第8章光電式傳感器

第8章光電式傳感器8.1概述8.2光電器件8.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用8.4圖像傳感器8.5光纖傳感器18.1概述光電式傳感器以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)，采用光電元件作為檢測(cè)元件，是一種將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。光電檢測(cè)的方法具有精度高、響應(yīng)快、非接觸、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在工業(yè)自動(dòng)化檢測(cè)裝置和控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。下一頁(yè)返回2料位自動(dòng)控制光電開關(guān)3光柵光電開關(guān)光敏電阻光電鼠標(biāo)光敏管48.1概述光電式傳感器一般由光源、光學(xué)通路、光電元件和測(cè)量電路等部分組成。檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等;檢測(cè)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(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。光電式傳感器按其工作原理可分為光電效應(yīng)傳感器、固體圖像傳感器、熱釋電紅外探測(cè)器、光纖傳感器等幾大類。上一頁(yè)下一頁(yè)返回58.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源工程檢測(cè)中遇到的光，可以由各種發(fā)光器件產(chǎn)生，也可以是物體的輻射光。對(duì)光電技術(shù)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，光輻射還包括紅外、紫外等不可見波段的輻射。發(fā)光常分為熱輻射：由于溫度高于絕對(duì)零度而產(chǎn)生的熱輻射激發(fā)輻射：物體在特定環(huán)境下受外界能量激發(fā)的輻射。激發(fā)輻射的光源常被稱為冷光源。上一頁(yè)下一頁(yè)返回68.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源1.光的產(chǎn)生原子躍遷：原子（或分子、離子）總是使自己的能量狀態(tài)處于基態(tài)上，被激發(fā)到高能級(jí)后的粒子，力圖回到基態(tài)上去，與此同時(shí)放出激發(fā)時(shí)所吸收的能量。從高能級(jí)回到低能級(jí)去的過(guò)程稱為躍遷。自發(fā)躍遷：輻射出的光頻率由兩能級(jí)的能量差決定受激躍遷發(fā)光物質(zhì)受激發(fā)而發(fā)光包括兩個(gè)過(guò)程:激勵(lì)和復(fù)合。在正常分布狀態(tài)下，原子多處于穩(wěn)定的低能級(jí)，如無(wú)外界的作用，原子可長(zhǎng)期保持此狀態(tài)。在外界光子作用下，賦予原子一定的能量，原子就從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，這個(gè)過(guò)程稱為光的受激吸收。處在高能級(jí)的原子在外來(lái)光的誘發(fā)下，躍遷至低能級(jí)而發(fā)光這個(gè)過(guò)程稱為光的受激輻射。受激輻射發(fā)出的光子與外來(lái)光子具有完全相同的頻率、傳播方向、偏振方向。上一頁(yè)下一頁(yè)返回78.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源2.常見光源光源的種類很多，分類方式各異，根據(jù)光源的特征可以分為自然光源與電光源兩大類。固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，主要有白熾燈、發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器等。常見的光源主要有以下幾種。1)發(fā)光二極管（LED）體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高、便于與集成電路相匹配廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中LED抗震動(dòng)抗沖擊能力強(qiáng)，沒(méi)有燈絲發(fā)光二極管電氣性能與普通二極管相似，不同之處在于在給LED通電時(shí)，它會(huì)發(fā)光。LED能夠以非?？斓乃俣葋?lái)開關(guān)，開關(guān)速度可達(dá)到kHz。將接收器的放大器調(diào)制到發(fā)射器的調(diào)制頻率，那么它就能只將以此頻率振動(dòng)的光信號(hào)進(jìn)行放大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回88.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源2)激光（受激輻射光放大、Laser）如果處于高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級(jí)上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子。由于單位時(shí)間受激發(fā)射光子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)象稱為光的受激輻射放大。具有這種功能的器件稱為激光器。激光是新穎的高亮度光，它是由各類氣體、固體或半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的頻率單純的光。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(diǎn)，是很理想的光源。激光具有以下特點(diǎn)方向性強(qiáng)、亮度高單色性好相干性好上一頁(yè)下一頁(yè)返回---原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)（也就是激發(fā)狀態(tài)），它會(huì)以光子的形式把能量發(fā)射出去。---而激光，就是被引誘（激發(fā)）出來(lái)的光子隊(duì)列，這光子隊(duì)列中的光子們，光學(xué)特性一樣，步調(diào)極其一致。---普通光源，比如電燈泡發(fā)出來(lái)的光子各不同，并會(huì)向各方向逃逸98.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源常見的激光器主要有以下幾種類型。固體激光器。固體激光器的工作物質(zhì)是固體。這類激光器結(jié)構(gòu)大致相同，共同特點(diǎn)是小而堅(jiān)固，脈沖功率高。氣體激光器。工作物質(zhì)是氣體。特點(diǎn)是能連續(xù)工作，單色性好，但輸出功率不及固體激光器。液體激光器。工作物質(zhì)是液體。液體激光器的最大特點(diǎn)是發(fā)出的激光波長(zhǎng)可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)節(jié)，而不降低效率。半導(dǎo)體激光器。特點(diǎn)是效率高、體積小、質(zhì)量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單;缺點(diǎn)是輸出功率較小,輸出非線性。光纖激光器。在光纖材料中添加增益介質(zhì)；用光纖構(gòu)成光學(xué)諧振腔的激光器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回108.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源光纖激光器主要特點(diǎn):諧振腔內(nèi)無(wú)光學(xué)鏡片，具有免調(diào)節(jié)、免維護(hù)、高穩(wěn)定性的優(yōu)點(diǎn)。工作光纖可以盤繞，可以把體積做得非常小。

光纖導(dǎo)出，能勝任各種多維任意空間加工利用，簡(jiǎn)化了機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。對(duì)工作環(huán)境有很高的容忍度。散熱性能好，易于達(dá)到輕小便攜的目的。電光效率高，節(jié)約工作電耗，節(jié)約運(yùn)行成本。超長(zhǎng)的工作壽命和免維護(hù)時(shí)間，平均免維護(hù)時(shí)間在10萬(wàn)小時(shí)以上。光纖激光器可以實(shí)現(xiàn)從1000nm～2000nm的不同波長(zhǎng)輸出。上一頁(yè)下一頁(yè)返回118.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源3)白熾燈白熾燈是一種最常用的光源，最常用的是鎢絲燈。光譜線較豐富，使用時(shí)常用濾色片獲得不同窄帶頻率的光。鎢絲在高溫下蒸發(fā)使燈泡變黑，如果降低白熾燈的燈絲溫度，則發(fā)光效率降低。4)鹵鎢燈鹵鎢燈是一種改進(jìn)的鎢絲白熾燈。在燈泡中充入鹵族元素，使它們與蒸發(fā)的鎢形成鹵化物。鹵化物回到燈絲附近時(shí)，遇到高溫分解，鎢又回到鎢絲上。因此，燈絲發(fā)光亮度高、效率高，使鹵鎢燈具有形體小，成本低的特點(diǎn)。常用的鹵鎢燈有碘鎢燈和澳鎢燈。在光電式傳感器技術(shù)中應(yīng)用最多的鹵鎢燈為澳鎢燈。上一頁(yè)下一頁(yè)返回128.1概述

