第3章-常用传感器与敏感元件-第5-10节

第五节光电传感器

Photoelectrictransducer/sensor一、光电测量原理二、光电元件三、光电传感器的应用四、应用实例一、光电测量原理光电传感器是将被测量的变化通过光信号转换成电信号。光子传感器工作的物理基础：光电效应。光电效应：在光的照射下，物体吸收光子能量后所产生的电效应。外光电效应：电子吸收光子能量，逸出物体表面的现象。亦称光电子发射效应。光电管和光电倍增管。内光电效应：物体吸收光能使其导电性增加，电阻率下降的现象。亦称光导效应。光敏电阻及由光敏电阻制成的光导管。光生伏特效应：光线使物体产生一定方向的电动势的现象。亦称阻挡层光电效应。光电池、光敏二极管、光敏三极管、光敏场效应三极管等。1.光电管(Phototube)利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。基本工作过程：真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子→被阳极吸收→形成光电流。充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加，提高了灵敏度。光电阴极：由光电材料涂敷在玻璃泡内壁或半圆筒形的金属片上构成。放大器RL阳极光电阴极i2.光电倍增管(Photomultiplier)光电倍增管：在阴极和阳极之间增加若干倍增极。光线→阴极发射电子→各倍增极→阳极。各倍增极外加电位逐级升高，阴极发射的电子经过各倍增极后，各倍增极激发的电子逐级增加，形成大的阳极电流。光线D2K-光电阴极光敏材料涂敷D1-D4-光电倍增极D1D3D4A-阳极光电倍增管工作原理图Uo光电管和光电倍增管产品GD-3GD-21Honeywell紫外光电管光电管PerkinElmerChannelPhotomultipliersGDB-576GDB-221光电倍增管光电倍增管3.光敏电阻工作原理：基于内光电效应。工作过程：在黑暗的环境下，它的阻值很高，即暗电阻很大，i很小；当受到光照并且光辐射能量足够大时，电阻率变小，即亮电阻急剧减小，i增加。

电极光线光敏电阻i光敏电阻工作过程4.光敏二极管(Photodiode)和光敏三极管(Phototransistor)光敏二极管工作模式：反偏压状态(光导模式)。当做电阻使用。零偏压状态(发电模式)。当做信号源使用。光导模式VccR=RfVoRf+–VoRf+–发电模式光敏三极管有PNP型和NPN型两种。工作过程：无光照时，基极电流极小，几乎截止；有光照时，基极电流增大，集电极电流是基极的β倍，即具有放大作用。光敏三极管原理图NPNbceVocbe光敏二极管和光敏三极管产品图片光敏二极管RL2048PAG-0212048Pixel_40MHzLinearphotodiodearrays各式各样光敏三极管光电池三、光电传感器的应用应用方式：模拟式：利用光电流与光强（或光通量）之间的函数关系。当光强（或光通量）与某种被测量（包括光本身）具有一定的关系时，则光电流即成为被测量的函数，把被测量转换成连续变化的光电流，故也称为光电传感器的函数运用状态。辐射式；吸收式；反射式；遮光式。开关式：利用光的有无（或强弱）两种状态使光电元件工作在“通”、“断”两种稳定状态。也称为脉冲式应用。光电传感器的模拟式应用如混浊度测量、气体分析如粗糙度、表面裂纹测量如外形尺寸、振动位移测量等如光电比色高温计、辐射温度计光电传感器的开关式应用输出脉冲信号或数字信号（编码器）。光电耦合器透射式转速计反射式转速计光电传感器半反射半透射镜聚焦投镜反射带n光源光电编码器将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。增量式编码器编码盘主信号窗口零位信号窗口二进制绝对编码盘0000111110010101光电编码器产品TURCK增量型编码器TURCK绝对型编码器光栅尺光电编码器产品光电传感器的特点及应用特点：结构简单，体积小（光电管除外），无接触，信号测量电路简单等。应用：在现代测量和控制系统中得到了广泛应用。如遥控器，自动门（热释电红外探测器），光电鼠标器，照相机自动测光计，光度计，光电耦合器，光电开关（计数、位置、行程开关等），浊度检测，火灾报警，光电阅读器（如纸带阅读机、条形码读出器、考卷自动评阅机等），光纤通信，光纤传感，图像传感，色差，颜色标记，防盗报警，电视机中亮度自动调节，路灯、航标灯控制，光控灯座，音乐石英钟控制（晚上不奏乐），红外遥感、干手器、冲水机等。第六节光纤传感器一、光纤传感器的类型二、光纤导光原理三、光纤传感器的应用四、光纤传感器的特点16第六节光纤传感器(Opticalfibertransducer/sensor)

