項(xiàng)目七位置檢測【項(xiàng)目目標(biāo)】【項(xiàng)目知識】【項(xiàng)目實(shí)踐】【項(xiàng)目小結(jié)】【項(xiàng)目目標(biāo)】

1.知識要點(diǎn)

了解電感接近開關(guān)、電容接近開關(guān)、光電開關(guān)等接近開關(guān)的基本結(jié)構(gòu)、原理、特性參數(shù)；了解光敏電阻、光敏晶體管和光電池的基本原理和特性參數(shù)。

2.技能要點(diǎn)

要求學(xué)會(huì)電感接近開關(guān)、電容接近開關(guān)、光電開關(guān)的選型和應(yīng)用，會(huì)使用這些傳感器檢測物體；學(xué)會(huì)光敏電阻、光電池等光電傳感器的應(yīng)用。

3.任務(wù)目標(biāo)

選型一種接近開關(guān)，檢測直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。【項(xiàng)目知識】

一、接近開關(guān)

(一)接近開關(guān)的概念

接近開關(guān)是一種具有感知物體接近能力的器件。它利用位移傳感器對接近的物體具有的敏感特性來識別物體的接近，并輸出相應(yīng)的開關(guān)信號，如圖7-1所示。常見的接近開關(guān)有電容式、電感式、渦流式、霍爾式、光電式、熱釋電式、多普勒式、電磁感應(yīng)式及微波式、超聲波式等。

圖7-1接近開關(guān)檢測物體示意圖(二)接近開關(guān)術(shù)語

1.接近開關(guān)的常用術(shù)語

(1)檢測距離：檢測距離是指檢測體按一定方式移動(dòng)時(shí)，從基準(zhǔn)位置(接近開關(guān)的感應(yīng)表面)到開關(guān)動(dòng)作時(shí)測得的基準(zhǔn)位置到檢測面的空間距離。額定動(dòng)作距離指接近開關(guān)檢測距離的標(biāo)稱值。

(2)設(shè)定距離：接近開關(guān)在實(shí)際工作中整定的距離，一般為額定動(dòng)作距離的0.8倍。

(3)回差值：傳感器接通位置與復(fù)位位置之間的距離，也叫應(yīng)差距離。

注意：以上三個(gè)術(shù)語可參見圖7-2進(jìn)行理解，在安裝的時(shí)候根據(jù)傳感器這三個(gè)參數(shù)調(diào)整傳感器和被測物體之間的距離。圖7-2接近開關(guān)檢測距離示意圖

(4)標(biāo)準(zhǔn)檢測體：可使接近開關(guān)作比較的金屬檢測體。電感式接近開關(guān)可采用的正方形的A3鋼檢測體，厚度為1mm，所采用的邊長是接近開關(guān)檢測面的2.5倍。

(5)輸出狀態(tài)：分常開(NO)和常閉(NC)。當(dāng)無檢測物體時(shí)，常開型的接近開關(guān)所接通的負(fù)載，由于接近開關(guān)內(nèi)部的輸出晶體管的截止而不工作，當(dāng)檢測到物體時(shí)，晶體管導(dǎo)通，負(fù)載得電工作。常閉型的接近開關(guān)動(dòng)作與常開型相反。

(6)檢測方式：分埋入式和非埋入式。埋入式的接近開關(guān)在安裝上為齊平安裝型，可與安裝的金屬物件形成同一表面，非埋入式的接近開關(guān)則需把感應(yīng)頭露出，以達(dá)到其長檢測距離的目的。檢測方式如圖7-3所示。圖7-3接近開關(guān)檢測方式示意圖

(7)響應(yīng)頻率f：在規(guī)定的1s的時(shí)間間隔內(nèi)，接近開關(guān)動(dòng)作循環(huán)的次數(shù)。

(8)響應(yīng)時(shí)間t：接近開關(guān)檢測到物體時(shí)間到接近開關(guān)出現(xiàn)電平狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的時(shí)間之差。響應(yīng)時(shí)間與響應(yīng)頻率之間的關(guān)系可用公式t=1/f進(jìn)行換算。需要注意的是，在測量高速電機(jī)轉(zhuǎn)速的時(shí)候，要選擇高響應(yīng)頻率的接近開關(guān)。

(9)導(dǎo)通壓降：既接近開關(guān)在導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，開關(guān)內(nèi)輸出晶體管上的電壓降。

(10)輸出形式：分NPN二線、NPN三線、NPN四線、PNP二線、PNP三線、PNP四線、DC二線、AC二線、AC五線(自帶繼電器)等幾種常用的形式，如圖7-4所示。圖7-4接近開關(guān)輸出形式

2.接近開關(guān)參數(shù)表

接近開關(guān)的術(shù)語在選擇傳感器的時(shí)候非常有用，除了以上術(shù)語，還有一些其它的術(shù)語。表7-1所示為歐姆龍直流三線式接近開關(guān)的完整參數(shù)表。(三)常見的接近開關(guān)

1.電感式接近開關(guān)

電感式接近開關(guān)由感應(yīng)磁罐、高頻振蕩電路、檢波電路、信號處理電路及開關(guān)量輸出電路組成，如圖7-5所示。檢測用感應(yīng)磁罐線圈為敏感元件，它是振蕩電路的一個(gè)組成部分，振蕩頻率與電感的關(guān)系如式7-1所示。當(dāng)檢測線圈通以交流電時(shí)，在檢測線圈的周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變的磁場，當(dāng)金屬物體接近檢測線圈時(shí)，金屬物體就會(huì)產(chǎn)生電渦流而吸收磁場能量，使檢測線圈的電感L增加，從而使振蕩電路的振蕩頻率減小，以至停振。振蕩與停振這兩種狀態(tài)經(jīng)檢測電路轉(zhuǎn)換成開關(guān)信號輸出。(7-1)圖7-5電感式接近開關(guān)框圖電感式接近開關(guān)的實(shí)物圖如圖7-6所示。圖7-6電感式接近開關(guān)