8.1.1光的產(chǎn)生和常見光源5)氣體放電光源氣體放電光源通過(guò)高壓使氣體電離放電產(chǎn)生很強(qiáng)的光輻射，即電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源，也稱氣體放電燈，且為冷光源。氣體放電光源輻射的光譜是不連續(xù)的，要持續(xù)向外輻射光，不僅要維持其溫度，而且有賴于氣體的原子或分子的激發(fā)過(guò)程。常見的氣體放電光源有低壓汞燈、氫燈、鈉燈、氦燈等。6)紅外輻射紅外輻射又稱紅外光，只要物體具有一定溫度(高于絕對(duì)零度)，都能輻射紅外光，又稱熱輻射。能全部吸收投射到表面的紅外輻射的物體稱為黑體;能全部反射的物體稱為鏡體;能全部透過(guò)的物體稱為透明體;能部分反射、部分吸收的物體稱為灰體。上一頁(yè)下一頁(yè)返回138.1概述

8.1.2光電效應(yīng)根據(jù)愛(ài)因斯坦光子假設(shè)學(xué)說(shuō)，光可以看做是一串具有一定能量的運(yùn)動(dòng)著的粒子流，這些粒子稱為光子，每個(gè)光子所具有的能量等于普朗克常數(shù)h乘以頻率γ。即ε=hγ(8-1)h—晉朗克常數(shù)，h=6.626x10-34J.s由于光子的能量與其頻率成正比，故光的頻率越高(即波長(zhǎng)越短)，光子的能量就越大。用光照射某一物體時(shí)，可看做是物體受到一連串能量為hγ的光子的不斷轟擊，物體由于吸收光子能量后產(chǎn)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)通?？梢苑譃橥夤怆娦?yīng)(也稱光電發(fā)射)和內(nèi)光電效應(yīng)。后者分光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏特效應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回和光強(qiáng)的關(guān)系？光強(qiáng)=nε=nhγ；lx/fc和光通量的關(guān)系？光通量=光強(qiáng)X面積；lm148.1概述

8.1.2光電效應(yīng)1)外光電效應(yīng)在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電元件類型很多，主要有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，陰極受到光子轟擊單個(gè)光子把它的全部能量傳遞給陰極材料的一個(gè)自由電子，使自由電子的能量增加hγ，自由電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，即可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(dòng)能為。據(jù)能量守恒定律可知hγ=+A(8-2)該式稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程。上一頁(yè)下一頁(yè)返回158.1概述

8.1.2光電效應(yīng)結(jié)論:光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功。當(dāng)光電子能量hγ恰好等于逸出功A時(shí)，光電子獲得的初速度v=0，此時(shí)光電子對(duì)應(yīng)的單色光頻率為γ0，有hγ0

=A，γ0為該物體產(chǎn)生光電效應(yīng)的最低頻率，稱為紅限頻率。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)越大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。光電子的初動(dòng)能取決于入射光的頻率γ。因?yàn)樘囟ǖ奈镔|(zhì)電子的逸出功是一定的。入射光頻率γ越高，則電子吸收的能量hγ越大，初動(dòng)能越大。電子吸收能量不需要積累能量的時(shí)間上一頁(yè)下一頁(yè)返回168.1概述

8.1.2光電效應(yīng)2)內(nèi)光電效應(yīng)光線照射在半導(dǎo)體材料上，材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，但這些被釋放的電子并不能逸出物體表面，而是停留在物體內(nèi)部，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按工作原理可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光伏特效應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回178.1概述

8.1.2光電效應(yīng)a)光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體材料受到光線照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等材料在受到光照時(shí)均會(huì)出現(xiàn)電阻下降的現(xiàn)象?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管和光敏晶閘管等。b)光伏特效應(yīng)在光線作用下，不均勻半導(dǎo)體（如PN結(jié)）兩端產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光伏特效應(yīng)。具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化稼等。光電池。上一頁(yè)返回188.2光電器件

8.2.1光電管光電管和光電倍增管同屬于根據(jù)外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。1)光電管光電管有多種類型，最典型的是真空光電管。光電管是裝有光陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管，是利用外光電效應(yīng)制成的光電元件。下一頁(yè)返回198.2光電器件

8.2.1光電管玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料，陽(yáng)極為置于光電管中心的環(huán)形金屬板或置于柱面中心線的金屬柱。工作時(shí)，陽(yáng)極電位高于陰極。入射光頻率大于紅限頻率時(shí)，光電管的陰極表面受到光照射后便發(fā)射光電子，從陰極逸出的光電子被陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。如果在外電路中串入電阻，則電阻上就會(huì)產(chǎn)生電壓降，該電壓和電流隨光照強(qiáng)度而變化，與光強(qiáng)成一定函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光/電轉(zhuǎn)換。陰極材料不同的光電管，具有不同的紅限頻率，適用于不同的光譜范圍。同一種光電管對(duì)不同頻率的入射光靈敏度不同。上一頁(yè)下一頁(yè)返回208.2光電器件

8.2.1光電管

2)光電倍增管由于真空光電管的靈敏度低，光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回218.2光電器件

8.2.1光電管光電倍增管主要由光陰極K、倍增極D和陽(yáng)極A組成，并根據(jù)要求采用不同性能的玻璃殼進(jìn)行真空封裝。依據(jù)分裝方法，可分成端窗式和側(cè)窗式兩大類。端窗式的陰極通常為透射式陰極。側(cè)窗式的陰極通常為反射式陰極。光陰極接負(fù)高壓，各倍增極的加速電壓由直流高壓電源經(jīng)分壓電阻分壓供給，靈敏檢流計(jì)或負(fù)載電阻接在陽(yáng)極A處。光陰極的量子效率是一個(gè)重要的參數(shù)。波長(zhǎng)為λ的光輻射入射到光陰極時(shí)，一個(gè)入射光子產(chǎn)生的光電子數(shù)，定義為光陰極的量子效率。上一頁(yè)下一頁(yè)返回228.2光電器件

8.2.1光電管光電子被光陰極K和倍增極D1之間的電場(chǎng)作用下加速加速后的光電子轟擊倍增極D1，使D1產(chǎn)生二次電子發(fā)射。每一個(gè)光電子的轟擊約可產(chǎn)生3～5個(gè)二次電子，實(shí)現(xiàn)了電子數(shù)目的放大。D1產(chǎn)生的二次電子被D2和D1之間的電場(chǎng)加速后轟擊D2，依此類推，一直持續(xù)到最后一級(jí)倍增極Dn。每經(jīng)過(guò)一級(jí)倍增極，電子數(shù)目被放大一次，倍增極的數(shù)目一般有8-13個(gè)，最后一級(jí)倍增極Dn發(fā)射的二次電子被陽(yáng)極A收集。若倍增電極有n級(jí)，各級(jí)的倍增率為σ，則光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是σn。因此，光電倍增管有極高的靈敏度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回238.2光電器件

8.2.1光電管光電倍增管在輸出電流小于1mA的情況下，其光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系，多用于微光測(cè)量。由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，在沒(méi)有光照的情況下陽(yáng)極仍會(huì)有一個(gè)很小的電流輸出，這種電流稱為暗電流。暗電流通常可以用補(bǔ)償電路消除。工作時(shí)，陽(yáng)極輸出電流由暗電流和信號(hào)電流兩部分組成。當(dāng)信號(hào)電流比較大時(shí)，暗電流的影響可以忽略，但是當(dāng)光信號(hào)非常弱，以至于陽(yáng)極信號(hào)電流很小甚至和暗電流在同一數(shù)量級(jí)時(shí)，暗電流將嚴(yán)重影響對(duì)光信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確性。所以暗電流的存在決定了光電倍增管可測(cè)量光信號(hào)的最小值。上一頁(yè)下一頁(yè)返回248.2光電器件

