传感器及应用 第9章 光电式传感器
传感器技术9-光纤传感器-中英对照
§9.1
光纤传感器基础
三
光纤的种类
1、玻璃光纤 Glass fiber
按材料 性质分 2、塑料光纤 Plastic fiber
§9.1
光纤传感器基础
1、阶跃型(step index): 阶跃型纤芯的折射率不随半 径而变，在纤芯与包层界面处有突变。 按折射 率分 2、渐变型(grade index)：折射率沿径向由中心向外由 大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光 纤有聚焦作用；光线传播轨迹近似于正弦波。
多模色散是阶跃型多模光纤中色散的主要根源；在单模光纤中起 主要作用的是材料色散和波导色散。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.3 光纤传感器分类
1、功能型传感器 光纤传 感器一 般分为 两大类 2、非功能传感器 又称FF型光纤传感器，利用光纤本 身特性，把光纤作为敏感元件，所 以又称传感型光纤传感器。 又称NF型光纤传感器，利用其他 敏感元件感受被测量的变化，光 纤仅作为光的传输介质，用以传 输来自远处或难以接近场所的光 信号，所以也称传光型光纤传感 器。
§9.2
光调制与解调技术
9.2.1 强度调制与解调
光纤传感器中光强度(Light Intensity)调制是被测对象引 起载波光强度变化，从而实现对被测对象进行检测的方 式。光强度变化可以直接用光电探测器进行检测。 解调过程主要考虑的是信噪比(Signal to Noise RatioSNR)是否能满足测量精度的要求。
§9.1
光纤传感器基础
9.1.1 光纤波导(waveguide)原理
一
光纤的结构
光纤是用光透射率(Transmissivity)高的电介质(如石英、玻璃、塑料等)构 成的光通路(light propagation path) 。光纤的结构比较简单，通常由纤芯 (core)、包层(cladding)、涂覆层(coating)、护套(protecting sleeve)组成 （如上图所示）。其核心是由折射率(Refractive Index)n1较大(光密介质 optically denser medium)的纤芯，和折射率n2较小(光疏介质optically thinner medium)的包层构成的双层同心(concentric)圆柱(column)结构。 纤芯直径约为5～150微米。
传感器与检测技术习题答案(九)
第9章新型传感器习题答案1．光纤传感器的性能有何特殊之处？主要有哪些应用？答：光导纤维传感器(简称光纤传感器)是七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。
光纤传感器具有灵敏度高，不受电磁波干扰，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，体积小，柔软等优点。
目前已研制出多种光纤传感器，可用于位移、速度、加速度、液位、压力、流量、振动、水声、温度、电压、电流；磁场、核辐射等方面的测量。
应用前景十分广阔。
2．红外线温度传感器有哪些主要类型？它与别的温度传感器有什么显著区别？答：能把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器，主要有热敏型和光电型两大类。
热敏型是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。
由于热敏元件的响应时间长，一般在毫秒数量级以上。
另外，在加热过程中，不管什么波长的红外线，只要功率相同，其加热效果也是相同的，假如热敏元件对各种波长的红外线都能全部吸收的话，那么热敏探测器对各种波长基本上都具有相同的响应，所以称其为“无选择性红外传感器”。
这类传感器主要有热释电红外传感器和红外线温度传感器两大类。
光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件。
因此它的响应时间一般比热敏型短得多，最短的可达到毫微秒数量级。
此外，要使物体内部的电子改变运动状态，入射辐射的光子能量必须足够大，它的频率必须大于某一值，也就是必须高于截止频率。
由于这类传感器以光子为单元起作用，只要光子的能量足够，相同数目的光子基本上具有相同的效果，因此常常称其为“光子探测器”。
这类传感器主要有红外二极管、三极管等。
3．红外线光电开关有哪些优越的开关特性？答：红外线光电开关具有表面反射率低、环境特性优越、回差距离远、响应频率高、输出状态灵活、检测方式多样、输出形式多等许多优越的开关特性。
4．超声波发生器种类及其工作原理是什么?它们各自特点是什么?答：超声波发生器有压电式超声波发生器和磁致伸缩超声波发生器两种。
压电式超声波发生器就是利用压电晶体的电致伸缩现象制成的。
第9章__转速传感器
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9.9 GMR电阻的功能与特点
9. 9. 2 GMR电阻的热稳定性
GMR膜是由以Co为主要成分的磁性层和非磁性层Cu层重叠 制成的。在形成磁性层与Cu层的薄膜时，实现了MR比较大 而且磁滞最小的最佳化。图9一28所示为刚加工完的GMR 电阻以及经170℃,1000h长期高温存放后的GMR电阻的 MR曲线。由图可知，经长期高温存放之后，GMR电阻的特 性发生了变化。为了防止特性的这种变化，尝试预先将GMR 电阻在高温下进行热处理，以提高其热稳定性。经10h热处 理后，改变热处理温度，分析MR曲线的变化情况如图9一 29所示。
9.1 电磁式转速传感器
这种传感器用于柴油机上， 目的是检测发动机的转速， 传感器的结构如图9-1所示， 在永久磁铁的周围绕有线 圈，即采用的是电磁式工 作原理，当铁材齿轮在永 磁铁附近旋转时，通过线 圈的磁力线发生变化，在 线圈中就会产生感应电压。
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9.1 电磁式转速传感器
柴油机用转速传感器就装在喷油泵的飞锤齿轮处，当柴油发 动机的喷油泵工作时，传感器的齿轮旋转，因此在信号线圈 中就会产生交流电压。交流电压的频率与发动机的转速成正 比。把此交流电压作为输入信号，经转速表内的IC电路放大、 整形后就可以使转速表指示出发动机的转速。 图9一2所示的是转速表电路的方框图。
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9.6 笛簧开关式车速传感器
