【正文】 36 （ a） 被測物發(fā)光； （ b） 被測物透光； （ c） 被測物反光； （ d） 被測物遮光 第 4章 物性型傳感器 （ 1） 被測物發(fā)光：被測物為光源 ， 可檢測發(fā)光物的某些物理參數 。 如光電比色高溫計 、 光照度計等 。 （ 2） 被測物反光：可檢測被測物體表面性質參數或狀態(tài)參數 ， 如光潔度計和白度計等 。 （ 3） 被測物透光：可檢測被測物與吸收光或透射光特性有關的某些參數 ， 如濁度計和透明度計等 。 （ 4） 被測物遮光： 檢測被測物體的機械變化， 如測量物體的位移、 振動、 尺寸、 位置等。 第 4章 物性型傳感器 2. 光耦合器件 1） 光電耦合器 如圖 437所示，光電耦合器是把發(fā)光器件和光敏器件組裝在同一蔽光殼體內，或用光導纖維把二者連接起來構成的器件。 當輸入端加電信號，發(fā)光器件發(fā)光，光敏器件受光照后， 輸出光電流， 實現(xiàn)以光為媒介質的電信號傳輸，從而實現(xiàn)輸入和輸出電流的電氣隔離， 所以可用它代替繼電器，變壓器和斬波器等。 它廣泛應用于隔離線路、開關電路、數模轉換、邏輯電路、 長線傳輸、 過流保護、 高壓控制等方面。 第 4章 物性型傳感器 圖 437 光電耦合器 （ a） 結構； （ b） 外形； （ c） 圖形符號 第 4章 物性型傳感器 2） （ 1） 直射型光斷續(xù)器：如圖 438所示 ， 主要用于光電控制和光電計量等電路中及檢測物體的有無 、 運動方向 、 轉速等 。 （ 2） 反射型光斷續(xù)器： 如圖 439所示，主要用于光電式接近開關、 光電自動控制、 物體識別等。一些國產光斷續(xù)器的技術特性可參見表 415。 第 4章 物性型傳感器 圖 438 直射型光斷續(xù)器 第 4章 物性型傳感器 圖 439 反射型光斷續(xù)器 第 4章 物性型傳感器 表 415 一些國產光斷續(xù)器的技術特性 第 4章 物性型傳感器 3. 集成光電傳感器 ULN3330 ULN3330是美國摩托羅拉公司生產的集成光電傳感器。 它是一種新穎的光電開關， 將光敏二極管、 低電平放大器、 電平探測器、 輸出功率驅動器和穩(wěn)壓電路等五部分都集成在了一塊 1 (mm mm)的硅片上， 形成一種具有驅動能力的光敏功率器件。 該器件可用于眾多使用光敏器件的場合， 使光敏器件的應用變得更簡單、 可靠。 第 4章 物性型傳感器 1） ULN3330的內電路框圖如圖 440所示 。 光敏二極管的光敏區(qū)域約為 (mm mm)， 峰值波長為 880 nm。 當它受到光照時 ， 會產生微安數量級的光電流 。 低電平放大器是一種低噪聲小電流放大器 ， 能對微安級的光電流進行放大 、 電平位移 ， 最后輸出可供電平探測器進行鑒別的電平 。 電平探測器是由施密特電路構成的 ， 它具有約 20％ 的 “ 滯后 ” 特性 。 輸出功率驅動器是 NPN中功率晶體管 ， 最大可通過 100 mA的電流 ， 可以直接驅動各種負載 。 穩(wěn)壓電路可確保當電壓在 4～ 15 V范圍內變化時電路也能穩(wěn)定地工作 。 ULN3330D接上電源與負載后 ， 不需要其他元件就能工作 。 當器件頂部受到大于 50 Lx的光照時 ， 就輸出高電平 ， 負載上沒有電流；當光照不足 45 Lx時 ， 器件就輸出低電平 ， 負載上有電流通過 。 第 4章 物性型傳感器 圖 440 ULN3330內電路框圖 第 4章 物性型傳感器 表 416 ULN3330集成電路的主要電參數 第 4章 物性型傳感器 2） ULN3330集成電路有三種封裝形式， ULN3330D采用帶玻璃窗的圓形金屬封裝； ULN3330T采用平透明塑料封裝； ULN3330Y采用半橢圓透明塑料封裝，圖 441是它們的外形底視圖。 第 4章 物性型傳感器 圖 441 ULN3330系列外形底視圖 第 4章 物性型傳感器 光纖與激光傳感器 光纖傳感器 1. 光導纖維及其導光原理 1） 光纖斷面構造如圖 442所示。纖芯為石英玻璃等材料制成的導光纖維細絲，直徑在 5～ 125 μ m范圍內；包層材料的折射率 n2略低于纖芯材料的折射率 n1，包層外徑在 125～ 350 μ m范圍內。包層外面涂敷硅樹酯之類的緩沖層，最外層包有起保護及屏蔽作用的尼龍?zhí)坠堋? 光纖呈圓柱形，兩端面為平面。 第 4章 物性型傳感器 圖 442 （ a） 光纖斷面構造； （ b）光纖中的光的傳輸 第 4章 物性型傳感器 2） 如圖 442（ b） 所示 ， 當空氣中一束光線自光纖端面中心點 O以 θi角射入纖芯時 ， 光線產生折射 。 光以折射角 θ0在纖芯中行進 ， 至纖芯與包層界面時 ， 可能折射進入包層 ， 也可能繼續(xù)在纖芯中行進反射 。 根據斯乃爾定理：當光由光密物質 (折射率大 )射入光疏物質 (折射率小 )時 ， 折射角大于入射角 。 