传感器技术与应用（第2版） 第4章光电式传感器ppt课件

1、第4章光电式传感器 v4.1 光电效应光电效应 v4.2 光电器件光电器件v4.3 红外线传感器红外线传感器 v4.4 颜色传感器颜色传感器v4.5 CZGGD500系列紫外火焰传感器系列紫外火焰传感器v4.6 光纤传感器光纤传感器v4.7 光传感器运用实例光传感器运用实例v4.8 实训实训4.1 光电效应光电效应v4.1 光电效应光电效应v 光电元件的实际根底是光电效应。光电元件的实际根底是光电效应。v 光可以以为是由一定能量的粒子光子光可以以为是由一定能量的粒子光子所构成，每个光子具有的能量所构成，每个光子具有的能量h正比于光的正比于光的频率频率h为普朗克常数。为普朗克常数。v 用光照射某

2、一物体，可以看做物体遭到用光照射某一物体，可以看做物体遭到一连串能量为一连串能量为h的光子所轰击。的光子所轰击。v 物体资料吸收光子能量而发生相应电效物体资料吸收光子能量而发生相应电效应的物理景象称为光电效应。应的物理景象称为光电效应。 v4.1.1 外光电效应外光电效应v 光照射于某一物体上，使电子从这些物光照射于某一物体上，使电子从这些物体外表逸出的景象称为外光电效应，也称体外表逸出的景象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。光电发射。逸出来的电子称为光电子。v 外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描外光电效应可由爱因斯坦光电方程来描画：画：v Ahmv221 一个光子的能量只

3、能给物体中的一个自在电子，一个光子的能量只能给物体中的一个自在电子，使自在电子能量添加使自在电子能量添加h，这些能量一部分用于抑制，这些能量一部分用于抑制逸出功逸出功A，另一部分作为光电子逸出时的初动能：，另一部分作为光电子逸出时的初动能： 221mv v4.1.2 内光电效应内光电效应v 光照射于某一物体上，使其导电才干发光照射于某一物体上，使其导电才干发生变化，这种景象称为内光电效应，也称生变化，这种景象称为内光电效应，也称光电导效应。光电导效应。v 硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在硫化镉、硒化镉、硫化铅、硒化铅等在遭到光照时均会出现电阻下降的景象。遭到光照时均会出现电阻下降的景象。v

4、电路中反偏的电路中反偏的PN结在遭到光照时也会结在遭到光照时也会在该在该PN结附近产生光生载流子电子结附近产生光生载流子电子-空穴空穴对。对。v 利用上述景象可制成光敏电阻，光敏二利用上述景象可制成光敏电阻，光敏二极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转极管，光敏三极管，光敏晶闸管等光电转换器件。换器件。v4.1.3 光生伏打效应光生伏打效应v 在光线作用下，物体产生一定方向电动在光线作用下，物体产生一定方向电动势的景象称为光生伏打效应。势的景象称为光生伏打效应。v 具有该效应的资料有硅、硒、氧化亚铜、具有该效应的资料有硅、硒、氧化亚铜、硫化镉、砷化镓等。硫化镉、砷化镓等。v 例如，当一定波长的光

5、照射例如，当一定波长的光照射PN结时，结时，就产生电子就产生电子-空穴对，在空穴对，在PN结内电场的作用结内电场的作用下，空穴移向下，空穴移向P区，电子移向区，电子移向N区，于是区，于是P区和区和N区之间产生电压，即光生电动势。区之间产生电压，即光生电动势。v 利用该效应可制成各类光电池。利用该效应可制成各类光电池。 4.2 光电器件光电器件v4.2 光电器件光电器件v4.2.1 光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管v 光电管和光电倍增管同属于用外光电效光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。应制成的光电转换器件。v1.光电管光电管v 光电管的外形如图光电管的外形如图4-1所示

6、。金属阳极所示。金属阳极A和阴极和阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极时，光子的能量传送给阴极外表的射在阴极时，光子的能量传送给阴极外表的电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金电子，当电子获得的能量足够大时，逸出金属外表构成电子发射，这种电子称为光电子。属外表构成电子发射，这种电子称为光电子。 23614 5图4 -1 一种常见的光电管外形1-阳极A 2-阴极K 3-玻璃外壳4-管座 5-电极引脚 6-定位销图4 -2 光电管符号及丈量电路IUL ROE+50 +70V光电管的图形符号及丈量电路如图光电管的图形符号及丈量电路如图4-2所示。所示。2.光电倍

