1、光電式傳感器,光電式傳感器,原理 首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。,特性 頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等,1 光源,光電式傳感器,熱輻射光源 氣體放電光源 電致發(fā)光器件 激光器,光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源。,光電式傳感器,一、熱輻射光源,原理：熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射 特點：物體溫度越高，輻射能量越大 代表：白熾燈、鹵鎢燈,光電式傳感器,光電式傳感器,二、氣體放電光源,原理：電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象 特點：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體 代表：日光燈,光電

2、式傳感器,光電式傳感器,三、電致發(fā)光器件,原理：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 特點：體積小、壽命長、工作電壓低、響應(yīng)速度快 代表：發(fā)光二極管,光電式傳感器,四、激光器,定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件 特點：單色性好、方向性好、亮度高 分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、 液體激光器,光電式傳感器,2 光電效應(yīng)與光電器件,一、光電效應(yīng),光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng),光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子光子所組成，每一個光子能量為：,h 普朗克常數(shù)，6.62610-34J.s； f 光的頻率（s-1）。,光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時，物體受到一連串具有能量

3、的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動勢）。,光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：,1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。,光電式傳感器,光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A0和動能，即：,不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)電子，此頻率限成為“紅限”，其臨界波長K為：,m電子質(zhì)量； v0電子逸出速度； A0物體的表面電子逸出功。,c 光在真空中的速度。,逸出物體表面電子具有的動能,光電式傳感器,3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)

4、生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。,2、內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)， 在光照作用下，物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光電元件有光敏電阻等。,外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。,二、光電器件,光電式傳感器,光信號電信號,光電式傳感器,伏安特性,入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。,光電式傳感器,光電倍增管,倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子； 倍增極之間有依次增大的加速電壓。 二次發(fā)射系數(shù),由光電陰極、若干倍增極和陽極三部分組成。,光電式傳感器,倍增系數(shù)M,等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)i

5、 的乘積。如果n個倍增電極的i 都一樣（ ），則,所以,式中，i為光電陰極的光電流,光電式傳感器,幾種光電倍增管的外形,光電式傳感器,2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：,結(jié)構(gòu),暗電阻 暗電流 亮電阻 亮電流 光電流,光敏電阻,用半導(dǎo)體材料制成,一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 亮電阻值在幾千歐以下。,光電式傳感器,光電式傳感器,光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：,光照射光電子空穴對光生載流子 內(nèi)建電場作用光電流PN結(jié)反向?qū)?應(yīng)用：光亮度測量、光耦合器件、非接觸測量轉(zhuǎn)速,光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、 光敏二極管在電路中一般

6、是處于反向工作狀態(tài)。,在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。,光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。,3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：,光電式傳感器,光照射光電子空穴對內(nèi)建電場作用光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)光電動勢,阻擋層內(nèi)建電場PN結(jié),常見器件： 光電池（太陽能電池），包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。,當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，

7、在N區(qū)聚積負電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。,光電式傳感器,太陽能電池片,70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件 MOS光敏單元陣列 讀出移位寄存器 用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應(yīng) 用：攝像機固態(tài)圖像拾取。,圖像傳感器,光電式傳感器,4、電荷耦合器件 （Charge-Coupled Device，簡稱CCD）,光電式傳感器,1）MOS光敏單元,施加正電壓于電極上P型區(qū)形成勢阱產(chǎn)生電子和空穴勢阱俘獲電子（與光強成正比）形成MOS光敏元（象素）,光,光電式傳感器,2）CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系,讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路,光電式傳感器,光電式傳感器,3）線陣與面陣CC

8、D,單通道線陣,感光區(qū)：一列光敏單元組成； 傳輸區(qū)：由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。,原理：光照產(chǎn)生的信號電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。,雙通道線陣,光電式傳感器,A寄存器,B寄存器,原理：有兩個移位寄存器平行地配置在感光區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)光生信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉(zhuǎn)移柵，信號電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器，奇數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到A寄存器，偶數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到B寄存器。雙通道線陣總的轉(zhuǎn)移效率比單通道高。,面陣：光敏元排列成矩陣,光電式傳感器,光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器線陣。,光電式傳感器,光電式傳感器

9、,5、位置 敏感器件（Position Sensitive Detector-PSD）,分類：一維、二維。,原理見教材P137,光電式傳感器,優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配置電路簡單等,應(yīng)用范圍：位置精確測量、兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動控制等,光電式傳感器,產(chǎn)品,光電式傳感器,例1 仿形加工中的測量技術(shù),例2： 郵政編碼識別系統(tǒng),光電式傳感器,光電式傳感器,例3： 汽車信息無線傳送系統(tǒng),一、概述,脈沖式：需要一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過敏感元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)進行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。 絕對式：它可以在任意位置給出一個固定的與位置相對應(yīng)的數(shù)字碼輸出。,3

