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ca88传感器与检测技术第四版 第四章

发布日期:2020-10-24 02:21

  传感器与检测技术第四版 第四章_数学_自然科学_专业资料。第4章 光电式传感器原理与应用 4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器 4.1 光电效应和光电器件 外光电效应: 在光线作用下使

  第4章 光电式传感器原理与应用 4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器 4.1 光电效应和光电器件 外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。 如光电管、光电倍增管 内光电效应: 在光线作用下使物体电阻率改变的现象,如光敏电阻 阻挡层光电效应(光生伏特效应): 在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象。 如光电池、光敏晶体管 4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 特点:放大光电流。 结构:光电阴极+若干倍增极+阳极 工作原理: 二次电子发射系数 σ =二次发射电子数/入射电子数 若倍增极有n,则倍增率为σn 4.1.3 光敏电阻 1. 光敏电阻的工作原理及结构 当无光照时,光敏电阻值(暗电阻)很大,电路中电流很小 当有光照时,光敏电阻值(亮电阻)急剧减少,电流迅速增加 注意: 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响,因此要将光电导体严密 封装在带有玻璃的壳体中 半导体吸收光子而产生的光电效应,只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状,提高了光敏电阻的灵敏度。 灵敏度高,光谱特性好,光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定 2. 光敏电阻的主要参数 (1) 暗电阻和暗电流 (2) 亮电阻和亮电流 (3) 光电流 亮电流与暗电流之差,称为光电流 3. 光敏电阻的基本特性 (1) 伏安特性 (2) 光照特性 (3) 光谱特性 (4) 响应时间和频率特性 (5) 温度特性 温度系数: ? ? R2 ? R1 ? 100%?C ?1 (T2 ? T1 )R2 温度对光谱特性影响 降温措施可提高光敏电阻 对长波光的响应 4.1.4 光敏二极管和光敏三极管 1. 工作原理 注:光敏二极管在电路中处于反向工作状态 光敏晶体管 特点: 把光信号转换为电信号同时,又将信号电流加以放大 2. 基本特性 (1) 光谱特性 (2) 伏安特性 (3) 光照特性 (4) 温度特性 (5) 频率响应 4.1.5 光电池 1. 工作原理 2. 基本特性 (1) 光谱特性 (2) 光照特性 光电池的短路电流 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性 影响性能和寿命因素: 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件 4.1.6 光电式传感器的应用 1. 模拟式光电传感器的应用 原理: 光电器件的光电流随光通量而变化,是光通量的函数。 光通量随被测非电量而变化,这样光电流就是被测非电量的函数 光电比色高温计 2. 脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态,即“通”与“断”的开关状态 光电式数字转速表 C ? ZTN 60 4.2 光电码盘 数字式传感器:把输入量转换成数字量输出 优点:测量精度和分辨力高,抗干扰能力强,能避免 在读标尺和曲线图时产生的人为误差,便于用 计算机处理 编码器:角度数字编码器(码盘)、直线位移编码器(码尺) 分类:电触式、电容式、感应式和光电式等 4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 根据码盘的起始和终止位置可确 定转角,与转动的中间过程无关 二进制码盘特点: (1) n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码,容量为2n, 最小分辨力?1 ? 360? 2n 最外圈角节距为 2?1 (2) 二进制码为有权码,编码Cn,Cn-1,…,C1对应于 由零位算起的转角为: n ? Ci 2i?1?1 i ?1 (3)码盘转动中,Ci变化时,所有Cj(j i)应同时变化 二进制码盘的粗大误差及消除 要求各个码道刻划精确,彼此对准,给码盘制作造成很大困难 有—个码道提前或延后改变,就可能造成输出的粗大误差 消除粗大误差方法: (1) 双读数头法,ca88,循环码代替二进制码 六位循环码码盘 特点: (1) n位循环码码盘具有2n种不同编码; (2) 循环码码盘具有轴对称性, 其最高位相反,其余各位相同 (3) 循环码为无权码 (4) 循环码码盘转到相邻区域时,编码中只有一位发生变化, 不会产生粗误差 4.2.3 二进制码与循环码的转换 十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7 