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1、第7章光电式传感器,光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器。光电式传感器具有结构简单、非接触、不受电磁干扰的影响、可靠性高、体积小、重量轻、价格低廉、灵敏度高和反应快等优点。除可直接检测光信号外，还可以用来测量转速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可以用作对各种产品的计数、机床的保护装置，在自动化、检测技术领域应用广泛。,7.1光电式传感器的基本元件,光电式传感器一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。,7.1光电式传感器的基本元件,7.1.1 光源 光电式传感器对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。 我们把通电后发光的器
2、件，统称为电光源，或者叫电光元件。普通的电光源可以分为四类：热辐射光源、气体放电光源、电致发光器件和激光器。,7.1.2 光学元件与光路,在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件， 并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。 常用的光学元件有各种反射镜和透镜。,7.1光电式传感器的基本元件,7.1.3 光电效应与传统光电器件,光电效应即是由于物体吸收能量为E的光后产生的电效应。 内光电效应是指物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部运动，而不会逸出物体的现象。 外光电效应是指当光照射到物体上使电子逸出物体表面的现象。,7.1光电式传感器的基本元件,1.光敏电阻,光敏电阻是用具有内光电效应的光
3、导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。,7.1光电式传感器的基本元件,2.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。光生伏特效应指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。光电池是把光直接转变为电能的器件，又称为太阳能电池。,7.1光电式传感器的基本元件,3.光敏晶体管,光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此在不受光
4、照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。,7.1光电式传感器的基本元件,光敏三极管的工作原理：当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处于内电场作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的倍。因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。,7.1光电式传感器的基本元件,光电倍增管是基于外光电效应和二次电子发射效应的电子真空器件。,4.光电倍增管,7.1光电式传感器的基本元件,7.2 新型光电器件,7.2.1 CCD,电荷耦合器件(CCD)是一种大规模
5、金属氧化物半导体(MOS)集成电路光电器件，以电荷为信号。它具备光电信号转换、存储、转移的功能，具有集成度高、功耗小、分辨力高、动态范围大等优点。CCD图像传感器被广泛应用于生活、天文、医疗、电视、传真、通信以及工业检测和自动控制系统。,CCD传感器的应用: 组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。 用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真、摄像、光学文字识别技术(OCR)与图像识别等。,7.2.2 CMOS图像传感器,CMOS图像传感器是采用互补金属-氧化物-半导体工艺制作的另一类图像传感器.,CMOS具有体积小、耗电量小、售价便宜的优点 .,7.2 新型光电器件,7.2.3
6、 PSD,光电位置传感器(PSD)是一种对入射到光敏面上的光点位置敏感的光电器件， 其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。主要用于距离测量、位移或角度 变化的监测等。,一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量，二维PSD器件可以检测平面上的入射光点的XY二维位置坐标。,7.2 新型光电器件,7.3 光栅式传感器,7.3.1 工作原理,光栅式传感器(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行 转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、 辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。,莫尔条纹 : 光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，
7、电压输出的正弦 变化正好经历一个周期，可通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉 冲数（条纹数）与移过的栅距数是一一对应的，因此位移量为 。 据此可知运动零件的位移量。,7.3 光栅式传感器,7.4 光纤式传感器,特点：,抗电磁干扰能力强、高灵敏度 、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单、以及与光纤传输线路相容等。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70多个物理量的测量，且具有十分广泛的应用潜力和发展前景。,7.4.1 工作原理,满足全反射条件 :,7.4 光纤式传感器,光纤位移传感器,利用光导纤维传输光信号的功
8、能，根据探测到的反射光的强度来测量被测 反射表面的距离。,7.4 光纤式传感器,7.5 典型应用,(d)测量反射光的光通量，进而测定被测物表面特征或状态等。如测量机械参量中的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移、表面白度、露点、湿度等。,(a)光电元件探测被测对象发出的光辐射,可确定被测量的大小。光照度计、 光电高温计、火报警器、红外探测与遥感等,(b)根据被测物对光的遮挡程度，通过光通量的大小来测定被参数。常用于几何测量，如测量孔径、缝宽、直径等。,(c)通过测定被测物对光的吸收程度以及对光谱线的选择性来测量被测参量。常用于气体、液体成分分析或透明度、混浊度测量以及测量某种物质含量。,1.光电式浊
9、度计,光源透过光学透镜分成两束强度相等的光线。一路光线穿过标准水样8，到达光电池9，产生作为被测水样浊度的参比信号。另一路穿过被测水样5到达光电池6，其中一部分光线由被测水样吸收，被测水样越混浊，光线衰减量越大，到达光电池6的光通量就越小。两路光信号均转换成电压信号、，由运算器计算出、的比值，并进一步算出被测水样的浊度。,7.5 典型应用,2.烟雾报警器,光电式烟雾报警器由光源、光电元件和电子开关组成。利用光散射原理 对烟雾进行探测，并及时发出报警信号。,光电烟雾报警器由光源(发光二极管)和光电元件(光敏三极管)组成。无烟雾时，光电元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾遮挡了部
10、分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,7.5 典型应用,3.灯光亮度自动控制器,灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。 控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。,7.5 典型应用,4.光电式转速传感器,光电式转速传感器属于反射式光电传感器，使用时光电式转速传感器的光源会对被测转轴发出光线，光线透过透镜和半透膜入射到被测转轴上，而当被测转轴转动时，反射光线会通过透镜投射到光敏元件上，传感器即可发出一个脉冲信号,7.5 典型
11、应用,5.光电耦合器,光电耦合器(简称光耦)是以光为媒介传输电信号的一种电-光-电转换器件。 特点：输入和输出端之间绝缘，由于“光”传输的单向性，所以信号从光源传输到光接收器时不会出现反馈现象，其输出信号也不会影响输入端。此外，光电耦合器能够很好地抑制干扰并消除噪声，其响应速度快(10s左右)、无触点、寿命长、体积小、耐冲击、容易和逻辑电路配合，这使得它的应用很广泛。,7.5 典型应用,7.5 典型应用,6.光电开关 光电开关是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的有无。,7.5 典型应用,7.多普勒测速装置 当单色光束入射到运动体上某点时，光波在该点被运动体散射，散射光频率与入射光频率相比，产生了正比于物体运动速度的频率变化，称为多普勒频移。这种现象也称为光学多普勒效应。多普勒频移不仅与入射光频率有关，而且还带有运动体的速度信息。因此，如果能测出多普勒频移，就可以知道物体运动速度。,
