傳感器與檢測技術(shù)光電式傳感器解讀課件

第七章光電式傳感器整理課件組成光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路、光電器件組成。工作原理首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。被測量通過對輻射源或者光學(xué)通路的影響將待測信息調(diào)制到光波上，通過改變光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和頻譜分布等，由光電器件將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。電信號經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測量信息，實(shí)現(xiàn)測量。整理課件特點(diǎn)頻譜寬不受電磁干擾的影響非接觸測量高精度、高分辨力、高可靠性反應(yīng)快應(yīng)用檢測、控制領(lǐng)域整理課件第一節(jié)光源光源是光電式傳感器的重要組成部分。選擇光源要考慮哪些因素？波長譜分布相干性體積造價(jià)功率整理課件常見的光源有哪幾類？自然光源－－太陽光天空光人工光源－－熱輻射光源氣體放電光源激光器電致發(fā)光器件整理課件一、熱輻射光源什么是熱輻射光源？熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。哪些光源屬于熱輻射光源？白熾燈鹵鎢燈熱輻射光源的峰值波長與什么有關(guān)？物體溫度越高，輻射能量越大，波長越短。整理課件熱輻射光源有哪些特點(diǎn)？輸出功率大響應(yīng)速度慢，調(diào)制頻率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脈沖調(diào)制。白熾燈為可見光源，峰值波長在近紅外區(qū)域，可用作近紅外光源。整理課件二、氣體放電光源什么是氣體放電光源？電流通過氣體會產(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。氣體放電光源的光譜與什么有關(guān)？其光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。哪些光源屬于氣體放電光源？低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈統(tǒng)稱為光譜燈，常用作單色光源。還有氙燈。整理課件三、電致發(fā)光器件－－發(fā)光二極管什么是電致發(fā)光器件？固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件。哪些器件屬于電致發(fā)光器件？主要有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、電致發(fā)光屏等。整理課件發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比，這個電流約在幾十毫安之內(nèi)，太大會引起輸出光強(qiáng)飽和，甚至損壞器件，使用時(shí)常串連一電阻。電極控制層N型半導(dǎo)體電極絕緣層P型半導(dǎo)體整理課件發(fā)光二極管有哪些優(yōu)點(diǎn)？體積小壽命長工作電壓低響應(yīng)速度快發(fā)熱小整理課件四、激光器激光器laser，是“光受激輻射放大”的縮寫，即lightamplificationbystimulatedemissionofradiation.某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能量，從低能級躍遷到高能級上，如果處于高能級的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(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。整理課件激光器有哪些優(yōu)點(diǎn)？單色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪幾種？固體激光器（紅寶石）氣體激光器（He-Ne）,（CO2，遠(yuǎn)紅外光源）半導(dǎo)體激光器（體積小，能量高，電源簡單）液體激光器整理課件第二節(jié)光電器件光電器件的作用是將光信號變?yōu)殡娦盘枴２煌N類的光電傳感器，對光電器件在靈敏度、動態(tài)特性、頻譜接收能力等方面的要求也不相同。光電器件按探測原理可分為：熱探測型和光子探測型。整理課件一、熱探測器熱探測型器件首先將光信號的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，再利用器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。它是基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的傳感器。探測器對波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有關(guān)，尤其適用于紅外探測。種類有：測輻射的熱電偶、測輻射的熱敏電阻、熱釋電探測器等。熱釋電傳感器可用于防火、防盜裝置，光譜儀，紅外測溫儀，熱象儀，紅外遙感技術(shù)等中。整理課件二、光子探測器光子探測型器件基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子。這類器件有一定的截止波長，但響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為廣泛。什么是光電效應(yīng)？光是由光子組成的，其能量和頻率關(guān)系為

