CH 2 传感器原理7节

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,2.7,光电式,传感器,光电传感器将,光量,转换为,电量,，其物理基础是,光电效应,（,photoelectric effect,）。,2.7.1,光电效应,光照到某些物质上，引起物质的电性质变化，这类,光致电变,的现象统称为光电效应。,光电效应可分为：,外光电效应,、,内光电效应,光子的能量：,h,=6.62610,-34,(Js),普朗克常数,；,v,光频率,(,Hz,),。,光电效应方程,基于外光电效应的光电器件有,光电管,、,光电倍增管,。,光电管,光电倍增管,( PMT, Photo Multiplier Tube),若每级的倍增率为,，,n,个倍增极，则光电流的总倍增率为,n,。,K,百叶窗式,盒栅式,直瓦片式,圆瓦片式,(1),光电导效应,半导体材料受到光照时,电阻率,发生变化的现象。,光敏电阻,（光电导型）,光敏二极管,光敏三极管,（光电导结型）,无光照时，光敏电阻值,(,暗电阻,),很大，电路中电流很小；,有光照时，光敏电阻值,(,亮电阻,),急剧减小，电流迅速增加。,光敏电阻常用的半导体材料有,硫化镉,(CdS),和,硒化镉,(CdSe),。,根据光敏电阻的光谱特性，可分为三类,:,紫外光敏,电阻、,红外光敏,电阻、,可见光光敏,电阻。,光敏电阻,N-Si,为衬底,P-Si,为衬底,国产硅光敏二极管分为,2CU,、,2DU,两个系列。,光敏二极管,光敏三极管具有电流放大作用，,c,极电流不仅受,b,极电流控制，也受光的控制。,光敏三极管,一般光敏三极管的基极已在管内连接，只有,c,和,e,两根引线（也有将基极引出的）。,不能从外形来区别是光敏二极管还是光敏三极管，只能由型号来判别。,光敏三极管,光敏三极管的材料一般为,硅,，国产,NPN,型硅光敏三极管为,3CU,系列，,PNP,型硅光敏三极管为,3DU,系列。,（,2,）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效应。,光电池,硅,、,硒,、,锗,、,砷化镓,（,GaAs,）,是光电池的常用材料。,在,N,型硅片上用扩散方法掺入,P,型杂质而形成一个大面积的,P-N,结，,P,层做得很薄，光线能穿透到,P-N,结上,。,硅太阳能电池轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。,2.7.3,光电传感器的工作形式,按其,接收状态,可分为,模拟式,光电传感器,脉冲式,光电传感器,(1),模拟式光电传感器,基于光电元件的光电特性，其,光通量,随被测量而变化，,光电流是被测量的函数,，称为光电传感器的,函数运用,状态。,吸收式,被测物位于光源与光电元件之间，根据,被测物对光的吸收程度,或,对其谱线的选择,来测定被测参数。,如测量液体、气体的透明度、混浊度，分析气体成分，测定液体中某种物质的含量等。,反射式,光源发出的光投射到被测物体上,，,被测物把部分光通量反射到光电元件上,，,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。,如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,遮光式,被测物位于光源与光电元件之间,，,光源发出的光通量经被测物遮去一部分,，,使作用在光电元件上的光通量减弱,，,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。,测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。,辐射式,被测物本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。,如光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等。,防火报警、光照度计等。,(2),脉冲式光电传感器,光电传感器的输出仅有,“通”、“断”,两种稳定状态，称为光电传感器的,开关运用,状态。,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、光电报警装置、转速测量等方面。,光电传感器的应用,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,；,检测,能转换成光量变化,的其,它,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。,光电测量方法具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性、,响,应快等优点,。,准直扩束,工件表面缺陷检测,转速测量,光纤有很多的,优点,，用它制成的光纤传感器与常规传感器相比也有很多特点：,不受电磁场干扰,、传输信号安全、可实现非接触测量，高灵敏度、高精度、高速度、高密度、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单，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。,光纤传感器可,应用,于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、湿度、温度、声场、流量、浓度、,pH,值等物理量的测量。,光纤传感器,一、光纤的结构,光纤是用,光透射率高,的电介质（如石英、玻璃、塑料等）构成的光通路。,纤芯,：折射率,n,1,较大（光密介质）,包层：,折射率,n,2,较小（光疏介质）,光纤的基本结构,n,1,n,2,依据,斯涅尔,(Snell),定律,，有,2,=90,时的入射角,1,称为临界角,c,二、传光原理,光的,全反射,现象是研究光纤传光原理的基础。,光密,光疏,当,1,c,时，光线将不再折射入介质,2,，而在介质,1(,纤芯,),内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。,由,Snell,定律可以导出光线由空气,(,n,0,=1),射入纤芯时实现全反射的临界角,(,始端最大入射角,),：,NA,为,数值孔径，,是,衡量,光纤集光性能,的主要参数。,无论光源发射功率多大，,只有,2,c,张角内的光才能被光纤接收,、传播,(,全反射,),；,NA,愈大，光纤的集光能力愈强,。,产品光纤通常不给出折射率，只给出,NA,。例如，石英光纤的,NA,=0.2,0.4,。,(Numerical Aperture),三、光纤的种类,按纤芯和包层材料性质可分为,玻璃光纤,和,塑料光纤,；,按光纤的传播模式可分为,多模光纤,和,单模光纤,。,按折射率可分为,阶跃型光纤,和,渐变型光纤,。,阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变，但在纤芯与包层界面处折射率有突变。,渐变型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。这类光纤有聚焦作用（自聚焦光纤）；光线传播的轨迹近似于正弦波。,光在光纤中的传播轨迹,四、光纤传感器的工作原理,按,工作原理,，光纤传感器可分为：,功能型,(FF,型、物性型、传感型,) Functional Fiber,光纤不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。可以利用外界物理因素改变光纤中光的,振幅、相位、偏振态、波长,，从而对外界因素进行测量和数据传输。可分为振幅调制型、相位调制型、偏振态调制型、波长调制型。,非功能型,(NFF,型、结构型、传光型,) Non-Functional Fiber,光纤只是作为,传光,的媒介，还需加上其它敏感元件才能组成传感器。,微弯光纤传感器（振幅调制）,微弯损耗强度调制,当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。,振幅调制型光纤传感器,Mach,Zehnder,马赫曾德尔,M-Z,干涉仪原理（相位调制）,温度、压力、应变等,分光棱镜,相位调制型光纤传感器,光纤流速传感器,结构特点：光纤测头端有一个,圆锥体反射器,。当测头置于空气中没接触液面时，光线在圆锥体内发生全反射而回到光电二极管。当测头接触液面时，由于液体折射率与空气不同，全反射被破坏，有部分光线透入液体内，返回到光电二极管的光强变弱；,返回光强是液体折射率的线性函数,。返回光强发生突变时，表明测头已接触到液位。,同种溶液在不同浓度时的折射率不同，经标定，这种液位传感器也可作为,浓度计,。,光纤液位计可用于易燃、易爆场合，但不能探测污浊液体及会粘附在测头表面的粘稠物质。,光纤液位传感器,光纤电流传感器,根据,法拉第旋光效应,，电流形成的磁场会引起光纤中,线偏振光,的偏转；检测偏转角的大小，可得到相应电流值。,激光经起偏器变成偏振光，再经显微物镜聚焦耦合到单模光纤中。,为了消除光纤中的包层模，可把光纤浸在折射率高于包层的油中。,反射式光强调制,d,光纤位移传感器（,NF,）,