传感器原理及应用第8章.ppt
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1、物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors主讲:王殿生 教授物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用第八章第八章作 业第二版教材第二版教材152页:页:练习题:练习题:8-2,8-3,8-6,8-7第三版教材第三版教材148149页:页:练习题:练习题:8-2,8-3,8-6,8-7物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用光电光电光
2、电光电器件器件器件器件 被测非电量被测非电量被测非电量被测非电量电信号电信号电信号电信号测量测量测量测量电路电路电路电路U UU U、I I I I 第八章 光电式传感器 uu光电式传感器的定义光电式传感器的定义光电式传感器的定义光电式传感器的定义 以以以以光光光光电电电电器器器器件件件件或或或或传传传传播播播播光光光光路路路路为为为为敏敏敏敏感感感感元元元元件件件件,将将将将被被被被测测测测量量量量通通通通过过过过光光光光信信信信号号号号的的的的变化转换为电信号变化的传感器。变化转换为电信号变化的传感器。变化转换为电信号变化的传感器。变化转换为电信号变化的传感器。uu光电式传感器的物理基础和
3、组成光电式传感器的物理基础和组成光电式传感器的物理基础和组成光电式传感器的物理基础和组成 物理基础:物理基础:物理基础:物理基础:光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。uu光电式传感器的感测量光电式传感器的感测量光电式传感器的感测量光电式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。uu光电式传感器的种类光电式传感器的种类
4、光电式传感器的种类光电式传感器的种类 根据工作原理:根据工作原理:根据工作原理:根据工作原理:内光电效应型和外光电效应型。内光电效应型和外光电效应型。内光电效应型和外光电效应型。内光电效应型和外光电效应型。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第八章 光电式传感器 8.1 光的特性与光源光的特性与光源8.2 光电效应光电效应8.3 光电器件光电器件8.4 光纤传感器光纤传感器8.5 光电式传感器应用光电式传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用光波:光波:波长波长1
5、0106nm电磁波。电磁波。可见光波长:可见光波长:380780nm;紫外线波长:紫外线波长:10380nm;红外线波长:红外线波长:780106nm。一、光的特性一、光的特性8.1 光的特性与光源光光具具有有反反射射、折折射射、散散射射、衍衍射、干涉和吸收等性质。射、干涉和吸收等性质。光光的的粒粒子子性性:光光是是以以光光速速运运动动着着的的粒粒子子(光光子子)流流,一一束束频频率率为为的的光光由由能能量量相相同同的的光光子子所所组组成成,每每个光子的能量为个光子的能量为光光的的频频率率愈愈高高(即即波波长长愈愈短短),光子的能量愈大。光子的能量愈大。电磁波谱图电磁波谱图物理科学与技术学院物
6、理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用一、光的特性一、光的特性8.1 光的特性与光源电磁波谱图电磁波谱图物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、常用光源二、常用光源8.1 光的特性与光源常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LED物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用二、常用光源二、常用光源8.1 光的
7、特性与光源808 nm 大功率大功率LD650 nm LD1.55 um LD1.55 um LD模块模块模块模块物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第八章 光电式传感器 8.1 光的特性与光源光的特性与光源8.2 光电效应光电效应8.3 光电器件光电器件8.4 光纤传感器光纤传感器8.5 光电式传感器应用光电式传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用一、光电效应基本概念一、光电效应基本概念8.2 光电效应金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物半
8、导体半导体半导体半导体光照光照光照光照 电子电子电子电子光光光光电电电电效效效效应应应应是是是是光光光光电电电电传传传传感感感感器器器器的的的的基基基基本本本本转转转转换换换换原理。外光电效应和内光电效应。原理。外光电效应和内光电效应。原理。外光电效应和内光电效应。原理。外光电效应和内光电效应。内光电效应内光电效应内光电效应内光电效应光照光照光照光照半导体半导体半导体半导体 电子在物体电子在物体电子在物体电子在物体内部运动内部运动内部运动内部运动外光电效应外光电效应外光电效应外光电效应金属金属金属金属金属氧化物金属氧化物金属氧化物金属氧化物光照光照光照光照电子逸出电子逸出电子逸出电子逸出物体表
9、面物体表面物体表面物体表面物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用外外光光电电效效应应:物物体体内内的的电电子子逸逸出物体表面向外发射的现象。出物体表面向外发射的现象。基基于于外外光光电电效效应应的的光光电电器器件件有有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。二、外光电效应二、外光电效应(3)逸逸出出的的光光电电子子具具有动能。有动能。(4)从从光光照照至至发发射射电电子,时间子,时间 d,入入射射端端面面为为基基准准,则则出出射光的相位为射光的相位为因因此此,应应变变和和折折射射率率的的变变化化会产生相位的变化。会产生相位的变化。