笛簧开关是由小玻璃管内装有两个细长的触头构成的，触头 由铁、镍等易于被磁铁吸引的强磁性材料制成。受玻璃管外 磁极的控制，有时触头互相吸引而闭合，有时互相排斥而断 开，从而形成了触头的开关作用。 笛簧开关的结构如图9-17所示。笛簧开关置于车速表的转 子附近，当车速表电缆旋转时，磁铁也旋转，N,S磁极则靠 近或离开笛簧开关的触头。
《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器
05
光电式传感器的优缺点 与发展趋势
光电式传感器的优点
测量精度高
非接触测量
光电式传感器采用光信号作为测量媒介， 具有较高的测量精度和灵敏度，能够实现 微小量的精确测量。
光电式传感器通过光信号与被测物体的相 互作用进行测量，无需直接接触被测物体 ，能够减少对被测物体的损伤和磨损。
光电二极管和光电晶体管
光电二极管
利用内光电效应制成的光电转换器件，能够 将入射光的辐射能转换为电流。
光电晶体管
在普通晶体管的基础上增加光敏基区，利用 内光电效应实现光信号的放大和调制。
光电耦合器
光电耦合器定义
将发光器件和光敏器件封装在同一壳 体内，通过光的传输实现电信号的传 输与隔离的器件。
光电耦合器原理
响应速度快
抗干扰能力强
光电式传感器具有较快的响应速度，能够 实现快速动态测量和实时控制。
光电式传感器采用光信号传输，不易受到 电磁干扰的影响，能够在复杂的环境中进 行稳定测量。
光电式传感器的缺点
对光源依赖性强
光电式传感器依赖于特定光源，如激光、红外线等，需要稳定的 光源和光路系统，对光源的稳定性要求较高。
利用光纤传输光信号，通过光电器 件将光纤中的光信号转换为电信号。
光电式传感器的应用领域
工业自动化控制
用于检测生产线上的产品、测量长度和速度 等参数。
环境监测
用于检测空气质量、水质等环境参数。
医疗诊断
用于检测生物体的生理参数，如血压、脉搏 等。
安全防范
用于监控、报警等安全系统，保障人员和财 产安全。
发光器件发出光线，光敏器件接收光 线并转换为电信号，从而实现输入与 输出之间的电气隔离。
光电传感器的应用与发展
一、引文光电传感器主要作为一种检测装置，目前常用的光传感器类型主要有光电管、光电倍增管和半导体光敏元件。
由于它具有精度高，反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵便多样，体积小，已经获得了广泛应用。
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现的，普通情况下，它有三部份组成，可分为发送器、接收器和检测电路。
投光器发出的光束被物体阻断或者部份反射，受光器最终作出判断，发射器发射光束普通来源于半导体的光源——发光二极管和激光二极管，光束不间断的发射或者改变脉冲宽度，接收器有光电二极管或者光电三极管组成，在接收器前面装有光学元件——透镜或者光圈，在其后面检测电路，滤出有效信号和应用信号，实现控制。
图 1 光电传感器的四种基本形式光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。
如自动门传感、色标检出等。
在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电。
这种物理现象称为光电效应。
通常把光电效应分为三类：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应。
基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。
图 2 光电管基本结构在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应。
基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管等。
图 3 光敏电阻基本结构在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。
基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
二、研究现状与前景1) 检测距离长。
在对射型中保留10m 以上的检测距离等，便能实现其他检测手段。
2) 对检测物体的限制少。
由于以检测物体引起的遮光和反射为检测原理，所以不象接近传感器等将检测物体限定在金属，它可对玻璃.塑料.木材.液体等几乎所有物体进行检测。
光学传感器
发射的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电 器件有光电管、光电倍增管等。
第9章 光学传感器
光子是具有能量的粒子，每个光子的能量E = hν h—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）
根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量 ，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量 大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电 子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光 开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s
入射到光电器件光敏面上的辐射功率所产生的响应电 压，恰好等于该器件的噪声电压值，那么这个辐射功率 称为等效噪声功率，常用NEP表示。
等效噪声功率越小，光敏器件的性能越好。 通常用NEP的倒数来作为衡量光电器件探测能力的指 标，称为探测度D。
第9章 光学传感器
4.响应时间τ
响应时间是描述光电器件对入射光辐射响应快慢的参 数,也称为时间常数。
金属
钨 W
极限频率 v /1014Hz
10.95
钙 Ca
钠 Na 钾 K 铷 Rb 铯 Cs
7.73
5.535.44.154.69逸出功 A0 / eV
4.54
3.20
2.29
2.25
2.13
1.94
第9章 光学传感器
2. 内光电效应
当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光 生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。 根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生 伏特效应两类.
