傳感技術(shù)及應(yīng)用9光電式傳感器課件

§8-1光源第八章光電式傳感器熱輻射光源氣體放電光源電致發(fā)光器件激光器

光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源?！?-1光源第八章光電式傳感器熱輻射光源第八章光電式傳感器一、熱輻射光源原理：熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射特點：物體溫度越高，輻射能量越大代表：白熾燈、鹵鎢燈第八章光電式傳感器一、熱輻射光源原理：熱物體都會向空間發(fā)出第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象特點：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體代表：日光燈第八章光電式傳感器二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產(chǎn)生第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器三、電致發(fā)光器件原理：固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光特點：體積小、壽命長、工作電壓低、響應(yīng)速度快代表：發(fā)光二極管第八章光電式傳感器三、電致發(fā)光器件原理：固體發(fā)光材料在電場第八章光電式傳感器四、激光器定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件特點：單色性好、方向性好、亮度高分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器第八章光電式傳感器四、激光器定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)第八章光電式傳感器§8-2光電效應(yīng)與光電器件一、光電效應(yīng)

光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)

光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子——光子所組成，每一個光子能量為：h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J.s；f——光的頻率（s-1）。光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動勢）。第八章光電式傳感器§8-2光電效應(yīng)與光電器件一、光電效光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。第八章光電式傳感器

光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A0和動能，即：

不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)電子，此頻率限成為“紅限”，其臨界波長λK為：m——電子質(zhì)量；v0——電子逸出速度；A0——物體的表面電子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動能光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，第八章光電式傳感器3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。2、內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)，在光照作用下，物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光電元件有光敏電阻等。外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。第八章光電式傳感器3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體二、光電器件

第八章光電式傳感器1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電管金屬底層光電管光透明光電管A——陽極，K——陰極

當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時發(fā)射電子，中央帶正電的陽極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。光信號→電信號二、光電器件第八章光電式傳感器1、外光電效應(yīng)第八章光電式傳感器伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。第八章光電式傳感器伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極第八章光電式傳感器光電倍增管

倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子；倍增極之間有依次增大的加速電壓。二次發(fā)射系數(shù)

由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成。AK第八章光電式傳感器光電倍增管倍增極上的涂料在電子轟擊第八章光電式傳感器

倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)σi

的乘積。如果n個倍增電極的σi都一樣（），則所以式中，i為光電陰極的光電流第八章光電式傳感器倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射第八章光電式傳感器幾種光電倍增管的外形第八章光電式傳感器幾種光電倍增管的外形第八章光電式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：結(jié)構(gòu)暗電阻暗電流亮電阻亮電流光電流光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。第八章光電式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：結(jié)構(gòu)暗電阻第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光照射——光電子空穴對——光生載流子——內(nèi)建電場作用——光電流——PN結(jié)反向?qū)☉?yīng)用：光亮度測量、光耦合器件、非接觸測量轉(zhuǎn)速光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。第八章光電式傳感器光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：第八章光電式傳感器光照射——光電子空穴對——內(nèi)建電場作用——光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)——光電動勢阻擋層——內(nèi)建電場——P－N結(jié)常見器件：光電池（太陽能電池），包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：第八章光電式傳感器光照射——光電第八章光電式傳感器太陽能電池片第八章光電式傳感器太陽能電池片70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件

MOS光敏單元陣列讀出移位寄存器用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應(yīng)用：攝像機固態(tài)圖像拾取。圖像傳感器第八章光電式傳感器4、電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，簡稱CCD）70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件圖像傳感器第八章光電式傳第八章光電式傳感器1）MOS光敏單元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型襯底SiO2電極

