传感器原理及应用 光电式传感器

传感器原理及应用光电式传感器第1页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器概述

料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关第2页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器概述

光栅光纤光电管光敏电阻第3页/共242页

8.1

光电器件

将光能转换为电能的一种传感器件.

构成光电式传感器最主要的部件。工作的物理基础:光电效应。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第4页/共242页

光电效应

传感器原理及应用第8章

光电式传感器

传统的光敏器件利用各种光电效应，光电效应可分为：

外光电效应内光电效应

光电导效应

光生伏特效应

第5页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.1.1工作原理

(1)外光电效应

在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射。光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个光子具有的能量是：

——普朗克常数()

——光的频率（Hz），波长短，频率高，能量大

第6页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.1光电效应

8.1.1工作原理

如果光子的能量E大于电子的逸出功A，超出的能量表现在电子逸出的功能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。

由能量守恒定律有：第7页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器光电导效应：入射光强改变物质导电率的物理现象。

基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。8.1光电效应

8.1.1工作原理

(2)内光电效应

第8页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.1光电效应

8.1.1工作原理

(2)内光电效应

光生伏特效应：

半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。

两种情况：不加偏压的PN结加反偏压的PN结第9页/共242页传感器原理及应用第8章光电传感器

不加偏压的PN结

当光照射在PN结时，如果电子能量大,可激发出电子——空穴对，在PN结内电场作用下空穴移向P区，电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，即光生电动势.基于这种效应的器件有

光电池

8.1光电效应

8.1.1工作原理(2)内光电效应第10页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

加反偏压的PN结：无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，光照越大光电流越大。

具有这种性能的器件有：

光敏二极管、光敏晶体管.

8.1光电效应

8.1.1工作原理(2)内光电效应第11页/共242页1.外光电效应

光线作用下,使电子逸出物体表面的现象.

如:光电管、光电倍增管2.内光电效应

光线作用下,物体的电导性能改变的现象.

如:光敏电阻传感器原理及应用第8章

光电式传感器第12页/共242页

内光电效应又可分为以下两类：

(1)光电导效应

在光线作用下，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低。光敏电阻是基于光电导效应的光电器件。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第13页/共242页

(2)光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。光电器件有光电池。光敏二极管、光敏晶体管是基于内光电效应。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第14页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.2光电器件

光敏电阻

工作原理是基于光电导效应，其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。

光敏电阻结构及符号

第15页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.2光电器件

光敏电阻

第16页/共242页*

光敏电阻１．结构与工作原理光敏电阻又称光导管,无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第17页/共242页

一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,

此时光敏电阻的灵敏度高。

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光电式传感器第18页/共242页

光敏电阻光照特性无光照，内部电子被原子束缚，有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第19页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第20页/共242页光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）传感器原理及应用第8章

光电式传感器第21页/共242页

２．主要参数（１）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值.

流过的电流称为暗电流。（２）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻.

流过的电流称为亮电流。（３）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。

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光电式传感器第22页/共242页３．基本特性（1）伏安特性

在一定照度下,流过光敏电阻的电流与其两端的电压的关系.传感器原理及应用第8章

光电式传感器第23页/共242页

在一定的电压范围内,其I-U曲线为直线，其阻值与入射光量有关,而与电压、电流无关。

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光电式传感器第24页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第25页/共242页

(2)光照特性

描述光电流I和光照强度之间的关系，传感器原理及应用第8章

光电式传感器第26页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第27页/共242页

（3）光谱特性

光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系.

亦称为光谱响应。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第28页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第29页/共242页

(4)频率特性

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第30页/共242页

（5）温度特性

温度变化影响光敏电阻的光谱响应,它的灵敏度和暗电阻都要改变,传感器原理及应用第8章

光电式传感器第31页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第32页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第33页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.2光电器件

（3）光敏电阻——应用光敏电阻开关电路第34页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.2光电器件

（3）光敏电阻——应用光敏电阻在声、光控开关中的应用第35页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

8.2光电器件

光敏二极管和光敏三极管

①光敏二极管

光敏二极管结构与一般二极管相似，它们都有一个P—N结，PN结面积比一般二极管大。硅光敏二极管结构

第36页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器

工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。8.2光电器件

光敏二极管和光敏三极管

光敏二极管基本电路

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*光敏二极管和光敏晶体管１．结构原理没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,当光照射在PN结上时,形成光电流。光的照度越大,光电流越大。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第38页/共242页