光纤传感器是“利用光纤技术和有关光学原理，将感受到的被测量转换成可用输出信号的传感器”（GB/T7665-2005）光纤是光导纤维的简称，能够传输光波且光波损失极小的光导体。与铜等电线不同，光纤是不用电的。光纤以光信号作为载体传送信息，目前已经广泛应用于通信（音频、视频）网、计算机互联网、有线电视网等。光纤传感器也得到了广泛的应用。在其它领域，如汽车上、智能运输系统、自动收费站等也应用得越来越广泛。光纤的核心部分称为纤芯，是一根柔性的、透明的玻璃或塑料细丝，纤芯比一根头发丝还细。一、光纤传感器的类型功能型（又叫传感型或全光纤型）：光纤作为敏感元件，利用光纤的传光特性随着被测量（如应变、压力、温度、电场、射线等）而变化，从而使光纤内传输的光的特征参量（强度、相位、频率、偏振态、波长等）发生变化。只要检测出这些变化即可确定被测量的大小。光纤既传光又传感。非功能型（又叫传光型或混合型）：光纤只是传输光的导体，还需利用其它敏感元件（如光电元件）感知被测量。光纤光敏元件光源被测对象功能型光纤传感器示意图功能型光纤传感器实例FBG焊接式应变传感器FBG温度传感器光纤应变传感器FBG土压传感器光纤加速度传感器浸入式光纤光栅温度传感器传光型光纤传感器应用演示对射式光纤传感器演示1对射式光纤传感器演示2反射式光纤传感器演示1反射式光纤传感器演示2n2 n1

二、光纤的导光原理光的全内反射：当光线从一种物质中碰到另一种不同的物质时，无损失地全部反射回原来的物质中，则称为光的全内反射。全内反射的条件：光线从光密物质（折射率大）射向光疏物质（折射率小）；入射角大于临界角。

ic光的折射与全内反射

i

rSnell折射定律：

临界入射角：二、光纤的导光原理光纤的基本结构纤芯：用于传递光信号，直径一般在几

m到100

m左右，由石英玻璃或塑料拉制而成。包层：包裹在纤芯外，确保光信号保持在纤芯内。包层折射率n2小于纤芯折射率n1，材料为石英玻璃或塑料。涂层：主要作用是增加光纤强度，保护纤芯和包层在加工、安装及运输中不受损伤。涂层包层纤芯二、光纤的导光原理光在光纤内的传输：利用光的全内反射子午光线在阶跃光纤中的传播原理图

