傳感器與檢測技術(shù)-圖文pp模塊五

傳感器與檢測技術(shù)項目教程學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用模塊五光敏傳感器模塊五光敏傳感器模塊導(dǎo)讀光敏傳感器的種類繁多，主要有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏三極管、太陽能電池、紅外線傳感器、紫外線傳感器、光纖式光電傳感器、色彩傳感器、CCD和CMOS圖像傳感器等。它的敏感波長在可見光波長附近，包括紅外線波長和紫外線波長。模塊五光敏傳感器模塊導(dǎo)讀光敏傳感器不局限于對光的探測，還可以作為探測元件組成其他傳感器，對許多非電量進行檢測，只要將這些非電量轉(zhuǎn)換為光信號的變化即可。光敏傳感器是目前產(chǎn)量最多、應(yīng)用最廣的傳感器之一，它在自動控制和非電量檢測技術(shù)中占有非常重要的地位。本模塊針對常見的光敏傳感器進行教學(xué)，使學(xué)生掌握光敏傳感器的工作原理和測量方法。模塊五光敏傳感器光敏傳感器是利用光敏元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。光敏傳感器主要應(yīng)用于太陽能草坪燈、光控小夜燈、照相機、監(jiān)控器、光控玩具、聲光控開關(guān)、攝像頭、防盜錢包、光控音樂盒、生日音樂蠟燭、音樂杯、人體感應(yīng)燈、人體感應(yīng)開關(guān)等電子產(chǎn)品光自動控制領(lǐng)域。光敏傳感器中最簡單的電子器件是光敏電阻，它能感應(yīng)光線的明暗變化，輸出微弱的電信號，通過簡單電子線路放大處理，可以控制LED燈具的自動開關(guān)。對于遠(yuǎn)程的照明燈具，如街燈、庭院燈、草坪燈等，都可經(jīng)濟而簡單地實現(xiàn)節(jié)能自動控制。模塊五光敏傳感器太陽能路燈本身就是利用太陽光發(fā)電、儲能的LED照明燈具，它不需要電網(wǎng)供電，也就無須架設(shè)成本不菲的輸電線路，因此使用光敏傳感器可以實現(xiàn)極低成本、自動開啟關(guān)閉的節(jié)能管理。常見的光敏傳感器如圖5－1所示。圖5－1常見的光敏傳感器學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)一、光可以被看成是由具有一定能量的光子所組成的，而每個光子所具有的能量E與其頻率成正比。光射到物體上就可以看成是一連串具有能量E的光子轟擊到物體。所謂光電效應(yīng)，就是指由于物體吸收了能量為E的光子后所產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電式傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換成電量的一種變換器，其工作的理論基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)。從傳感器本身來看，光電效應(yīng)可以分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三類。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件外光電效應(yīng)1.在光線作用下，使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，或稱光電發(fā)射效應(yīng)。下面簡要介紹外光電效應(yīng)產(chǎn)生的物理過程。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件根據(jù)愛因斯坦的假說，一個光子的能量只能給一個電子。所以，如果一個電子要從物體表面逸出，必須使傳遞給電子能量的光子本身的能量E大于電子從物體表面的逸出功A，這時，逸出表面的電子可稱為光電子。光電子逸出物體表面時，具有的初始動能與光的頻率有關(guān)，頻率越高則動能越大。而不同材料具有不同的逸出功，因此對某種特定的材料而言將有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不論它有多強，也不能激發(fā)電子。當(dāng)入射光的頻率高于此頻率限時，不論它有多弱，也會使被照射的物質(zhì)激發(fā)出電子。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，發(fā)射的光電子數(shù)正比于光強，即光強越大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也越多。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件內(nèi)光電效應(yīng)2.在光的照射下材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，或稱光電導(dǎo)效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)的物理過程是：光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，使其由價帶越過禁帶進入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴濃度增大，從而使電導(dǎo)率增大。