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1、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,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,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。,1、外光电效应,指在光的照射下，材料中的电子逸出表
2、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Ek与光的频率f有关，频率高则动能大。,第九章 光电式传感器,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。
3、,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,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。
4、,9.1 光电效应,硒光电池,硅光电池,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,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,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
5、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。,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,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
6、的P-N结，P层做得很薄，使光线能穿透照到P-N结上。,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,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。,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。
7、（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。,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
8、脉冲光电传感器。,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,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
9、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,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,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
10、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。,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
11、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，在圆周范围内编码数为24=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,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,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
12、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,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。,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,10码道光电绝对式码
13、盘,透光区,不透光区,零位标志,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,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,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。
14、,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,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,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,编码器在数控加
15、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,用不同的刀具加工复杂的工件,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,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
16、、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,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575m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100200m范围内。,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
17、播,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 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,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
18、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：,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,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
19、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,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,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,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
20、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。,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,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
21、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。,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,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。,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,
