機電一體化講議-3課件

第二章傳感器及測量系統(tǒng)（2）2/6/202312.1傳感器及測量系統(tǒng)概述2.7光電傳感器在車輛自動控制過程中充當著重要的角色分類：光束傳感器、反射傳感器、散射傳感器原理：通過發(fā)射器發(fā)出可見、不可見或紅外光，被接收器所接收，并轉(zhuǎn)換成電信號。特點：(1)無接觸檢測，減少了被測物及探頭的磨損，確保產(chǎn)品的使用壽命與安全操作。(2)被測物的材料不受限制，可測玻璃、塑料、木質(zhì)及液體等各種的被測材料。(3)長距離檢測，反射傳感器的檢測距離可達１０ｍ。(4)反應速度快，其反應能力在50μs之內(nèi)。2/6/202322.7光電傳感器(5)可分辨顏色。高精度檢測，利用奇特的視覺系統(tǒng)和精確的電子線路可以實現(xiàn)對物體的精確測量。光電傳感器分為亮通型與暗通型兩類。2.7.1光電器件分類：光電發(fā)射器、光電探測器2.7.1.1光電發(fā)射器件(1)熱輻射光源：如白熾燈。光譜連續(xù)、價格便宜(2)氣體放電光源：如氙燈光源等。氣體超高壓放電發(fā)光。特點：效率高，發(fā)熱少。(3)電致發(fā)光器：PN結(jié)發(fā)光（發(fā)光二極管）。特點：功率低，驅(qū)動電壓低，效率高，可直接調(diào)制，小型化等。2/6/202332.7光電傳感器1.光電導器件(光敏電阻)注意：光敏電阻必須在適當?shù)牟ㄩL光照射下，電阻才會改變。圖2-7-1光敏電阻的原理圖2-7-2CdS、CdSe光譜響應曲線

2/6/202352.7光電傳感器2.光伏效應器件(光電二極管與光敏三極管)原理：利用光照在半導體器件上產(chǎn)生伏特效應而制成的器件，應用極廣。(1)光電二極管原理：在光的照射下，光電二極管產(chǎn)生光電流。注意：光電流向光電二極管的反方向流動。伏安特性：見圖2-7-3（a）。等效電路：電流源與二極管的并聯(lián)，如圖2-7-3(b)所示光譜特性：如圖2-7-4。2/6/202362.7光電傳感器(2)光電三極管工作原理：①光電轉(zhuǎn)換，其功能同光電二極管；②光電流放大，將光電流放大幾十部至幾百倍。分類：無基極引線、有極基引線兩種。a)無基極引線光電管——靠光的注入代替基極的信號輸入，并將集電結(jié)產(chǎn)生的光電流放大。圖2-7-3光電二極管伏安特性圖2-7-4光電二極管光譜響應曲線2/6/202372.7光電傳感器圖2-7-5光電三極管輸出特性圖2-7-6硅光電池光照特性曲線2/6/202392.7光電傳感器2.7.2光束傳感器特點：發(fā)射器與接收器分開。圖2-7-7光束傳感的電氣結(jié)構(gòu)圖

2/6/2023102.7光電傳感器2.7.3反射傳感器特點：發(fā)射器與接收器放于同一個外殼內(nèi)。常規(guī)反射傳感器：不能檢測反光體，易產(chǎn)生誤動作。帶偏振片的反射傳感器：無論是否反射體在遮住光通路后就一定能被檢出。與常規(guī)反射傳感器的區(qū)別：(1)在發(fā)射器與接收器的光通道上分別安裝互成直角的偏振片；(2)采用三角反射鏡，經(jīng)它反射的偏振光其振蕩面旋轉(zhuǎn)90°。圖2-7-8帶偏振片的反射傳感器工作原理及電氣結(jié)構(gòu)

2/6/2023112.7光電傳感器2.7.5紅外傳感器圖2-7-10曲型紅外傳感器的電氣結(jié)構(gòu)構(gòu)成：光電管、前置放大器、比較整形及輸出級構(gòu)成用途：紅外傳感器用于高溫物體遠距離、非接觸檢測2/6/2023132.7光電傳感器2.8光纖傳感器2.8.1光纖傳感器概述起步：光纖傳感器技術(shù)是70年代末發(fā)展起來的一項新型傳感技術(shù)。技術(shù)構(gòu)成：光纖傳感技術(shù)是傳統(tǒng)的光檢測技術(shù)和纖維光學應用的結(jié)合應用范圍：位移、振動、轉(zhuǎn)速、溫度、壓力、電場、流量、濃度、PH值等70多項參數(shù)的檢測。適用：普通光電傳感器所不能適應的條件，例如有限空間、高溫、或危險地區(qū)，因而具有廣泛的應用潛力。測量原理：外界待測信號→調(diào)制→光參數(shù)→光纖→光電探測器。2/6/2023142.8光纖傳感器調(diào)制參數(shù)：光可以看成簡諧振蕩的電磁波，其電場分量表達式為：E=E0sin(ωt+φ)因此光可以被調(diào)制的參數(shù)有四個，即光強度、相位、偏振角及頻率。按調(diào)制形式分類：強度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型。大部分傳感器屬于前三類。按光纖光纖作用分類：非功能型傳感、功能傳感兩種。（1）非功能型傳感器：利用外加的敏感元件對光進行調(diào)制而光纖僅僅作為傳光之用。（2）能型光纖傳感器：光纖不僅有用作傳光，本身也是敏感元件。功能型光纖傳感器的調(diào)制原理：溫度、壓力、振動→光纖→光纖的長度、形狀、折射率等發(fā)生變化→光纖中傳輸光的強度、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化2/6/2023152.8光纖傳感器圖2-8-1強度調(diào)制型光纖傳感器的幾種基本形式及工作原理

2/6/2023172.8光纖傳感器2.8.2光纖傳感器工作原理 (1)強度調(diào)制型光纖傳感器特點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、對光纖要求不高，信號檢測簡單等。 (2)相位調(diào)制型光纖傳感器原理：外界待測信號作用于光纖時，引起光纖中傳輸?shù)墓獾南辔槐厣兓?。測量：光相位變化難以直接檢測出來，通常用光的干涉效應將光相位的變化轉(zhuǎn)換為干涉強度的變化來檢測。相位調(diào)制型光纖傳感器又稱為干涉型光纖傳感器。相位調(diào)制型光纖傳感器一般具有極高的靈敏度和動態(tài)范圍。光纖干涉儀可以檢測出小于10-6rad的相位變化。2/6/2023182.8光纖傳感器[例]溫度變化1℃→1m長的光纖中光相位變化100rad→分辨率達到10-8℃圖2-8-2相位調(diào)制型光纖傳感器的干涉系統(tǒng)及基本結(jié)構(gòu)

2/6/2023192.8光纖傳感器2.8.2光導纖維光傳輸?shù)妮d體，應用很廣。結(jié)構(gòu)：一種透明的圓柱形細絲，中間是折射率極高的透明介質(zhì)，外面一