智能传感与检测技术 教案 第6章 光电式传感器

《智能传感与检测技术》课程教案授课章节第六章光电式传感器6.1光电式传感器6.1.1光电效应6.1.2光电元件及传感器6.1.3光电传感器及其应用建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+案例教学+多媒体演示所属专业教学目标1.掌握光电效应的概念2.掌握光电元件及传感器3.了解光电传感器及其应用教学重点1.光电效应的概念2.光电元件及传感器教学难点1.光电元件及传感器参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』光电传感器的基本转换原理是将被测量转换成光信号的变化，然后将光信号作用于光电元件而转换成电信号的输出。光电传感器可测量的参数很多，一般情况下具有非接触式测量的特点，并且光电传感器的结构简单，具有很高的可靠性且动态响应极快。随着激光光源、光栅、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器越来越广泛地应用于检测和控制领域。『授课内容』6.1光电式传感器6.1.1光电效应光电传感器通常是指能敏感检测到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为三类：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT6.1.2光电元件及传感器光电管光电管和光电倍增管同属于用外光电效应制成的光电转换器件。光电管的外形如图6-1所示。光电倍增管光电倍增管有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。如图4-3是光电倍增管结构及工作原理示意图。3.光敏电阻光敏电阻是一种电阻元件,具有灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长等优点。4.光敏二极管光敏二极管结构与一般二极管不同之处在于：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射，图6-5a所示是其结构示意图，它在电路中处于反向偏置状态，如图6-5b所示。5.光敏晶体管光敏晶体管有两个PN结。与普通晶体管相似，也有电流增益。如图6-6所示为NPN型光敏晶体管的结构。多数光敏晶体管的基极没有引出线，只有正负(c、e)两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。6.光电池光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是发电式有源元件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。【课堂讨论】在我们日常生活中有哪些产品用到了光电传感器？6.1.3光电传感器及其应用由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多。1.烟尘浊度监测仪2.光电数字式转速表光电式产品计数器『课堂小结』光电传感器的应用非常多，是现代工业自动化生产中不可缺少的传感器。同学们可以网上搜索光电传感器的应用实例。『作业布置』P51页中一、填空题1、2和二、综合题1。『教学后记』授课章节6.2红外传感器6.3光纤传感器6.4激光传感器建议课时2授课方式理论知识讲授+讨论课+多媒体演示所属专业教学目标1.了解红外线与红外传感器2.掌握热释电红外传感器结构原理3.了解光纤传感器及其应用4.了解激光传感器及其应用教学重点红外线与红外传感器热释电红外传感器结构原理教学难点热释电红外传感器结构原理参考教材《智能传感与检测技术》徐小华主编机械工业出版社ISBN978-7-111-76072-6教学内容『新课导入』自然界的物体，例如：人体、火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其优越性很多。『授课内容』6.2红外传感器6.2.1红外传感器概述人体的温度为36～37℃，所放射的红外线波长为9～10（属于远红外线区），加热到400～700℃的物体，其放射出的红外线波长为3～5。（属于中红外线区）。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成像或控制。图6-14为电磁波谱中的红外线。6.2.2热释电红外传感器热释电效应热释电红外传感器的结构探测元件（2）场效应管匹配器（3）干涉滤光片菲涅尔透镜6.3光纤传感器光纤自60年代问世以来，就在传递图像和检测技术等方面得到了应用。利用光导纤维作为传感器的研究始于70年代中期。由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密度、适应各种恶劣环境下使用以及非破坏性和使用简便等等一些优点。无论是在电量(电流、电压、磁场)的测量，还是在非电物理量(位移、温度、压力、速度、加速度、液位、流量等)的测量方面，都取得了惊人的进展。6.3.1光纤的结构实用的光纤是比人的头发丝稍粗的玻璃丝，通信用光纤的外径一般为125～140µm。一般所说的光纤是由纤芯和包层组成，纤芯完成信号的传输，包层与纤芯的折射率不同，将光信号封闭在纤芯中传输并起到保护纤芯的作用。工程中一般将多条光纤固定在一起构成光缆，如图6-18所示。6.3.2光纤传感器1.光纤传感器的原理光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。信号的转换环节，将被测参数转换成为便于传输的光信号。信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输。信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。2.光纤传感器的特点1）灵敏度较高2）几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器3）可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；4）可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；5）而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。6.3.3光纤传感器及其应用光纤位移传感器光纤液位传感器6.4激光传感器利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。【多媒体演示】多媒体课件见教材配套教学PPT『课堂小结』红外线检测技术广泛应用于工业、农业、水产、医学、