E=hf光照在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體，如果光子能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部電子在吸收光子后就會擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出，也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過程，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。整理課件是不是光的強(qiáng)度越大激發(fā)的導(dǎo)電電子越多，為什么？光子探測器有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光，當(dāng)光的頻率低于某一閾值時(shí)，光的強(qiáng)度再大也不能激發(fā)導(dǎo)電電子。目前常用的光子探測型器件有哪幾種？光電發(fā)射型探測器光電導(dǎo)型探測器光電結(jié)型探測器光生伏特型探測器整理課件（一）光電發(fā)射型探測器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)，用這種原理制成的光電器件稱為光電發(fā)射型探測器。主要有：真空光電管和光電倍增管概念紅限臨界波長＝hc/A0整理課件圖7-3真空光電管的結(jié)構(gòu)及外接電路a)結(jié)構(gòu)b)外接電路圖7-4光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖整理課件它在光電陰極和陽極之間又增加了若干個光電倍增極，這些倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。當(dāng)有入射光照射時(shí)，陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射。這樣，在陰極和陽極間的電場作用下，逐級產(chǎn)生二次電子發(fā)射，電子數(shù)量迅速遞增。典型的倍增管一般有10個左右的倍增極，相鄰極之間加有200~400V的電壓，陰極和陽極間的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為105左右，它的上升沿時(shí)間可達(dá)2ns，探測光譜為0.2~1.0mm之間。光電倍增管的噪聲主要來源于陰極發(fā)射和倍增過程中的統(tǒng)計(jì)噪聲、以及熱發(fā)射產(chǎn)生的暗電流。由于光電倍增管的高增益，它們可用于探測單個的光子，也就是所說的光子探測模式。整理課件整理課件光電管的特性包括：光電特性（I-Φ）、伏安特性（I-U）、光譜特性（I-λ）等圖7-5光電管的特性a)光電倍增管的光電特性b)光電倍增管的伏安特性c)光電管的光譜特性Ⅰ-銫氧銀陰極Ⅱ-銻化銀陰極Ⅲ-人的視覺光譜特性整理課件（二）光電導(dǎo)型探測器半導(dǎo)體材料在光線作用下，其電阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，基于光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為光敏電阻，也叫光導(dǎo)管。特點(diǎn)：靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和振動，壽命長。純電阻元件，無源器件，有電流通過時(shí)，會產(chǎn)生熱的問題。電路簡單。適用于紅外探測。整理課件（三）光電結(jié)型探測器與光電導(dǎo)型工作原理相似，利用光子引起的電子躍遷將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺皇枪庹丈湓诎雽?dǎo)體結(jié)上而已，。主要有：光電二極管和光電三極管。整理課件圖7-7光敏管結(jié)構(gòu)及其符號a)光敏二極管b)光敏三極管c)光敏場效應(yīng)三極管整理課件（四）光生伏特型探測器是一種自發(fā)電式的有源器件。這種半導(dǎo)體器件受到光照射時(shí)就產(chǎn)生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。這種因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)。用可見光作光源的光電池是最常用的光生伏特型元件，如硅光電池。太陽能電池優(yōu)點(diǎn)：輕便、簡單、不會產(chǎn)生氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境?？捎糜谟钪骘w行器的各種儀表電源。整理課件圖7-8硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號

整理課件半導(dǎo)體光電器件的特性包括：光電特性、伏安特性、光譜特性、頻率特性、溫度特性等圖7-10半導(dǎo)體光電器件的光電特性a）硒光敏電阻的光電特性b）光敏晶體管的光電特性c）硅光電池的光電特性整理課件圖7-11半導(dǎo)體光電器件的伏安特性a）光敏電阻的伏安特性

b）鍺光敏晶體管的伏安特性

c）硅光電池的伏安特性

整理課件圖7-12半導(dǎo)體光電材料的光譜特性a）光敏電阻的光譜特性

b）光敏管和光電池的光譜特性

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圖7-13半導(dǎo)體光電器件的頻率特性a）光敏電阻和光電池的頻率特性

