機電一體化畢業(yè)論文-- 傳感器技術的應用與發(fā)展

1、<p>　　傳感器技術的應用與發(fā)展</p><p>　　題 目 傳感器技術的應用與發(fā)展 </p><p><b>　　指導教師</b></p><p>　　評 語

2、 </p><p>　　指導教師 (簽章)</p><p><b>　　評 閱 人</b></p><p>　　評 語

3、 </p><p>　　評 閱 人 (簽章)</p><p>　　成 績 </p><p>　　答辯委員會主任 (簽章)</p><p>　　年 月 日 </p><p

4、>　　畢 業(yè) 設 計 任 務 書</p><p>　　題 目 傳感器技術的應用與發(fā)展 </p><p>　　題目類型： 理論研究 </p><p><b>　　設計任務</b>

5、</p><p>　　隨著傳感器技術的快速發(fā)展和日趨成熟，傳感器處系統(tǒng)之首，其作用相當于系統(tǒng) 感受器官，能快速精確地獲取信息并能經(jīng)受嚴酷環(huán)境考驗，如缺

6、 少這些傳感器對系統(tǒng)狀態(tài)和對信息精確而可靠的自動檢測，系統(tǒng)的信息處理，控制決策等功能就無法談及和實現(xiàn)。 </p><p><b>　　具體工作內(nèi)容與要求</b></p><p>　　1. 光電傳感器基本原理

7、 </p><p>　　2. 光纖傳感器的基本原理和應用 </p><p>　　3. 其它光電傳感器的特點

8、 </p><p>　　應交出的設計文件及實物（包括設計論文、論文字數(shù)、圖紙規(guī)格、數(shù)量，外文翻譯字數(shù)，程序清單或磁盤、實驗裝置或產(chǎn)品等）</p><p>　　1. 設計論文一篇 </p>&l

9、t;p>　　2. 填寫畢業(yè)設計開題報告 以及論文格式 </p><p>　　指導教師提供的設計資料</p><p>　　《傳感器及應用技術 》

10、 </p><p>　　《傳感器及應用 》 </p><p>　　要求學生搜集的技術資料（指出搜集資料的技術領域）</p><p>　　《傳感器技術》

11、 </p><p>　　《傳感器及應用技術 》 </p><p><b>　　設計進度安排</b></p><p>　　第一部分 分析查閱資料，確立論文

12、題目，綱目。 （4 周）</p><p>　　第二部分 把論文題目傳到函授站信箱 （1 周）</p><p>　　第三部分 搜索并整理資料，完成初稿 （5 周）</p><p>　　

13、第四部分 完成結題驗收 （3 周）</p><p>　　評閱及答辯 提交畢業(yè)論文一份 （1 周） </p><p>　　指導教師： 年 月 日</p><

14、;p><b>　　系主任審查意見：</b></p><p>　　審 批 人： 年 月 日</p><p>　　榆林職業(yè)技術學院神木校區(qū) </p><p><b>　　摘要 </b></p><p>　　在科學技術高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息

15、時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術列入優(yōu)先發(fā)展的科學技術之一。 由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的發(fā)展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應快以及結構簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用，它一種是以光電效應為理論基礎，由光電材料構成的器件。它可用于

16、檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。</p><p>　　關鍵字：光電元件；傳感器分類； 傳感器應用</p><p><b&g

17、t;　　ABSTRACT</b></p><p>　　The photoelectric transducer adopts the photoelectric component as the transducer measuring the component. It changes the change measured into a change of the optical signal a

18、t first, then further change the optical signal into an electric signal through the photoelectric component. The photoelectric transducer is generally made up of light source, optical thorough fare and photoelectric comp

19、onent three parts. the transducer is of simple structure, the form is flexible, so, it is very extensive </p><p>　　Keywords： Photoelectric ; component ; Transducer classification </p><p><

