傳感器技術(shù)與應(yīng)用

1、高溫加熱的鋼板為紅色，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時變?yōu)楦邷丶訜岬匿摪鍨榧t色，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時變?yōu)榘咨?，為什么呢？白色，為什么呢？天為什么是藍(lán)的？天為什么是藍(lán)的？由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的干涉測長儀中，移動反由麥克爾遜干涉儀構(gòu)成的干涉測長儀中，移動反射鏡的移動方向是一個重要信息，試說明理由。射鏡的移動方向是一個重要信息，試說明理由。n3.5 關(guān)于顏色關(guān)于顏色 n3.5.1 光的波長與顏色的關(guān)系光的波長與顏色的關(guān)系n波長在波長在0.380.75 m范圍內(nèi)的電磁波為可見光，波范圍內(nèi)的電磁波為可見光，波長大于此范圍的稱為紅外線，波長短于此范圍的稱長大于此范圍的稱為紅外線，波長短于此范圍的稱為紫外線。為紫外線。 n3.

2、5.2 分光測量分光測量 n利用棱鏡分光利用棱鏡分光 n利用光柵分光利用光柵分光 又稱分光儀。以光電倍增管在不同波長位置，測又稱分光儀。以光電倍增管在不同波長位置，測量譜線強度的裝置。量譜線強度的裝置。其構(gòu)造由一個其構(gòu)造由一個入射狹縫入射狹縫，一個，一個色散系統(tǒng)色散系統(tǒng)，一個，一個成成像系統(tǒng)像系統(tǒng)和一個或多個和一個或多個出射狹縫出射狹縫組成。組成。以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的以色散元件將輻射源的電磁輻射分離出所需要的波長或波長區(qū)域，并在選定的波長上波長或波長區(qū)域，并在選定的波長上(或掃描某一或掃描某一波段波段)進(jìn)行強度測定。進(jìn)行強度測定。 光譜儀光譜儀日本島津光譜儀日本島津光譜儀

3、 型型 號號:UV-1705UV-1705儀器特點：儀器特點： 1. 全波長掃描全波長掃描, 波長范圍：波長范圍：1901100nm 2. 光譜帶寬：光譜帶寬：1nm 3. 分光器：消象差型閃耀全息光柵分光器：消象差型閃耀全息光柵 4.多種掃描速度選擇，可重復(fù)掃描多種掃描速度選擇，可重復(fù)掃描99次；次； 5.大屏幕液晶顯示，中文菜單，可單機操作，可選大屏幕液晶顯示，中文菜單，可單機操作，可選配記憶卡；配記憶卡； PS：日本島津制作所：日本島津制作所以以科科學(xué)學(xué)技技術(shù)術(shù)向向社社會會做做貢貢獻(xiàn)獻(xiàn) 1875創(chuàng)辦創(chuàng)辦n3.5.3 顏色的測量顏色的測量 n(1)顏色的表示方法顏色的表示方法 顏色由波長來

4、決定。顏色由波長來決定。He-Ne激光器激光器納光燈納光燈表示這種顏色混合狀態(tài)的圖叫色度圖。紅、綠、表示這種顏色混合狀態(tài)的圖叫色度圖。紅、綠、藍(lán)稱為三原色，各種顏色都可由這三種顏色的光藍(lán)稱為三原色，各種顏色都可由這三種顏色的光組合而成。組合而成。顏色可以分為彩色和非彩色。顏色可以分為彩色和非彩色。非彩色指的是白色、黑色和各種不同顏色的灰色。非彩色指的是白色、黑色和各種不同顏色的灰色。彩色就是指黑白以外的各種顏色。彩色就是指黑白以外的各種顏色。n各原刺激的適當(dāng)組合可以構(gòu)成完全的白色這時各原刺激的適當(dāng)組合可以構(gòu)成完全的白色這時R，G，B各自的各自的光照度光照度（被測光量）以（被測光量）以Lr、Lg

5、和和Lb表示。表示。 Lr ： Lg ： Lb =將原刺激將原刺激R，G，B進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使之成為與某波進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕M合，使之成為與某波長的顏色相同的光，這時各原色的長的顏色相同的光，這時各原色的照度照度設(shè)為設(shè)為Pr、Pg和和Pb，則原刺激的混合量為，則原刺激的混合量為 )14. 3(,bbggrrLPBLPGLPR如果將如果將R、G、B看成三個變量，就形成一個三維看成三個變量，就形成一個三維彩色空間，可以用一個三維的立方體來表示他們彩色空間，可以用一個三維的立方體來表示他們能組成的所有顏色。能組成的所有顏色。這里這里R，G，B稱為三刺激值，三者之和稱為刺激和稱為三刺激值，三者之和稱為刺激和)

