第7章光电式传感器

第七章光电式传感器光电式传感器组成框图组成：光电式传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件组成。光电式传感器组成框图被测量通过辐射源或者光学通路将待测信息调制到光波上，使光波的强度、相位或频谱等发生改变，然后通过光电器件将光信号转换为电信号。电信号经后续电路解调分离出被测量信息，以实现测量。工作原理：特点频谱宽（5×1013Hz—3×1018Hz

）不受电磁干扰的影响非接触测量高精度、高分辨力、高可靠性反应快应用检测、控制领域第一节光源光源是光电式传感器的重要组成部分。 光源相当于电路系统的激励信号，如果没有光源，则光电式传感器就无法工作。选择光源要考虑哪些因素？ 波长 谱分布 相干性 体积 造价 功率常见的光源有哪几类？自然光源－－太阳光、天空光

人工光源－－热辐射光源气体放电光源激光光源电致发光光源一、热辐射光源什么是热辐射光源？热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。哪些光源属于热辐射光源？白炽灯卤钨灯热辐射光源的峰值波长与什么有关？物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。热辐射光源有哪些特点？输出功率大响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区域，可用作近红外光源。二、气体放电光源什么是气体放电光源？电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱与什么有关？其光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。哪些光源属于气体放电光源？低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯、氙灯统称为光谱灯，常用作单色光源。三、电致发光器件－－发光二极管什么是电致发光器件？固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。哪些器件属于电致发光器件？主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。结构：发光二极管的发光强度与电流成正比： 这个点亮电流约在10mA左右，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一限流电阻。电极控制层N型半导体电极绝缘层P型半导体限流电阻值的计算？发光二极管有哪些优点？体积小寿命长工作电压低响应速度快发热小四、激光器激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写，即lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量，从低能级跃迁到高能级上，如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有这种功能的器件称为激光器。激光器有哪些优点？单色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪几种？固体激光器（红宝石）气体激光器（He-Ne）,（CO2，远红外光源）半导体激光器（体积小，能量高，电源简单）液体激光器第二节光电效应和光电器件光电器件的作用：将光信号转变为电信号。其工作的物理基础是光电效应。光电效应的类型有：外光电效应内光电效应阻挡层光电效应(光生伏特效应)3.阻挡层光电效应：在光的作用下，使光电器件产生一定方向的电动势。器件：光电池，光敏二极管、光敏三极管。2.内光电效应：在光的作用下，使光电器件的电阻率变化。器件：光敏电阻。外光电效应:在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。

器件：光电管、光电倍增管。光电器件—1光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。上一页下一页返回真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体.优点是灵敏度高.但其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差

上一页下一页返回2光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流比较小光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极K+若干倍增极+阳极A上一页下一页返回光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Sb（锑）-Cs（铯

）或Ag-Mg等光敏材料， 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。 二次电子发射系数σ=二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn。上一页下一页返回3光敏电阻当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加上一页下一页返回工作原理光敏电阻的结构1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。上一页下一页返回半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。因此光敏电阻的电极一般采用梳状，提高光敏电阻的灵敏度。光敏电阻优点：灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定上一页下一页返回梳状电极

光敏电阻的主要参数

（1）暗电阻和暗电流

光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。

（2）亮电阻和亮电流

光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

（3）光电流

亮电流与暗电流之差，称为光电流。上一页下一页返回光敏电阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间（5）温度特性上一页下一页返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大。上一页下一页返回lx：光照度的单位，勒克斯

（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中用作开关式光电信号传感元件。上一页下一页返回应用：光照度计——农作物日照时间测定光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。无光照V0=VL，有光照V0=VH。输出V0接单片机的I/O口，每2分钟查询1次，为高电平，计数1次，为低电平，不计数。1天查询720次。

VHVLRw阻值的选择？（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回（4）响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。t=0.5(t1+t2)上一页下一页返回(ms)（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性

上一页下一页返回4光敏二极管和光敏晶体管(1)工作原理(2)基本特性上一页下一页返回工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中。 在电路中一般是处于反向工作状态（PN结反偏）