2.電容式接近開關(guān)

電容式接近開關(guān)是以電極為檢測端的靜電電容式接近開關(guān)(其實(shí)物如圖7-7所示)，它由振蕩電路、F/V轉(zhuǎn)換電路、信號處理電路及開關(guān)量輸出電路組成，如圖7-8所示。平時(shí)檢測電極與大地之間存在一定的電容量，它成為振蕩電路的一個(gè)組成部分。振蕩電路的頻率為公式(7-1)。當(dāng)被檢測電極接近檢測電極時(shí)，由于檢測電極加有電壓，檢測電極就會(huì)受到靜電感應(yīng)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象。被測物體越靠近檢測電極，檢測電極上的電荷就越多。由于檢測電極的靜電電容為C=Q/V，所以電荷的增多，使檢測電極電容C隨之增大，進(jìn)而又使振蕩電路的振蕩減弱，甚至停止振蕩。振蕩電路的振蕩與停振這兩種狀態(tài)被檢測電路轉(zhuǎn)換為開關(guān)信號后向外輸出。圖7-7電容接近開關(guān)圖7-8電容式接近開關(guān)框圖

3.霍爾式接近開關(guān)

霍爾元件是一種磁敏元件。利用霍爾元件做成的開關(guān)，叫做霍爾式接近開關(guān)。其原理在項(xiàng)目六中已經(jīng)介紹。當(dāng)磁性物件移近霍爾開關(guān)時(shí)，開關(guān)檢測面上的霍爾元件因產(chǎn)生霍爾效應(yīng)而使開關(guān)內(nèi)部電路狀態(tài)發(fā)生變化，由此識別附近是否有磁性物體存在，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。

霍爾式接近開關(guān)既有霍爾開關(guān)元件所具有的無觸點(diǎn)、無開關(guān)瞬態(tài)抖動(dòng)、高可靠和長壽命等特點(diǎn)，又有很強(qiáng)的負(fù)載能力和廣泛的作用，特別是在惡劣環(huán)境下，它比目前使用的電感式、電容式、光電式等接近開關(guān)具有更強(qiáng)的抗干擾能力?；魻栭_關(guān)實(shí)物如圖7-9所示。圖7-9霍爾開關(guān)實(shí)物圖

4.磁性開關(guān)

磁性開關(guān)采用磁通門技術(shù)制作感應(yīng)探頭，輸入一定頻率的勵(lì)磁電流，在沒有檢測到永磁鐵的磁場時(shí)，沒有輸出信號。當(dāng)被檢測物體(永磁鐵)移動(dòng)至檢測區(qū)域時(shí)，磁場產(chǎn)生感應(yīng)電流，與勵(lì)磁電流迭加，產(chǎn)生一個(gè)信號脈沖，感應(yīng)線圈將這個(gè)脈沖輸入到IC里進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)一個(gè)開關(guān)三極管，使之導(dǎo)通，啟動(dòng)一個(gè)繼電器動(dòng)作，并輸出信號。表7-2為一些磁性開關(guān)的參數(shù)表。

磁性開關(guān)實(shí)物如圖7-10所示。圖7-10磁性開關(guān)實(shí)物圖

5.光電式開關(guān)

1)光電式開關(guān)的概念

光電式開關(guān)(光電傳感器)是光電接近開關(guān)的簡稱，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而被檢測物體有無的。被測物體不限于金屬，所有能反射光線的物體均可被檢測。多數(shù)光電開關(guān)選用的是波長接近可見光的紅外線光波型，也有選用激光作為光波。

2)光電式開關(guān)的分類

(1)對射型光電開關(guān)。

如圖7-11(a)所示，對射型光電開關(guān)包含了在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進(jìn)入接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。當(dāng)被檢測物體為不透明時(shí)，對射式光電開關(guān)是最可靠的檢測模式。對射型光電開關(guān)檢測距離最大可達(dá)十幾米。

(2)鏡反射型光電開關(guān)。

如圖7-11(b)所示，鏡反射型光電開關(guān)集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過且完全阻斷光線時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了檢測開關(guān)信號。

在使用時(shí)需要單側(cè)安裝，但反射鏡型安裝時(shí)應(yīng)根據(jù)被測物體的距離調(diào)整反射鏡的角度以取得最佳的反射效果。鏡反射型開關(guān)的檢測距一般為幾米。圖7-11光電傳感器類型

(3)漫反射型光電開關(guān)。

如圖7-11(c)所示，漫反射式光電開關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，被檢測物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號。

當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測傳感器。只要不是全黑的物體均能產(chǎn)生漫反射，漫反射型的檢測距離更小，只有幾百毫米。

(4)槽式光電開關(guān)。

如圖7-12所示，槽式光電開關(guān)通常采用標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，其發(fā)射器和接收器分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)量信號。槽式光電開關(guān)比較適合檢測高速運(yùn)動(dòng)的物體，并且它能分辨透明與半透明物體，使用安全、可靠。

(5)光纖式光電開關(guān)。

光纖式光電開關(guān)采用塑料或玻璃光纖傳感器來引導(dǎo)光線，可以對距離遠(yuǎn)的被檢測物體進(jìn)行檢測。通常光纖式光電開關(guān)分為對射式和漫反射式兩種。圖7-12槽式和光纖式光電開關(guān)

