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1、第第4章章光电光电式传感器式传感器l4.1光电效应和光电器件光电效应和光电器件l4.2光电码盘光电码盘l4.3电荷耦合器件电荷耦合器件l4.4光纤传感器光纤传感器l4.5光栅传感器光栅传感器光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.1 光电效应和光电器件外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应: :在在光光线线作作用用下下使使物物体体的的电电子子逸逸出出表表面面的的现现象象。如光电管、光电倍增管如光电管、光电倍增管内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应:在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体电电阻阻率率改改变变的的现现象象，如光敏电阻等属于这类光电器件。如光敏电阻等属于这类光电器件
2、。阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应阻挡层光电效应( (光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应): ):在在光光线线作作用用下下能能使使物物体体产产生生一一定定方方向向的的电电动动势的现象。如光电池、光敏晶体管等势的现象。如光电池、光敏晶体管等光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电效应和光电器件光电效应和光电器件l4.1.1 光电管光电管l4.1.2 光电倍增管光电倍增管l4.1.3 光敏电阻光敏电阻l4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管l4.1.5 光电池光电池l4.1.6 光电式传感器的应用光电式传感器的应用光电式传感器优秀光电式传感器优秀
3、(8)课件课件411光电管光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。在外电路中便产生了电流。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.区别：在玻璃泡内充以少量的惰性气体区别：在玻璃泡内充以少量的惰性气体缺点：其灵敏度随电压变化的稳定性、频率
4、特性等都比真空光缺点：其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差电管差光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件412光电倍增管光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电倍增管的结构光电倍增管的结构与工作原理与工作原理l光电阴极光电倍增极阳极光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有倍增极上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料，并等光敏材料，并且电位逐级升高且电位逐级升
5、高阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射二次电子发射二次电子发射系数二次电子发射系数=二次发射电子树入射电子数二次发射电子树入射电子数若倍增极有若倍增极有n，则倍增率为，则倍增率为n光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件413光敏电阻光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1.光敏电阻的工作原理及结构光敏电阻的工作原理及结构当无光照时当无光照时，光敏电阻值，光敏电阻值(暗电阻暗电阻)很大很大，
6、电路中电流，电路中电流很小很小当有光照时当有光照时，光敏电阻值，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少急剧减少，电流迅速，电流迅速增加增加光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1.玻璃玻璃2.光电导层光电导层3.电极电极4.绝缘衬底绝缘衬底5.金属壳金属壳6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻的结构光敏电阻的结构光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生
7、的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定而且体积小、重量轻、性能稳定梳梳状状电电极极光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件2光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数l（1）暗电阻和暗电流）暗电阻和暗电流l 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗量的电阻值，称为暗电阻。此
8、时流过的电流，称为暗电流。电流。l （2）亮电阻）亮电阻l 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。电阻，此时流过的电流称为亮电流。l （3）光电流）光电流l 亮电流与暗电流之差，称为光电流。亮电流与暗电流之差，称为光电流。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件3光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 （1）伏安特性伏安特性（2）光照特性光照特性（3）光谱特性光谱特性（4）响应时间和频率特性响应时间和频率特性（5）温度特性温度特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（1）伏安特性）伏安特性在一定照度
9、下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（2）光照特性）光照特性l光敏电阻的光电流与光强之间的关系光敏电阻的光电流与光强之间
10、的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（3）光谱特性）光谱特性l光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（4）响应时间和频率特性）响应时间和频率特性l光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。化，在时间上有一个滞后。l通常用响应时
11、间通常用响应时间t表示。表示。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性l不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。它们的频率特性也就不尽相同。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（5）温度特性）温度特性l光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。它的暗电阻和灵敏度都下降。 硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性温度系数温度系数:在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均
12、变化率光敏电阻阻值的平均变化率光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件温度对光谱特性影响温度对光谱特性影响l随随着着温温度度升升高高，光光谱谱响响应应峰峰值值向向短短波波方方向向移移动动。因因此此，采采取取降降温温措措施施，可可以以提提高高光光敏敏电电阻阻对对长长波光的响应。波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.1.4光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理工作原理 2 基本特性基本特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1工作原理工作原理l结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中