6、15.3(SBGR引入原刺激比這一物理量引入原刺激比這一物理量 )16.3(,SBbSGgSRrrgb=1 如果就以如果就以r和和g值作為坐標(biāo)值，所得到的最基本的色值作為坐標(biāo)值，所得到的最基本的色度圖稱為度圖稱為rg色度圖。色度圖。 國際照明委員會（國際照明委員會（CIE）規(guī)定：）規(guī)定：三原色分別為：三原色分別為：波長為波長為700nm，光通量為，光通量為1光瓦的紅光作為一個紅光瓦的紅光作為一個紅基色單位，用基色單位，用R表示；表示；波長為波長為546.3nm，光通量為，光通量為4.5907光瓦的綠光作光瓦的綠光作為一個綠基色單位，用為一個綠基色單位，用G表示；表示；波長為波長為435.9nm

7、，光通量為，光通量為0.0601光瓦的藍(lán)光作光瓦的藍(lán)光作為一個藍(lán)基色單位，用為一個藍(lán)基色單位，用B表示；表示；色盲測試色盲測試（2）顏色的測量）顏色的測量因為顏色由因為顏色由R，G，B三個原刺激構(gòu)成，所以如果物三個原刺激構(gòu)成，所以如果物體發(fā)出的光中上面這三種成分的照度能測出來，物體發(fā)出的光中上面這三種成分的照度能測出來，物體的顏色就能夠確定下來。體的顏色就能夠確定下來。采用三個附有光波帶通濾色鏡的光探測器，且三個采用三個附有光波帶通濾色鏡的光探測器，且三個濾色鏡的通帶中心分別對應(yīng)紅、綠和藍(lán)色的波長：濾色鏡的通帶中心分別對應(yīng)紅、綠和藍(lán)色的波長：0.70 m（紅色）、（紅色）、0.5463 m（綠

8、色）、（綠色）、0.4359 m（藍(lán)色），則由三個探測器可檢測出三（藍(lán)色），則由三個探測器可檢測出三種成分的照度，由此求得色度圖上的坐標(biāo)。種成分的照度，由此求得色度圖上的坐標(biāo)。 色敏光電傳感器色敏光電傳感器在不同波長光照射下，測量深結(jié)的短路電流在不同波長光照射下，測量深結(jié)的短路電流ISD2與與淺結(jié)的短路電流淺結(jié)的短路電流ISD1的比值的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2 / ISD1與與入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定曲線，入射單色光波長的關(guān)系就可以確定。根據(jù)標(biāo)定曲線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單色光的波長。色光的波長

9、。色敏光電傳感器的基本特性色敏光電傳感器的基本特性1.半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，圖中給出光譜特性是表示它所能檢測的波長范圍，圖中給出了國產(chǎn)了國產(chǎn)CS-1型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性；其波長型半導(dǎo)體色敏器件的光譜特性；其波長范圍是范圍是4001000nm。2、短路電流比、短路電流比-波長特性波長特性短路電流比短路電流比-波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。上述的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。上述CS-1型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比型半導(dǎo)體色敏器件的短路電流比

10、-波長特性曲線波長特性曲線示于圖示于圖b。拉曼光譜儀介紹拉曼光譜儀介紹n拉曼效應(yīng)拉曼效應(yīng)光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散光照射到物質(zhì)上發(fā)生彈性散射和非彈性散射射和非彈性散射彈性散射的散射光是與激發(fā)彈性散射的散射光是與激發(fā)光波長相同的成分光波長相同的成分非彈性散射的散射光有比激非彈性散射的散射光有比激發(fā)光波長長的和短的成分發(fā)光波長長的和短的成分發(fā)現(xiàn)于 1928印度科學(xué)家 Raman在1930年Raman獲得諾貝爾獎 實驗室用拉曼光譜儀系統(tǒng)由四個主要部分組成：實驗室用拉曼光譜儀系統(tǒng)由四個主要部分組成：激發(fā)源、采集裝備、分光統(tǒng)以及分析軟件。激發(fā)源、采集裝備、分光統(tǒng)以及分析軟件。英國雷尼紹公司英國雷尼紹公司(

11、Renishaw)拉曼光譜儀拉曼光譜儀通光效率：大于通光效率：大于30%光譜范圍：光譜范圍：200nm-1000nm；光譜分辨率：；光譜分辨率：1cm-1 空間分辨率：橫向空間分辨率：橫向0.5微米，縱向微米，縱向2微米微米可選激光器：紫外到近紅外，可選激光器：紫外到近紅外，10余種不同波長供選擇余種不同波長供選擇PS：英國雷尼紹公司：英國雷尼紹公司(Renishaw)簡介簡介雷尼紹公司在計量學(xué)和拉曼光譜儀器領(lǐng)域居世界雷尼紹公司在計量學(xué)和拉曼光譜儀器領(lǐng)域居世界領(lǐng)先地位。領(lǐng)先地位。 公司的主要產(chǎn)品有：實驗室研究用拉曼光譜儀和公司的主要產(chǎn)品有：實驗室研究用拉曼光譜儀和工業(yè)在線用拉曼光譜儀、激光器和

