《第7章 光电式与光纤传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第7章 光电式与光纤传感器（15页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第 7 章 光电式传感器光电式传感器（Photoelectrc Sensor）:以光电效应为基础，将光信号（光 量的变化）转换为电信号（电量的变化）的一种传感器。7.1 光电效应（Photoelectric Effect, Photoeffect）爱因斯坦光子学说：光是由一连串具有一定能量的粒子组成，其能量大小等于E = hh = 6.626 x 10 -34 J . s 普朗克常数V 光的频率（s -1）不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高，其光子能量越大。光照射到物体表面后产生光电效应，分为两类：1. 外光电效应（光电发射 Photoeletric Emission） 在光线作用下，能
2、使物体内的电子逸出物体表面的现象。基于外光电效应的光电器件（光敏元件）：光电管、光电倍增管根据爱因斯坦光电效应方程：h .V =丄mv 2 + A （能量守恒定律）20A0 某物体的电子的逸出功V电子的逸出速度。结论:（1）当光子能量h .V A，即V 亠时，才有光电子逸出物体表面，产0h生外光电效应。当h .V = A，即v =你（红限频率）时，光电子的V = 0。00 h当v E九 九g即：入射光的波长必须九 Es等效电路（2）光电池的主要特性（P140） 光电池的光谱特性 光电池的光照特性 光电池的频率特性 光电池的温度特性3. 光敏二极管和光敏三极管（1）光敏二极管无光照时，光敏二极管
3、反向电阻很大，反向饱和漏电流（暗电流）很 小，处于截止状态；受光照时，产生光电流，光的照度越大，光电流越大，光敏二极管处 于导通状态。（2）光敏三极管1）工作原理 无光照时，集电极反偏，反向饱和 漏电流很小； 有光照时，在 PN 结附近产生光生 电子-空穴对，在 PN 结内电场作用下， 做定向运动，形成光电流（相当于基极电流/ ）,输出电流I =（1+B）I（光电流）bc2）基本特性 （P143） 光敏三极管的光谱特性 光敏三极管的伏安特性 光敏三极管的光照特性 光敏三极管的温度特性 光敏三极管的频率特性7.4 光电耦合器件光电耦合器件=发光元件+光电接收元件发光二极管 光敏电阻、光敏二（三）
4、极管1.光电耦合器 实现电隔离，具有抗干扰性能和单向信号传输功能。广泛应用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等。2. 光电开关 检测有无物体。广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作 光控制和光探测装置。7.5光导纤维（光纤Optical fber）传感器光纤：20 世纪 70 年代的重要发明 光纤传感器：始于 1977年光纤传感器 光纤H光纤通信技术 与传统的以电为基础的传感器相比有本质的区别：1光纤传感器用光而不是用电来作为敏感信息的载体；2光纤传感器用光纤而不是用导线来作为传递敏感信息的媒介光纤传感器的特点：1电绝缘，特别适用于高压供电系统及大容量电机的测试。2
5、抗电磁干扰，特别适用于高压大电流、强磁场噪声、强辐射等恶劣环 境。3高灵敏度。4容易实现对被测信号的远距离监控。7.5.1 光纤结构光缆由多根光纤组成，主要用于光纤通信。7.5.2 斯乃尔定理（SnelFsLaw）根据几何光学理论，当光由光密物质（折射率 n1 大）射至光疏物质（折射率n2小），即n1n2时，一部分入射光折射入光疏物质，其余部分 反射回光密物质。斯乃尔定理：（因为n n ，所以001 2 2 1sin 0n1 = 2sin 0n21始终： 0 021临界状态：0 = 90 02临界角：sii0 =Z =0 = siir1 二-c ncn11当0 0 时，发生全反射1c7.5.3
6、 光纤的传（导）光原理根据斯乃尔定理入射光nsin 0 = n sin 00i1jnsin 0 = n sin 01K2n二1 （空气）r01）2）由（1）得：sin 0in .八n c n. c= i sin( 90 0 - 0 ) = i cos 0= i 1 一 sin 2 0一一 nK0由（2）得：sin 0K=sin 0n n .=r 1 - ( sin n0in 0 )21 =；n0n2 一 n2 sin 2 01 2临界状态：0 = 90 0数值孔径）实现全反射的临界角：sin 0 = sin 0 = n2 - n2 = n2 - n2 = NA ic n12120结论：1纤芯和
7、包层介质的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。数值孔径反映了光纤的集光能力。2当0 0时，0 90 0，光线会透入包层而消失。ic3.当0 0时，光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传 ic播，光在光纤内经过无数次的全反射，就从光纤的一端以光速传播到另一 端，这就是光纤传光的基本原理 。7.5.4 光纤传感器结构原理及分类1. 光纤传感器结构原理传统传感器：以机电测量为基础，把测量的物理量转变为可测的电信号的装置。光纤传感器：以光学测量为基础，把测量的物理量转变为可测的光信号的装置。光纤传感器的基本工作原理：非电量（被测量）光信号调制光信号光调制器光探测器光解调器光源
8、光纤光纤光：电磁波 波长10 -3 m10 -io m 光的电矢量E: e = A sin（ rot + ）A光波的振幅一光波的振动频率一光波的相位将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与光相互作用，导 致光的光学性质（光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化， 成为被调制的光信号，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得 被测参数。2. 光纤传感器的分类（1） 非功能型（传光型）光纤传感器光纤：仅起传（导）光作用敏感元件：非光纤型 优点：容易实现，成本低，占据了光纤传感器的绝大多数。 缺点：灵敏度低2） 功能型（传感型）光纤传感器光纤：不仅起传光作用，而且作为敏感元件敏感元件
9、：光纤型优点：结构紧凑，灵敏度高缺点：成本高（因需用特殊的光纤和先进的检测技术）7.5.5 光纤传感器的调制原理1. 强度调制 利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过检测光强的变化来测 量外界物理量，称为强度调制。2. 波长和频率调制 利用外界被测量的因素改变光纤中光的波长或频率，然后，再通过检 测光纤中光的波长或频率的变化来测量外界物理量，分别称为 波长调制 和频率调制。3. 相位调制 利用被测量的因素改变光纤中光波的相位，再通过检测光波相位变化 来测量外界物理量，称为相位调制。4. 偏振调制7.5.6光电传感器与光纤传感器应用举例（P172）1. 烟尘浊度检测仪2. 光电转速传感器在电机轴上固定涂上黑、白相间条纹的圆盘，N黑（白）条纹数目。 邑口（转/分）N3. 光电池应用（ 1 ）太阳能电池电源（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用4. 光纤温度传感器5. 压力传感器6. 光纤图像传感器