120μlm
（1）光电导效应
在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自 由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光 电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。
CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答
第9章光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。
A. 光电效应传感器B. 红外热释电探测器C. 固体图像传感器D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。
A. 光电管B. 光电池C. 光敏电阻D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。
A. 伏安特性B. 光照特性C. 光谱特性D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。
A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、光电式传感器是利用（）把光信号转换成电信号。
A. 被测量B. 光电效应C. 光电管D. 光电器件8、光敏电阻的特性是（）A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（）A．光电管 B.光敏电阻C．光电池 D.光电倍增管10、CCD以（）为信号A. 电压B.电流C．电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（）A. P型硅B.PN结C. 光电二极管D.MOS电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。
A.位移B.压力C.温度D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。
A.反射镜B.透镜C.光栅D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。
光电式传感器工作原理
光电式传感器工作原理
首先，光电式传感器的光源发出一束光线，这个光源可以是LED、激光等光源。
光线穿过透镜，形成一个光斑，这个光斑照射在目标物体上。
当目标物体经过光斑时，光线被遮挡，光斑的亮度发生变化。
其次，光电元件接收到被遮挡后的光线，光电元件可以是光敏电阻、光敏二极
管等。
光电元件将接收到的光信号转换为电信号，其大小与光线的强度成正比。
当目标物体遮挡光线时，光电元件输出的电信号会发生变化。
最后，信号处理电路对光电元件输出的电信号进行放大、滤波、数字化处理，
最终输出一个数字信号。
这个数字信号可以被微处理器、PLC等设备接收并进行
进一步的处理，比如控制执行器的动作、显示检测结果等。
总的来说，光电式传感器的工作原理是利用光源发出光线，目标物体遮挡光线后，光电元件接收到的光信号发生变化，通过信号处理电路进行处理，最终输出一个数字信号。
光电式传感器具有检测速度快、精度高、寿命长等特点，广泛应用于工业自动化控制、物体计数、安全防护等领域。
在实际应用中，我们需要根据具体的检测要求选择合适的光源、光电元件和信
号处理电路，以及合适的安装位置和检测距离，从而确保光电式传感器能够准确可靠地工作。
同时，我们也需要注意保持光源和光电元件的清洁，避免灰尘或污物影响检测效果。
总之，光电式传感器是一种重要的工业自动化检测设备，它的工作原理简单明了，应用广泛。
通过了解光电式传感器的工作原理，我们可以更好地应用和维护这一类传感器，为工业生产和生活提供更好的服务。
光电式传感器和光纤传感器幻灯片PPT
3.光敏二极管的应用
1）光电路灯控制电路
2）光强测量电路
二. 光敏三级管 光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电 流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。 1.工作原理与结构
基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电 结上时, 在结附近产生电子-空穴对, 电子在结电场的作用下， 由P区向N区运动，形成基极电流，放大β倍形成集电极电流 （光电流）, 所以光电三极管有放大作用。
2.光敏三极管的基本特性
1）光谱特性与伏安特性 光谱特性与二极管相同， 伏安特性如图。
2）温度特性与光照特 性 温度特性与光敏二极管
相同，光照特性如图
3.光敏三极管的应用
1.脉冲编码器
2.转速传感器
7.2 CCD图像传感器
固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷 耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器 （简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。 目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输 与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描 仪、复印机和机器人的眼睛等。 在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理 与特性
1 fm 2 f0
3.暗电流
暗电流起因于热激发产生的电子－空穴 对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件 暗电流越小越好。
4.灵敏度