7、增管光电倍增管 光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光丈量。高，信噪比大，线性好，多用于微光丈量。 如图如图-3是光电倍增管构造表示图。是光电倍增管构造表示图。U0RLD1D3KAD2D4图图4 -3 光电倍增管构造及任务原理光电倍增管构造及任务原理v4.2.2 光敏电阻光敏电阻v 光敏电阻的任务原理是基于内光电效应。光敏电阻的任务原理是基于内光电效应。光敏电阻的资料有金属硫化物、硒化物、光敏电阻的资料有金属硫化物、硒化物、碲化物等半导体资料。碲化物等半导体资料。 v 在半导体光敏资料两端装上电极引线，在半导体光敏资料两

8、端装上电极引线，将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了将其封装在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻，如图光敏电阻，如图4-4a所示。所示。v 为了添加灵敏度，两电极常做成梳状，为了添加灵敏度，两电极常做成梳状，如图如图4-4b所示，所示，v 图形符号如图图形符号如图4-4c所示。所示。 a) mA I 图图4-4 光敏电阻机构表示图及图形符号光敏电阻机构表示图及图形符号 a原理图原理图 b)图图4-4 光敏电阻机构表示图及图形符号光敏电阻机构表示图及图形符号 b外形图外形图 c)图图4-4 光敏电阻机构表示图及图形符号光敏电阻机构表示图及图形符号 c图形符号图形符号 v4.2.3光敏二极管和光敏

9、三极管光敏二极管和光敏三极管v1.光敏二极管光敏二极管v 光敏二极管是一种利用光敏二极管是一种利用PN结单导游电性结单导游电性的结型光电器件，与普通半导体二极管不同的结型光电器件，与普通半导体二极管不同之处在于其之处在于其PN结装在透明管壳的顶部，以便结装在透明管壳的顶部，以便接受光照，如图接受光照，如图4-5a所示。所示。v 它在电路中处于反向偏置形状，如图它在电路中处于反向偏置形状，如图4-5b所示。所示。v 光电流与光照度成正比。光电流与光照度成正比。v 还有一种雪崩式光敏二极管还有一种雪崩式光敏二极管APD。 光照 P N a) +RLEU0IAb) 图图4 -5 光敏二极管光敏二极管

10、a)构造表示图及图形符号构造表示图及图形符号 b根本运用电路根本运用电路 v2.光敏三极管光敏三极管v 光敏三极管有两个光敏三极管有两个PN结，从而可以获得电流增结，从而可以获得电流增益益 。v 它的构造、等效电路、图形符号及运用电路分它的构造、等效电路、图形符号及运用电路分别如图别如图4-6a、b、c、d所示。所示。v 光敏三极管与一只普通三极控制造在同一个管光敏三极管与一只普通三极控制造在同一个管壳内，衔接成复合管，如图壳内，衔接成复合管，如图4-6e所示，称为达所示，称为达林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大林顿型光敏三极管。它的灵敏度更大=12。v 但是达林顿光敏三极管的漏电暗电流较大，但

11、是达林顿光敏三极管的漏电暗电流较大，频响较差，温漂也较大。频响较差，温漂也较大。 +CNNP-eJcJea)CIc= IcboIcboeb)Cec) 图图4 6 光敏三极管光敏三极管 a) 构造构造 b) 等效电路等效电路 c图形符号图形符号 d)+UCC U0 =UC C Ic R LIcRLRL+UCC 3 20VU0 =I C R LIceCe) 图图4 6 光敏三极管光敏三极管 d) 运用电路运用电路 e)光敏达林顿管光敏达林顿管 v4.2.4光电池光电池v 光电池的任务原理是基于光生伏打效应。光电池的任务原理是基于光生伏打效应。当光照射在光电池上时，可以直接输出电动当光照射在光电池上

12、时，可以直接输出电动势及光电流。势及光电流。v 图图4-7所示是光电池构造与图形符号。所示是光电池构造与图形符号。v 光电池光电池 的种类很多，有硅、砷化镓、硒、的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。氧化铜、锗、硫化镉光电池等。v 运用最广的是硅光电池，优点：性能稳运用最广的是硅光电池，优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传送效率高、定、光谱范围宽、频率特性好、传送效率高、能耐高温辐射、价钱廉价等。能耐高温辐射、价钱廉价等。 焊点N型硅 +金属镀层电极光P型硅PN结a)b) 图图4-7 硅光电池硅光电池 a) 构造表示图构造表示图 b) 图形符号图形符号 v4.2.5

13、光电元件的特性光电元件的特性v1.光照特性光照特性v 当光电元件上加上一定电压时，光电流当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度与光电元件上光照度E之间的对应关系，称之间的对应关系，称为光照特性。普通可表示为为光照特性。普通可表示为 ：v I = fEv 对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照对于光敏电阻器，因其灵敏度高而光照特性呈非线性，普通用于自动控制中作开关特性呈非线性，普通用于自动控制中作开关元件。其光照特性见图元件。其光照特性见图4-8a。 光电池的开路电压V与照度E是对数关系，在2000lx的照度下趋于饱和。 在负载电阻远小于光电池内阻时，光电池的电流称为短路电流Isc，

