中南大学传感与检测ppt ch12-光电光纤和红外传感器

1、 第第12章章 光电、红外和光纤传感器光电、红外和光纤传感器12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.1 概述概述光电式传感器：光电式传感器：它它是将光信号转换成电信号的器件或装置，可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件线度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光电式传感器具有响应快、性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在检测和控制领域获得广泛应用。光敏元件光敏元件(光电器件)：各种光电传感器和检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。12.1 光电式传感器光电

2、式传感器12.1.1 概述概述1）光谱）光谱n光波：波长为10106nm的电磁波n可见光：波长380780nmn紫外线：波长10380nm，n 波长300380nm称为近紫外线n 波长200300nm称为远紫外线n 波长10200nm称为极远紫外线，n红外线：波长780106nmn 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线n 波长超过3m 的红外线称为远红外线。n 光谱分布如下图所示。12.1.1 概述概述1）光谱）光谱远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/m光子能量/eV1001015050.5频率/Hz1015510141014510135101

3、5101631018 光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为：v= 31010cm/s, v -单位为Hz， -单位为cm。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.1 概述概述2）光源（发光器件）光源（发光器件）(1) 钨丝白炽灯钨丝白炽灯特点特点：辐射光谱是连续的，除可见光外有大量红外线和紫外线，任何光敏元件都能和它配合接收到光信号，对接收光敏元件的光谱特性要求不高。但寿命短、发热大、效率低、动态特性差。(2) 气体放电灯气体放电灯 利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。特点特点：光谱不连续，与气

4、体种类及放电条件有关。消耗的能量仅为白炽灯1/21/3。光谱仪器中常用光源光谱仪器中常用光源:低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯辐射波长为589nm，它们常用作光电检测仪器的单色光源。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.1 概述概述2）光源光源(3) 发光二极管发光二极管(LED，Light Emitting Diode)特点特点：由半导体PN结构成，工作电压低、响应快、寿命长、体积小、重量轻。伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带宽度不同，其开启（点亮）电压略有差异。红色的砷磷化镓LED开启电压约为1.7V，绿色的约2.2V。LE

5、D的典型光谱特性的典型光谱特性：如图，GaAsP的曲线有两根，其材质成分差异导致不同峰值波长(p)。 p决定发光颜色，峰宽()决定光的色彩纯度，越小，光色越纯。/nm.2.4.6.8 1. 06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs相对灵敏度12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.1 概述概述2) 光源光源(4) 激光器激光器 激光具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性，其波长从0.24m到远红外整个光频波段范围。按工作物质分类按工作物质分类：固体激光器固体激光器(如红宝石激光器)：小而坚固、功率高气体激

6、光器气体激光器(如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器):能连续工作，单色性好。波长覆盖从紫外到远红外的频谱区域。半导体半导体(LED)激光器激光器(如砷化镓激光器):效率高、体积小、重量轻、结构简单。液体激光器液体激光器：波长可在一定范围调节，且效率不会降低。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.2 光电效应光电效应 物体吸收光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应称为光电效应。 光电效应是光敏元实现光电转换的物理基础，光电式传感器的工作原理基于某些物质的光电效应。 光电效应可分为外光电效应、内光电效应。1）外光电效应）外光电效应 在光照射下，物体内的物体内的电子逸出物体表面向

7、外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E=h，其中，h=6.62610-34Js，是普朗克常数；是光的频率(s-1)。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.2 光电效应光电效应1）外光电效应）外光电效应 根据爱因斯坦假设爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，要使一个电子从物体表面逸出，光子能量必须大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。光电子的产生取决于其能量是否大于物体的表面电子逸出功。不同物质有不

8、同的逸出功，即每种物质都有其对应的光频阈值，称为“红限红限”频率频率或波长限波长限。 光频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光微弱，也有光电子射出。 入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。光强愈大，则光子数目越多，逸出子数也就越多。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.2 光电效应光电效应2）内光电效应）内光电效应 在光照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的现象称为内光电效应。此现象多发生于半导体内。 内光电效应又可分为光电导效应和

