第二章 传感器及测量系统（ 2）
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 2
2.7光电传感器
? 在车辆自动控制过程中充当着重要的 角色
? 分类,光束传感器, 反射传感器, 散射传感器
? 原理,通过发射器发出可见, 不可见或红外光, 被
接收器所接收, 并转换成电信号 。
? 特点,
(1)无接触检测, 减少了被测物及探头的磨损, 确保产
品的使用寿命与安全操作 。
(2)被测物的材料不受限制, 可测玻璃, 塑料, 木质及
液体等各种的被测材料 。
(3)长距离检测, 反射传感器的检测距离可达１０ｍ 。
(4)反应速度快, 其反应能力在 50μs之内 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 3
(5)可分辨颜色 。 高精度检测, 利用奇特的视觉系统和精确
的电子线路可以实现对物体的精确测量 。
? 光电传感器分为 亮通型 与 暗通型 两类 。
2.7.1光电器件
? 分类,光电发射器, 光电探测器
2.7.1.1 光电发射器件
(1)热辐射光源：如白炽灯 。 光谱连续, 价格便宜
(2)气体放电光源：如氙灯光源等 。 气体超高压放电发光 。
特点,效率高, 发热少 。
(3)电致发光器,PN结发光 （ 发光二极管 ） 。 特点,功率
低, 驱动电压低, 效率高, 可直接调制, 小型化等 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 4
(4)激光器：
a.氦氖激光器：
? 特点,输出连续, 频率稳定, 相干性与方向性极强,
居各类激光之首 。 但效率低体积大, 电源复杂 。
b.半导体激光器：
? 特点,效率相当高, 容易调制, 体积小, 结构简单,
抗振性能好, 但方向性差, PN结掺杂影响大 。
2.7.1.1 光电探测器件
? 原理,光电探测器件是利用物体的光电效应 。
分类,光电导效应, 光伏效应和光电子发射效应三种 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 5
1.光电导器件 (光敏电阻 )
注意,光敏电阻必须在适当的波长光照射下, 电阻才会改
变 。
图 2-7-1光敏电阻的原理图 2-7-2 CdS,CdSe光谱响应曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 6
2.光伏效应器件 (光电二极管与光敏三极管 )
? 原理,利用光照在半导体器件上产生伏特效应而制成
的器件, 应用极广 。
(1)光电二极管
? 原理,在光的照射下, 光电二极管产生光电流 。 注意：
光电流向光电二极管的反方向流动 。
? 伏安特性,见图 2-7-3（ a） 。
? 等效电路,电流源与二极管的并联, 如图 2-7-3(b)所示
? 光谱特性,如图 2-7-4。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 7
(2)光电三极管
? 工作原理, ① 光电转换, 其功能同光电二极管； ② 光
电流放大, 将光电流放大几十部至几百倍 。
? 分类,无基极引线, 有极基引线两种 。
a)无基极引线光电管 —— 靠光的注入代替基极的信号输入,
并将集电结产生的光电流放大 。
图 2-7-3光电二极管伏安特性 图 2-7-4光电二极管光谱响应曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 8
b)有基极引线光电管 —— 设置基极的主要目的是为了预置
一个基极电流
? 优点,
① 减小了光电三极管发射极的电阻, 可以改善弱光下的响
应时间；
② 使光电三极管的交流放大系数进入线性区, 这对调制光
的检测特别有利 。
(3)光电池
? 分类,硅光电池 （ 最受欢迎 ）, 硒光电池, 硫化镉光
电池, 氧化亚铜光电池, 砷化钾光电池等 。
? 硅光电池,性能稳定, 光谱范围宽；频率特性好；换
能效率高；能耐高能辐射等 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 9
图 2-7-5光电三极管输出特性图 2-7-6硅光电池光照特性曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 10
2.7.2光束传感器
? 特点,发射器与接收器分开 。
图 2-7-7光束传感的电气结构图
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 11
2.7.3反射传感器
? 特点,发射器与接收器放于同一个外壳内 。
? 常规反射传感器,不能检测反光体, 易产生误动作 。
? 带偏振片的反射传感器,无论是否反射体在遮住光通
路后就一定能被检出 。 与常规反射传感器的区别：
(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振
片；
(2)采用三角反射镜, 经它反射的偏振光其振荡面旋转 90° 。
图 2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 12
