第6章光電式傳感器及應(yīng)用1

1、第6章光電式傳感器及應(yīng)用,1,引言,光電式傳感器是以光電元件作為轉(zhuǎn)化元件，將被測(cè)非電量通過(guò)光量的變化再轉(zhuǎn)化成電量的傳感器。 光電式傳感器一般由光源、光學(xué)元件和光電元件3部分組成。 光電元件是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。 光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動(dòng)檢測(cè)，計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。 光電式傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。,2,主要內(nèi)容,6.1光電效應(yīng)及光電元器件 6.2光電式傳感器的實(shí)用電路 6.3光纖傳感器 6.4紅外傳感器,3,6.1光電效應(yīng)及光電元器件,光電式傳感器的工作原理是基于不同形式的光電效應(yīng)。根據(jù)光的波粒二象性，光是一種以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流

2、，這種粒子稱為光子。具有的能量h正比于光的頻率（h普朗克常數(shù)）。每個(gè)光子具有的能量為 E= h,6.1.1 光電效應(yīng)及分類,4,對(duì)不同頻率的光，其光子能量是不相同的，頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看作物體受到一連串能量為h的光子所轟擊，組成該物體的材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。,光電效應(yīng)通常分為三類： 1)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，光電元件有光電管、光電倍增管等。 2)在光線作用下能使物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶體管等。 3)在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)

3、勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，光電元件有光電池等。,2020年10月6日,6.1.2 光電元器件及基本測(cè)量電路,它們是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。 （1）光電管的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示。半圓筒形金屬制成陰極K、陰極軸心的陽(yáng)極A封裝在真空玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在K上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量增加hv。,1光電管、光電倍增管,圖6-1 光電管的結(jié)構(gòu),6,光電子的能量,當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，自由電子就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成逸出電子。這種逸出的電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面的初速度可由愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程確定。 （1/2）

4、m2= hA,7,當(dāng)陰極金屬材料選定后，要使陰極金屬表面有電子逸出，入射光的頻率要大于某一最低限度，否則當(dāng)h小于A時(shí)，不管光通量有多大，都不可能有電子逸出，這個(gè)最低限度的頻率稱為紅限。當(dāng)h大于A時(shí)，光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流I就越大。,8,光電管符號(hào)及測(cè)量電路,光電管正常工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極電位。 在入射光頻率大于“紅限”的前提下，當(dāng)光電管陽(yáng)極加上適當(dāng)電壓（幾十伏）時(shí)，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽(yáng)極所吸引，在光電管中形成電流，稱為光電流。,9,圖6-2 光電管符號(hào)及測(cè)量電路,（2）光電倍增管 光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子，并使電子獲得倍增的電真空器件。 它有放

5、大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測(cè)量。 光電倍增管由兩個(gè)主要部分構(gòu)成：陰極室和若干光電倍增極組成的二次發(fā)射倍增系統(tǒng) ，結(jié)構(gòu)示意圖如圖6-3所示。,10,在它的陰極與陽(yáng)極之間設(shè)置許多二次倍增極D1、D2、D3、，它們又稱為第1倍增極、第2倍增極，相鄰電極之間通常加上100V左右的電壓，其電位逐級(jí)提高，陰極電位最低，陽(yáng)極電位最高，兩者之差一般在。6001200V左右。,圖6-3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖,11,原理,當(dāng)微光照射陰極K時(shí)，從陰極K上逸出的光電子在D1的電場(chǎng)作用下，以高速向倍增極D1射去，產(chǎn)生二次發(fā)射，于是更多的二次發(fā)射的電子又在D2電場(chǎng)作用下，射向第二倍增極，激

6、發(fā)更多的二次發(fā)射電子，如此下去，一個(gè)光電子將激發(fā)更多的二次發(fā)射電子，最后被陽(yáng)極所收集。若每級(jí)的二次發(fā)射倍增率為m，共有n級(jí)（通?？蛇_(dá)911級(jí)），則光電倍增管陽(yáng)極得到的光電流比普通光電管大mn倍，因此光電倍增管的靈敏度極高。,12,圖6-3 光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖,光電倍增管的穩(wěn)定性,各倍增極的電壓是用分壓電阻R1、R2、Rn獲得的，陽(yáng)極電流流經(jīng)電阻RL得到輸出電壓Uo。 (1)當(dāng)用于測(cè)量穩(wěn)定的輻射通量時(shí)，圖中虛線連接的電容C1、C2、Cn和輸出隔離電容C0都可以省去。這時(shí)電路往往將電源正端接地，并且輸出可以直接與放大器輸入端連接。(2)當(dāng)入射光通量為脈沖量時(shí)，則應(yīng)將電源的負(fù)端接地，因?yàn)楣怆姳对龉?/p>