顯然，材料的光電導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，光子能量hv應(yīng)大于禁帶寬度。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光生伏特效應(yīng)3.光射到半導(dǎo)體PN結(jié)后，能使PN結(jié)產(chǎn)生一定方向的電動勢，或使PN結(jié)的光電流增加的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，或稱PN結(jié)的光電效應(yīng)。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電管1.光電器件二、光電管是一種具有悠久歷史的光傳感器。它是一個裝有光電陰極和陽極的真空玻璃管，其種類有很多種，如圖5-2所示。圖5-2（a）中，光電陰極是在玻璃管內(nèi)壁涂上陰極涂料構(gòu)成的；圖5-2（b）中，光電陰極是在玻璃管內(nèi)裝入涂有陰極涂料的柱面形極板構(gòu)成的。圖5-2光電管的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電管的光照特性是指光電管兩端所加電壓不變時，光能量Φ與光電流Ｉ之間的關(guān)系。如圖5-3所示，對于氧銫陰極的光電管，I與Φ成線性關(guān)系；但對于銻銫陰極的光電管，當(dāng)光通量較大時，I與Φ成非線性關(guān)系。圖5-3光電管的光照特性學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電管的光譜特性主要取決于光電陰極的材料。不同的陰極材料對同一種波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料對不同波長的光也具有不同的靈敏度。這可用光譜特性來描述。光譜特性又稱頻譜特性，圖5-4所示為光電管的光譜特性。圖5-4光電管的光譜特性學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電管的伏安特性是指在一定的光通量照射下，光電流與光電管兩端的電壓關(guān)系。如圖5-5所示，在不同的光通量照射下，伏安特性是幾條相似的曲線。當(dāng)極間電壓高于50V時，光電流開始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽極。真空光電管一般工作于飽和部分，內(nèi)阻高達(dá)幾百兆歐。圖5-5光電管的伏安特性學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電倍增管2.在光照很弱時，光電管所產(chǎn)生的光電流很小，為了提高靈敏度，常應(yīng)用光電倍增管，其積分靈敏度可達(dá)每流明幾安培。光電倍增管的工作原理建立在光電發(fā)射和二次發(fā)射的基礎(chǔ)上，光電倍增管的結(jié)構(gòu)如圖5-6所示。圖5-6光電倍增管的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干個光電倍增極。光電倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料，光電倍增極的形狀及位置設(shè)置得正好能使前一級倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級倍增極，在每個倍增極間均依次增大加速電壓。光電倍增管的主要特點是靈敏度高，穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快和噪聲?。蝗秉c是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，工作電壓高，體積大。它是電流放大元件，具有較高的電流增益，特別適用于微弱光信號的探測。其倍增率為δn，其中δ為單極倍增率，大小一般為3~6；n為倍增極數(shù)，一般為4~14。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光敏電阻3.光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成光敏電阻。為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀。用于制造光敏電阻的材料主要是金屬的硫化物、硒化物和碲化物等半導(dǎo)體。通常采用涂敷、噴涂、燒結(jié)等方法在絕緣襯底上制作很薄的光敏電阻體及梳狀歐姆電極，接出引線，封裝在具有透光鏡的密封殼體內(nèi)，以免受潮影響其靈敏度。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件在黑暗環(huán)境里，它的電阻值很高，當(dāng)受到光照時，只要光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則價帶中的電子吸收一個光子的能量后可躍遷到導(dǎo)帶，并在價帶中產(chǎn)生一個帶正電荷的空穴，這種由光照產(chǎn)生的電子空穴對增加了半導(dǎo)體材料中載流子的數(shù)目，使其電阻率變小，從而造成光敏電阻阻值下降。光照越強，阻值越低。