图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单 位时间、单位面积发射的电量，即
S Nsq HAt
式 中 ： H为 光 像 的 发 射 照 度 A为 单 位 面 积 Ns为t 时间内上能收集的子载数流 q为 电 数 ， 单 位m为A／W
2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产 生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基 于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。
光电式传感器的应用及原理
光电式传感器的应用及原理引言光电式传感器是一种基于光电效应原理工作的传感器，它能够将光线转化为电信号，从而实现对光线的检测和测量。
光电式传感器广泛应用于工业自动化、光学测量、安全监控等领域。
本文将介绍光电式传感器的应用领域和工作原理。
应用领域光电式传感器在众多领域中有着广泛的应用，以下是部分常见领域：1.工业自动化：在工业自动化领域，光电式传感器常用于物料检测、位置测量、物体计数等。
例如，光电式传感器可以检测工装上是否有物料，从而控制自动化生产线的运行。
2.光学测量：光电式传感器可以用于测量光线的强度、波长、频率等。
在科学实验、光学仪器等领域中，光电式传感器的应用非常广泛。
3.安全监控：在安全监控领域，光电式传感器可以用于侦测人员是否接近危险区域、物体是否被移动等。
这样可以及时发出警报或采取措施，提高安全性。
4.机器人技术：在机器人领域，光电式传感器可以用来感知周围的环境，帮助机器人进行定位、避障等操作。
5.环境监测：光电式传感器可以用于测量大气中的光线强度、辐射强度等，可以帮助我们了解环境的变化。
工作原理光电式传感器的工作原理主要基于光电效应，下面将介绍两种常见的光电效应：光电效应一：光电发射效应光电发射效应是指当光照射到金属或半导体表面时，光子能量转化为电子能量，电子从固体表面逸出的现象。
光电发射效应常用于光电二极管。
光电二极管是一种可以将光线转化为电信号的装置。
当光线照射到光电二极管表面时，光子能量将被电子吸收，电子从材料中逸出并流向电极，形成电流。
通过测量电流的大小，我们可以了解光照强度的大小。
光电效应二：光电导效应光电导效应是指当光照射到半导体材料中时，产生的电子和空穴会在电场的作用下形成电流。
光电导效应常用于光电三极管或光敏电阻。
光敏电阻是一种根据光照强度变化而改变电阻值的元件。
当光线照射到光敏电阻表面时，光子的能量会导致光敏电阻中载流子的增加，进而改变电阻值。
通过测量电阻的变化，我们可以了解光照强度的变化。
传感器原理及工程应用习题参考答案
《传感器原理及工程应用》习题答案王丽香第1章 传感与检测技术的理论基础（P26）1－3 用测量范围为－50～150kPa 的压力传感器测量140kPa 的压力时，传感器测得示值为142kPa ，求该示值的绝对误差、实际相对误差、标称相对误差和引用误差。
解：已知： 真值L ＝140kPa 测量值x ＝142kPa 测量上限＝150kPa 测量下限＝－50kPa∴ 绝对误差 Δ＝x-L=142-140=2(kPa)实际相对误差 ％＝＝43.11402≈∆L δ标称相对误差 ％＝＝41.11422≈∆x δ引用误差％－－＝测量上限－测量下限＝1)50(1502≈∆γ1－10 对某节流元件（孔板）开孔直径d 20的尺寸进行了15次测量，测量数据如下（单位：mm ）：120.42 120.43 120.40 120.42 120.43 120.39 120.30 120.40 120.43 120.41 120.43 120.42 120.39 120.39 120.40试用格拉布斯准则判断上述数据是否含有粗大误差，并写出其测量结果。
解：当n ＝15时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.41。
则 2072.410.03270.0788()0.104d G mm v σ=⨯=<=-，所以7d 为粗大误差数据，应当剔除。
然后重新计算平均值和标准偏差。
当n ＝14时，若取置信概率P ＝0.95，查表可得格拉布斯系数G ＝2.37。
则 20 2.370.01610.0382()d i G mm v σ=⨯=>，所以其他14个测量值中没有坏值。
计算算术平均值的标准偏差200.0043()mm σσ=== 20330.00430.013()d mm σ=⨯=所以，测量结果为：20(120.4110.013)()(99.73%)d mm P =±=1－14交流电路的电抗数值方程为CL X ωω1-= 当角频率Hz 51=ω，测得电抗1X 为Ω8.0； 当角频率Hz 22=ω，测得电抗2X 为Ω2.0； 当角频率Hz 13=ω，测得电抗3X 为Ω-3.0。
光电式传感器的应用
在实际应用
中，主要利用光
电池的光照特性、
光谱特性、频率
特性和温度特性
等，通过基本电
路与其它电子线
路的组合可实现
或自动控制的目
的。 -12V
光电池自动干手器
～
12V J1 M
2A
51K
470uf
39K
L
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24
手放入干手器 时，手遮住灯泡发 出的光，光电池不 受光照，晶体管基 极正偏而导通，继 电器吸合。风机和 J 电热丝通电，热风 吹出烘手。手干抽 出后，灯泡发出光 直接照射到光电池 上，产生光生电动 势，使三极管基射 极反偏而截止，继 电器释放，从而切 断风机和电热丝的 电源。
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(a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式 光敏器件在工业应用中的基本形式
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四种基本形式