i全反射端面折射2

ic

2

2光纤端面临界入射角数值孔径n0n1n2涂敷层包层纤芯光在光纤内的全内反射演示光纤数值孔径演示微弯光纤传感器一根裸露的多模光纤夹在两块微弯板之间，微弯板的位移使光纤产生微弯曲变形，破坏了全反射条件，使一部分光进入包层中，进而辐射到光纤之外，从而使光纤中传播的光强度发生变化。检测光强度的变化，就能确定微弯板位移大小或微弯板受到的压力大小。引起微弯板变化的物理量可以是压力、液位（液压）、位移、声压、温度、应变、振动加速度等，因此微弯光纤传感器可用于这些物理量的测量。光纤微弯板FF包层纤芯光纤传感器的特点不受电磁干扰，电绝缘，保密性强，灵敏度高，频带宽，可弯曲，便于遥测，结构简单，体积小，重量轻，耗电少，耐腐蚀，防爆性好，被测量范围广，易于实现远距离测控等。安全警告：绝不要去探视可能有激光传播的光纤的末端。红外激光是不可见的，可能对眼睛造成损害。对不可见光，眼睛的虹膜不会像看可见光那样不自觉地闭合，因此，可能对眼睛的视网膜造成严重的损害。如果怀疑不小心将眼睛暴露给激光，应该立即到医院检查眼睛。纤芯和包层都用塑料（聚合物）做成的光纤。塑料光纤的主要特点：与石英光导纤维相比其优点是重量轻、挠性好、数值孔径大（数值孔径可达0.5以上）、光源耦合效率高、连接容易、加工方便、成本低廉；主要缺点是光损耗大（衰减系数在几十dB/km以上），尚不适合作长距离的光传输，工作频率较石英玻璃光纤低，热稳定性差等。这些缺点随着塑料光纤技术的提高而逐渐得到克服。应用：近距离通信（车载、船载、机载通信网，网络入户接入，办公及家庭网络等）、装饰和导光照明等，也可用于光纤传感器。目前应用最广泛的场合还是装饰、照明，如室内装饰、水景照明、城市建筑、园林照明、道路照明、溶洞照明、古建筑物及文物照明、易燃易爆场合照明、利用太阳光照等等。塑料光纤实验安排实验一：电阻应变片的粘贴技术实验时间：第10周星期一5、6节（其余课余时间）实验指导教师：郑贵明实验二：悬臂梁动态参数测试实验时间：第16周星期三1、2节（其余课余时间）实验指导教师：王辉林联系电话：2782767实验地点：机械交通实验楼南楼422房间实验室：测控与精密仪器实验室由各班课代表或学习委员负责联系确认具体时间，并通知班里同学和任课教师。27第七节半导体传感器一、磁敏传感器二、热敏传感器三、气敏传感器四、湿敏传感器五、固态图像传感器六、集成传感器28第七节半导体传感器利用半导体材料作为敏感元件或转换元件制成的传感器称为半导体传感器。半导体传感器大部分都属于物性型传感器。品种多多，应用广泛。例如压阻式传感器，霍尔传感器，光电二极管，光电三极管，光电池，CCD、CMOS图像传感器，热敏电阻，半导体气敏、湿敏、磁敏、色敏、离子敏传感器等等。一、磁敏传感器1.霍尔式传感器利用霍尔效应制成的磁敏传感器。霍尔(Hall)效应—金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过薄片时，则在垂直于电流和磁场方向的两侧面上将产生电位差，这种现象称为霍尔效应，产生的电位差称为霍尔电势。机理：洛仑兹力FL。ivFLFEBVHlhwabdckB—霍尔常数。取决于材料的物理性质和元件尺寸；B—磁感应强度；

