【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 光源。對(duì)紅外光源，常用氧銫陰極。伏安特性：在一定的光照射下，對(duì)光電管的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系——是應(yīng)用光電傳感器的主要依據(jù)參數(shù)。當(dāng)極間電壓高于50V時(shí)，光電流開始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽極。真空光電管一般工作于飽和部分。光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池。光電池常用的材料是硅和硒，也可以使用鍺、硫化鎘、砷化鎵和氧化亞銅等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。結(jié)構(gòu)：硅光電池是用單晶硅制成，在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的方法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的PN結(jié)，P層做得很薄，從而使光線能穿透照到PN結(jié)上。工作原理：當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差——光生電動(dòng)勢(shì)?；咎匦?﹑光照特性開路電壓曲線：光生電動(dòng)勢(shì)與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時(shí)趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。短路電流：指外接負(fù)載相對(duì)于光電池內(nèi)阻而言是很小的。負(fù)載電阻RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。硅光電池的光照特性 硅光電池光照特性與負(fù)載的關(guān)系2﹑光譜特性光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在500nm附近，適宜測(cè)可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1200nm，峰值波長在800nm附近，因此可在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。光電池的光譜特性 光電池的頻率特性3﹑頻率特性光電池作為測(cè)量、計(jì)數(shù)、接收元件時(shí)常采用調(diào)制光輸入。光電池的頻率特性就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。頻率特性與材料、結(jié)構(gòu)尺寸和使用條件等有關(guān)。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。4﹑溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量或控制精度等主要指標(biāo)。當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。硅光電池的溫度特性曲線PIN型硅光電二極管雪崩式光電二極管(APD) 半導(dǎo)體色敏傳感器光電閘流晶體管熱釋電傳感器達(dá)林頓光電三極管光導(dǎo)攝像管以上各節(jié)均做了解。光電耦合器件 光電耦合器：發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。以光為媒介進(jìn)行耦合來傳遞電信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)電隔離，在電氣上實(shí)現(xiàn)絕緣耦合，因而提高了系統(tǒng)的抗干擾能力。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開關(guān)信號(hào)的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。光電耦合器的特點(diǎn)：(a) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于工作頻率50kHz以下的裝置。(b)采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。(c)采用放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。組成與結(jié)構(gòu)： CCD圖像傳感器電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。第四章 光纖傳感器第四章光纖傳感器216。 教學(xué)要求1．掌握光導(dǎo)纖維的組成和光在光纖中傳播的原理。2．掌握光纖的主要參數(shù)。3．掌握強(qiáng)度型光纖傳感器和干涉型光纖傳感器的基本原理。4. 了解各類光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用。216。 教學(xué)內(nèi)容光導(dǎo)纖維(光纖) 光纖的結(jié)構(gòu)：石英玻璃，直徑5－75um，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素。：直徑100－200um，折射率略低于纖芯。：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光。：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖。斯涅爾定理(Snell39。s law)：光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1n2時(shí)，θr＞θi。nnθr、θi間的數(shù)學(xué)關(guān)系為：n1sinθi=n2sinθr（1）當(dāng)θr=90186。時(shí)，θi仍＜90186。，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。臨界角θi0為：θi0=arcsin(n2/n1)（2）當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90186。，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。光纖的幾個(gè)重要參數(shù)1﹑數(shù)值孔徑NA 入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個(gè)角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。定義為：。數(shù)值孔徑是多模光纖的重要參數(shù)，它表征光纖端面接收光的能力，其取值的大小要兼顧光纖接收光的能力和對(duì)模式色散的影響。CCITT ～，其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角θc=10176?！?3176。2﹑傳播模式采用“V值”表述光在階躍型折射率光纖中的傳播特性：a為纖芯半徑，λ0為入射光在真空中的波長。光纖V值越大,則光纖所能擁有的,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?不同的離散波)數(shù)越多。,只允許一波或模式在光纖中傳輸。3. 傳播損耗光從光纖一端射入，從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減，通常用傳播率A來表示傳播損耗:式中為光纖長度，為輸出端光強(qiáng)，為輸入端光強(qiáng)。光纖的類型1﹑按折射率變化類型分類：階躍折射率光纖和漸變折射率光纖。2﹑按傳播模式的多少：?jiǎn)文９饫w和多模光纖。3﹑從傳感器機(jī)理上來說：光纖傳感器可分為振幅型（也叫強(qiáng)度型）和相位型（也叫干涉儀型）兩種。