入射光消失后，由光子激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對將復(fù)合，光敏電阻的阻值也就恢復(fù)原值。在光敏電阻兩端的金屬電極加上電壓，其中便有電流通過，受到一定波長的光線照射時，電流就會隨光強的增大而變大，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也加交流電壓。半導(dǎo)體的導(dǎo)電能力取決于半導(dǎo)體導(dǎo)帶內(nèi)載流子數(shù)目的多少。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光敏電阻根據(jù)其光譜特性，可分為以下三種：（1）紫外光敏電阻。紫外光敏電阻對紫外線較靈敏，包括硫化鎘光敏電阻、硒化鎘光敏電阻等，用于探測紫外線。（2）紅外光敏電阻。紅外光敏電阻主要有硫化鉛、碲化鉛、硒化鉛、銻化銦等光敏電阻，廣泛用于導(dǎo)彈制導(dǎo)、天文探測、非接觸測量、人體病變探測、紅外光譜，紅外通信等國防、科學(xué)研究和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中。

（3）可見光光敏電阻?？梢姽夤饷綦娮璋ㄎ⒘蚧k、硒化鎘、碲化鎘、砷化鎵、硅、鍺、硫化鋅等光敏電阻，如圖5-7所示為硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光敏電阻主要用于各種光電控制系統(tǒng)，如光電自動開關(guān)門窗，航標(biāo)燈、路燈和其他照明系統(tǒng)的自動亮滅，自動給水和自動停水裝置，機械上的自動保護裝置和位置檢測器，極薄零件的厚度檢測器，照相機自動曝光裝置，光電計數(shù)器，煙霧報警器，光電跟蹤系統(tǒng)等方面。圖5-7硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號1—光導(dǎo)層；2—玻璃窗口；3—金屬外殼；4—電極；5—陶瓷絕緣玻璃；6—絕緣玻璃；7—電極引線學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電池4.光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)換成電能的半導(dǎo)體光電器件，如圖5-8所示。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子和空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。圖5-8硅光電池原理圖學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電池在有光線作用時實質(zhì)就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源。由于光電池廣泛用于把太陽能直接變成電能，因此又稱為太陽能電池。通常，把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱放在光電池（或太陽能電池）名稱之前以示區(qū)別，如硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、鍺光電池等。光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長是不同的，硅光電池波長在0.8μm附近，硒光電池波長在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長為0.4~1.2μm，而硒光電池的光譜響應(yīng)波長僅為0.38~0.75μm?？梢?，硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性。短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強度成線性關(guān)系，開路電壓（即負(fù)載電阻RL為無限大時）與光照度的關(guān)系是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時就趨于飽和了。因此，用光電池作為測量元件時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器或設(shè)備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標(biāo)，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。開路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此把它作為測量元件使用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。光電池是形式最簡單的光電器件，它能在幾伏的偏置電壓下工作，具有穩(wěn)定性好、光譜范圍寬、頻率特性好、換能效率高、耐高溫輻射等優(yōu)點。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電式煙霧報警器1.光電傳感器應(yīng)用實例三、光電式煙霧報警器由光源、光電元件和電子開關(guān)組成。利用光散射原理對火災(zāi)初期產(chǎn)生的煙霧進行探測，并及時發(fā)出報警信號。