傳感器與檢測(cè)技術(shù)課件

1、傳感器與檢測(cè)技術(shù)Sensor and Measurement TechnologyCh0; Ch1; Ch2; Ch3; Ch4; Ch5; Ch6; Ch7; Ch8; Ch9第1頁，共66頁。光纖傳感器5132第7章 光電式傳感器光電效應(yīng)光電元件及其特性光電式傳感器測(cè)量電路光電傳感器及其應(yīng)用4光柵式傳感器786電荷耦合器件（CCD）激光式傳感器第2頁，共66頁。7.1 光電效應(yīng)由光的粒子學(xué)說可知，光可以認(rèn)為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個(gè)光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后產(chǎn)生

2、的電效應(yīng)。從傳感器的角度看光電效應(yīng)可分為三大類型。第3頁，共66頁。7.1 光電效應(yīng)7.1.1 外光電效應(yīng)指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管及光電倍增管均屬這一類。它們的光電發(fā)射極，即光明極就是用具有這種特性的材料制造的。 7.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。7.1.3光生伏特效應(yīng)利用光勢(shì)壘效應(yīng)，即在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢(shì)。第4頁，共66頁。7.2 光電器件及其特性光電管與光電倍增管光敏電阻光敏二極管和光敏三極管光電池半導(dǎo)體光電元件的特性第5頁，共66頁。7.2.1 光電管與光電倍增管結(jié)構(gòu)光電管的結(jié)構(gòu)示意圖陽極光電

3、陰極光窗入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極光電倍增管第6頁，共66頁。7.2.1 光電管與光電倍增管特性 光電特性：表示當(dāng)光電管的陽級(jí)電壓一定時(shí)，陽極電流I與入射在陰極上光通量之間的關(guān)系。光電管的光照特性255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.51第7頁，共66頁。7.2.1 光電管與光電倍增管伏安特性：當(dāng)入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關(guān)系叫伏安特性。光電管的伏安特性5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012陽極與末級(jí)倍增極間的電壓/VIA/ A第8頁，共66頁。7.2.1 光電管與光電

4、倍增管光譜特性：由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)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(zhǎng)之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。光電管尚有溫度特性、疲勞特性、慣性特性、暗電流和衰老特性等，使用時(shí)應(yīng)根據(jù)產(chǎn)品說明書和有關(guān)手冊(cè)合理選用。第9頁，共66頁。7.2.2 光敏電阻光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 光敏電阻優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問題。 第10頁，共66頁。7.2.2 光敏電阻A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)

5、電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體第11頁，共66頁。7.2.2 光敏電阻光敏電阻演示 當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)，光生電子空穴對(duì)增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第12頁，共66頁。7.2.3 光敏二極管和光敏三極管當(dāng)二極管和三極管的PN接受到光照射時(shí)，通過PN結(jié)的電流將增大。光敏二極管和光敏三極管則必須使PN結(jié)能受到最大的光照射。PN光光敏二極管符號(hào)RL 光PN光敏二極管接線第13頁，共66頁。7.2.3 光敏二極管和光敏三極管光敏三極管PPNNNPe b bc RL Eec第14頁，共66頁。7.2.3 光敏二極管和光敏三極管第15頁，共66頁。7.2.4 光電池光電池是利用光生伏特

6、效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。+光PNSiO2RL(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b) 光電池的工作原理示意圖 P N光電池的示意圖第16頁，共66頁。7.2.4 光電池光電池外形光敏面第17頁，共66頁。7.2.4 光電池其他光電池及在照度測(cè)量中的應(yīng)用柔光罩下面為圓形光電池第18頁，共66頁。7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性一、光電特性光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。第19頁，共66頁。7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性 二、伏安特性 伏安特性是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。第20

7、頁，共66頁。7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性三、光譜特性 半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。第21頁，共66頁。7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性四、頻率特性半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。204060801000I / %1234512f / kHz1硒光電池2硅光電池10000入射光調(diào)制頻率 / HZ01001000500500020406010080RL=1kRL=10kRL=100k相對(duì)靈敏度/%光敏晶體管的頻率特性第22頁，共66頁

