传感器与检测技术第九章光电式传感器课件

,广西大学电气工程学院,1.掌握,光电传感器,工作原理,2.了解传感器的基本特性,3.了解传感器的应用,4.掌握光纤传感器的工作原理及应用,第九章 光电式传感器,传感器与检测技术,返回课程索引,1.掌握光电传感器工作原理 第九章 光电式传感器传,光电式传感器是将,光通量转换为电量,的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的,光电效应,。,第九章 光电式传感器,光电式传感器,光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。光电式传感器的,第九章 光电式传感器,9.1,光电效应,1922,年爱因斯坦因为解释了光电效应而获得诺贝尔奖。,光照射在物体上可看成是一连串的具有能量为,E,的粒子轰击在物体上。,所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为,E,的光后逸出光电子的现象,。从传感器的角度看光电效应可分为,三大类型,。,第九章 光电式传感器9.1 光电效应 1922年爱因斯坦因,1,、外光电效应,指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象，逸出的电子称之为,光电子,。,光电管,及,光电倍增管,均属这一类。它们的光电发射极，是具有这种特性的材料制造的。,光电子逸出时所具有的初始动能,E,k,与光的频率,f,有关，,频率高则动能大,。,第九章 光电式传感器,1、外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出,每一种金属材料都有一个对应的光频阀值，称为,“,红限,”,频率。光线的频率小于红限频率，光子的能量不足以使金属内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子的发射，反之，入射光频率高于红限频率时，即使光线微弱，也会有光电子发射出来。,光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大,。,在入射光的频谱成分不变时，发射的,光电子数正比于光强,。即光强愈大，意味着,入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多,。,9.1,光电效应,每一种金属材料都有一个对应的光频阀值，称为“红限”频,2,、内光电效应,在光的照射下,材料的电阻率发生改变,的现象称为,内光电效应,。,半导体材料受到光照时，材料中处于价带的电子吸收光子能量而形成自由电子，而价带也会相应的形成自由空穴，即会产生电子,-,空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为,光电导效应,。,基于这种效应的光电器件有,光敏电阻,(,光电导型,),和反向工作的,光敏二极管、光敏三极管,(,光电导结型,),。,9.1,光电效应,2、内光电效应 在光的照射下材料的电阻率发生改,3,、光生伏特效应,半导体材料,P-N,结受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为,光生伏特效应,。,光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。,以可见光作光源的,光电池,是常用的光生伏特型器件。,9.1,光电效应,硒光电池,硅光电池,3、光生伏特效应 半导体材料P-N结受到光照后,9.2,常见,光电元件（传感器）,9.2.1,光电管,光电阴极采用逸出功小的,光敏材料,(,如铯,Cs),。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。,光电管有,真空光电管,和充气光电管。,第九章 光电式传感器,9.2 常见光电元件（传感器）9.2.1 光电管 光电,光电倍增管,光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。,9.2.1,光电管与光电倍增管,光电倍增管 光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次,9.2.2,光敏电阻,9.2.,常见光电元件,光敏电阻是,用具有内光电效应,的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。,光敏电阻优点：,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。,缺点：使用时,需要有外部电源,，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。,9.2.2 光敏电阻 9.2.常见光电元件光敏电阻是用具有,无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料,禁带,中的电子受到能量大于其禁带宽度,Eg,的光子激发，由,价带,越过禁带而跃迁到,导带,，使其导带的电子和价带的空穴增加，,电阻率变小,。,9.2.2,光敏电阻,无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量,9.2.3,光电池,光电池是,基于光生伏特效应,制成的，是自发电式有源器件，结构如下图所示。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。,9.2.,常见光电元件,硅光电池也称硅太阳能电池，是用单晶硅制成，在一块,N,型硅片上用扩散的方法掺入一些,P,型杂质而形成一个大面积的,P-N,结，,P,层做得很薄，使光线能穿透照到,P-N,结上。,9.2.3 光电池 光电池是基于光生伏特效应制成的,硅太阳能电池具有轻便、简单，,不会产生气体或热污染,，易于适应环境。