第7章光电式传感器1.ppt

第七章 光电式传感器,本章要点:1）光电器件的特性和选择、光电传感器设计原理及应用2）光纤传感器原理和典型应用举例3）莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作原理及应用方法,工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变成电信号。优点：由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快。应用：在检测和控制领域中获得了广泛的应用，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器的内容极其丰富。,第一节 光源,大多数光电传感器都离不开光源，选择时要考虑波长、谱分布、体积、造价、功率等因素。一、热辐射光源（钨丝白炽灯）二、气体放电光源（低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯）三、电致发光器件发光二极管四、激光器（一）固体激光器（二）气体激光器（三）半导体激光器,第二节 光电器件,光电器件的作用是将光信号变为电信号。可分为：*热探测器：光 温度 电 基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收超低能量的光子，尤其适用红外探测。*光子探测器：光 电 基于一些物质的光电效应。,一、热探测器,（一）测辐射热电偶（二）测辐射热敏电阻（三）热释电探测器敏感部分为（陶瓷）铁电材料。应用于防火、防盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感技术等。,二、光子探测器,光以光速c传播，其波长 c/f 光是一种称为光子的物质组成，兼有波和粒子的特性。光是一种电磁波，其能量E和振荡频率的关系为频率越高，能量越大。E=hf 普朗克常数:h=6.62610 34(Js)光电效应：物体吸收能量为E的光后产生的电效应。外光电效应：当物体在光的作用下能使物体中的电子从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。内光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子不逸出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生变化。常在半导体材料内。,根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，这时逸出表面的电子就具有动能,（一）光电发射型（外光电效应）,光电子逸出时所具有的初始动能EK与光的频率有关。能激发电子逸出的频率限称为“红限”，fkA0/h其波长也称为临界波长。,光电管的结构和工作原理,真空光电管结构如图，在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。,光电倍增管结构如图。,光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程,（二）光电导型（内，半导体）,在光线作用下其电阻值往往变小，这种现象称为光导效应。具有这种性质的材料称为光敏电阻，也叫光导管。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,（三）光电导结型（内，半导体）,有光敏二极管和光敏三极管等。光敏三极管比相应的二极管的光电流大（1+）倍。如硅二极管在照度1000lx 时，约0.03A，而硅三极管有约3mA的光电流。还有雪崩二极管、PIN结构光电二极管。,光敏二极管、光敏三极管外形,（四）光电伏特型（半导体）,是自发电式的，有源器 件。即是说，受光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件。它是大面积的pn结。,*CCD和PSD后叙,光电池外形,光敏面,较大电流的大面积光电池外形,光电池在人造卫星上的应用,太阳能发电,太阳能赛车,太阳能 硅光电池板,三、测量电路（一）光电管的测量电路,1.真空光电管的测量电路,2.光电倍增管的测量电路,当测量稳定的辐射源时,各电容可省去,此时往往电源的正端接地。当辐射源为脉冲通量时,电源的负端接地。,（二）半导体光电元件的测量电路,四、一般形式的光电传感器及应用（一）模拟式光电传感器,其工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。（1）吸收式（混浊度计等）（2）反射式（表面粗糙度等）（3）遮光式（4）辐射式（高温计等）,光电式浊度计和含沙量测量,烟雾报警器,吸收式光电传感器,反射式光电传感器,光电自动门,表面质量,浊度计,光电转速表,光电式带材跑偏检测器,遮光式光电传感器,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,光幕,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,光线被遮断（报警）,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,光幕应用,三维尺寸检测,宽度 测量,长度 测量,高度测量,光幕应用（续）,光幕应用（续）,辐射式光电传感器,市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000。