施加正電壓于電極上——P型區(qū)形成勢阱——產(chǎn)生電子和空穴——勢阱俘獲電子（與光強成正比）——形成MOS光敏元（象素）光第八章光電式傳感器1）MOS光敏單元V1=5VV2=10V第八章光電式傳感器2）CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系132遮光層氧化物P型硅金屬讀出移位寄存器123tt1t2t3t4讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路第八章光電式傳感器2）CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系13第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器3）線陣與面陣CCD單通道線陣轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光輸出移位寄存器感光區(qū)：一列光敏單元組成；傳輸區(qū)：由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。原理：光照產(chǎn)生的信號電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。第八章光電式傳感器3）線陣與面陣CCD單通道線陣轉(zhuǎn)移柵光積光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣第八章光電式傳感器A寄存器B寄存器原理：有兩個移位寄存器平行地配置在感光區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)光生信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉(zhuǎn)移柵，信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器，奇數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到A寄存器，偶數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到B寄存器。雙通道線陣總的轉(zhuǎn)移效率比單通道高。光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣第八章光電式傳感器A寄存器B寄光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣第八章光電式傳感器光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器線陣。光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣第八章光電式傳感器光敏元面陣第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器5、位置敏感器件

（PositionSensitiveDetector-PSD）

分類：一維、二維。PNI123I1I2I0LLx入射光原理見教材P137第八章光電式傳感器5、位置敏感器件

（Position第八章光電式傳感器優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配置電路簡單等應(yīng)用范圍：位置精確測量、兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動控制等第八章光電式傳感器優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配第八章光電式傳感器產(chǎn)品第八章光電式傳感器產(chǎn)品第八章光電式傳感器棱鏡系統(tǒng)或光柵光源匯聚光組CCD面陣步進系統(tǒng)XY驅(qū)動控制系統(tǒng)信號采集系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)計算機系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號采集處理系統(tǒng)例1仿形加工中的測量技術(shù)第八章光電式傳感器棱鏡系統(tǒng)或光柵光源匯聚光組CCD面陣步進驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23例2：郵政編碼識別系統(tǒng)第八章光電式傳感器驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化傳送帶CCD透鏡1分類箱23RFIDTag汽車車牌RFIDReaderCCD後端資料庫後端電腦觸發(fā)存取資料收發(fā)信號拍照通過API傳送傳回信號第八章光電式傳感器例3：汽車信息無線傳送系統(tǒng)RFIDTag汽車車牌RFIDReaderCCD後端資料一、概述

脈沖式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對式：它可以在任意位置給出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼輸出?！?-3光電碼盤第八章光電式傳感器一、概述脈沖式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出第八章光電式傳感器

光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。下圖是工作原理示意圖。1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-元件。二、工作原理

由光源1發(fā)出的光線經(jīng)柱面鏡2變成平行光或會聚光，照射到碼盤3上。碼盤由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按照一定規(guī)律排列的若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過亮區(qū)的光線鏡狹縫4后，形成一束很窄的光束照射到光電元件5上。光電元件的排列與碼道一一對應(yīng)。當(dāng)有光照射時，光電元件的各種信號組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤轉(zhuǎn)角的大小。第八章光電式傳感器光學(xué)碼盤式傳感器是用1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理第八章光電式傳感器1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理第八章光電式傳感器2、絕對式編碼器原理第八章光電式傳感器

絕對式光電編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。絕對式光電編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。2、絕對式編碼器原理第八章光電式傳感器絕對式光電編碼器1、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。三、碼盤和碼制第八章光電式傳感器黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個六位光電碼盤上，有四六圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個。1、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。三、碼盤和碼制第八2、誤差問題

1）編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率則決定于碼道的數(shù)目。

措施：需要增大碼盤的尺寸以容納更多的碼道（對工藝提出很高要求）

2）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個碼道提前或延后，會造成讀碼誤差。

解決措施：a、編碼技術(shù)；b、掃描技術(shù)

第八章光電式傳感器2、誤差問題第八章光電式傳感器3、循環(huán)碼盤

右圖為6位循環(huán)碼碼盤。（1）n位循環(huán)碼有2n種不同編碼；（2）循環(huán)碼為無權(quán)碼；（3）循環(huán)碼碼盤相鄰區(qū)域的編碼只有一位變化。第八章光電式傳感器3、循環(huán)碼盤第八章光電式傳感器十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表DBGDBG十進制二進制循環(huán)碼十進制二進制循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復(fù)雜第八章光電式傳感器十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表DBGDBG十進制二進四、應(yīng)用光學(xué)碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當(dāng)量變換寄存顯示譯碼