3)光電開關(guān)的常用術(shù)語

光電開關(guān)的常用術(shù)語檢測距離、回差、響應(yīng)頻率、輸出狀態(tài)、輸出形式和前面接近開關(guān)的術(shù)語相同。此外，光電開關(guān)有以下幾個(gè)專用的術(shù)語。

(1)指向角。

指向角是指對射型、回歸反射型作為光電開關(guān)可動(dòng)作的角度范圍。表7-3所示為三種光電開關(guān)的指向角示意圖。

(2)檢測方式。

根據(jù)光電開關(guān)在檢測物體時(shí)發(fā)射器所發(fā)出的光線被折回到接收器的途徑的不同，可分為漫反射式、鏡反射式、對射式等三種。

(3)表面反射率。

漫反射型光電開關(guān)發(fā)出的光線需要經(jīng)檢測物表面才能反射回漫反射型開關(guān)的接受器，所以檢測距離和被檢測物體的表面反射率將決定接受器接收到光線的強(qiáng)度。粗糙的表面反射回的光線強(qiáng)度必將小于光滑表面反射回的強(qiáng)度，而且，被檢測物體的表面必須垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。常用材料的反射率如表7-4所示。

(4)環(huán)境特性。

光電式開關(guān)應(yīng)用的環(huán)境亦會(huì)影響其長期工作的可靠性。當(dāng)光電式開關(guān)工作于最大檢測距離狀態(tài)時(shí)，由于光學(xué)透鏡會(huì)被環(huán)境中的污物粘住，甚至?xí)灰恍?qiáng)酸性物質(zhì)腐蝕，以至其使用參數(shù)和可靠性降低。較簡便的解決方法就是根據(jù)光電式開關(guān)的最大檢測距離(Sn)降額使用來確定最佳工作距離。

6.其它接近開關(guān)

當(dāng)觀察者或系統(tǒng)對波源的距離發(fā)生改變時(shí)，接近到的波的頻率會(huì)發(fā)生偏移，這種現(xiàn)象稱為多

普勒效應(yīng)。聲納和雷達(dá)就是利用這個(gè)效應(yīng)的原理制成的。利用多普勒效應(yīng)可制成超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)等。當(dāng)有物體移近時(shí)，接近開關(guān)接收到的反射信號會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移，由此可以識別出有無物體接近。(四)接近開關(guān)選型

1.選型原則

對于不同材質(zhì)的檢測體和不同的檢測距離，應(yīng)選用不同類型的接近開關(guān)，以使其在系統(tǒng)中具有高的性能價(jià)格比，為此在選型中應(yīng)遵循以下原則：

(1)當(dāng)檢測體為金屬材料時(shí)，應(yīng)選用高頻振蕩型接近開關(guān)。該類型接近開關(guān)對鐵鎳、A3鋼類檢測體檢測最靈敏，對鋁、黃銅和不銹鋼類檢測體，其檢測靈敏度就低。

(2)當(dāng)檢測體為非金屬材料如木材、紙張、塑料、玻璃和水等時(shí)，應(yīng)選用電容式接近開關(guān)。

(3)對金屬體和非金屬進(jìn)行遠(yuǎn)距離檢測和控制時(shí)，應(yīng)選用光電式接近開關(guān)或超聲波型接近開關(guān)。

(4)對于檢測體為金屬時(shí)，若檢測靈敏度要求不高時(shí)，可選用價(jià)格低廉的磁性接近開關(guān)或霍爾式接近開關(guān)。

2.注意事項(xiàng)

在一般的工業(yè)生產(chǎn)場所，通常都選用渦流式接近開關(guān)和電容式接近開關(guān)。因?yàn)檫@兩種接近開關(guān)對環(huán)境的要求條件較低。

當(dāng)被測對象是導(dǎo)電物體或可以固定在一塊金屬物上的物體時(shí)，一般都選用渦流式接近開關(guān)，因?yàn)樗捻憫?yīng)頻率高、抗環(huán)境干擾性能好、應(yīng)用范圍廣、價(jià)格較低。

若被測對象是非金屬(或金屬)、液位高度、粉狀物高度、塑料、煙草等，則應(yīng)選用電容式接近開關(guān)。這種開關(guān)的響應(yīng)頻率低，但穩(wěn)定性好。安裝時(shí)應(yīng)考慮環(huán)境因素的影響。

若被測物為導(dǎo)磁材料，或者為了區(qū)別和它在同時(shí)運(yùn)動(dòng)的物體而把磁鋼埋在被測物體內(nèi)時(shí)，應(yīng)選用霍爾式接近開關(guān)，它的價(jià)格最低。在環(huán)境條件比較好、無粉塵污染的場合，可采用光電式接近開關(guān)。光電式接近開關(guān)工作時(shí)對被測對象幾乎無任何影響，因此，在要求較高的傳真機(jī)和煙草機(jī)械上都被廣泛的使用。

在防盜系統(tǒng)中，自動(dòng)門通常使用熱釋電接近開關(guān)、超聲波接近開關(guān)、微波接近開關(guān)。有時(shí)為了提高識別的可靠性，上述幾種接近開關(guān)往往被復(fù)合使用。

無論選用哪種接近開關(guān)，都應(yīng)注意對工作電壓、負(fù)載電流、響應(yīng)頻率、檢測距離等各項(xiàng)指標(biāo)的要求。二、光電傳感器

(一)光電基礎(chǔ)知識

1.光譜知識

光波：波長為10~106nm的電磁波。

可見光：波長380~780nm。

紫外線：波長10~380nm，其中：波長300~380nm稱為近紫外線；波長200~300nm稱為遠(yuǎn)紫外線；波長10~200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線。