—电流与磁场方向夹角。霍尔传感器的应用电流、磁感应强度、位移、力、加速度、计数、转速、流量、位置、电子点火器、无刷电机等。电流传感器I被测电流霍尔元件霍尔元件FSNNS力的测量被测零件非金属板霍尔传感器磁钢NS计数装置磁铁霍尔元件数控车床自动换刀控制磁铁随刀架一起转动霍尔传感器产品霍尔电流传感器霍尔开关传感器各种霍尔传感器二、热敏电阻传感器工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度而变化的特性。特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性差；稳定性和互换性较差。类型：PTC、NTC和CTR。结构：直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小，热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。旁热式：带有金属丝加热器。热敏电阻的应用温度（点温、表面温度、温差、温度场等）、自动控制及电子线路中的热补偿（温度补偿）、真空度、风速、流体成份、火灾报警等和热量有关的量的测量及控制。三、气敏传感器用于气体组分、浓度、泄露等检测。半导体气敏传感器是利用氧化物半导体材料为气体敏感元件。半导体气敏元件同气体接触，造成半导体性质发生变化，借此检测特定气体的成份或测量其浓度。电阻变化式表面电位式二极管式MOSFET式等酒精测试仪煤气报警器四、湿敏传感器湿度(Humidity)：空气中水蒸汽的含量。空气的绝对湿度：1m3湿空气中所含水蒸气的质量。相对湿度：空气中实际所含的水蒸气量与同温度下可能含的最大水蒸气量(即饱和湿空气中的水蒸汽量)的比值。半导体湿敏传感器目前多采用半导体陶瓷制成，属电阻式。烧结式涂覆膜式厚膜型薄膜型应用：工农业、气象、环保、国防、科研、航空航天等湿度监测和控制。HR202湿敏电阻：采用有机高分子材料五、固态图像传感器固态图像传感器：利用半导体制作的图像传感器。如CCD、CMOS图像传感器等。目前CCD和CMOS图像传感器多采用光敏二极管或三极管作为光敏元件。图像传感器分为线阵和面阵。线阵CCD图像传感器面阵CCD图像传感器线阵CMOS图像传感器面阵CMOS图像传感器图像传感器的应用通过图像传感器获得图像后，对图像中包含的信息进行分析提取，可以实现对很多被测量的检测，如位置、几何尺寸、几何形状、表面质量检测；颜色（如水果自动分拣）；刑侦及安全管理：指纹、脸部识别；交通管制：车型、车牌识别；银行：笔迹、图章识别；医学上诊断疾病，如显微镜照片分析（白血球、染色体、细胞等），X光照片分析，超声波图象、眼底照片的分析，CT(计算机X射线断层造影术)的图象处理等；扫描仪（如文字识别）、传真机；地球资源勘查、环境监测（通过航拍或卫星等），如农作物收成预估，自然灾害评估，森林火灾监测等；军事侦察（间谍卫星、红外侦察）；宇宙观测；印刷色彩检测；机器视觉等等。固态图象传感器的应用产品PCCameraDVDSC汽车后视摄像机指纹门禁可视电话安全监控手机第八节红外测试系统一、红外辐射的基本知识二、红外传感器三、红外测试的应用40第八节红外测试系统利用红外线/红外传感器构成红外测试系统。一、红外辐射基础知识红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于其波长位于可见光中红色光以外，故称红外线。它的波长范围大致在0.78～1000

m。自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。红外辐射具有明显热效应。物体温度越高，它辐射出来的能量越大。红外测温等正是利用了红外辐射的热效应。第八节红外测试系统二、红外传感器按探测机理的不同，红外传感器分为热传感器和光子传感器两大类。热红外传感器主要类型：热释电、热敏电阻、热电偶和热电堆、高莱气动型等红外传感器。光子红外传感器：光电效应。三、红外测试的应用红外测温：远距离和非接触测温；响应速度快。红外成像：将红外图像（物体的表面温度分布）转换成电信号，进而在显示器上以图像形式显示出来。红外分析仪：根据物质的吸收特性来进行工作的。红外无损检测、红外侦察、红外雷达等等。红外测试产品和应用案例压缩机

熨斗

这是一个正在测试中的电脑集成电路。通过红外图像，可以立即发现其中的故障。便携红外测温仪红外热像仪热像仪成像图军用夜视仪红外夜视仪夜视效果AN/PVS-14单兵夜视仪拍摄的夜战照片红外传感器应用案例——疾病诊断脉管炎患者的腿部远红外热像图，患腿由于血管疾病而血流不畅，导致低温。红外传感器的应用案例——艺术鉴定利用红外线能穿透颜料的特性，揭示顏料层下隐藏的资料。利用红外线发射器、接收器（传感器）及屏幕显示器，油画上炭笔初稿及已往曾经进行过的修复工作都能一一呈现于眼前InvisibleradiationphotographyisoftenappliedtothestudyofworksofartashereinthepaintingLaMadonnadell'ImpannatabyRaphael.InvisibleradiationimagingrevealsamuchyoungerSaintJohntheBaptistsittingonJoseph'slapfoundbeneaththesurfaceofthevisiblepainting(right).Images©Editech.红外传感器的应用案例——艺术鉴定第九节激光式传感器(Lasersensor)一、激光干涉式测量仪器二、激光全息测量仪器48第九节激光式传感器(Lasersensor)能感受激光(量)并转换成可用输出信号的传感器。（GB/T7665-2005）。激光传感器是由激光器、光学零部件、光电检测器等组成，实际上是一套复杂的测量装置。激光由于具有方向性好、单色性好、亮度高等特点，在很多领域得到了广泛的应用。例如激光测距、测速、准直、定向、定位、打孔、切割、焊接、热处理等，还有可能作为长度基准和光频基准。激光器有：固体激光器、气体激光器、半导体激光器即激光二极管LD，另