光电式传感器课件

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,光电式传感器最新最新课件,*,第七章 光电式传感器,本章要点:,1）光电器件的特性和选择、光电传感器设计原理及应用,2）光纤传感器原理和典型应用举例,3）莫尔条纹现象和重要特性、光栅传感器工作原理及应用,方法,光电式传感器最新最新课件,工作原理,：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过,光电转换元件,变成电信号。,优点：,由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，一般情况下具有非接触、高精度、高分辨力、高可靠性和反应快。,应用,：在检测和控制领域中获得了广泛的应用，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器的内容极其丰富。,光电式传感器最新最新课件,第一节 光源,大多数光电传感器都离不开光源，选择时要考虑波长、谱分布、体积、造价、功率等因素。,一、热辐射光源（,钨丝白炽灯）,二、气体放电光源（,低压汞灯、氢灯、钠灯、镉 灯、氦灯）,三、电致发光器件发光二极管,四、激光器,（一）固体激光器,（二）气体激光器,（三）半导体激光器,光电式传感器最新最新课件,第二节 光电,器件,光电器件的作用是将,光信号,变为,电信号,。,可分为：,*热探测器：光,温度,电,基于光辐射与物质相互作用的热效应能接收超低能量的光子，尤其适用红外探测。,*光子探测器：光,电,基于一些物质的光电效应。,光电式传感器最新最新课件,一、热探测器,（一）测辐射热电偶,（二）测辐射热敏电阻,（三）热释电探测器,敏感部分为（陶瓷）铁电材料。应用于防火、防盗、光谱仪、红外测温仪、热象仪、红外遥感技术等。,光电式传感器最新最新课件,二、 光子探测器,光以光速,c,传播，其波长,c/f,光是一种称为光子的物质组成，兼有波和粒子的特性。,光是一种电磁波，其能量,E,和振荡频率的关系为频率越高，能量越大。,E=hf,普朗克常数:,h=6.626,10,34,(J,s),光电效应：物体吸收能量为,E,的光后产生的电效应。,外,光电效应：当物体在光的作用下能使物体中的电子从物体表面逸出的现象。如金属和金属氧化物。,内,光电效应：当物体在光的作用下所释放的电子不逸出物体表面，而只在物体内部运动并使其电特性发生变化。常在半导体材料内。,光电式传感器最新最新课件,根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只能给一个电子。光子具有的能量,E,必须大于该物质表面的逸出功,A,0,，这时逸出表面的电子就具有动能,（一）光电发射型（外光电效应）,光电子逸出时所具有的初始动能,E,K,与光的频率有关。,能激发电子逸出的频率限称为,“,红限,”，,f,k,A,0,/h,其波长也称为,临界波长,。,光电式传感器最新最新课件,光电管的结构和工作原理,真空光电管,结构如图，在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。,光电式传感器最新最新课件,光电倍增管,结构如图。,光电转换分为光电发射和电子倍增两个过程,光电式传感器最新最新课件,（二）光电导型（内，半导体）,在光线作用下其电阻值往往变小，这种现象称为,光导效应。,具有这种性质的材料称为,光敏电阻,，也叫,光导管,。,光电式传感器最新最新课件,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,光电式传感器最新最新课件,（三）光电导结型（内，半导体）,有,光敏二极管,和,光敏三极管,等。光敏三极管比相应的二极管的光电流大,（1 +,）,倍。如硅二极管在照度,1000lx,时，约,0.03,A,，而硅三极管有约,3mA,的光电流。,还有雪崩二极管、PIN结构光电二极管。,光电式传感器最新最新课件,光敏二极管、光敏三极管外形,光电式传感器最新最新课件,（四）光电伏特型（半导体）,是自发电式的，有源器 件。即是说，受光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为,光生伏特,效应。,用可见光作光源的,光电池,是最常用的光生伏特型元件。它是大面积的,pn,结。