14、与照度呈线性关系。如图4-8b直线所示。 光敏二极管的光照特性为线性，适于作检测元件，其特性如图4-8c所示。 图图 4 -8 光照特性图光照特性图(a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光电二极管；光电二极管；(d)光电三极管光电三极管 v 光敏三极管的光照特性呈非线性，v 如图4-8d所示。但由于其内部具有放大作用，故其灵敏度较高。 v2.光谱特性v 光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，假设入射光功率一样，光电流会随入射光波长的不同而变化。v 入射光波长与光敏器件相对灵敏度或相对光电流间的关系即为该元件的光谱特性。各光敏器件的光谱特性如图4-9所示

15、。 图图4 9各种光敏元件的光谱特性图各种光敏元件的光谱特性图 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)硅光电二极管；硅光电二极管；(c)光敏管光敏管 v 由图4-9可见，元件资料不同，所能呼应的峰值波长也不同。v 因此，应根据光谱特性来确定光源与光电器件的最正确匹配。v 在选择光敏元件时，应使最大灵敏度在需求丈量的光谱范围内，才有能够获得最高灵敏度。v3.伏安特性v 在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。各种光敏元件的伏安特性如图4-10所示。v 伏安特性可以协助我们确定光敏元件的负载电阻，设计运用电路。 图图4 -10 各种光敏元件的伏安特性各种光敏元件的伏安特性

16、 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光光电三极管电三极管 v4.频率特性频率特性v 在一样的电压和同样幅值的光照下，当在一样的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏入射光以不同频率的正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流元件输出的光电流I和灵敏度和灵敏度S会随调制频率会随调制频率f而变化，它们的关系为：而变化，它们的关系为：v I = F1f v或或 S = F2f v称为频率特性。以光生伏打效应原理任务的称为频率特性。以光生伏打效应原理任务的光敏元件如光电池频率特性较差，光敏元件如光电池频率特性较差，v 以内光电效应原理任务的光敏元件如以内光电

17、效应原理任务的光敏元件如 光敏电阻频率特性更差。光敏电阻频率特性更差。 图图4 -11各种光敏元件的频率呼应各种光敏元件的频率呼应 (a)光敏电阻器；光敏电阻器；(b)光电池；光电池；(c)光敏三极管光敏三极管 v5.温度特性温度特性v 部分光敏器件输出受温度影响较大。部分光敏器件输出受温度影响较大。v 光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大，灵敏度下降。灵敏度下降。v 光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响非常大，并且是非线性的，给微光丈量带响非常大，并且是非线性的，给微光丈量带来较大误差。来较大误差。v 光电池受温度的影响主要

18、表如今开路电光电池受温度的影响主要表如今开路电压随温度添加而下降，短路电流随温度上升压随温度添加而下降，短路电流随温度上升缓慢添加。缓慢添加。v 应采取相应措施进展温度补偿。应采取相应措施进展温度补偿。 v6.呼应时间呼应时间v 不同光敏器件的呼应时间有所不同。不同光敏器件的呼应时间有所不同。v 光敏电阻较慢，约为光敏电阻较慢，约为10 110s，普通不能用于要求快速呼应的场所。，普通不能用于要求快速呼应的场所。v 工业用的硅光敏二极管的呼应时间为工业用的硅光敏二极管的呼应时间为105107s左右，左右，v 光敏三极管的呼应时间比二极管约慢一光敏三极管的呼应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快

19、速呼应或入射光、调制个数量级，在要求快速呼应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。光频率较高时应选用硅光敏二极管。 v4.2.6 光电耦合器件光电耦合器件 v 将发光器件与光敏元件集成在一同便可将发光器件与光敏元件集成在一同便可构成光电耦合器件，图构成光电耦合器件，图4-12为其构造表示图。为其构造表示图。v 图图a为窄缝透射式，可用于片状遮挡物体为窄缝透射式，可用于片状遮挡物体的位置检测，或码盘、转速丈量中；的位置检测，或码盘、转速丈量中；v 图图 b为反射式可用于反光体的位置检测，为反射式可用于反光体的位置检测，对被测物不限制厚度；对被测物不限制厚度；v 图图c为全封锁式，用于电路