还具有光电转换效率高、性能稳定、,光谱范围宽,、,频率特性好,、,能耐高温辐射,等特点，应用广泛。,9.2.3,光电池,硅,光电池,硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污,第九章 光电式传感器,9.3,光电式传感器及其应用,光电传感器是以光为媒介，光电效应为基础的传感器，主要由,光源,、,光学通路,、,光电器件,和,测量电路,组成，如图所示：,光源可采用灯泡、激光器、发光二极管等可见光源，也可以采用紫外灯、红外灯等非可见光源。,第九章 光电式传感器9.3 光电式传感器及其应用,1,）被测量,X1,直接对光源作用，,使光通量的某参数发生变化,；,2,）被测量,X2,作用于光学通路，,对传播过程的光通量进行调制,。,（,通常为,光纤传感器,所采用,）,被测信号可以通过两种途径转换成光电器件入射光强的变化 ：,9.3,光电传感器的应用,光电器件的作用是检测照射在其上的光通量，因光电器件产生的光电流很弱，必须,采用前置放大器,，对于变化的光信号，,采用调制器,，测量电路中要包含相敏检波等电路。,1）被测量X1直接对光源作用，使光通量的某参数发生,可以,用来检测直接引起光量变化的非电量,，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，,也可以,用来检测能转换成光量变化的其他非电量,，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。,光电式传感器具有,非接触,、,高精度,、,高分辨率,、,高可靠性,和,响应快,等优点，应用广泛。,按其输出量的性质可分为,模拟式光电传感器,和,脉冲光电传感器,。,9.3,光电传感器的应用,可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度,模拟式光电传感器：,将被测量转换为连续变化的光电流,光源发出一定的光通量，穿过被测对象，部分被吸收，其余达到光电元件变成电信号，利用到达的光通量测定被测物体的参数如,透明度,、,混浊度,、,化学成份,等。,光源发出一定的光通量到被测物体，由于物体的性质损失部分光通量，剩下光通量被光电元件转换成电信号，根据电信号的强度可以判断物体的,表面粗糙度,等。,9.3,光电传感器的应用,模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流 光源发出,光源发出的光通量部分被物体挡住，剩下光通量照射在光电元件上转换成电信号，根据电信号的强度和变化情况可以进行物体,面积,、,角度、位移、厚度、振动,等参量的测量。,被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，根据产生的电信号判断物体的温度、颜色等。,光电高温计,、,比色高温计,、,红外侦察,和,红外遥感,等均属于这一类。,9.3,光电传感器的应用,光源发出的光通量部分被物体挡住，剩下光通量照射在光电元件上转,脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流,光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是,“,通,”,、,“,断,”,的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。,这类传感器,要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高,。,主要用于零件或产品的,光电继电器,、,自动计数,、,光控开关,、电子计算机的光电输入设备、,光电编码器,及光电报警装置等方面。,9.3,光电传感器的应用,脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流 光,光电转速传感器,9.3,光电传感器的应用,光电转速传感器 9.3 光电传感器的应用,9.3,光电传感器的应用,9.3.2,光电编码器,编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（,增量编码器,、,绝对编码器,）。,按编码器的结构分为,光电式,、接触式和电磁式三种。,光电式绝对编码器,是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上,二进制编码,“,0,或,1,”,不透光或透光区域,。,9.3 光电传感器的应用9.3.2光电编码器 编码器,在,增量式,测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，,一个脉冲,所代表的基本长度单位就是,分辨力,，对,脉冲计数,，便可得到位移量。,绝对式测量的特点是：,每一被测点都有一个对应的编码,，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。,增量式测量得到的脉冲波形,9.3,光电传感器的应用,在增量式测量中，移动部件每移动一个基本长度单位，,1,、光电式绝对编码器,四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数为,2,4,=16,个。,每个数位（共,4,位形成一个,锥体形,）都对应有一个光电器件及放大、整形电路。,锥体码盘,转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电信号，经,放大整形后,，成为相应数字信号。,标准二进制编码器,(8421,码盘,),分辨角度：,9.3,光电传感器的应用,1、光电式绝对编码器 四位光电码盘上，有四圈数字码道，,a,）光电码盘的平面结构（,8,码道）,b,）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（,4,码道）,高位,低位,9.3,光电传感器的应用,a）光电码盘的平面结构（8码道）,由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生,读数误差,。