檢測(cè)與傳感第八章

第一頁，共三十九頁，2022年，8月28日上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)第八章光電式傳感器1.光電池：基于內(nèi)光電效應(yīng)原理（光生伏特效應(yīng)）從光譜特性、頻率特性來綜合分析選用的光電池類型，半導(dǎo)體材料。3.電荷耦合器件（CCD）4.位置敏感器件(PSD)——坐標(biāo)光電池通過測(cè)量輸入輸出電流，計(jì)算入射光的位置一維：設(shè)置一對(duì)信號(hào)電極，一個(gè)公共電極，求解入射光的位置二維：設(shè)置相互垂直的兩對(duì)信號(hào)電極，聯(lián)立求解位置2.光電耦合器件將發(fā)光元件和光電接收元件結(jié)合的器件（以光為媒質(zhì)，耦合）光電隔離：發(fā)光二極管和光敏二極管、發(fā)光二極管和光敏晶體管光電開關(guān)：透射式、反射式基本單元是MOS光敏元?jiǎng)葳鍍?nèi)所吸收的光電子數(shù)量與入射光強(qiáng)成正比的原理，感應(yīng)出入射圖像，主要用于圖像識(shí)別技術(shù)第二頁，共三十九頁，2022年，8月28日上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)5.光纖石英系光纖塑料系光纖（1）定義（2）分類（3）特點(diǎn)頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能可靠、溫度影響小、成本低光傳導(dǎo)工具第三頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光纖由纖芯、包層和保護(hù)層三層組成。二.光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理1.光纖的結(jié)構(gòu)

中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1要大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度。第四頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光在空間是直線傳播的；在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，其基本原理就是基于光的全反射。（?只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象）2.傳光原理

當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成θi角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后,又以φi角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。但當(dāng)入射角θi小于臨界入射角θc時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。（1）傳輸路徑分析第五頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光在兩個(gè)界面上發(fā)生了折射，由光的折射定律可得到兩個(gè)方程：（2）光的全反射條件第六頁，共三十九頁，2022年，8月28日當(dāng)φ′=φc=90°時(shí)，有即：（為臨界角）第七頁，共三十九頁，2022年，8月28日一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣上式可表示為

若要使光在光纖內(nèi)的全反射，光入射到光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足即當(dāng)入射角即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無損耗）傳輸。第八頁，共三十九頁，2022年，8月28日三.光纖的基本特性1.數(shù)值孔徑NA

數(shù)值孔徑是表征光纖集光（聚焦）本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2θc的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。因此，由NA即可得知有效入射光椎角的范圍。光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率；但數(shù)值孔徑過大，光信號(hào)畸變會(huì)增大。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.2~0.4。數(shù)值孔徑（NA）定義為第九頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）按傳輸模式分：?jiǎn)文９饫w、多模光纖2.光纖分類

對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播模式太多會(huì)不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。第十頁，共三十九頁，2022年，8月28日只能傳輸一種模式稱為單模光纖這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。

傳輸模式較多稱為多模光纖

這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。

芯徑大到50~100μm，多模芯徑小到2~12μm，光纖只能傳輸一定波長(zhǎng)光，單模第十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日第十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）按折射率分布：階躍型、漸變型第十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日

總結(jié)上述兩種分類形式，實(shí)用的石英光纖（SiO2）主要有三種基本類型：

突變型多模光纖（Step-IndexFiber,SIF）漸變型多模光纖（Graded-IndexFiber,GIF）單模光纖（Single-ModeFiber,SMF）相對(duì)于單模光纖而言，突變型光纖和漸變型光纖的纖芯直徑都很大，可以容納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光纖。第十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日三種基本類型的光纖(a)突變型多模光纖；(b)漸變型多模光纖；（c）單模光纖第十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日3.光纖傳輸損耗損耗的存在光信號(hào)幅度減小限制系統(tǒng)的傳輸距離

一般情況下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)墓夤β孰S距離變化。設(shè)長(zhǎng)度為L(zhǎng)(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率為P0，則損耗系數(shù)α（單位dB/km）為衡量光纖的損耗可用損耗系數(shù)α表示。第十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日

材料密度及濃度不均勻（這種散射與波長(zhǎng)的四次方成反比。因此散射隨著波長(zhǎng)的縮短而迅速增大。所以可見光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ?，在近紅外波段（1~1.7μm）有最小的傳輸損耗。）（1）散射損耗光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻纖芯和包層界面的不光滑等瑞利散射損耗是光纖的固有損耗，它決定著光纖損耗的最低理論極限。結(jié)構(gòu)缺陷（瑞利(Rayleigh)散射）

光纖傳輸損耗主要來源于材料散射損耗、吸收損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗。第十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于10cm時(shí)，損耗可忽略不計(jì)。（3）光波導(dǎo)彎曲損耗

目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料的吸收損耗。（由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的）（2）吸收損耗第十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日單模光纖損耗譜，示出各種損耗機(jī)理第十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日

因此，光纖總損耗α與波長(zhǎng)λ的關(guān)系可以表示為：α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A為瑞利散射系數(shù)，B為結(jié)構(gòu)缺陷散射產(chǎn)生的損耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分別為雜質(zhì)吸收、紅外吸收和紫外吸收產(chǎn)生的損耗。第二十頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光纖損耗譜(a)三種實(shí)用光纖；(b)優(yōu)質(zhì)單模光纖多模突變型光纖(SIF)、漸變型光纖(GIF)、單模(SMF)光纖常見光纖的損耗比較圖第二十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日四.光纜