b）光敏晶體管的頻率特性

整理課件圖7-14半導(dǎo)體光電器件的溫度特性a）鍺光敏晶體管的溫度特性b）硅光電池的溫度特性整理課件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件電荷耦合器件（Charge-CoupledDevices）是70年代發(fā)展起來的一種新型器件。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。應(yīng)用領(lǐng)域：攝像機(jī)、廣播電視、可視電話、傳真、自動檢測、控制、軍事、醫(yī)學(xué)、天文、遙感。車身檢測、鋼管檢測、芯片檢測、指紋檢測、虹膜檢測、顯微鏡改造、工件尺寸及缺陷檢測、對刀儀、復(fù)雜形貌測量等。整理課件優(yōu)點(diǎn)固體化、體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長圖像畸變小、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量精度，具有較高分辨力自掃描，具有較高的光電靈敏度和較大的動態(tài)范圍視頻信號便于與微機(jī)接口整理課件它是在半導(dǎo)體基片上（如P型硅）生長一種具有介質(zhì)作用的氧化物（如二氧化硅），又在其上沉積一層金屬電極，形成了金屬–氧化物–半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元（MOS）。當(dāng)在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，在電場的作用下，電極下的P型硅區(qū)域里的空穴被趕盡，從而形成一個耗盡區(qū)，也就是說，對帶負(fù)電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域，稱為勢阱。如果此時(shí)有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就會產(chǎn)生電子和空穴，光生電子被附近的勢阱所俘獲，而同時(shí)光生空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時(shí)勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。人們稱這樣一個MOS結(jié)構(gòu)元為MOS光敏元或叫做一個象素，把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。（一）MOS光敏單元圖7-9是MOS光敏元的結(jié)構(gòu)原理圖。整理課件通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個相互獨(dú)立的MOS光敏元，若在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾百個或幾千個相互獨(dú)立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。（二）讀出移位寄存器讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路。下圖是讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)原理圖。它也是MOS結(jié)構(gòu)，亦即由金屬電極、氧化物和半導(dǎo)體三部分組成。整理課件（二）讀出移位寄存器整理課件（二）讀出移位寄存器它由三組（也有二組、四組等）鄰近的電極組成一個耦合單元（亦即傳輸單元），在這三個電極上分別施加脈沖波φ1、φ2、φ3，如圖7-10b所示。在t1時(shí)刻,第一相時(shí)鐘φ1處于高電平，φ2、φ3處于低電平。這時(shí)第一組電極下形成深勢阱，信息電荷存貯其中。在t2時(shí)刻,φ1、φ2處于高電平,φ3處于低電平，電極φ1、φ2下都形成勢阱。由于兩個電極靠得很近，電荷就從φ1電極下耦合到φ2電極下。t3時(shí)刻，φ1電壓減小，φ2處的電壓升高，在第一組電極下的勢阱減小，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移。直到t4，φ2為高壓，φ1、φ3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電極下面。至此信息電荷轉(zhuǎn)移了一位。經(jīng)過同樣的過程，t5時(shí)刻，電荷又耦合到φ3電極下，t6時(shí)刻，電荷就轉(zhuǎn)移到下一位的φ1電極下，這樣，在三相脈沖的控制下，信息電荷不斷向右轉(zhuǎn)移，直到最后位依次不斷地向外輸出。電荷的輸出，通常采用反偏壓輸出二極管所形成的深勢阱把信息電荷收集并送入前置放大器。根據(jù)輸出先后可以辨別出電荷是從哪位光敏元來的，并根據(jù)輸出電荷量，可知該光敏元受光的強(qiáng)弱。無光照處則無光生電荷。整理課件整理課件整理課件（二）面陣電荷耦合攝像器件圖7-18各脈沖波形和相位

圖7-19場轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件

整理課件整理課件三、CCD應(yīng)用舉例尺寸測量圖7-20工件尺寸測量系統(tǒng)

整理課件整理課件物體缺陷檢測圖7-21鈔票檢查系統(tǒng)原理圖整理課件四、位置敏感器(PSD）位置敏感器件（PositionSensitiveDetector）是一種對其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的器件，也稱為坐標(biāo)光電池。PSD一般為PIN結(jié)構(gòu)?；跈M向光電效應(yīng)而工作。圖7-22PSD的基本結(jié)構(gòu)整理課件整理課件光電傳感器的應(yīng)用一、光電耦合器

光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂1.光電耦合器的結(jié)構(gòu)采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏二極管對準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。整理課件2.光電耦合器的組合形式光電耦合器的組合形式有多種，如下圖所示。

(a)(b)(c)(d)光電耦合器的組合形式該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。整理課件平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖煙道整理課件二、光電轉(zhuǎn)速傳感器2312

31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。整理課件三、光電池應(yīng)用

光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。整理課件將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測和自動控制系統(tǒng)中。