20、的隔离。为全封锁式，用于电路的隔离。v 发光元件多半是发光二极管，发光元件多半是发光二极管，v 光敏元件多为光敏二极管和光敏三极管，光敏元件多为光敏二极管和光敏三极管，少数采用光敏达林顿管或光控晶闸管。少数采用光敏达林顿管或光控晶闸管。 (a)(b)(c)图图 4 -12 光电耦合器典型构造光电耦合器典型构造 v对于光电耦合器的特性，应留意以下各项参数。v1电流传输比 v2输入输出间的绝缘电阻 v3输入输出间的耐压 v4输入输出间的寄生电容v5最高任务频率 v6脉冲上升时间和下降时间 4.3 红外线传感器红外线传感器v4.3 红外线传感器红外线传感器v4.3.1概述概述v 凡是存在于自然界的物

21、体，例如：人体、凡是存在于自然界的物体，例如：人体、火焰、冰等物体都会放射出红外线，只是其火焰、冰等物体都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。发射的红外线的波长不同而已。v 人体的温度为人体的温度为3637C，所放射的红外，所放射的红外线波长为线波长为910m属于远红外线区。属于远红外线区。v 加热到加热到400700C的物体，其放射出的的物体，其放射出的红外线波长为红外线波长为35m属于中红外线区。属于中红外线区。v 红外线传感器可以检测到这些物体发射红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于丈量、成象或控制。出的红外线，用于丈量、成象或控制。 v 用红外线作为检测媒介

22、，来丈量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性表如今：v(1) 红外线指中、远红外线不受周围可见光的影响，故可在昼夜进展丈量。v(2) 由于待测对象发射出红外线，故不用设光源。v(3) 大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少22.6m ,35m ,814m三个波段称为“大气窗口,故适用于遥感技术。 v 红外线传感器按其任务原理可分为两类：量子型及热型。v 热型红外线光敏元件的特点是：v 灵敏度较低、呼应速度较慢、呼应的红外线波长范围较宽，价钱比较廉价、能在室温下任务。v 量子型红外线光敏元件的特性那么与热型正好相反，普通必需在冷却77K条件下运用。 v4.3.2热释电型红外传感器

23、热释电型红外传感器v1. 热释电效应热释电效应v 假设使某些强介电质物质的外表温度发假设使某些强介电质物质的外表温度发生变化，随着温度的上升或下降，在这些物生变化，随着温度的上升或下降，在这些物质外表上就会产生电荷的变化，这种景象称质外表上就会产生电荷的变化，这种景象称为热释电效应，是热电效应的一种。为热释电效应，是热电效应的一种。v 这种景象在钛酸钡之类的强介电质物质这种景象在钛酸钡之类的强介电质物质资料上表现得特别显著。资料上表现得特别显著。v 热释电效应产生的电荷不是永存的，很热释电效应产生的电荷不是永存的，很快便被空气中的各种离子所结合。快便被空气中的各种离子所结合。 v2. 热释电红

24、外线光敏元件的资料热释电红外线光敏元件的资料v 热释电红外线光敏元件的资料较多，其中以陶热释电红外线光敏元件的资料较多，其中以陶瓷氧化物及压电晶体用得最多。瓷氧化物及压电晶体用得最多。v3. 热释电红外传感器热释电红外传感器v 构造及电路如图构造及电路如图4-13，4-14所示。传感器的敏所示。传感器的敏感元件是感元件是PZT钛锆酸铅钛锆酸铅 ，在上下两面做上电极，在上下两面做上电极，并在外表上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。并在外表上加一层黑色氧化膜以提高其转换效率。v 等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的等效电路是一个在负载电阻上并联一个电容的电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号

25、又极电流发生器，其输出阻抗极高，输出电压信号又极其微弱，管内有场效应管其微弱，管内有场效应管FET放大器及厚膜电阻，放大器及厚膜电阻，以到达阻抗变换的目的。以到达阻抗变换的目的。内接线 氧化膜PZT元件 铝件 接脚FET 空洞 图图 4 13热释电红外传感器根本构造热释电红外传感器根本构造 元件FETDSE Rg RsRs为负载电阻，有的传感器内无Rs需外接图图 4 -14 热释电红外传感器等效电路热释电红外传感器等效电路 v4.PVF2 热释电红外传感器热释电红外传感器v PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经过特殊加工的塑料薄膜。过特殊加工的塑料薄膜。v 它具

26、有压电效应，同时也具有热释电效它具有压电效应，同时也具有热释电效应，是一种新型传感器资料。应，是一种新型传感器资料。v 热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等要热释电系数比钽酸锂、硫酸三甘肽等要低。低。 v 具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易具有不吸湿、化学性质稳定、柔软、易加工及本钱低的特点，是制造红外线监测报加工及本钱低的特点，是制造红外线监测报警安装的好资料。警安装的好资料。 v5.菲涅耳透镜菲涅耳透镜v 菲涅耳透镜是由塑料制成的菲涅耳透镜是由塑料制成的 特殊设计的特殊设计的光学透镜，配合热释电红外线传感器运用。光学透镜，配合热释电红外线传感器运用。 v 透镜由很多透镜由很多“盲区和盲区和“高