7、的陰極接地比陽(yáng)極接地有更低的噪聲，此時(shí)輸出端應(yīng)接入隔離電容，同時(shí)各倍增極的并聯(lián)電容亦應(yīng)接入，以穩(wěn)定脈沖工作時(shí)的各級(jí)工作電壓，穩(wěn)定增益并防止飽和。,13,圖6-4 光電倍增管的基本電路,2、光電管特性, 光電特性 光電特性表示當(dāng)陽(yáng)極電壓一定時(shí)，陽(yáng)極電流I與入射在光電管陰極上光通量之間的關(guān)系。 伏安特性。 當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽(yáng)極電流與陽(yáng)極電壓之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。,圖6-5 光電管光電特性曲線,14,圖6-6 光電管伏安特性曲線, 光譜特性。 由于光電管陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性，保持光通量和陽(yáng)極電壓不變，陽(yáng)極電流與光波長(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 其

8、他特性。 光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性，暗電流和衰老特性等，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)和有關(guān)手冊(cè)合理選用。,15,圖6-7 光電管光譜特性曲線,6.1.3光敏電阻,光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電元件。 優(yōu)點(diǎn)：它具有靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬、體積小、重量輕、機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊、耐振動(dòng)、抗過(guò)載能力強(qiáng)和壽命長(zhǎng)等.,16,1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)。,光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端上電極引線，將其封裝在帶透明窗的管殼內(nèi)就構(gòu)成光敏電阻，如圖a所示，為了增加靈敏度，常將 兩電極做成梳狀，如圖b所示；圖形符號(hào)如圖c所示。,17,光敏電阻,當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)， 阻

9、值減小。,18,2.光敏電阻的基本特性, 暗電阻和暗電流。 亮電阻和亮電流。 伏安特性。,光敏電阻的伏安特性,19, 光電特性。 光譜特性。 響應(yīng)時(shí)間。 溫度特性。,某光敏電阻的光電特性,光敏電阻的光譜特性,20,3、常用光電導(dǎo)材料,21,6.1.4 光敏晶體管,光敏晶體管包括光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管，它們的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。 光敏三極管的靈敏度比光敏二極管高，但頻率特性較差，目前廣泛應(yīng)用于光纖通信、紅外線遙控器、光電耦合器、控制伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速的檢測(cè)、光電讀出裝置等場(chǎng)合。光敏晶閘管主要應(yīng)用于光控開(kāi)關(guān)電路,22,1.光敏晶體管結(jié)構(gòu)與工作原理, 光敏二極管。 通常處于反向偏置狀態(tài)

10、。當(dāng)沒(méi)有光照射時(shí)，其反向電阻很大，反向電流很小，這種反向電流稱為暗電流。,1負(fù)極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5正極引腳 6N型襯底 7SiO2保護(hù)圈8SiO2透明保護(hù)層 9鋁引出電極 10P型擴(kuò)散層 11PN結(jié) 12金屬引出線,23,光敏二極管外形,光敏二極管陣列,包含1024個(gè)InGaAs元件的線性光電二極管陣列，可用于分光鏡。,24,紅外發(fā)射、接收對(duì)管外形,紅外發(fā)射管,紅外接收管,25, 光敏三極管,集電極電流是原始光電電流的倍。因此，光敏三極管比光敏二極管的靈敏度高許多倍。,光敏三極管,26,光敏三極管外形,27, 光敏晶閘管,光敏晶閘管（LCR）又稱為光控晶閘管 光敏晶閘管的特

11、點(diǎn)是工作電壓很高，有的可達(dá)數(shù)百伏，導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，因此輸出功率很大，在自動(dòng)檢測(cè)控制和日常生活中應(yīng)用會(huì)越來(lái)越廣泛。,28,2.光敏晶體管的基本特性。, 光譜特性。 伏安特性,圖6-16 光敏晶體管的光譜特性 1硅光敏晶體管 2鍺光敏晶體管,29,圖6-17 光敏三極管的伏安特性, 光電特性 溫度特性 頻率特性 響應(yīng)時(shí)間,圖6-18 光敏晶體管的光電特性 1光敏二極管的光電特性 2光電三極管的光電特性,30,6.1.5光電池,光電池的工作原理是基于光生伏特效應(yīng)，當(dāng)光照射到光電池上時(shí)，可以直接輸出光電流。 常用的光電池有兩種，一種是金屬半導(dǎo)體型，另一種是PN結(jié)型，如硒光電池、硅光電池、鍺