光電池應(yīng)用舉例如下：整理課件1．太陽電池電源

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負(fù)載太陽電池方陣直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)阻塞二極管整理課件2．光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用光電池作為光電探測使用時(shí)，其基本原理與光敏二極管相同，但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造工藝不完全相同。由于光電池工作時(shí)不需要外加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高，光譜范圍寬，頻率特性好，噪聲低等，它已廣泛地用于光電讀出、光電耦合、光柵測距、激光準(zhǔn)直、電影還音、紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝置等。整理課件(a)光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2圖(a)為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同時(shí)，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí)，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路整理課件BG2BG1+12VC

J

R1

R2(b)光電開關(guān)圖(b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時(shí)，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時(shí)，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。整理課件+12V5G23(c)光電池放大電路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432圖(c)為光電池放大電路。在測量溶液濃度、物體色度、紙張的灰度等場合，可用該電路作前置級，把微弱光電信號進(jìn)行線性放大，然后帶動指示機(jī)構(gòu)或二次儀表進(jìn)行讀數(shù)或記錄。

在實(shí)際應(yīng)用中，主要利用光電池的光照特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本電路與其它電子線路的組合可實(shí)現(xiàn)或自動控制的目的。整理課件

第三節(jié)光纖傳感器光纖傳感器是七十年代發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)，與常規(guī)傳感器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)：①抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由電絕緣材料做成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很難進(jìn)入光纖。②光纖直徑只有幾微米到幾百微米。而且光纖柔軟性好，可深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測。

③光纖集傳感與信號傳輸于一體，利用它很容易構(gòu)成分布式傳感測量。整理課件

光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)突出，發(fā)展極快。自1977年以來，已研制出多種光纖傳感器，被測量遍及位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、振動、水聲、溫度、電流、電壓、磁場和化學(xué)物質(zhì)等。新的傳感原理及應(yīng)用正在不斷涌現(xiàn)和擴(kuò)大。整理課件光纖傳感器在易燃易爆場合的應(yīng)用控制室光纖各類油罐參數(shù)檢測壓力容器參數(shù)檢測核工業(yè)環(huán)境參數(shù)檢測煤礦中CH4等參數(shù)檢測整理課件光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場干擾場合的應(yīng)用控制室光纖高壓變壓器高壓電動機(jī)強(qiáng)電磁干擾電氣設(shè)備微波設(shè)備整理課件一、光纖傳感器的基本知識光纖是一種傳輸光的細(xì)絲，它能夠?qū)⑦M(jìn)入光纖一端的光線傳到光纖的另一端。通常光纖由兩層光學(xué)性質(zhì)不同的材料組成，如圖所示。光纖的中間部分是導(dǎo)光的纖芯，纖芯的周圍是包層。包層的折射率n2略小于纖芯的折射率n1，它們的相對折射率差Δ（Δ=1-n2/n1）通常為0.005～0.140。光纖傳光的基礎(chǔ)是光的全內(nèi)反射。當(dāng)光線以入射角θ進(jìn)入光纖的端面時(shí)，在端面出發(fā)生折射，設(shè)折射角為θˊ，然后光線以φ角入射至纖芯與包層的界面。當(dāng)φ角大于纖芯與包層間的臨界角φc時(shí),即φ≥φc=arcsin(n2/n1)則射入的光線在光纖的界面上發(fā)生全反射，并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。整理課件實(shí)際工作時(shí)光纖可能彎曲，只要仍滿足全反射定律，光線仍繼續(xù)前進(jìn)。由于光纖具有一定柔軟性，很容易使光線“轉(zhuǎn)彎”，這給傳感器的設(shè)計(jì)帶來了極大的方便。

斯乃爾定理（Snell'sLaw）當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，如圖(a)，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。

n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為

n1sinθi=n2sinθr

整理課件根據(jù)斯乃爾折射定律，

n0sinθ=n1sinθ’=n1cosφ=n1(1-sin2φ)1/2

設(shè)當(dāng)φ達(dá)到臨界角φc時(shí)，由φ≥φc=arcsin(n2/n1)及n0sinθ=n1sinθ’=n1cosφ=n1(1-sin2φ)1/2可得：n0sinθc=(n12-n22)1/2整理課件可得：n0sinθc=(n12-n22)1/2式中n0sinθc是為光纖的數(shù)值孔徑，用NA表示。它表示當(dāng)入射光從折射率為n0