8.2.1光電管光電倍增管對(duì)不同波長(zhǎng)的光入射的響應(yīng)能力是不相同的，這一特性可用光譜響應(yīng)率表示。在給定波長(zhǎng)的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流的大小稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)率，表示為（8-3）式中I（λ）—在該輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽(yáng)極電流;P（λ）—入射到光陰極上的單色輻射功率;S（λ）—波長(zhǎng)的函數(shù)，它與波長(zhǎng)的關(guān)系曲線稱為光電倍增管的絕對(duì)光譜響應(yīng)曲線。上一頁(yè)下一頁(yè)返回258.2光電器件

8.2.2光敏電阻光敏電阻是一種光電導(dǎo)效應(yīng)半導(dǎo)體器件，應(yīng)用于光存在與否的感應(yīng)(數(shù)字量)以及光強(qiáng)度的測(cè)量(模擬量)等領(lǐng)域。它的電阻率隨著光照強(qiáng)度的增強(qiáng)而減小，允許更多的光電流流過(guò)。這種阻性特征使它具有很好的品質(zhì)，即通過(guò)調(diào)節(jié)供電電源就可以從探測(cè)器上獲得信號(hào)流，且有著很寬的范圍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回268.2光電器件

8.2.2光敏電阻1)光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻是薄膜元件，它是在陶瓷底襯上覆一層光電半導(dǎo)體材料，常用的半導(dǎo)體有硫化鎘和硒化銀等。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，金屬接觸點(diǎn)蓋在光電半導(dǎo)體的下部，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。這種光電半導(dǎo)體材料薄膜元件有很高的電阻。光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將導(dǎo)光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回278.2光電器件

8.2.2光敏電阻2)光敏電阻的工作原理光敏電阻由半導(dǎo)體材料構(gòu)成，利用內(nèi)光電效應(yīng)而工作。光敏電阻沒(méi)有極性，是純粹的電阻器件，工作時(shí)即可以加直流電壓，也可以加交流電壓。光線照射光敏電阻時(shí)，價(jià)帶上的電子將激發(fā)到導(dǎo)帶上去，從而使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加，因材料中的載流子濃度增加，其電導(dǎo)率變大，電阻值會(huì)急劇減小，電路中電流增加光照消失時(shí)，電阻會(huì)恢復(fù)原值。根據(jù)電路中電流值的變換即可推算出光照強(qiáng)度的大小。上一頁(yè)下一頁(yè)返回288.2光電器件

8.2.2光敏電阻光敏電阻中光電導(dǎo)作用的強(qiáng)弱是用其電導(dǎo)的相對(duì)變化來(lái)標(biāo)志的。禁帶寬度較大的半導(dǎo)體材料，在室溫下熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)較少，無(wú)光照時(shí)的電阻(暗電阻)較大。因此光照引起的附加電導(dǎo)就十分明顯，可表現(xiàn)出很高的靈敏度。檢測(cè)光敏電阻好壞的方法如下。遮住光敏電阻的透光窗口，此時(shí)阻值越大說(shuō)明光敏電阻性能越好。若阻值很小或接近為零，說(shuō)明光敏電阻已燒穿損壞。將一光源對(duì)準(zhǔn)透光窗口，此時(shí)阻值越小說(shuō)明光敏電阻性能越好。若阻值很大，表明光敏電阻內(nèi)部電路損壞。將一光源對(duì)準(zhǔn)透光窗口，使遮光窗間斷受光，此時(shí)阻值應(yīng)左右擺動(dòng)。如果阻值始終停在某一位置，說(shuō)明光敏電阻的光敏材料已經(jīng)損壞。上一頁(yè)下一頁(yè)返回298.2光電器件

8.2.2光敏電阻3)光敏電阻的主要參數(shù)光電流：全暗條件測(cè)得的電阻值稱為暗電阻，或稱暗阻，此時(shí)流過(guò)光敏電阻的電流稱為暗電流。受到某一光線照射時(shí)測(cè)得的電阻值稱為亮電阻，或稱亮阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。光敏電阻接在電路上，亮電流與暗電流之差稱為光電流。暗電阻越大越好，亮電阻越小越好；即暗電流要小，亮電流要大，這樣光電流才可能大，光敏電阻的靈敏度才會(huì)高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回靈敏度指光敏電阻器在有光照射和無(wú)光照射時(shí)電阻值的相對(duì)變化。308.2光電器件

8.2.2光敏電阻伏安特性：在一定光照強(qiáng)度下，光敏電阻兩端所加的電壓和流過(guò)的光電流之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性。光照強(qiáng)度越大，光電流就越大;電壓越大，產(chǎn)生的光電流也越大。光照特性：光照特性反映了光電器件輸入光量與輸出光電流(光電壓)之間的關(guān)系。光電流I和光通量F之間的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的光照特性。曲線呈現(xiàn)非線性，不適宜作為線性檢測(cè)元件，一般被用做開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。光譜特性：相對(duì)靈敏度與入射光波長(zhǎng)之間的關(guān)系，稱為光譜響應(yīng)特性。對(duì)于不同波長(zhǎng)的入射光，其靈敏度是不相同的，對(duì)于被測(cè)物體本身可以作光源的傳感器，則應(yīng)該按被測(cè)物體輻射的光波波長(zhǎng)選擇光電器件。上一頁(yè)下一頁(yè)返回光強(qiáng)：?jiǎn)挝幻娣e上所接受可見光的光通量。單位lx318.2光電器件

8.2.2光敏電阻頻率特性：光頻率與靈敏度之間的關(guān)系稱為光敏電阻的頻率特性。對(duì)于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時(shí)間的限制。光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映了它的動(dòng)態(tài)特性，響應(yīng)時(shí)間小，表示動(dòng)態(tài)特性好。當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時(shí)，光電流要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時(shí)延特性。多數(shù)光敏電阻的時(shí)延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場(chǎng)合。光敏電阻的響應(yīng)時(shí)間一般為10-3～10-1s。上一頁(yè)下一頁(yè)返回時(shí)間常數(shù)光敏電阻器從光照躍變開始到穩(wěn)定亮電流的63%時(shí)所需的時(shí)間。328.2光電器件