9、光生伏特效应。(1) 光电导效应光电导效应 在光作用下，电子吸收光子能量后从键合状态过渡到自由状态，引起材料电导率变化的现象称光电导效应。 为实现能级的跃迁，入射光能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg。对于一种光电导材料，只有波长小于波长限0的光照射，才能产生电子能级的跃进，从而使电导率增加。自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带导带价带禁带Eg12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.2 光电效应光电效应2）内光电效应）内光电效应(2) 光生伏特效应光生伏特效应 光作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。情况情况1：半导体器件的光敏面受光照不均匀时，光照部分吸收光子能量产生光电子

10、，使其电子浓度高于未照部分，出现浓度梯度，形成载流子的扩散运动。由于电子的迁移率高于空穴，电子首先流向未光照部分，使光照部分带负电，未照部分带正电，形成光电动势。(丹培效应)情况情况2：光照射半导体PN结的结区使两端产生电动势。入射到PN结势垒区的光子激发产生的自由电子和价带的自由空穴在结内电场作用下运动，电子被推向N区，空穴被推向P区，从而使P区带正电、N区带负电。光电子在N区积累，空穴在P区积累，使PN结两端形成电位差，从而产生光生电动势。若用导线连接P区和N区，电路中有光电流流过。(势磊效应)12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件1）外光电效应器件）外光电效应器

11、件(1) 光电管的结构及原理光电管的结构及原理 光电管由个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。真空光电管的结构如图所示。(2) 光电倍增管的结构及原理光电倍增管的结构及原理 光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。它利用二次电子释放效应将光电信号进行放大。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件-光电导器件光电导器件(1) 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是基于光电导效应工作原理制成的光电器件。

12、光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成，其结构较简单，如图所示。工作原理工作原理：当无光照时，光敏电阻的阻值很高；当其受到一定波长范围的光照射时，光子的能量大于材料的禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出导电的电子空穴对，使电阻降低；光愈强，激发出的电子空穴对越多，电阻值越低；光照停止，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值。A光 导 电 材料绝缘衬低引线电极引线光电导体12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件(1)光电导器件光电导器件 - 光敏电阻光敏电阻 因湿度影响光敏电阻的灵敏度，需要将光电

13、导体密封在玻壳中。典型的结构和符号及电路如图所示。n参数：参数：暗电阻、暗电流暗电阻、暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗(无光照射)后经过一定时间测量的电阻值称暗电阻暗电阻，此时在给定电压下流过的电流称暗电流暗电流。亮电流亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流为亮电流亮电流。光电流光电流：亮电流与暗电流之差。暗电阻越大、亮电阻越小，也即暗电流越小，光电流越大，性能越好。RG1 2 34567(a)结构 (b)电极 (c)符号RGRLEI12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件(2) 光电池的结构及原理光电

14、池的结构及原理 光照下，光电池直接将光转变为电动势，实质是电压源. 硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散法掺入一些P型杂质(例如硼)形成PN结，如下左图所示。光照射在PN结上时，若光子能量大于半导体材料禁带宽度，则在PN结内产生电子空穴对，在内电场的作用下，空穴移向P区，电子移向N区，使P区带正电，N区带负电，因而PN结产生电势。当光照到PN结上时，若在两级间串接负载，电路中产生电流，如下中图所示。其符号、电路如下右图所示。IU(a)(b)12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件(3) 光敏二极管光敏二极管 和光电池一样，光敏二极管的基本

15、结构是一个PN结，与光电池不同的是其结面积小，因此其频率特性好。 工作于光伏模式的光敏二极管的光生电势与光电池的相同，但输出电流比光电池的小，一般为几A到几十A。 光敏二极管的结构与普通半导体二极管类似的，装在透明玻壳中，PN结装在管顶，接受光照射。右图是光敏二极管的结构图。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件(3) 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管符号如下左图所示。 基于光电导效应工作的光敏二极管在电路中处于反向偏置电压状态，其电路如下右图所示。 光敏二极管无光照时反向电阻很大、反向电流即暗电流很小，有光照时的工作原理与光电池的相

