传感器教学PPT

1、华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 被测信息被测信息 敏感元件敏感元件转换元件转换元件 辅助电源辅助电源 信号调理电路信号调理电路 输出信息输出信息 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.7 2.7 光电传感器光电传感器 光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感 器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化， 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 华南农业大学工程学

2、院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光敏电阻光敏电阻 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.7.1 2.7.1 光源与光谱光源与光谱 10nm 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 钨丝白炽灯；钨丝白炽灯； 发光二极管发光二极管ledled； 激光器；激光器； 气体放电灯气体放电灯 光电传感器常用的光源光电传感器常用的光源 2.7.1 2.7.1 光谱与光源光谱与光源 红外发射管红外发射管 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 0.

3、2 0.4 0.6 0.8 1.0 0 6007008009001000 gaasp p=670nmp=670nm p=655nmp=655nm gaasp p=565nmp=565nm gap p=950nmp=950nm gaas 发光二极管的光谱特性发光二极管的光谱特性 /nmnm 相对灵敏相对灵敏 度度 峰值波长峰值波长p p决定发光颜色；决定发光颜色；峰的宽度峰的宽度（用（用描述）决定描述）决定 光的色彩纯度，光的色彩纯度，越小，其光色越纯。越小，其光色越纯。 发光二极管发光二极管ledled 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.7.

4、2 2.7.2 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运 动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为 e=h e=h 式中，式中， 为光波频率；为光波频率；h h为普朗克常数，为普朗克常数， h h6.636.631010-34 -34 j/hz j/hz 光电效应光电效应 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光外

5、光 电效应电效应，基于外光电效应的光电元件有，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电光电管、光电 倍增管倍增管等；等； 在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光内光 电效应电效应。基于内光电效应的光电元件有。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光光敏电阻、光 敏晶体管敏晶体管等；等； 在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为 光生伏特效应光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有，基于光生伏特效应的光电元件有光电光电 池池等。等。 用光照射某一物体，光子能量就传递给电子，并且是用光照射某一物体，

6、光子能量就传递给电子，并且是 一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得 到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照 射的物体产生相应的电效应。射的物体产生相应的电效应。 光电效应光电效应 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体 的表面电子逸出功的表面电子逸出功a a0 0。不同的物质具有不同的逸出功，。不同的物质具有不同的逸出功， 即每一个

7、物体都有一个对应的光频阈值，称为即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率红限频率 或波长限或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使 物体内的电子逸出；物体内的电子逸出； 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正 比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电 子数也就越多。子数也就越多。 外光电效应外光电效应 爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程 0 2 0 2 1 amh 式中式中 m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度；电子逸

8、出速度； a0物体的表面电子逸出功物体的表面电子逸出功 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光电管：光电管：光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光 电管和离子光电管两类。两者结构相似电管和离子光电管两类。两者结构相似 外光电效应外光电效应 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 内光电效应内光电效应 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料， 而且光辐射能量又足够强，光导材料而且光辐射能量又足够强，光导材

9、料价带上的电子将激发价带上的电子将激发 到导带上去到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使 光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量光导体的电导率变大。为实现能级的跃迁，入射光的能量 必须大于光导体材料的禁带宽度必须大于光导体材料的禁带宽度e eg g，即，即 ch 24.1 h h= = eg(ev) 2.7.2 2.7.2 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光敏电阻光敏电阻是采用半导体材料制做，是采用半导体材料制做， 利用内光电效应工作的光电元件

10、。它利用内光电效应工作的光电元件。它 在光线的作用下其阻值往往变小，这在光线的作用下其阻值往往变小，这 种现象称为种现象称为光导效应光导效应，因此，因此，光敏电光敏电 阻又称光导管阻又称光导管。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的 光谱特性，光谱特性，光谱响应可从紫外区到红光谱响应可从紫外区到红 外区范围内外区范围内。而且体积小、重量轻、。而且体积小、重量轻、 性能稳定、价格便宜，因此应用比较性能稳定、价格便宜，因此应用比较 广泛。广泛。 内光电效应内光电效应 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光电元件的主要特性光电

11、元件的主要特性 2.7.2 2.7.2 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.7.2 2.7.2 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 分类：根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光分类：根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光 敏电阻器：敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、 可见光光敏电阻器可见光光敏电阻器。 用途：光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制用途：光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制 和