8.2.2光敏電阻溫度特性：溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時(shí)對(duì)光譜特性也有很大影響。一般來(lái)說(shuō)，光敏器件的光譜響應(yīng)峰值隨溫度升高而向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，往往可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)的響應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回電阻溫度系數(shù)光敏電阻器在環(huán)境溫度改變1℃時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。338.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管通常指光敏二極管和光敏三極管，它們的工作原理也是基于內(nèi)光電效應(yīng)。1)光敏二極管光敏二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，與一般半導(dǎo)體二極管不同之處在于光線通過(guò)窗口集中照射在PN結(jié)上。PN結(jié)參與了光電轉(zhuǎn)換過(guò)程。上一頁(yè)下一頁(yè)返回348.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)，即PN結(jié)加反向電壓。沒(méi)有光照時(shí)，載流子很少，二極管具有高阻特性，反向電流很小，稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，如光子能量>禁帶寬度，會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加。在外加反向電壓和PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)作用下，電子向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，空穴向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光電流，方向與反向電流一致，使反向電流明顯增大。光照度增大時(shí)，光電流也相應(yīng)增大，就把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成了電信號(hào)，光照時(shí)的反向電流基本上與光照度成正比。上一頁(yè)下一頁(yè)返回358.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管2)光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。有兩個(gè)PN結(jié)，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，具有電流增益只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積其基區(qū)不接引線?？梢钥闯墒且粋€(gè)eb結(jié)為光敏二極管的三極管。光照作用下，光敏二極管將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)，該電流信號(hào)被晶體三極管放大。在晶體管增益為β時(shí)，光敏三極管的光電流要比相應(yīng)的光敏二極管大β倍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回36基區(qū)b發(fā)射極e集電極c基區(qū)面積做得較大，發(fā)射區(qū)面積做得較小，入射光主要被基區(qū)吸收8.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管3)PIN光電二極管PIN光電二極管在P區(qū)和N區(qū)之間插入一層電阻率很大的I層，從而減小了PN結(jié)的電容，提高了工作頻率。PIN光電二極管的工作電壓(反向偏置電壓)高，光電轉(zhuǎn)換效率高，暗電流小，靈敏度比普通的光敏二極管高得多，響應(yīng)頻率可達(dá)數(shù)十兆赫上一頁(yè)下一頁(yè)返回378.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管4)光敏晶閘管光敏晶閘管有3個(gè)引出電極，即陽(yáng)極A、陰極K和門極G。當(dāng)光信號(hào)通過(guò)玻璃窗口照射到正向阻斷的PN結(jié)上時(shí)，將產(chǎn)生門極電流，從而使光敏晶閘管從阻斷狀態(tài)變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。導(dǎo)通后，即使光照消失，光敏晶閘管仍維持導(dǎo)通。要切斷已觸發(fā)導(dǎo)通的光敏晶閘管，必須使陽(yáng)極與陰極的電壓反向，或使負(fù)載電流小于其維持電流。光敏晶閘管的導(dǎo)通電流比光敏三極管大得多，工作電壓有的可達(dá)數(shù)百伏，因此輸出功率大，可用于工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)控制。上一頁(yè)下一頁(yè)返回388.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏晶體管的基本特性如下。1)光敏晶體管的光譜特性相對(duì)靈敏度K與入射光波長(zhǎng)λ之間的關(guān)系，又稱光譜響應(yīng)。在入射光照度一定時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度隨光波波長(zhǎng)的變化而變化，一種光敏晶體管只對(duì)一定波長(zhǎng)范圍的入射光敏感，這就是光敏晶體管的光譜特性。當(dāng)入射光波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度下降，因?yàn)楣庾幽芰刻?，不足以激發(fā)電子-空穴對(duì)。當(dāng)入射光波長(zhǎng)太短時(shí)，光波穿透能力下降，光子只在半導(dǎo)體表面不能達(dá)到PN結(jié)，因此相對(duì)靈敏度也下降。上一頁(yè)下一頁(yè)返回398.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管硅的長(zhǎng)波限為1.1μm，鍺為1.8μm，短波限一般在0.4～0.5μm附近。硅器件靈敏度的極大值出現(xiàn)在波長(zhǎng)0.8～0.9μm處，而鍺器件則出現(xiàn)在1.4～1.5μm處，都處于近紅外光波段。在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般選用硅管；但對(duì)紅外線進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則采用鍺管較合適。采用較淺的PN結(jié)和較大的表面，可使靈敏度極大值出現(xiàn)的波長(zhǎng)和短波限減小，以適當(dāng)改善短波響應(yīng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回408.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管2)光敏晶體管的伏安特性3)光敏晶體管的光照特性即晶體管的輸出電流與照度之間的關(guān)系曲線。近似成線性關(guān)系，靈敏度和線性度均好418.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管4)光敏晶體管的頻率特性指輸入光的調(diào)制頻率與輸出靈敏度之間的關(guān)系。頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差。光敏晶體管的響應(yīng)時(shí)間約為2x10-5s，對(duì)于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5kHz以下，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。428.2光電器件

8.2.3光敏二極管和光敏三極管5)光敏晶體管的溫度特性指一定照度下溫度與電流之間的關(guān)系。溫度變化對(duì)亮電流影響較小，對(duì)暗電流的影響顯著。因此，光敏晶體管在高照度下工作時(shí)，亮電流比暗電流大得多，溫度的影響相對(duì)較小。在低照度下工作時(shí)，亮電流較小，暗電流隨溫度變化會(huì)嚴(yán)重影響輸出信號(hào)的穩(wěn)定性。在這種情況下，應(yīng)當(dāng)選用硅光敏管，因?yàn)楣韫艿陌惦娏饕孺N管小幾個(gè)數(shù)量級(jí)。同時(shí)還可以在電路中采取適當(dāng)?shù)臏囟妊a(bǔ)償措施，或者將光信號(hào)進(jìn)行調(diào)制，對(duì)輸出的電信號(hào)采用交流放大，利用隔直電容隔斷暗電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回438.2光電器件

8.2.4光電池

光電池是一種自發(fā)電式的光電元件。光照射在光電池上時(shí)，自身能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)只要接通外電路，就可以直接輸出電動(dòng)勢(shì)及光電流這種因光照而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。應(yīng)用最廣泛的是硅光電池，它用可見光作為光源，具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、耐高溫輻射、價(jià)格便宜等一系列優(yōu)點(diǎn)。由于硒光電池的光譜峰值位于人眼的視覺(jué)范圍，所以很多分析儀器、測(cè)量?jī)x表也常用到。上一頁(yè)下一頁(yè)返回448.2光電器件

8.2.4光電池硅光電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散法制造一薄層P型層，形成的一個(gè)大面積PN結(jié)。當(dāng)光照射在P區(qū)表面時(shí)，若光子能量大于硅的禁帶寬度，則在P型區(qū)內(nèi)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)電子-空穴對(duì)PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)使擴(kuò)散到PN結(jié)附近的電子-空穴對(duì)分離，電子被拉到N型區(qū)，空穴被留在P區(qū)。從而使N區(qū)帶負(fù)電，P區(qū)帶正電，形成光生電動(dòng)勢(shì)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回458.2光電器件

8.2.4光電池等效電路中二極管為硅材料二極管，不等同于導(dǎo)線短路，存在正向壓降，用來(lái)模擬PN結(jié)內(nèi)電場(chǎng)效果（分流；嵌壓）上一頁(yè)下一頁(yè)返回468.2光電器件

8.2.4光電池光電池的基本特性主要有以下幾個(gè)方面。1)光電池的光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的。不同材料的光電池適用的入射光波長(zhǎng)范圍也不相同。一定照度下，光波波長(zhǎng)與光電池靈敏度之間的關(guān)系稱為光電池的光譜特性。上一頁(yè)下一頁(yè)返回478.2光電器件

8.2.4光電池2)光電池的頻率特性指輸出光電流與入射光調(diào)制頻率的關(guān)系。當(dāng)入射光照度變化時(shí)，由于光生電子-空穴對(duì)的產(chǎn)生和復(fù)合都需要一定時(shí)間，因此入射光調(diào)制頻率太高時(shí)，光電池輸出電流的變化幅度將下降。上一頁(yè)下一頁(yè)返回488.2光電器件

8.2.4光電池上一頁(yè)下一頁(yè)返回493)光電池的光照特性光照度與輸出電動(dòng)勢(shì)、輸出電流的關(guān)系。上面曲線是負(fù)載電阻無(wú)窮大時(shí)的開路電壓特性曲線下面曲線是負(fù)載電阻相對(duì)很小時(shí)的短路電流特性曲線。開路電壓與光照度的關(guān)系呈非線性，在光照度為2000lx時(shí)就趨于飽和，但靈敏度高，宜用做開關(guān)元件。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，負(fù)載電阻越小，這種線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬。作為線性檢測(cè)元件使用時(shí)，應(yīng)工作在短路電流輸出狀態(tài)。8.2光電器件

8.2.4光電池

4)光電池的溫度特性指開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。關(guān)系到光電池應(yīng)用設(shè)備的溫度漂移，影響精度等重要指標(biāo)。硅光電池開路電壓隨溫度上升而明顯下降，溫度上升1℃,開路電壓約降低3mV，而短路電流隨溫度上升卻是緩慢增加的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回508.2光電器件