光敏二极管在不受光照射时,

处于截止状态,

受光照射时,处于导通状态。

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光电式传感器第39页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第40页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第41页/共242页

当无光照时，光敏二极管截止，T截止，继电器K断开。当有光照时，光敏二极管导通，T也导通，继电器吸合，实现光电开关的控制。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第42页/共242页第43页/共242页第44页/共242页第45页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第46页/共242页当无光照时，光敏三极管截止.有光照时，光敏三极管中集电极电流是基极电流(光生电流)的ß倍。光敏三极管具有放大作用，比光敏二极管灵敏度高。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第47页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第48页/共242页

当无光照时，光敏三极管截止，T截止，继电器断开。当有光照时，光敏三极管导通，T导通，继电器吸合。实现开关控制的功能。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第49页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第50页/共242页

２．基本特性（１）光谱特性（２）伏安特性传感器原理及应用第8章

光电式传感器第51页/共242页第52页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第53页/共242页

(3)频率特性

指光敏管输出的光电流(或相对灵敏度)随频率变化的关系。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第54页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第55页/共242页（4）温度特性

指其暗电流及光电流与温度的关系。温度变化对光电流影响很小,而对暗电流影响很大.传感器原理及应用第8章

光电式传感器第56页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第57页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第58页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第59页/共242页第60页/共242页第61页/共242页第62页/共242页第63页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第64页/共242页

基本特性：

（１）光谱特性

对不同波长的光的灵敏度是不同的。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第65页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第66页/共242页

（２）光照特性

光电流和光生电动势之间的关系。短路电流与光照强度成线性关系,开路电压与光照度的关系是非线性的,传感器原理及应用第8章

光电式传感器第67页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第68页/共242页

(3)频率特性

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第69页/共242页

(4)温度特性

光电池的开路电压和短路电流随温度变化。开路电压随温度升高而下降的速度较快,短路电流随温度升高而缓慢增加。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第70页/共242页第71页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第72页/共242页第73页/共242页第74页/共242页第75页/共242页第76页/共242页

光电耦合器件由发光元件和光电接收元件合并使用,以光作为媒介传递信号的光电器件。发光元件是发光二极管,光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第77页/共242页第78页/共242页第79页/共242页第80页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第81页/共242页光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收,进行光电转换,信号放大和控制,获得控制输出“开”、“关”信号的器件。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第82页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第83页/共242页第84页/共242页

透射式的光电开关,

当不透明的物体位于或经过它们之间时,会阻断光路,使接收元件接收不到来自发光元件的光,这样起到检测作用。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第85页/共242页

反射式的光电开关,

当有物体经过时,接收元件将接收到从物体表面反射的光,没有物体时则接收不到。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第86页/共242页

用光电开关检测物体时,大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第87页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第88页/共242页第89页/共242页第90页/共242页第91页/共242页第92页/共242页第93页/共242页第94页/共242页第95页/共242页第96页/共242页

1.电荷耦合器件（CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。以电荷作为信号,进行电荷的存储和电荷的转移。适用于图像识别技术。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第97页/共242页

CCD的结构及工作原理

(1)结构由若干个电荷耦合单元组成的。基本单元是MOS电容器.第98页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第99页/共242页

(１).CCD原理构成CCD的基本单元是MOS电容器,MOS电容器能够存储电荷。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第100页/共242页

在金属电极上施加一个正电压时,其电极下形成耗尽层,电子在耗尽层势能较低,形成电子的势阱,

电压从φ1相移到φ2相时,φ1相电极下势阱消失,φ2相电极下形成势阱。储存于φ1相电极下势阱中的电荷移到邻近的φ2相电极下势阱中,实现电荷的耦合与转移。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第101页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第102页/共242页CCD的信号电荷产生有两种方式:光信号注入和电信号注入。用作固态图像传感器时,接收的是光信号,传感器原理及应用第8章

光电式传感器第103页/共242页光信号注入:光信号照射到CCD硅片表面时,形成信号电荷,存储电荷的多少正比于照射的光强。电信号注入:是CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样,将信号电压或电流转换为信号电荷。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第104页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第105页/共242页

CCD输出端结构:

在负载RL上形成脉冲电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压U0输出。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第106页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第107页/共242页CCD器件具有存储、转移电荷和逐一读出信号电荷的功能。