紅外線：波長780~106nm。其中：波長3μm(即3000nm)以下的稱為近紅外線；波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。

光譜分布如圖7-13所示。圖7-13電磁波光譜圖

2.光源

能夠發(fā)光的器件稱為光源。光源分為自然光源(太陽光)和人工光源(熱輻射光源、氣體放電光源、激光器、電致發(fā)光器件)兩類。

1)熱輻射光源

熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源，如白熾燈、鹵鎢燈。熱輻射光源的峰值波長與物體溫度有關(guān)，物體溫度越高，輻射能量越大，波長越短。

2)氣體放電光源

電流通過氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)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是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類以及放電條件有關(guān)。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈統(tǒng)稱為光譜燈，還有氙燈都屬于氣體放電光源。

3)電致發(fā)光器件

固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件。發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、電致發(fā)光屏等屬于電致發(fā)光器件。發(fā)光二極管具有體積小、壽命長(50000h)、工作電壓低、響應(yīng)速度快、發(fā)熱小等優(yōu)點(diǎn)，在單片機(jī)應(yīng)用項(xiàng)目中使用較多。發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比，這個(gè)電流約在幾十毫安之內(nèi)，太大會(huì)引起輸出光強(qiáng)飽和，甚至損壞器件，使用時(shí)常串連一個(gè)電阻。

4)激光器

激光器英文稱為LASER，是“光受激輻射放大”的縮寫，即LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation。某些物質(zhì)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(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子。由于單位時(shí)間受激發(fā)射光子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)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。激光器有單色性好、方向性好、亮度高、相干性好等優(yōu)點(diǎn)。常用的激光器有以下四種：

(1)固體激光器(紅寶石)。

(2)氣體激光器(He-Ne，CO2，遠(yuǎn)紅外光源)。

(3)半導(dǎo)體激光器(體積小，能量高，電源簡單)。

(4)液體激光器。

3.光電效應(yīng)

光電傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器。利用這種傳感器測量非電量時(shí)，只需將這些非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化而進(jìn)行檢測。光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快等特點(diǎn)。

光具有波粒二象性，光的粒子學(xué)說認(rèn)為光是由一群光子組成的，每一個(gè)光子具有一定的能量，光子的能量E=hf，其中h為普朗克常數(shù)，其值為6.626×10-34Js，f為光的頻率。因此，光的頻率越高，光子的能量也就越大。光照射在物體上會(huì)產(chǎn)生一系列的物理或化學(xué)效應(yīng)。例如光合效應(yīng)、光熱效應(yīng)、光電效應(yīng)等。光電傳感器的理論基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)，即光照射在某一物體上，可以看做物體受到一連串能量為hf的光子所轟擊，被照射物體的材料吸收了光子的能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象。

根據(jù)產(chǎn)生電效應(yīng)的不同，光電效應(yīng)大致可以分為二大類：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)，其中內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。

1)外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的物理現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射效應(yīng)。逸出來的電子稱為光電子。外光電效應(yīng)可用愛因斯坦(德國物理學(xué)家，他用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并因此獲得了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng))的光電方程來描述：

(1/2)mv2=hf－W

(7-3)

式(7-3)中：m為電子質(zhì)量；v為電子逸出物體表面的初速度；hf為光子能量；W為金屬材料的逸出功(金屬表面對電子的束縛)。

2)內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射在物體上使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。

(1)光電導(dǎo)效應(yīng)。

在光線作用下電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。

(2)光生伏特效應(yīng)。

在光線作用下物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元器件是光電池。(二)光電傳感器

1.光電器件

1)光電管和光電倍增管

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。

(1)光電管。

①光電管結(jié)構(gòu)。

有真空光電管和充氣光電管，或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖7-14所示。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。圖7-14光電管結(jié)構(gòu)圖在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。

②主要性能。

光電管的伏安特性。

在一定的光照射下，光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。真空光電管的伏安特性如圖7-15所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。圖7-15真空光電管的伏安特性光電管的光照特性。

當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之間比)稱為光電管的靈敏度。

光電管光譜特性。

由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率f0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率f0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會(huì)不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。

(2)光電倍增管。由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管。

①光電倍增管結(jié)構(gòu)。

光電倍增管結(jié)構(gòu)如圖7-16所示。圖7-16光電倍增管結(jié)構(gòu)圖②主要參數(shù)。

倍增系數(shù)M。

倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次電子發(fā)射電子δi的乘積。如果n個(gè)倍增電極的δi都一樣，則M=δi，因此，陽極電流I為：I=iδni。M與所加電壓有關(guān)，一般在106~108之間。如果電壓有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極的電壓為1000~2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為50~100V。

陰極靈敏度和總靈敏度。一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度，而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。

光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖7-17所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。

光譜特性。

光電倍增管的光譜特性與相同材料光電管的光譜特性很相似。暗電流及本底電流。

當(dāng)管子不受光照，但極間加入電壓時(shí)在陽極上會(huì)收集到電子，這時(shí)的電流稱為暗電流。如果光電倍增管與閃爍體放在一起，在完全避光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的。本底電流具有脈沖形式，因此也稱為本底脈沖。圖7-17光電倍增管特性曲線圖7-18光敏電阻的結(jié)構(gòu)

2)光敏電阻

(1)光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理。

光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是內(nèi)光電效應(yīng)器件，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻以硫化鎘制成，所以簡稱為CDS。其結(jié)構(gòu)如圖7-18所示。

光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流(暗電流)很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)，它的阻值(亮電阻)急劇減少，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。

(2)光敏電阻的主要參數(shù)。

①暗電阻：光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過的電流稱為暗電流。

②亮電阻：光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻，此時(shí)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。