8、。7.2.5 半導(dǎo)體光電元件的特性五、溫度特性 半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。第23頁，共66頁。7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源和測(cè)量線路。7.3.1光源發(fā)光二極管鎢絲燈泡電弧燈或石英燈激光第24頁，共66頁。7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路7.3.2 測(cè)量電路光敏電阻的基本應(yīng)用電路 a）U與光照變化趨勢(shì)相同的電路 b）U與光照變化趨勢(shì)相反的電路 第25頁，共66頁。7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路光敏二極管應(yīng)用電路 利用反相器可將光敏二極管的

9、輸出電壓轉(zhuǎn)換成TTL電平。 第26頁，共66頁。7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路光敏三極管光控繼電器電路 第27頁，共66頁。7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路光電池的應(yīng)用電路 I/U 轉(zhuǎn)換電路的輸出電壓Uo與光電流I成正比。若光電池用于微光測(cè)量時(shí)，I可能較小，則應(yīng)增加一級(jí)放大電路，并在第二級(jí)使用電位器RP微調(diào)總的放大倍數(shù)。 第28頁，共66頁。 7.4 光電傳感器及其應(yīng)用7.4.1 模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式。7.4.2 脈沖式光電傳

10、感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即通與斷的開關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。第29頁，共66頁。 7.4 光電傳感器及其應(yīng)用光電元件的測(cè)量方式第30頁，共66頁。7.5 光纖傳感器光導(dǎo)纖維光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu)第31頁，共66頁。7.5.1 光導(dǎo)纖維一、光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和傳輸原理 光導(dǎo)纖維(簡(jiǎn)稱光纖)是用比頭發(fā)絲還細(xì)的石英玻璃絲制成的，每一根光導(dǎo)纖維由一個(gè)圓柱形纖芯和色層組成，而且纖芯的折射率n1略大于色層的折射率n2，它們的相對(duì)折射率差用表示， =1- n2/ n1 通常為0.0050.14。第32頁，共66頁。7.5.1 光導(dǎo)纖維二、光導(dǎo)纖維

11、的種類 光導(dǎo)纖維按其折射變化情況分為：階躍型；漸變型按其傳輸模式多少來分類，則有單模和多模兩種第33頁，共66頁。7.5.2 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu)光纖傳感器按其工作原理來分有：功能型(或稱物性型、傳感型)其光纖不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測(cè)量的功能。它可以利用外界物理因素改變光纖中光的強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)或波長(zhǎng)，從而對(duì)外界因素進(jìn)行測(cè)量和數(shù)據(jù)傳輸?？煞譃檎穹{(diào)制型、相位調(diào)制型及偏振態(tài)調(diào)制型。非功能型(或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型) 其光纖只是作為傳光的媒介，還需加上其他敏感元件才能組成傳感器。第34頁，共66頁。7.5.2 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu)微彎光纖傳感器第35頁，共66頁。7.5.2

12、 光纖傳感器的工作原理和典型結(jié)構(gòu)光纖位移傳感器原理圖第36頁，共66頁。 7.6 電荷耦合器件CCD的工作原理CCD應(yīng)用舉例電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器，它是1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的WSBoyle和GESmith發(fā)明的，它與光敏二極管陣列集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的CCD圖象傳感器。它不僅作為高質(zhì)量固體化的攝象器件成功地應(yīng)用于廣播電視、可視電話和無線電傳真，而且在生產(chǎn)過程自動(dòng)檢測(cè)和控制等領(lǐng)域已顯示出廣闊的前景和巨大的潛力。第37頁，共66頁。7.6.1 CCD的工作原理CCD的結(jié)構(gòu)和基本原理P型Si耗盡區(qū)電荷轉(zhuǎn)移方向123輸出柵輸入柵輸入二極管輸出二極管 SiO2第38頁，共

13、66頁。7.6.1 CCD的工作原理 P1 P2 P2 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t30第39頁，共66頁。7.6.2 CCD應(yīng)用舉例鈔票檢查系統(tǒng)原理圖第40頁，共66頁。7.7 光柵式傳感器基本工作原理和計(jì)量光柵的種類莫爾條紋辨向原理及細(xì)分電路第41頁，共66頁。7.7.1 基本工作原理和計(jì)量光柵的種類一、基本工作原理 光柵傳感器的構(gòu)成原理圖第42頁，共66頁。7.7.1 基本工作原理和計(jì)量光柵的種類二、計(jì)量光柵的種類： 若按工作原理分，有物理光柵和