按照光源不同，光電式煙霧報警器可分為一般光電式、激光光電式、紫外光光電式和紅外光光電式。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件（1）一般光電式煙霧報警器根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點可分為遮光型和散射型兩種。遮光型光電式煙霧報警器由一個光源（燈泡或發(fā)光二極管）和一個光電元件對應(yīng)裝在小暗室內(nèi)構(gòu)成。在無煙情況下，光源發(fā)出的光通過透鏡聚成光束，照射到光電元件上，并將其轉(zhuǎn)換成電信號，使整個電路維持在正常狀態(tài)，不發(fā)出報警。光電元件設(shè)置在多孔的小暗室里。無煙霧時，光不能射到光電元件上，電路維持正常狀態(tài)；而發(fā)生火災(zāi)時，有煙霧進入探測器，光通過煙霧粒子的反射或散射到達(dá)光電元件上，則光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大電路放大后，驅(qū)動自動報警裝置發(fā)出報警信號。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件（2）激光式煙霧報警器。激光式煙霧報警器由激光發(fā)射機（包括脈沖電源和激光發(fā)生器）和激光接收器（包括光電接收器、脈沖放大器及報警器）組成，它利用了激光方向性強、亮度高及單色性和相干性好的特點。在無煙情況下，脈沖激光束射到光電接收器上，轉(zhuǎn)換成電信號，報警器不發(fā)出報警。一旦激光束在發(fā)射過程中有煙霧遮擋而減弱到一定程度，使光電接收器信號顯著減弱，報警器發(fā)出報警信號。在種類繁多的激光光源中，半導(dǎo)體激光器由于具有所需激發(fā)電壓低、效率高、脈沖功率大、器件體積小、耐震、壽命長和價格低廉等優(yōu)點而受到重視。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件（3）紫外光煙霧報警器。性能穩(wěn)定等優(yōu)點。（4）紅外光煙霧報警器。它具有靈敏度高、探測方位準(zhǔn)確等優(yōu)點，因而得到普遍重視，并成為目前火災(zāi)探測器的重要設(shè)備和發(fā)展方向。光電煙霧報警器發(fā)展很快，種類不斷增多，就其功能而言，它能實現(xiàn)早期火災(zāi)報警，除應(yīng)用于大型建筑物內(nèi)部外，還特別適用于電氣火災(zāi)危險性較大的場所，如計算機房、儀器儀表室和電纜溝、隧道等處。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電式邊緣位置傳感器2.光電式邊緣位置傳感器由白熾燈光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電器件（硅光電晶體管）組成，其結(jié)構(gòu)原理如圖5-9所示。圖5-9光電式邊緣位置傳感器的結(jié)構(gòu)原理1—白熾燈；2、7—雙凸透鏡；3—半透反射鏡；4—平凸透鏡；5—平面鏡；6—角矩陣反射鏡；8—光電晶體管學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件白熾燈所發(fā)出的光線經(jīng)過雙凸透鏡會聚，然后由半透反射鏡所反射使光路折轉(zhuǎn)90°，經(jīng)平凸透鏡會聚后成為平行光束。該光束由帶材遮擋一部分，另一部分射到角矩陣反射鏡后被反射，又經(jīng)過透鏡、半透反射鏡和雙凸透鏡會聚于光電晶體管上。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件光電晶體管接在輸入橋路的一臂上，電橋的參數(shù)如圖5-10所示。圖中，10kΩ電位器為放大倍數(shù)調(diào)整電位器，22kΩ和220Ω電位器分別為零點平衡位置粗調(diào)和細(xì)調(diào)電位器。圖5-10測量電橋?qū)W習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件當(dāng)帶材處于平行光束的中間位置時，電橋處于平衡狀態(tài)，其輸出信號為0；當(dāng)帶材向左偏移時，遮光面積減少，角矩陣反射回去的光通量增加，輸出電流信號增加；當(dāng)帶材向右偏移時，光通量減小，輸出電流信號減小，這個電流變化信號由晶體放大器放大后，作為控制電流信號，通過執(zhí)行機構(gòu)糾正帶材的偏移。學(xué)習(xí)單元一光電效應(yīng)和光電器件思考與練習(xí)問題1常用的光電器件有哪些？簡述其工作原理。思考：問題2光電式邊緣位置傳感器的結(jié)構(gòu)原理是什么？有哪些應(yīng)用？思考：學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器圖像傳感器是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體構(gòu)成的具有自掃描功能的攝像器件。它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小、質(zhì)量輕、可靠性高和不需要強光照明等優(yōu)點。因此，圖像傳感器在軍用、工業(yè)控制和民用電器中均有廣泛使用。圖像傳感器的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件，其中最常用的是電荷耦合器件（charge