的外部介質(zhì)進(jìn)入光纖時(shí)，只有入射角小于θc的光才能在光纖中傳播。否則，光線會從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。NA是光纖的一個重要參數(shù)，NA值越大，光源到光纖的耦合效率越高。從構(gòu)成光纖的材料來看，除了玻璃光纖外還有塑料光纖，也有玻璃塑料混合光纖。整理課件光纖按其傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文９饫w和多模光纖兩類。光在纖芯中傳播就是電場和磁場在光纖中向前傳輸，可分解為沿軸向和徑向傳播的平面波，沿徑向傳播的平面波在纖芯和包層的界面上產(chǎn)生反射。如果此波在一個往復(fù)（相臨兩次反射）中相位變化為2π的整數(shù)倍，就能形成駐波。只有形成駐波的光才能在光纖中傳播，一個駐波就是一個模。在光纖中只能傳輸有限個模。例如，纖芯直徑為5μm時(shí)只能傳輸一個模，稱為單模光纖；纖芯直徑為50μm時(shí)就能傳輸多個模，稱為多模光纖。整理課件光纖按其中的折射率分布可分為階躍型光纖和梯度型光纖。階躍型是指纖芯和包層的折射率不連續(xù)的光纖，如圖7-16a所示。梯度型光纖如圖7-16b所示，在中心軸上折射率最大，沿徑向逐漸變小，界面處n1=n2。n1的分布大多按拋物線規(guī)律，其關(guān)系式n1=n(1-Ar2/2)采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，故也稱為自聚焦光纖。這種光纖頻帶寬、信號畸變小，工作時(shí)極易達(dá)到全反射，但制造較難。整理課件整理課件二、光纖傳感器按工作原理光纖傳感器分為功能型和非功能型兩大類。（一）功能型（或稱物性型、傳感型）光纖傳感器光纖在這類傳感器中不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測量的功能。因?yàn)楣饫w既是電光材料又是磁光材料，所以可以利用邁克爾效應(yīng)、法拉第效應(yīng)等，制成測量強(qiáng)電流、高電壓等傳感器；其次可利用光纖的傳輸特性把輸入量變?yōu)檎{(diào)制的光信號。因?yàn)楸碚鞴獠ㄌ匦缘膮⒘?，如振幅（光?qiáng)）、相位、和偏振態(tài)會隨著光纖的環(huán)境（如應(yīng)變、壓力、溫度、電場、射線等）而改變，故利用這些特性便可實(shí)現(xiàn)傳感測量。整理課件1．光強(qiáng)度調(diào)制型光強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最基本的調(diào)制形式。被測量通過影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)對輸出光強(qiáng)度的調(diào)制。從幾何光學(xué)的角度講，調(diào)制的條件是φ≤arcsin(n2/n1)式中φ:光線從纖芯到包層的入射角；n1、n2:分別為纖芯和包層的折射率。調(diào)制的具體途徑又可分為兩大類：①改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角φ；②改變光纖纖芯或者包層的折射率。整理課件圖7-27a為光纖彎曲時(shí)傳光特性示意圖?？梢?，在纖芯中傳輸?shù)墓庥幸徊糠竹詈系桨鼘又校瓉砉馐源笥谂R界角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在彎曲處，光束以小于臨界角arcsin