27、灵敏区组高灵敏区组成，物体或人体发射的红外线经过菲涅耳透成，物体或人体发射的红外线经过菲涅耳透镜会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而镜会产生一系列的光脉冲进入传感器，从而提高了接纳灵敏度。如图提高了接纳灵敏度。如图4-15所示。所示。v 物体或人体挪动的速度越快，灵敏度就物体或人体挪动的速度越快，灵敏度就越高。目前普通配上透镜可检测越高。目前普通配上透镜可检测10米上下，米上下，而采用新设计的双重反射型，那么其检测间而采用新设计的双重反射型，那么其检测间隔可达隔可达20米以上。米以上。 菲涅耳透镜图图4 - 15菲涅耳透镜的运用菲涅耳透镜的运用 4.4 颜色传感器颜色传感器v4.4 颜色传感器

28、颜色传感器v 颜色传感器是由单晶硅和非单晶态硅制颜色传感器是由单晶硅和非单晶态硅制成的半导体器件。成的半导体器件。v 物体的颜色是由照射物体的光源和物体物体的颜色是由照射物体的光源和物体本身的光谱反射率决议的。在光源一定的条本身的光谱反射率决议的。在光源一定的条件下，物体的颜色取决于反射的光谱波件下，物体的颜色取决于反射的光谱波长，能测定物体反射的波长，就可以测定长，能测定物体反射的波长，就可以测定物体的颜色。物体的颜色。v 颜色传感器有两种：双颜色传感器有两种：双PN结光电二极管结光电二极管简称双结型和非晶态集成颜色传感器。简称双结型和非晶态集成颜色传感器。 v1. 双结型颜色传感器双结型颜

29、色传感器v 在一块单晶硅基片上作了两个在一块单晶硅基片上作了两个PN结的三结的三层构造，如图层构造，如图4-16a所示，其等效电路如图所示，其等效电路如图4-16b所示。所示。v 这三层这三层PNP构成的两个光电二极管构成的两个光电二极管PD1及及PD2反相衔接。反相衔接。 v 光电二极管的光谱特性与光电二极管的光谱特性与PN结的厚薄有结的厚薄有很大关系。很大关系。PN结的面做得薄一点对蓝光的灵结的面做得薄一点对蓝光的灵敏度高。敏度高。v PD1与与PD2的厚薄不同所以光谱特性也不的厚薄不同所以光谱特性也不同，如图同，如图4-17所示。所示。 电极3PPN绝缘膜电极1电极2a)123PD2PD

30、1b)图图4 16 双结型颜色传感器的构造与等效电双结型颜色传感器的构造与等效电路路 图图4-17 双结型颜色传感器的光谱特性双结型颜色传感器的光谱特性 v PD1接近外表，所以对蓝光波长430460nm、绿光波长490570nm有较高的灵敏度。v PD2那么对红光波长650760nm及红外线有较高的灵敏度。v 分别测PD1及PD2的短路电流，ISC1、ISC2，可得图4-18所示的特性。 v 根据颜色传感器检测的短路电流比，由图4-18可以求出对应的波长，即可分辨出不同的颜色。v 由图4-18可知，不同的温度，其特性有所变动。因此在作精细丈量时要在电路上加温度补偿，或者在计算机中用软件进展补

31、偿。 图图 4 18 短路电流比与波长特性短路电流比与波长特性v2. 非晶态集成颜色传感器非晶态集成颜色传感器v 传感器的构造原理和等效电路如图传感器的构造原理和等效电路如图4-19 (a)、(b)所示，在非晶态的硅的基片上，平排所示，在非晶态的硅的基片上，平排做了三个光电二极管。做了三个光电二极管。v 在各个光电二极管上分别加上红在各个光电二极管上分别加上红R、绿绿G、蓝、蓝B滤色镜，未来自物体的反滤色镜，未来自物体的反射光分解为三种颜色。射光分解为三种颜色。v 根据根据R、G、B滤色镜下光电二极管输出滤色镜下光电二极管输出的短路电流大小，经过电子线路及计算机，的短路电流大小，经过电子线路及

32、计算机，可以识别十二种以上的颜色。可以识别十二种以上的颜色。 非晶态硅引线树脂导电膜 玻璃板滤色镜RGB图图 4 19 非晶态集成颜色传感器非晶态集成颜色传感器 a)b) AM3301系列集成颜色传感器的三色相对灵敏度系列集成颜色传感器的三色相对灵敏度与波长特性如图与波长特性如图4-20所示。所示。 波长nm70060050040000.51.0相对灵敏度BGR图图 4 20 相对灵敏度与波长特性相对灵敏度与波长特性 非晶态颜色传感器的入射光照度与输出电压的关系如图非晶态颜色传感器的入射光照度与输出电压的关系如图 4-21所示。所示。 图图 4-21 非晶态颜色传感器输出电压与照度关系非晶态颜