12、光電池等。,31,1、硅光電池的結(jié)構(gòu)及工作原理,用導(dǎo)線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中就有電流流過(guò),32,光電池外形,光敏面,33,能提供較大電流的大面積光電池外形,34,2.光電池的基本特性, 光譜特性 光電特性 溫度特性 頻率特性,35,光電池和光譜特性曲線,1硅光電池 2硒光電池,硅光電池的光電特性,1開(kāi)路電壓特性曲線 2短路電流特性曲線,光電池的溫度特性,光電池的頻率特性,3.短路電流的測(cè)量,Uo= -UR f = -I Rf 該電路的輸出電壓Uo與光電流I成正比，從而達(dá)到電流/電壓轉(zhuǎn)換關(guān)系。,光電池短路電流測(cè)量電路,37,在光電特性中談到，光電流與照度成線性關(guān)系，當(dāng)負(fù)載電阻短路時(shí)，線性關(guān)系最好

13、，線性范圍更寬。,6.1.6光電耦合器件,光電耦合器是由發(fā)光元件（如發(fā)光二極管）和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號(hào)的光電器件。 發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。 根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測(cè)有無(wú)物體的光電開(kāi)關(guān)。,38,（1）光電耦合器,光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和單向信號(hào)傳輸功能，廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)及固態(tài)繼電器等場(chǎng)合。,光電耦合器組合形式,39,（2）光電開(kāi)關(guān),光電開(kāi)關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收，并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，

14、同時(shí)加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開(kāi)”、“關(guān)”信號(hào)的器件。 光電開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。,40,典型的光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu),1發(fā)光元件 2接收元件 3殼體 4導(dǎo)線 5反射物 6窗體,41,光電開(kāi)關(guān)外形,42,應(yīng)用范圍,用光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號(hào)有“高低”之分即可。,43,光電開(kāi)關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測(cè)、產(chǎn)品計(jì)數(shù)、料位檢測(cè)、尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。,44,（3）光電斷續(xù)器,工作原理與光電開(kāi)關(guān)的相同，但其光電發(fā)射器、接收器放置于一個(gè)體積很

15、小的塑料殼體中，所以兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)。 分為遮斷型和反射型2種。,45,1發(fā)光二極管 2紅外光 3光電元件 4槽 5被測(cè)物,光電斷續(xù)器外形,46,光電斷續(xù)器外形（續(xù)）,紅色光柱,47,齒盤每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。通過(guò)脈沖頻率的測(cè)量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。,光電斷續(xù)器的應(yīng)用,請(qǐng)寫出轉(zhuǎn)速與頻率的關(guān)系式,n= ？,n,48,6.2光電式傳感器的實(shí)用電路,非接觸式測(cè)量，由光源、光學(xué)通路和光電元件3部分組成。 按照被測(cè)物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系 4種類型,1被測(cè)物 2光電元件 3恒光源,49,光電傳感器的分類,按光電元件輸出量性質(zhì)可分二類：模擬式光電傳感器、脈沖(開(kāi)關(guān)

16、)式光電傳感器。,模擬式光電傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間呈單值關(guān)系。,模擬式光電傳感器按被測(cè)量方法可分為：透射(吸收)式、漫反射式、遮光式三大類。,2020年10月6日,（1）透射式：指被測(cè)物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，因此又稱之為吸收式?？捎糜跍y(cè)量透明度、混濁度。,2020年10月6日,（2）漫反射式：指恒光源發(fā)出的光投射到被測(cè)物上，再?gòu)谋粶y(cè)物體表面反射后投射到光電元件上。可用于測(cè)量工件表面粗糙度、紙張的白度等。,2020年10月6日,（3）遮光式：指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物光遮其中一部份，使投射剄光電元件上的光