8.2.5高速光電器件光電傳感器的響應(yīng)速度是重要指標(biāo)，隨著光通信及光信息處理技術(shù)的提高，一批高速光電器件應(yīng)運(yùn)而生。1)PIN結(jié)光電二極管PIN結(jié)光電二極管是以PIN結(jié)代替PN結(jié)的光敏二極管，在PN結(jié)中間設(shè)置一層較厚的I層(高電阻率的本征半導(dǎo)體)而制成，故簡(jiǎn)稱為PIN-PD。PIN-PD與普通PD的不同之處是入射信號(hào)光由很薄的P層照射到較厚的I層時(shí)，大部分光能被I層吸收，激發(fā)產(chǎn)生載流子形成光電流，因此PIN-PD具有更高的光電轉(zhuǎn)換效率。此外，PIN-PD可加較高的反向偏置電壓，大大提高了響應(yīng)速度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回518.2光電器件

8.2.5高速光電器件2)雪崩式光電二極管雪崩式光電二極管(APD)是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)的一種二極管。工作電壓很高，約100～200V，接近于反向擊穿電壓。在PN結(jié)的P型區(qū)外側(cè)再設(shè)置一層摻雜濃度極高的P+層而構(gòu)成。使用時(shí)在元件兩端加上近于擊穿的反向偏壓，能在P層兩側(cè)及其附近形成極強(qiáng)的內(nèi)部加速電場(chǎng)。光線照射時(shí)，P+層受光子能量激發(fā)躍遷的電子，在內(nèi)部加速電場(chǎng)作用下，高速通過(guò)P層，使P層產(chǎn)生碰撞電離，產(chǎn)生出大量的新生電子-空穴對(duì)，它們也從強(qiáng)大的電場(chǎng)獲得高能，并再次碰撞P層中的其他原子，產(chǎn)生新電子-空穴對(duì)。當(dāng)所加反向偏壓足夠大時(shí)，不斷產(chǎn)生二次電子發(fā)射，并使載流子產(chǎn)生“雪崩”倍增，形成強(qiáng)大的光電流。528.2光電器件

8.2.5高速光電器件雪崩式光電二極管具有很高的內(nèi)增益，當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管響應(yīng)速度特別快，帶寬可達(dá)100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。噪聲大是這種管子目前的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)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(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無(wú)法使用。雪崩二極管的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，但輸出線性較差，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊，特別適用于光通信中脈沖編碼的工作方式。上一頁(yè)返回53采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器被稱為光電式傳感器。首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。被測(cè)量通過(guò)對(duì)輻射源或者光學(xué)通路的影響將待測(cè)信息調(diào)制到光波上，通過(guò)改變光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和頻譜分布等，由光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測(cè)量信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。光電式傳感器具有精度高、反應(yīng)快、非直接接觸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形式多樣、應(yīng)用廣泛等優(yōu)點(diǎn)。下一頁(yè)返回548.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用8.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路光電式傳感器通常由光源、光學(xué)通路、光電元件和測(cè)量放大電路4部分組成。圖中Φ1

是光源發(fā)出的光信號(hào)，Φ2

是光電器件接受的光信號(hào)。被測(cè)量可以是X1或者X2。X1表示被測(cè)量能直接引起光源本身光量變化的檢測(cè)方式，X2表示被測(cè)量在光傳播過(guò)程中調(diào)制光量的檢測(cè)方式。上一頁(yè)下一頁(yè)返回55由光通量對(duì)光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測(cè)控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件(光學(xué)測(cè)控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分為兩類：1)模擬式光電式傳感器模擬式光電式傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量間成單值關(guān)系。模擬式光電式傳感器按測(cè)量方法可以分為輻射式、吸收(透射)式、反射式和遮光式4大類。上一頁(yè)下一頁(yè)返回568.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路輻射式：被測(cè)物本身是光輻射源。常用來(lái)測(cè)光源的溫度。吸收式：被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間，光源發(fā)出的光能量穿過(guò)被測(cè)物被部分吸收后，投射到光電元件上。常用來(lái)測(cè)量液體、氣體的透明度、渾濁度、對(duì)氣體進(jìn)行成分分析、測(cè)定液體中某種物質(zhì)的含量等。反射式：光源發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)物表面反射后，再投射到光電元件上。根據(jù)反射的光通量多少可測(cè)定被測(cè)物表面性質(zhì)和狀態(tài)?？捎脕?lái)測(cè)量表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。遮光式：被測(cè)物位于恒定光源與光電元件之間，光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測(cè)物部分遮擋之后，投射到光電元件上的光通量改變。可用來(lái)測(cè)量長(zhǎng)度、厚度、線位移、角位移和角速度等參數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回578.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2)脈沖(開關(guān))式光電式傳感器脈沖(開關(guān))式光電式傳感器中，光電元件接受的光信號(hào)是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)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(hào)，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測(cè)量等場(chǎng)合。上一頁(yè)下一頁(yè)返回588.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路測(cè)量電路半導(dǎo)體光敏電阻可以通過(guò)較大的電流，所以在一般情況下，無(wú)需配備放大器。在要求較大的輸出功率時(shí)，可用三極管測(cè)量電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回598.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路帶有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管橋式測(cè)量電路。圖中一個(gè)光敏二極管作為檢測(cè)元件，另一個(gè)裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對(duì)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。返回608.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，可以配以放大電路。上一頁(yè)下一頁(yè)返回618.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖8-27為光電池的測(cè)量電路。當(dāng)一定波長(zhǎng)的入射光線照射到光電池的PN結(jié)時(shí)，在P區(qū)和N區(qū)之間會(huì)產(chǎn)生電壓，并且隨著光線的增強(qiáng)，電壓會(huì)逐漸變大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回628.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過(guò)集成運(yùn)算放大器可得到較大輸出幅度。光敏二極管采用負(fù)電壓輸入，當(dāng)受到光線照射時(shí)，PN結(jié)導(dǎo)通，光線的強(qiáng)弱會(huì)影響運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回638.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖8-28(b)為硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路。光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此接在運(yùn)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(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓上一頁(yè)下一頁(yè)返回648.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.1測(cè)量轉(zhuǎn)換電路早期的用來(lái)檢測(cè)物體有無(wú)的光電傳感器是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚焦射向接收器，接收器輸出電纜接到一個(gè)真空管放大器上。在金屬圓筒內(nèi)有一個(gè)小的白熾燈作為光源。這些白熾燈傳感器就是今天光電式傳感器的雛形。光電式傳感器可用來(lái)檢測(cè)直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測(cè)溫、氣體成分分析等；也可用于檢測(cè)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(yīng)變、位移、振動(dòng)、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識(shí)別等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回658.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用1)光電藕合器(光電隔離器)光電藕合器是將發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。發(fā)光二極管:輸入的電信號(hào)->光信號(hào)光敏管:光信號(hào)->電信號(hào)輸出無(wú)直接電氣連接，既耦合傳輸了信號(hào)，又隔離了干擾上一頁(yè)下一頁(yè)返回668.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用光電藕合器的組合形式多樣：圖(a)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率圖(b)采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電藕合器，適用于較高頻率的裝置中。圖(c)采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電藕合器，適用于直接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝置中。圖(d)采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電藕合器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回678.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用2)光電式濁度計(jì)光電式傳感器在濁度監(jiān)測(cè)中通常采用透射式測(cè)量方式。煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。煙道濁度增加-->光被煙塵顆粒的吸收和折射增加-->到達(dá)光檢測(cè)器的光減少。吸收式煙塵濁度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的組成：光源：可見光（如白熾燈）。光檢測(cè)：采用光譜響應(yīng)范圍為400～600nm的光電管。運(yùn)算放大器：對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大。刻度校對(duì)：進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿刻度，以保證測(cè)試準(zhǔn)確性。顯示器：顯示濁度瞬時(shí)值。報(bào)警電路：多諧振蕩器上一頁(yè)下一頁(yè)返回688.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用光電式濁度計(jì)除了可以對(duì)煙霧濁度進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還可用于溶液的顏色、成分、渾濁度等化學(xué)分析。上一頁(yè)下一頁(yè)返回698.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用3)光電式帶材跑偏檢測(cè)器光電式帶材跑偏檢測(cè)器主要用于檢測(cè)帶材加工過(guò)程中偏離正確位置的情況。光源發(fā)出的光線被會(huì)聚到光敏電阻R上。到達(dá)透鏡2的途中，部分光線受到被測(cè)帶材的遮擋，使光敏電阻的光通量減少。當(dāng)帶材處于正確位置時(shí)，測(cè)量電路的電橋平衡，輸出電壓為零。當(dāng)帶材偏離時(shí)，遮光面積改變，光敏電阻的阻值發(fā)生變化，電橋失衡，輸出電壓可以反映帶材跑偏的方向及大小。傳感器的輸出信號(hào)還可以被送到執(zhí)行機(jī)構(gòu)，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號(hào)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回708.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用4)光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表左圖是在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上涂上黑白相間的兩色條紋。當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，所以光電元件間斷的接收光的反射信號(hào)，輸出電脈沖。右圖是在電機(jī)軸上固定一個(gè)調(diào)制盤，上面開一些固定間隔的孔洞，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光。上一頁(yè)下一頁(yè)返回718.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用每分鐘轉(zhuǎn)速n與輸出的方波脈沖頻率f以及孔數(shù)或黑白條紋數(shù)N的關(guān)系如下。(8-4)上一頁(yè)下一頁(yè)返回728.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用5)包裝填充物高度檢測(cè)利用光電檢測(cè)技術(shù)控制填充物高度。當(dāng)填充高度h偏差太大時(shí)，光電接頭沒(méi)有電信號(hào)，即由執(zhí)行機(jī)構(gòu)將包裝物品推出進(jìn)行處理。利用光電開關(guān)還可以進(jìn)行產(chǎn)品流水線上的產(chǎn)量統(tǒng)計(jì)、對(duì)裝配件是否到位及裝配質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)，例如，灌裝時(shí)瓶蓋是否壓上、商標(biāo)是否漏貼，以及送料機(jī)構(gòu)是否斷料等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回738.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用6)條形碼掃描筆掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個(gè)發(fā)光二極管和一個(gè)光敏三極管組成。當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動(dòng)時(shí)，黑色線條吸收光線，白色間隔反射光線。光敏三極管將條形碼黑色線條和白色間隔變成了一個(gè)個(gè)電脈沖信號(hào)。上一頁(yè)返回748.3光電式傳感器的測(cè)量電路及應(yīng)用