(3)光敏電阻的基本特性。

①伏安特性。在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安特性。圖7-19所示為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。

②光譜特性。

光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。圖7-20所示為幾種不同材料光敏電阻的光譜特性。對應(yīng)于不同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的。圖7-19硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線圖7-20幾種不同材料光敏電阻的光譜特性③光照特性。

光敏電阻的光照特性是光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系，如圖7-21所示。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(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。

④溫度特性。

光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，尤其是紅外區(qū)的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。圖7-22所示為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線。圖7-21光敏電阻的光照特性曲線圖7-22硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線⑤光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間和頻率特性。實(shí)驗(yàn)證明，光電流的變化對于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后，通常用時(shí)間

常數(shù)t來描述，這叫做光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象。所謂時(shí)間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降到原來的63%所需的時(shí)間，因此，t越小，響應(yīng)越迅速。但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，這是它的缺點(diǎn)之一。圖7-23所示為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。圖7-23光敏電阻的頻率特性圖7-24光敏電阻光照度計(jì)

(4)光敏電阻的應(yīng)用。

①光敏電阻照度計(jì)。

圖7-24所示的電路可用于農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測定。將電路的輸出接單片機(jī)的I/O口，每2min對此口查詢1次。為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)(無光照低電平即V0=VL；有光照高電平即V0=VH)。1天查詢720次。則農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)可按以下公式計(jì)算：

H=(N/720)×24(h)

(7-4)

在此基礎(chǔ)上，將每天的日照時(shí)數(shù)記錄下來，則可以統(tǒng)計(jì)每月、每年甚至更長時(shí)間的日照時(shí)數(shù)，對某個(gè)地方農(nóng)作物的栽培決策起到重要的輔助作用。②光敏電阻控制的報(bào)警電路。

圖7-25所示為光敏電阻控制的報(bào)警電路。電路中IC的3號引腳的輸入電壓取決于光敏電阻RG的受光情況。當(dāng)光線較強(qiáng)時(shí)，光敏電阻阻值很小，IC的3號管腳的輸入較大，IC輸出為高電平，從而驅(qū)動(dòng)ＶＴ導(dǎo)通，壓電蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲。反之，光線較暗時(shí)，IC輸出為低電平，ＶＴ不能導(dǎo)通，電路不工作。圖7-25光敏電阻控制的報(bào)警電路

3)光敏二極管和光敏晶體管

(1)光敏二極管和光敏晶體管的結(jié)構(gòu)。

①光敏二極管結(jié)構(gòu)原理。

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射(見圖7-26(a))。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)(如圖7-26(b)所示)，在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流。圖7-26光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理鍺光敏二極管有A、B、C、D四類；硅光敏二極管有2CU1A～D系列、2DU1～4系列。

②光敏晶體管結(jié)構(gòu)原理。

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，圖7-27所示為NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。

當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子——空穴對，從而形成光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流。由于基極電流的增加，因此集電極電流是光生電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。圖7-27NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路

(2)基本特性。

①光譜特性。光敏晶體(二極)管的光譜特性曲線如圖7-28所示。從曲線可以看出，硅的峰值波長約為0.9μm，鍺的峰值波長約為1.5μm，此特性時(shí)靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增加或縮短時(shí)，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。但對紅外光進(jìn)行探測時(shí)，鍺管較為適宜。

②伏安特性。

光敏三極管的伏安特性曲線如圖7-29所示。光敏三極管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣。因此，只要將入射光照在發(fā)射極e與基極b之間的PN結(jié)附近，所產(chǎn)生的光電流看做基極電流，就可將光敏三極管看做一般的晶體管。光敏三極管能把光信號變成電信號，而且輸出的電信號較大。圖7-28光敏晶體(二極)管的光譜特性曲線圖7-29光敏三極管的伏安特性曲線③光照特性。

光敏晶體管的光照特性曲線如圖7-30(a)所示。它給出了光敏三極管的輸出電流和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾千lx)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。

④溫度特性。

光敏三極管的溫度特性曲線反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從圖7-30(b)所示的溫度特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影響很小，而對暗電流的影響很大，所以在電路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。圖7-30光敏晶體管的特性曲線⑤頻率特性。

光敏三極管的頻率特性曲線如圖7-31所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。圖7-31光敏三極管的頻率特性曲線⑥響應(yīng)時(shí)間。

不同光敏器件的響應(yīng)時(shí)間有所不同。

光敏電阻較慢，約為10-1～10-3s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。

工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10-5～10-7s左右。

光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比二極管約慢一個(gè)數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時(shí)應(yīng)選用硅光敏二極管。

(3)光敏二極管和光敏晶體管的應(yīng)用。

①光敏二極管。

光敏二極管通常有兩種工作模式：光電導(dǎo)模式和光伏模式。其應(yīng)用電路如圖7-32所示。圖7-32光敏二極管應(yīng)用電路②光敏晶體管。

光敏晶體管具有放大功能，在相同光照條件下，可獲得比光敏二極管大得多的光電流。在使用時(shí)，光敏晶體管必須外加偏置電路，以保證集電結(jié)反偏、發(fā)射結(jié)正偏。

圖7-33為光敏晶體管組成的光敏繼電器電路。圖7-33(a)使用了高靈敏硅光敏晶體管3DU80B，該管在鎢燈(2856K)照度為1000lx時(shí)能提供2mA的光電流，以直接帶動(dòng)靈敏繼電器。二極管在光敏管關(guān)斷瞬間對它進(jìn)行保護(hù)。圖7-33(b)為簡單的達(dá)林頓放大電路，3DU32受光照產(chǎn)生的光電流經(jīng)過一級晶體管放大后便可驅(qū)動(dòng)繼電器。圖7-33(b)中的光敏晶體管與放大管可用一只達(dá)林頓結(jié)構(gòu)的光敏管來代替，如3DU912系列。圖7-33光敏晶體管組成的光敏繼電器電路