16、似。其光电流与光照度之间呈线性关系，适合用于模拟量检测等应用。PN光光敏二极管符号RL 光PN光敏二极管接线12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件2）内光电效应器件）内光电效应器件(4) 光敏三极管的结构及原理 光敏三极管有PNP型和NPN型两种，其结构与一般三极管相似，有电流增益，只是其发射极一边很大，以扩大光照射面积，一般不接基极引线，也有带基极引线的。 当集电极加正电压, 基极开路时，集电极处反偏状态。当光照射在集电极的结区时产生电子 - 空穴对，在内电场作用下，光生电子被拉到集电极,基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，大量电子流向集电极,形成输出电流，集

17、电极电流为光电流的倍。PPNNNPe b bc RL Eec12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件3）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性* 光电器件的主要特性参数反映了其工作性能。(1) 光照特性光照特性 反映器件的输入光量与输出光电流(光电压)之间的关系; 灵敏度可用光照特性表征。 光照特性常用响应率R描述。对光生电流器件，输出电流I与光输入功率Pi之比称为电流响应率Ri；对光生伏特器件，输出电压Up与光输入功率Pi之比称为电压响应率Ru。 典型器件的光照特性的非线性比较与适用范围。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件3）光电器件的主

18、要特性）光电器件的主要特性*(2) 光谱特性光谱特性 光谱特性指光电器件的相对灵敏度与入射光波长的关系，又称光谱响应。材料不同，器件的响应峰值波长不同。 为提高光电传感器灵敏度，对包含光源与光电器件的传感器，应根据器件的光谱特性合理选配光源和光电器件；对被测体本身作光源的传感器，则应按被测体的辐射光波长选择光电器件。 下图给出典型器件的光普特性，不同器件的特点不同。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件3）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性*(3) 响应时间响应时间 响应时间反映器件的动态特性。响应时间短则动态特性好。采用调制光的传感器，调制频率上限受器件响应时间

19、限制。 如图所示，光敏电阻响应时间一般为10-110-5s，光敏三极管约20s。光敏二极管的响应速度比光敏三极管高一数量级，硅管比锗管高一数量级。响应时间与负载有关，负载小的响应快。应根据性能需求与器件的响应时间来选择光敏器件12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件3）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性*(4) 温度特性温度特性 温度变化既影响光电器件的灵敏度，也影响光谱特性。下图为硫化铅（PbS）的光谱温度特性。 可见，光谱响应峰值随温度升高而向短波方向移动。降温是提高光敏电阻对长波长响应的有效措施。在室温下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时，有

20、必要进行温度补偿或在恒温下工作。 根据应用环境与性能要求选择适当方法补偿温度影响。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 光电器件光电器件3）光电器件的主要特性）光电器件的主要特性*(4)伏安特性伏安特性 在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系称为伏安特性。它是传感器设计时选择工作状态的电参数的依据。使用时应注意不要超过器件最大允许的功耗。 由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x硫化镉光敏电阻的伏安特性0.100.080.060.040.02I /

21、 mA1200 1x1000 1x800 1x600 1x400 1x200 1x010 2030405010864201020304050500 1x400 1x300 1x200 1x100 1xI / mA反 向电压/ V集 电极 发 射极 电压/ V(a)(b)硅光敏二极管; 硅光敏晶体管12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件1）光电耦合器件）光电耦合器件 光电耦合器(光电隔离器)是利用发光元件与光敏元件封装为一体而构成的电-光-电转换器件。加到发光器件上的电信号为耦合器的输入信号，接收器件输出的信号为耦合器的输出信号。有信号电压加到光电耦合器

22、的输入端时，发光器件发光，光敏管受光照而产生光电流，使输出端产生相应的电信号，从而实现了电-光-电的传输和转换。 根据结构与用途不同，光电耦合器可分为光电隔离器和光电开关两类。光电隔离器主要用于实现电路间的电气隔离和消除噪声影响；光电开关主要用于物位检测等场合。 (1) 光电隔离器光电隔离器 光电隔离器由发光二极管和光敏晶体管封装在同一个管壳内组成，在装配上要使LED辐射能量能有效地耦合到光敏晶体管上。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件1）光电耦合器件）光电耦合器件 如图所示为光电耦合器的几种基本组合。 选用哪种形式的光电隔离器要根据使用要求和目