12、光电转换（将光的变化转换为电的变化）。和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。 2.7.2 2.7.2 光电效应及光电器件光电效应及光电器件 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 rg rl e i 光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻光敏电阻在室温和全暗条件下测得的稳定电阻 值称为值称为暗电阻暗电阻，或暗阻，此时流过的电流称为，或暗阻，此时流过的电流称为 暗电流暗电流； 光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定 电阻值称为电阻值称为亮电阻或亮阻亮电阻或亮阻。此时流过的电流称。此时流过的电流称 为为亮电流亮

13、电流； 亮电流与暗电流之差称为亮电流与暗电流之差称为光电流光电流； 光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好， 也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏 电阻的灵敏度就高。电阻的灵敏度就高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1m,1m,甚至甚至 高达高达100m100m，而亮电阻则在几，而亮电阻则在几k k以下，暗电以下，暗电 阻与亮电阻之比在阻与亮电阻之比在10102 210106 6之间，可见之间，可见光敏电光敏电 阻的灵敏度很高。阻的灵敏度很高。 （1 1） 光敏电阻的主要参数和基本

14、特性光敏电阻的主要参数和基本特性 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 （2 2）光照特性）光照特性 下图表示下图表示cdscds光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下，光敏电阻的光照特性。在一定外加电压下， 光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏光敏电阻的光电流和光通量之间的关系。不同类型光敏 电阻光照特性不同，但电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此光照特性曲线均呈非线性。因此 它不宜作定量检测元件，它不宜作定量检测元件，这是光敏电阻的不足之处。一这是光敏电阻的不足之处。一 般在自动控制系统中用作光电开关。般在自动控制系统中用作

15、光电开关。 1000 0 1 2 3 4 5 i/ma l/lx 2000 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 （3 3）光谱特性）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅光谱特性与光敏电阻的材料有关。从图中可知，硫化铅 光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红光敏电阻在较宽的光谱范围内均有较高的灵敏度，峰值在红 外区域。因此，外区域。因此，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和 光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 2020 4

16、040 6060 8080 100100 40408080120120160160200200240240 /m/m 3 31 12 2相相 对对 灵灵 敏敏 度度 1 1硫化镉硫化镉 2 2硒化镉硒化镉 3 3硫化铅硫化铅 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 （4 4） 伏安特性伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间 的关系称为伏安特性。图中曲线的关系称为伏安特性。图中曲线1 1、2 2分别表示照度为零及照分别表示照度为零及照 度为某值时的伏安特性。由曲线可知，度为某值时的伏安特性。

17、由曲线可知，在给定偏压下在给定偏压下, ,光照光照 度较大，光电流也越大度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越在一定的光照度下，所加的电压越 大，光电流越大，而且无饱和现象大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增。但是电压不能无限地增 大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定 电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致 光敏电阻永久性损坏。光敏电阻永久性损坏。 50 100 150 200 1 2 u/v 0 2040 i/ a 华南农业大学工

18、程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 （5 5）频率特性）频率特性 当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间 才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为 零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏 电阻时延特性不同，所以它们电阻时延特性不同，所以它们 的频率特性也不同，如图。硫的频率特性也不同，如图。硫 化铅的使用频率比硫化镉高得化铅的使用频率比硫化镉高得 多，但多，但多数光敏电阻的时延都多数光敏电阻的

19、时延都 比较大，所以，它不能用在要比较大，所以，它不能用在要 求快速响应的场合。求快速响应的场合。 20 40 60 80 100 i / % f / hz 0 10102103104 硫化铅硫化铅 硫化镉硫化镉 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 （6）温度特性 其性能其性能( (灵敏度、暗电阻灵敏度、暗电阻) )受温度的影响较大。受温度的影响较大。随着温度的升随着温度的升 高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性曲线的峰值向波长短 的方向移动。的方向移动。硫化镉的光电流硫化镉的光电流i i和温度和温

20、度t t的关系如图所示。有的关系如图所示。有 时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元时为了提高灵敏度，或为了能够接收较长波段的辐射，将元 件降温使用。件降温使用。 i / a 100 150 200 -50-1030 5010-30 t / c 20 40 60 80 100 01.02.03.04.0 /m i/ma +20 c - -20 c 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光敏晶体管光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也 是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于