4)光電池

(1)光電池結(jié)構(gòu)。

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。由于它可把太陽能直接變電能，又稱為太陽能電池。它是發(fā)電式有源元件，其結(jié)構(gòu)如圖7-34所示，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。

光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的命名方式：把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池之前，如硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。圖7-34光電池結(jié)構(gòu)圖圖7-35光電池的光譜特性

(2)光電池的基本特性。

①光譜特性。光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。圖7-35為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.4~1.2μm，而硒光電池的范圍只能為0.38~0.75μm?？梢姽韫怆姵乜梢栽诤軐挼牟ㄩL范圍內(nèi)得到應(yīng)用。②光照特性。

光電池在不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。圖7-36為硅光電池光照特性曲線。光電池負(fù)載開路時(shí)的開路電壓與光照度的關(guān)系曲線，顯然呈非線性關(guān)系，近似于對數(shù)關(guān)系，起始電壓上升很快，在2000lx以上便趨于飽和。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，短路電流與光照度的關(guān)系曲線為線性關(guān)系。但隨著負(fù)載電阻的增加，這種線性關(guān)系將變差，因此，當(dāng)測量與光照度成正比的其他非電量時(shí)，應(yīng)把光電池作為電流源來使用，當(dāng)被測量是開關(guān)量時(shí)，可把光電池作為電壓源來使用。圖7-36硅光電池的光照特性曲線③溫度特性。光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖7-37所示。圖7-37光電池的溫度特性④頻率特性。

光電池的頻率特性反映了光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系，如圖7-38所示。從曲線可以看出，硅光電池有很高的頻率響應(yīng)，可用在高速計(jì)數(shù)、有聲電影等方面。這就是硅光電池在所有光電元件中最為突出的優(yōu)點(diǎn)。

圖7-38光電池的頻率特性

(3)應(yīng)用電路。

利用半導(dǎo)體硅光電池的光電池控制開關(guān)電路如圖7-39所示。由于光電池即使在強(qiáng)光下最大輸出電壓也僅是0.6V，不足以使VT1管有較大電流輸出，故將硅光電池接于VT1管基極，再用二極管2AP產(chǎn)生正向電壓0.3V，二者電壓疊加使VT1管的兩極間電壓大于0.7V而使VT1管能夠?qū)?。圖7-39光電池控制開關(guān)電路

5)光電耦合器件

光電耦合器件是由發(fā)光元件(如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測物體有無的光電開關(guān)。

光電耦合器的特點(diǎn)如下。①能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)弱電隔離。

輸入、輸出極之間絕緣電阻很高，耐壓達(dá)2000V以上。

②對系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。

能夠避免輸出端對輸入端地線等的干擾。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用(濾除噪聲)。

光電耦合器常見的組合形式如圖7-40所示。圖7-40光電耦合器常見的組合形式

7)電荷耦合器件

電荷耦合器件(ChargeCoupleDevice，簡稱CCD)是一種金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路器件。它以電荷作為信號，基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD自1970年問世以來，由于其低噪聲等特點(diǎn)而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于在相機(jī)、錄像機(jī)、智能手機(jī)、平板電腦等電子產(chǎn)品上，在攝像、信息存儲(chǔ)和信息處理等方面應(yīng)用廣泛。

電荷耦合器件用于固態(tài)圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。CCD固態(tài)圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導(dǎo)體襯底上布設(shè)的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱“像素”。固態(tài)圖像傳感器利用光敏單元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏單元的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號“圖像”，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”轉(zhuǎn)送，經(jīng)輸出放大器輸出。CCD圖像傳感器具有高分辨力和高靈敏度，具有較寬的動(dòng)態(tài)范圍，這些特點(diǎn)決定了它可以廣泛用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。

CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨(dú)到之處。圖7-41為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)框圖。圖7-41應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)框圖物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對輸出的視頻信號進(jìn)行存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)處理，整個(gè)過程由微機(jī)控制完成。根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸計(jì)算公式，即

D=(nP/M)

(7-5)

式中：n為覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；P為像素間距；M為倍率。

微機(jī)可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測的目的。

2.光纖傳感器

光導(dǎo)纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發(fā)展速度很快的一種傳感器。光纖不僅可以用來作為光波的傳輸介質(zhì)在長距離通信中應(yīng)用，而且光在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)因外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場和位移等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖作為傳感元件來探測各種待測量。

光纖傳感器的測量對象涉及位移、加速度、液體、壓力、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、核輻射、應(yīng)變、熒光、PH值、DNA生物量等諸多內(nèi)容。

1)分類

傳感型：利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸。它具有傳光、傳感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。

傳光型：利用其他敏感元件來感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)。

2)光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理

光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成。每一根光纖由纖芯、包層和尼龍外層組成，其結(jié)構(gòu)如圖7-42所示。圖7-42光纖的結(jié)構(gòu)在空氣中光是直線傳播的，然而入射到光纖中的光線卻能被限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠(yuǎn)的地方。如圖7-43(a)所示，減少入射角θ，就能實(shí)現(xiàn)光的全反射，光纖就是利用這個(gè)原理傳播光的(其結(jié)構(gòu)如圖7-43(b)所示)。圖7-43光纖傳光原理

3)光纖傳感器的工作原理

光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個(gè)環(huán)節(jié)。

光的調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上，這種承載了被測量信息的調(diào)制光再經(jīng)光探測系統(tǒng)解調(diào)，便可獲得所需檢測的信息。原則上說，只要能找到一種途徑，把被測信息疊加到光波上并能解調(diào)出來，就可以構(gòu)成一種光纖傳感器。