2.CCD的应用:CCD固态图像传感器作为摄像或像敏的器件。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第108页/共242页

由感光部分和移位寄存器组成。感光部分由若干光敏单元组成阵列元件,光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号,将光强转换电荷包,利用移位寄存器的移位功能将电信号传送,经输出放大器输出。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第109页/共242页光敏元件排列形式,分为线型和面型两种。（1）线型CCD图像传感器传感器原理及应用第8章

光电式传感器第110页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第111页/共242页线型CCD图像传感器可以直接接收一维光信息,不能直接将二维图像转变为视频信号输出,为了得到整个二维图像的视频信号,就必须用扫描的方法来实现。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第112页/共242页

面型CCD图像传感器

将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列,可以构成面型CCD图像传感器。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第113页/共242页

有三种基本类型:线转移、帧转移和隔列转移.线转移由行扫描发生器、感光区和输出寄存器组成。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第114页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第115页/共242页

帧转移面型CCD由光敏区（感光区）、存储区和水平读出寄存器构成。隔离转移型CCD图像传感器.它将一列光敏单元与一列存储单元交替排列。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第116页/共242页第117页/共242页第118页/共242页

8.1.6光电传感器的应用1.火焰探测报警器Pbs硫化铅为光敏电阻火焰的闪动信号,经V2、V3构成二级负反馈互补放大器后送给中心控制站进行报警处理。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第119页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第120页/共242页

2.光电式纬线探测器当纬线在喷气作用下前进时，红外发射管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第121页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第122页/共242页

3.燃气热水器中脉冲点火控制器当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第123页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第124页/共242页

4.CCD图像传感器应用进行工件尺寸检测

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第125页/共242页物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，被测物体尺寸计算公式，即

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第126页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第127页/共242页

8.3

激光传感器

一、激光的产生和特点激发：原子在正常状态下，处于稳定的低能级E1。原子得到外界能量(hµ)后，会由低能级(E1)向高能级(E2)跃迁的过程。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第128页/共242页受激辐射：处在高能级E2上的原子，在外来光子的激发下，跃迁至低能级E1而发光。外来光子的频率符合如下关系时：

hµ=E2一E1处于激发能级E2的原子才能在外来光子的激励下而发光。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第129页/共242页特点：如高方向性、高亮度、高单色性、高相干性。激光是目前最亮的光源，而且是颜色最纯、射程最远、会聚最小、光束最准直、相干性最好的光源。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第130页/共242页

二、常用的激光器

按增益介质可分如下几类。

1．固体激光器

它的增益介质为固态物质。

2．液体激光器工作物质是液体，液体激光器,最大特点是它发出的激光波长可在一波段内连续可调，连续工作，而不降低效率。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第131页/共242页3．气体激光器工作物质是气体，其特点是小巧，能连续工作，单色性好，输出功率不及固体激光器。

4．半导体激光器传感器原理及应用第8章

光电式传感器第132页/共242页三、激光探测器的应用

激光技术用于检测是将它作为光源，配以光电元件来实现的。主要用来测量长度、位移、速度、振动等参数。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第133页/共242页

1．激光测流速

激光多普勒流速计：可以测量火箭燃料的流速，飞行器喷射气流的速度，风洞气流速度以及化学反应中粒子的大小及会聚速度等。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第134页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第135页/共242页

多普勒原理：观察者所测得的流速不仅取决于光源，还取决于光源或观察者的运动速度。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第136页/共242页

当激光照射到跟流体一起运动的微粒上时，激光被运动着的微粒所散射，散射光的频率相对于入射光将产生正比于流体速度的偏移。测出散射光的偏移量，就能得到流体的速度。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第137页/共242页通过获得多普勒频偏fd，可以得到运动粒子的流速υ。运动物体(υ)所引起的光学多普勒频偏为传感器原理及应用第8章

光电式传感器第138页/共242页

fd=2υ/λλ为激光波长。当激光波源频率确定后，λ为定值，频偏与流体速度成正比。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第139页/共242页

2．激光测距

如：飞机测量其前方目标的距离，激光潜艇定位等。激光测距首先测量激光射向目标，而后又经目标反射到激光器的往返一次所需要的时间间隔t，传感器原理及应用第8章

光电式传感器第140页/共242页

求出激光探测器到目标的距离D：

D=Ct/2C为激光传播速度(3*108m／s)：

t为激光射向目标而又返回激光接收器所需要的时间。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第141页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第142页/共242页