21、光线照射在半导体是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体pnpn结结 上，上，pnpn结参与了光电转换过程结参与了光电转换过程； 光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其pnpn 结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反反 向工作状态；向工作状态； 光敏二极管的光敏二极管的光电流光电流 i i 与照度之间呈线性关系与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照。光敏二极管的光照 特性是线性的，所以特性是线性的，所以适合检测等方面的应用

22、适合检测等方面的应用。 pn 光 光敏二极管符号光敏二极管符号 rl 光 pn 光敏二极管接线光敏二极管接线 内光电效应内光电效应 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 结构与一般三极管很相似，结构与一般三极管很相似，具有电流增益具有电流增益, ,只是只是 它的发射极一边做的很大它的发射极一边做的很大, ,以扩大光的照射面积以扩大光的照射面积, , 且其基极不接引线。比光敏二极管具有更高的且其基极不接引线。比光敏二极管具有更高的 灵敏度灵敏度 ppn nnp e b c rl e ec 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他

23、传感器其他传感器 r2 10k u6 opamp + - out +5v r1 20 r3 ? int +5v u5 pt334-6b r4 ? d1 ir333c-h0 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 r1 r2 信号处信号处 理系统理系统 光电计数器光电计数器 2.7.3 2.7.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其

24、他传感器其他传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2 p+ n p sio2 电极电极1 电极电极2 电极电极3 1 3 色敏光电传感器色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类实际上是光电传感器的一种特殊类 型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体。 2.7.4 2.7.4 其它光电传感器其它光电传感器 浅结对紫外光有较高浅结对紫外光有较

25、高 灵敏度；深结对红外光有灵敏度；深结对红外光有 较高的灵敏度；较高的灵敏度；利用不同利用不同 结深二极管的组合，即可结深二极管的组合，即可 构成测定波长的半导体色构成测定波长的半导体色 敏传感器。敏传感器。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 西门子：西门子：simatic mv220simatic mv220颜色传感器颜色传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 典型的典型的ccdccd相机相机由光学镜头、时序及同步信号发生器、由光学镜头、时序及同步信号发生器、 垂直驱动器、模拟垂直驱动器、模拟/

26、 /数字信号处理电路组成。数字信号处理电路组成。 ccdccd的突出的突出 特点是以电荷作为信号，它特点是以电荷作为信号，它集光电转换及电荷存贮、电荷集光电转换及电荷存贮、电荷 转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。转移、信号读取于一体，是典型的固体成像器件。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 ccd与与cmos的对比的对比 光电转换电荷收集 像元的光敏区像元的光敏区 电荷转移 垂直和水垂直和水 平平ccd 水平水平ccd后后 放大器放大器 电荷-电压 转换/放大 微型信号线微型信号线 电压传递 ccd 图像传感器 cmos图像传感器 像元

27、内放像元内放 大器大器 电荷-电压 转换/放大 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 电磁波谱图电磁波谱图 10 9 10 7 10 5 10 3 10 1 1010 1 1010 2 10 3 10 4 / m / cm / m 宇 宙 射 线射 线x射 线 紫 外 线 可 见 光 红 外 线微 波无 线 电 波 极 远 红 外 211815129630 远 红 外中 红 外近 红 外 / m 2.8 2.8 红外传感器红外传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 不可见光，与所有电磁波一样，不可见光

28、，与所有电磁波一样，具有反射、折射、具有反射、折射、 散射、干涉、吸收等性质；散射、干涉、吸收等性质； 具有具有光热效应光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效，辐射热量，它是光谱中最大光热效 应区；红外光的光热效应对不同的物体是各不相同应区；红外光的光热效应对不同的物体是各不相同 的，热能强度也不一样。的，热能强度也不一样。 红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰 减很大，但红外减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑辐射能透过大部分半导体和一些塑 料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。不同的气

29、体对其吸收程度各不相同；体对其吸收程度各不相同； 自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上， 都能产生红外光辐射。都能产生红外光辐射。 2.8.1 2.8.1 红外线主要特征红外线主要特征 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 1 1斯忒藩斯忒藩 玻尔兹曼定律玻尔兹曼定律 物体温度越高，它辐射出来的能量越大物体温度越高，它辐射出来的能量越大。可用下面公式。可用下面公式 表示：表示： 式中式中 ：e e 某物体在温度某物体在温度t t时单位面积和单位时间的红外辐时单位面积和单位时间的红外辐 射总能量；射总能