23、的确定。 光电隔离器的主要应用方面光电隔离器的主要应用方面：(1) 将输入与输出端两部分电路的地线分隔开，并各自使用一套电源供电，如右图所示。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件1）光电耦合器件）光电耦合器件光电隔离器的主要应用方面光电隔离器的主要应用方面：(2) 实现电平转换。如图所示(3) 提高驱动能力。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件2）光电开关光电开关 光电开关是通过把光的强度变化转变为电信号变化，并以此来实现控制的一种电子开关。 光电开关按结构和工作方式的不同，可分为沟式、对射式、反光板反射

24、式、扩散反射式、聚焦式、光纤式等类型。 对射式开关是将发光元件与接收元件分离，加大了检测距离，图a所示为对射式的工作原理图。 反光式开关将发光与接收元件安装在一起，并在光路设计上保证各自的光轴相交于对应的反光板，如图b所示。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件2）光电开关光电开关 如图所示为几种光电开关的工作示意图。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD） 电荷耦合器件(Charge Coupled Devices，CCD)是一种在20世纪70年代初问世的新型半导体器件

25、。利用CCD作为转换器件的传感器，称为CCD传感器，或称CCD图像传感器。 CCD器件有两个特点：一是它在半导体硅片上制有成百上千个(甚至数百万个)光敏元，它们按线阵或面阵有规则地排列。二是它具有自扫描能力，亦即将光敏元上产生的光生电荷依次有规则地串行输出，输出的幅值与对应的光敏元上的电荷量成正比。(1) 电荷耦合器件结构与原理电荷耦合器件结构与原理 电荷耦合器件分为线阵器件和面阵器件两种，其基本组成部分是MOS光敏元列阵和读出移位寄存器。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD）（1）电荷耦合器件结构与原理）电荷

26、耦合器件结构与原理结构：结构：电荷耦合单元是组成CCD的基本单元，这种基本单元实际是MOS电容器。以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极构成MOS电容转移器件。 一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成CCD器件。 下图为MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构及势阱图。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD）（1）电荷耦合器件结构与原理）电荷耦合器件结构与原理工作原理工作原理：

27、MOS电容器存储电荷，若半导体是P型硅，在金属电极上加正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受排斥，少数载流子(电子)吸引到P-SiO界面处，在界面附近形成一带负电的耗尽区，称表面势阱。 光照产生电子-空穴对，光生电子被附近的势阱吸收，且吸收的光生电子数与入射到该势阱附近的光强成正比。 势阱存储了电荷，同时产生的空穴被排斥出耗尽区。一定条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层越深，Si表面吸收少数载流子，表面势(半导体表面对于衬底的电势差)也越大，势阱容纳的少数载流子电荷量越大。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（C

28、CD）（1）电荷耦合器件结构与原理）电荷耦合器件结构与原理 读出移位寄存器工作原理读出移位寄存器工作原理：MOS电容器用同一半导体衬底制成，衬底上涂覆一层氧化层，并在其上制作许多相互绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小距离。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求，如下图所示为以三相配线连接的读出移位寄存器的结构及控制时钟波形。以此为例可说明电荷定向转移的过程。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD）(2) 线型线型CCD图像传感器

29、图像传感器 一列光敏元与一列移位寄存器并行且对应构成。两者之间有一转移控制栅，各光敏元都有一梳状公共电极，由一个P型沟阻隔离。光敏元阵列有光照且梳状电极加高电压时，光敏元进行光积分。积分结束时转移栅的电压提高(平时为低)，与移位寄存器对应的电极同时处于高电压。然后降低梳状电极电压，各光敏元中所积光电荷并行转移到移位寄存器中。转移完毕，转移栅电压降低，梳妆电极电压回复原高电压状态，准备下一次光积分。同时，给移位寄存器加时钟脉冲，将存储电荷从寄存器转移至输出端。重复该过程得到相继的行输出，从而读出电荷图形。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构输出12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他