13、结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中l在电路中一般是处于反向工作状态的在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管光敏二极管光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光敏晶体管光敏晶体管l与一般晶体管很相似，具有两个与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。为电信号同时，又将信号电流加以放大。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件2基本特性基本特性l（1）光谱特性）光谱特性 l（2）伏安特性）伏安特性l（3）光照特性）光照特性l（4）温度特性）温度特性l（5）频率响应）频率响应光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件
14、课件l入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（1）光谱特性）光谱特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（2）伏安特性）伏安特性硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（3）光照特性）光照特性硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的
15、线性较好光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（4）温度特性）温度特性l其暗电流及光电流与温度的关系其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（5）频率响应）频率响应l具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压或负载上的电压)随频率的变化关系随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件415光电池光电池l有有光光线线作作用用下下实实质质
16、上上就就是是电电源源，电电路路中中有有了了这这种器件就不再需要外加电源。种器件就不再需要外加电源。 1.工作原理工作原理2基本特性基本特性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1.工作原理工作原理l直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的面积的pn结。当光照射到结。当光照射到pn结上时，便在结上时，便在pn结的两端产生电动势结的两端产生电动势(p区为正，区为正，n区为负区为负) 。l用导线将用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由流过，电流的方向由P区流经外电路至区流经外电路至n区。若区。若
17、将电路断开，就可以测出光生电动势。将电路断开，就可以测出光生电动势。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件2基本特性基本特性(1)光谱特性光谱特性(2)光照特性光照特性(3)频率响应频率响应(4)温度特性温度特性(5)稳定性稳定性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（1）光谱特性）光谱特性l光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(2)光照特性光照特性l不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电
18、流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电池的短路电流光电池的短路电流l外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。的电流值。 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(3)频率响应频率响应l指输出电流随调制光频率变化的关系指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具
19、有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(4)温度特性温度特性l开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压和短路电流随温度变化的关系。l关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件l当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的时，光电池的性
20、能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定硅光电池的性能比硒光电池更稳定 l影响性能和寿命因素：影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺光电池的材料及制造工艺使用环境条件使用环境条件 (5)稳定性稳定性光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件416光电式传感器的应用光电式传感器的应用l模拟式传感器模拟式传感器l脉冲式传感器脉冲式传感器光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1模拟式光电传感器模拟式光电传感器l基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数是光通量的函数 。 l对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流对于光通量的任
21、意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。的函数。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电比色高温计 1物镜；物镜；2平面玻璃；平面玻璃；3光阑；光阑；4光导棒；光导棒；5分光镜；分光镜；6滤光片；滤光片；7硅光电池；硅光电池；8滤光片；滤光片；9硅光电池；硅光电池；10瞄准反射镜；瞄准反射镜；11圆柱反射镜；圆柱反射镜；12目镜；目镜；13多夫棱镜多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；硅光电池负载电阻；16可逆电机；可逆电机；17电子
22、电位差计电子电位差计22光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件2脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器l光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是是“通通”与与“断断”的开关状态。的开关状态。l光电器件受光照时，有电信号输出，光电光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度度(转速转速)的光电脉冲传感器等等。的光电脉冲传感器等等。
23、光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电式数字转速表光电式数字转速表光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.2光电码盘光电码盘数字式传感器数字式传感器:把输入量转换成数字量输出把输入量转换成数字量输出优点优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。计算机处理。最简单的数字式传感器是最简单的数字式传感器是编码器编码器(ADE)角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、
