传感器技术与应用

1、高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为高温加热的钢板为红色，当温度继续升高时变为白色，为什么呢？白色，为什么呢？天为什么是蓝的？天为什么是蓝的？由麦克尔逊干涉仪构成的干涉测长仪中，移动反由麦克尔逊干涉仪构成的干涉测长仪中，移动反射镜的移动方向是一个重要信息，试说明理由。射镜的移动方向是一个重要信息，试说明理由。n3.5 关于颜色关于颜色 n3.5.1 光的波长与颜色的关系光的波长与颜色的关系n波长在波长在0.380.75 m范围内的电磁波为可见光，波范围内的电磁波为可见光，波长大于此范围的称为红外线，波长短于此范围的称长大于此范围的称为红外线，波长短于此范围的称为紫外线。为紫外线。 n3.

2、5.2 分光测量分光测量 n利用棱镜分光利用棱镜分光 n利用光栅分光利用光栅分光 又称分光仪。以光电倍增管在不同波长位置，测又称分光仪。以光电倍增管在不同波长位置，测量谱线强度的装置。量谱线强度的装置。其构造由一个其构造由一个入射狭缝入射狭缝，一个，一个色散系统色散系统，一个，一个成成像系统像系统和一个或多个和一个或多个出射狭缝出射狭缝组成。组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一或扫描某一波段波段)进行强度测定。进行强度测定。 光谱仪光谱仪日本岛津光谱仪日本岛津光谱仪

3、 型型 号号:UV-1705UV-1705仪器特点：仪器特点： 1. 全波长扫描全波长扫描, 波长范围：波长范围：1901100nm 2. 光谱带宽：光谱带宽：1nm 3. 分光器：消象差型闪耀全息光栅分光器：消象差型闪耀全息光栅 4.多种扫描速度选择，可重复扫描多种扫描速度选择，可重复扫描99次；次； 5.大屏幕液晶显示，中文菜单，可单机操作，可选大屏幕液晶显示，中文菜单，可单机操作，可选配记忆卡；配记忆卡； PS：日本岛津制作所：日本岛津制作所以以科科学学技技术术向向社社会会做做贡贡献献 1875创办创办n3.5.3 颜色的测量颜色的测量 n(1)颜色的表示方法颜色的表示方法 颜色由波长来

4、决定。颜色由波长来决定。He-Ne激光器激光器纳光灯纳光灯表示这种颜色混合状态的图叫色度图。红、绿、表示这种颜色混合状态的图叫色度图。红、绿、蓝称为三原色，各种颜色都可由这三种颜色的光蓝称为三原色，各种颜色都可由这三种颜色的光组合而成。组合而成。颜色可以分为彩色和非彩色。颜色可以分为彩色和非彩色。非彩色指的是白色、黑色和各种不同颜色的灰色。非彩色指的是白色、黑色和各种不同颜色的灰色。彩色就是指黑白以外的各种颜色。彩色就是指黑白以外的各种颜色。n各原刺激的适当组合可以构成完全的白色这时各原刺激的适当组合可以构成完全的白色这时R，G，B各自的各自的光照度光照度（被测光量）以（被测光量）以Lr、Lg

5、和和Lb表示。表示。 Lr ： Lg ： Lb =将原刺激将原刺激R，G，B进行适当的组合，使之成为与某波进行适当的组合，使之成为与某波长的颜色相同的光，这时各原色的长的颜色相同的光，这时各原色的照度照度设为设为Pr、Pg和和Pb，则原刺激的混合量为，则原刺激的混合量为 )14. 3(,bbggrrLPBLPGLPR如果将如果将R、G、B看成三个变量，就形成一个三维看成三个变量，就形成一个三维彩色空间，可以用一个三维的立方体来表示他们彩色空间，可以用一个三维的立方体来表示他们能组成的所有颜色。能组成的所有颜色。这里这里R，G，B称为三刺激值，三者之和称为刺激和称为三刺激值，三者之和称为刺激和)

6、15.3(SBGR引入原刺激比这一物理量引入原刺激比这一物理量 )16.3(,SBbSGgSRrrgb=1 如果就以如果就以r和和g值作为坐标值，所得到的最基本的色值作为坐标值，所得到的最基本的色度图称为度图称为rg色度图。色度图。 国际照明委员会（国际照明委员会（CIE）规定：）规定：三原色分别为：三原色分别为：波长为波长为700nm，光通量为，光通量为1光瓦的红光作为一个红光瓦的红光作为一个红基色单位，用基色单位，用R表示；表示；波长为波长为546.3nm，光通量为，光通量为4.5907光瓦的绿光作光瓦的绿光作为一个绿基色单位，用为一个绿基色单位，用G表示；表示；波长为波长为435.9nm

7、，光通量为，光通量为0.0601光瓦的蓝光作光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位，用为一个蓝基色单位，用B表示；表示；色盲测试色盲测试（2）颜色的测量）颜色的测量因为颜色由因为颜色由R，G，B三个原刺激构成，所以如果物三个原刺激构成，所以如果物体发出的光中上面这三种成分的照度能测出来，物体发出的光中上面这三种成分的照度能测出来，物体的颜色就能够确定下来。体的颜色就能够确定下来。采用三个附有光波带通滤色镜的光探测器，且三个采用三个附有光波带通滤色镜的光探测器，且三个滤色镜的通带中心分别对应红、绿和蓝色的波长：滤色镜的通带中心分别对应红、绿和蓝色的波长：0.70 m（红色）、（红色）、0.5463 m（绿