(1)強(qiáng)度調(diào)制。

(2)波長調(diào)制和頻率調(diào)制。頻率調(diào)制技術(shù)主要利用多普勒效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)，光纖常采用傳光型光纖，當(dāng)光源發(fā)射出的光經(jīng)過運(yùn)動(dòng)物體后，觀察者所見到的光波頻率相對于原頻率發(fā)生了變化。根據(jù)此原理可制成多種測速光纖傳感器，如圖7-44所示為光纖血流測量系統(tǒng)。

(3)相位調(diào)制。圖7-44光纖血流測量系統(tǒng)

4)光纖傳感器特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器具有以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：

(1)抗電磁干擾、電絕緣、耐腐蝕。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，并且安全可靠，這使它可以方便有效地用于各種大型機(jī)電、石油化工、礦井等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆等惡劣環(huán)境中。

(2)靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，如測量水聲、加速度、輻射、磁場等物理量的光纖傳感器，測量各種氣體濃度的光纖化學(xué)傳感器和測量各種生物量的光纖生物傳感器等。

(3)重量輕、體積小、可彎曲。光纖除具有重量輕、體積小的特點(diǎn)外，還有可撓的優(yōu)點(diǎn)，因此可以利用光纖制成不同外形、不同尺寸的各種傳感器，這有利于航空航天以及狹窄空間的應(yīng)用。

(4)測量對象廣泛。光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度和加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。目前己有性能不同的測量各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用。

(5)對被測介質(zhì)影響小。光纖傳感器與其他傳感器相比具有很多優(yōu)異的性能，例如，具有抗電磁干擾和原子輻射的性能；徑細(xì)、質(zhì)軟、重量輕的機(jī)械性能；絕緣、無感應(yīng)的電氣性能；耐水、耐高溫、耐腐蝕的化學(xué)性能等。這些性能對被測介質(zhì)的影響較小。并且它能夠在人達(dá)不到的地方(如高溫區(qū))，或者對人有害的地區(qū)(如核輻射區(qū))，起到人的耳目的作用。而且還能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息，有利于在醫(yī)藥衛(wèi)生等復(fù)雜環(huán)境中應(yīng)用。

(6)便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。有利于與現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。

(7)成本低。有些種類的光纖傳感器的成本大大低于現(xiàn)有同類傳感器。

5)光纖傳感器的應(yīng)用

光纖傳感器是新技術(shù)傳感器，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度、流量等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。

(1)光纖渦輪流量計(jì)。

如圖7-45所示，將反射型光纖傳感器與傳統(tǒng)的渦輪流量測量原理相結(jié)合，制造出具有雙光纖傳感器的渦輪流量計(jì)。與傳統(tǒng)的內(nèi)磁式渦輪流量計(jì)相比，光纖渦輪流量計(jì)具備了正反流量測量的性能。在檢測原理上，光纖傳感器克服了內(nèi)磁式傳感器磁性引力帶來的影響，有效地?cái)U(kuò)大了渦輪流量計(jì)的量程比。光纖渦輪流量計(jì)，就是把渦輪葉片進(jìn)行改進(jìn)使其葉片端面適宜反射光線，利用反射型光纖傳感器及光電轉(zhuǎn)換電路檢測渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，從而測量出流量。圖7-45光纖渦輪流量計(jì)圖7-46圖像光纖傳感器

(2)光纖圖像傳感器。

圖像光纖是由數(shù)目眾多的光纖組成一個(gè)圖像單元(或像素單元)，典型數(shù)目為3千到1萬股，每一股光纖的直徑約為

10μm。光纖圖像傳感器的原理如圖7-46所示。在光纖的兩端，所有的光纖都是按同一規(guī)律整齊排列的。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，然后，圖像作為一組強(qiáng)度與顏色不同的光點(diǎn)傳送，并在另一端重建原圖像。工業(yè)用內(nèi)窺鏡用于檢查系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光速的傳輸在系統(tǒng)外部可以觀察監(jiān)視。

(3)光纖式光電開關(guān)。

光纖式光電開關(guān)屬于采用光纖的光電式接近開關(guān)，其原理和用法跟光電式接近開關(guān)類似。

3.紅外傳感器

紅外傳感器是利用物體產(chǎn)生紅外輻射的特性來實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測的器件。

凡是存在于自然界的物體，例如人體、火焰甚至于冰都會(huì)放射紅外線，只是其放射的紅外線的波長不同而已。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外線及無線電波等都是電磁波，它們之間的差別只是波長(或頻率)的不同而已。紅外線屬于不可見光波的范疇，它的波長一般在0.76～600μm之間(稱為紅外區(qū))。

紅外區(qū)通常又可分為近紅外(0.73～1.5μm)、中紅外(1.5～10μm)和遠(yuǎn)紅外(10μm以上)，300μm以上的區(qū)域又稱為“亞毫米波”。紅外線的最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)，可以輻射熱量，它是光譜中的最大光熱效應(yīng)區(qū)。一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。而且，紅外線被物體吸收時(shí)，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。紅外輻射和所有電磁波一樣，是以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時(shí)，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。用紅外線作為檢測媒介，具有可晝夜測量、不必設(shè)光源、適用于遙感技術(shù)(大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少(2～2.6μm，3～5μm，8～14μm三個(gè)波段稱為“大氣窗口”))等優(yōu)點(diǎn)，因而在檢測某些非電量時(shí)，比用可見光作媒介好。