10、 光電碼盤,光電式傳感器,光電式傳感器,光學(xué)碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。 下圖是工作原理示意圖。 1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-元件。,二、工作原理,由光源1發(fā)出的光線經(jīng)柱面鏡2變成平行光或會聚光，照射到碼盤3上。碼盤由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每個碼道上都有按照一定規(guī)律排列的若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過亮區(qū)的光線鏡狹縫4后，形成一束很窄的光束照射到光電元件5上。光電元件的排列與碼道一一對應(yīng)。當(dāng)有光照射時，光電元件的各種信號組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤轉(zhuǎn)角的大小。,1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原

11、理,光電式傳感器,2、絕對式編碼器原理,光電式傳感器,絕對式光電編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。 絕對式光電編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進制編碼。,1、下圖所示是一個6位的二進制碼盤。,三、碼盤和碼制,光電式傳感器,黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進制的“0”和“1”。在一個六位光電碼盤上，有四六圈數(shù)字碼道，每一個碼道表示二進制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個。,2、誤差問題 1） 編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率則決定于碼道的數(shù)目。 措施：需要增大碼盤的尺寸以容納更多的碼道 （對工藝提出很高要求）

12、 2）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個碼道提前或延后，會造成讀碼誤差。 解決措施 ：a、編碼技術(shù)； b、掃描技術(shù),光電式傳感器,3、循環(huán)碼盤 右圖為6位循環(huán)碼碼盤。 （1）n位循環(huán)碼有2n種不同 編碼； （2）循環(huán)碼為無權(quán)碼； （3）循環(huán)碼碼盤相鄰區(qū)域 的編碼只有一位變化。,光電式傳感器,十進制數(shù)、直接二進制碼和循環(huán)碼對照表,困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復(fù)雜,光電式傳感器,四、應(yīng)用,光學(xué)碼盤測角原理,光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件5輸出相應(yīng)的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和

13、寄存電路在需要時采用。,光電式傳感器,五、產(chǎn)品,光電式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,4 光纖傳感器,光(導(dǎo))纖(維)是20世紀70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。 光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感器。,特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐 高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。 應(yīng)用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、 生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工 測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、 振動、壓力、射線、圖像 ,光電式傳感器,光電式傳感器

14、,一、光纖傳感器的基本知識,1. 光纖的結(jié)構(gòu),注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別,2. 光纖的分類 1）按折射率分布,折射率變化規(guī)律 分類,采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。,光電式傳感器,階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，如圖 所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。,梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時會自

15、動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。,2）按傳輸模式,光纖傳輸模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。,光電式傳感器,在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小信號，從而導(dǎo)致合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數(shù)量要少。,一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制

16、造、連接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式較多稱為多模光纖，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。,光電式傳感器,3. 光纖的導(dǎo)光原理,光電式傳感器,光是一種電磁波,一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來分析。,斯乃爾定理（Snells Law）指出：當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率小）時，發(fā)生折射，其折射角大于入射角。即n

17、1n2時， 2 1 。,(a)光的折射示意圖,可見，入射角1增大時，折射角2也隨之增大，且始終2 1 。,n1、n2、 2 、 1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為,n1sin 1 =n2sin 2,光電式傳感器,光電式傳感器,當(dāng)2 =90時，1仍90，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)（ 1 10 ）。這時有,10=arcsin(n2/n1),sin 10=n2/n1,sin 2 sin901,當(dāng)1 i0并繼續(xù)增大時，2 90，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c) ，其出射光不再折射而全部反射回來。,階躍型光纖傳光示意圖,0,1,1,？習(xí)題： 若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反

18、射，則0至多為多少？,光電式傳感器,4. 光纖特性,1）數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標志光纖接收性能的一個重要參數(shù)。,2）損耗： 光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù),光電式傳感器,吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料損耗。 散射損耗，是由于材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉制時粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化， 同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會造成嚴重的散射損耗。 彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖彎曲會引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換

19、，激發(fā)高階模進入包層產(chǎn)生損耗。,光電式傳感器,二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性,光纖傳感器分類,功能型傳感器：傳感型、探測型 （利用光纖本身的某種敏感特性） 2. 非功能型傳感器：傳光型、結(jié)構(gòu)型、強度型、混合型 (光纖只作為傳光介質(zhì)),光纖傳感器可測參量,電流磁場、電壓電場； 溫度 速度 振動、壓力 射線 圖像,光電式傳感器,光電式傳感器,以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見圖(a)。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理

20、系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。,由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號處理得到所期待的被測量。,在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘枴?光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制

21、區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 最后經(jīng)信號處理得到所需要的被測量。,光電式傳感器,(1) 根據(jù)光纖在傳感器中的作用 光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。,光電式傳感器,光電式傳感

22、器,2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。,3）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。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。,光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu),功能型,傳光型,傳光型,傳光（拾光）型,光電式傳感器,（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 形式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 1）強度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測

23、對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。 優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。 缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大 。,光電式傳感器,2）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電

24、場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。 3）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。,光電式傳感器,4）相位調(diào)制傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩

25、束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。,光電式傳感器,光纖傳感器的分類,傳感器,光學(xué)現(xiàn)象,被測量,光纖,分類,干涉型,相位調(diào)制光線傳感器,干涉（磁致伸縮） 干涉（電致伸縮） Sagnac效應(yīng) 光彈效應(yīng) 干涉,電流、磁場 電場、電壓 角速度 振動、壓力、加速度、位移 溫度,SM、P

26、M SM、PM SM、PM SM、PM SM、PM,a a a a a,非 干 涉 型,強度調(diào)制光纖溫度傳感器,遮光板遮斷光路 半導(dǎo)體透射率的變化 熒光輻射、黑體輻射 光纖微彎損耗 振動膜或液晶的反射 氣體分子吸收 光纖漏泄膜,溫度、振動、壓力、加速度、位移 溫度 溫度 振動、壓力、加速度、位移 振動、壓力、位移 氣體濃度 液位,MM MM MM SM MM MM MM,b b b b b b b,偏振調(diào)制光纖溫度傳感器,法拉第效應(yīng) 泡克爾斯效應(yīng) 雙折射變化 光彈效應(yīng),電流、磁場 電場、電壓、 溫度 振動、壓力、加速度、位移,SM MM SM MM,b,a b b b,頻率調(diào)制光纖溫度傳感器,

27、多普勒效應(yīng) 受激喇曼散射 光致發(fā)光,速度、流速、振動、加速度 氣體濃度 溫度,MM MM MM,c b b,注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,三、光纖傳感器舉例 基于微彎效應(yīng)測壓力,F,光強調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長調(diào)制,微彎效應(yīng)：光纖在微彎時引起纖芯中傳輸?shù)墓獠糠滞度氚鼘?（全反射條件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同，從而達到光強度調(diào)制的目的。,光電式傳感器,光電式傳感器,偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器,光電式傳感器,非功能型光纖傳感器測溫應(yīng)用,溫度測量范圍：-20300C；誤差3C,光電式傳感器,光電式傳感器,測量原

28、理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長隨溫度增加而向長波方向移動，可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強隨溫度而改變，達到測溫的目的。,光電式傳感器,光纖液位傳感器,原理：基于全內(nèi)反射理論 當(dāng)測頭沒有接觸液面（處于空氣中）時，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當(dāng)測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強變?nèi)酢７祷毓鈴娛且后w折射率的函數(shù)。返回光強發(fā)生突變時，測頭已接觸到液位。,光電式傳感器,圓錐測頭,U型測頭,同時可以測定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。,光電式傳感器,反射光強調(diào)制型光纖傳感應(yīng)用,光

29、電式傳感器,光纖速度、加速度傳感器,原理：一定質(zhì)量的物體在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，這種慣性力可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰啤⑥D(zhuǎn)角或形變等變量。通過對這些變量的測量，就可以得到加速度數(shù)值。,光電式傳感器,光纖傳感器優(yōu)缺點,優(yōu)點：功能強，且光纖本身是敏感器件； 抗電磁干擾，安全。 缺點：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。,光電式傳感器,四、產(chǎn)品,壓力,應(yīng)力,溫度,光電式傳感器,溫度、應(yīng)變儀,分析儀,網(wǎng)絡(luò)分析儀,光電式傳感器,光柵定義：在玻璃（或金屬）上進行刻劃，可得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。 特點：1）精度高；2）大量程測量兼有高分辨力；3）可實現(xiàn)動態(tài)測量；4）具有較強的抗干擾能

30、力。 測量領(lǐng)域：主要是幾何量（線位移和角位移）測量。其它包括振動、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等。 （如數(shù)控機床上的線位移和角位移量，用來進行自動控制）,4 光柵式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,一、光柵的類型和結(jié)構(gòu),計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。,尺身,尺身安裝孔,反射式掃描頭 （與移動部件固定）,掃描頭安裝孔,可移動電纜,光柵的外形及結(jié)構(gòu),防塵保護罩的內(nèi)部為長磁柵,光電式傳感器,掃描頭（與移動部件固定）,光柵尺,可移動電纜,光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）,光電式傳感器,反射式光柵,光電式傳感器,透射式光柵,光電式傳

31、感器,透射式圓光柵,固定,光電式傳感器,1、定義,二、莫爾條紋,光電式傳感器,在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。,2、 亮帶與暗帶之間的距離B,光電式傳感器,橫向莫爾條紋的斜率,莫爾條紋間距,莫爾條紋的寬度BH由 光柵常數(shù)與光柵夾角決定,莫爾條紋演示,光電式傳感器,3、莫爾條紋的特點,光學(xué)放大作用：由上式可知，雖然光柵常數(shù)W很小，但只要調(diào)整夾角，即可得到很大的莫爾條紋的寬度B，起了放大作用。 放大倍數(shù)： 光學(xué)概念上的每毫米刻線要刻很多條，由于柵距很小，不易觀察，但形成的莫爾條紋卻清晰可見。,？某光柵每毫米刻線100條，光學(xué)放大倍數(shù)為1000，當(dāng)