8、色）、（绿色）、0.4359 m（蓝色），则由三个探测器可检测出三（蓝色），则由三个探测器可检测出三种成分的照度，由此求得色度图上的坐标。种成分的照度，由此求得色度图上的坐标。 色敏光电传感器色敏光电传感器在不同波长光照射下，测量深结的短路电流在不同波长光照射下，测量深结的短路电流ISD2与与浅结的短路电流浅结的短路电流ISD1的比值的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2 / ISD1与与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。色光的波长

9、。色敏光电传感器的基本特性色敏光电传感器的基本特性1.半导体色敏器件的光谱特性半导体色敏器件的光谱特性光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图中给出光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图中给出了国产了国产CS-1型半导体色敏器件的光谱特性；其波长型半导体色敏器件的光谱特性；其波长范围是范围是4001000nm。2、短路电流比、短路电流比-波长特性波长特性短路电流比短路电流比-波长特性是表征半导体色敏器件对波长波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。上述的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。上述CS-1型半导体色敏器件的短路电流比型半导体色敏器件的短路电流比

10、-波长特性曲线波长特性曲线示于图示于图b。拉曼光谱仪介绍拉曼光谱仪介绍n拉曼效应拉曼效应光照射到物质上发生弹性散光照射到物质上发生弹性散射和非弹性散射射和非弹性散射弹性散射的散射光是与激发弹性散射的散射光是与激发光波长相同的成分光波长相同的成分非弹性散射的散射光有比激非弹性散射的散射光有比激发光波长长的和短的成分发光波长长的和短的成分发现于 1928印度科学家 Raman在1930年Raman获得诺贝尔奖 实验室用拉曼光谱仪系统由四个主要部分组成：实验室用拉曼光谱仪系统由四个主要部分组成：激发源、采集装备、分光统以及分析软件。激发源、采集装备、分光统以及分析软件。英国雷尼绍公司英国雷尼绍公司(

11、Renishaw)拉曼光谱仪拉曼光谱仪通光效率：大于通光效率：大于30%光谱范围：光谱范围：200nm-1000nm；光谱分辨率：；光谱分辨率：1cm-1 空间分辨率：横向空间分辨率：横向0.5微米，纵向微米，纵向2微米微米可选激光器：紫外到近红外，可选激光器：紫外到近红外，10余种不同波长供选择余种不同波长供选择PS：英国雷尼绍公司：英国雷尼绍公司(Renishaw)简介简介雷尼绍公司在计量学和拉曼光谱仪器领域居世界雷尼绍公司在计量学和拉曼光谱仪器领域居世界领先地位。领先地位。 公司的主要产品有：实验室研究用拉曼光谱仪和公司的主要产品有：实验室研究用拉曼光谱仪和工业在线用拉曼光谱仪、激光器和

12、工业在线用拉曼光谱仪、激光器和CCD探测器；探测器；坐标测量机上的测量系统，工件安装基准设定；坐标测量机上的测量系统，工件安装基准设定；在机对刀系统及在机零件检验；扫描和数字化系在机对刀系统及在机零件检验；扫描和数字化系统；机床测量和校准用的激光干涉仪和球杆仪系统；机床测量和校准用的激光干涉仪和球杆仪系统；高精度定位反馈编码器系统（钢带光栅尺）统；高精度定位反馈编码器系统（钢带光栅尺）等产品。等产品。 拉曼光谱拉曼光谱n3.6 光传感器应用举例光传感器应用举例 由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快有

13、非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCDCCD器件、器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。器在检测和控制领域得到了广泛的应用。光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。光式、反射式、辐射式四种基本形式。例例1 1：直射式光电转速传感器：直射式光电转速传感器 开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出开孔圆盘的输入轴与被测轴相连接，光源发出的光通过开

14、孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上，光的光通过开孔圆盘和缝隙板照射到光敏元件上，光敏元件将其转为电信号输出。敏元件将其转为电信号输出。 通过测量光通过测量光敏元件输出的脉敏元件输出的脉冲频率，得被测冲频率，得被测转速转速 n=f/Nn转速；转速； f脉冲频率；脉冲频率； N圆盘孔数。圆盘孔数。 测速也可以采用反射式：只要用白纸画上测速也可以采用反射式：只要用白纸画上黑道的圆纸贴在旋转体上即可。黑道的圆纸贴在旋转体上即可。2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图例例2 2：光电液位检测：光电液位检测在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时，红外在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时，红

15、外发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收；当发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收；当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时，出于液液位上升到发光二极管及光电三极管平面时，出于液体的折射，光电三极管接体的折射，光电三极管接收到红外信号由此收到红外信号由此获得液位信号。获得液位信号。例例3 3：感烟传感器：感烟传感器( (火灾报警器的一部分火灾报警器的一部分) ) 由红外发光由红外发光二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上( (有一定角度有一定角度) )。在无烟状态时，光电三极管接收不到。在无烟状态时，光电三极管接收不到红外线；红外线；当

16、发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾粒子进入感烟传当发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾粒子进入感烟传感器时，由于红外线受烟雾粒于折射作用，光电三极感器时，由于红外线受烟雾粒于折射作用，光电三极管接收到红外线，给出烟雾报管接收到红外线，给出烟雾报警信号。警信号。吸收式烟尘浊度检测系统原理图吸收式烟尘浊度检测系统原理图 烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。过程中的变化大小来检测的。 如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因

17、而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。的变化。烟筒例例4 4：光电开关的应用：光电开关的应用下图为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例。除记数下图为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例。除记数外，还可进行位置检测外，还可进行位置检测( (如装配体有没有到位如装配体有没有到位) )、质量、质量检查检查( (如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等) )。下图为为自动切断控制的实例。下图为为自动切断控制的实例。可以根据被测物的特定标记进行自动控制可以根据被测物的特定标记进行自动控制( (如根据特如根据特定的标记检测后进行自动切断、封口等定的标记检测后进行自动切断、封口等) )。光