光源聚光鏡碼盤狹縫光電元件

光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和寄存電路在需要時采用。第八章光電式傳感器四、應(yīng)用光學(xué)碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當(dāng)量變換寄存顯五、產(chǎn)品第八章光電式傳感器五、產(chǎn)品第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器？思考題為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？循環(huán)碼的特點。一個10碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小分辨力為多少？第八章光電式傳感器？思考題為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？第八章光電式傳感第八章光電式傳感器§8-4光纖傳感器

光(導(dǎo))纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感器。第八章光電式傳感器§8-4光纖傳感器光(導(dǎo))纖(維特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。應(yīng)用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工……測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、振動、壓力、射線、圖像……第八章光電式傳感器特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 第八章光電式傳感器一、光纖傳感器的基本知識1.光纖的結(jié)構(gòu)

注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別纖芯包層外套第八章光電式傳感器一、光纖傳感器的基本知識1.光纖的結(jié)構(gòu)2.光纖的分類1）按折射率分布折射率變化規(guī)律分類階躍型梯度型

采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。第八章光電式傳感器階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，如圖所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。2.光纖的分類折射率變化規(guī)律階躍型梯度型采用梯度型光2）按傳輸模式

光纖傳輸模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。第八章光電式傳感器

在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小信號，從而導(dǎo)致合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數(shù)量要少。2）按傳輸模式光纖傳輸模式是指光波

一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。纖芯直徑較大（50~100μm），傳輸模式較多稱為多模光纖，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第八章光電式傳感器一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一3.光纖的導(dǎo)光原理第八章光電式傳感器光是一種電磁波,一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此,采用幾何光學(xué)的方法來分析。3.光纖的導(dǎo)光原理第八章光電式傳感器光是一種電磁波,一般斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率?。r，發(fā)生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2時，2

＞1

。(a)光的折射示意圖

可見，入射角1增大時，折射角2也隨之增大，且始終2

＞1

。n1、n2、2

、1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n1sin1=n2sin2

n1n212第八章光電式傳感器斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（第八章光電式傳感器當(dāng)2=90o時，1仍＜90o，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)（1→

10

）。這時有n1n2(b)臨界狀態(tài)示意圖2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2

＝sin90o＝1臨界角n1n2(c)光全反射示意圖12當(dāng)1

＞i0并繼續(xù)增大時，2

＞90o，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。第八章光電式傳感器當(dāng)2=90o時，1仍＜90o，此時n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖011？習(xí)題：

若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則0至多為多少？第八章光電式傳感器n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖011？習(xí)題：第八章4.光纖特性1）數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收性能的一個重要參數(shù)。2）損耗：光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)第八章光電式傳感器入射端光功率出射端光功率4.光纖特性1）數(shù)值孔徑2）損耗：第八章光電式傳感器入射吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料損耗。散射損耗，是由于材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉制時粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會造成嚴重的散射損耗。彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖彎曲會引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗。第八章光電式傳感器吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性光纖傳感器分類功能型傳感器：傳感型、探測型（利用光纖本身的某種敏感特性）2.非功能型傳感器：傳光型、結(jié)構(gòu)型、強度型、混合型(光纖只作為傳光介質(zhì))光纖傳感器可測參量電流磁場、電壓電場；溫度速度振動、壓力射線圖像第八章光電式傳感器二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性光纖傳感器分類功能型傳感器：傳感型第八章光電式傳感器

以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線第八章光電式傳感器以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是

在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘枴?/p>

光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后經(jīng)信號處理得到所需要的被測量。

第八章光電式傳感器在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，(1)根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器第八章光電式傳感器(1)根據(jù)光纖在傳感器中的作用信號處理光受信器光纖敏感元件第八章光電式傳感器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖

3）拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象第八章光電式傳感器2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)測量對象測量對象測量對象測量對象功能型傳光型傳光型傳光（拾光）型第八章光電式傳感器光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)測量對象測量對象測量對象測量對象功能型傳

（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

1）強度調(diào)制型光纖傳感器

是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。第八章光電式傳感器（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式第八章光電式

