2.7光電式傳感器

光電傳感器將光量轉換為電量，其物理基礎是光電效應（photoelectriceffect）。2.7.1光電效應

光照到某些物質上，引起物質的電性質變化，這類光致電變的現象統稱為光電效應。光電效應可分為：外光電效應、內光電效應光子的能量：

h

=6.626×10-34(J·s)

普朗克常數；f光頻率(Hz)。紅限頻率光電效應方程光電倍增管(PMT,PhotoMultiplierTube)若每級的倍增率為δ，n個倍增極，則光電流的總倍增率為δn。K百葉窗式盒柵式直瓦片式圓瓦片式無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小；有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加。光敏電阻常用的半導體材料有硫化鎘(CdS)和硒化鎘(CdSe)。根據光敏電阻的光譜特性，可分為三類:紫外光敏電阻、紅外光敏電阻、可見光光敏電阻。光敏電阻N-Si為襯底P-Si為襯底國產硅光敏二極管分為2CU、2DU兩個系列。光敏二極管一般光敏三極管的基極已在管內連接，只有c和e兩根引線（也有將基極引出的，用于溫度補償和附加控制等）。不能從外形來區別是光敏二極管還是光敏三極管，只能由型號來判別。

光敏三極管光敏三極管的材料一般為硅，國產NPN型硅光敏三極管為3CU系列，PNP型硅光敏三極管為3DU系列。（2）光生伏特效應半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。光電池硅、硒、鍺、

砷化鎵（GaAs）是光電池的常用材料。

在N型硅片上用擴散方法摻入P型雜質而形成一個大面積的P-N結，P層做得很薄，光線能穿透到P-N結上。硅太陽能電池輕便、簡單，不會產生氣體或熱污染，易于適應環境。

2.7.3光電傳感器的工作形式

按其接收狀態可分為模擬式光電傳感器

脈沖式光電傳感器反射式光源發出的光投射到被測物體上，被測物把部分光通量反射到光電元件上，根據反射的光通量多少測定被測物表面狀態和性質。如測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。

遮光式被測物位于光源與光電元件之間，光源發出的光通量經被測物遮去一部分，使作用在光電元件上的光通量減弱，減弱的程度與被測物在光學通路中的位置有關。測量長度、厚度、線位移、角位移、振動等。輻射式被測物本身就是輻射源，它可以直接照射在光電元件上，也可以經過一定的光路后作用在光電元件上。如光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等。防火報警、光照度計等。

光電傳感器的應用檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、

輻射測溫、氣體成份分析等；檢測能轉換成光量變化的其它非電量，如零件直徑、

表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，

以及物體的形狀、工作狀態的識別等。光電測量方法具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性、響應快等優點。

準直擴束工件表面缺陷檢測光纖有很多的優點，用它制成的光纖傳感器與常規傳感器相比也有很多特點：不受電磁場干擾、傳輸信號安全、可實現非接觸測量，高靈敏度、高精度、高速度、高密度、耐腐蝕、可撓曲、體積小、結構簡單，適應各種惡劣環境下使用以及非破壞性和使用簡便等等一些優點。光纖傳感器可應用于位移、振動、轉動、壓力、彎曲、應變、速度、加速度、電流、磁場、電壓、濕度、溫度、聲場、流量、濃度、pH值等

物理量的測量。光纖傳感器一、光纖的結構光纖是用光透射率高的電介質（如石英、玻璃、塑料等）構成的光通路。纖芯：折射率n1較大（光密介質）包層：折射率n2較小（光疏介質）光纖的基本結構

n1>n2由Snell定律可以導出光線由空氣(n0=1)射入纖芯時實現全反射的臨界角(始端最大入射角)：NA為數值孔徑，是衡量光纖集光性能的主要參數。無論光源發射功率多大，只有2θc張角內的光才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖的集光能力愈強。產品光纖通常不給出折射率，只給出NA。例如，石英光纖的NA=0.2～0.4。(NumericalAperture)三、光纖的種類按纖芯和包層材料性質可分為玻璃光纖和塑料光纖；按光纖的傳播模式可分為多模光纖和單模光纖。按折射率可分為階躍型光纖和漸變型光纖。

階躍型光纖纖芯的折射率不隨半徑而變，但在纖芯與包層界面處折射率有突變。漸變型光纖纖芯的折射率沿徑向由中心向外呈拋物線由大漸小，至界面處與包層折射率一致。這類光纖有聚焦作用（自聚焦光纖）；光線傳播的軌跡近似于正弦波。光在光纖中的傳播軌跡四、光纖傳感器的工作原理按工作原理，光纖傳感器可分為：功能型(FF型、物性型、傳感型)FunctionalFiber光纖不僅作為光傳播的波導而且具有測量的功能。可以利用外界物理因素改變光纖中光的振幅、相位、偏振態、波長，從而對外界物理因素進行測量和數據傳輸。

可分為振幅調制型、相位調制型、偏振態調制型、波長調制型。非功能型(NFF型、結構型、傳光型)Non-FunctionalFiber光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其它敏感元件才能組成傳感器。微彎光纖傳感器（振幅調制）微彎損耗強度調制當垂直于光纖軸線的應力使光纖發生彎曲時，傳輸光有一部分會泄漏到包層中去。振幅調制型光纖傳感器Mach－Zehnder馬赫－曾德爾M-Z干涉儀原理（相位調制）溫度、壓力、應變等分光棱鏡相位調制型光纖傳感器光纖流速傳感器結構特點：光纖測頭端有一個圓錐體反射器。當測頭置于空氣中沒接觸液面時，光線在圓錐體內發生全反射而回到光電二極管。當測頭接觸液面時，由于液體折射率與空氣不同，全反射被破壞，有部分光線透入液體內，返回到光電二極管的光強變弱；返回光強是液體折射率的線性函數。返回光強發生突變時，表明測頭已接觸到液位。同種溶液在不同濃度時的折射率不同，經標定，這種液位傳感器也可作為濃度計。光纖液位計可用于易燃、易爆場合，但不能探測污濁液體及會粘附在測頭表面的粘稠物質。光纖液位