1、EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用傳感器原理及應用 Principles and Applications of Sensors主講：劉陸壹EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第九章 光電式傳感器 EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第九章 光電式傳感器 9.1 光的特性與光源光的特性與光源9.2 光電效應光電效應9.3 光電器件光電器件9.4 光纖傳感器光纖傳感器9.5 光電式傳感器應用光電式傳感器應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用光波：光波：波長波長10106nm電磁波。電磁波?？梢姽獠ㄩL：可見光波

2、長：380780nm；紫外線波長：紫外線波長：10380nm；紅外線波長：紅外線波長：780106nm。一、光的特性一、光的特性9.1 光的特性與光源hE 光具有反射、折射、散射、衍光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質。射、干涉和吸收等性質。光的粒子性：光的粒子性：光是以光速運動光是以光速運動著的粒子（光子）流，一束頻率為著的粒子（光子）流，一束頻率為的光由能量相同的光子所組成，每的光由能量相同的光子所組成，每個光子的能量為個光子的能量為光的頻率愈高（即波長愈短），光的頻率愈高（即波長愈短），光子的能量愈大。光子的能量愈大。電磁波譜圖電磁波譜圖EXITEXITEXIT傳感器原理及應用

3、傳感器原理及應用一、光的特性一、光的特性9.1 光的特性與光源電磁波譜圖電磁波譜圖EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用二、常用光源二、常用光源9.1 光的特性與光源常用光源常用光源發光器件發光器件物體輻射光物體輻射光白熾光源白熾光源氣體放電光源氣體放電光源發光二極管發光二極管激光器激光器GaP、SiC可見光可見光LEDGaAs紅外紅外LEDEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用二、常用光源二、常用光源9.1 光的特性與光源808 nm 大功率大功率LD650 nm LDEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第九章 光電式傳感器 9.1

4、光的特性與光源光的特性與光源9.2 光電效應光電效應9.3 光電器件光電器件9.4 光纖傳感器光纖傳感器9.5 光電式傳感器應用光電式傳感器應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用一、光電效應基本概念一、光電效應基本概念9.2 光電效應EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用外光電效應：外光電效應：物體內的電子逸物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象。出物體表面向外發射的現象?；谕夤怆娦墓怆娖骷谢谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。光電管、光電倍增管等。二、外光電效應二、外光電效應02021Amh（3）逸出的光電子具）逸出的光電子具有動能。

5、有動能。（4）從光照至發射電）從光照至發射電子，時間子，時間 d，入射端面為基準，則出，入射端面為基準，則出射光的相位為射光的相位為nl2)(2)(2nnlnlln因此，應變因此，應變和折射率的變化和折射率的變化會產生相位的變化。會產生相位的變化。測量物理量：測量物理量：溫度、壓力、溫度、壓力、加速度等。加速度等。調制解調方法：調制解調方法：常采用干涉常采用干涉技術。技術。 常用干涉測量儀器：馬赫常用干涉測量儀器：馬赫澤德干涉儀、澤德干涉儀、邁克耳遜干涉儀邁克耳遜干涉儀、賽格納克干涉儀等。賽格納克干涉儀等。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.4 光纖傳感器三、光纖傳感器

6、三、光纖傳感器3、光纖傳感器分類、光纖傳感器分類（1）功能型光纖傳感器）功能型光纖傳感器相位調制型光纖傳感器測量壓力相位調制型光纖傳感器測量壓力或溫度動畫演示或溫度動畫演示EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用特點：特點：內部變化，宜在惡劣內部變化，宜在惡劣環境中應用，靈敏度高，結構簡環境中應用，靈敏度高，結構簡單，性能穩定。單，性能穩定。9.4 光纖傳感器三、光纖傳感器三、光纖傳感器 光強調制型光纖傳感器光強調制型光纖傳感器原理：光纖微彎曲損耗。原理：光纖微彎曲損耗。3、光纖傳感器分類、光纖傳感器分類（1）功能型光纖傳感器）功能型光纖傳感器 相位調制型光纖傳感器相位調制型光

7、纖傳感器例如：邁克耳遜干涉調制解例如：邁克耳遜干涉調制解調技術。調技術。)(21IIfFEXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.4 光纖傳感器三、光纖傳感器三、光纖傳感器3、光纖傳感器分類、光纖傳感器分類（1）功能型光纖傳感器）功能型光纖傳感器EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.4 光纖傳感器三、光纖傳感器三、光纖傳感器3、光纖傳感器分類、光纖傳感器分類（2）非功能型光纖傳感器）非功能型光纖傳感器傳光型光纖傳感器的光纖只傳光型光纖傳感器的光纖只當作傳播光的媒介，待測對象的當作傳播光的媒介，待測對象的調制功能由光電轉換元件實現。調制功能由光電轉換元件實