coupleddevice，CCD），它是一種半導(dǎo)體器件，能夠把光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。CCD上面有很多相同的感光元件，每個感光元件為一個像素。CCD在攝像機里是一個極其重要的部件，它起到將光線轉(zhuǎn)換成電信號的作用，類似于人的眼睛，因此其性能的好壞將直接影響到攝像機的性能。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器CCD原理1.電荷耦合工作原理一、MOS電容器CCD是一種固態(tài)檢測器，由多個光敏像元組成，其中每個光敏像元就是一個MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）電容器。CCD的基本結(jié)構(gòu)如圖5-11所示，但其工作原理與MOS晶體管不同。圖5-11CCD的基本結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器CCD中的MOS電容器的形成方法是：在P型或N型單晶硅的襯底上用氧化的辦法生成一層厚度為100~150nm的SiO2絕緣層，再在SiO2表面按一定層次蒸鍍一金屬電極或多晶硅電極，在襯底和電極間加上一個偏置電壓（柵極電壓），即形成了一個MOS電容器，具有光生電荷、電荷存儲和電荷傳移的功能。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器以P型硅的陣元為例。在金屬電極未加電壓時，載流子均勻分布于半導(dǎo)體內(nèi)部；當(dāng)金屬電極上加一個大于半導(dǎo)體閾值勢能的電勢時，電極下面的多數(shù)載流子——空穴會被排盡形成耗盡層，并且耗盡層隨著所加電勢的增加而深度增大。若此時有光線入射到硅片上，硅就會產(chǎn)生光生電子空穴對，其中空穴被排斥到硅基體，而光生電子被收集于電極下面形成電子聚集的反型層。對一定的受光面積，光注入引起的電荷積累和入射光強與照射時間的積成正比，這一結(jié)果與照相底片的特性非常相似。由此可見，MOS電容具有存儲電荷的能力。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器通過調(diào)節(jié)不同金屬電極的電壓，積累的電荷可在MOS結(jié)構(gòu)之間轉(zhuǎn)移。正是這種光生電荷的積累與轉(zhuǎn)移功能，構(gòu)成了用于成像的CCD基礎(chǔ)。這樣一個感受光的MOS電容光敏像元稱為CCD的一個像素，當(dāng)成百上千的MOS光敏元排列成規(guī)則的陣列時，就構(gòu)成了CCD。當(dāng)照射到CCD上的是一幅明暗起伏的圖像時，這些MOS光敏像元就產(chǎn)生一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像，這就是CCD的基本工作原理。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器CCD傳感器的種類2.根據(jù)光敏元件排列形式的不同，CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器。線型CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移柵，基本結(jié)構(gòu)如圖5-12（a）所示。圖5-12線型CCD圖像傳感器學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵控制光電荷向移位寄存器轉(zhuǎn)移，一般使信號轉(zhuǎn)移時間遠(yuǎn)小于光積分時間。在光積分周期里，各個光敏像元中所積累的光電荷與該光敏像元上所接收的光照強度和光積分時間成正比，光電荷存儲于光敏單元的勢阱中。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵開啟時，各光敏單元收集的信號電荷并行地轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時，MOS光敏像元陣列又開始下一行的光電荷積累。同時，在移位寄存器上施加時鐘脈沖，將已轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器內(nèi)的上一行的信號電荷由移位寄存器串行輸出，如此重復(fù)上述過程。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器圖5-12(b)所示為CCD的雙行結(jié)構(gòu)圖。光敏像元中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上下方的移位寄存器中，然后在時鐘脈沖的作用下向終端移動，在輸出端交替合并輸出。這種結(jié)構(gòu)與長度相同的單行結(jié)構(gòu)相比較，可以獲得高出兩倍的分辨力；同時由于轉(zhuǎn)移次數(shù)減少一半，使CCD電荷轉(zhuǎn)移損失大為減少。雙行結(jié)構(gòu)在獲得相同效果情況下，又可縮短器件尺寸。線型CCD圖像傳感器可以直接接收一維光信息，不能直接將二維圖像轉(zhuǎn)變?yōu)橐曨l信號輸出。為了得到整個二維圖像的視頻信號，就必須用掃描的方法。