33、色传感器输出电压与照度关系 传感器上有时并联一个传感器上有时并联一个100K电阻，以保证电阻，以保证良好的线性度。其放大电路如图良好的线性度。其放大电路如图4-22所示。所示。 +-颜色传感器 100K R CRfV0图图 4-22 非晶态传感器放大电路仅一路非晶态传感器放大电路仅一路 4.5 CZG-GC-500系列紫外火焰传系列紫外火焰传感器感器v4.5 CZG-GC-500系列紫外火焰传感器系列紫外火焰传感器v 敏感元件为紫外电管，由管壳、充入的敏感元件为紫外电管，由管壳、充入的气体、阳极和光阴极组成，如图气体、阳极和光阴极组成，如图4-23 所示。所示。v 在火焰中的远紫外线的照射下，

34、光阴极在火焰中的远紫外线的照射下，光阴极中的电子吸收能量而逸出光阴极外表，在阴中的电子吸收能量而逸出光阴极外表，在阴极电场的作用下向阳极运动，从而产生电信极电场的作用下向阳极运动，从而产生电信号，到达检测火焰的目的。号，到达检测火焰的目的。v 该传感器主要运用于火灾消防系统，尤该传感器主要运用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来检测火焰的产其是一些易燃易爆场所，用来检测火焰的产生。同时，该传感器也可用于发动机、锅炉、生。同时，该传感器也可用于发动机、锅炉、窑炉等的火焰报警系统。窑炉等的火焰报警系统。图图4-23 CZG-GC-500系列紫外火焰传感器系列紫外火焰传感器4.6 光纤传感器

35、光纤传感器v4.6 光纤传感器光纤传感器v 光纤传感器按照光纤的运用方式可分为光纤传感器按照光纤的运用方式可分为功能型传感器和非功能型传感器。功能型传感器和非功能型传感器。v 功能型传感器是利用光纤本身的特性随功能型传感器是利用光纤本身的特性随被丈量发生变化，利用光纤作为敏感元件，被丈量发生变化，利用光纤作为敏感元件，又称为传感型光纤传感器。又称为传感型光纤传感器。v 非功能型传感器是利用其他敏感元件来非功能型传感器是利用其他敏感元件来感受被丈量变化，光纤仅作为光的传输介感受被丈量变化，光纤仅作为光的传输介质，也称为传光型光纤传感器或称混合型质，也称为传光型光纤传感器或称混合型光纤传感器。光纤

36、传感器。v4.6.1 光纤传感元件光纤传感元件v 光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃光导纤维是用比头发丝还细的石英玻璃制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层制成的，每根光纤由圆柱形的内芯和包层组成。内芯的折射率略大于包层的折射率。组成。内芯的折射率略大于包层的折射率。v 光是直线传播的。然而入射到光纤中的光是直线传播的。然而入射到光纤中的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的光线却能限制在光纤中，而且随着光纤的弯曲而走弯曲的道路，并能传送到很远的弯曲而走弯曲的道路，并能传送到很远的地方去。地方去。v 光纤的直径比光的波长大很多，可以用光纤的直径比光的波长大很多，可以用几何光学的方法来阐明光在光纤中

37、的传播。几何光学的方法来阐明光在光纤中的传播。v 当光从光密折射率大介质射向光疏折射率小介质，且入射角大于临界角时，光会产生全反射，即光不再分开光密介质。v 光纤圆柱形内芯的折射率n1大于包层的折射率n2，因此，如图4-25所示，在角2之间的入射光，除了在光纤玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上产生多次反射，以锯齿形的线路在光纤中传播。v 在光纤的末端以与入射角相等的出反射角射出光纤。n 0 2 n 1 n 2图图4 -25 光导纤维中光的传输特性光导纤维中光的传输特性 光纤的主要参数和类型如下：1数值孔径： 无论光源发射功率有多大，只需2张角之内 的光功率能被光纤接纳。角2与光纤内芯和包层资

38、料的折射率有关，我们将的正弦定义为光纤的数值孔径NA。212221)(sinnnNA 普通希望有大的数值孔径普通希望有大的数值孔径,以利于耦合效率的提高以利于耦合效率的提高,但数值孔径越大但数值孔径越大,光光信号畸变就越严重信号畸变就越严重,所以要适中选择。所以要适中选择。 2光纤方式： 光纤方式简单地说就是光波沿光纤传输的途径和方式。 多模光纤中，同一光信号采用很多方式传输，会使这一光信号分裂为不同时间到达接纳端的多个小信号，导致合成信号畸变。 希望方式数量越少越好，尽能够在单模方式下任务，即单模光纤。阶跃型的圆筒光纤内传播的方式数量可简单表示为： 0212221)(nndv 3传播损耗：