30、典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD）(3) 面型面型CCD图像传感器图像传感器 这种图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。现有三种典型结构形式，其中行扫描型的如图所示。 图示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元信息转移到水平方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。该结构方式的不足是易引起图像模糊。二相驱动视频输出 行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）

31、电荷耦合器件（CCD）(4) CCD传感器的应用传感器的应用 CCD传感器利用光敏元的光电转换功能将射到光敏元件上的光学图像转换为电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后经读出移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，并经放大器输出。CCD传感器主要分为线阵、面阵两种。 在非电量的测量中，CCD传感器的三个主要用途：I. 组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。II.用作光学信息处理装置的输入环节，例如用于传真技术、光学文字识别技术(OCR)与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等方面。12.1 光电式传感器光电式传感

32、器12.1.3 其他典型光电器件其他典型光电器件3）电荷耦合器件（）电荷耦合器件（CCD）(4) CCD传感器的应用传感器的应用CCD传感器的三个主要用途： III. 作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面。如图所示为用线阵CCD传感器测量物体尺寸的基本原理。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用1 1）光电传感器的构成与类型）光电传感器的构成与类型n除光源、光电探测器外，根据不同的光学测量原理和结构类型，光电传感器还包括光学元件或系统光学元件或系统、测量电路测量电路。n光电传感器

33、中必须采用一定的光学元件，并按一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用光学元件有各种反射镜和透镜。n要使光电传感器能很好地工作，除合理选用光电转换元件，配备合适光源外，还需配备合适测量线路。测量线路主要根据所用光电器件及其工作方式选择设计相应的基本测量电路。类型类型：按输出量性质不同有模拟式和开关式光电传感器。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用1 1）光电传感器的构成与类型）光电传感器的构成与类型1 1）模拟式传感器）模拟式传感器将被测量被转换成连续变化光电流，要求光敏元件为线性光敏元件为线性，光源均匀恒定光源均匀恒定。其工作方式如

34、下：n(1)被测物本身是光辐射源，直接由光敏元件接收。如光电高温计、红外侦察、红外遥感和天文探测等。n(2)被测物体位于恒定光源与光敏元件之间，根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测液体、气体的透明度、混浊度，气体成分分析等。n(3)恒定光源释出的光投射到被测体上，再从其表面反射到光敏元件上，根据反射的光通量多少测定被测物表面性质和状态。例如测零件表面缺陷、表面位移以及表面白度、露点、湿度等。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用1 1）光电传感器的构成与类型）光电传感器的构成与类型(4

35、)被测物位于恒定光源与光敏元件之间，根据被测物阻根据被测物阻档光通量的多少测定被测参数档光通量的多少测定被测参数。如测长度、厚度、线位移、角位移和角速度等。这种传感器将被测对象作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。n(5)时差测距 恒定光源的光投射于目的物，再反射至光电元件，根据发射与接收之间的时差测距离。如光电测距仪。 2 2）开关式光电传感器开关式光电传感器 利用光敏元件光照或无光照时的“有”、“无”电信号输出特性将被测量转换成断续变化信号。要求光敏元件灵敏度高，对光照特性线性要求不高。主要用于零件或产品自动记数零件或产品自动记数、光控开关、计算机的光电输入、光电编码器及光电报警等。

36、12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用2）光电式传感器的其它应用）光电式传感器的其它应用 (1) 反射式模拟光电传感器反射式模拟光电传感器 右图所示为反射式模拟光电传感器用于检测工件表面粗糙度或表面缺陷的原理图。(2) 透射式光电传感器透射式光电传感器 如下图所示为透射式光电传感器用于检测工件孔径或狭缝宽度的原理图。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用2）光电式传感器的其它应用）光电式传感器的其它应用 (3) 线纹瞄准用光电传感器线纹瞄准用光电传感器n 下图所示为线纹瞄准用光电传

