第7章 光电式与光纤传感器.doc

感测技术讲义第7章 光电式传感器光电式传感器（Photoelectric Sensor）：以光电效应为基础，将光信号（光量的变化）转换为电信号（电量的变化）的一种传感器。7.1 光电效应（Photoelectric Effect, Photoeffect）爱因斯坦光子学说：光是由一连串具有一定能量的粒子组成，其能量大小等于。普朗克常数光的频率（）不同频率的光具有不同的能量，光的频率越高，其光子能量越大。光照射到物体表面后产生光电效应，分为两类：1. 外光电效应（光电发射 Photoeletric Emission）在光线作用下，能使物体内的电子逸出物体表面的现象。基于外光电效应的光电器件（光敏元件）：光电管、光电倍增管根据爱因斯坦光电效应方程： （能量守恒定律）A0 某物体的电子的逸出功V电子的逸出速度。结论:（1）当光子能量，即时，才有光电子逸出物体表面，产生外光电效应。当，即（红限频率）时，光电子的。当时，不论光强度有多大，都不会使物体发射出光电子，不会产生外光电效应。（2）光电子的初动能取决于光的频率，。2. 内光电效应（Inner Photoeffect）（1）光电导效应在光线作用下，某些物体（本征半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体的电导率发生变化的效应被称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件：光敏电阻为实现能级的跃迁，入射光的能量必须满足即：入射光的波长必须（波长限）（2）光生伏特效应 在光线作用下，物体（半导体）内部的原子释放电子，这些电子并不逸出物体表面，但使物体产生光生电动势的效应被称为光生伏特效应。 基于光生伏特效应的光电器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管7.2 外光电效应的光电器件1. 光电管（真空） 2. 光电倍增管阳极电流I为：i光电阴极的光电流；各倍增电极的二次电子发射系数；n光电倍增管极数。 光电倍增管的电流放大倍数为7.3 内光电效应的光电器件1. 光敏电阻（光电导管Photoconductor, Photoconductive Tube）（1）工作原理基于光电导效应。无光照时，RG很大，I很小；有光照时，RG急剧减小，I迅速增大。（2）光敏电阻的主要参数和基本特性 暗电阻、亮电阻、光电流暗电阻在未受到光（某种波长）照射时的阻值称为暗电阻，流过的电流为暗电流。亮电阻在受到光（某种波长）照射时的阻值称为亮电阻，流过的电流为亮电流。光电流=亮电流暗电流暗电阻越大，亮电阻越小，则光敏电阻的性能越好。即暗电流要小，亮电流要大。一般，暗电阻1M, 亮电阻n2时，一部分入射光折射入光疏物质，其余部分反射回光密物质。 斯乃尔定理： （ 因为 ，所以 ）始终： 临界状态： 临界角： 当时，发生全反射7.5.3 光纤的传（导）光原理根据斯乃尔定理 （1） （2） （空气）由（1）得：由（2）得：临界状态：实现全反射的临界角： （数值孔径）结论：1 纤芯和包层介质的折射率差值越大，数值孔径就越大，光纤的集光能力越强。 数值孔径反映了光纤的集光能力。2当时，光线会透入包层而消失。3当时，光线在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播，光在光纤内经过无数次的全反射，就从光纤的一端以光速传播到另一端，这就是光纤传光的基本原理。7.5.4 光纤传感器结构原理及分类1. 光纤传感器结构原理传统传感器：以机电测量为基础，把测量的物理量转变为可测的电信号的装置。导线 被测量 电源 敏感元件 信号接收器 信号处理 导线 光纤传感器：以光学测量为基础，把测量的物理量转变为可测的光信号的装置。光纤 被测量 光发送器 敏感元件 光接收器 信号处理 光纤 光纤传感器的基本工作原理：光纤 光纤 被测量 调制光信号 光信号 光调制器 光探测器 光解调器 非电量（被测量） 光： 电磁波 波长 光的电矢量E： A 光波的振幅光波的振动频率光波的相位将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与光相互作用，导致光的光学性质（光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。2. 光纤传感器的分类（1） 非功能型（传光型）光纤传感器光纤 被测量 光发送器 敏感元件 光接收器 信号处理 光纤：仅起传（导）光作用敏感元件：非光纤型优点：容易实现，成本低，占据了光纤传感器的绝大多数。缺点：灵敏度低（2） 功能型（传感型）光纤传感器光纤 被测量 光发送器 光纤敏感元件 光接收器 信号处理 光纤：不仅起传光作用，而且作为敏感元件敏感元件：光纤型优点：结构紧凑，灵敏度高缺点：成本高（因需用特殊的光纤和先进的检测技术）7.5.5 光纤传感器的调制原理1. 强度调制利用被测量的因素改变光纤中光的强度，再通过检测光强的变化来测量外界物理量，称为强度调制。2. 波长和频率调制利用外界被测量的因素改变光纤中光的波长或频率，然后，再通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量外界物理量，分别称为波长调制和频率调制。3. 相位调制利用被测量的因素改变光纤中光波的相位，再通过检测光波相位变化来测量外界物理量，称为相位调制。4. 偏振调制7.5.6 光电传感器与光纤传感器应用举例（P172）1. 烟尘浊度检测仪 2. 光电转速传感器 在电机轴上固定涂上黑、白相间条纹的圆盘，N黑（白）条纹数目。3. 光电池应用（1）太阳能电池电源（2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用4. 光纤温度传感器5. 压力传感器6. 光纤图像传感器- 80 -