因 n1＞ n2， 所以折射角恒大于入射角 (90176。 － θ)。 sin(90176。 －θ)=n2/n1時 ， 光線開始出現(xiàn)全反射 。 因此 ， 光線能在界面全反射 、 不再逸出芯體的條件是 2221ims i n nnNA ??? ? (412) 第 4章 物性型傳感器 3） 臨界角 θ im以內的入射光以各自不同的角度在芯體界面發(fā)生全反射， 形成不斷反射的光傳輸路線。 這種傳輸光可分為軸向前進的平面波及徑向往返的平面波兩個分量。 當徑向往返平面波在兩界面間往返一周對應于光波相位差恰好為 2π 的整數倍時，就可在截面內形成駐波。 像這樣的駐波光線組稱為 “ 模 ” 。 “ 模 ” 只能離散的存在， 即光纖中能夠傳輸的光的模數是一定的。 當 2π aNA/λ ＜ (a為芯體半徑 )時，光纖中只能傳輸單一的基本模式，此種光纖稱作單模光纖。能夠同時傳輸多個模式的光纖稱作多模光纖。 第 4章 物性型傳感器 2. 光纖傳感器的類型 光纖傳感器是一種把被測量轉變?yōu)榭蓽y光信號的裝置 ， 由光發(fā)送器 、 敏感元件 (光纖或非光纖 )、 光接收器 、 信號處理系統(tǒng)及光纖構成 。 光發(fā)送器發(fā)出的光經入射光纖引導到敏感元件 ， 在這里 ， 光的某一性質受到被測量的調制 。 已調光經出射光纖耦合到光接收器 ， 使光信號變成電信號 ， 再經信號處理 ， 得到被測量的值 。 光纖傳感器的分類方法很多， 可按光纖在傳感器中的作用、 光參量調制種類、所應用的光學效應和檢測的物理量分類。 按光纖在傳感器中的作用，可分為功能型、非功能型和拾光型三大類， 如圖 443所示。 第 4章 物性型傳感器 圖 443 （ a） 功能型； （ b） 非功能型；（ c） 拾光型 第 4章 物性型傳感器 1. 激光的形成 1） 在外界光子作用下，物質原子獲得一定的能量后，從相應的低能級躍遷到高能級的過程叫做受激吸收。而處在高能級上的原子， 在外來光子的誘發(fā)下躍遷到低能級而發(fā)光， 這個現(xiàn)象叫做受激輻射。 受激輻射的光子與外來光子有完全相同的頻率、 傳播方向和振動方向。 可以說， 它把一個光子放大為兩個光子。 但是受激吸收過程和受激輻射過程是同時存在、 互相對立的。 一般來說， 受激吸收過程比受激輻射過程要強， 但要產生激光， 必須使后者強于前者。 因而常設法使高能態(tài)的原子數目多于低能態(tài)的原子數目， 通常稱為 “ 粒子數反轉 ” 。 實現(xiàn)粒子數反轉的方法很多， 如用氣體放電、 化學反應、光照等來對基態(tài)原子進行激勵。 第 4章 物性型傳感器 2） 激光諧振腔由兩塊反射鏡組成 ， 其中一塊反射率為 100%， 稱為全反射鏡； 另一塊反射率為 95%以上 ， 稱為部分反射鏡 ， 如圖 444（ a） 所示 。 當粒子數反轉時，高能態(tài)的原子數就會多于基態(tài)原子數。 一些高能態(tài)的原子自發(fā)地躍遷回基態(tài)， 輻射出自發(fā)光子來； 另一些沿諧振腔軸向運動的光子經反射鏡反射， 沿軸向反復運動， 在運動的過程中又會激發(fā)高能態(tài)的原子而產生受激輻射。 受激輻射的光子也參加到沿軸向反復運動的行列中， 又去激發(fā)其他高能態(tài)原子產生受激輻射， 如圖 444（ b）所示。如此不斷循環(huán)， 沿諧振腔軸向運動的受激輻射光子越來越多，當光子積累到足夠數量時， 便從部分反射鏡一端輸出一部分光，即激光。可見， 諧振腔是形成激光的必要裝置。 第 4章 物性型傳感器 圖 444 激光諧振腔原理圖 第 4章 物性型傳感器 2. 激光器 綜上所述 ， 激光器必須具備： 工作物質 、 激勵能源和諧振腔三部分 。 激光器按工作物質進行分類可分為以下幾種： （ 1） 固體激光器：常用的有紅寶石激光器 、 摻釹釔鋁石榴石激光器和釹玻璃激光器 。 其特點是小而堅固 、 功率大 ， 其中釹玻璃激光器的脈沖輸出功率最大 。 （ 2） 氣體激光器： 氣體激光器的工作物質常用 HeNe氣體。 它與固體激光器相比，在結構和性能上有很大差別。氣體激光器多為連續(xù)發(fā)射。 由于氣體的光學性質均勻， 所以氣體激光器的單色性和相干性特別好。 第 4章 物性型傳感器 （ 3） 液體激光器： 該激光器又可分為螯合物激光器 、 無機液體激光器和有機染料激光器 。 其中 ， 以有機染料激光器較為突出 ， 它的最大特點是發(fā)生的激光波長可在一段范圍內連續(xù)可調 ， 而且效率不會降低 。 （ 4） 半導體激光器：它是所有激光器中效率最高 ， 體積最小的一種 。 目前較成熟的產品是砷化鎵 (GaAs)半導體激光器 ， 常做成二極管形式 ， 其缺點是輸出功率小 。 一些典型的激光器及其應用見表 417。 第 4章 物性型傳感器 表 417 部分典型的激光器及其應用