20、;b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 傳感器發(fā)展史1</p><p>　　1.2 光電傳感器概述

21、3</p><p>　　第二章 光電傳感器基本原理3</p><p>　　2.1 光電效應3</p><p>　　2.2 光電元件及特性4</p><p>　　2.3 光電傳感器7</p><p>　　第三章 光纖傳感器11</p><p>　　3.1 光纖傳感器的原理和組成

22、11</p><p>　　3.2 光纖傳感器的類型及特點11</p><p>　　3.3 光纖傳感器的應用領域12</p><p>　　3.4 光纖傳感器（FOS）應用原理14</p><p>　　3.5 光纖傳感器的實際的應用15</p><p>　　第四章 其它光電傳感器16</p>

23、<p>　　4.1 高速光電二極管16</p><p>　　4.2 電阻式位移傳感器17</p><p>　　4.3 光位置傳感器18</p><p>　　第五章 總結與展望19</p><p><b>　　5.1 總結19</b></p><p>　　5.2 展望19

24、</p><p><b>　　參考文獻21</b></p><p>　　第一章 緒論 </p><p>　　1.1 傳感器發(fā)展史</p><p>　　傳感技術的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段,即結構型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器，其測量技術、方法和特點的發(fā)展歷程見表1。</p>&l

25、t;p>　　表1 傳感器的發(fā)展階段</p><p>　　1、結構型傳感器　以其結構部分變化或結構部分變化后而引起某種場的變化來反映被測量的大小及變化。 </p><p>　　2、物性型傳感器　利用構成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化,從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出。</p><p>　　3、智能型傳感器　把傳感器與微處理器有機地

26、結合成一個高度集成化的新型傳感器。它與結構型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信息還具有信號處理的功能,使信息的質(zhì)量大大提高,其功能也擴展了。以網(wǎng)絡化智能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網(wǎng)絡接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展;從被動檢測向主動進行信息處理方向發(fā)展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化發(fā)展;從就地測量向遠距離實時在線測控發(fā)展,已成為傳感器技術發(fā)展的主要方向

27、之一。而光電傳感器作為新型傳感器更是得到了廣闊應用。</p><p>　　1.2 光電傳感器概述</p><p>　　光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多

28、樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 　</p><p>　　光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度，以

29、及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器等的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。</p><p>　　第二章 光電傳感器基本原理</p><p><b>　　2.1 光電效應</b></p><p&

30、gt;　　光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。</p><p>　　光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應</p><p>　　根據(jù)愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h＝6.63*10-3

31、4 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律： 式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。</p><p>　　由上式可知，要使光電子逸出陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對

32、每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應的波長為： 式中，c為光速，A為逸出功。</p><p>　　當受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導電現(xiàn)象稱為光導效應。它屬于內(nèi)光電效應。當光照在半導體上是，若電子的能量大與半導體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導帶，形成電子，同時，價帶留下相應

33、的空穴。電子、空穴仍留在半導體內(nèi)，并參與導電在外電場作用下形成的電流。</p><p>　　除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導體都有光電效應，半導體尤為顯著，根據(jù)光導效應制造的光電元件有固有入射光頻率，當光照在光電阻上，其導電性增強，電阻值下降。光強度愈強，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢復到原阻值。</p><p>　　半導體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，據(jù)此效應制造的光電器件有光電

34、池，光電二極管，管控晶閘管和光耦合器等。 </p><p>　　2.2 光電元件及特性</p><p>　　根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。</p><p>　　1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光電管它的外形和結構如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的

35、玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，

36、轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數(shù)關系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負載電阻 上的電壓</p><p>　　光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。</p><p>　　2.

