新型光电传感器课件

1、9.1 新型固态光电传感器 9.2 CCD(电荷耦合器件)9.3 光纤传感器 第九章 新型光电传感器了解电荷耦合器件、光纤传感器的工作原理；认识各种新型光电传感器结构特征，掌握其检测方法与应用范围。 本章要求 第九章 新型光电传感器 所谓新型传感器是指最近十几年来研究开发出来的，已经或正在走向实用化阶段的传感器。 新型光电传感器包括： 固态光电传感器：象限探测器、光敏器件阵列、 自扫描光电二极管阵列（SSPD） 光电位置敏感器件（PSD） 电荷耦合器件（CCD） 光纤传感器概 述 1 象限探测器作用确定光点在平面上的位置坐标；用于准直、定位、跟踪等。结构利用光刻技术，将一整块圆形或正方形光敏器

2、件敏感面分割成若干区域；各个区域各面积相等、形状相同、位置对称；背面仍为一体。各分割面引出导线就构成了象限探测器。典型的象限探测器有：四象限光电二极管、硅光电池、光电倍增管、二象限硅光电池、光敏电阻等。各类象限探测器示意图原理光点投射到探测器上；各象限上光斑大小不同；光生电动势也不同：U2U1U3d，入射端面为基准，则出射光的相位为因此，应变和折射率的变化会产生相位的变化。测量物理量：温度、压力、加速度等。调制解调方法：常采用干涉技术。 常用干涉测量仪器：马赫泽德干涉仪、迈克耳逊干涉仪、赛格纳克干涉仪等。9.3 光纤传感器特点：内部变化，宜在恶劣环境中应用，灵敏度高，结构简单，性能稳定。 光强

3、调制型光纤传感器原理：光纤微弯曲损耗。9.3 光纤传感器（2）非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能由光电转换元件实现。9.3 光纤传感器电参量传感器中，通常是由被测量引起电阻、电容、电感等电参量的变化，将这些电参量转换为电流、电压的变化进行检测。光纤传感器通过调制器技术使光的某些特性受被测量的作用，如光强、偏振方向、颜色、波长等等。 光波调制技术 光波的特征参数主要以光强度和光颜色两个最直观的特 征表现出来的; 目前光电器件只能测量光的强度和颜色，其他物理量是 通过这两个量间接测量的。光是一种电磁波，各种物理和生化作用主要因电场引起。沿某一方向（X）传

4、播的光波可用平面波动方程表示：E 光的电矢量A 强度X 偏振态（方向）f 频率 波长极远红外-紫外线 1mm-10nm 相位 光的性质分别讨论对光的强度、偏振态、相位、频率的调制方法。利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。根据传感器探头结构形式可分为：反射、透射、折射。 透射式强度调制 光纤端面为平面，入射光纤不动；出射光纤可横向、纵向、转动，出射光强受位移信号的调制。 图中接收光强与两圆的交叠面积有关。对单模光纤，颈项位移X与光功率耦合系数T之间关系为高斯型曲线：光的强度调制为了获得线性和灵敏度，工作点应选择在A点AXTS入射出射X 透射式开关调制 入射、接收光纤

5、固定不动，当光纤端面有物体运动时，出射光纤的光强变化。 遮光屏物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。入射光源S出射透镜接收D弹性薄膜P光调制光的强度调制 光栅调制 一个固定、一个移动，当光栅作相对运动时，通过光栅间的光强会发生变化。 设栅距、栅宽5m，当动栅相对位移10m时，光强变化一个周期，位移2.5m、7.5m处灵敏度最大。静光栅动%相对强度X相对位移2.5 5 7.5光栅调制光的强度调制 反射式强度调制 由多根光纤束组成入射、接收光纤，被测物体将光束反射回光纤，经反向传输后由光敏器件接收。光强的大小随被测物体的特征不同而不同；特征包括： 被测物体与光纤端面的距离； 被测物体表面的光洁度（反射

6、率）； 相对倾角。 特点：非接触、探头小、线性度好、频响高、测量范围在100m以内。X入射光源S出射透镜接收D被测物体液面测量 折射率调制（略）光的强度调制 法拉第磁光效应(又称磁致旋光效应)当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（矢量振动方向）将发生偏转，偏转的角度与磁感应强度B以及介质的长度L成正比=KBL，K为物质常数。透明介质BQL 偏振态调制主要基于人为旋光现象，如：法拉第磁光效应、克尔电光效应、弹光效应等实现的。光偏振态调制 法拉第磁光效应如稀土玻璃 K= 0.130.27/（GS.cm）1T(特斯拉）=104 GS 处于0.1T磁场下，长10cm的稀土玻璃棒可使偏振光

7、的光 矢量偏转22 45，利用这种原理可制成光纤电流 传感器。导体上绕N匝光纤，光矢量旋转的角度与导线电流有关（ B I） B=I/2 =VdN I，Vd为常数导体SD检偏器光纤电流光偏振态调制 一般压力、张力、温度可以改变光纤的长度（几何尺寸），同时由于光弹效应，光纤折射率n也会由于应变而改变，这些物理量可以使光纤输出端产生相位变化，借助干涉仪将相位变化转换为光强的变化。干涉系统的种类很多，可根据具体情况采用不同的干涉系统。光相位调制 分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。 当移动镜面位移时合成光的干涉强度发生变化。这种干涉仪灵敏度高