,例如，当码盘由位置,“,0111,”,变为,“,1000,”,时,四位数要同时变化，可能将数码误读成,1111,、,1011,、,1101,、,、,0001,等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为,非单值性误差。,标准二进制编码器实际应用少，而采用,二进制循环码盘（格雷码盘）。,9.3,光电传感器的应用,由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交,9.3,光电传感器的应用,格雷码盘,任意相邻的两个代码间,只有一位代码有变化,，即由,“,0,”,变为,“,1,”,或,“,1,”,变为,“,0,”,。,因此，,读数误差最多不超过,“,1,”,，只可能读成相邻两个数中的一个数,有效消除非单值性误差。,9.3 光电传感器的应用格雷码盘 任意相邻的两个代码间,码盘最外圈上的信号位的位置正好与状态交线错开，,只有信号位处的光电元件有信号才能读数,，这样就不会产生非单值性误差。,信号位,二进制循环码盘,9.3,光电传感器的应用,信号位 二进制循环码盘9.3 光电传感器的应用,10,码道光电绝对式码盘,透光区,不透光区,零位标志,9.3,光电传感器的应用,10码道光电绝对式码盘透光区不透光区零位标志9.3 光电传感,9.3,光电传感器的应用,9.3 光电传感器的应用,拉线式,角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。,9.3,光电传感器的应用,拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋,转轴,盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的,A,、,B,狭缝,LED,A,B,C,零位标志,A,B,C,2,、光电式增量编码器,光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个,狭缝距离的（,m,+1/4,）倍,9.3,光电传感器的应用,转轴盘码及狭缝光敏元件光栏板及辨向用的A、B狭缝LEDABC,辨向信号和零标志,光电编码器的光栏板上有,A,组与,B,组两组狭缝，彼此错开,1/4,节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号,A,、,B,彼此相差,90,相位，用于辩向。当编码,正转时，,A,信号超前,B,信号,90,；当码盘,反转时，,B,信号超前,A,信号,90,。,在上一页图的码盘里圈，还有一根,狭缝,C,，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信号”或,零标志脉冲,，作为测量的,起始基准,。,9.3,光电传感器的应用,辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有A,3,、光电编码器的应用,光电编码器除了能直接测量,角位移,或间接测量,直线位移,外，可用于,数字测速,、,工位编码,、,伺服电机控制,等。,9.3,光电传感器的应用,3、光电编码器的应用 光电编码器除了能直接测量角位移或,编码器在定位加工中的应用,1,增量式编码器,2,电动机,3,转轴,4,转盘,5,工件,6,刀具,设该增量式光电编码器的参数为,1024,p/r,，大、小皮带轮的,传动比为,5,，若希望当加工好元件,1,后紧接着加工元件,8,，则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器,给出多少脉冲数时，,电动机停转？,9.3,光电传感器的应用,编码器在定位加工中的应用1增量式编码器 2电动机,编码器在数控,加工中心的刀库选刀控制中,的应用,旋转刀库,被加工工件,刀具,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与 旋转刀库连接,9.3,光电传感器的应用,编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用旋,用不同的刀具加工复杂的工件,9.3,光电传感器的应用,用不同的刀具加工复杂的工件9.3 光电传感,编码器在伺服电机中的应用,利用,编码器测量,伺服电机的转速、转角，并通过伺服控制系统控制其各种运行参数。,转速测量,转子磁极位置测量,角位移测量,9.3,光电传感器的应用,编码器在伺服电机中的应用 利用编码器测量伺服电,第九章 光电式传感器,9.4,光纤传感器,光导纤维是,20,世纪,70,年代的重要发明，它与,激光器,、,半导体光探测器,一起构成了光纤传感器，由于具有,灵敏度高,、频带宽、,动态测量范围,大、,抗干扰能力强,、耐高温、体积小等优点，光纤传感器广泛应用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、电磁场等物理量的测量。,光纤位移传感器,光纤温度传感器,第九章 光电式传感器9.4 光纤传感器 光导纤维是20世纪,9.4,光纤传感器,9.4.1,光纤的结构：,光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的,对称圆柱体,，圆柱体由,纤芯,、,包层,和,护层,组成。,纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，其直径在,5,75m,内。围绕纤芯的是一层圆柱形套层,(,包层,),，包层可以是单层，也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在,100,200m,范围内。