14、計(jì)量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者主要用于精密測(cè)量和精密機(jī)械的自動(dòng)控制中。而計(jì)量光柵按其用途可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。第43頁，共66頁。7.7.2 莫爾條紋橫向莫爾條紋相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條紋間距。 從圖中不難看出。當(dāng)光柵副間的夾角很小，且兩光柵的柵距相等，都為W時(shí)，莫爾條紋間距B為 由于值很小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋。當(dāng)0、B時(shí)，莫爾條紋隨著主光柵明暗交替變化。這時(shí)的指示光柵相當(dāng)于一個(gè)閘門的作用，故將這種條紋稱為光閘莫爾條紋。 第44頁，共66頁。7.7.3 辨向原理和細(xì)分電路 一、辨向原理 在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向

15、的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固定的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因而就不能判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向，以致不能正確測(cè)量位移。如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，并將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得的脈沖數(shù)，這樣就能得到正確的測(cè)量結(jié)果。完成這樣一個(gè)辨向任務(wù)的電路就是辨向電路。第45頁，共66頁。7.7.3 辨向原理和細(xì)分電路 二、細(xì)分電路 上述辨向邏輯電路的分辨力為一個(gè)光柵極距W，為了提高分辨力，可以增大刻線密度來減小柵距，但這種辦法受到制造工藝的限制。另一種方法是采用細(xì)分技術(shù)，使光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距時(shí)輸出均勻分布的幾個(gè)

16、脈沖，從而使分辨率提高到Wn。細(xì)分的方法有多種。第46頁，共66頁。7.8 激光式傳感器激光式傳感器按工作原理不同可分為三類：激光干涉?zhèn)鞲衅鳌⒓す庋苌鋫鞲衅骱图す鈷呙鑲鞲衅鳎渲幸约す飧缮鎮(zhèn)鞲衅鞯膽?yīng)用居多。這種傳感器是以光的干涉現(xiàn)象為基礎(chǔ)的。從物理學(xué)可知，波長(zhǎng)(頻率)相同、相位相關(guān)的兩束光具有相干性，也就是說，當(dāng)它們互相交疊時(shí)，會(huì)出現(xiàn)光強(qiáng)增強(qiáng)或減弱的現(xiàn)象，產(chǎn)生干涉條紋，利用干涉條紋隨被測(cè)長(zhǎng)度的變化而變化的原理可實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)度計(jì)量。第47頁，共66頁。第7章 本章要點(diǎn)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光電式傳感器測(cè)量電路光電式傳感器及其應(yīng)用模擬式光電傳感器脈沖式光電傳感器第48頁，共66頁。第7

17、章 本章要點(diǎn)光纖傳感器光導(dǎo)纖維光纖傳感器的工作原理電荷耦合器件(CCD)的工作原理第49頁，共66頁。DiagramThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.TitleAdd your textThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.第50頁，共66頁。 Cycle DiagramTextTextTextTextTextCycle

18、nameAdd Your Text第51頁，共66頁。DiagramTextTextTextAdd YourTitle TextText 1Text 2Text 3Text 4Text 5Add YourTitle TextText 1Text 2Text 3Text 4Text 5TextText第52頁，共66頁。DiagramConceptAdd Your TextTextTextTextTextTextText第53頁，共66頁。DiagramAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd You

19、r TextAdd Your TextAdd Your Text第54頁，共66頁。DiagramTextTextTextTitleTextTextTextAdd Your Text第55頁，共66頁。DiagramAdd Your TitleAdd Your TitleAdd Your TitleThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall develo

20、ped by Guild Design Inc.ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall developed by Guild Design Inc.第56頁，共66頁。DiagramAdd Your TitleTextTextTextText第57頁，共66頁。 Cycle DiagramConceptBECDAAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your TextAdd Your Text第58頁，共66頁。Diagram1ThemeGallery is a Design Digital Content & Contents mall