机电一体化讲议-3课件

第二章传感器及测量系统（2）2/6/202312.1传感器及测量系统概述2.7光电传感器在车辆自动控制过程中充当着重要的角色分类：光束传感器、反射传感器、散射传感器原理：通过发射器发出可见、不可见或红外光，被接收器所接收，并转换成电信号。特点：(1)无接触检测，减少了被测物及探头的磨损，确保产品的使用寿命与安全操作。(2)被测物的材料不受限制，可测玻璃、塑料、木质及液体等各种的被测材料。(3)长距离检测，反射传感器的检测距离可达１０ｍ。(4)反应速度快，其反应能力在50μs之内。2/6/202322.7光电传感器(5)可分辨颜色。高精度检测，利用奇特的视觉系统和精确的电子线路可以实现对物体的精确测量。光电传感器分为亮通型与暗通型两类。2.7.1光电器件分类：光电发射器、光电探测器2.7.1.1光电发射器件(1)热辐射光源：如白炽灯。光谱连续、价格便宜(2)气体放电光源：如氙灯光源等。气体超高压放电发光。特点：效率高，发热少。(3)电致发光器：PN结发光（发光二极管）。特点：功率低，驱动电压低，效率高，可直接调制，小型化等。2/6/202332.7光电传感器1.光电导器件(光敏电阻)注意：光敏电阻必须在适当的波长光照射下，电阻才会改变。图2-7-1光敏电阻的原理图2-7-2CdS、CdSe光谱响应曲线

2/6/202352.7光电传感器2.光伏效应器件(光电二极管与光敏三极管)原理：利用光照在半导体器件上产生伏特效应而制成的器件，应用极广。(1)光电二极管原理：在光的照射下，光电二极管产生光电流。注意：光电流向光电二极管的反方向流动。伏安特性：见图2-7-3（a）。等效电路：电流源与二极管的并联，如图2-7-3(b)所示光谱特性：如图2-7-4。2/6/202362.7光电传感器(2)光电三极管工作原理：①光电转换，其功能同光电二极管；②光电流放大，将光电流放大几十部至几百倍。分类：无基极引线、有极基引线两种。a)无基极引线光电管——靠光的注入代替基极的信号输入，并将集电结产生的光电流放大。图2-7-3光电二极管伏安特性图2-7-4光电二极管光谱响应曲线2/6/202372.7光电传感器图2-7-5光电三极管输出特性图2-7-6硅光电池光照特性曲线2/6/202392.7光电传感器2.7.2光束传感器特点：发射器与接收器分开。图2-7-7光束传感的电气结构图

2/6/2023102.7光电传感器2.7.3反射传感器特点：发射器与接收器放于同一个外壳内。常规反射传感器：不能检测反光体，易产生误动作。带偏振片的反射传感器：无论是否反射体在遮住光通路后就一定能被检出。与常规反射传感器的区别：(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振片；(2)采用三角反射镜，经它反射的偏振光其振荡面旋转90°。图2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构

2/6/2023112.7光电传感器2.7.5红外传感器图2-7-10曲型红外传感器的电气结构构成：光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成用途：红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测2/6/2023132.7光电传感器2.8光纤传感器2.8.1光纤传感器概述起步：光纤传感器技术是70年代末发展起来的一项新型传感技术。技术构成：光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维光学应用的结合应用范围：位移、振动、转速、温度、压力、电场、流量、浓度、PH值等70多项参数的检测。适用：普通光电传感器所不能适应的条件，例如有限空间、高温、或危险地区，因而具有广泛的应用潜力。测量原理：外界待测信号→调制→光参数→光纤→光电探测器。2/6/2023142.8光纤传感器调制参数：光可以看成简谐振荡的电磁波，其电场分量表达式为：E=E0sin(ωt+φ)因此光可以被调制的参数有四个，即光强度、相位、偏振角及频率。按调制形式分类：强度调制型、相位调制型、偏振调制型、频率调制型。大部分传感器属于前三类。按光纤光纤作用分类：非功能型传感、功能传感两种。（1）非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进行调制而光纤仅仅作为传光之用。（2）能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光，本身也是敏感元件。功能型光纤传感器的调制原理：温度、压力、振动→光纤→光纤的长度、形状、折射率等发生变化→光纤中传输光的强度、相位、偏振态等发生变化2/6/2023152.8光纤传感器图2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理

2/6/2023172.8光纤传感器2.8.2光纤传感器工作原理 (1)强度调制型光纤传感器特点：结构简单、可靠性高、对光纤要求不高，信号检测简单等。 (2)相位调制型光纤传感器原理：外界待测信号作用于光纤时，引起光纤中传输的光的相位必生变化。测量：光相位变化难以直接检测出来，通常用光的干涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测。相位调制型光纤传感器又称为干涉型光纤传感器。相位调制型光纤传感器一般具有极高的灵敏度和动态范围。光纤干涉仪可以检测出小于10-6rad的相位变化。2/6/2023182.8光纤传感器[例]温度变化1℃→1m长的光纤中光相位变化100rad→分辨率达到10-8℃图2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构

2/6/2023192.8光纤传感器2.8.2光导纤维光传输的载体，应用很广。结构：一种透明的圆柱形细丝，中间是折射率极高的透明介质，外面一