光敏二极管上一页下一页返回没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,二极管处于截止状态。

当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,使PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。光的强度越大,光电流越大。光电二极管的应用——光电路灯控制电路

光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。

上一页下一页返回5光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。

上一页下一页返回mV工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。上一页下一页返回（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的上一页下一页返回(2)光照特性

不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的。光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用。上一页下一页返回光电池的电流

外接负载电阻情况下的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽上一页下一页返回(3)频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换上一页下一页返回

(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标硅光电池的温度特性(照度1000lx)上一页下一页返回

(5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的。 硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件上一页下一页返回光电池的应用——自动干手器工作原理： 手放入干手器时，会遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管发射结正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。 手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管发射结反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。BG2BG1+12VCJR1R2图1：光电开关例：图1所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。其他光电器件1．光电耦合器——光耦光电耦合器的发光和接收光元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种。

发光元件为发光二极管，受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。

受光元件为光敏三极管受光元件为光敏可控硅②强弱电隔离——弱电控制强电 输入输出极之间绝缘电阻达1010Ω数量级，耐压达2000V以上。能避免输出端强电对输入端的干扰，可实现弱电控制强电。①用于数字信号的隔离 隔离用在关键重要的电路中，起保护作用，与外界输入输出进行隔离，这样即使在误操作或人为失误的情况下也不至于损坏核心电路。光耦的作用光电耦合器的组合形式

(a)(b)(c)(d)光电耦合器的组合形式该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。(a)(b)(a)(b)光电耦合器开关比机械触点开关具有高速性和可靠性的双重优点。2.光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。 可实现限位控制、产品计数、料位检测、越限安全报警等用途。

利用输出电平的状态判断有无被测物。光电开关结构：透射式和反射式基本电路（透射式） （a)(b)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。

6光电式传感器的应用上一页下一页返回（1）．脉冲式光电传感器（2）．烟尘浊度监测仪（1）．脉冲式光电传感器 输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。上一页下一页返回光电式数字转速表上一页返回测电机转速防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过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。（2）．烟尘浊度监测仪平行光源光电探测放大显示刻度校正 报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道第三节光纤传感器

光纤传感器(FOSFiberOpticalSensor)是利用光在光纤中传播特性的变化来测量它所受环境的变化，从而得到被测信号大小。

光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。优点：抗电磁干扰能力强。光纤直径只有几微米到几百微米，而且光纤柔软性好，可深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。测量参数有： 位移、速度、加速度、液位、应变、力、流量、振动、水声、温度、磁场和化学物质等。1、光纤结构 由纤芯和包层组成（纤芯折射率n1>包层折射率n2)。最外层为一层尼龙保护套。2、传输原理

光纤传输光的基础是光的全内反射。知识回顾——折射定律 光线在两种不同介质的分界面上会产生折射现象。折射定律告诉我们：式中：n1和n2为折射率，θi、θr为入射角和折射角。所以：当光由光密介质入射至光疏介质时，在一定条件下会发生全反射。（这时没有折射）（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：由图可知：（1）光纤传输光就是利用光的全反射 光由纤芯到包层表面，由光的折射定律：

并且在光纤内部以同样的角度反复逐次全反射，直至传播到另一端面。由谁来决定呢？（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成角。根据折射定律： 这样可确保入射光在光纤内的全反射，即光在纤芯内无损耗的传输。

NA是光纤的一个重要参数，NA值越大，外部入射光的入射范围越大，表明光源到光纤的耦合效率越高，无论光源发射功率多大，只有2内的光才能被光纤接受，能够全反射传输。

NA表示当入射光从折射率为n0的外部介质进入光纤时，只有入射角小于的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中逸出而产生露光。光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光纤传感器光学测量的基本原理光是一种电磁波光的电矢量式：被测量调制可通过：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度解调、偏振解调、频率解调或相位解调光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式(1)光纤在传感器中的作用(a)功能型（全光纤型）光纤传感器 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。

优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺（测角速率

）、光纤水听器（测水声）(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返回(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器上一页下一页返回(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器上一页下一页返回(a)强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:

结构简单、容易实现、成本低。缺点:

易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返回（b）偏振调制光