(n2/n1)的角度入射到界面，部分光逸出散射到包層。這種檢測原理可以實(shí)現(xiàn)對力、位移和壓強(qiáng)等物理量的測量。整理課件改變光纖折射率實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法也很常用，對于不同的測量對象可以采用不同的材料作包層，例如電光材料、磁光材料、光彈材料等，圖7-27b所示為光纖中光強(qiáng)被油滴所調(diào)制的情況。有一種光纖溫度傳感器就是利用纖芯和包層折射率的溫度系數(shù)不一致，實(shí)現(xiàn)對溫度的測量。整理課件2．光相位調(diào)制型光纖相位調(diào)制是光纖比較容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制形式，所有能夠影響光纖長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力的被測量都會引起相位變化，例如壓力、應(yīng)變、溫度和磁場等。相位調(diào)制型光纖傳感器比強(qiáng)度型復(fù)雜一些，一般采用干涉儀檢測相位的變化，因此，這類傳感器靈敏度非常高。常用的干涉儀有四種：邁克爾遜（Mich1son）、馬赫-琴特（Mach-Zehnder）、薩古納克（Sagnac）、法布里-珀羅（Fabry-perot）。它們的共同點(diǎn)是：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起，產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。整理課件圖7-28表示馬赫-琴特干涉儀原理圖。立方棱鏡把激光束一分為二，一束經(jīng)參考臂用布拉格調(diào)制器產(chǎn)生頻移或用光纖延伸器和集成光學(xué)相移器來調(diào)制相位，另一束用暴露于被測場中的信號光纖（或叫傳感光纖）來傳輸，兩束光在棱鏡處重新匯合，為光電器件接收。整理課件當(dāng)信號光纖周圍的溫度發(fā)生變化時(shí)，信號光纖會產(chǎn)生一定量的相移Δφ，相移Δφ的大小與信號光纖的長度L、折射率n和橫截面的變化有關(guān)，由于光纖直徑受溫度變化影響很小，可忽略。相移可以表示為：

Δφ/φ＝ΔL/L+Δn/n(7-14)式中：對于玻璃光纖，可見在此，△n起主要作用；整理課件（二）非功能型（或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型）光纖傳感器光纖在非功能型光纖傳感器中只作為傳光的介質(zhì)，還需加上其它敏感器件才能組成傳感器。非功能型傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠充分利用其它敏感器件和光纖本身的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快。1．光纖位移傳感器圖7-30a為反射式光纖位移傳感器原理圖。整理課件從發(fā)射光纖出射的光經(jīng)被測物表面直接或間接反射后，由接收光纖傳到光電器件上，光量隨反射面相對光纖端面的位移δ(x)而變化，其關(guān)系如圖7-30b所示。當(dāng)δ(x)很小時(shí)，反射到接收光纖的光量很少、因?yàn)檫@時(shí)兩光纖的光錐角重疊部分很小。隨著δ(x)的增加接收光量增大并達(dá)到最大值，這段曲線靈敏度高、線性好，其線性段適于測微小位移，峰值處適于測表面粗糙度等。δ(x)繼續(xù)加大，曲線從峰值開始下降。整理課件實(shí)際上，這種光纖傳感器是由許多根光纖組成的光纜。發(fā)射和接收光纖的常見的組合方式有混合式、對半分式、共軸內(nèi)發(fā)射分布三種?；旌鲜降撵`敏最高，而對半分式測量范圍最大。另一種非常有價(jià)值的多模光纖位移傳感器如圖7-31a所示兩光纖端面斜切，端面對光纖軸線有相同的角度，斜切面拋光，以便光線在接收光纖頭內(nèi)形成全反射。當(dāng)兩光纖距離較遠(yuǎn)時(shí)，沒有光透過斜切面耦合到接收光纖。但是，當(dāng)兩斜切面非常接近時(shí)，情況將發(fā)生變化。整理課件由于光是一種電磁波，全內(nèi)反射時(shí)雖然沒有光能進(jìn)入相鄰介質(zhì)，但是電磁波卻能進(jìn)入相鄰介質(zhì)一定深度，這個深度大約為波長量級，進(jìn)入相鄰介質(zhì)的電磁波稱為瞬逝波。當(dāng)兩切面距離小于光波波長時(shí)，將有部分光透過間隙耦合到接收光纖，距離越近，耦合能量越大，如圖7-21b所示。根據(jù)這個原理，可以制成光纖位移傳感器。這種傳感器的測量范圍為光波波長量級，靈敏度可達(dá)到納米量級。整理課件整理課件整理課件2．光纖溫度傳感器光纖測溫技術(shù)除了前面介紹的方法外，尚有很多方法，其中一種結(jié)構(gòu)是把半導(dǎo)體材料夾持在發(fā)射光纖和接收光纖之間，當(dāng)溫度變化時(shí)半導(dǎo)體的透光率隨之變化，接收光纖接收到的光量也變化。當(dāng)前常用的半導(dǎo)體材料是GaAs，其透光率達(dá)30％以上，厚度為150μm，工作面積約為0.7mm2，其工作面和光纖的端面都要拋光并相互平行。整理課件3．光波長分布（顏色）傳感器光纖光波長調(diào)制型傳感器大多是非功能型的，光纖只作導(dǎo)光用。波長測量有兩個步驟:首先是實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟ㄩL分離，這可以用多種方法來實(shí)現(xiàn)：從棱鏡或光柵光譜儀到干涉濾光片，以及簡單的彩色玻璃濾光器。其次是測量在這些波長上的光功率，利用光纖傳導(dǎo)、光電器件接收可方便地實(shí)現(xiàn)對接收功率的監(jiān)測。利用光波長調(diào)制可開發(fā)的傳感器主要有：利用指示劑溶液濃度實(shí)現(xiàn)遙控化學(xué)分析的pH探頭；利用磷光和熒光隨溫度變化而做成的光纖溫度計(jì)；利用法布里-珀羅敏感標(biāo)準(zhǔn)具做成靈敏的位移傳感器等。整理課件4．光頻率調(diào)制型光纖傳感器光頻率調(diào)制是基于被測物體的入射光頻率與其反射光的多普勒效應(yīng)，所以主要用來測量運(yùn)動物體的速度。如果頻率為fi的光照射在相對速度為v的運(yùn)動物體上，則從該運(yùn)動體反射光頻率fs變?yōu)椋浩渲衏:光速。根據(jù)這種原理可以組成光纖激光–多普勒測振儀，測量靈敏度非常高。例如用He-Ne激光器做光源，1m·s-1速度的頻移達(dá)1.6MHz，可測范圍為1~100m·s-1。整理課件可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。

