第七章光電式傳感器光電式傳感器組成框圖組成：光電式傳感器一般由輻射源、光學通路和光電器件組成。光電式傳感器組成框圖被測量通過輻射源或者光學通路將待測信息調制到光波上，使光波的強度、相位或頻譜等發生改變，然后通過光電器件將光信號轉換為電信號。電信號經后續電路解調分離出被測量信息，以實現測量。工作原理：特點頻譜寬（5×1013Hz—3×1018Hz

）不受電磁干擾的影響非接觸測量高精度、高分辨力、高可靠性反應快應用檢測、控制領域第一節光源光源是光電式傳感器的重要組成部分。 光源相當于電路系統的激勵信號，如果沒有光源，則光電式傳感器就無法工作。選擇光源要考慮哪些因素？ 波長 譜分布 相干性 體積 造價 功率常見的光源有哪幾類？自然光源－－太陽光、天空光

人工光源－－熱輻射光源氣體放電光源激光光源電致發光光源一、熱輻射光源什么是熱輻射光源？熱物體都會向空間發出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。哪些光源屬于熱輻射光源？白熾燈鹵鎢燈熱輻射光源的峰值波長與什么有關？物體溫度越高，輻射能量越大，波長越短。熱輻射光源有哪些特點？輸出功率大響應速度慢，調制頻率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脈沖調制。白熾燈為可見光源，峰值波長在近紅外區域，可用作近紅外光源。二、氣體放電光源什么是氣體放電光源？電流通過氣體會產生發光現象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜與什么有關？其光譜是不連續的，光譜與氣體的種類及放電條件有關。哪些光源屬于氣體放電光源？低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈、氙燈統稱為光譜燈，常用作單色光源。三、電致發光器件－－發光二極管什么是電致發光器件？固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光，它是將電能直接轉換成光能的過程。利用這種現象制成的器件稱為電致發光器件。哪些器件屬于電致發光器件？主要有發光二極管、半導體激光器、電致發光屏等。結構：發光二極管的發光強度與電流成正比： 這個點亮電流約在10mA左右，太大會引起輸出光強飽和，甚至損壞器件，使用時常串連一限流電阻。電極控制層N型半導體電極絕緣層P型半導體限流電阻值的計算？發光二極管有哪些優點？體積小壽命長工作電壓低響應速度快發熱小四、激光器激光器laser，是“光受激輻射放大”的縮寫，即lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.某些物質的分子、原子、離子吸收外界特定能量，從低能級躍遷到高能級上，如果處于高能級的粒子數大于低能級上的粒子數，就形成了粒子數反轉，在特定頻率的光子激發下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發射出與激發光子頻率相同的光子。由于單位時間受激發射光子數遠大于激發光子數，因此上述現象稱為光的受激輻射放大。具有這種功能的器件稱為激光器。激光器有哪些優點？單色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪幾種？固體激光器（紅寶石）氣體激光器（He-Ne）,（CO2，遠紅外光源）半導體激光器（體積小，能量高，電源簡單）液體激光器第二節光電效應和光電器件光電器件的作用：將光信號轉變為電信號。其工作的物理基礎是光電效應。光電效應的類型有：外光電效應內光電效應阻擋層光電效應(光生伏特效應)3.阻擋層光電效應：在光的作用下，使光電器件產生一定方向的電動勢。器件：光電池，光敏二極管、光敏三極管。2.內光電效應：在光的作用下，使光電器件的電阻率變化。器件：光敏電阻。外光電效應:在光線作用下使物體的電子逸出表面的現象。

器件：光電管、光電倍增管。光電器件—1光電管當陰極受到適當波長的光線照射時便發射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。上一頁下一頁返回真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構造和真空光電管基本相同，所不同的僅僅是在玻璃泡內充以少量的惰性氣體.優點是靈敏度高.但其靈敏度隨電壓變化的穩定性、頻率特性等都比真空光電管差

上一頁下一頁返回2光電倍增管在入射光極為微弱時，光電管能產生的光電流比較小光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極K+若干倍增極+陽極A上一頁下一頁返回光電倍增管的結構與工作原理光電陰極光電倍增極陽極 倍增極上涂有Sb（銻）-Cs（銫