8、現。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用 第九章 光電式傳感器 9.1 光的特性與光源光的特性與光源9.2 光電效應光電效應9.3 光電器件光電器件9.4 光纖傳感器光纖傳感器9.5 光電式傳感器應用光電式傳感器應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，又具有非接觸、高精度、光電測量方法靈活多樣，可測參數眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優點，加之激光光源、光柵、光學碼高分辨率、高可靠性和響應快等優點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、盤、CCD器件、光導纖維等相繼應用，使光電式

9、傳感器在檢測和控制器件、光導纖維等相繼應用，使光電式傳感器在檢測和控制領域應用非常廣泛。領域應用非常廣泛。光電式傳感器在工業上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、光電式傳感器在工業上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。輻射式四種基本形式。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用一、光纖加速度傳感器一、光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器是一種簡諧振子的結構是一種簡諧振子的結構形式。形式。激光束通過分光板激光束通過分光板后分為兩束光，透射光后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為參考光束，反射光作為測量光束。作為測量

10、光束。當傳感器感受加速當傳感器感受加速度時，質量塊度時，質量塊M對光纖對光纖作用，從而使光纖被拉作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變，伸，引起光程差的改變，進而反射光相位發生變進而反射光相位發生變化?；?。相位改變的激光束由單模光纖射出后相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產生干涉效應。與參考光束會合產生干涉效應。激光干涉儀干涉條紋的移動可由光電激光干涉儀干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號，接收裝置轉換為電信號， 經過信號處理電經過信號處理電路處理后便可以正確地測出加速度值。路處理后便可以正確地測出加速度值。 EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5

11、光電式傳感器應用二、光纖溫度傳感器二、光纖溫度傳感器根據工作原理光纖溫度傳感器可根據工作原理光纖溫度傳感器可分為分為相位調制型、光強調制型和偏振相位調制型、光強調制型和偏振光型等光型等。光強調制半導體光吸收型光。光強調制半導體光吸收型光纖溫度傳感器的結構由纖溫度傳感器的結構由半導體光吸收半導體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內器、光纖、光源和包括光探測器在內的信號處理系統等的信號處理系統等組成的。組成的。半導體材料的能量隙隨半導體材料的能量隙隨溫度幾乎成線性變化。溫度幾乎成線性變化。光透光透過率特性曲線隨溫度的增加過率特性曲線隨溫度的增加向長波方向移動，透射過半向長波方向移動，透射過半導體

12、材料的光強隨溫度而變導體材料的光強隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的化，探測器檢測輸出光強的變化即可測量溫度。變化即可測量溫度。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二、光纖溫度傳感器二、光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖傳感器半導體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導體材料和光源而的測量范圍隨半導體材料和光源而變，一般在變，一般在-100300溫度范圍內溫度范圍內進行測量，響應時間約為進行測量，響應時間約為2s。特點：體積小、結構簡單、特點：體積小、結構簡單、時間響應快、工作穩定、成本低、時間響應快、工作穩定、成本低、便于推廣應用。便于推廣應用。 EXI

13、TEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用三、光纖位移傳感器三、光纖位移傳感器反射式光纖位移傳感器利用光反射式光纖位移傳感器利用光纖實現無接觸位移測量。纖實現無接觸位移測量。光源經一束多股光纖將光信號光源經一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照射到被測物體上。傳送至端部，并照射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號，并另一束光纖接受反射的光信號，并通過光纖傳送到光敏元件上。通過光纖傳送到光敏元件上。被測物體與光纖間距離變化，被測物體與光纖間距離變化，反射到接受光纖上，光通量發生變反射到接受光纖上，光通量發生變化。再通過光電傳感器檢測出距離化。再通過光電傳感器檢測

14、出距離的變化。的變化。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用四、光纖式光電開關四、光纖式光電開關遮斷型光纖光電開關遮斷型光纖光電開關 EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用四、光纖式光電開關四、光纖式光電開關EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用五、光電開關應用五、光電開關應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用五、光電開關應用五、光電開關應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用六、

15、光幕傳感器應用六、光幕傳感器應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用七、光電池路燈自動控制器七、光電池路燈自動控制器 220VCJD-10路燈8V C1 200u C2 200u R1 470k R2 200kR3 10kR4 57k R5 4.3kR6 25k R7 10k R8 280k J C3 100u BG1BG2 BG3 BG42CREXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用八、光電轉距測量儀八、光電轉距測量儀1光柵盤2光柵盤彈性扭轉軸光源電池硅太陽路電測檢M光柵盤：光柵盤：有機玻璃，有機玻璃，數量相

