CH 2 傳感器原理7節(jié)課件

2.7光電式傳感器

光電傳感器將光量轉(zhuǎn)換為電量，其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)（photoelectriceffect）。2.7.1光電效應(yīng)

光照到某些物質(zhì)上，引起物質(zhì)的電性質(zhì)變化，這類光致電變的現(xiàn)象統(tǒng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)光子的能量：

h

=6.626×10-34(J·s)

普朗克常數(shù)；f光頻率(Hz)。紅限頻率光電效應(yīng)方程光電倍增管(PMT,PhotoMultiplierTube)若每級(jí)的倍增率為δ，n個(gè)倍增極，則光電流的總倍增率為δn。K百葉窗式盒柵式直瓦片式圓瓦片式無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很??；有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加。光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)。根據(jù)光敏電阻的光譜特性，可分為三類:紫外光敏電阻、紅外光敏電阻、可見光光敏電阻。光敏電阻N-Si為襯底P-Si為襯底國(guó)產(chǎn)硅光敏二極管分為2CU、2DU兩個(gè)系列。光敏二極管一般光敏三極管的基極已在管內(nèi)連接，只有c和e兩根引線（也有將基極引出的，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等）。不能從外形來區(qū)別是光敏二極管還是光敏三極管，只能由型號(hào)來判別。

光敏三極管光敏三極管的材料一般為硅，國(guó)產(chǎn)NPN型硅光敏三極管為3CU系列，PNP型硅光敏三極管為3DU系列。（2）光生伏特效應(yīng)半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光電池硅、硒、鍺、

砷化鎵（GaAs）是光電池的常用材料。

在N型硅片上用擴(kuò)散方法摻入P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的P-N結(jié)，P層做得很薄，光線能穿透到P-N結(jié)上。硅太陽能電池輕便、簡(jiǎn)單，不會(huì)產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。

2.7.3光電傳感器的工作形式

按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器

脈沖式光電傳感器反射式光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物體上，被測(cè)物把部分光通量反射到光電元件上，根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面狀態(tài)和性質(zhì)。如測(cè)量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

遮光式被測(cè)物位于光源與光電元件之間，光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物遮去一部分，使作用在光電元件上的光通量減弱，減弱的程度與被測(cè)物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)。測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移、振動(dòng)等。輻射式被測(cè)物本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上。如光電高溫計(jì)、比色高溫計(jì)、紅外偵察和紅外遙感等。防火報(bào)警、光照度計(jì)等。

光電傳感器的應(yīng)用檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、

輻射測(cè)溫、氣體成份分析等；檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其它非電量，如零件直徑、

表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，

以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電測(cè)量方法具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。

準(zhǔn)直擴(kuò)束工件表面缺陷檢測(cè)光纖有很多的優(yōu)點(diǎn)，用它制成的光纖傳感器與常規(guī)傳感器相比也有很多特點(diǎn)：不受電磁場(chǎng)干擾、傳輸信號(hào)安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，高靈敏度、高精度、高速度、高密度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡(jiǎn)便等等一些優(yōu)點(diǎn)。光纖傳感器可應(yīng)用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、壓力、彎曲、應(yīng)變、速度、加速度、電流、磁場(chǎng)、電壓、濕度、溫度、聲場(chǎng)、流量、濃度、pH值等

物理量的測(cè)量。光纖傳感器一、光纖的結(jié)構(gòu)光纖是用光透射率高的電介質(zhì)（如石英、玻璃、塑料等）構(gòu)成的光通路。纖芯：折射率n1較大（光密介質(zhì)）包層：折射率n2較?。ü馐杞橘|(zhì)）光纖的基本結(jié)構(gòu)

n1>n2由Snell定律可以導(dǎo)出光線由空氣(n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角)：NA為數(shù)值孔徑，是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。無論光源發(fā)射功率多大，只有2θc張角內(nèi)的光才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強(qiáng)。產(chǎn)品光纖通常不給出折射率，只給出NA。例如，石英光纖的NA=0.2～0.4。(NumericalAperture)三、光纖的種類按纖芯和包層材料性質(zhì)可分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。按折射率可分為階躍型光纖和漸變型光纖。

階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而變，但在纖芯與包層界面處折射率有突變。漸變型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。這類光纖有聚焦作用（自聚焦光纖）；光線傳播的軌跡近似于正弦波。光在光纖中的傳播軌跡四、光纖傳感器的工作原理按工作原理，光纖傳感器可分為：功能型(FF型、物性型、傳感型)FunctionalFiber光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測(cè)量的功能。可以利用外界物理因素改變光纖中光的振幅、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)，從而對(duì)外界物理因素進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸。

可分為振幅調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型、波長(zhǎng)調(diào)制型。非功能型(NFF型、結(jié)構(gòu)型、傳光型)Non-FunctionalFiber光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其它敏感元件才能組成傳感器。微彎光纖傳感器（振幅調(diào)制）微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光有一部分會(huì)泄漏到包層中去。振幅調(diào)制型光纖傳感器Mach－Zehnder馬赫－曾德爾M-Z干涉儀原理（相位調(diào)制）溫度、壓力、應(yīng)變等分光棱鏡相位調(diào)制型光纖傳感器光纖流速傳感器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：光纖測(cè)頭端有一個(gè)圓錐體反射器。當(dāng)測(cè)頭置于空氣中沒接觸液面時(shí)，光線在圓錐體內(nèi)發(fā)生全反射而回到光電二極管。當(dāng)測(cè)頭接觸液面時(shí)，由于液體折射率與空氣不同，全反射被破壞，有部分光線透入液體內(nèi)，返回到光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?；返回光?qiáng)是液體折射率的線性函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，表明測(cè)頭已接觸到液位。同種溶液在不同濃度時(shí)的折射率不同，經(jīng)標(biāo)定，這種液位傳感器也可作為濃度計(jì)。光纖液位計(jì)可用于易燃、易爆場(chǎng)合，但不能探測(cè)污濁液體及會(huì)粘附在測(cè)頭表面的粘稠物質(zhì)。光纖液位