2）偏振調(diào)制光纖傳感器

是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制光纖傳感器

是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

第八章光電式傳感器2）偏振調(diào)制光纖傳感器第八章光電式傳感器

4）相位調(diào)制傳感器

其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。

第八章光電式傳感器4）相位調(diào)制傳感器第八章光電式傳感器

光纖傳感器的分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

型

強度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纖傳感器的分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制三、光纖傳感器舉例

基于微彎效應(yīng)測壓力F光強調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長調(diào)制

微彎效應(yīng)：光纖在微彎時引起纖芯中傳輸?shù)墓獠糠滞度氚鼘樱ㄈ瓷錀l件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同，從而達到光強度調(diào)制的目的。第八章光電式傳感器三、光纖傳感器舉例

基1008060402000.51.01.52.0透射光強%外力N第八章光電式傳感器1008060402000.51.01.52.0透射光強%外偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器浸油顯微鏡激光器起偏器起偏器顯微鏡I1I2光接受器信號處理輸出電流導(dǎo)線第八章光電式傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器浸油顯微鏡激光器起偏器起偏器顯微鏡非功能型光纖傳感器測溫應(yīng)用GaAs半導(dǎo)體光吸收片E1E2輸出溫度測量范圍：-20~300C；誤差3C第八章光電式傳感器非功能型光纖傳感器測溫應(yīng)用GaAs半導(dǎo)體光吸收片E1E2輸出第八章光電式傳感器測量原理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長隨溫度增加而向長波方向移動，可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強隨溫度而改變，達到測溫的目的。第八章光電式傳感器測量原理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論

當(dāng)測頭沒有接觸液面（處于空氣中）時，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當(dāng)測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強變?nèi)?。返回光強是液體折射率的函數(shù)。返回光強發(fā)生突變時，測頭已接觸到液位。第八章光電式傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論第八章光電式傳感器圓錐測頭U型測頭

同時可以測定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。第八章光電式傳感器圓錐測頭U型測頭同時可以測定不同折射率的液體和同一種溶反射光強調(diào)制型光纖傳感應(yīng)用P+－放大濾波2040608010020406080100膜片振動m反射光強%第八章光電式傳感器反射光強調(diào)制型光纖傳感應(yīng)用P+－放大濾波204060801光纖速度、加速度傳感器

原理：一定質(zhì)量的物體在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，這種慣性力可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰啤⑥D(zhuǎn)角或形變等變量。通過對這些變量的測量，就可以得到加速度數(shù)值。第八章光電式傳感器光纖速度、加速度傳感器原理：一定質(zhì)量的物體在加速度作光纖傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：功能強，且光纖本身是敏感器件；抗電磁干擾，安全。缺點：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。第八章光電式傳感器光纖傳感器優(yōu)缺點優(yōu)點：功能強，且光纖本身是敏感器件；第八章四、產(chǎn)品壓力應(yīng)力溫度第八章光電式傳感器四、產(chǎn)品壓力應(yīng)力溫度第八章光電式傳感器溫度、應(yīng)變儀分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀第八章光電式傳感器溫度、應(yīng)變儀分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀第八章光電式傳感器光柵定義：在玻璃（或金屬）上進行刻劃，可得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。特點：1）精度高；2）大量程測量兼有高分辨力；3）可實現(xiàn)動態(tài)測量；4）具有較強的抗干擾能力。測量領(lǐng)域：主要是幾何量（線位移和角位移）測量。其它包括振動、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等。（如數(shù)控機床上的線位移和角位移量，用來進行自動控制）§8-4光柵式傳感器第八章光電式傳感器光柵定義：在玻璃（或金屬）上進行刻劃，可得到一系列密集刻線，第八章光電式傳感器一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)

計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。

第八章光電式傳感器一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)計量光柵可尺身尺身安裝孔

反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵第八章光電式傳感器尺身尺身安裝孔反射式掃描頭掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第八章光電式傳感器掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)反射式光柵第八章光電式傳感器反射式光柵第八章光電式傳感器透射式光柵第八章光電式傳感器透射式光柵第八章光電式傳感器透射式圓光柵固定第八章光電式傳感器透射式圓光柵固定第八章光電式傳感器1、定義