10、测测量量物物理理量量:温温度度、压压力力、加速度等。加速度等。调调制制解解调调方方法法:常常采采用用干干涉涉技术。技术。常常用用干干涉涉测测量量仪仪器器:马马赫赫泽泽德德干干涉涉仪仪、迈迈克克耳耳逊逊干干涉涉仪仪、赛格纳克干涉仪等。赛格纳克干涉仪等。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类(1)功能型光纤传感器)功能型光纤传感器相位调制型光纤传感器测量压力相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示或温度动画演示物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生
11、 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用特特点点:内内部部变变化化,宜宜在在恶恶劣劣环环境境中中应应用用,灵灵敏敏度度高高,结结构构简简单,性能稳定。单,性能稳定。8.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器 光强调制型光纤传感器光强调制型光纤传感器原理:光纤微弯曲损耗。原理:光纤微弯曲损耗。3、光纤传感器分类、光纤传感器分类(1)功能型光纤传感器)功能型光纤传感器 相位调制型光纤传感器相位调制型光纤传感器例例如如:迈迈克克耳耳逊逊干干涉涉调调制制解解调技术。调技术。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.4 光纤传感器
12、三、光纤传感器三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类(1)功能型光纤传感器)功能型光纤传感器物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.4 光纤传感器三、光纤传感器三、光纤传感器3、光纤传感器分类、光纤传感器分类(2)非功能型光纤传感器)非功能型光纤传感器传传光光型型光光纤纤传传感感器器的的光光纤纤只只当当作作传传播播光光的的媒媒介介,待待测测对对象象的的调制功能由光电转换元件实现。调制功能由光电转换元件实现。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用 第八章 光电式传感
13、器 8.1 光的特性与光源光的特性与光源8.2 光电效应光电效应8.3 光电器件光电器件8.4 光纤传感器光纤传感器8.5 光电式传感器应用光电式传感器应用物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.5 光电式传感器应用光光电电测测量量方方法法灵灵活活多多样样,可可测测参参数数众众多多,又又具具有有非非接接触触、高高精精度度、高高分分辨辨率率、高高可可靠靠性性和和响响应应快快等等优优点点,加加之之激激光光光光源源、光光栅栅、光光学学码码盘盘、CCD器器件件、光光导导纤纤维维等等相相继继应应用用,使使光光电电式式传传感感器器在在检检测测和
14、和控控制制领域应用非常广泛。领域应用非常广泛。光光电电式式传传感感器器在在工工业业上上的的应应用用可可归归纳纳为为吸吸收收式式、遮遮光光式式、反反射射式式、辐射式四种基本形式。辐射式四种基本形式。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.5 光电式传感器应用一、光纤加速度传感器一、光纤加速度传感器光光纤纤加加速速度度传传感感器器是是一一种种简简谐谐振振子子的的结结构构形式。形式。激激光光束束通通过过分分光光板板后后分分为为两两束束光光,透透射射光光作作为为参参考考光光束束,反反射射光光作为测量光束。作为测量光束。当当传传感感器器感感受
15、受加加速速度度时时,质质量量块块M对对光光纤纤作作用用,从从而而使使光光纤纤被被拉拉伸伸,引引起起光光程程差差的的改改变变,进进而而反反射射光光相相位位发发生生变变化。化。相相位位改改变变的的激激光光束束由由单单模模光光纤纤射射出出后后与参考光束会合产生干涉效应。与参考光束会合产生干涉效应。激激光光干干涉涉仪仪干干涉涉条条纹纹的的移移动动可可由由光光电电接接收收装装置置转转换换为为电电信信号号,经经过过信信号号处处理理电电路处理后便可以正确地测出加速度值。路处理后便可以正确地测出加速度值。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.5
16、光电式传感器应用二、光纤温度传感器二、光纤温度传感器根根据据工工作作原原理理光光纤纤温温度度传传感感器器可可分分为为相相位位调调制制型型、光光强强调调制制型型和和偏偏振振光光型型等等。光光强强调调制制半半导导体体光光吸吸收收型型光光纤纤温温度度传传感感器器的的结结构构由由半半导导体体光光吸吸收收器器、光光纤纤、光光源源和和包包括括光光探探测测器器在在内内的信号处理系统等的信号处理系统等组成的。组成的。半半导导体体材材料料的的能能量量隙隙随随温温度度几几乎乎成成线线性性变变化化。光光透透过过率率特特性性曲曲线线随随温温度度的的增增加加向向长长波波方方向向移移动动,透透射射过过半半导导体体材材料料
17、的的光光强强随随温温度度而而变变化化,探探测测器器检检测测输输出出光光强强的的变化即可测量温度。变化即可测量温度。物理科学与技术学院物理科学与技术学院王殿生王殿生 制作制作EXIT传感器原理及应用传感器原理及应用8.5 光电式传感器应用二、光纤温度传感器二、光纤温度传感器半半导导体体光光吸吸收收型型光光纤纤传传感感器器的的测测量量范范围围随随半半导导体体材材料料和和光光源源而而变变,一一般般在在-100300温温度度范范围围内内进行测量,响应时间约为进行测量,响应时间约为2s。特特点点:体体积积小小、结结构构简简单单、时时间间响响应应快快、工工作作稳稳定定、成成本本低低、便于推广应用。便于推广
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- 传感器 原理 应用
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