為了保證光纖具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，通常是采用塑料被覆和應(yīng)力篩選。光纖從高溫拉制出來后，要立即用軟塑料進(jìn)行一次被覆和應(yīng)力篩選，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用硬塑料進(jìn)行二次被覆。1.光纜基本要求(a)緊套；(b)松套；(c)大套管；(d)帶狀線

二次被覆光纖有緊套、松套、大套管和帶狀線光纖四種，見下圖。第二十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日

光纜一般由纜芯和護(hù)套兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。（1）纜芯纜芯通常包括被覆光纖(或稱芯線)和加強(qiáng)件兩部分。

被覆光纖是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。

加強(qiáng)件起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。2.光纜結(jié)構(gòu)和類型第二十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日光纜的基本型式層絞式

把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。骨架式

把被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。

中心束管式

把被覆光纖或光纖束放入大套管中，加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。根據(jù)使用條件光纜可以分為：

室內(nèi)光纜、架空光纜、埋地光纜和管道光纜等。特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的架空地線復(fù)合光纜(OPGW)，跨越海洋的海底光纜，易燃易爆環(huán)境使用的阻燃光纜以及各種不同條件下使用的軍用光纜等。第二十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日光纜類型的典型實(shí)例

(a)6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b)12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c)12芯骨架式光纜(直埋)；(d)6~48芯束管式光纜(直埋)；(e)108芯帶狀光纜；(f)LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g)淺海光纜；(h)架空地線復(fù)合光纜(OPGW)第二十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日

護(hù)套起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。

（2）護(hù)套第二十六頁，共三十九頁，2022年，8月28日1.光纖傳感器的工作原理及組成五.光纖傳感器

光纖傳感器原理實(shí)際上是研究外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動(dòng)、電場(chǎng)等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。

外界信號(hào)可能引起光的光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。強(qiáng)度波長(zhǎng)頻率相位偏振態(tài)第二十七頁，共三十九頁，2022年，8月28日非功能型光纖傳感器（傳光型）

光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率，主要用于光通訊。非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖，增大傳輸光的通量。

用單模光纖，既傳光又是敏感元件。光纖的傳輸特性受被測(cè)物的物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振態(tài)）被調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。測(cè)溫度、壓力、位移等。功能型光纖傳感器（傳感型）光纖傳感器通?？煞譃椋?/p>

在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測(cè)器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)。第二十八頁，共三十九頁，2022年，8月28日（a）傳感型；（b）傳光型

光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖）、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖。

由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。第二十九頁，共三十九頁，2022年，8月28日（1）高溫比色溫度儀式中，K1，K2

為與

1、

2

有關(guān)的常數(shù)。物體在兩個(gè)特定波長(zhǎng)1、2

上的輻射強(qiáng)度、之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系只要測(cè)出與之比，就可算得出物體的溫度T。1.光電池的應(yīng)用應(yīng)用一.光電器件第三十頁，共三十九頁，2022年，8月28日可以使用光電池制作非接觸測(cè)溫的高溫比色溫度儀。1—高溫物體2—物鏡3—半反半透鏡4—反射鏡5—目鏡6—觀察者的眼睛7—光闌8—光導(dǎo)棒9—分光鏡10、12—濾光片11、13—硅光電池14、15—電流/電壓轉(zhuǎn)換器

測(cè)溫原理：

第三十一頁，共三十九頁，2022年，8月28日比色溫度計(jì)實(shí)物圖第三十二頁，共三十九頁，2022年，8月28日（2）光電比色計(jì)

1——光源，2——透鏡，3——濾色片，4——標(biāo)準(zhǔn)樣品，5——被測(cè)樣品，6、7——光電池，8——差動(dòng)放大器，9——指示儀表。

利用光電池作檢測(cè)器，來測(cè)量通過有色溶液后透射光的強(qiáng)度，從而求出被測(cè)物質(zhì)含量的方法叫做光電比色法?；诖硕O(shè)計(jì)的儀器叫做光電比色計(jì)。第三十三頁，共三十九頁，2022年，8月28日

由于燃?xì)馐且兹肌⒁妆瑲怏w，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。為此電路中有這樣一個(gè)功能，即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花，才可以打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉，這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩浴?/p>

2.光電耦合器的應(yīng)用（燃?xì)馄骶咧械拿}沖點(diǎn)火控制器）第三十四頁，共三十九頁，2022年，8月28日

在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)1萬多伏，這個(gè)脈沖高電壓對(duì)電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進(jìn)行電平隔離，大大增加了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對(duì)打火確認(rèn)針放電時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)V1、V2、V3放大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。若高壓打火針與打火確認(rèn)針之間不放電，則光電耦合器不工作，V1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖電磁閥里有密閉的腔，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來開啟或關(guān)閉底部的進(jìn)氣孔第三十五頁，共三十九頁，2022年，8月28日

3.CCD圖像傳感器應(yīng)用（工件尺寸檢測(cè)）CCD圖像傳感器工件尺寸檢測(cè)系統(tǒng)根據(jù)光學(xué)幾何原理，