37、光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管結構示意圖。</p><p>　　從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3…它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、…，倍增電極通常為10～15級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升

38、高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射……，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這 些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為σ ，則光電倍增管的倍增率可以認為是σN ，因此，光電倍增管有極高的靈敏

39、度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。 </p><p>　　3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：</p><p>　　1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時

40、流過電阻的電流稱為暗電流。</p><p>　　2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。</p><p>　　3)伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。</p><p>

41、　　圖2-5光敏電阻的伏安特性</p><p>　　4)光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。</p><p>　　5）光譜特性 入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關系稱為光譜特性。使用時可根據(jù)被測光的波長范圍，選擇不同材料的光敏電阻。</p>

42、;<p>　　6）響應時間 光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間（上升時間）才能達到其穩(wěn)定值。同樣，在停止光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時間（下降時間）才能恢復到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應時間和下降響應時間約為10-1～10-3s，即頻率響應為10Hz～1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。</p><p>　　7）、溫度特性

43、 光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。</p><p>　　8)、頻率特性 頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調(diào)制頻率f之間的關系，，光電二極管的頻率特性較光電三極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結存在電容和載流子基區(qū)需要時間的緣故。利用內(nèi)光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。<

44、;/p><p><b>　　2.3 光電傳感器</b></p><p>　　光電傳感器是通過把光信號轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結構如圖6，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結構簡單,形式靈

45、活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛.</p><p>　　光電傳感器一般由三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路，如圖7所示，發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信

46、號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維，三角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。</p><p><b>　　圖2-7</b></p><p>　　光電傳感器是一種依靠被測物與

47、光電元件和光源之間的關系，來達到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設計至關重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：</p><p>　　1)、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。</p&

48、gt;<p>　　2)、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。</p><p>　　3)、激光 激光與普通光線相比具有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。</p><p>　　由光源、光學通路和光電器件

49、組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不相同。下面介紹幾種半導體光電元件常用的測量電路。</p><p>　　半導體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖8所示的電路。</p><p>　　圖9（a）給出帶有

50、溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進行補償。圖中一個光敏二極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響相同，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。</p><p>　　光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，</p>&l

51、t;p>　　由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦蟮哪菢永面N二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組。</p><p>　　半導體光電元件

52、的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度。當光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 </p><p>　　由光通量對光電元件的作

53、用原理不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關)式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁

54、度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，

55、多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 </p><p><b>　　第三章 光纖傳感器</b></p><p>　　3.1 光纖傳感器的原理和組成 </p><p>　　光纖即光導纖維，是傳輸光的導線，光纖一般是用石英玻璃制作的，具有80kV/20cm的耐高壓特性，它廣泛用于高壓、高溫、易燃易爆、化學腐蝕溶液等惡劣環(huán)境中壓力、溫度、電壓、電

56、流、水聲、流量、pH值等物理量的測量，解決了許多以前認為難以解決甚至不能解決的測試技術難題。光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3部分組成，光源發(fā)出的光耦合進光纖，經(jīng)光纖進入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)作用于進入調(diào)區(qū)內(nèi)的光信號，是其光學性質(zhì)如光的強度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光

57、纖起保護作用。光纖主要分為兩類﹐一是漸變光纖﹐一是躍階光纖。前者的折射率是漸變的﹐而后者的折射率是突變的。另外還分為單模光纖及多模光纖 近年來﹐又有新的光子晶體光纖問世。依材質(zhì)：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依轉(zhuǎn)輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。 依折射率分：階躍型、漸變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基于光的全反射原理而工作的。當入射</p><p>　　上述范

58、圍，則進入光纖的光線便會在截面上發(fā)生折射，并透入包層。</p><p>　　3.2 光纖傳感器的類型及特點 </p><p>　　1、特點：靈敏度高，耐腐蝕，電絕緣，防爆性好，抗電磁干擾，光路可撓曲，易于與電腦連接，便于遙測等；而且：結構簡單，尺寸小，質(zhì)量輕，頻帶寬，可進行溫度、應變、壓力等多種參數(shù)的分布式測量。因此自從光纖傳感技術隨著光纖通信技術的發(fā)展逐步形成之后，它就得到了深入的研究和