2.7.4 散射传感器,
? 结构,发射器与接收器也置于同一个外壳内, 发出的
光照在被测物体上, 并被反射回来, 被接收器接收 。
? 特点,对传感区域内发光与不发光的物体只要在传感
器的灵敏度范围内, 都可被检测 。
图 2-7-9散射传感器的工作原理
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 13
2.7.5红外传感器
图 2-7-10曲型红外传感器的电气结构
? 构成,光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成
? 用途,红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 14
2.8光纤传感器
2.8.1光纤传感器概述
? 起步,光纤传感器技术是 70年代末发展起来的一项新
型传感技术 。
? 技术构成,光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维
光学应用的结合
? 应用范围,位移, 振动, 转速, 温度, 压力, 电场,
流量, 浓度, PH值等 70多项参数的检测 。
? 适用,普通光电传感器所不能适应的条件, 例如有限
空间, 高温, 或危险地区, 因而具有广泛的应用潜力 。
? 测量原理,外界待测信号 → 调制 → 光参数 → 光纤 → 光
电探测器 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 15
? 调制参数,光可以看成简谐振荡的电磁波, 其电场分
量表达式为,E=E0sin(ωt+φ)
? 因此光可以被调制的参数有四个, 即光强度, 相位,
偏振角及频率 。
? 按调制形式分类,强度调制型, 相位调制型, 偏振调
制型, 频率调制型 。 大部分传感器属于前三类 。
? 按光纤光纤作用分类,非功能型传感, 功能传感两种 。
? （ 1） 非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进
行调制而光纤仅仅作为传光之用 。
? （ 2） 能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光, 本身
也是敏感元件 。
? 功能型光纤传感器的调制原理,温度, 压力, 振动
→ 光纤 → 光纤的长度, 形状, 折射率等发生变化 →
光纤中传输光的强度, 相位, 偏振态等发生变化
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 16
? 特点：
(1)检则精度与灵敏度高 。 强度调制型光纤传感器的灵敏
度与一般传感器不相上下, 而相位调制型光纤传感器
的灵敏度比普通传感器高出几个数量级, 具有较大的
动态范围 。
(2)响应速度高, 频响宽, 可实现非接触高速检测 。
(3)环境适应性强, 由于光纤具有可挠曲, 耐高温, 耐腐
蚀, 抗电磁干扰, 本质安全防暴, 因而光纤传感器适
用于一切场合 。
(4)体积小, 重量轻, 因而具有可集成的替力 。 随着集成
光学的发展, 将有可能出现将敏感元件, 光学元件,
光纤等集成一体的光纤传感器 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 17
图 2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 18
2.8.2光纤传感器工作原理
(1)强度调制型光纤传感器
? 特点,结构简单, 可靠性高, 对光纤要求不高, 信号
检测简单等 。
(2)相位调制型光纤传感器
? 原理,外界待测信号作用于光纤时, 引起光纤中传输
的光的相位必生变化 。
? 测量,光相位变化难以直接检测出来, 通常用光的干
涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测 。
? 相位调制型光纤传感器又称为 干涉型 光纤传感器 。
? 相位调制型光纤传感器一般具有 极高的灵敏度 和 动态
范围 。 光纤干涉仪可以检测出小于 10-6rad的相位变化 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 19
? [ 例 ] 温度变化 1℃ → 1m长的光纤中光相位变化 100rad→ 分辨率达到 10-8℃
图 2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 20
(3)偏振调制型光纤传感器
? 原理,法拉弟旋光效应 （ 检测磁场与电场 ） ；泡克尔
效应 （ 检则电场与电压 ） ；光弹效应 （ 测量应力 ）
? 光弹效应原理,透明晶体在受到应力时, 其内部对光
的折射率发生变化 。
图 2-8-3 偏振调制原理
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 21
2.8.2光导纤维
? 光传输的载体, 应用很广 。
? 结构,一种透明的圆柱形细丝, 中间是折射率极高的透
明介质, 外面一层是折射率较低的透明介质, 再外层一
般涂上环氧树脂和硅胶保护层, 并在最外层加上套管 。