8.3.2應(yīng)用8.4圖像傳感器電荷藕合器件CCD(Charge-CoupledDevice)與互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體電路CMOS(ComalementaryMetalOxideSemiconductor)傳感器是當(dāng)前被普遍采用的兩種圖像傳感器，都能將光圖像轉(zhuǎn)換為電荷圖像，而其主要差異是電信號(hào)傳送的方式不同。CCD傳感器中每一行中每一個(gè)像素的電荷數(shù)據(jù)都會(huì)依次傳送到下一個(gè)像素中，由最底端部分輸出，再經(jīng)由傳感器邊緣的放大器進(jìn)行放大輸出;在CMOS傳感器中，每個(gè)像素都會(huì)鄰接一個(gè)放大器及A/D轉(zhuǎn)換電路，用類似內(nèi)存電路的方式將數(shù)據(jù)輸出。下一頁(yè)返回758.4圖像傳感器

8.4.1CCD圖像傳感器CCD是20世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型器件。它將MOS光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。利用電荷藕合技術(shù)組成的圖像傳感器稱為電荷藕合圖像傳感器。它由成排的感光元件與電荷藕合移位寄存器等構(gòu)成，具備光/電轉(zhuǎn)換、信息存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?。上一?yè)下一頁(yè)返回768.4圖像傳感器

8.4.1CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器是對(duì)光敏陣列元件具有自掃描功能的攝像器件，具有集成度高、分辨力高、自掃描、固體化、體積小、質(zhì)量輕、功耗低、可靠性高、壽命長(zhǎng)、圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好，光敏元之間幾何尺寸精度高，可得到較高的定位精度和測(cè)量精度，具有較高的光電靈敏度和較大的動(dòng)態(tài)范圍，視頻信號(hào)便于與微機(jī)接口等優(yōu)點(diǎn)。CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于軍事、生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。如攝像機(jī)、廣播電視、可視電活、傳真、車身檢測(cè)、鋼管檢測(cè)、芯片檢測(cè)、指紋檢測(cè)、虹膜檢測(cè)、顯微鏡改造、工件尺寸及缺陷檢測(cè)、對(duì)刀儀、復(fù)雜形貌測(cè)量等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回778.4圖像傳感器

8.4.1CCD圖像傳感器一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位寄存器的相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖像顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，這樣可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。上一頁(yè)下一頁(yè)返回788.4圖像傳感器

8.4.1CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器通常可分為線陣傳感器和面陣傳感器。1)線陣CCD圖像傳感器線陣CCD圖像傳感器是由一列感光單元(光敏元陣列)與一列移位寄存器并行而構(gòu)成的。2)面陣CCD圖像傳感器線陣CCD圖像傳感器只能在一個(gè)方向上實(shí)現(xiàn)電子自掃描。為獲得二維圖像，除了必須采用龐大的機(jī)械掃描裝置外，另一個(gè)突出的缺點(diǎn)是信號(hào)強(qiáng)度難以提高。為了能在室內(nèi)照明條件下獲得足夠的信噪比，有必要延長(zhǎng)積分時(shí)間。面陣CCD圖像傳感器：類似于電子管掃描攝像管那樣在整個(gè)幀時(shí)內(nèi)均接受光照積累電荷的。面陣CCD圖像傳感器在x,y兩個(gè)方向上都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。上一頁(yè)下一頁(yè)返回798.4圖像傳感器

8.4.1CCD圖像傳感器CCD的基本特性參數(shù)有光譜響應(yīng)、動(dòng)態(tài)范圍、信噪比、CCD芯片尺寸等。在CCD像素?cái)?shù)目相同的條件下，像素點(diǎn)大的CCD芯片可以獲得更好的拍攝效果。大的像素點(diǎn)有更好的電荷存儲(chǔ)能力，因此可提高動(dòng)態(tài)范圍及其他指標(biāo)。CCD數(shù)碼照相機(jī)簡(jiǎn)稱DC，它采用CCD作為光電轉(zhuǎn)換器件，將被攝物體的圖像以數(shù)字形式記錄在存儲(chǔ)器中。上一頁(yè)下一頁(yè)返回80CCD主要特點(diǎn)：動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；成像質(zhì)量好；成本高8.4圖像傳感器

8.4.2CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器是采用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體工藝制作的另一類圖像傳感器，簡(jiǎn)稱CMOS。現(xiàn)在市售的視頻攝像頭多使用CMOS作為光電轉(zhuǎn)換器件。雖然目前的CMOS圖像傳感器成像質(zhì)量比CCD略低，但CMOS具有體積小、耗電量小、售價(jià)便宜的優(yōu)點(diǎn)。隨著硅晶圓加工技術(shù)的進(jìn)步，CMOS的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均有望超過(guò)CCD，它在圖像傳感器中的應(yīng)用也將日趨廣泛。光敏二極管CMOS圖像傳感器的像素結(jié)構(gòu)目前主要有兩種:無(wú)源像素圖像傳感器PPS和有源像素圖像傳感器APS。上一頁(yè)下一頁(yè)返回81CMOS主要特點(diǎn)：成像質(zhì)量略低；耗電低；成本低8.4圖像傳感器