59、廣泛的應用，現(xiàn)今光纖傳感器已經(jīng)能夠?qū)囟?、壓力、溫度、振動、電流、電壓、磁場等物理量進行測定，其應用范圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保 醫(yī)學等，發(fā)展空間相當</p><p><b>　　廣闊！</b></p><p>　　2、分類： 　　①按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。 　　傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要

60、使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測物理量作用而發(fā)生變化的特點，使光波傳導的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分 為光強調(diào)制型，偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。 　　傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進行光信號處理而

61、進行測量的。在這類傳感器中，光纖僅作為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進行調(diào)治的敏感元件才能組成傳感元件 　?、诠饫w傳感器根據(jù)其測量范圍還可分為點式光纖傳感器，分布式光纖傳感器。 　　單點光纖傳感器，只能對某一點做連續(xù)測量，分布式光纖傳感器是理想的結構應變分布的監(jiān)測器 ,它能在對結構無損傷的情況下 ,利用光導纖維具有的傳感運輸雙重特性，迅速實現(xiàn)對待測場沿光纖分布的多點甚至連續(xù)點測量，以達到取代多臺獨立點傳感器的目的。分布<

62、;/p><p>　　3.3 光纖傳感器的應用領域</p><p>　　1）、在航天器及船舶中的應用 　　先進的復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。 為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器，因此波長

63、復用能力極強 的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干涉探測性能的16路光纖光柵復用系統(tǒng) 成功實現(xiàn)了在帶寬為5kHz范圍內(nèi)、分辨率小于10nε/(Hz)1/2的動態(tài)應變測量。另外，為了監(jiān)測一架飛行器的應變、溫度、振動、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因 此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實際上

64、飛機的復合材料中存在兩個方向的應變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應變和溫度測量的理想智能元件。 2）、在民用工程結構中的應用 　　民用工程的結構監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。力學參量的測量對于橋梁、礦井、隧</p><p>　　3.4 光纖傳感器（FOS）應用原理</p><p>　　光纖傳感器一般由光源、光導纖維、光傳感器元件、光調(diào)制機構和信號處理器等部分組

65、成。其工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)光導纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的影響而發(fā)生變化的光再進入光調(diào)制機構，由其將傳感元件測量檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相伴、偏振等信息，這一過程也稱為光電轉(zhuǎn)換過程，最后利用微處理器如頻譜儀等等進行信號處理。其結構如17圖所示：</p><p>　　如前所述可以看出光纖傳感器的傳感機理表面上與電磁類傳感器有著相似的思路，只不過電磁類傳感器的電線或者測量空間的信息傳播載體

66、是電磁波而光導纖維中的載體是光波，然而也正是由于光波不同于電磁波的獨特性質(zhì)使其具有以下幾個突出的優(yōu)點：①利用不導電的玻璃纖維制成，其信息傳播載體是光子而不是電子，故無電磁干擾（EMI）和射頻干擾（RFI）的影響，可在各種電磁場復雜的環(huán)境中不受影響的工作；②有較大的靈活性，可制成各種形狀，并可用于各種危險、惡劣環(huán)境和探測微細變化；③其光信號不僅能直接感知，而且可與高度發(fā)展的電子裝置相匹配，幫助其實現(xiàn)智能化、多功能化和遠距離的實時監(jiān)控。&l

67、t;/p><p>　　光纖傳感器有三種分類方法：</p><p>　　1）、按光纖與光的作用機理分，可分為本征型和非本征型，前者是利用光纖直接與環(huán)境中的光相互作用來調(diào)制光信號，適用于測量轉(zhuǎn)速、加速度、聲源、壓力和振動等；后者則是將光纖作為傳送和接收光的通道，然后在光纖外部調(diào)制光信號，適用于測量純屬和角度位置、溫度、液位及過程控制中的流量等。</p><p>　　2）、按