二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111 循环码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100 十进制数 8 9 10 11 12 13 14 15 二进制码 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 循环码 1100 1101 1111 1110 1010 1011 1001 1000 Cn ? Rn Ci ? Ci?1 ? Ri Ri ? Ci?1 ? Ci 二进制码转换为循环码的电路 循环码转变为二进制码的电路 循环码是无权码,直接译码有困难, 一般先转换为二进制码再译码 单盘与多盘编码器: 单盘编码器: 全部码道在一个圆盘上,结构简单,使用方便 多盘编码器: 几个码盘通过机械传动装置连成一起,可大大提高分辨率 4.2.4 光电码盘的应用 光学码盘测角仪 脉冲当量变换 4.3 电荷耦合器件 4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 平带条件: 当MOS电容的极板上无外加电压时,在理想情况下,半导体从 体内到表面处是电中性的,因而能带(代表电子的能量)从表面 到内部是平的 加上正电压MOS电容的能带 有信号电荷的势阱 势阱:深耗尽条件下的表面势 势阱填满:电子在半导体表面堆积后使平面势下降 信号电荷转移—CCD的基本功能是存储与转移信息电荷 1. 使MOS电容阵列的排列足够紧密,以致相邻MOS电容的势阱 相互沟通,即相互耦合 2. 控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅,使信号电荷 由势阱浅的地方流向势阱深处 3. 在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向 定向转移的实现 1. 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的 无限循环结构 2. 一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数 3. 时序脉冲加到CCD的无限循环结构上,实现电荷的定向转移 CCD电荷的产生方式: 1. 电压信号注入 CCD在用作信号处理或存储器件时,电荷输入采用电注入 2. 光信号注入 CCD用作图像传感时,信号电荷由光生载流子得到,即光注入 电荷的输出: 1. 电流输出 2. 电压输出 4.3.2 CCD图像传感器 类型:线) CCD线) 面型固态图像器件 (a) x-y 选址 (b) 行选址 (c) 帧场传输式 (d) 行间传输式 4.3.3 图像传感器的应用 1. 尺寸测量 被测对象长度L a l2 ? a ? f ? l1 L ? 1 ? np ? ( a ? 1) ? pn M f l1 ? a ? 1 ? L ? l1 ? pn l2 f l2 l1 -视场 l2-传感器的长度 2. 用于光学文字识别装置 4.4 光纤传感器 4.4.1 光导纤维的结构和导光原理 圆柱形内芯和包层组成,且内芯的折射率略大于包层的折射率 斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时,发生折射 (a) 折射角大于入射角: n1 sin?i ? n2 sin?r (b) 临界状态: (c) 全反射 ?i0 ? arcsin(n2 / n1 ) ?i ? ?i0 光纤导光 n0 sin?i ? n1 sin? j n1 sin?k ? n2 sin?r s in? i ? ( n1 n0 ) s in? j ?? j ? 90? ? ?k s in? i ? (n1 / n0 )sin(90? ??k ) ? n1 n0 cos ?k ? n1 n0 1 ? sin2 ?k s in? i ? n1 n0 1 ? ( n2 n1 sin?r )2 ? 1 n0 n12 ? n22 sin2 ?r n0为入射光线AB所在空间的折射率,一般皆为空气,故 n0≈1 sin?i ? n12 ? n22 sin2 ?r 当 ?r ? 90? 的临界状态时, sin?i0 ? n12 ? n22 sin?i0 : “数值孔径”NA sin?i0 ? n1 2? ? ? (n1 ? n2 ) / n1 相对折射率差 arcsinNA是一个临界角 ?i ? arcsin NA :光线进入光纤后都不能传播而在包层消失 ?i ? arcsin NA :光线才可以进入光纤被全反射传播 4.4.2 光导纤维的主要参数 1. 数值孔径(NA) NA ? sin?i ? n12 ? n22 反映纤芯接收光量的多少,标志光纤接收性能 大的数值孔径:有利于耦合效率的提高 数值孔径太大,光信号畸变也越严重 2. 光纤模式 定义:光波沿光导纤维传播的途径和方式 阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示 1 V ? ?d(n12 ? n22 )2 / ?0 3. 传播损耗 原因:光纤纤芯材料的吸收、散射,光纤弯曲处的辐射损耗等 A ? al ? 