17、通量改變，改變的程度與被測(cè)物體在光路位置有關(guān)?？捎糜诠ぜ叽鐪y(cè)量、振動(dòng)測(cè)量等。,2020年10月6日,（5）脈沖式光電傳感器：在這種傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開(kāi)關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等。,（4）光源本身是被測(cè)物，這種型式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)和照度計(jì)。,2020年10月6日,1.高溫比色溫度儀,根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個(gè)特定波長(zhǎng)1、2上的輻射強(qiáng)度、之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系，即 K1、K2是與1、2及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。,55,使用光電池制作非接觸測(cè)溫的高溫比色溫度儀,

18、1高溫物體 2物鏡 3半反半透鏡 4反射鏡 5目鏡 6觀察者眼睛 7光闌 8光導(dǎo)棒9分光鏡 10、12濾光鏡 11、13硅光電池 14、15電流/電壓轉(zhuǎn)換器,56,圖6-32 高溫比色溫度儀原理圖,2.光電比色計(jì),這是一種化學(xué)分析儀器 ，如圖6-33所示。,57,圖6-33 光電比色儀原理圖,1光源 2透鏡 3濾色鏡 4標(biāo)準(zhǔn)樣品 5被檢測(cè)樣品 6、7光電池 8差動(dòng)放大電路 9指示儀表,由于被檢測(cè)樣品在顏色、成分或渾濁度等 某一方面與標(biāo)準(zhǔn)樣品的不同，導(dǎo)致兩光電池收到的透射光強(qiáng)度不等，從而使光電池轉(zhuǎn)換出來(lái)的電信號(hào)大小不同，經(jīng)放大器后，用指示儀表顯示出來(lái)，由此被測(cè)樣品的某項(xiàng)指標(biāo)即可檢測(cè)出來(lái)。,3.光

19、電式帶材跑偏檢測(cè)裝置,帶材跑偏檢測(cè)裝置是用來(lái)檢測(cè)帶型材料在加工過(guò)程中偏離正確位置的大小與方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號(hào)。,58,圖6-34 光電式邊沿位置檢測(cè)裝置,1被測(cè)帶材 2光源 3、4光透鏡 5光敏電阻 6遮光罩,4.物體長(zhǎng)度及運(yùn)動(dòng)速度的檢測(cè),光電元件檢測(cè)運(yùn)動(dòng)物體的速度,1光源A 2光敏元件VA 3運(yùn)動(dòng)物體 4光源B 5光敏元件VB 6RS觸發(fā)器,59,6.3光纖傳感器,6.3.1 光纖傳感器概述,20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái),優(yōu)點(diǎn)：如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機(jī)連接、便于遙測(cè)等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁

20、、電、聲和pH值等各種物理量的測(cè)量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。,60,分類,光纖傳感器可以分為兩大類：一類是功能型（傳感型）傳感器；另一類是非功能型（傳光型）傳感器。 光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為212 m，很細(xì)的纖芯半徑接近于光源波長(zhǎng)的長(zhǎng)度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。,61,各種裝飾性光導(dǎo)纖維,62,發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過(guò)光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動(dòng)態(tài)圖案。,上海東方明珠,63,6.3.2 光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理,光導(dǎo)纖維簡(jiǎn)稱

21、為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)如圖6-36所示。中心的圓柱體叫做纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。,1光纖的結(jié)構(gòu),64,圖6-36 光纖,光纖的結(jié)構(gòu),65,光纖傳感器外形,66,2.光纖的傳輸原理,光纖的傳輸是基于光的全反射。,67,如圖，根據(jù)幾何光學(xué)理論，當(dāng)光線以某一較小的入射角 ，由折射率為n1的光密物質(zhì)射向折射率為n2的光疏物質(zhì)(即n1n2)時(shí)，則一部分入射光以折射角 折射入光疏物質(zhì)，其余部分以 角度反射回光密物質(zhì)，根據(jù)折射定律(斯涅爾定律)，光折射和反射之間的關(guān)系為：,當(dāng)光線的入射角 增大到某一角度 時(shí)，透射入光疏物質(zhì)的折射光則沿界

22、面?zhèn)鞑?，?90，稱此時(shí)的入射角 為臨界角。那么，由斯涅爾定律得,臨界角僅與介質(zhì)的折射率的比值有關(guān),2.光纖的傳輸原理,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。,69,只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)?？梢?jiàn)這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的 光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語(yǔ)叫數(shù)值孔徑NA NA= sinc= 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。,70,6.3.3 光纖傳感器,一種簡(jiǎn)諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過(guò)分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)