? 特点,可以弯曲, 但弯曲后将对子午线光的传输产生一
定的影响, 但引起的损耗是很小的 。
图 2-8-4光导纤维的结构及其损耗与波长的关系
吉林大学 机械电子工程学科
赵丁选
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 2
2.7光电传感器
? 在车辆自动控制过程中充当着重要的 角色
? 分类,光束传感器, 反射传感器, 散射传感器
? 原理,通过发射器发出可见, 不可见或红外光, 被
接收器所接收, 并转换成电信号 。
? 特点,
(1)无接触检测, 减少了被测物及探头的磨损, 确保产
品的使用寿命与安全操作 。
(2)被测物的材料不受限制, 可测玻璃, 塑料, 木质及
液体等各种的被测材料 。
(3)长距离检测, 反射传感器的检测距离可达１０ｍ 。
(4)反应速度快, 其反应能力在 50μs之内 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 3
(5)可分辨颜色 。 高精度检测, 利用奇特的视觉系统和精确
的电子线路可以实现对物体的精确测量 。
? 光电传感器分为 亮通型 与 暗通型 两类 。
2.7.1光电器件
? 分类,光电发射器, 光电探测器
2.7.1.1 光电发射器件
(1)热辐射光源：如白炽灯 。 光谱连续, 价格便宜
(2)气体放电光源：如氙灯光源等 。 气体超高压放电发光 。
特点,效率高, 发热少 。
(3)电致发光器,PN结发光 （ 发光二极管 ） 。 特点,功率
低, 驱动电压低, 效率高, 可直接调制, 小型化等 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 4
(4)激光器：
a.氦氖激光器：
? 特点,输出连续, 频率稳定, 相干性与方向性极强,
居各类激光之首 。 但效率低体积大, 电源复杂 。
b.半导体激光器：
? 特点,效率相当高, 容易调制, 体积小, 结构简单,
抗振性能好, 但方向性差, PN结掺杂影响大 。
2.7.1.1 光电探测器件
? 原理,光电探测器件是利用物体的光电效应 。
分类,光电导效应, 光伏效应和光电子发射效应三种 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 5
1.光电导器件 (光敏电阻 )
注意,光敏电阻必须在适当的波长光照射下, 电阻才会改
变 。
图 2-7-1光敏电阻的原理图 2-7-2 CdS,CdSe光谱响应曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 6
2.光伏效应器件 (光电二极管与光敏三极管 )
? 原理,利用光照在半导体器件上产生伏特效应而制成
的器件, 应用极广 。
(1)光电二极管
? 原理,在光的照射下, 光电二极管产生光电流 。 注意：
光电流向光电二极管的反方向流动 。
? 伏安特性,见图 2-7-3（ a） 。
? 等效电路,电流源与二极管的并联, 如图 2-7-3(b)所示
? 光谱特性,如图 2-7-4。
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(2)光电三极管
? 工作原理, ① 光电转换, 其功能同光电二极管； ② 光
电流放大, 将光电流放大几十部至几百倍 。
? 分类,无基极引线, 有极基引线两种 。
a)无基极引线光电管 —— 靠光的注入代替基极的信号输入,
并将集电结产生的光电流放大 。
图 2-7-3光电二极管伏安特性 图 2-7-4光电二极管光谱响应曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 8
b)有基极引线光电管 —— 设置基极的主要目的是为了预置
一个基极电流
? 优点,
① 减小了光电三极管发射极的电阻, 可以改善弱光下的响
应时间；
② 使光电三极管的交流放大系数进入线性区, 这对调制光
的检测特别有利 。
(3)光电池
? 分类,硅光电池 （ 最受欢迎 ）, 硒光电池, 硫化镉光
电池, 氧化亚铜光电池, 砷化钾光电池等 。
? 硅光电池,性能稳定, 光谱范围宽；频率特性好；换
能效率高；能耐高能辐射等 。
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 9
图 2-7-5光电三极管输出特性图 2-7-6硅光电池光照特性曲线
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 10
2.7.2光束传感器
? 特点,发射器与接收器分开 。
图 2-7-7光束传感的电气结构图
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 11
2.7.3反射传感器
? 特点,发射器与接收器放于同一个外壳内 。
? 常规反射传感器,不能检测反光体, 易产生误动作 。
? 带偏振片的反射传感器,无论是否反射体在遮住光通
路后就一定能被检出 。 与常规反射传感器的区别：
(1)在发射器与接收器的光通道上分别安装互成直角的偏振
片；
(2)采用三角反射镜, 经它反射的偏振光其振荡面旋转 90° 。