振幅型光纖傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號(hào)檢測(cè)較容易等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度較低。相位型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，但其機(jī)構(gòu)及檢測(cè)手段復(fù)雜。強(qiáng)度型(振幅型)光纖傳感器結(jié)構(gòu)：反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。：光纖采用Ｙ型結(jié)構(gòu)，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。原理：光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。當(dāng)反射表面位置確定后，接收到的反射光光強(qiáng)隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強(qiáng)逐漸增加，到達(dá)最大值點(diǎn)后又隨兩者的距離增加而減小。，利用這條特性曲線可以通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。特點(diǎn)：反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測(cè)量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測(cè)量線性化（在小位移范圍內(nèi)）等優(yōu)點(diǎn)，可在小位移范圍內(nèi)進(jìn)行高速位移檢測(cè)。 反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu) 圖2 位移——輸出信號(hào)曲線 光纖測(cè)壓傳感器 移動(dòng)光柵光纖傳感器 微彎光纖傳感器以上各節(jié)要求了解。他們均屬于強(qiáng)度調(diào)制型傳感器。 相位調(diào)制型光纖傳感器 基本原理基本換能機(jī)理：在一段單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?，因待測(cè)能量場(chǎng)的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。測(cè)量機(jī)構(gòu)分類：邁克爾遜﹑馬赫澤德﹑薩格奈克和法布里珀羅。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件（分光束和平面鏡）組合而成。在每種傳感器中，光源的輸出光束均被分成兩束或兩束以上的光。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵(lì)光敏檢測(cè)器。 光纖（強(qiáng)度）干涉儀光纖耦合器：光纖耦合器（Coupler）又稱分歧器 （Splitter），是將光訊號(hào)從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬于光被動(dòng)元件領(lǐng)域，在電信網(wǎng)路、有線電視網(wǎng)路、用戶回路系統(tǒng)、區(qū)域網(wǎng)路中都會(huì)應(yīng)用到。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器 （雙分支，單位12，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀／樹狀耦合器、以及波長多工器（WDM，若波長屬高密度分出，即波長間距窄，則屬於DWDM），制作方式則有燒結(jié)（Fuse）、微光學(xué)式（Micro Optics）、光波導(dǎo)式（Wave Guide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有90％）。 光纖傳感器的應(yīng)用舉例1﹑相位檢測(cè)其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測(cè)干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。 2. 光纖聲傳感器通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器。光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器。4. 光纖電流傳感器（了解）第五章 變磁阻式傳感器第五章變磁阻式傳感器216。 教學(xué)要求1．掌握變磁阻式傳感器的原理。2．掌握差動(dòng)式電感傳感器的工作原理。3．掌握差動(dòng)變壓器式傳感器的基本原理。4. 了解電動(dòng)式傳感器的原理。216。 教學(xué)內(nèi)容一、工作原理變磁阻式傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。它由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料如硅鋼片或坡莫合金制成, 在鐵芯和銜鐵之間有氣隙, 氣隙厚度為δ, 傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí),氣隙厚度δ發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 根據(jù)電感定義，線圈中電感量可由下式確定: 式中：—線圈總磁鏈；—通過線圈的電流；—線圈的匝數(shù)；Φ—穿過線圈的磁通。 由磁路歐姆定律, 得式中：—磁路總磁阻。對(duì)于變隙式傳感器, 因?yàn)闅庀逗苄? 所以可以認(rèn)為氣隙中的磁場(chǎng)是均勻的。若忽略磁路磁損, 則磁路總磁阻為 式中：—鐵芯材料的導(dǎo)磁率；—銜鐵材料的導(dǎo)磁率；—磁通通過鐵芯的長度；—磁通通過銜鐵的長度；S1——鐵芯的截面積；S2—銜鐵的截面積；—空氣的導(dǎo)磁率；S0—?dú)庀兜慕孛娣e；δ—?dú)庀兜暮穸取? 通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻, 即則磁阻可近似為聯(lián)立式以上各式, 可得 上式表明, 當(dāng)線圈匝數(shù)為常數(shù)時(shí), 電感L僅僅是磁路中磁阻Rm的函數(shù), 只要改變?chǔ)幕騍0均可導(dǎo)致電感變化, 因此變磁阻式傳感器又可分為變氣隙厚度δ的傳感器和變氣隙面積S0的傳感器。使用最廣泛的是變氣隙厚度δ式電感傳感器。 二、輸出特性設(shè)電感傳感器初始?xì)庀稙? 初始電感量為, 銜鐵位移引起的氣隙變化量為, 從式，可知與δ之間是非線性關(guān)系, 特性曲線如圖表示。在很小時(shí)，電感的相對(duì)變化量為，靈敏度為：由此可見, 變間隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾, 所以變隙式電感式傳感器用于測(cè)量微小位移時(shí)是比較精確的。為了減小非線性誤差, 實(shí)際測(cè)量中廣泛采用差動(dòng)變隙式電感傳感器。三﹑差動(dòng)電感傳感器差動(dòng)變隙式電感傳感器由兩個(gè)相同的電感線圈Ⅰ、Ⅱ和磁路組成, 測(cè)量時(shí), 銜鐵通過導(dǎo)桿與被測(cè)位移量相連, 當(dāng)被測(cè)體上下移動(dòng)時(shí), 導(dǎo)桿帶動(dòng)銜鐵也以相同的位移上下移動(dòng), 使兩個(gè)磁回路中磁阻發(fā)生大小相等, 方向相反的變化, 導(dǎo)致一個(gè)線圈的電感量增加, 另一個(gè)線圈的電感量減小, 形成差動(dòng)形式。當(dāng)銜鐵往上移動(dòng)Δδ時(shí), 兩個(gè)線圈的電感變化量ΔLΔL2分別由及表示, 當(dāng)差動(dòng)使用時(shí), 兩個(gè)電感線圈接成交流電橋的相鄰橋臂, 另兩個(gè)橋臂由電阻組成, 電橋輸出電壓與ΔL有關(guān), 其具體表達(dá)式為 靈敏度K0為 比較單線圈和差動(dòng)兩種變間隙式電感傳感器的特性, 可以得到如下結(jié)論:  ① 差動(dòng)式比單線圈式的靈敏度高一倍。② 差動(dòng)式