23、。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過(guò)處理電路處理后便可正確地測(cè)出加速度值。,1光纖加速度傳感器,71,光纖加速度傳感器組成結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖,72,2.液位的檢測(cè)技術(shù),在球狀對(duì)折端部一部分光透射出去，而另一部分光反射回來(lái)，由光纖的另一端導(dǎo)向探測(cè)器。反射光強(qiáng)的大小取決于被測(cè)介質(zhì)的折射率。被測(cè)介質(zhì)的折射率與光纖折射率越接近，反射光強(qiáng)度越小。顯然，傳感器處于空氣中時(shí)比處于液體中時(shí)的反射光強(qiáng)要大。因此，該傳感器可用于液位報(bào)警。若以探頭在空氣中時(shí)的反光強(qiáng)度為基準(zhǔn)，則當(dāng)接觸水時(shí)反射光強(qiáng)變化6dB7dB，接觸油時(shí)變化25dB30dB。,（1）球面光纖液位傳感器,73,球面光纖液位傳感器,74

24、,（2）斜端面光纖液位傳感器,當(dāng)傳感器接觸液面時(shí)，將引起反射回另一根光纖的光強(qiáng)減小。這種形式的探頭在空氣中和水中時(shí)，反射光強(qiáng)度差在20dB以上。,1、2光纖 3棱鏡,75,（3）單光纖液位傳感器,將光纖的端部拋光成45的圓錐面。當(dāng)光纖處于空氣中時(shí)，入射光大部分能在端部滿足全反射條件而返回光纖。當(dāng)傳感器接觸液體時(shí)，由于液體的折射率比空氣大，使一部分光不能滿足全反射條件而折射入液體中，返回光纖的光強(qiáng)就減小。利用X形耦合器即可構(gòu)成具有兩個(gè)探頭的液位報(bào)警傳感器。,76,圖6-41 單光纖液位傳感器結(jié)構(gòu),專用的光纖連接頭及光纖插座,光纖與電光轉(zhuǎn)換元件耦合時(shí)，兩者的軸心必須嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)并固定，可使用專用的連接

25、頭及光纖插座來(lái)完成。,77,光纖式光電開(kāi)關(guān)應(yīng)用,標(biāo)志孔,電路板標(biāo)志檢測(cè),當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過(guò)標(biāo)志孔時(shí)，若無(wú)反射，說(shuō)明電路板方向放置正確。,光纖 耦合器,傳輸光纖,出射光纖,78,6.4紅外傳感器,紅外傳感器按其應(yīng)用分類可分為以下幾類： （1）紅外輻射計(jì)，用于輻射和光譜輻射測(cè)量； （2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對(duì)它的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行跟蹤； （3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等； （4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)； （5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個(gè)或多個(gè)的組合。,79,6.4.1 紅 外 輻 射,紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見(jiàn)光

26、，由于是位于可見(jiàn)光中紅色光以外的光線，故稱紅外線 波長(zhǎng)范圍大致在0.761000 m 紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射 以波的形式在空間直線傳播的 是22.6 m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄?80,電磁波譜圖,81,6.4.2 紅外探測(cè)器,紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、探測(cè)器、信號(hào)調(diào)理電路及顯示系統(tǒng)等組成。紅外探測(cè)器是紅外傳感器的核心。 紅外探測(cè)器種類很多，常見(jiàn)的有兩大類：熱探測(cè)器和光子探測(cè)器。,82,1.熱探測(cè)器,熱探測(cè)器是利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測(cè)器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過(guò)測(cè)量物理參數(shù)的變化，便可確定探測(cè)器所吸收的紅外輻射。,83,

27、類型 熱探測(cè)器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測(cè)器。,熱釋電紅外探測(cè)器,具有極化現(xiàn)象的熱晶體或被稱為“鐵電體”的材料制成的。“鐵電體”的極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)，引起薄片溫度升高，使其極化強(qiáng)度降低，表面電荷減少，這相當(dāng)于釋放一部分電荷，所以叫做熱釋電型傳感器。 如果將負(fù)載電阻與鐵電體薄片相連，則負(fù)載上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于寶騙你溫度變化的快慢，從而反映出入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。,84,2.光子探測(cè)器,光子探測(cè)器利用入射紅外輻射的光子流與探測(cè)器材料中電子的相互作用來(lái)改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象。 利用光子效應(yīng)制