68、光纖內(nèi)傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量分，可分為單模器件和多模器件。前者的纖芯很細，能大大降低信號的失真和損失程度；后者能傳輸更多的光，但由于具有多個通道，并對入射光的散射點數(shù)和存在模式色散，所以損失的信號較多，信號的失真也較嚴重。</p><p>　　3）、按信號在光纖中被調(diào)制的不同方式分，還可將光纖傳感器分為強度調(diào)制、相伴調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等多種不同類型。</p><p>　　3.5

69、 光纖傳感器的實際的應用</p><p>　　光纖傳感技術是伴隨著光通訊技術和半導體技術發(fā)展而衍生的一種新的傳感技術，是光傳感、光通訊、電子技術互相交叉、互相滲透的高科技技術，是國家“十五”重點支持發(fā)展的信息產(chǎn)業(yè)的重要組成部分。</p><p>　　、光纖液位傳感器　　在我國石油化工、冶金以及國防等部門，對油品和化工產(chǎn)品等易燃易爆液體類物質(zhì)的儲存、檢測和安全管理一直是個難題。長期以來，大

70、多企業(yè)是采用人工對其進行檢測和管理，勞動強度大，又有危險性，儲罐爆炸事件和人員傷亡事故時有發(fā)生。光纖液位傳感器某檢測湘度高，使用方便、穩(wěn)定可靠，特別是采用光纖光纜采集和傳輸信號，做到現(xiàn)場無電檢側，本質(zhì)安全防爆，特別適于易燃易爆場所的儲罐檢測。即將投產(chǎn)的光纖液位傳感器價調(diào)查和分析表明，目前全國年需求量應在1萬臺以上，而目前市場需求仍在不斷上升。

71、 </p><p>　　2）、電力工業(yè)中的應用</p><p>　　電力工業(yè)中的設備大多處在強電磁場中，一般電器類傳感器無法使用。高壓開關的在線監(jiān)測，高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實時檢測都要求絕緣性能好，體積小。光纖光柵具有的抗電磁干擾和它的安全性能恰恰能滿足在這種環(huán)境條件下使用。</p><p>　　在強電磁環(huán)境中

72、，關鍵基礎用電設備的安全運行是企業(yè)生產(chǎn)的必要保障，也是整個國民經(jīng)濟正常運轉(zhuǎn)的基本保證。電氣設備產(chǎn)生故障的大部分原因是設備過熱引起的，主要可以分為外部熱故障和內(nèi)部熱故障。電氣設備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，接觸點氧化引起接觸電阻增大，惡性循環(huán)造成隱患。此類故障占外部熱故障的90%以上。統(tǒng)計近幾年來檢測到的外部熱故障的幾千個數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個外部熱故障的77%，它們的平

73、均溫升約在30度左右，其它外部接頭的平均溫升在20-25度之間。</p><p>　　根據(jù)對電力事故分析，電纜故障引起的火災導致大面積電纜燒損，造成被迫停機，短時間內(nèi)無法恢復生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。通過事故的分析，引起電纜溝內(nèi)火災發(fā)生的直接原因是電纜中間頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊、接觸電阻過大，長期運行所造成的電纜頭過熱燒穿絕緣，最后導致電纜溝內(nèi)火災的發(fā)生。</p><p>　　從電纜頭或

74、變電設備的過熱到事故的發(fā)生，其發(fā)展速度比較緩慢、時間較長，通過電纜/設備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)完全可以防止、杜絕此類事故的發(fā)生。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化可使壓電陶瓷(PZT)產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，進而測知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不

75、易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應力的變化，這一應力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖光柵傳感器實現(xiàn)遠距離惡劣環(huán)境下測量的實例，在這種情況下，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。</p><p>　　第四章 其它光電傳感器</p><p>　　4.1 高速光電二極管</p>&

