤传感器又称为干涉型干涉型光纤传感器。n相位调制型光纤传感器一般具有极高的灵敏度极高的灵敏度和动态动态范围范围。光纤干涉仪可以检测出小于10-6rad的相位变化。2021年12月21日2.8 光纤传感器19n 例例 温度变化11m长的光纤中光相位变化100rad分辨率达到10-8图2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构 2021年12月21日2.8 光纤传感器20 (3)偏振调制型光纤传感器 n原理原理：法拉弟旋光效应（检测磁场与电场）；泡克尔效应（检则电场与电压）；光弹效应（测量应力）n光弹效应原理光弹效应原理：透明晶体在受到应力时，其内部对光的折射率发生变化。 图2-8-3 偏振调制原理2021年12