传感器原理及应用-第9章 光电式传感器

1、EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors主讲：刘陆壹EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 光电式传感器 EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 光电式传感器 9.1 光的特性与光源光的特性与光源9.2 光电效应光电效应9.3 光电器件光电器件9.4 光纤传感器光纤传感器9.5 光电式传感器应用光电式传感器应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用光波：光波：波长波长10106nm电磁波。电磁波。可见光波长：可见光波

2、长：380780nm；紫外线波长：紫外线波长：10380nm；红外线波长：红外线波长：780106nm。一、光的特性一、光的特性9.1 光的特性与光源hE 光具有反射、折射、散射、衍光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。射、干涉和吸收等性质。光的粒子性：光的粒子性：光是以光速运动光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。光子的能量愈大。电磁波谱图电磁波谱图EXITEXITEXIT传感器原理及应用

3、传感器原理及应用一、光的特性一、光的特性9.1 光的特性与光源电磁波谱图电磁波谱图EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、常用光源二、常用光源9.1 光的特性与光源常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LEDEXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、常用光源二、常用光源9.1 光的特性与光源808 nm 大功率大功率LD650 nm LDEXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 光电式传感器 9.1

4、光的特性与光源光的特性与光源9.2 光电效应光电效应9.3 光电器件光电器件9.4 光纤传感器光纤传感器9.5 光电式传感器应用光电式传感器应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用一、光电效应基本概念一、光电效应基本概念9.2 光电效应EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用外光电效应：外光电效应：物体内的电子逸物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。二、外光电效应二、外光电效应02021Amh（3）逸出的光电子具）逸出的光电子具有动能。

5、有动能。（4）从光照至发射电）从光照至发射电子，时间子，时间 d，入射端面为基准，则出，入射端面为基准，则出射光的相位为射光的相位为nl2)(2)(2nnlnlln因此，应变因此，应变和折射率的变化和折射率的变化会产生相位的变化。会产生相位的变化。测量物理量：测量物理量：温度、压力、温度、压力、加速度等。加速度等。调制解调方法：调制解调方法：常采用干涉常采用干涉技术。技术。 常用干涉测量仪器：马赫常用干涉测量仪器：马赫泽德干涉仪、泽德干涉仪、迈克耳逊干涉仪迈克耳逊干涉仪、赛格纳克干涉仪等。赛格纳克干涉仪等。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.4 光纤传感器三、光纤传感器

6、三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类（1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器相位调制型光纤传感器测量压力相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示或温度动画演示EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用特点：特点：内部变化，宜在恶劣内部变化，宜在恶劣环境中应用，灵敏度高，结构简环境中应用，灵敏度高，结构简单，性能稳定。单，性能稳定。9.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器原理：光纤微弯曲损耗。原理：光纤微弯曲损耗。3、光纤传感器分类、光纤传感器分类（1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器 相位调制型光纤传感器相位调制型光

7、纤传感器例如：迈克耳逊干涉调制解例如：迈克耳逊干涉调制解调技术。调技术。)(21IIfFEXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类（1）功能型光纤传感器）功能型光纤传感器EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类（2）非功能型光纤传感器）非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的当作传播光的媒介，待测对象的调制功能由光电转换元件实现。调制功能由光电转换元件实

8、现。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第九章 光电式传感器 9.1 光的特性与光源光的特性与光源9.2 光电效应光电效应9.3 光电器件光电器件9.4 光纤传感器光纤传感器9.5 光电式传感器应用光电式传感器应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、盘、CCD器件、光导纤维等相继应用，使光电式

9、传感器在检测和控制器件、光导纤维等相继应用，使光电式传感器在检测和控制领域应用非常广泛。领域应用非常广泛。光电式传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、光电式传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。辐射式四种基本形式。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用一、光纤加速度传感器一、光纤加速度传感器光纤加速度传感器光纤加速度传感器是一种简谐振子的结构是一种简谐振子的结构形式。形式。激光束通过分光板激光束通过分光板后分为两束光，透射光后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为参考光束，反射光作为测量光束。作为测量

10、光束。当传感器感受加速当传感器感受加速度时，质量块度时，质量块M对光纤对光纤作用，从而使光纤被拉作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变，伸，引起光程差的改变，进而反射光相位发生变进而反射光相位发生变化。化。相位改变的激光束由单模光纤射出后相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，接收装置转换为电信号， 经过信号处理电经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。路处理后便可以正确地测出加速度值。 EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5

11、光电式传感器应用二、光纤温度传感器二、光纤温度传感器根据工作原理光纤温度传感器可根据工作原理光纤温度传感器可分为分为相位调制型、光强调制型和偏振相位调制型、光强调制型和偏振光型等光型等。光强调制半导体光吸收型光。光强调制半导体光吸收型光纤温度传感器的结构由纤温度传感器的结构由半导体光吸收半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等的信号处理系统等组成的。组成的。半导体材料的能量隙随半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。温度几乎成线性变化。光透光透过率特性曲线随温度的增加过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，透射过半向长波方向移动，透射过半导体

12、材料的光强随温度而变导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的化，探测器检测输出光强的变化即可测量温度。变化即可测量温度。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二、光纤温度传感器二、光纤温度传感器半导体光吸收型光纤传感器半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在变，一般在-100300温度范围内温度范围内进行测量，响应时间约为进行测量，响应时间约为2s。特点：体积小、结构简单、特点：体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。便于推广应用。 EXI

13、TEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用三、光纤位移传感器三、光纤位移传感器反射式光纤位移传感器利用光反射式光纤位移传感器利用光纤实现无接触位移测量。纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离化。再通过光电传感器检测