,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,集成IC 温度测量,人体额温测量,耳温仪,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,用于食品温度测量,（二）脉冲式光电传感器,作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，也称光电元件的开关运用状态。,光电管在电影放映机上的应用,条形码扫描笔,光电开关在流水线上的应用,漫反射型光电开关的应用,第三节 光纤传感器,1970年，美国研制成功传输损耗为20dB/km的石英质玻璃光导纤维（又称光学纤维），这是光通讯史上一个划时代的贡献。1979年，日本又研制成功传输损耗仅为0.2db/km的光导纤维。与常规的传感器相比：1）抗电磁干扰能力强2）灵敏度高3）重量轻，体积小4）适用于遥测,各种装饰性光导纤维,光的全反射,一、光导纤维（一）光导纤维（光纤）的结构：,光导纤维是一种传输光信号的导光纤维，它由石英玻璃或塑料制成，由导光的纤芯及包层组成。其导光能力主要取决于纤芯折射率n1和包层的折射率n2（n1 n2），它们的相对折射率差=1-n2/n1，一般为0.0050.14。,(二)光导纤维的工作原理,光纤工作的基础是光的全内反射。从光密媒介（n1）射入光疏媒介（n2）时，有反射和折射，由斯乃尔定律（法则），,当 1 c，光不再折射，只有反射，这种反射称为全内反射。必须强调只有n2 n1才会发生全内反射。所以当入射角1csin-1 n2/n1时，射入的光线在光纤的界面上产生全内反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。可见，这里的光线“转弯”实际上是由很多直线的全内反射所组成。,当 1=c，2=90，临界角c为：,数值孔径是光纤的一个基本参数，它决定了c，反映了光纤的集光能力。纤芯与包层的折射率差越大，光纤的集光能力越强。,按斯乃尔定律，在端面入射的光满足全内反射条件时入射角c为,NA光纤的数值孔径，而n0=1，,（三）光纤的种类,1.按材料分：玻璃光纤和塑料光纤2.按传输模式分：单模光纤：纤芯直径很小（510m），只能传播一个模；多模光纤：纤芯直径较大（50m以上），能传播几百个以上的模。,3.按折射率分布规律分：a.梯度型(也称渐变型)，也称自聚焦光纤b.阶跃型(也称台阶型)c.单孔型,二、光纤传感器,它具有“传”和“感”的两种功能。按工作原理分为两类；一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能，称为功能型（FF型，Functional Fiber）也称物性型、传感型。另一类是光纤仅仅起传输光波作用，必须在光纤端面加装其它敏感元件才能构成传感器的非功能型（NFF型Non Functional Fiber）也称结构型、传光型。,（一）FF型光纤传感器,这类主要是单模光纤。光纤既传光，又是敏感元件，它是靠被测物理量调制或影响光纤特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。因此这一类光纤传感器又分为光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等。,（二）NFF型光纤传感器,NFF 型中，光纤只“传”不“感”。它又可分为两种：a）把敏感元件置于发送、接受的光纤中间；b）在光纤终端设置“敏 感元件+发光元件”的组合体。,应用举例：微弯型光纤敏感元件：（光强调制型）FF型,可测力、位移、声压等物理量。,光纤电流传感器：（光偏振调制型）FF型,旋光效应：即法拉第效应。在大电流所产生的磁场作用下，处在磁场中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，其旋转角度与磁场强度H、磁场中的光纤长度L成正比。=VHLV光纤的弗尔徳常数。由于载流导线在周围空间产生的磁场满足安培环路定律：H=I/2R。因此只要测出 并知道L和R值，就可求得电流 I。,光纤位移传感器：NFF型,实际是由许多根光纤组成的光缆。组合方式有：混合式、对半分式、共轴内发射分布。,多模光纤传感器（瞬逝波光纤位移传感器）测量范围为光波波长量级，灵敏度达纳米量级。,光纤加速度传感器：NFF型,光纤压力传感器：NFF型,光纤温度传感器：NFF型,利用热光效应，某些液体或固体在温度不同时，透光率和反射率发生变化的总称。(利用半导体吸收的光纤温度传感器),双金属片光纤温度传感器双金属片:由两种不同热胀系数的金属片粘合在一起组成,双金属片光纤温度传感器测试原理图,双金属片光纤温度传感器应用,光纤式光电开关应用,电路板标志检测,