1)紅外傳感器分類

紅外探測器種類很多，常見的有兩大類：光電型和熱電型。

光電型紅外傳感器的特點(diǎn)是響應(yīng)速度快、噪聲低，一般必須在冷卻條件(77K)下使用，有光電導(dǎo)傳感器、光伏傳感器、光電子發(fā)射器和光電磁傳感器等幾種。

熱電型紅外線傳感器的特點(diǎn)是：靈敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的紅外線波長范圍寬、價(jià)格便宜、可在室溫下工作。熱電型紅外傳感器有熱電阻輻射計(jì)、熱電偶傳感器、熱釋電傳感器和氣動(dòng)傳感器等幾種。其中熱釋電傳感器是目前使用最廣的一種紅外傳感器。

2)熱釋電傳感器

若使某些強(qiáng)介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。這種現(xiàn)象在鈦酸鋇之類的強(qiáng)介電質(zhì)物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。

熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。

PVF2(聚偏二氟乙烯)是一種經(jīng)過特殊加工的塑料薄膜，由于它具有壓電效應(yīng)，同時(shí)也具有熱釋電效應(yīng)，是一種新型熱釋電傳感器材料。PVF2的熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等的要低，具有不吸濕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易加工及成本低的特點(diǎn)，是制造紅外線監(jiān)測報(bào)警裝置的好材料。熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)如圖7-47所示。傳感器的敏感元件是PZT(鈦鋯酸鉛)，在上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。在頂部設(shè)有濾光鏡(T0-5封裝)，而樹脂封裝的濾光鏡在側(cè)面。圖7-48所示為熱釋電傳感器等效電路，是一個(gè)在負(fù)載電阻上并聯(lián)一個(gè)電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱，管內(nèi)有場效應(yīng)管FET放大器及厚膜電阻，以達(dá)到阻抗變換的目的。圖7-47熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)圖圖7-48熱釋電傳感器等效電路圖菲涅耳透鏡是由塑料制成的、特殊設(shè)計(jì)的光學(xué)透鏡，配合熱釋電紅外線傳感器使用。目前一般配上透鏡可檢測10m左右，而采用新設(shè)計(jì)的雙重反射型，則其檢測距離可達(dá)20m以上。

菲涅耳透鏡呈圓弧狀，其透鏡的焦距正好對準(zhǔn)傳感器的敏感元件中心，如圖7-49所示。透鏡的工作原理是移動(dòng)的物體或人體發(fā)射的紅外線進(jìn)入透鏡，產(chǎn)生一個(gè)交替的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，這樣就出現(xiàn)了光脈沖。透鏡有許多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過菲涅耳透鏡會(huì)產(chǎn)生一系列的光脈沖進(jìn)入傳感器，從而提高了接收靈敏度。物體或人體移動(dòng)的速度越快，靈敏度就越高。圖7-49菲涅耳透鏡的應(yīng)用熱釋電傳感器RE200B實(shí)物引腳圖如圖7-50(a)所示，圖7-50(b)所示為加裝了菲涅耳透鏡的人體紅外模塊。圖7-50熱釋電傳感器實(shí)物圖

3)紅外線測溫儀

按照測量對象，紅外線測溫儀可以分為以下三類：

(1)人體紅外線測溫儀。

紅外線人體體溫儀是一種適用于在人流量大的公共場合快速監(jiān)測人體體表溫度的專業(yè)儀器，具有非接觸式測溫、準(zhǔn)確度高、測量速度快、超溫語音報(bào)警等優(yōu)點(diǎn)，特別適合于出入境口岸、港口、機(jī)場、碼頭、車站、機(jī)關(guān)、學(xué)校、影劇院等場合使用。圖7-51所示為DT-8806H紅外線人體測溫儀。CEM深圳華盛昌生產(chǎn)的幾種紅外線人體測溫儀如表7-5所示。

圖7-51DT-8806H紅外線體測溫儀

(2)工業(yè)紅外測溫儀。

工業(yè)紅外測溫儀用于測量物體的表面溫度，其光傳感器輻射、反射并傳輸能量，然后能量由探頭進(jìn)行收集、聚焦，再由其他的電路將信息轉(zhuǎn)化為讀數(shù)顯示在機(jī)器上，如果配備激光燈能更有效對準(zhǔn)被測物及提高測量精度。表7-6所示為HRQ-G1的參數(shù)，HRQ-G1可應(yīng)用在檢測、火檢、船舶、噴漆、墨水、石油化工、機(jī)械制造業(yè)等各種工業(yè)領(lǐng)域。

(3)畜牧業(yè)動(dòng)物紅外測溫儀。

專業(yè)生產(chǎn)獸用紅外線測溫儀的廠家比較少，市場上HRQ-S60型號的紅外線傳感器比較適合檢測豬等動(dòng)物體溫HRQ-S60采用自動(dòng)加手動(dòng)校正的方法來達(dá)到對動(dòng)物體溫的快速檢測，采用報(bào)警的方式來減少誤判誤差值，其詳細(xì)參數(shù)如表7-7所示。獸用紅外線非接觸體溫計(jì)適用于：養(yǎng)殖場、屠宰場、檢疫部門、畜禽運(yùn)輸部門等。

4.激光傳感器

1)激光

激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的最重大科技成就之一，具有高方向性、高單色性和高亮度三個(gè)重要特性。激光波長從

0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器按工作物質(zhì)可分為4種：

(1)固體激光器：它的工作物質(zhì)是固體。常用的有紅寶石激光器、YAG激光器和釹玻璃激光器等。它們的結(jié)構(gòu)大致相同，特點(diǎn)是小而堅(jiān)固、功率高。釹玻璃激光器是目前脈沖輸出功率最高的器件，已達(dá)到數(shù)十兆瓦。