二、莫爾條紋θBaabbW第八章光電式傳感器

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。1、定義二、莫爾條紋θBaabbW第八章光電式傳感器2、亮帶與暗帶之間的距離B第八章光電式傳感器橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定2、亮帶與暗帶之間的距離B第八章光電式傳感器橫向莫爾條莫爾條紋演示第八章光電式傳感器莫爾條紋演示第八章光電式傳感器3、莫爾條紋的特點光學(xué)放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù)W很小，但只要調(diào)整夾角θ，即可得到很大的莫爾條紋的寬度B，起了放大作用。

放大倍數(shù)：光學(xué)概念上的每毫米刻線要刻很多條，由于柵距很小，不易觀察，但形成的莫爾條紋卻清晰可見。？某光柵每毫米刻線100條，光學(xué)放大倍數(shù)為1000，當(dāng)光柵移動一個柵距時，就移動一個莫爾條紋，問產(chǎn)生的莫爾條紋有多寬？第八章光電式傳感器10mm答案3、莫爾條紋的特點光學(xué)放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù)W很均衡誤差作用

由大量柵線共同形成的莫爾條紋對光柵柵線的刻線誤差有均衡作用，提高了測量精度。連續(xù)變倍作用

光柵的柵距是固定的，不同的傾斜角θ將可獲得相應(yīng)寬度的莫爾條紋，當(dāng)θ連續(xù)變化時，考慮到光學(xué)放大作用，莫爾條紋的寬度也是連續(xù)變倍地變化。因此，可用改變θ的大小來選擇任意粗細的莫爾條紋。第八章光電式傳感器均衡誤差作用第八章光電式傳感器莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例題

有一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）莫爾條紋的寬度約是柵距的32倍：

B≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。第八章光電式傳感器莫爾條紋光學(xué)放大作用舉例題有一直線光柵，每毫三、光柵傳感器測量位移的原理

1、組成：光源、主光柵、指示光柵和光電器件

abcdefgxUU0Um2、工作原理：第八章光電式傳感器通過光電元件，可將莫爾條紋移動時光強的變化轉(zhuǎn)換為近似正弦變化的電信號，如圖所示。

其電壓為：三、光柵傳感器測量位移的原理1、組成：光源、主光柵、指示光光電元件輸出電壓與光柵的位移量x成正弦函數(shù)關(guān)系式中：U0為輸出信號的直流分量；

Um為輸出信號幅值；W為柵距。

由上式可知，利用光柵可以測量位移量x的值。當(dāng)位移量變化一個柵距W

時，其輸出U變化一個周期，若對輸出正弦信號整形成變化一個周期輸出一個脈沖，則脈沖數(shù)與移過的柵距數(shù)是一一對應(yīng)的第八章光電式傳感器光電元件輸出電壓與光柵的位移量x成正弦函數(shù)關(guān)系式中：U0為輸3、細分技術(shù)目的：精密測量中，為測量比一般柵距更小的位移量。思路1：使光柵具有很高的刻線密度。

困難：技術(shù)工藝上難以實現(xiàn)思路2：細分技術(shù)

在莫爾條紋變化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖（一般是4個），以提高分辨率。

措施：機械細分和電子細分第八章光電式傳感器3、細分技術(shù)目的：精密測量中，為測量比一般柵距更小的位移量。四、產(chǎn)品位移第八章光電式傳感器四、產(chǎn)品位移第八章光電式傳感器量程：70mm～2170mm精度：0.0005mm量程：50mm～2200mm精度：0.0001mm第八章光電式傳感器量程：70mm～2170mm量程：50mm～2200mm第八檢測小物體角位移第八章光電式傳感器檢測小物體角位移第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器五、應(yīng)用介紹光柵在機床上的安裝位置（2個自由度）第八章光電式傳感器五、應(yīng)用介紹光柵在機床上的安裝位置（2個第八章光電式傳感器光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯表第八章光電式傳感器光柵在機床上的安裝位置（3個自由度）數(shù)顯第八章光電式傳感器安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況防護罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第八章光電式傳感器安裝有直線光柵的數(shù)控機床加工實況防護罩§8-1光源第八章光電式傳感器熱輻射光源氣體放電光源電致發(fā)光器件激光器