12、工業(yè)在線用拉曼光譜儀、激光器和CCD探測器；探測器；坐標(biāo)測量機上的測量系統(tǒng)，工件安裝基準(zhǔn)設(shè)定；坐標(biāo)測量機上的測量系統(tǒng)，工件安裝基準(zhǔn)設(shè)定；在機對刀系統(tǒng)及在機零件檢驗；掃描和數(shù)字化系在機對刀系統(tǒng)及在機零件檢驗；掃描和數(shù)字化系統(tǒng)；機床測量和校準(zhǔn)用的激光干涉儀和球桿儀系統(tǒng)；機床測量和校準(zhǔn)用的激光干涉儀和球桿儀系統(tǒng)；高精度定位反饋編碼器系統(tǒng)（鋼帶光柵尺）統(tǒng)；高精度定位反饋編碼器系統(tǒng)（鋼帶光柵尺）等產(chǎn)品。等產(chǎn)品。 拉曼光譜拉曼光譜n3.6 光傳感器應(yīng)用舉例光傳感器應(yīng)用舉例 由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快有

13、非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCDCCD器件、器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。光式、反射式、輻射式四種基本形式。例例1 1：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器：直射式光電轉(zhuǎn)速傳感器 開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出開孔圓盤的輸入軸與被測軸相連接，光源發(fā)出的光通過開

14、孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上，光的光通過開孔圓盤和縫隙板照射到光敏元件上，光敏元件將其轉(zhuǎn)為電信號輸出。敏元件將其轉(zhuǎn)為電信號輸出。 通過測量光通過測量光敏元件輸出的脈敏元件輸出的脈沖頻率，得被測沖頻率，得被測轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速 n=f/Nn轉(zhuǎn)速；轉(zhuǎn)速； f脈沖頻率；脈沖頻率； N圓盤孔數(shù)。圓盤孔數(shù)。 測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上測速也可以采用反射式：只要用白紙畫上黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。黑道的圓紙貼在旋轉(zhuǎn)體上即可。2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖例例2 2：光電液位檢測：光電液位檢測在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，紅外在液體未升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，紅

15、外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會被光電三極管接收；當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線不會被光電三極管接收；當(dāng)液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，出于液液位上升到發(fā)光二極管及光電三極管平面時，出于液體的折射，光電三極管接體的折射，光電三極管接收到紅外信號由此收到紅外信號由此獲得液位信號。獲得液位信號。例例3 3：感煙傳感器：感煙傳感器( (火災(zāi)報警器的一部分火災(zāi)報警器的一部分) ) 由紅外發(fā)光由紅外發(fā)光二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上二極管及光電三極管組成，但二者不在同一平面上( (有一定角度有一定角度) )。在無煙狀態(tài)時，光電三極管接收不到。在無煙狀態(tài)時，光電三極管接收不到紅外線；紅外線；當(dāng)

16、發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳當(dāng)發(fā)生火災(zāi)時，產(chǎn)生大量煙霧，煙霧粒子進(jìn)入感煙傳感器時，由于紅外線受煙霧粒于折射作用，光電三極感器時，由于紅外線受煙霧粒于折射作用，光電三極管接收到紅外線，給出煙霧報管接收到紅外線，給出煙霧報警信號。警信號。吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。過程中的變化大小來檢測的。 如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因

17、而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。的變化。煙筒例例4 4：光電開關(guān)的應(yīng)用：光電開關(guān)的應(yīng)用下圖為檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)的實例。除記數(shù)下圖為檢測生產(chǎn)流水線上瓶蓋及商標(biāo)的實例。除記數(shù)外，還可進(jìn)行位置檢測外，還可進(jìn)行位置檢測( (如裝配體有沒有到位如裝配體有沒有到位) )、質(zhì)量、質(zhì)量檢查檢查( (如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等如瓶蓋是否壓上，標(biāo)簽是否漏貼等) )。下圖為為自動切斷控制的實例。下圖為為自動切斷控制的實例?？梢愿鶕?jù)被測物的特定標(biāo)記進(jìn)行自動控制可以根據(jù)被測物的特定標(biāo)記進(jìn)行自動控制( (如根據(jù)特如根據(jù)特定的標(biāo)記檢測后進(jìn)行自動切斷、封口等定的標(biāo)記檢測后進(jìn)行自動切斷、封口等) )。光