8、，可精确到10-13nm 。马赫泽德干涉仪原理 常见的马赫泽德（Mach-Zehnde)干涉仪原理光相位调制虽然空气光路系统有大的动态范围，但实现非常困难，通常只能限制在实验室工作条件。光纤干涉传感器 如果干涉系统的空气光路用光纤代替，用光纤耦合器取代分束器；几公里光路对光纤是容易实现的，可取消对光路长度限制，不存在光路中尘埃污染 。光纤干涉仪原理 在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能器把被测量转换成光束的相位变化；光相位调制明暗计数法 输出脉冲计数反映光强明暗变化，不能检测极性；相位锁定零点检测法 通过参考臂的相位调制使系统相差定在/2处， （在/2处灵敏度最高，光强与相差呈线性关系

9、）。/23/2相对光强相差相位干涉仪输出波形 相位调制光纤传感器的信号检测有多种：光相位调制当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率fs与光源频率f不同，这种现象称光的“多普勒效应”；设光敏器件相对光源的运动速度为，接收的光频率可表示为：频率调制法可以测量运动物体（流体）的速度、流量等；被测体散射光信号由透镜接收回光纤，与空气界面直接返回的光信号合成后形成频率为fp的拍频信号，送光敏探测器。光频率调制测量原理：激光光束频率0，由分束送两路；调制光R作参考光源送光敏探测器；分束器2将0的光束经光纤射入流体；流体速度，流体中微粒照亮时产生反射光，反射光通过光纤返回；多普勒效应使反射

10、光产生频移探测器分束器1分束器2参考光R=0-10s =0激光器调制器 透镜1 形成的光频率为测量光: s=0，测量光与参考光在探测器混频（拍频p=s-R）后形成振荡信号，振荡频率为：1，由频谱仪分析频率变化，获得流体速度。管道流体速度光频率调制 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、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、CCD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。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。一、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形式

11、。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，质量块M对光纤作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变，进而反射光相位发生变化。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。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， 经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。 二、光纤温度传感器根据工作原理光纤温度传感器可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。光强调制半导体光吸收型光纤温度传感器的结构由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。光透过率特性曲线随温度

12、的增加向长波方向移动，透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即可测量温度。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变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2s。特点：体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。 三、光纤位移传感器反射式光纤位移传感器利用光纤实现无接触位移测量。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。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。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。四、光纤式光电开关遮断型光纤光电开关 四、光

13、纤式光电开关缺料检测或计数机械手控制螺丝长度和有无的检测断线监测光纤式光电开关应用标志孔电路板标志检测当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。 光纤耦合器传输光纤出射光纤8990采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测五、光电开关应用鉴别不同高度物体高度判别缺件剔除料位控制五、光电开关应用自动扶梯自动启停汽车通过检测汽车喷涂控制门窗防盗控制六、光电池路灯自动控制器 当天亮时，硅光电池受光照射后，它产生0.20.5电动势，使BG1正偏压而截止，后面多级放大器不工作，BG4截止，继电器不动作，路灯回路触头断开，路灯不亮；当天黑无光照时 ，光电池无光生电动势，使BG1的基

14、极为低电位，BG1导通，经BG2、BG3、BG4构成多级直流放大，BG4导通使继电器动作，从而接通交流接触器，使常开触头闭合，路灯亮。 调节R1可改变自动开关的灵敏度。 原理：七、光电转距测量仪光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹。无转矩作用：光栅盘1的透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号。有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，转矩成正比。 八、太阳能电池电源系统 调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池太阳电池组件阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电九、光电式太阳能自动跟踪控制器B1、B3安装在控制电路外壳的同一侧，B2、B4

15、安装在另一侧。B1、B3受光照：3电位增大，K1工作，3、1闭合；5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转。B2、B4受光照：M反转。面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止。十、光电式注油液位控制装置 十一、光电式心率测量装置脉搏跳动生物组织血液量变化传输光的性能变化变化速率心率手指光反射强度变化的测量十二、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：报警十三、光电式大米分选机在光照下，大米、杂质发出的光信号不同。十四、光电式可逆计数器出入场人数统计运动方向十五、光电吸收式烟尘浊度检测仪白炽平行光源光检测放大显示报警器刻度校正十六、透射式光电传感器测狭缝十七、光电式烟雾报警器十八、光电式浊度计十九、光电式测量运动物体速度装置二十、直射式光电转速传感器组成： 开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等。原理： 通过测量光敏元件输出的脉冲频率f来测转速n=f/NN圆盘孔数。二十一、CCD传感器应用各类工件尺度测量测量：拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径，等等。例如：玻璃管直径与壁厚的测量。 玻璃管成像的两条暗带最外边界距