）或Ag-Mg等光敏材料， 陰極發射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發射。 二次電子發射系數σ=二次發射電子數／入射電子數 若倍增極有n，則倍增率為σn。上一頁下一頁返回3光敏電阻當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加上一頁下一頁返回工作原理光敏電阻的結構1.玻璃2.光電導層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。上一頁下一頁返回半導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層。因此光敏電阻的電極一般采用梳狀，提高光敏電阻的靈敏度。光敏電阻優點：靈敏度高，光譜特性好，光譜響應從紫外區一直到紅外區。而且體積小、重量輕、性能穩定上一頁下一頁返回梳狀電極

光敏電阻的主要參數

（1）暗電阻和暗電流

光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。

（2）亮電阻和亮電流

光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。

（3）光電流

亮電流與暗電流之差，稱為光電流。上一頁下一頁返回光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應時間（5）溫度特性上一頁下一頁返回（1）伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現象；在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大。上一頁下一頁返回lx：光照度的單位，勒克斯

（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強之間的關系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統中用作開關式光電信號傳感元件。上一頁下一頁返回應用：光照度計——農作物日照時間測定光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級,亮電阻在幾千歐以下。無光照V0=VL，有光照V0=VH。輸出V0接單片機的I/O口，每2分鐘查詢1次，為高電平，計數1次，為低電平，不計數。1天查詢720次。

VHVLRw阻值的選擇？（3）光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回（4）響應時間光電導的弛豫現象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。通常用響應時間t表示。t=0.5(t1+t2)上一頁下一頁返回(ms)（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性

上一頁下一頁返回4光敏二極管和光敏晶體管(1)工作原理(2)基本特性上一頁下一頁返回工作原理結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中。 在電路中一般是處于反向工作狀態（PN結反偏）

光敏二極管上一頁下一頁返回沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,二極管處于截止狀態。

當光照射在PN結上時,光子打在PN結附近,使PN結附近產生光生電子和光生空穴對。它們在PN結處的內電場作用下作定向運動,形成光電流。二極管處于導通狀態。光的強度越大,光電流越大。光電二極管的應用——光電路燈控制電路

光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個pn結。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。

上一頁下一頁返回5光電池有光線作用下實質上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。

上一頁下一頁返回mV工作原理直接將光能轉換為電能的光電器件，是一個大面積的pn結。當光照射到pn結上時，便在pn結的兩端產生電動勢(p區為正，n區為負)。將pn結兩端用導線連接起來，就有電流流過，電流的方向由P區流經外電路至n區。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。上一頁下一頁返回（1）光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的上一頁下一頁返回(2)光照特性

不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的。光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用。上一頁下一頁返回光電池的電流

外接負載電阻情況下的電流值。負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬上一頁下一頁返回(3)頻率響應指輸出電流隨調制光頻率變化的關系硅光電池具有較高的頻率響應,用于高速計數的光電轉換上一頁下一頁返回

(4)溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。關系到應用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標硅光電池的溫度特性(照度1000lx)上一頁下一頁返回

(5)穩定性當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩定的。 硅光電池的性能比硒光電池更穩定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環境條件上一頁下一頁返回光電池的應用——自動干手器工作原理： 手放入干手器時，會遮住燈泡發出的光，光電池不受光照，晶體管發射結正偏而導通，繼電器吸合。風機和電熱絲通電，熱風吹出烘手。 手干抽出后，燈泡發出光直接照射到光電池上，產生光生電動勢，使三極管發射結反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風機和電熱絲的電源。BG2BG1+12VCJR1R2圖1：光電開關例：圖1所示電路為光電開關，多用于自動控制系統中。無光照時，系統處于某一工作狀態，如通態或斷態。當光電池受光照射時，產生較高的電動勢，只要光強大于某一設定的閾值，系統就改變工作狀態，達到開關目的。其他光電器件1．光電耦合器——光耦光電耦合器的發光和接收光元件都封裝在一個外殼內,一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。