39、由于光纤纤芯资料的吸收、散射以及光纤弯曲处的辐射损耗等影响，光信号在光纤的传播不可防止地会有损耗。 假设从纤芯左端输入一个光脉冲，其峰值强度光功率为Io，传播损耗后，光纤中任一点处的光强度为：LeILI0)(4光纤类型 按折射率变化分为阶跃型光纤和渐变型光纤。 按传输方式多少分为单模光纤与多模光纤。 v4.6.2 常用光纤传感器常用光纤传感器v 光纤传感器的种类很多，任务原理也各光纤传感器的种类很多，任务原理也各不一样，但都离不开光的调制和解调两个环不一样，但都离不开光的调制和解调两个环节。节。v 光调制就是把某一被测信息加载到传输光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上。光波上。v 承载了被

40、测信息的已调制光，传输到光承载了被测信息的已调制光，传输到光探测系统后再经解调，便可获得所需的该被探测系统后再经解调，便可获得所需的该被测信息。测信息。v 常用的光调制方法有强度调制、相位调常用的光调制方法有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等几种。制、频率调制、偏振调制等几种。 v 1. 光纤压力传感器光纤压力传感器v 按光强度调制原理制成，构造如图按光强度调制原理制成，构造如图4-26所示，其任务原理是所示，其任务原理是:v 1被测力作用于膜片，使光纤与膜被测力作用于膜片，使光纤与膜片间的气隙减小，使棱镜与光吸收层之间片间的气隙减小，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改动。的气隙发生改动。

41、v 2气隙发生改动引起棱镜界面上全气隙发生改动引起棱镜界面上全内反射的部分破坏，呵斥一部分光分内反射的部分破坏，呵斥一部分光分开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接纳光纤的光强度减小。致使反射回接纳光纤的光强度减小。 v 3接纳光纤内反射光强度的改动可由桥式光接纳器检测出来。v 4桥式光接纳器输出信号的大小只与光纤和膜片间的间隔和膜片的外形有关。v 光纤压力传感器不受电磁干扰，呼应速度快、尺寸小、分量轻、耐热性好。v 由于没有导电元件，特别适宜于有防爆要求的场所运用。 图图4 26 光纤压力传感器构造光纤压力传感器构造1膜片；膜片；2光吸收层；光吸

42、收层；3垫圈；垫圈；4光导纤维；光导纤维；5桥式桥式光接纳线路；光接纳线路；6发光二极管；发光二极管；7壳体；壳体；8棱镜；棱镜；9上盖。上盖。 v2. 光纤血流传感器光纤血流传感器v 这种传感器是利用频率调制原理，也就这种传感器是利用频率调制原理，也就是利用光的多普勒效应，在这里光纤只起传是利用光的多普勒效应，在这里光纤只起传输作用。输作用。v 如图如图4-27所示。激光器发出的光波频率所示。激光器发出的光波频率为为f，激光束由分束器分为两束，一束作为丈，激光束由分束器分为两束，一束作为丈量光束，经过光纤探针进到被测血液中，量光束，经过光纤探针进到被测血液中， 由由于血流速度于血流速度 ，其

43、反射光具有多普勒频移，其反射光具有多普勒频移f 。另一束作为参考光由频移器产生参考频移。另一束作为参考光由频移器产生参考频移。v 光电二极管接纳该两束光信号，送入频光电二极管接纳该两束光信号，送入频率分析器分析，记录仪上显示对应于血流速率分析器分析，记录仪上显示对应于血流速度的多普勒频移谱，如图度的多普勒频移谱，如图4-28所示。所示。 氩氖激光器频率分析器记录仪 光电二极管 动脉血管光纤探针托座频移器分束器图图4 -27 光纤血流传感器光纤血流传感器 f1 f0O I相对电流ff / Hz图图4 28 多普勒频移谱多普勒频移谱 多普勒频移谱如图多普勒频移谱如图4-28所示，所示，I表示输出的

44、光电流；表示输出的光电流；f0表示最大频移；表示最大频移；f的符号由血流方向确定。的符号由血流方向确定。 4.7 光传感器运用实例光传感器运用实例v4.7 光传感器运用实例光传感器运用实例v4.7.1 自动照明灯自动照明灯v 电路如图电路如图4-29所示。所示。D1为触发二极管，为触发二极管，触发电压约为触发电压约为30V左右。左右。v 白天，光敏电阻的阻值低，白天，光敏电阻的阻值低， A点分压低点分压低于于30V，触发二极管截止，双向可控硅无触，触发二极管截止，双向可控硅无触发电流，发电流，T1、T2之间呈断开形状。之间呈断开形状。v 晚上天黑，光敏电阻的阻值添加，晚上天黑，光敏电阻的阻值添