,*CCD,和,PSD,后叙,光电式传感器最新最新课件,光电池外形,光敏面,较大电流的大面积光电池,外形,光电式传感器最新最新课件,光电池在人造卫星上的应用,太阳能发电,太阳能赛车,太阳能 硅光电池板,光电式传感器最新最新课件,三、测量电路（一）光电管的测量电路,1.真空光电管的测量电路,光电式传感器最新最新课件,2.光电倍增管的测量电路,当测量稳定的辐射源时,各电容可省去,此时往往电源的正端接地。,当辐射源为脉冲通量时,电源的负端接地。,光电式传感器最新最新课件,（二）半导体光电元件的测量电路,光电式传感器最新最新课件,四、一般形式的光电传感器及应用,（一）模拟式光电传感器,其工作原理是基于光电元件的光电特性，其光通量是随被测量而变，光电流就成为被测量的函数，故称为光电传感器的函数运用状态。,（1）吸收式（混浊度计等）,（2）反射式（表面粗糙度等）,（3）遮光式,（4）辐射式（高温计等）,光电式传感器最新最新课件,光电式浊度计和含沙量测量,烟雾,报警,烟雾报警器,吸收式光电传感器,光电式传感器最新最新课件,反射式光电传感器,光电自动门,表面质量,浊度计,光电转速表,光电式传感器最新最新课件,光电传感器,光电式带材跑偏检测器,遮光式光电传感器,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压,U,o,为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,光电式传感器最新最新课件,光幕,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,光电式传感器最新最新课件,光线被遮断（报警）,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,光幕应用,光电式传感器最新最新课件,三维尺寸检测,宽度 测量,长度 测量,高度,测量,光幕应用（续）,光电式传感器最新最新课件,纠偏,光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。,光幕应用（续）,光电式传感器最新最新课件,辐射式光电传感器,市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000。,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,光电式传感器最新最新课件,集成IC 温度测量,人体额温测量,耳温仪,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,光电式传感器最新最新课件,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,用于食品温度测量,光电式传感器最新最新课件,（二）脉冲式光电传感器,作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”与“断”的开关状态，也称光电元件的开关运用状态。,光电式传感器最新最新课件,光电管在电影放映机上的应用,光电式传感器最新最新课件,条形码扫描笔,光电式传感器最新最新课件,送料器,定区域式光电开关,咖啡罐,流水线运行方向,罐装高度检测,储料仓,落料口,遮断式光电开关（计数）,光电开关在流水线上的应用,光电式传感器最新最新课件,漫反射型光电开关的应用,光电式传感器最新最新课件,第三节 光纤传感器,1970,年，美国研制成功传输损耗为,20dB/km,的石英质玻璃光导纤维（又称光学纤维），这是光通讯史上一个划时代的贡献。,1979,年，日本又研制成功传输损耗仅为,0.2db/km,的光导纤维。,与常规的传感器相比：,1）抗电磁干扰能力强,2）灵敏度高,3）重量轻，体积小,4）适用于遥测,光电式传感器最新最新课件,各种装饰性光导纤维,光电式传感器最新最新课件,光的全反射,光电式传感器最新最新课件,一、光导纤维,（一）光导纤维（光纤）的结构：,光导纤维是一种传输光信号的导光纤维，它由石英玻璃或塑料制成，由导光的,纤芯,及,包层,组成。,其导光能力主要取决于纤芯折射率,n,1,和包层的折射率,n,2,（,n,1,n,2,）,，它们的相对折射率差,=1-n,2,/n,1,，一般,为,0.0050.14,。,光电式传感器最新最新课件,(二)光导纤维的工作原理,光纤工作的基础是光的全内反射。