14、出距离的变化。的变化。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用四、光纤式光电开关四、光纤式光电开关遮断型光纤光电开关遮断型光纤光电开关 EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用四、光纤式光电开关四、光纤式光电开关EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用五、光电开关应用五、光电开关应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用五、光电开关应用五、光电开关应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用六、

15、光幕传感器应用六、光幕传感器应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用七、光电池路灯自动控制器七、光电池路灯自动控制器 220VCJD-10路灯8V C1 200u C2 200u R1 470k R2 200kR3 10kR4 57k R5 4.3kR6 25k R7 10k R8 280k J C3 100u BG1BG2 BG3 BG42CREXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用八、光电转距测量仪八、光电转距测量仪1光栅盘2光栅盘弹性扭转轴光源电池硅太阳路电测检M光栅盘：光栅盘：有机玻璃，有机玻璃，数量相

16、等的黑色条纹。数量相等的黑色条纹。无转矩作用：无转矩作用：光栅光栅盘盘1的透光部位对准光的透光部位对准光栅盘栅盘2的黑色部分，无的黑色部分，无信号。信号。有转距作用：有转距作用：扭转，扭转，光栅盘间有角度，透光光栅盘间有角度，透光窗口，转矩成正比。窗口，转矩成正比。 EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用九、太阳能电池电源系统九、太阳能电池电源系统 阻塞二极管蓄电池组发电装置：发电装置：单体太阳能电池单体太阳能电池太阳电池组件太阳电池组件阵列阵列调节控制器：调节控制器：充放电自动控制充放电自动控制阻塞二极管：阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电避免蓄电

17、池对太阳电池放电EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十、光电式太阳能自动跟踪控制器十、光电式太阳能自动跟踪控制器太阳能接收器传动机构电机控制电路1B2B3B4B1VD2VD3VD4001IN4001IN4001IN1B2B3B4B1C2C1K2KM1VT2VT3C4C1R2R3R4R90139013k10k10u100u100k100k100k270k2701RP2RP358LM11 K12 KVV12V12312356712381IC1ICu2 .2B1B1、B3B3安装在控制电路外壳的同一侧，安装在控制电路外壳的同一侧，B2B2、B4B4安装在另

18、一侧。安装在另一侧。B1B1、B3B3受光照：受光照：3 3电位增大，电位增大，K1K1工作，工作，3 3、1 1闭合；闭合；5 5电位减小，电位减小，K2K2不工作，不工作，3 3、2 2闭合，闭合，M M正转。正转。B2B2、B4B4受光照：受光照：M M反转。反转。面向太阳：面向太阳：两侧光照相同，两侧光照相同，K1K1、K2K2同时工作，同时工作，M M停止。停止。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十一、光电管在电影放映机上的应用十一、光电管在电影放映机上的应用 光电管光源影片声迹器大放影片声音重放过程影片声音重放过程EXITEXITEXI

19、T传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十二、光电式注油液位控制装置十二、光电式注油液位控制装置 光电传感器电磁阀油箱透明玻璃管透明玻璃管灯泡光敏二极管紧固螺钉DF传感器光电V241R2R1VT1RP1VD2VD2VTDF1C1KK112 CPk200k50063 DG22 CU123 DGu100EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十三、光电式心率测量装置十三、光电式心率测量装置光检测器发射光反射光手指光发射器示显处理变换信号光传感器V5LED270k68CB脉搏跳动脉搏跳动生物组织血液量变化生物组织血液量变化传输光的性能变化变化

20、速率传输光的性能变化变化速率心率心率手指光反射强度变化的测量手指光反射强度变化的测量EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十四、光电式条形码扫描笔十四、光电式条形码扫描笔条形码扫描方向光电扫描笔脉冲列OUTU扫描笔光敏三极管发光二极管条形码卡片EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十五、红外线警戒报警器十五、红外线警戒报警器电源光源滤光片红外线凸透镜红外接收器报警系统声光报警VD12CURP110kVT13AX31R251kR1R310kVT2VD2 2CP10K2KS9VK1+V有人遮挡：有人遮挡：报警报警E

21、XITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用电路控制驱动器器大放气源废弃箱光源探头光传感器杂质滑槽背景板光箱气动电磁阀振动机9.5 光电式传感器应用十六、光电式大米分选机十六、光电式大米分选机EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十七、光电式可逆计数器十七、光电式可逆计数器出入场人数统计出入场人数统计物件1E2E运动方向运动方向EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用十八、光电吸收式烟尘浊度检测仪十八、光电吸收式烟尘浊度检测仪烟筒光电元件工件10EO/十九、透射式光电传感器测狭缝十九、透射式光电传感器测

22、狭缝EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十、光电式高低电压隔离数据传输通道二十、光电式高低电压隔离数据传输通道EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十一、光电式烟雾报警器二十一、光电式烟雾报警器EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十二、光电式浊度计二十二、光电式浊度计EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十三、光电式测量运动物体速度装置二十三、光电式测量运动物体速度装置EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原

23、理及应用9.5 光电式传感器应用二十四、光电开关的类型及应用二十四、光电开关的类型及应用EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十五、直射式光电转速传感器二十五、直射式光电转速传感器组成：组成： 开孔圆盘、光开孔圆盘、光源、光敏元件及缝源、光敏元件及缝隙板等。隙板等。原理原理： 通过测量光敏通过测量光敏元件输出的脉冲频元件输出的脉冲频率率f来测转速来测转速n=f/NN圆盘孔数。圆盘孔数。EXITEXITEXIT传感器原理及应用传感器原理及应用9.5 光电式传感器应用二十六、二十六、CCDCCD传感器应用传感器应用各类工件尺度测量各类工件尺度测量测量：测量：拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径，等等。类的直径，等等。例如：例如：玻璃