45、加，A点点电压大于电压大于30V，触发二极管导通，双向可控，触发二极管导通，双向可控硅呈导通形状，电灯亮。硅呈导通形状，电灯亮。220VT2T1D1GC2R2A R1 C1GR图图4 29 自动照明灯电路自动照明灯电路 v4.7.2 光电式数字转速表光电式数字转速表v 如图如图4-30a所示，在电机的转轴上涂所示，在电机的转轴上涂上黑白相间的两色条纹。上黑白相间的两色条纹。v 当电机轴转动时，反光与不反光交替出当电机轴转动时，反光与不反光交替出现，所以光电元件延续的接纳光的反射信号，现，所以光电元件延续的接纳光的反射信号，输出电脉冲。输出电脉冲。v 再经过放大整形电路见图再经过放大整形电路见图

46、4-31，输，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电机出整齐的方波信号，由数字频率计测出电机的转速。的转速。v 图4-30(b)是在电机轴上固定一个调制盘，上面开一些固定间隔的孔洞，当电机转轴转动时将发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。v 同样经光电元件接纳，放大整形电路整形，输出整齐的方波脉冲信号。v 每分钟转速n与输出的方波脉冲频率f以及孔数或黑白条纹数N的关系如下： Nfn60 a) 发光二极管电机 数字频率计光电元件 放大整形电路图图4-30 光电式数字转速表任务原理图光电式数字转速表任务原理图 b) 发光二极管电机 数字频率计 光电元件 放大 整形电路调制盘 调制盘图图4

47、-30 光电式数字转速表任务原理图光电式数字转速表任务原理图 R1 R3 R22 C1 R4 R5 R6 R7 R8 R9 R10 BG1 BG3 C2 BG2U0+E有光照 无光照图图4-31 放大整形电路原理图放大整形电路原理图 v4.7.3 物体长度及运动速度的检测物体长度及运动速度的检测v 消费上经常需求检测工件的运动速度。图消费上经常需求检测工件的运动速度。图4-32是利用光电元件检测工件运动速度的表示图和电路是利用光电元件检测工件运动速度的表示图和电路简图。简图。v 当工件自左向右运动时，首先遮断光源当工件自左向右运动时，首先遮断光源A的光线，的光线，经过设定的经过设定的S0间隔后

48、再遮断光源间隔后再遮断光源B的光线，经光敏的光线，经光敏元件和元件和 RS触发器输出高频脉冲，计数器进展计数。触发器输出高频脉冲，计数器进展计数。v 设高频脉冲计数器所计脉冲数为设高频脉冲计数器所计脉冲数为n 和脉冲周期和脉冲周期为为T，那么可计算物体平均运动速度为：，那么可计算物体平均运动速度为： nTStS00 S 0LEDBLEDAQL7689清零信号 VAVBSR 3 14 25 图图4 32 光电检测运动物体的速度表示图光电检测运动物体的速度表示图 1-光源光源A ；2-光敏元件光敏元件VA ；3-运动物体运动物体 ；4-光源光源B ；5-光敏元件光敏元件VB ；6-RS触发器；触发

49、器；7-高频脉冲信号源；高频脉冲信号源；8-计数器；计数器；9-显示器显示器 tLt tLSRQ图图4 32 光电检测运动物体的速度高频脉冲信号光电检测运动物体的速度高频脉冲信号v4.7.4 红外自动干手器红外自动干手器 v 如图如图4-33所示。反相器所示。反相器F1、F2、晶体管、晶体管VT1及及红外发射二极管红外发射二极管VL1等组成红外光脉冲信号发射电等组成红外光脉冲信号发射电路。路。v 红外光敏二极管红外光敏二极管VD2及后续电路组成红外光脉及后续电路组成红外光脉冲的接纳、放大、整形、滤涉及开关电路。冲的接纳、放大、整形、滤涉及开关电路。v 当将手放在干手器的下方当将手放在干手器的下方1015cm时，由时，由VL1发射的红外光线经人手反射后被红外光敏二极管发射的红外光线经人手反射后被红外光敏二极管VD2接纳，电路输出使接纳，电路输出使VT4导通。导通。v 继电器继电器KM得电任务，触点得电任务，触点KM1闭合接通电热风闭合接通电热风机，热风吹向手部。机，热风吹向手部。 手手热风机热风机继电器继电器KM延时电路延时电路红外光接纳红外光接纳红外光发射红外光发射信号处置信号处置交流交流电源电源图图4-33 红外自动干手器电路原理框图红外自动干手器电