从光密媒介（,n,1,）射入光疏媒介（,n,2,）时，有反射和折射，由斯乃尔定律（法则）,，,1,1,1,2,2,=90,0,1,C,1,c,，光不再折射，只有反射，这种反射称为全内反射。,必须强调只有,n,2, n,1,才会发生全内反射。,所以当入射角,1,c,sin,-1,n,2,/n,1,时，射入的光线在光纤的界面上产生全内反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。,可见，这里的光线“转弯”实际上是由很多直线的全内反射所组成。,当,1,=,c,，,2,=90,，临界角,c,为：,光电式传感器最新最新课件,数值孔径是光纤的一个基本参数，它决定了,c,，反映了光纤的,集光能力,。,纤芯与包层的折射率差越大，光纤的集光能力越强。,按斯乃尔定律，在端面入射的光满足全内反射条件时入射角,c,为,NA,光纤的,数值孔径,，,而,n,0,=1,，,光电式传感器最新最新课件,（三）光纤的种类,1.按材料分：,玻璃光纤和塑料光纤,2.按传输模式分：,单模光纤：纤芯直径很小（510,m），只能传播一个模；,多模光纤：纤芯直径较大（50,m,以上），能传播几百个以上的模,。,3.按折射率分布规律分：,a.梯度型(也称渐变型)，也称自聚焦光纤,b.阶跃型(也称台阶型),c.单孔型,光电式传感器最新最新课件,二、光纤传感器,它具有“传”和“感”的两种功能。,按工作原理分为两类；,一类是利用光纤本身具有的某种敏感功能，称为,功能型,（,FF,型，,Functional Fiber,）也称,物性型、传感型,。,另一类是光纤仅仅起传输光波作用，必须在光纤端面加装其它敏感元件才能构成传感器的,非功能型,（,NFF,型,Non Functional Fiber,）也称,结构型、传光型,。,光电式传感器最新最新课件,（一）,FF,型光纤传感器,这类主要是单模光纤。,光纤既传光，又是敏感元件，它是靠被测物理量调制或影响光纤特性，把被测物理量的变化转变为调制的光信号。,因此这一类光纤传感器又分为,光强调制型、相位调制型、偏振态调制型,和,波长调制型,等。,光源,光敏元件,被,测,对,象,光导纤维,光电式传感器最新最新课件,（二）,NFF,型光纤传感器,NFF,型中，光纤只“传”不“感”。,它又可分为两种：,a）把敏感元件置于发送、接受的光纤中间；,b）在光纤终端设置 “ 敏 感元件+发光元件 ” 的组合体,。,光源,光敏元件,敏感元件,测得信息,输入,输出,被测对象,光敏元件,敏感元件,+,发光元件,光导纤维,被测对象,测得信息,光电式传感器最新最新课件,应用举例：,微弯型光纤敏感元件：（光强调制型）FF型,可测力、位移、声压等物理量。,光电式传感器最新最新课件,光纤电流传感器：（光偏振调制型）FF型,旋光效应：即法拉第效应。在大电流所产生的磁场作用下，处在磁场中的光纤会使其中传播的光发生偏振面的旋转，其旋转角度,与磁场强度,H,、磁场中的光纤长度,L,成正比。, = VHL,V,光纤的弗尔徳常数。,由于载流导线在周围空,间产生的磁场满足安培,环路定律：,H = I / 2,R,。,因此只要测出,并知道,L,和,R,值，就可求得电,流,I,。,光电式传感器最新最新课件,光纤位移传感器：NFF型,光电式传感器最新最新课件,实际是由许多根光纤组成的光缆。组合方式有：,混合式、对半分式、共轴内发射分布。,光电式传感器最新最新课件,多模光纤传感器（瞬逝波光纤位移传感器）,测量范围为光波波长量级，灵敏度达纳米量级。,光电式传感器最新最新课件,光纤加速度传感器：NFF型,光纤压力传感器：NFF型,光电式传感器最新最新课件,光纤温度传感器：,NFF,型,利用,热光效应,，某些液体或固体在温度不同时，透光率和反射率发生变化的总称。,(利用半导体吸收的光纤温度传感器),放大器,光源,温度敏感元件,发射光纤,接收光纤,光电式传感器最新最新课件,双金属片光纤温度传感器,双金属片:由两种不同热胀系数的金属片粘合在一起组成,光电式传感器最新最新课件,双金属片光纤温度传感器测试原理图,光电式传感器最新最新课件,双金属片光纤温度传感器,应用,光电式传感器最新最新课件,标志孔,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,光纤式光电开关应用,电路板标志检测,光电式传感器最新最新课件,Thanks！,光电式传感器最新最新课件,