第8章 光电式传感器.pptxVIP

传感器技术与应用

2第8章光电式传感器8.1光电式传感器概述8.2光电效应8.3光电器件8.4光纤传感器8.5光电式编码器8.6计量光栅传感器

第8章知识目标（1）掌握光电式传感器的一般构成；（2）掌握内光电效应（光电导效应、光生伏特效应）、外光电效应的定义；（3）掌握光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电管、光电倍增管和光电池等光电器件的光电效应；（4）掌握光纤的结构构成、主要参数和类型划分，以及光的全反射原理；（5）掌握光纤传感器的结构构成、类型划分和工作原理；（6）掌握光电式编码器的类型划分；（7）掌握增量式光电编码器和绝对式光电编码器的结构构成、工作原理和工作特性；（8）掌握光栅的类型划分；（9）掌握计量光栅传感器的结构构成和工作原理；（10）掌握莫尔条纹的形成机理和线位移检测原理。3

第8章能力目标（1）结合实际工程需要，选择合适类型的光电器件、光纤传感器、光电式编码器和计量光栅传感器，并能够正确应用；（2）理解增量式光电编码器与绝对式光电编码器的特性差异；（3）掌握莫尔条纹的线位移检测原理。4

58.1光电式传感器概述光电式传感器利用光电器件的光电效应，将光信号转换为电阻、电荷、电压或电流等信号，借助测量转换电路和信号调理电路，实现对光照度、浑浊度、温度、压力、速度、位移、加速度、图像和气体成分等非电量的测量。

61.光源（1）被测量如果是温度、压力、速度等非光信号，光电式传感器需要根据被测量的特点配置光源。常用的光源有激光器、卤钨灯、发光二极管或高压钠灯等。光源发出的光可以是可见光，也可以是不可见光。激光器：发射激光的光源设备。激光是一种应用广泛且前景广阔的新型光源，与普通光源相比较，具有单色性，方向性好，亮度高等优势，在工业、医疗、通信、军事等领域应用非常广泛。激光是原子中的电子吸收能量后，从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级时释放的能量以光子的形式放出的光，即原子受激辐射的光。

7（2）激光器类型划分

8（3）光电式传感器配置的光源需要满足的特性要求：①满足光谱特性要求例如：红外线扫描仪通过发出不可见的红外光，照射到条形码上反射回来，被光电器件接收实现检测。②满足发光强度要求如果光源强度很低，光电器件转换得到的电信号就偏弱，因此需要配置放大电路；如果光源强度过高，容易增加光电器件的非线性，并且会产生不必要的能源损耗。

9③满足稳定性要求对相位、强度、亮度等调制光信号进行检测，对光的稳定性要求比较高。对测量对象的个数或转速进行检测，只需要保证不产生漏脉冲或伪脉冲，对光源的稳定性要求相对较低。④满足光源的发光效率与空间分布的要求

10光学通路的主要作用是将被测量的变化转换为光参量的变化。2.光学通路光学通路的主要构成是一些光学器件，例如：透镜、反射镜、分束器、偏振器、滤光片、码盘、光栅、光成像系统等。例如：光强、振幅、频率、相位、偏振方向、传播方向等的变化，让光波成为携带被测量信息的载体，即实现对光信号的外调制。

113.光电器件光电器件是光电式传感器的转换元件，基于光电效应将光信号转换为电阻、电荷、电压或电流等信号。常用的光电器件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、光电管、光电倍增管、光电池等。各个光电器件具体的光电效应机理不同。

124.测量转换电路与信号调理电路（1）测量转换电路作用：将光电器件转换获得的电阻的变化或电荷的变化转换成电压、电流、频率等信号的变化。（2）信号调理电路作用：将电压、电流等电信号进行放大、整形或滤波等处理。

138.2光电效应光电器件的工作原理是基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两种类型。8.2.1外光电效应外光电效应：指在光的照射激发下，材料内部电子逸出物质表面向外发射的现象。光具有波粒二象性——既具有波动性，也具有粒子性。从光的粒子性角度看，光是传递电磁相互作用的基本粒子，因此也称为光子。每个光子的能量与光子的频率成正比：每个光子的能量光子的频率普朗克常数

14外光电效应证明了光具有粒子性，光照射物体可以视为具有一定能量的一连串的光子在轰击物质原子。当物质原子结构中的电子吸收了入射光子的能量，克服了物质原子核对其的束缚力，就会逸出物质表面，成为光电子。此过程对应的能量关系可由爱因斯坦光电效应公式表达：电子的静止质量电子逸出时的初速度电子逸出功

15光子的能量必须大于电子的逸出功，才可能产生光电子。物质发生外光电效应会对应光子的一个最低频率——红限频率临界频率阈值频率红限频率结论：（1）当入射光的频率