光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源?！?-1光源第八章光電式傳感器熱輻射光源第八章光電式傳感器一、熱輻射光源原理：熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射特點：物體溫度越高，輻射能量越大代表：白熾燈、鹵鎢燈第八章光電式傳感器一、熱輻射光源原理：熱物體都會向空間發(fā)出第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象特點：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體代表：日光燈第八章光電式傳感器二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產(chǎn)生第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器三、電致發(fā)光器件原理：固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光特點：體積小、壽命長、工作電壓低、響應(yīng)速度快代表：發(fā)光二極管第八章光電式傳感器三、電致發(fā)光器件原理：固體發(fā)光材料在電場第八章光電式傳感器四、激光器定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件特點：單色性好、方向性好、亮度高分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、液體激光器第八章光電式傳感器四、激光器定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)第八章光電式傳感器§8-2光電效應(yīng)與光電器件一、光電效應(yīng)

光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)

光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子——光子所組成，每一個光子能量為：h——普朗克常數(shù)，6.626×10-34J.s；f——光的頻率（s-1）。光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動勢）。第八章光電式傳感器§8-2光電效應(yīng)與光電器件一、光電效光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。第八章光電式傳感器

光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A0和動能，即：

不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)電子，此頻率限成為“紅限”，其臨界波長λK為：m——電子質(zhì)量；v0——電子逸出速度；A0——物體的表面電子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動能光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，第八章光電式傳感器3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。2、內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)，在光照作用下，物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光電元件有光敏電阻等。外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。第八章光電式傳感器3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體二、光電器件

第八章光電式傳感器1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電管金屬底層光電管光透明光電管A——陽極，K——陰極

當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時發(fā)射電子，中央帶正電的陽極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。光信號→電信號二、光電器件第八章光電式傳感器1、外光電效應(yīng)第八章光電式傳感器伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。第八章光電式傳感器伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極第八章光電式傳感器光電倍增管

倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子；倍增極之間有依次增大的加速電壓。二次發(fā)射系數(shù)

由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成。AK第八章光電式傳感器光電倍增管倍增極上的涂料在電子轟擊第八章光電式傳感器

倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)σi

的乘積。如果n個倍增電極的σi都一樣（），則所以式中，i為光電陰極的光電流第八章光電式傳感器倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射第八章光電式傳感器幾種光電倍增管的外形第八章光電式傳感器幾種光電倍增管的外形第八章光電式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：結(jié)構(gòu)暗電阻暗電流亮電阻亮電流光電流光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。第八章光電式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：結(jié)構(gòu)暗電阻第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光照射——光電子空穴對——光生載流子——內(nèi)建電場作用——光電流——PN結(jié)反向?qū)☉?yīng)用：光亮度測量、光耦合器件、非接觸測量轉(zhuǎn)速光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。第八章光電式傳感器光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：第八章光電式傳感器光照射——光電子空穴對——內(nèi)建電場作用——光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)——光電動勢阻擋層——內(nèi)建電場——P－N結(jié)常見器件：光電池（太陽能電池），包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：第八章光電式傳感器光照射——光電第八章光電式傳感器太陽能電池片第八章光電式傳感器太陽能電池片70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件

MOS光敏單元陣列讀出移位寄存器用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應(yīng)用：攝像機固態(tài)圖像拾取。圖像傳感器第八章光電式傳感器4、電荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，簡稱CCD）70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件圖像傳感器第八章光電式傳第八章光電式傳感器1）MOS光敏單元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型襯底SiO2電極

