智能傳感與檢測(cè)技術(shù) 教案 第6章 光電式傳感器

《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》課程教案授課章節(jié)第六章光電式傳感器6.1光電式傳感器6.1.1光電效應(yīng)6.1.2光電元件及傳感器6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+討論課+案例教學(xué)+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.掌握光電效應(yīng)的概念2.掌握光電元件及傳感器3.了解光電傳感器及其應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)1.光電效應(yīng)的概念2.光電元件及傳感器教學(xué)難點(diǎn)1.光電元件及傳感器參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后將光信號(hào)作用于光電元件而轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的輸出。光電傳感器可測(cè)量的參數(shù)很多，一般情況下具有非接觸式測(cè)量的特點(diǎn)，并且光電傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很高的可靠性且動(dòng)態(tài)響應(yīng)極快。隨著激光光源、光柵、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于檢測(cè)和控制領(lǐng)域?！菏谡n內(nèi)容』6.1光電式傳感器6.1.1光電效應(yīng)光電傳感器通常是指能敏感檢測(cè)到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。【多媒體演示】多媒體課件見(jiàn)教材配套教學(xué)PPT6.1.2光電元件及傳感器光電管光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。光電管的外形如圖6-1所示。光電倍增管光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測(cè)量。如圖4-3是光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理示意圖。3.光敏電阻光敏電阻是一種電阻元件,具有靈敏度高，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)等優(yōu)點(diǎn)。4.光敏二極管光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處在于：將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射，圖6-5a所示是其結(jié)構(gòu)示意圖，它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖6-5b所示。5.光敏晶體管光敏晶體管有兩個(gè)PN結(jié)。與普通晶體管相似，也有電流增益。如圖6-6所示為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)。多數(shù)光敏晶體管的基極沒(méi)有引出線，只有正負(fù)(c、e)兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。6.光電池光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽(yáng)能直接變電能，因此又稱為太陽(yáng)能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的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)。【課堂討論】在我們?nèi)粘Ｉ钪杏心男┊a(chǎn)品用到了光電傳感器？6.1.3光電傳感器及其應(yīng)用由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多。1.煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀2.光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表光電式產(chǎn)品計(jì)數(shù)器『課堂小結(jié)』光電傳感器的應(yīng)用非常多，是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化生產(chǎn)中不可缺少的傳感器。同學(xué)們可以網(wǎng)上搜索光電傳感器的應(yīng)用實(shí)例?！鹤鳂I(yè)布置』P51頁(yè)中一、填空題1、2和二、綜合題1?！航虒W(xué)后記』授課章節(jié)6.2紅外傳感器6.3光纖傳感器6.4激光傳感器建議課時(shí)2授課方式理論知識(shí)講授+討論課+多媒體演示所屬專業(yè)教學(xué)目標(biāo)1.了解紅外線與紅外傳感器2.掌握熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理3.了解光纖傳感器及其應(yīng)用4.了解激光傳感器及其應(yīng)用教學(xué)重點(diǎn)紅外線與紅外傳感器熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理教學(xué)難點(diǎn)熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)原理參考教材《智能傳感與檢測(cè)技術(shù)》徐小華主編機(jī)械工業(yè)出版社ISBN978-7-111-76072-6教學(xué)內(nèi)容『新課導(dǎo)入』自然界的物體，例如：人體、火焰甚至于冰都會(huì)放射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長(zhǎng)不同而已。用紅外線作為檢測(cè)媒介，來(lái)測(cè)量某些非電量，比可見(jiàn)光作為媒介的檢測(cè)方法要好。其優(yōu)越性很多?！菏谡n內(nèi)容』6.2紅外傳感器6.2.1紅外傳感器概述人體的溫度為36～37℃，所放射的紅外線波長(zhǎng)為9～10（屬于遠(yuǎn)紅外線區(qū)），加熱到400～700℃的物體，其放射出的紅外線波長(zhǎng)為3～5。（屬于中紅外線區(qū)）。紅外線傳感器可以檢測(cè)到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測(cè)量、成像或控制。圖6-14為電磁波譜中的紅外線。6.2.2熱釋電紅外傳感器熱釋電效應(yīng)熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)探測(cè)元件（2）場(chǎng)效應(yīng)管匹配器（3）干涉濾光片菲涅爾透鏡6.3光纖傳感器光纖自60年代問(wèn)世以來(lái)，就在傳遞圖像和檢測(cè)技術(shù)等方面得到了應(yīng)用。利用光導(dǎo)纖維作為傳感器的研究始于70年代中期。由于光纖傳感器具有不受電磁場(chǎng)干擾、傳輸信號(hào)安全、可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，而且具有高靈敏度、高精度、高速度、高密度、適應(yīng)各種惡劣環(huán)境下使用以及非破壞性和使用簡(jiǎn)便等等一些優(yōu)點(diǎn)。無(wú)論是在電量(電流、電壓、磁場(chǎng))的測(cè)量，還是在非電物理量(位移、溫度、壓力、速度、加速度、液位、流量等)的測(cè)量方面，都取得了驚人的進(jìn)展。6.3.1光纖的結(jié)構(gòu)實(shí)用的光纖是比人的頭發(fā)絲稍粗的玻璃絲，通信用光纖的外徑一般為125～140μm。一般所說(shuō)的光纖是由纖芯和包層組成，纖芯完成信號(hào)的傳輸，包層與纖芯的折射率不同，將光信號(hào)封閉在纖芯中傳輸并起到保護(hù)纖芯的作用。工程中一般將多條光纖固定在一起構(gòu)成光纜，如圖6-18所示。6.3.2光纖傳感器1.光纖傳感器的原理光纖傳感器一般由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的接收與處理。信號(hào)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號(hào)進(jìn)行傳輸。信號(hào)的接收與處理環(huán)節(jié)，將來(lái)自光導(dǎo)纖維的信號(hào)送入測(cè)量電路，由測(cè)量電路進(jìn)行處理并輸出。2.光纖傳感器的特點(diǎn)1）靈敏度較高2）幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器3）可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；4）可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；5）而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。6.3.3光纖傳感器及其應(yīng)用光纖位移傳感器光纖液位傳感器6.4激光傳感器利用激光技術(shù)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。它由激光器、激光檢測(cè)器和測(cè)量電路組成。激光傳感器的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強(qiáng)等?！径嗝襟w演示】多媒體課件見(jiàn)教材配套教學(xué)PPT『課堂小結(jié)』紅外線檢測(cè)技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、水產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、