30、量； 斯忒藩斯忒藩 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数(5.66975.66971010- - 1212w/cm w/cm2 2k k4 4； 比辐射率，即物表表辐射本领与黑体辐射本比辐射率，即物表表辐射本领与黑体辐射本 领之比值，黑体的领之比值，黑体的=1=1；t t 物体的绝对温度。物体的绝对温度。 该定律表明，物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度该定律表明，物体红外辐射的能量与它自身的绝对温度 的四次方成正比，并与的四次方成正比，并与成正比。物体温度越高，其表面所成正比。物体温度越高，其表面所 辐射的能量就越大。辐射的能量就越大。 4 te 2.8.2 2.8.2 红外辐射基本定律红外辐射基本定律

31、 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2 2维恩位移定律维恩位移定律 热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。实验证明，物物 体峰值辐射波长体峰值辐射波长m m与物体的自身的绝对温度与物体的自身的绝对温度 t t 成反比成反比。即。即 )( 2897 m t m 峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。当温度不当温度不 很高时，峰值辐射波长在红外区域。很高时，峰值辐射波长在红外区域。 2.8.2 2.8.2 红外辐射基本定律红外辐射基本定律 华南农业大学工程学院华南农业大

32、学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 能将红外辐射量变化转换成电量的变换装置称能将红外辐射量变化转换成电量的变换装置称 为红外探测器为红外探测器( (红外传感器红外传感器) )； 红外探测器是根据红外探测器是根据热效应热效应和和光子效应光子效应制成的。制成的。 前者为前者为热敏探测器热敏探测器，后者为，后者为光子探测器光子探测器； 从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐从理论上讲，热探测器对入射的各种波长的辐 射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择 的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有 外光电

33、效应、内光电效应外光电效应、内光电效应( (光生伏特效应、光光生伏特效应、光 电导效应电导效应) )和光电磁效应。和光电磁效应。 2.8.3 2.8.3 红外传感器基本原理红外传感器基本原理 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 1. 1. 热探测器热探测器 热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应， 探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使 某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的某些有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的 变化来确定

34、探测器所吸收的红外辐射。变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 2.8.3 2.8.3 红外传感器基本原理红外传感器基本原理 2. 2. 光子探测器光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流 与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状 态，引起光子效应。态，引起光子效应。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 1、被动式人体移动检测仪、被动式人体移动检测仪 2.8.4 2.8.4 红外传感器的应用红外传感器的应用 华南农业大学工程学院华

35、南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.8.4 2.8.4 红外传感器的应用红外传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2. 2. 红外测温仪红外测温仪 红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测红外测温仪是利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测 量温度的。量温度的。 当物体的温度低于当物体的温度低于10001000时，它向外辐射的不再时，它向外辐射的不再 是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。 2.8.4 2.8.4 红外传感器的应用红外传感器的应用

36、华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 thermocouplethermocouple pyrometer at central viewport pyrometer position at edge viewport vacuum cold wall chamber halogen lamps wafer quartz window gas inlet 3. 3. 光学高温计光学高温计 2.8.4 2.8.4 红外传感器的应用红外传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 4. 4. 红外线气体分

37、析仪红外线气体分析仪 红外线气体分析仪是根据红外线气体分析仪是根据 气体对红外线具有选择性的吸气体对红外线具有选择性的吸 收的特性来对气体成分进行分收的特性来对气体成分进行分 析的。析的。不同气体其吸收波段不同气体其吸收波段 （吸收带）不同。（吸收带）不同。 2.8.4 2.8.4 红外传感器的应用红外传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 几种气体对红外线的透射光谱几种气体对红外线的透射光谱 100 80 60 40 20 0 透射率 / (%) 100 80 60 40 20 0 透射率 / (%) 100 80 60 40 20 0

38、 透射率 / (%) 23456789 10 11 12 13 14 15 / m 23456789 10 11 12 13 14 15 / m co co2 ch4c2h4 c2h6 c2h2 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2r2r2r2r n n2 2 n n1 1 n n n n2 2 n n1 1 纤纤 芯芯 包包 层层 光纤结构光纤结构 j i k r a a b b c c d d e e f f g g k k o o o o n n0 n n2 n n1 光纤导光示意图光纤导光示意图 2.9 2.9 光纤传感器光纤传感器 华南