(1)直射式如图 (a)所示,光源本身就是被测物体。被测物 体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式 常用于光电比色高温计中作光电器件。
(2)透射式如图 (b)所示，光源的光通量一部分由被测物 体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。 该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。
将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏 度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的 光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要 用于光电检测和自动控制系统中。
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光电池应用举例
（1）太阳电池电源
太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节 控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一 个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。
传感器原理及其应用光纤传感器课件
第9章 光纤传感器
2．非功能型(传光型)光纤传感器
这类光纤传感器中光纤仅起导光
作用，只“传”不“感”，对外
界信息的“感觉”功能依靠其他
物理性质的功能元件完成，光纤
在系统中是不连续的。此类光纤
传感器无需特殊光纤及其他特殊
技术，比较容易实现，成本低； 非功能型光纤传感器使用的光
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
光电转换器件采用光电二极管
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.2 光纤传感器的分类及其工作原理
光纤传感器与电类传感器的对比
电
被
电源
类
测
电类传感器
电缆
传
参
电量检测
感
量
器
光源
光
被
纤
可以证明，该入射角为
sin0
1 n0
n12 n22
光 纤 的 “ 数 值 孔 径 ” NA ，
NAsin0n10 n12n22
传感器原理及其应用光纤传感器课 武汉理工大学件机电工程学院
第9章 光纤传感器
9.1.3 光纤的种类 1．按材料分类
1) 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维
这种材料的光损耗比较小，在波长时，最低损耗约为 0.47 dB/km 。 锗 硅 光 纤 ， 包 层 用 硼 硅 材 料 ， 其 损 耗 约 为 0.5 dB/km。
光纤传感器的特点:
①电绝缘性能好。 ②抗电磁干扰能力强。 ③非侵入性。 ④高灵敏度。 ⑤容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、 流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量
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光电池
一个大面积的PN节，光照下产生的电子－空穴对向两级扩散， 形成与光照强度有关的电动势。
光电耦合器件
光电耦合器 光电开关
CCD（电荷耦合器件）
结构：MOS电容器→光敏元或像素；MOS阵列→CCD器件 原理：
红外传感器的应用
红外测温仪
3~5 μm和8~14 μm
红外探测器
热探测器
利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升 高，进而使某些有关物理参数发生变化，通过测量物理参数的变化来 确定探测器所吸收的红外辐射。
光子探测器
利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变 电子的能量状态，引起各种电学现象。
被测对象
光源
光纤敏感元件
光纤
至信号处理系统 光探测器
被测对象 光敏感元件
光纤
光源
至信号处理系统 光探测器
红外传感器——辐射式传感器
红外辐射
本质是热辐射 以波的形式在空间直线传播，真空中以光速传播 当物体温度低于1000℃时，向外辐射的不再是可见光，而是红外光 红外线在通过大气层时, 有三个波段透过率高, 它们是2~2.6 μm、
光敏二极管、光敏晶体管
光敏二极管
光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态 暗电流、光电流（光照越强，光电流？）
光敏三极管
基极无引出线，集电极相对于发射极为正电压 当光照射在集电结上时, 就会在结附近产生电子-空穴对, 从而形成光电流, 相
当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的β倍, 所以光敏晶体管 有放大作用。
金属
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
氧化物SiO2 沟阻 耗尽层（势阱） 衬底
少数载流子 P-Si
光电传感器的应用
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光纤传感器
光纤的结构
光纤的传光原理
光纤传感器工作原理
利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量
功能型——利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成
传光型——光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它 敏感元件感受被测量的变化