8.4.2CMOS圖像傳感器PPS信噪比低、成像質(zhì)量差，目前應(yīng)用的CMOS圖像傳感器多采用APS結(jié)構(gòu)。電荷不需要像CCD器件那樣經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)距離移位到達(dá)輸出放大器，因此避免了所有與電荷轉(zhuǎn)移有關(guān)的CCD器件的缺陷。由于每個(gè)放大器僅在讀出期間被激發(fā)，將經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的信號(hào)在像素內(nèi)放大，然后用X-Y地址方式讀出，提高了固體圖像傳感器的靈敏度。上一頁(yè)下一頁(yè)返回828.4圖像傳感器

CCD、CMOS只能響應(yīng)光強(qiáng)，如何處理彩色？CCD、CMOS響應(yīng)的是光強(qiáng)，難以做到波長(zhǎng)選擇；一個(gè)像素點(diǎn)上集成三個(gè)帶濾鏡的感光元件工藝要求太高?？逻_(dá)的BryceBayer（拜耳）想出了這種方式：用一個(gè)RGB濾波陣列，每個(gè)濾光點(diǎn)只能透射一種顏色，并使各個(gè)顏色的濾光點(diǎn)與下層像素點(diǎn)一一對(duì)應(yīng)：紅綠藍(lán)的濾光片比例是1:2:1，因此也稱RGBG838.4圖像傳感器

CCD、CMOS只能響應(yīng)光強(qiáng)，如何處理彩色？一束白光透射后，可以得到三組成像結(jié)果：上一頁(yè)下一頁(yè)返回848.4圖像傳感器

CCD、CMOS只能響應(yīng)光強(qiáng)，如何處理彩色？景象：85濾鏡后生成的灰度圖：代入紅綠藍(lán)強(qiáng)度之后：猜色（插值算法）：8.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用圖像傳感器在測(cè)量中的主要作用是獲取被測(cè)物的圖像信息。被測(cè)物輻射出的光，或者光源發(fā)出的光經(jīng)被測(cè)物反射后投射到光敏感元件上光敏元件收集入射光所產(chǎn)生的光電荷，不同顏色(頻率和波長(zhǎng)不同)或不同強(qiáng)度的入射光產(chǎn)生所產(chǎn)生的電荷量大小不一樣后端電路將電荷信號(hào)放大成模擬電壓信號(hào)，并量化成數(shù)字信號(hào)，從而生成數(shù)字圖像可以通過(guò)顯示設(shè)備顯示，或者送給計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)等功能。上一頁(yè)下一頁(yè)返回868.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用圖像傳感器在視覺(jué)檢測(cè)技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于以下幾個(gè)方面。1)工業(yè)檢測(cè)(1)零件的識(shí)別與定位，如用于自動(dòng)連接引線、對(duì)準(zhǔn)芯片和封裝、自動(dòng)安裝部件、自動(dòng)焊接或自動(dòng)切割加工、自動(dòng)澆注系統(tǒng)等。(2)零件尺寸的在線測(cè)量，如鋼板厚度的在線測(cè)量等。(3)零件外觀及內(nèi)部缺陷檢測(cè)，如對(duì)木料的體積或缺陷進(jìn)行檢測(cè)等。(4)產(chǎn)品分類、分組，如對(duì)蘋果分級(jí)、分色、配色等。(5)產(chǎn)品標(biāo)識(shí)、編碼識(shí)別，如商品條形碼、印鑒、標(biāo)簽等的識(shí)別。上一頁(yè)下一頁(yè)返回878.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用2)監(jiān)控、安防、交通管理與導(dǎo)航(1)交通，如車輛識(shí)別、牌照識(shí)別、車型判斷、車輛監(jiān)視、交通流量檢測(cè)、道路識(shí)別、障礙物判斷、主動(dòng)導(dǎo)航、自動(dòng)視覺(jué)導(dǎo)航等。(2)安全，如指紋判別與匹配、面孔與眼底識(shí)別、安全檢查(飛機(jī)、海關(guān))等。(3)監(jiān)視，如超市、商店防盜、銀行監(jiān)控，停車場(chǎng)、電梯閉路電視等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回888.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用3)辦公與家電(1)辦公設(shè)備，如數(shù)碼復(fù)印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)、繪圖儀等。(2)家用電器，如數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、可視電話、可視門鈴等。4)生物醫(yī)學(xué)圖像分析(1)醫(yī)學(xué)臨床診斷，如X射線、B超、CT,核磁共振等。還可以進(jìn)行染色體切片、癌細(xì)胞切片、超聲波圖像等自動(dòng)檢測(cè)。(2)生物圖像分析，如對(duì)形狀、組織切片、染色體配對(duì)、細(xì)菌、病毒、病原體外形尺寸檢測(cè)、顏色識(shí)別、表面損傷檢測(cè)以及組織分析。上一頁(yè)下一頁(yè)返回898.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用5)遙感圖像分析如氣象衛(wèi)星利用紅外線拍攝獲取云圖的遙感圖像，可以對(duì)氣象狀況進(jìn)行分析;資源衛(wèi)星對(duì)地質(zhì)、礦藏、森林、災(zāi)害等進(jìn)行多光譜成像;海洋衛(wèi)星對(duì)海洋、海浪、海灘進(jìn)行合成孔徑雷達(dá)成像等。6)軍事與國(guó)防無(wú)人駕駛汽車、無(wú)人駕駛飛機(jī)、無(wú)人戰(zhàn)車、探測(cè)機(jī)器人、超低空雷達(dá)、超視距雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈導(dǎo)航、地形匹配、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)遙測(cè)、夜視儀、聲納成像等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回908.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用在人的感覺(jué)中，大部分的外界信息來(lái)自于視覺(jué)的感知，而對(duì)于機(jī)器，視覺(jué)也是必不可少的。機(jī)器視覺(jué)是機(jī)器在與對(duì)象物相隔一定距離時(shí)獲得的該物體的圖像信息。機(jī)器視覺(jué)傳感器的工作過(guò)程可分為4個(gè)主要步驟:視覺(jué)檢測(cè)、圖像處理、圖像描述、圖像識(shí)別。上一頁(yè)下一頁(yè)返回918.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用圖像傳感器在機(jī)器視覺(jué)檢測(cè)中的具體應(yīng)用：1)工件尺寸測(cè)量線型CCD傳感器測(cè)量物體尺寸。假設(shè)物距與像距分別為a和b，p和n分別為像素間距和像素?cái)?shù)，光學(xué)成像倍率為M。由幾何光學(xué)可知，被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度L與系統(tǒng)參數(shù)間的關(guān)系為上一頁(yè)下一頁(yè)返回928.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用2)物體在線檢測(cè)利用圖像傳感器對(duì)生產(chǎn)線上的被測(cè)物進(jìn)行在線檢測(cè)。每當(dāng)有玻璃瓶經(jīng)過(guò)觀測(cè)點(diǎn)時(shí)，計(jì)算機(jī)獲取一個(gè)脈沖信號(hào)，同時(shí)對(duì)攝像頭發(fā)出指令，采集一幀圖像。計(jì)算機(jī)對(duì)采集到的圖像進(jìn)行處理、分析，完成測(cè)量。上一頁(yè)下一頁(yè)返回938.4圖像傳感器