3、车速测量

速度υ行走的车辆，行走时间为t，行走距离为S=υt,现选s=lm，使车辆行走时先后切割相距1m的两束激光，测得两次切割激光的时间间隔t，即可算出车速。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第143页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第144页/共242页8.4固态成像传感器

一、概述将其受光面上的光像，分成许多小单元，并转换成可用的电信号的一种功能器件。分为：光导摄像管与固态摄像器件。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第145页/共242页

1.光导摄像管

入射光像信号照射到摄像管中间电极表面，其上将产生与照射光量成比例的电压分布，用电子来扫描中间电极，负载RL上便会产生变化的放电电流。光量不同而使负载电流发生变化。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第146页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第147页/共242页2．固态图像传感器

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第148页/共242页

入射光照到固态图像传感器上，不需外加扫描电子束，它可以直接由自扫描半导体基体上诸象素而获得。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第149页/共242页

这样的输出信号与其对应的象素位置对应，十分准确的，再生图像失真度极小。光导摄像管等成像传感器，由于扫描电子束偏转畸变或聚焦变化而使再生图象失真却往往很难避免。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第150页/共242页8.5光纤传感器

一、概述

光纤传感器优点，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,便于遥测等。用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等各种物理量的测量。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第151页/共242页第152页/共242页是一种多层介质结构的对称圆柱体，包括纤芯、包层和涂敷层。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第153页/共242页

纤芯材料的主体是二氧化硅。为了提高材料的光折射率。掺入极微量的其它材料，如二氧化锗，五氧化二磷等。纤芯直径约为5-75μm。纤芯外面为包层，总直径约在100-2001μm左右。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第154页/共242页

包层的材料一般为二氧化硅，光纤最外层加上一层不同颜色的塑料管套，一方面起到保护作用，另一方面以颜色区分各种光纤。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第155页/共242页将许多单条光纤组成光缆。光缆中的光纤数少则几根，多则几千根，光缆主要用于通信。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第156页/共242页第157页/共242页光的全反射实验

传感器原理及应用传感器原理及应用1.4传感器的工作原理传感器前言第158页/共242页光在光纤中的全反射

传感器原理及应用1.4传感器的工作原理传感器前言第159页/共242页第160页/共242页

*

光纤的导波过程分析

纤芯是由折射率为n1的SiO2介质制成。包层玻璃是由折射率为n2的石英玻璃组成。n1=1．46-1．51，n2=1．44-1．50，即n1>n2

。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第161页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第162页/共242页

当光线从空气(折射率为n0)中射入光纤一个端面，与其轴线的夹角为θ0，则在光纤内折射成θ1角的光线B，然后光线B从Ø(Ø=900—θ1)角入射到纤芯与包层的交界面上，由于纤芯与包层的折射率不等，即(n1≠n2)光线B的一部分被反射，成为反射光D；另一部分光折射成为折射光C。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第163页/共242页根据几何光学理论，入射光线与折射光线应满足：传感器原理及应用第8章

光电式传感器第164页/共242页若Ø2为90度，折射光沿界面传播，为全反射。使Ø2=90度的Ø1角称为临界角Ø0。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第165页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第166页/共242页

若继续加大入射角Ø1(Ø1≥Ø0)，光不再产生折射，形成了光的全反射，光线被限制在纤芯中传播。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第167页/共242页光纤传光时应保证：传感器原理及应用第8章

光电式传感器第168页/共242页θ0为何值时方能使Ø1≥Ø0呢?

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第169页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第170页/共242页

纤芯与包层的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。当张角为一定范围之内的入射光束，光才能在光纤中顺利进行传输。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第171页/共242页第172页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大。光纤产品不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：NA=0.2—0.4第173页/共242页第174页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器②光纤模式第175页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器模式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。第176页/共242页第177页/共242页*传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。光纤材料石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第178页/共242页

散射损耗主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的,

纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。

光波导弯曲损耗是使用过程中产生的一种损耗。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第179页/共242页*光纤的分类

按作用分类分为功能型和非功能型。在功能型光纤传感器，光纤不仅起传光的作用，同时又是敏感元件，非功能型光纤传感器，光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第180页/共242页

光纤传感器原理实际上是研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，形成不同的调制。由光源、敏感元件(光纤或非光纤的)、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成.传感器原理及应用第8章

光电式传感器第181页/共242页

功能型传感器:利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器.