76、lt;p>　　1）、PIN結光電二極管</p><p>　　PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內(nèi)電場就基本上全集中于 I 層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。 由式τ = CjRL與 f = 1/2πτ知，Cj小，τ則小，頻帶將變寬。</p><p>　　內(nèi)電場較大，電子加速運

77、動，響應時間快。</p><p>　　圖4-1 PIN管結構示意圖</p><p>　　最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。</p><p>　　不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，

78、一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。 </p><p>　　2）、雪崩光電二極管(APD)</p><p>　　雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應來工作的一種二極管。P區(qū)外側增加高濃度P+層。</p><p>　　這種管子工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。結

79、區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反應。因此，這種管子有很高的內(nèi)增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。</p><p>　　缺點：噪聲大。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲

80、水平，以至無法使用。但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。 </p><p>　　4.2 電阻式位移傳感器</p><p>　　電阻式位移傳感器把被測得物理量變換成電阻值得變化，再通過電阻分壓電路或電阻電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出，例如應變電阻、電位器、磁敏電阻、光敏電阻、熱敏電阻、熱電阻、氣敏電阻、濕敏電阻、等。</p><p>　　4.2.

81、1應變電阻式位移傳感器</p><p>　　1、 應變電阻式位移傳感器的組成</p><p>　　應變電阻式位移傳感器是利用應變效應工作的，由彈性敏感元件、電阻應變片和轉(zhuǎn)換電橋組成，電阻應變片粘貼在彈性敏感元件或被測彈性構件上，把彈性敏感元件或構件的應變轉(zhuǎn)換成電阻的微小變化，再通過電橋把電阻變化轉(zhuǎn)變成電壓輸出。</p><p>　　應變電阻式位移傳感器的位移測量范圍

82、較小，其測量精度小于2%。因此，它主要與彈性敏感元件一起構成測量力、荷重、壓力、加速度等物理量的傳感器，例如常見的電子計價秤就利用了應變電阻式傳感器。</p><p><b>　　2、 電阻應變片</b></p><p>　?。?）電阻應變片的靈敏度 導體或半導體在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值亦將隨之發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。因此，電阻應變片可分

83、為金屬導體應變片和半導體應變片倆大類。</p><p>　?。?）電阻應變片的結構類型</p><p>　　1）金屬電阻應變片的結構類型。金屬電阻應變片的結構有絲式、箔式、和薄膜式三種。金屬電阻應變片做成的敏感柵粘貼在基底上，上面覆蓋保護層。應變片的縱向尺寸為工作長度，反應被測應變其橫向應變將造成測量誤差。圓角絲式應變片，其橫向應變會引起較大測量誤差，但耐疲勞性好，一般用于動態(tài)測量。直角絲

84、式應變片，它精度高，但耐疲勞性差，適于靜態(tài)測量。箔式電阻應變片用光刻技術將康銅或鎳鉻合金箔腐蝕成柵狀而成。其絲柵形狀可與應力分部相適應，制成各種專用應變片。箔式電阻應變片的電阻值分散度小，可做成任意形狀，易于大量生產(chǎn)，成本低，散熱性好，允許通過大的電流，靈敏度高，耐蠕變和漂移能力強。薄膜應變片是采用真空鍍膜技術在很薄的絕緣基底上蒸鍍金屬電阻材料薄膜，再加上保護層形成的，其優(yōu)點是靈敏度高，允許通過大的電流。</p><

85、p>　　2）半導體應變片的結構類型。半導體應變片有體型，薄膜型和擴散型等類型。隨著硅擴散技術的發(fā)展，擴散型半導體應變片已成主流。擴散型半導體應變片是在硅片上用擴散技術制成4個電阻并構成電橋，同時利用硅材料本身作為彈性敏感元件而做成的。還可以將擴散型半導體應變片與補償電路以及其他信號處理電路集成在一起，構成集成力敏傳感器。</p><p>　　4.3 光位置傳感器</p><p>　