16、等的黑色條紋。數量相等的黑色條紋。無轉矩作用：無轉矩作用：光柵光柵盤盤1的透光部位對準光的透光部位對準光柵盤柵盤2的黑色部分，無的黑色部分，無信號。信號。有轉距作用：有轉距作用：扭轉，扭轉，光柵盤間有角度，透光光柵盤間有角度，透光窗口，轉矩成正比。窗口，轉矩成正比。 EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用九、太陽能電池電源系統九、太陽能電池電源系統 阻塞二極管蓄電池組發電裝置：發電裝置：單體太陽能電池單體太陽能電池太陽電池組件太陽電池組件陣列陣列調節控制器：調節控制器：充放電自動控制充放電自動控制阻塞二極管：阻塞二極管：避免蓄電池對太陽電池放電避免蓄電

17、池對太陽電池放電EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十、光電式太陽能自動跟蹤控制器十、光電式太陽能自動跟蹤控制器太陽能接收器傳動機構電機控制電路1B2B3B4B1VD2VD3VD4001IN4001IN4001IN1B2B3B4B1C2C1K2KM1VT2VT3C4C1R2R3R4R90139013k10k10u100u100k100k100k270k2701RP2RP358LM11 K12 KVV12V12312356712381IC1ICu2 .2B1B1、B3B3安裝在控制電路外殼的同一側，安裝在控制電路外殼的同一側，B2B2、B4B4安裝在另

18、一側。安裝在另一側。B1B1、B3B3受光照：受光照：3 3電位增大，電位增大，K1K1工作，工作，3 3、1 1閉合；閉合；5 5電位減小，電位減小，K2K2不工作，不工作，3 3、2 2閉合，閉合，M M正轉。正轉。B2B2、B4B4受光照：受光照：M M反轉。反轉。面向太陽：面向太陽：兩側光照相同，兩側光照相同，K1K1、K2K2同時工作，同時工作，M M停止。停止。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十一、光電管在電影放映機上的應用十一、光電管在電影放映機上的應用 光電管光源影片聲跡器大放影片聲音重放過程影片聲音重放過程EXITEXITEXI

19、T傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十二、光電式注油液位控制裝置十二、光電式注油液位控制裝置 光電傳感器電磁閥油箱透明玻璃管透明玻璃管燈泡光敏二極管緊固螺釘DF傳感器光電V241R2R1VT1RP1VD2VD2VTDF1C1KK112 CPk200k50063 DG22 CU123 DGu100EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十三、光電式心率測量裝置十三、光電式心率測量裝置光檢測器發射光反射光手指光發射器示顯處理變換信號光傳感器V5LED270k68CB脈搏跳動脈搏跳動生物組織血液量變化生物組織血液量變化傳輸光的性能變化變化

20、速率傳輸光的性能變化變化速率心率心率手指光反射強度變化的測量手指光反射強度變化的測量EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十四、光電式條形碼掃描筆十四、光電式條形碼掃描筆條形碼掃描方向光電掃描筆脈沖列OUTU掃描筆光敏三極管發光二極管條形碼卡片EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十五、紅外線警戒報警器十五、紅外線警戒報警器電源光源濾光片紅外線凸透鏡紅外接收器報警系統聲光報警VD12CURP110kVT13AX31R251kR1R310kVT2VD2 2CP10K2KS9VK1+V有人遮擋：有人遮擋：報警報警E

21、XITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用電路控制驅動器器大放氣源廢棄箱光源探頭光傳感器雜質滑槽背景板光箱氣動電磁閥振動機9.5 光電式傳感器應用十六、光電式大米分選機十六、光電式大米分選機EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十七、光電式可逆計數器十七、光電式可逆計數器出入場人數統計出入場人數統計物件1E2E運動方向運動方向EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用十八、光電吸收式煙塵濁度檢測儀十八、光電吸收式煙塵濁度檢測儀煙筒光電元件工件10EO/十九、透射式光電傳感器測狹縫十九、透射式光電傳感器測

22、狹縫EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十、光電式高低電壓隔離數據傳輸通道二十、光電式高低電壓隔離數據傳輸通道EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十一、光電式煙霧報警器二十一、光電式煙霧報警器EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十二、光電式濁度計二十二、光電式濁度計EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十三、光電式測量運動物體速度裝置二十三、光電式測量運動物體速度裝置EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原

23、理及應用9.5 光電式傳感器應用二十四、光電開關的類型及應用二十四、光電開關的類型及應用EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十五、直射式光電轉速傳感器二十五、直射式光電轉速傳感器組成：組成： 開孔圓盤、光開孔圓盤、光源、光敏元件及縫源、光敏元件及縫隙板等。隙板等。原理原理： 通過測量光敏通過測量光敏元件輸出的脈沖頻元件輸出的脈沖頻率率f來測轉速來測轉速n=f/NN圓盤孔數。圓盤孔數。EXITEXITEXIT傳感器原理及應用傳感器原理及應用9.5 光電式傳感器應用二十六、二十六、CCDCCD傳感器應用傳感器應用各類工件尺度測量各類工件尺度測量測量：測量：拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工的軸類或桿拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機械加工的軸類或桿類的直徑，等等。類的直徑，等等。例如：例如：玻璃