非功能型传感器是光纤仅仅起传输光的作用，在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化.

利用光探测器将光纤的输出变为电信号。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第182页/共242页

由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第183页/共242页按用途分类(1)通讯光纤。用于通迅系统，大多使用光缆。(2)非通讯光纤。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第184页/共242页第185页/共242页第186页/共242页第187页/共242页第188页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器马赫——泽德光纤干涉仪原理第189页/共242页第190页/共242页第191页/共242页第192页/共242页第193页/共242页第194页/共242页第195页/共242页第196页/共242页第197页/共242页第198页/共242页第199页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器8.3光纤传感器(3)光纤传感器

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*

应用（１）加速度传感器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。当传感器感受加速度时,质量块M对光纤的作用,使光纤被拉伸,引起光程差的改变。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第201页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第202页/共242页

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测出加速度值。

传感器原理及应用第8章

光电式传感器第203页/共242页（２）温度传感器可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型。敏感元件是一个半导体光吸收器,光纤用来传输信号。传感器是由半导体光吸收器、光纤、发射光源和信号处理系统等组成。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第204页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第205页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第206页/共242页基本原理是利用了半导体的能带随温度的升高而减小的特性,使透射过半导体材料的光强随温度而变化,达到测量温度的目的。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第207页/共242页

（３）旋涡流量传感器当液体或气体流经与其垂直的光纤时,光纤受到流体涡流的作用而振动,振动的频率与流速有关系,测出频率便可知流速。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第208页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第209页/共242页旋涡的频率f近似与流体的流速成正比，即

f≈v——流速;流体流速与涡流频率呈线性关系。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第210页/共242页

*应用举例

光电传感器是根据光电效应利用光电转换元件将光信号转换为电信号的一种器件或装置。应用是利用光电器件受光照时，有电信号输出，不受光照时无电信号输出，输出仅有两个稳定状态“通”和“断，把被测量转换成断续变化的光电流，由系统输出开关量或数字电信号。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第211页/共242页用于光机电相结合的检测装置中，如转速表、继电器、脉冲发生器等。

应用实例传感器原理及应用第8章

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一、反射式烟雾报警检测器

传感器原理及应用第8章

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光隔板的作用是阻止灯光直接照射在光敏电阻上。灯的作用是光源和热源，箱中空气受热上升，引起空气对流，烟雾从底部进入，顶部逸出。如果通过检测箱的空气中无烟雾，则白炽灯无反射光照射到光敏电阻上，其阻值很大。如果空气中有烟雾，则烟尘将灯光反射到光敏电阻上使其阻值减小。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第214页/共242页

报警电路中，当Rt无光照时，Rt很大，A点电位UA很小，可控硅触发电压太小，SCR截止。当Rt受光照时，Rt小，UA电位升高足够SCR导通，电铃响，发出报警。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第215页/共242页

二、光电池应用两大类：一类利用光伏作用直接将太阳能转换成电能，即太阳能电池。太阳电池地面发电站。另一类是将光电池作光电转换器件应用，主要用于光电检测和自动控制系统中.传感器原理及应用第8章

光电式传感器第216页/共242页传感器原理及应用第8章

光电式传感器第217页/共242页光电池可作为触发电路或开关电路的控制信号。G为D触发器.无光照时，D=0，在CP作用下，Q为0信号；有光照时，D=1，在CP作用下，Q为1信号。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第218页/共242页三、光电耦合器应用

利用光电耦合器实现主回路与控制回路的隔离.

控制回路接220V交流信号,主回路是电源电压很低的直流控制电路，两种不同电源的电路隔离使用。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第219页/共242页传感器原理及应用第8章

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当T截止时，光电耦合器不导通，可控硅的触发端没有高电平，可控硅不导通，因没有通路，灯不亮。当T饱和时，光电耦合器中发光二级管发光，使光敏三极管导通，给可控硅的触发信号加入一高电平，这时可控硅导通，L灯亮。传感器原理及应用第8章

光电式传感器第221页/共242页四、光电式转速传感器传感器原理及应用第8章

光电式传感器第222页/共242页

当光电转换器VT无光照时，VT、T1、T2截止，T3饱和，U。为低电平；当白炽灯产生的光通过小孔照到光电传感器上，即VT有光照时，VT、T1、T2导通、T3截止，U。为高电平：U。输出的波形是