第四章 光电式传感器原理与应用
[基本要求]
1. 掌握光电效应及光电器件如：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管的结构特点及应用方法；
2. 了解码盘式传感器工作原理及不同的结构型式；
3. 掌握光栅传感器结构及莫尔条纹的形成机理以及如何通过测量电路提高测量精度的方法；
4. 熟悉电荷耦合器件结构原理、特性参数及驱动电路，并了解ＣＣＤ数据库与计算机接口；
5. 熟悉光导纤维传光的原理和结构的形式；
6. 掌握光纤传感器结构及分类、组成单元中光纤的作用；
7. 了解光纤传感器在温度、压力、流量、液位、位移等不同场合的应用方法。
[例题分析]
例题4-1拟定用光敏二极管控制的交流电压供电的明通及暗通直流电磁控制原理图。
解：根据题意，直流器件用在
交流电路中采用整流和滤波措施，
方可使直流继电器吸合可靠，又因
光敏二极管功率小，不足以直接控
制直流继电器，故要采用晶体管放
大电路。拟定原理图4-1所示。
图中V为晶体三极管；D1光电二极管；D2整流二极管；VS射极电位稳压管；K直流继电器；C滤波电容；T变压器；R降压电阻；LD被控电灯。
原理:当有足够的光线射到光敏二极管上时,其内阻下降,在电源变压器为正半周时,三极管V导通时K通电吸合,灯亮。无光照时则灯灭,故是一个明通电路。若图中光敏二极管D1与电阻R调换位置,则可得到一个暗通电路。
例题4-2_ 一个21码道的循环码盘，其最小分辨力θ1是多少？若一个θ1角对应弧长度至少为0.001mm，问码盘直径多大？
解：由码盘最小分辨力公式，其中码道数n=21，故
码盘直径，式中L表示圆弧长度，已知L=0.001mm，所以
例题4-3_ 若某光栅的线密度为50线/mm，主光栅与指示光栅之间夹角为
。求：
⑴ 求其形成的莫尔条纹间距BH是多少？
⑵ 若采用四只光敏二极管接受莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10-6s，问此时允许最快的运动速度v是多少？
解：⑴ 由光栅的线密度为50线/mm，可知其光栅常数为
根据公式可求莫尔条纹间距，式中为主光栅与指示光栅之间夹角，得
⑵ 光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即
所以最大允许速度为20m/s。
例题4-4_ 试计算n1=1.46，n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值是多少？如果外部媒介为空气n0=1，求该种光纤的最大入射角是多少？
解：根据光纤数值孔径值NA的定义为入射临界角的正弦得
(其中= 9.8o)
故得该种光纤最大入射角为9.8o，即入射光线必须在与该光纤轴线夹角小于9.8o时才能传过。
例题4-5_ 利用斯奈尔定理推出临界角表达式。已知水折射率nw=1.33，金刚石折射率nd=2.4，玻璃折射率ns=1.5，分别求其临界角并比较大小。