37、感器原理图。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用2）光电式传感器的其它应用）光电式传感器的其它应用 (4) 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器n 脉冲式光电传感器的工作方式是使光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，所以光电元件运用在开关状态。n 脉冲式光电传感器可以用来测量物体的运动速度和转速。工作原理如图所示。12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用2）光电式传感器的其它应用）光电式传感器的其它应用 (5) 烟尘浊度监测仪烟尘浊度监测仪n 烟道里的烟尘浊度是通过

38、光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器上的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。 n下图所示为吸收式烟尘浊度监测系统的组成框图。n 12.1 光电式传感器光电式传感器12.1.4 12.1.4 光电传感器的应用光电传感器的应用2）光电式传感器的其它应用）光电式传感器的其它应用 (6) 灯光亮度自动控制器灯光亮度自动控制器 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器A、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管V等组成，电路框图如图所示。 12.1 光电式传感器光电式传感器12.2 红外传感器红外传

39、感器12.2.1 概述概述1）红外线）红外线 人眼能看到的可见光按波长从长到短排列，依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。红光的波长范围0.620.76m。红外线是一种不可见光，因位于可见光中红色光以外(波长大于红光波长)的光线而称红外线。红外线在电磁波谱中的位置如图所示。12.2.1 概述概述2）红外线的性质及特点红外线的性质及特点(1) 性质性质 红外辐射的物理本质是热辐射，一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。自然界中高于0 K的任何物体都能辐射红外光。物体的温度越高，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。 红外光的本质与可见光或电磁波性质一样，具有反射、折射、散射、干涉

40、、吸收等特性，它在真空中也以光速传播，并具有明显的波粒二相性。 红外光在介质中传播会产生衰减。其中，金属对红外辐射衰减非常大，多数半导体和一些塑料能透过红外辐射；大多数液体对红外辐射的吸收非常大；不同的气体对其吸收程度不同。大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。12.2 红外传感器红外传感器12.2.1 概述概述2）红外线的性质及特点红外线的性质及特点(2) 主要特点主要特点易于产生，容易接收； 采用红外LED，结构简单，易于小型化，且成本低； 调制简单，依靠调制信号编码可实现多路控制； 不能通过遮挡物，不会产生信号串扰等误动作； 功率消耗小，反应速度快； 对环境无污染，对人、物无损害；

41、抗干扰能力强。12.2 红外传感器红外传感器12.2.2 红外探测器红外探测器 红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示单元等组成，其核心是红外探测器。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现的物理效应来探测红外辐射。按探测机理的不同，分为热探测器和光子探测器两大类。热探测器热探测器 其工作原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升，进而使某些物理参数发生相应变化，通过测量物理参数变化确定探测器所吸收的红外辐射。主要类型主要类型：热释电型、热敏电阻型、热电阻型和气体型。光子探测器光子探测器 其工作原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

42、子的能量状态，引起各种电学现象，这种现象称为光子效应。12.2 红外传感器红外传感器12.2.2 红外探测器红外探测器n热释电型探测器原理热释电型探测器原理*n热释电效应热释电效应：石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等晶体受热产生温度变化时，其原子排列变化，晶体自然极化使两个极化面产生电荷的现象。n热释电探测器原理热释电探测器原理：基于热释电效应制成的“铁电体”的极化强度（单位面积的电荷）与温度有关。红外线照到已极化的铁电体薄片表面时使薄片升温、其极化强度下降，表面电荷减少，相当于释放部分电荷，所以称热释电型器件。 将负载电阻与铁电体薄片相连，负载电阻上产生电信号输出，信号强弱取决于薄片温度变化快慢，从

43、而反映入射红外的强弱，热释电型探测器的电压响应率正比于入射光辐射率变化率。 热释电效应示意图 钛酸钡的热释电系数基本变化规律 12.2.2 红外探测器红外探测器n热释电红外探测器结构热释电红外探测器结构*n特殊问题特殊问题*n 热释电效应产生的极化电荷不能永存，由于处于器件表面，如果就此搁置，必然被空气中各种离子复合而使器件仍呈电中性。所以，一般要在器件前方加装一个周期性遮断被测红外光的机械装置，使器件接受红外光而引起的温度作周期性变化，使得测量过程中始终存在比例于红外光强的极化电荷。热释电式红外光敏元件构造及其构成的电路(a)树脂成型式；(b)微透镜式；(c)电路构成 12.2.3 红外探测