24、感应式和光电式等原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.2光电码盘光电码盘l4.2.1 工作原理工作原理l4.2.2 码盘和码制码盘和码制l4.2.3 二进制码与循环码的转换二进制码与循环码的转换l4.2.4 应应 用用光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.2.1工作原理工作原理l用用光光电电方方法法把把被被测测角角位位移移转转换换成成以以数数字字代代码码形形式式表表示示的电信号的转换部件。的电信号的转换部件。1光源光源2柱面镜柱面镜3码盘码盘4狭缝狭缝5元件元件光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.2.2码盘和码制码
25、盘和码制6位位二二进进制制码码盘盘根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件二进制码盘主要特点：二进制码盘主要特点： l（1）n位位(n个码道个码道)的二进制码盘具有的二进制码盘具有2n种不同种不同编码，称其容量为编码，称其容量为2n， 其最小分辨力其最小分辨力136002n，它的最外圈角节距为，它的最外圈角节距为21；l（2）二进制码为有权码，编码）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：对应于由零位算起的转角为：l（3）码盘转动中，）码盘转
26、动中，CK变化时，所有变化时，所有Cj(jarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件l1.数值孔径（数值孔径（NA）l2.光纤模式光纤模式l3.传播损耗传播损耗4.4.2 光导纤维的主要参数光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件1.数值孔径（数值孔径（NA）l反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。l意意义义：无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大，只只
27、有有2i张张角角之之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件2.光纤模式光纤模式l光波沿光导纤维传播的途径和方式光波沿光导纤维传播的途径和方式在在光光导导纤纤维维中中传传播播模模式式很很多多对对信信息息的的传传输输是是不不利利的的，导导致致合合成成信信号号的的畸畸变变，因因此此我我们们希希望望模模式数量越少越好。式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为阶跃型的圆筒波导内传播的模
28、式数量表示为 希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件3.传播损耗传播损耗l损耗原因：损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响光纤弯曲处的辐射损耗等的影响 l-光纤长度光纤长度；a-单位长度衰减单位长度衰减；I0-光纤输入端光强光纤输入端光强；I-光纤输出端光强光纤输出端光强传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.4.3 光纤传感器结构原理l把被测量的状态转变为可测的光信号的装置把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被
29、测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光纤传感器光学测量的基本原理 l光就是一种电磁波，光就是一种电磁波， 光的电矢量光的电矢量E被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.4.4 光纤传感器的分类l
30、光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用l光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式l光纤传感器中对光信号的检测方法不同光纤传感器中对光信号的检测方法不同 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(1) 光纤的传感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高
31、，须用特殊光纤，成本高，典型例子典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。：光纤陀螺、光纤水听器等。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器非功能型（或称传光型）光纤传感器l光光纤纤在在其其中中仅仅起起导导光光作作用用，光光照照在在光光纤纤型型敏敏感感元件上受被测量调制。元件上受被测量调制。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(c
32、)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的光或被其反射、散射的光。的光或被其反射、散射的光。典型例子：典型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(2)根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器相位调制传感器光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件(a)强度调制型光纤传感器利利用用
33、被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件参参数数的的变变化化，而而导导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点:结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。缺点缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响易受光源波动和连接器损耗变化等的影响光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（b）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息l应用：应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应
34、；电场、电压传感器：泡尔效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（c）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器l被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测l利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器
35、；利利用用物物质质受受强强光光照照射射时时的的喇喇曼曼散散射射构构成成的的测测量量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（d）相位调制传感器）相位调制传感器被被测测对对象象导导致致光光的的相相位位变变化化，然然后后用用干干涉涉仪仪来来检检测测这这种相位变化而得到被测对象的信息。种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸
36、缩的电场、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器利用利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。特殊光纤及高精度检测系统，成本高。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.4.5 光纤传感器的特点（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵敏度。）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。）容易实现对被测信号的远距离监控。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.4.6 光纤传感器的应用强度调制型：
37、强度调制型：基基于于弹弹性性元元件件受受压压变变形形，将将压压力力信信号号转转换换成成位位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。光光纤纤压压力力传传感感器器光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（1）采用弹性元件的光纤压力传感器）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光