施加正電壓于電極上——P型區(qū)形成勢阱——產(chǎn)生電子和空穴——勢阱俘獲電子（與光強成正比）——形成MOS光敏元（象素）光第八章光電式傳感器1）MOS光敏單元V1=5VV2=10V第八章光電式傳感器2）CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系132遮光層氧化物P型硅金屬讀出移位寄存器123tt1t2t3t4讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路第八章光電式傳感器2）CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系13第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器3）線陣與面陣CCD單通道線陣轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光輸出移位寄存器感光區(qū)：一列光敏單元組成；傳輸區(qū)：由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。原理：光照產(chǎn)生的信號電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。第八章光電式傳感器3）線陣與面陣CCD單通道線陣轉(zhuǎn)移柵光積光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣第八章光電式傳感器A寄存器B寄存器原理：有兩個移位寄存器平行地配置在感光區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)光生信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉(zhuǎn)移柵，信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器，奇數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到A寄存器，偶數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到B寄存器。雙通道線陣總的轉(zhuǎn)移效率比單通道高。光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣第八章光電式傳感器A寄存器B寄光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣第八章光電式傳感器光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器線陣。光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣第八章光電式傳感器光敏元面陣第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器5、位置敏感器件

（PositionSensitiveDetector-PSD）

分類：一維、二維。PNI123I1I2I0LLx入射光原理見教材P137第八章光電式傳感器5、位置敏感器件

（Position第八章光電式傳感器優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配置電路簡單等應(yīng)用范圍：位置精確測量、兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動控制等第八章光電式傳感器優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配第八章光電式傳感器產(chǎn)品第八章光電式傳感器產(chǎn)品第八章光電式傳感器棱鏡系統(tǒng)或光柵光源匯聚光組CCD面陣步進系統(tǒng)XY驅(qū)動控制系統(tǒng)信號采集系統(tǒng)信號處理系統(tǒng)計算機系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號采集處理系統(tǒng)例1仿形加工中的測量技術(shù)第八章光電式傳感器棱鏡系統(tǒng)或光柵光源匯聚光組CCD面陣步進驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23例2：郵政編碼識別系統(tǒng)第八章光電式傳感器驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化傳送帶CCD透鏡1分類箱23RFIDTag汽車車牌RFIDReaderCCD後端資料庫後端電腦觸發(fā)存取資料收發(fā)信號拍照通過API傳送傳回信號第八章光電式傳感器例3：汽車信息無線傳送系統(tǒng)RFIDTag汽車車牌RFIDReaderCCD後端資料一、概述

脈沖式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對式：它可以在任意位置給出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼輸出?！?-3光電碼盤第八章光電式傳感器一、概述脈沖式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出第八章光電式傳感器

光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。下圖是工作原理示意圖。1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-元件。二、工作原理

由光源1發(fā)出的光線經(jīng)柱面鏡2變成平行光或會聚光，照射到碼盤3上。碼盤由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按照一定規(guī)律排列的若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過亮區(qū)的光線鏡狹縫4后，形成一束很窄的光束照射到光電元件5上。光電元件的排列與碼道一一對應(yīng)。當(dāng)有光照射時，光電元件的各種信號組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤轉(zhuǎn)角的大小。第八章光電式傳感器光學(xué)碼盤式傳感器是用1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理第八章光電式傳感器1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理第八章光電式傳感器2、絕對式編碼器原理第八章光電式傳感器

絕對式光電編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。絕對式光電編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。2、絕對式編碼器原理第八章光電式傳感器絕對式光電編碼器1、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。三、碼盤和碼制第八章光電式傳感器黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個六位光電碼盤上，有四六圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360°范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個。1、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。三、碼盤和碼制第八2、誤差問題

1）編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率則決定于碼道的數(shù)目。

措施：需要增大碼盤的尺寸以容納更多的碼道（對工藝提出很高要求）

2）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個碼道提前或延后，會造成讀碼誤差。

解決措施：a、編碼技術(shù)；b、掃描技術(shù)

第八章光電式傳感器2、誤差問題第八章光電式傳感器3、循環(huán)碼盤

右圖為6位循環(huán)碼碼盤。（1）n位循環(huán)碼有2n種不同編碼；（2）循環(huán)碼為無權(quán)碼；（3）循環(huán)碼碼盤相鄰區(qū)域的編碼只有一位變化。第八章光電式傳感器3、循環(huán)碼盤第八章光電式傳感器十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表DBGDBG十進制二進制循環(huán)碼十進制二進制循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復(fù)雜第八章光電式傳感器十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表DBGDBG十進制二進四、應(yīng)用光學(xué)碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當(dāng)量變換寄存顯示譯碼