分類

內(nèi)容光纖傳感器電類傳感器調(diào)制參量振幅：吸收、反射等相位：偏振…電阻、電容、電感等敏感材料溫-光敏、力-光敏、磁-光敏…

溫-電敏、力-電敏、磁-電敏…

傳輸信號光電傳輸介質(zhì)光纖、光纜電線、電纜整理課件整理課件第四節(jié)光柵傳感器隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時(shí)代。通常采用模擬式傳感器獲隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時(shí)代。通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用A/D轉(zhuǎn)換器將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理進(jìn)行處理，這種方法簡便易行，但系統(tǒng)的構(gòu)成也很復(fù)雜。數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。光柵是常用的數(shù)字式傳感器整理課件4.1光柵基礎(chǔ)

4.1.1光柵分類及結(jié)構(gòu)光柵分類光柵按其原理和用途可以分為物理光柵和計(jì)量光柵。物理光柵主要是利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析和光波波長測定，而在檢測技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象（莫爾條紋），常用于位移長度、角度、速度、加速度等的測量，有很高的分辨力。整理課件2.光柵結(jié)構(gòu)所謂光柵，是在刻畫及面上等間距（或不等間距）地密集刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光，形成透光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線。主光柵的刻線一般比指示光柵長。若劃線寬度為a縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b。通常取a=b＝W/2。整理課件4.1.2光柵的原理光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱為標(biāo)尺光柵或長光柵，一般固定在移動部件上，短的為指示光柵或短光柵，裝在固定部件上。整理課件透射式光柵傳感器透射式長光柵傳感器整理課件透射式圓光柵傳感器整理課件反射式光柵傳感器圖7-46反射式長光柵傳感器整理課件當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度放置時(shí)，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下，交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排列。嚴(yán)格地說，莫爾條紋是與兩片光柵線紋夾角的平分線相垂直。整理課件直線光柵的莫爾條紋整理課件由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋的實(shí)際價(jià)值就在于：能讓光敏元件“看清”隨光柵刻線移動所帶來的光強(qiáng)變化。4.1.3莫爾條紋特點(diǎn)

1.位移的放大作用根據(jù)右圖，莫爾條紋間距B與柵距W和夾角θ之間有如下關(guān)系：θ越小，莫爾條紋間距B越大整理課件θ越小，B越大，θ當(dāng)小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要方便得多。通過光柵柵距的