20lg I0 I 4.4.3 光纤传感器的结构原理 光接收器 光受到被测量的调制,已调光经光纤耦合到光接收器, 使光信号变为电信号,经信号处理系统得到被测量 光的电矢量E E ? B sin(?t ? ? ) 4.4.4 光纤传感器的分类 (1) 光纤在传感器中的作用 光接收器 光接收器 光接收器 功能型 非功能型 拾光型 (a) 功能型(全光纤型)光纤传感器 特点:光纤在其中不仅是导光媒质,而且也是敏感元件, 光在光纤内受被测量调制 优点:结构紧凑、灵敏度高 缺点:须用特殊光纤,成本高 典型例子:光纤陀螺、光纤水听器等 (b) 非功能型(或称传光型)光纤传感器 特点:光纤在其中仅起导光作用,光照在光纤型敏感元件上 受被测量调制 优点:无需特殊光纤及其他特殊技术,比较容易实现,成本低 缺点:灵敏度较低 (c) 拾光型光纤传感器 特点:用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其 反射、散射的光 如:光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器 (2) 根据光受被测对象的调制形式 (a) 强度调制型光纤传感器 特点:利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化,而导致 光强度变化来实现敏感测量的传感器 优点:结构简单、容易实现、成本低 缺点:易受光源强度波动和连接器损耗变化等的影响 (b) 偏振调制光纤传感器 特点:利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 优点:可避免光源强度变化的影响,灵敏度高 (c) 频率调制光纤传感器 特点:被测对象引起的光频率的变化来进行监测 (d) 相位调制光纤传感器 特点:被测对象导致光的相位变化,然后用干涉仪来检测 这种相位变化而得到被测对象的信息 优点:灵敏度很高 缺点:特殊光纤及高精度检测系统,成本高 4.4.5 光纤传感器的特点 (1) 电绝缘 (2) 抗电磁干扰 (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 4.4.6 光纤传感器的应用 强度调制型 光 基于弹性元件受压变形,将压力信号转换成位移信号 纤 来检测,故常用于位移的光纤检测技术 压 力 传 相位调制型 感 器 利用光纤本身作为敏感元件 偏振调制型 主要是利用晶体的光弹性效应 1. 采用弹性元件的光纤压力传感器 膜片的中心挠度 3(1 ? ? 2 )R4 y ? 16Et 3 P 与所加的压力呈线性关系 传感器的固有频率可表示为 fr ? 2.56t ?R 2 gE 3? (1 ? ? 2 ) P 光源不稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降,精度受到影响 差动式膜片反射型光纤压力传感器 两束输出光的光强之比 I2 ? 1 ? AP I1 1 ? AP 输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 满足(AP)2≤1,则 ln I 2 ? P I1 2A 2. 光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应:晶体受压后折射率发生变化,从而呈现双折射现象 3. 微弯式光纤压力传感器 微弯效应:压力引起变形器产生位移,使光纤弯曲而调制光强度 4.5 光栅传感器 形状和用途:长光栅、圆光栅 光线走向:透射光栅、反射光栅 4.5.1 光栅传感器的结构 光栅传感器光源: 钨丝灯泡:输出功率较大,工作范围较宽 (-40℃到+130℃) 半导体发光器件:转换效率高,响应快速 光栅副:指示光栅+主光栅 a+b=W称为光栅的栅距(或光栅常数) ,一般 a=b=W/2 光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分 4.5.2 莫尔条纹形成的原理 横向莫尔条纹的斜率 tan? ? tan? 2 莫尔条纹间距 BC W W BH ? AB ? sin? ? 2sin? ? ? 2 2 4.5.3 莫尔条纹技术的特点 (1) 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹宽度,起到放大作用, 又提高了测量精度 (2) 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化,便于将电信号细分 (3) 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用 径向光栅进行角度测量 4.5.4 光栅的光路 (1) 透射式光路 特点:结构简单,位置紧凑,调整使用方便,应用广泛 适合于粗栅距的黑白透射光栅 (2) 反射式光路 适用于黑白反射光栅 4.5.5 辨向原理 辨向电路 4.5.6 细分技术 细分:在莫尔条纹变化一周期时,不只输出一个脉冲,而是 输出若干个脉冲,以减小脉冲当量提高分辨力 (1) 直接细分 ——位置细分 优点:对莫尔条纹信号波形要求不严格,电路简单,可用于 静态和动态测量系统 缺点:光电元件安放困难,细分数不能太高 (2) 电阻电桥细分法(矢量和法) U sc ? R2 R1 ? R2 e1 ? R1 R1 ? R2 e2 若e1 ? Asin?,e2 ? Acos?, 设 R1 ? tan? R2 Asin(? ? ? ) Usc ? sin? ? cos? 用此信号去触发施密特电路 电阻电桥细分法用于10细分 (3) 电阻链细分法(电阻分割法) 实质:用电阻衰减器来进行细分。