8.4.3應(yīng)用3)機(jī)器人視覺(jué)檢測(cè)兩個(gè)光源從不同方向向傳送帶發(fā)送兩條水平縫隙光，預(yù)先把兩條縫隙光調(diào)整到剛好在傳送帶上重合的位置。當(dāng)傳送帶上沒(méi)有零件時(shí)，縫隙光合成了一條直線。當(dāng)零件隨傳送帶通過(guò)縫隙光處時(shí)，縫隙光變成兩條線，其分開的距離與零件的厚度成正比。在對(duì)視覺(jué)圖像分析處理的基礎(chǔ)上，確定零件的類型、位置與取向，此信息送入機(jī)器臂控制器，從而機(jī)器臂可以完成對(duì)零件的準(zhǔn)確跟蹤和抓取。上一頁(yè)返回948.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理光纖傳感器是利用光在光纖中傳播特性的變化來(lái)測(cè)量它所受環(huán)境的變化。用被測(cè)量的變化調(diào)制波導(dǎo)中的光波，使光纖中的光波參量隨被測(cè)量而變化，從而得到被測(cè)信號(hào)大小。下一頁(yè)返回958.5光纖傳感器

8.4.3應(yīng)用光纖傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)。(1)性能好、耐腐蝕、抗電磁干擾能力強(qiáng)，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。(2)靈敏度高、精度高、質(zhì)量輕、體積小。(3)便于利用光通信電路進(jìn)行遠(yuǎn)距離測(cè)量，容易構(gòu)成分布式測(cè)量系統(tǒng)。(4)光纖細(xì)、可撓曲，可以進(jìn)入設(shè)備內(nèi)部或人體內(nèi)臟進(jìn)行測(cè)量。光纖傳感器主要應(yīng)用于通信領(lǐng)域，應(yīng)用范圍遍布軍事、民用、商業(yè)、醫(yī)學(xué)、工業(yè)控制等?？捎脕?lái)測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)、核輻射、生物醫(yī)學(xué)量、化學(xué)量等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回968.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理光纖是用光透射率高的電介質(zhì)(如石英、玻璃、塑料等)構(gòu)成的光通路。它是由折射率n1較大(光密介質(zhì))的纖芯和折射率n2較小(光疏介質(zhì))的包層構(gòu)成的雙層同心圓柱結(jié)構(gòu)。光纖傳光原理的基礎(chǔ)是光的全反射現(xiàn)象。97根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)一束光線以一定的入射角θ1從介質(zhì)1射到介質(zhì)2的分界面上時(shí)，一部分光線反射回原介質(zhì);另一部分光線則發(fā)生折射，透過(guò)分界面，在另一介質(zhì)內(nèi)繼續(xù)傳播。依據(jù)光的折射和反射定律，有n1sinθ1

=n2sinθ2

(8-7)增大入射角時(shí)，進(jìn)入介質(zhì)2的折射光與分界面的夾角將相應(yīng)減小，當(dāng)入射角達(dá)到某一極限值時(shí)，折射光線只能在介質(zhì)分界面上傳播，該入射角定義為臨界角θc。當(dāng)入射角大于θc時(shí)，入射光線將發(fā)生全反射。此時(shí)

(8-8)上一頁(yè)下一頁(yè)返回988.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理因此，當(dāng)θ1>θc時(shí)，光線將不再折射入介質(zhì)2，而在介質(zhì)(纖芯)內(nèi)產(chǎn)生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)全反射的臨界角為(8-9)上一頁(yè)下一頁(yè)返回998.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理光纖傳感器將光纖自身作為敏感元件(也稱作測(cè)量臂)，直接接收外界的被測(cè)量。被測(cè)量可引起光纖的長(zhǎng)度、折射率、直徑等方面的變化，從而使得在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獗徽{(diào)制。光可以被調(diào)制的參數(shù)有4個(gè)：振幅(強(qiáng)度)、相位、波長(zhǎng)和偏振方向。在選用光纖時(shí)，通常應(yīng)考慮光纖的數(shù)值孔徑、傳輸損耗和色散等特性和參數(shù)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1008.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理1)光纖的數(shù)值孔徑光纖的數(shù)值孔徑用NA來(lái)表示，表達(dá)式如下

(8-10)光纖的數(shù)值孔徑是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。NA越大，光纖集光能力越強(qiáng)。大的數(shù)值孔徑(通常取0.2≤NA≤0.4)，以利于藕合效率的提高但數(shù)值孔徑越大，光信號(hào)畸變就越嚴(yán)重，所以要適當(dāng)選擇。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1018.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理2)光纖模式光纖模式就是光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式。光的波動(dòng)理淪認(rèn)為，在給定的光導(dǎo)纖維中，光纖只是以某些角度入射時(shí)，所傳播的光才會(huì)發(fā)生全反射，以不同角度入射的光線，在界面上的反射次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布叫做模式。根據(jù)光纖模式的不同可分為單模光纖和多模光纖。在光導(dǎo)纖維中單一信號(hào)多模式傳播對(duì)信息的傳播不利，會(huì)使這一信號(hào)分為不同時(shí)間到達(dá)接收端的多個(gè)信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1028.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量可以簡(jiǎn)單表示為

(8-11)式中d—光纖芯直徑;

λ0

—波長(zhǎng)。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1038.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理單模光纖只能傳輸一種模式，纖芯直徑僅為幾微米，接近波長(zhǎng)。單模光纖的優(yōu)點(diǎn)是信號(hào)畸變小、線性度好、靈敏度高，沒(méi)有模式色散，可利用波導(dǎo)色散抵消材料色散，以得到零色散，信息容量極大，可進(jìn)行理論預(yù)測(cè)，可利用光的相位等。但由于纖芯較小，制造、連接、藕合較困難，因而使用不便。多模光纖直徑較大，能傳輸多種模式，甚至幾百到幾千個(gè)模式，纖芯直徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)。多模光纖由于模式色散的存在，從理論上難以預(yù)測(cè)其特性，信息容量小，用于傳感器時(shí)則存在不能利用光的相位等限制。由于纖芯面積較大，芯徑大至為100μm，所以光纖的制造、連接、光纖相互之間的藕合以及與光源之間的藕合都比較容易，使用方便，但性能較差。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1048.5光纖傳感器

8.5.2分類及應(yīng)用3)光纖傳輸損耗光信號(hào)在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。設(shè)光纖入射端與出射端的光功率分別為Pi和Po，光纖長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)。則光纖的損耗α(dB/km)可用下式計(jì)算。(8-12)光纖損耗歸結(jié)為吸收損耗和散射損耗。吸收作用使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光能量的損失。散射損耗是由于光纖缺陷引起的。光導(dǎo)纖維的彎曲也會(huì)造成散射損耗，彎曲半徑越小，造成的損耗越大。上一頁(yè)下一頁(yè)返回1058.5光纖傳感器

8.5.1結(jié)構(gòu)和工作原理4)色散色散是輸入脈沖在光纖傳輸過(guò)程中，由于光波的群速度不同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。光纖色散使傳輸?shù)男盘?hào)脈沖發(fā)生畸變，從而限制了光纖的傳輸帶寬，關(guān)系到通信信息的容量和品質(zhì)。光纖的色散可以分為材料色散、波導(dǎo)色散和多模色散材料色散。材料的折射率隨光波長(zhǎng)短的變化而變化，這使光信號(hào)中各波長(zhǎng)分量的光的群速度不同，故又稱折射率色散。波導(dǎo)色散。由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不同，某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)隨著信號(hào)角頻率變化而引起色散，有時(shí)也稱為結(jié)構(gòu)色散。多模色散。在多模光纖中，由于各個(gè)模式在同一角頻率下的傳播常數(shù)不同、群速度不同而產(chǎn)生的色散。上一頁(yè)下