發光元件為發光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實現輸入電信號耦合到輸出端。

受光元件為光敏三極管受光元件為光敏可控硅②強弱電隔離——弱電控制強電 輸入輸出極之間絕緣電阻達1010Ω數量級，耐壓達2000V以上。能避免輸出端強電對輸入端的干擾，可實現弱電控制強電。①用于數字信號的隔離 隔離用在關鍵重要的電路中，起保護作用，與外界輸入輸出進行隔離，這樣即使在誤操作或人為失誤的情況下也不至于損壞核心電路。光耦的作用光電耦合器的組合形式

(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結構簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內。該形式采用高速開關管構成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。(a)(b)(a)(b)光電耦合器開關比機械觸點開關具有高速性和可靠性的雙重優點。2.光電開關光電開關在制造業自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置。 可實現限位控制、產品計數、料位檢測、越限安全報警等用途。

利用輸出電平的狀態判斷有無被測物。光電開關結構：透射式和反射式基本電路（透射式） （a)(b)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。

6光電式傳感器的應用上一頁下一頁返回（1）．脈沖式光電傳感器（2）．煙塵濁度監測儀（1）．脈沖式光電傳感器 輸出僅有兩個穩定狀態，也就是“通”與“斷”的開關狀態。 光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。上一頁下一頁返回光電式數字轉速表上一頁返回測電機轉速防止工業煙塵污染是環保的重要任務之一。為了消除工業煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監測、自動顯示和超標報警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。（2）．煙塵濁度監測儀平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器吸收式煙塵濁度檢測系統原理圖煙道第三節光纖傳感器

光纖傳感器(FOSFiberOpticalSensor)是利用光在光纖中傳播特性的變化來測量它所受環境的變化，從而得到被測信號大小。

光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。優點：抗電磁干擾能力強。光纖直徑只有幾微米到幾百微米，而且光纖柔軟性好，可深入到機器內部或人體彎曲的內臟等常規傳感器不宜到達的部位進行檢測。測量參數有： 位移、速度、加速度、液位、應變、力、流量、振動、水聲、溫度、磁場和化學物質等。1、光纖結構 由纖芯和包層組成（纖芯折射率n1>包層折射率n2)。最外層為一層尼龍保護套。2、傳輸原理

光纖傳輸光的基礎是光的全內反射。知識回顧——折射定律 光線在兩種不同介質的分界面上會產生折射現象。折射定律告訴我們：式中：n1和n2為折射率，θi、θr為入射角和折射角。所以：當光由光密介質入射至光疏介質時，在一定條件下會發生全反射。（這時沒有折射）（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態：（c）全反射：由圖可知：（1）光纖傳輸光就是利用光的全反射 光由纖芯到包層表面，由光的折射定律：

并且在光纖內部以同樣的角度反復逐次全反射，直至傳播到另一端面。由誰來決定呢？（2）數值孔徑NA光由空氣射入光纖端面，與軸成角。根據折射定律： 這樣可確保入射光在光纖內的全反射，即光在纖芯內無損耗的傳輸。

NA是光纖的一個重要參數，NA值越大，外部入射光的入射范圍越大，表明光源到光纖的耦合效率越高，無論光源發射功率多大，只有2內的光才能被光纖接受，能夠全反射傳輸。

NA表示當入射光從折射率為n0的外部介質進入光纖時，只有入射角小于的光才能在光纖中傳播。否則，光線會從包層中逸出而產生露光。光纖傳感器結構原理把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置光纖傳感器光學測量的基本原理光是一種電磁波光的電矢量式：被測量調制可通過：光的強度、偏振態（矢量B的方向）、頻率和相位解調：光的強度解調、偏振解調、頻率解調或相位解調光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式(1)光纖在傳感器中的作用(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器 光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。

優點：結構緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺（測角速率

）、光纖水聽器（測水聲）(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。

優點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返回(2)根據光受被測對象的調制形式(a)強度調制型光纖傳感器(b)偏振調制光纖傳感器(c)頻率調制光纖傳感器(d)相位調制傳感器上一頁下一頁返回(a)強度調制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。應用：壓力、振動、位移、氣體優點:

結構簡單、容易實現、成本低。缺點:

易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回（b）偏振調制光