39、农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光纤传感器光纤传感器( (fos fiber optical sensor) )是是2020世纪世纪7070年年 代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是 光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传 感器有本质区别。感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，光纤传感器用光作为敏感信息的载体， 用光纤作为传递敏感信息的媒质用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤。因此，它同时具有光纤

40、及光学测量的特点。及光学测量的特点。 电绝缘性能好。电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。抗电磁干扰能力强。 非侵入性。非侵入性。 高灵敏度。高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、 压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量 2.9 2.9 光纤传感器光纤传感器 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 信号处理信号处理 电电 源源 信号接收信号接收 敏感元件敏感元件 （

41、a a）传统传感器）传统传感器 导线导线 光纤光纤 信号处理信号处理光接收器光接收器 敏感元件敏感元件 光发送器光发送器 （b b）光纤传感器）光纤传感器 2.9.1 2.9.1 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理 光纤传感器与以电为光纤传感器与以电为 基础的传统传感器相基础的传统传感器相 比较，在测量原理上比较，在测量原理上 有本质的差别。传统有本质的差别。传统 传感器是以传感器是以机机电测电测 量量为基础，而光纤传为基础，而光纤传 感器则以感器则以光学测量光学测量为为 基础。基础。 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光是一种电磁波，其波长从

42、极远红外的光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmmlmm到极远紫外到极远紫外 线的线的10nm10nm。它的。它的物理作用和生物化学作用物理作用和生物化学作用主要因其中的电场主要因其中的电场 而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量e e的的 振动，即振动，即 a a电场电场e e的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率； 光相位；光相位；t t光的传播时间。光的传播时间。 可见，只要使光的可见，只要使光的强度、偏振态强度、偏振态( (矢量矢量a a的方向的方向) )、频率、频率 和相位和相位等参量之一随被测量状态的变化而变

43、化，或受被测量等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量 调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或 相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。 taesin 2.9.1 2.9.1 光纤传感器基本原理光纤传感器基本原理 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 光电 探测器 信号检 测与处 理 传感头 传输光纤 光源 2.9.2 2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类光纤传感器的基本构成与分类 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号

44、的获取信号的获取其他传感器其他传感器 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤( (或特或特 殊光纤殊光纤) )作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体合为一体的传感器的传感器 。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素( (弯曲弯曲 、相变、相变) )的作用下，其光学特性的作用下，其光学特性( (光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等) )的的 变化来实现变化来实现“传传”和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤的功

45、能。因此，传感器中光纤 是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 信号处理信号处理 光受信器光受信器 光纤敏感元件光纤敏感元件 光发送器光发送器 2.9.2 2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类光纤传感器的基本构成与分类 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器 光纤仅起导光作用，光纤仅起导光作用，只只“传传”不不“感感”，对外界信息，对外界信息 的的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理

46、性质的功能元件完成。光纤 不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度 要求不太高的场合。要求不太高的场合。 信号处理信号处理光受信器光受信器 敏感元件敏感元件 光发送器光发送器 光纤光纤 2.9.2 2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类光纤传感器的基本构成与分类 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 采用弹性元件的光纤压力传感器采用弹性元件的光纤压力传感器 膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片

47、反射式光纤压力传感器示意图 光源光源 接收接收 1 1 2 2 1 y1 y形光纤束形光纤束 2 2 壳片壳片 3 3 膜片膜片 3 3 p p 2.9.3 2.9.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其 反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、 辐射式光纤温度传感器等辐射式光纤温度传感器等。 被测对象被测对象 信号信号 处

48、理处理 光受光受 信器信器 光发送器光发送器 光纤光纤 耦合器耦合器 2.9.2 2.9.2 光纤传感器的基本构成与分类光纤传感器的基本构成与分类 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.9.3 2.9.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.9.3 2.9.3 光纤传感器的应用光纤传感器的应用 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 2.10 2.10 智能传感器智能传感器 所谓智能式传感器就是一种装有微处理器的，所谓智能式传感器就是一种装有微处理器的， 兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与兼有信息检测、信息处理、信息记忆、逻辑思维与 判断功能的传感器。判断功能的传感器。 honeywell st3000 智压力能变送器的结构框图智压力能变送器的结构框图 华南农业大学工程学院华南农业大学工程学院信号的获取信号的获取其他传感器其他传感器 ds18b20ds18b20单线数字温度传感器单线数字温度传感器 由由dallasdallas半导体公司生产的半导体公司生产的ds1