86、　當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側向光電效應。</p><p>　　當光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔墓怆娖骷绨雽w

87、光電位置敏感器件（PSD）。</p><p><b>　　第五章 總結與展望</b></p><p><b>　　5.1 總結</b></p><p>　　以上介紹了光電傳感器的基本原理和其特點,并列舉了一些在生活實際中的創(chuàng)新應用實例。從這些實例中我們可窺見光電傳感器無限的發(fā)展應用前景。光電式傳感器在科學技術領域、工農(nóng)業(yè)生

88、產(chǎn)以及日常生活中發(fā)揮著越來越重要的作用。人類社會對傳感器提出的要求越來越高是其發(fā)展的強大動力,突飛猛進現(xiàn)代科學技術的則為其提供了堅強的 后盾,我們相信在不懈地探索中,光電傳感器的應用定會有新的飛躍。</p><p><b>　　5.2 展望</b></p><p>　　隨著科學技術的發(fā)展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光

89、電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優(yōu)越的光電元件。</p><p>　　光電傳感器是一種非接觸式測小型電子測量設備,依靠檢測出其接收到的光強的變化，來達到測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準確度的器件。所以在設計時除了選擇先進光電元件，還必須設置參比信號和溫度補償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。</p><p>　　光電傳感器必須經(jīng)過光波調(diào)制，光波的

90、調(diào)制像無線電波的傳送和接收，將收音機調(diào)到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號未經(jīng)調(diào)制的傳感器只有通過使用長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光,才能使其能量變得很高.相比之下,經(jīng)過調(diào)制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有相同調(diào)制頻率的光做出響應.未經(jīng)調(diào)制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可能會有誤動作。</p><p>　　光

91、電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對變被測物體損害小，所以自其發(fā)明以來就在測量領域有著舉足輕重的地位，目前它已廣泛應用于測量機械量、熱工量、成分量、智能車系統(tǒng)等?，F(xiàn)在它在電力系統(tǒng)自動并網(wǎng)裝置中起到了非常重要的作用，因為發(fā)電機投入電網(wǎng)運行常采用準同法，必須滿足：三相線序一致，頻率一致，相位一致，電壓幅值相等，其中的一個條件在系統(tǒng)設計時已經(jīng)滿足，后三個條件必須同時滿足才能并網(wǎng)，當然人工并網(wǎng)比較困難，光電并網(wǎng)比較容易。</p&

92、gt;<p>　　時代在發(fā)展，科學技術在更新，光電傳感器種類也日益增多，應用領域也越來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應用，其中一種基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運用反射式紅外傳感器設計路徑檢測模塊和速度監(jiān)測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)．</p><p>　　光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此它發(fā)展前景非常

93、好，應用也會越來越廣泛．</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1]余瑞芬.傳感器原理.北京航空工業(yè)出版社.1995</p><p>　　[2]金捷.機電檢測技術.中國人民大學出版社.2002年</p><p>　　[3]賈伯年，俞樸. 傳感器技術．東南大學出版社，1999年</p&g

94、t;<p>　　[4]董曉嬌 蘇紹興 顏曉河．<<電子工業(yè)專用設備>>.光電傳感器器及其應用.2006年第35 卷第1期</p><p>　　[5]作者不詳.<<傳感器世界>>.BS5系列微型光電傳感器.2010年的2期</p><p>　　[6]玲.<<內(nèi)江科技>>.淺談光電傳感器在工業(yè)中的應用2010

95、年第31卷第2期</p><p>　　[7]邱娜 梁憲光 吳濤.<<電子工業(yè)設備>>.激光對光電傳感器的損傷閥值.2009年第7期</p><p>　　[8]程軍.傳感器及實用檢測技術. 西安電子科技大學出版社.2008年8月第一版</p><p>　　[9]楊崇志.特殊新型電子元器件手冊.沈陽：遼寧科學技術出版社,2001</p>