光源聚光鏡碼盤狹縫光電元件

光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和寄存電路在需要時采用。第八章光電式傳感器四、應(yīng)用光學(xué)碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯當(dāng)量變換寄存顯五、產(chǎn)品第八章光電式傳感器五、產(chǎn)品第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器？思考題為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？循環(huán)碼的特點。一個10碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小分辨力為多少？第八章光電式傳感器？思考題為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？第八章光電式傳感第八章光電式傳感器§8-4光纖傳感器

光(導(dǎo))纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感器。第八章光電式傳感器§8-4光纖傳感器光(導(dǎo))纖(維特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。應(yīng)用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工……測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、振動、壓力、射線、圖像……第八章光電式傳感器特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 第八章光電式傳感器一、光纖傳感器的基本知識1.光纖的結(jié)構(gòu)

注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別纖芯包層外套第八章光電式傳感器一、光纖傳感器的基本知識1.光纖的結(jié)構(gòu)2.光纖的分類1）按折射率分布折射率變化規(guī)律分類階躍型梯度型

采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。第八章光電式傳感器階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，如圖所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。2.光纖的分類折射率變化規(guī)律階躍型梯度型采用梯度型光2）按傳輸模式

光纖傳輸模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。第八章光電式傳感器

在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小信號，從而導(dǎo)致合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數(shù)量要少。2）按傳輸模式光纖傳輸模式是指光波

一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。纖芯直徑較大（50~100μm），傳輸模式較多稱為多模光纖，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第八章光電式傳感器一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一3.光纖的導(dǎo)光原理第八章光電式傳感器光是一種電磁波,一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此,采用幾何光學(xué)的方法來分析。3.光纖的導(dǎo)光原理第八章光電式傳感器光是一種電磁波,一般斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率小）時，發(fā)生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2時，2

＞1

。(a)光的折射示意圖

可見，入射角1增大時，折射角2也隨之增大，且始終2

＞1

。n1、n2、2

、1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n1sin1=n2sin2

n1n212第八章光電式傳感器斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（第八章光電式傳感器當(dāng)2=90o時，1仍＜90o，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)（1→

10

）。這時有n1n2(b)臨界狀態(tài)示意圖2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2

＝sin90o＝1臨界角n1n2(c)光全反射示意圖12當(dāng)1

＞i0并繼續(xù)增大時，2

＞90o，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。第八章光電式傳感器當(dāng)2=90o時，1仍＜90o，此時n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖011？習(xí)題：

若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則0至多為多少？第八章光電式傳感器n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖011？習(xí)題：第八章4.光纖特性1）數(shù)值孔徑

數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收性能的一個重要參數(shù)。2）損耗：光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)第八章光電式傳感器入射端光功率出射端光功率4.光纖特性1）數(shù)值孔徑2）損耗：第八章光電式傳感器入射吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料損耗。散射損耗，是由于材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉制時粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會造成嚴重的散射損耗。彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖彎曲會引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗。第八章光電式傳感器吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性光纖傳感器分類功能型傳感器：傳感型、探測型（利用光纖本身的某種敏感特性）2.非功能型傳感器：傳光型、結(jié)構(gòu)型、強度型、混合型(光纖只作為傳光介質(zhì))光纖傳感器可測參量電流磁場、電壓電場；溫度速度振動、壓力射線圖像第八章光電式傳感器二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性光纖傳感器分類功能型傳感器：傳感型第八章光電式傳感器

以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號處理得到所期待的被測量。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線第八章光電式傳感器以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是

在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘枴?/p>

光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，最后經(jīng)信號處理得到所需要的被測量。

第八章光電式傳感器在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，(1)根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。

1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器第八章光電式傳感器(1)根據(jù)光纖在傳感器中的作用信號處理光受信器光纖敏感元件第八章光電式傳感器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“