44、的原理红外探测的原理1）相关概念）相关概念红外光的最大特点：具有光热效应、辐射热量。红外光照射到不同物体上产生的光热效应不同。n能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；n能全部反射红外辐射的物体称为镜体；n能全部透过红外辐射的物体称为透明体；n能部分反射、部分吸收红外辐射的物体称为灰体。n自然界中并不存在理想的黑体、镜体和透明体。12.2 红外传感器红外传感器12.2.3 红外探测的原理红外探测的原理2）测温原理红外辐射的基本定律是红外测温的基础。 （1）基尔霍夫定律物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能，即 M(T) =(T) M0(T) M0(T)为黑体(理想物)在温度T时

45、单位面积内的光谱辐射功率,或称辐射出射度；(T)为物体的吸收率，黑体的(T)=1, 非黑体的(T)n2）时，一部分入射光以折射角2折射入介质2，其余部分以1反射回介质1。 依据光折射和反射的斯涅尔（Snell）定律，有：（1）当1角逐渐增大至1=2时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2 =90时的入射角1称为临界角c。（2）当1c时，光线不再折射入介质2，而在介质1内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。12.3 光纤传感器光纤传感器12.3.3 光纤的传光原理光纤的传光原理 实际关心光以多大角度射入光纤时，能使折射光完全在纤芯中传播，即上图中光线入射角

46、0什么情况下使1c 。 设光从空气(折射率n0)射入纤芯(折射率n1)端面，包层的折射率为n2, 根据Snell定律有: n0sin0 =n1sin(901)= n1cos1；要形成全反射，须满足n1sin1n2。由上述两个关系式可得：因此，入射角的最大值为0max=argsin( )。定义sin0max为光纤的数值孔径(NA)，则NA=空气的折射率n0为1，光纤的NA值由材料的折射率决定。NA大，则0max大，因此NA代表了光纤的集光能力。220120sin/nnn220120sin/nnn220120sin/nnn12.3 光纤传感器光纤传感器12.3.4 光纤的特性光纤的特性(1) 光纤

47、损耗：光纤传输光时，随传输距离的增加，其功率逐渐减小的现象。损耗用损耗系数表示。设Pi和Po分别为光纤入射端和出射端的光功率，则有=(10/L)log(Pi/Po)主要原因: 光纤材料的吸收（变热能）；散射作用（材料不均或尺寸缺陷引起）；光纤在使用过程中由于连接、弯曲（影响全反射）而导致的附加光功率损失。12.3 光纤传感器光纤传感器12.3.4 光纤的特性光纤的特性(2) 色散色散: 随着光纤中传输光信号的距离增加，由不同成分的光传输时延不同引起的脉冲展宽效应。色散用时延差表示，即光脉冲中不同模式或不同波长成分传输同样距离而产生的时差。色散主要影响系统的传输容量及中继距离。色散类型色散类型：

48、 模式色散模式色散-多模式传播时延不同而产生； 材料色散材料色散-光纤折射率随波长变化使模式内不同波长的光时延不同。 波导色散波导色散-波导结构参数与波长有关而产生。12.3 光纤传感器光纤传感器12.3.4 光纤的组成与分类光纤的组成与分类1）光纤传感器的组成）光纤传感器的组成 光纤传感器系统包括了光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等5个部分。 光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒质，负责信号的传输；传感头感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理电路的功能是还原外界信息，相当于解调器。12.3 光纤传感器光纤传感器12.3.4 光纤传感器的组成与分类光纤传感器的组成与分类2）光纤传感器的类型）光纤传感器的类型 光纤传感器按照光纤在传感器中的作用分为功能型（或称传感型、探测型）和非功能型（或称传光型、结构型、强度型、混合型