,9.4 光纤传感器9.4.1光纤的结构： 光纤结构十分简单，,9.4,光纤传感器,9.4.2,光纤的传光原理：,光纤是利用,光的内全反射,规律，将入射光传递到另一端。,光纤的可弯曲性是它的一大优点，若一根直径为,d,的光纤，被弯曲成半径为,R,（,R4d),，则光线仍能在弯曲光纤中传播,9.4 光纤传感器9.4.2光纤的传光原理： 光纤是利用光的,9.4.3,光纤的分类：,9.4,光纤传感器,光纤按折射率分布可分为,阶跃型,光纤和,渐变型,光纤。,光纤按传播模式可分为,单模,光纤和,多模,光纤（可传播多条光线）。,光纤按材料可分为,玻璃,光纤和,塑料,光纤。,9.4.3光纤的分类： 9.4 光纤传感器光纤按折射率分布可,9.4,光纤传感器,9.4.5,光纤传感器的基本工作原理：,位移、加速度、温度、流量等,被测物理量,对光纤传输的光进行,调制,，使传输光的,幅值,、,相位,、,频率,或者,偏振态,随被测量的变换而变化，再通过对被调制过的光信号进行,检测和解调,，从而获得被测参数。,光纤传感器的组成结构,9.4 光纤传感器9.4.5光纤传感器的基本工作原理：,光纤传感器可分为,传光型和传感型,两大类。,利用其他敏感元件来感受被测量的变化以实现对传输光的调制，传感器中的,光纤是不连续的,。,光纤,仅仅是传光介质,，多数使用多模光纤。,9.4,光纤传感器,光纤传感器的分类：,传光型,非,功能型光纤传感器,：,光纤传感器可分为传光型和传感型两大类。利用其他敏感元件来感受,9.4,光纤传感器,利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤,(,或特殊光纤,),作传感元件，,将,“,传,”,和,“,感,”,合为一体的传感器,。光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素,(,弯曲、相变,),的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的,强度,、,相位,、,偏振态,等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的,光纤是连续的,。,传感型,功能型光纤传感器,：,9.4 光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤,9.4,光纤传感器,9.4.6,光纤传感器的调制方式：,根据光被调制的原理，光纤传感器也可分为：,光通量（,强度）调制型,、,光,频率调制型,、,光,相位调制型、光波长调制型,及,偏振态调制型,。,光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。,外界信号可能引起光的某些特性,(,如强度、波长、频率、相位、偏振态等,),变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。,9.4 光纤传感器9.4.6光纤传感器的调制方式：,9.4,光纤传感器,强度调制原理,利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量。,1,）强度调制,9.4 光纤传感器强度调制原理 利用被测量的作用改变光纤,微小的,线性位移和角位移调制,方法：,非功能型光强调制,通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示：,9.4,光纤传感器,微小的线性位移和角位移调制方法：非功能型光强调制通过光束,9.4,光纤传感器,微,弯损耗光强调制：功能型光强调制,通过改变光纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。,当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。它们之间,呈线性关系。,9.4 光纤传感器微弯损耗光强调制：功能型光强调制通过改,吸收特性强度调制：,x,、,射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器。用来测量各种辐射量,9.4,光纤传感器,吸收特性强度调制：x、射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增,9.4,光纤传感器,2,）频率调制,利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。主要利用,多普勒效应,来实现,非功能型调制。,光学多普勒效应：,当光源,S,发射出的光，经运动物体,N,散射后，观察者,M,接收到的光波发射频率,f,D,相对于原发射频率,f,发生了变化。,9.4 光纤传感器2）频率调制利用外界作用改变光纤中光的波长,实例：激光多普勒效应速度传感器,9.4,光纤传感器,实例：激光多普勒效应速度传感器9.4 光纤传感器,9.4,光纤传感器,光弹效应,在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。可以构成,压力,、,振动、位移,等光纤传感器,3,）偏振态调制,9.4 光纤传感器光弹效应 在垂直于光波传播方向上施加应,9.4,光纤传感器,9.4.7,光纤传感器的应用：,光纤流速传感器,由于流体流动而使光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的各模式光强出现强弱变化，其振幅的变化与流速成正比。,9.4 光纤传感器9.4.7光纤传感器的应用： 光纤流速传感,本章小结：,1.,光电传感器的,工作原理及特性,；,2.,光电传感器的测量电路；,3.,光电传感器的应用。,4.,光纤传感器,的工作原理及应用。,第九章 光电式传感器,返回课程索引,本章小结： 1.光电传感器的工作原理及特性 ；第九章 光电式,