【文章內(nèi)容簡介】 窗口對著光源，此時萬用表表針應(yīng)向右偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)角度大小說明其靈敏度高低，偏轉(zhuǎn)角度越大，靈敏度越高。 光電三極管檢測： 光電三極管管腳較長的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。檢測時首先選一塊黑布遮住起接收窗口，將萬用表置 R*1K 擋，兩表筆任意接兩管腳，測得結(jié)果其表針都不動（電阻無窮大），在移去遮光布，萬用表指針向右偏轉(zhuǎn)至 15K~35K，其向又偏轉(zhuǎn)角度越大說明其靈敏度越高。 光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性 、光譜特性、響應(yīng)時間、溫度特性和頻率特性等來描述。 光電管的基本特性 光照特性： 通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系。曲線 1 表示氧銫陰極：光照特性成線性關(guān)系曲線 2表示銻銫陰極：光照特性成非線性關(guān)系 。 光照特性曲線的斜率 (光電流與入射光光通量之間比 )稱為 光電管的靈敏度。 光電管的光照特性 光譜特性： 由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。 一般對于光電陰極材料不同的光電管，有不同的 紅限頻率 v0，對應(yīng)于不同的光譜范圍。 第三章 光電式傳感器 22 同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同。 光譜特性：對不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極 —— 光譜響應(yīng)范圍。 例如：銻銫陰極，其紅限λ 0=700nm，它對紫外線和可見光范圍的入射光靈敏度比較高，適用于白光光源和紫外光源。對紅外光源，常用氧銫陰極。 伏安特性： 在一定的光照射下，對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，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 第三章 光電式傳感器 23 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，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，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 —— 光生電動勢。 基本特性 1﹑ 光照特性 開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為 2020lx 時趨向飽和。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。 第三章 光電式傳感器 24 光電池的光譜特性 光電池的頻率特性 3﹑ 頻率 特性 光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常采用調(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，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)。當(dāng)光電池作為測量元件時，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 第三章 光電式傳感器 25 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封裝在一個外殼內(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，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傳輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開關(guān)信號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)動和較低頻率的裝置中。 組成與結(jié)構(gòu)： 第三章 光電式傳感器 26 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，數(shù)字信號經(jīng)過壓 縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計算機(jī)，并借助于計算機(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，每個感光單位會將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 第四章 光纖傳感器 27 第四章 光纖傳感器 ? 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 。 ? 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 。 光在光纖中的傳播 斯涅爾定理 (Snell39。s law)： 光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即 n1n2 時，θ r＞θ i。 n nθ r、θ i 間的數(shù)學(xué)關(guān)系為： n1sinθ i=n2sinθ r （ 1） 當(dāng)θ r=90186。時，θ i 仍＜ 90186。，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。 臨界角θ i0 為： θ i0=arcsin(n2/n1) （ 2） 當(dāng)θ i＞θ i0 并繼續(xù)增大時，θ r＞ 90186。，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。 光纖的幾個重要參數(shù) 第四章 光纖傳感器 28 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，只是在某個角度范圍內(nèi)的入射光才可以。這個角度就稱為光纖的數(shù)值孔徑。 定義為： 221 2 1 2,NA n n n n?? 為 纖 芯 折 射 率 ， 為 包 層 折 射 率。 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模式色散的影響。 CCITT 建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為 ～ ，其對應(yīng)的光纖端面接收角 θc=10176。 ～ 13176。 。 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 ： 12221202aV ( )nn???? 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。當(dāng) V值低于 時 ,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 : 1010 lg( / )IIA dB kml?? 式中 l 為光纖長度， 1I 為輸出端光強(qiáng)， 0I 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： 單模光纖和多模光纖。 3﹑ 從傳感器機(jī)理上來說 ： 第四章 光纖傳感器 29 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)簡單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號檢測較容易等優(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)及檢測手段復(fù)雜。 強(qiáng)度型 (振幅型 ) 光纖傳感器 反射式光纖位移傳感器 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。其原理如圖 所示：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，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。圖 所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對光強(qiáng)的檢測得到位移量。 特點(diǎn)： 反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應(yīng)速度快，測量線性化（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。 圖 反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu) 圖 2 位移 —— 輸出信號曲線 光纖測壓傳感器 移動光柵光纖傳感器 第四章 光纖傳感器 30 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)南喔晒猓虼郎y能量場的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。 測量 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，又重新合路并激勵光敏檢測器。 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），是將光訊號從一條光纖中分至多條光纖中的元件，屬 于 光被動元件領(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 ，亦即將光訊號分成兩個功率）、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 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，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，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用 電致伸縮的電場、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。但由于須用第四章 光纖傳感器 31 特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。 第四章 光纖傳感器 32 2. 光纖 聲 傳感器 通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器。 光纖聲壓傳感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。 磁 傳感器 利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器。 4. 光纖 電流 傳感器 （了解） 第五章 變磁阻式傳感器 33 第五章 變磁阻式傳感器 ? 教學(xué)要求 1．掌握變磁阻式傳感器的原理。 2．掌握差動式電感傳感器的工作原理。 3．掌握 差動變壓器式傳感器的 基 本原理。 4. 了解電動式傳感器的原理 。 ? 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)動部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動時 ,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 ， 因此只要能測出這種電感量的變化