38、纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤形光纤2壳体壳体3膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为式中式中,膜片材料的密度；膜片材料的密度；g重力加速度。重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件差动式膜片反射
39、型光纤压力传感器差动式膜片反射型光纤压力传感器1输出光纤输出光纤2输入光纤输入光纤3输出光纤输出光纤4胶胶5膜片膜片两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比A常数；常数；p待测量压力待测量压力输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线
40、性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（b）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器l光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。从而呈现双折射现象。1光源光源2、8起偏器起偏器3、91/4波长板波长板4、10光弹性元件光弹性元件5、11检偏器检偏器6光纤光纤7自聚焦透镜自聚焦透镜光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光弹性式光纤压力传感器 2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振
41、动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（c）微弯式光纤压力传感）微弯式光纤压力传感l基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。生位移，使光纤弯曲而调制光强度。 1聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜2可动变形板可动变形板3固定变形板固定变形板4、5光纤光纤微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件上一页下一页返 回4.5 光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原理4.5
42、.3莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路光栅的光路4.5.5辨向原理辨向原理4.5.6细分技术细分技术光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.5.1 光栅传感器的结构l光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。指示光栅）和光电接收元件组成。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光栅传感器光源：l钨丝灯泡：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（输出功率较大，工作范围较宽（-40到到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲
43、击条件下工作时，使用寿命将降低。时，使用寿命将降低。l半导体发光器件半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光栅副：指示光栅主光栅光栅副：指示光栅主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）称为光栅的栅距（或光
44、栅常数）通常情况下，通常情况下，a=b=W/2光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件光电元件 l包括有包括有光电池光电池和和光敏三极管光敏三极管等部分。等部分。l在在采采用用固固态态光光源源时时，需需要要选选用用敏敏感感波波长长与与光光源源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在在光光敏敏元元件件的的输输出出端端，常常接接有有放放大大器器，通通过过放放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度莫尔
45、条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定4.5.2 莫尔条纹形成的原理光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.5.3 莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差
46、起到了平均作用。刻光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件径向光栅进行角度测量径向光栅进行角度测量当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动，测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。测出条纹移动数目，即可得到标尺光
47、栅相对指示光栅转动的角度。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.5.4 光栅的光路l透射光路透射光路l反射光路反射光路 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（1）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（2）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6
48、-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.5.5 辨向原理单单个个光光电电元元件件接接收收一一固固定定点点的的莫莫尔尔条条纹纹信信号号，只只能能判判别别明明暗暗的的变变化化而而不不能能辨辨别别莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动方方向向，因因而而就就不不能能判判别别运运动动零零件件的的运运动动方方向向，以以致致不能正确测量位移。不能正确测量位移。如如果果能能够够在在物物体体正正向向移移动动时时，将将得得到到的的脉脉冲冲数数累累加加，而而物物体体反反向向移移动动时时可可从从已已累累加加的的脉脉冲冲数
49、数中中减减去去反反向向移移动动的的脉脉冲冲数数，这这样样就就能能得得到到正正确确的的测测量量结果。结果。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件4.5.6细分技术细分技术l提高分辨力方法提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称栅距进行测微，电子学中称“细分细分”，
50、来得到所需的最小读数值。来得到所需的最小读数值。l细分细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。以减小脉冲当量提高分辨力。 光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（1）直接细分l直接细分直接细分又称又称位置细分位置细分，常用的细分数为，常用的细分数为4。四细分可用四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现个计数脉冲，实现了四细分。了四细分。 l优优点点：对对莫莫尔尔条条纹纹信信号号波波形形要要求求不不严严格格，电电路路简单，可用于静态和动态测量系统。简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。光电元件安放困难，细分数不能太高。光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件（2）电阻电桥细分法（矢量和法）（3）电阻链细分法（电阻分割法）电阻链细分法（电阻分割法）光电式传感器优秀光电式传感器优秀(8)课件课件