图 2-7-8带偏振片的反射传感器工作原理及电气结构
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 12
2.7.4 散射传感器,
? 结构,发射器与接收器也置于同一个外壳内, 发出的
光照在被测物体上, 并被反射回来, 被接收器接收 。
? 特点,对传感区域内发光与不发光的物体只要在传感
器的灵敏度范围内, 都可被检测 。
图 2-7-9散射传感器的工作原理
2010年 5月 14日 2.7 光电传感器 13
2.7.5红外传感器
图 2-7-10曲型红外传感器的电气结构
? 构成,光电管、前置放大器、比较整形及输出级构成
? 用途,红外传感器用于高温物体远距离、非接触检测
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 14
2.8光纤传感器
2.8.1光纤传感器概述
? 起步,光纤传感器技术是 70年代末发展起来的一项新
型传感技术 。
? 技术构成,光纤传感技术是传统的光检测技术和纤维
光学应用的结合
? 应用范围,位移, 振动, 转速, 温度, 压力, 电场,
流量, 浓度, PH值等 70多项参数的检测 。
? 适用,普通光电传感器所不能适应的条件, 例如有限
空间, 高温, 或危险地区, 因而具有广泛的应用潜力 。
? 测量原理,外界待测信号 → 调制 → 光参数 → 光纤 → 光
电探测器 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 15
? 调制参数,光可以看成简谐振荡的电磁波, 其电场分
量表达式为,E=E0sin(ωt+φ)
? 因此光可以被调制的参数有四个, 即光强度, 相位,
偏振角及频率 。
? 按调制形式分类,强度调制型, 相位调制型, 偏振调
制型, 频率调制型 。 大部分传感器属于前三类 。
? 按光纤光纤作用分类,非功能型传感, 功能传感两种 。
? （ 1） 非功能型传感器：利用外加的敏感元件对光进
行调制而光纤仅仅作为传光之用 。
? （ 2） 能型光纤传感器：光纤不仅有用作传光, 本身
也是敏感元件 。
? 功能型光纤传感器的调制原理,温度, 压力, 振动
→ 光纤 → 光纤的长度, 形状, 折射率等发生变化 →
光纤中传输光的强度, 相位, 偏振态等发生变化
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 16
? 特点：
(1)检则精度与灵敏度高 。 强度调制型光纤传感器的灵敏
度与一般传感器不相上下, 而相位调制型光纤传感器
的灵敏度比普通传感器高出几个数量级, 具有较大的
动态范围 。
(2)响应速度高, 频响宽, 可实现非接触高速检测 。
(3)环境适应性强, 由于光纤具有可挠曲, 耐高温, 耐腐
蚀, 抗电磁干扰, 本质安全防暴, 因而光纤传感器适
用于一切场合 。
(4)体积小, 重量轻, 因而具有可集成的替力 。 随着集成
光学的发展, 将有可能出现将敏感元件, 光学元件,
光纤等集成一体的光纤传感器 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 17
图 2-8-1强度调制型光纤传感器的几种基本形式及工作原理
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 18
2.8.2光纤传感器工作原理
(1)强度调制型光纤传感器
? 特点,结构简单, 可靠性高, 对光纤要求不高, 信号
检测简单等 。
(2)相位调制型光纤传感器
? 原理,外界待测信号作用于光纤时, 引起光纤中传输
的光的相位必生变化 。
? 测量,光相位变化难以直接检测出来, 通常用光的干
涉效应将光相位的变化转换为干涉强度的变化来检测 。
? 相位调制型光纤传感器又称为 干涉型 光纤传感器 。
? 相位调制型光纤传感器一般具有 极高的灵敏度 和 动态
范围 。 光纤干涉仪可以检测出小于 10-6rad的相位变化 。
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 19
? [ 例 ] 温度变化 1℃ → 1m长的光纤中光相位变化 100rad→ 分辨率达到 10-8℃
图 2-8-2相位调制型光纤传感器的干涉系统及基本结构
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 20
(3)偏振调制型光纤传感器
? 原理,法拉弟旋光效应 （ 检测磁场与电场 ） ；泡克尔
效应 （ 检则电场与电压 ） ；光弹效应 （ 测量应力 ）
? 光弹效应原理,透明晶体在受到应力时, 其内部对光
的折射率发生变化 。
图 2-8-3 偏振调制原理
2010年 5月 14日 2.8 光纤传感器 21
2.8.2光导纤维
? 光传输的载体, 应用很广 。
? 结构,一种透明的圆柱形细丝, 中间是折射率极高的透
明介质, 外面一层是折射率较低的透明介质, 再外层一
般涂上环氧树脂和硅胶保护层, 并在最外层加上套管 。
? 特点,可以弯曲, 但弯曲后将对子午线光的传输产生一
定的影响, 但引起的损耗是很小的 。
图 2-8-4光导纤维的结构及其损耗与波长的关系