線型CCD圖像傳感器主要用于測試、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器（2）面型CCD圖像傳感器。按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可構(gòu)成面型CCD圖像傳感器，它主要用于攝像機及測試技術(shù)。如圖5-13所示，面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉(zhuǎn)移型、幀轉(zhuǎn)移型和隔離轉(zhuǎn)移型。圖5-13面型CCD圖像傳感器的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器圖5-13(a)所示為線轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出寄存器等組成。圖5-13(b)所示為幀轉(zhuǎn)移面型CCD的結(jié)構(gòu)圖。它由光敏元面陣（感光區(qū)）、存儲器面陣和輸出移位寄存器三部分構(gòu)成。圖5-13(c)所示結(jié)構(gòu)是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。它將光敏單元與垂直轉(zhuǎn)移寄存器交替排列。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器

CCD圖像傳感技術(shù)應(yīng)用二、CCD固體圖像傳感器作為一種能有效實現(xiàn)動態(tài)非接觸測量的傳感器，被廣泛應(yīng)用于物體尺寸、位移、表面形狀、溫度測量，以及圖形文字識別、圖像檢測等領(lǐng)域。圖5-14所示為角度測量結(jié)構(gòu)圖，光源經(jīng)過透鏡聚焦成像在固定于待測軸軸心的平面鏡1上，反射到平面鏡2，最終在CCD上形成光點。當(dāng)待測轉(zhuǎn)軸發(fā)生偏轉(zhuǎn)時，光點成像在CCD上的另一位置。由此，可以將角度θ的變化轉(zhuǎn)化成空間距離d的變化，利用單片機對其輸出信號進行處理也就是對光點之間變化的相對距離d的測量。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器CCD輸出信號經(jīng)過濾波、放大和二值化處理，輸出DO脈沖信號和轉(zhuǎn)移脈沖SH。采用外置的CCD驅(qū)動裝置自帶濾波、放大和二值化電路，閾值電平可調(diào)，DO輸出脈沖的幅度直接反映了每個像敏單元上的光照度。測量前首先需要對系統(tǒng)進行定標(biāo)，記錄光點在CCD上的初始位置，即（t1+t2）/2。當(dāng)光點在CCD上發(fā)生移動時，得到的SH下降沿到DO脈沖寬度中心值距離與初始位置相減的寬度值，它與光點移動的距離值成正比。利用單片機對這幾組脈沖進行測量、處理，結(jié)果送至上位機對其進行幾何公式的轉(zhuǎn)換，即可實時顯示待測件的偏轉(zhuǎn)角度。學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器圖5-14角度測量結(jié)構(gòu)圖學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器投影法適合小尺寸物體或者對物體邊緣進行測量的情形，如圖5-15所示。小尺寸的檢測是指待測物體尺寸可以與CCD的尺寸相比擬。當(dāng)一束平行光照射到被測物體后再投射到CCD時，物體的陰影也同時投射到CCD上，只要利用CCD計算出陰影部分尺寸，就可獲得待測物體的尺寸。此種測試方法的精度取決于平行光的準(zhǔn)直度和CCD像素的大小。圖5-15小尺寸物體寬度的檢測系統(tǒng)示意圖學(xué)習(xí)單元二CCD圖像傳感器思考與練習(xí)問題1面型CCD和線型CCD的原理有哪些異同點？思考：問題2CCD固體圖像傳感器作為一種測量尺寸的傳感器有什么優(yōu)點？思考：學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器紅外線是波長介于微波與可見光之間的電磁波，波長為760nm~1mm，是波長比紅光長的非可見光。紅外線透過云霧能力比可見光強，在通信、探測、醫(yī)療、軍事等方面有廣泛的用途。本學(xué)習(xí)單元主要是讓學(xué)生掌握紅外傳感器的基本工作原理和應(yīng)用方法。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器紅外輻射知識一、紅外線是太陽光線中眾多不可見光線中的一種，由德國科學(xué)家赫歇爾于1800年發(fā)現(xiàn)，又稱為紅外熱輻射。他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色的光的熱效應(yīng)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，位于紅光外側(cè)的那支溫度計升溫最快。因此得到結(jié)論：太陽光譜中，紅光的外側(cè)必定存在看不見的光線，這就是紅外線。它也可以當(dāng)作傳輸?shù)拿浇椤W(xué)習(xí)單元三紅外傳感器如圖5-16所示，太陽光譜上紅外線的波長大于可見光線，波長為0.75~1000μm。紅外線可分為三部分

：

近紅外線

，波長為(0.75~1)~(2.5~3)μm；中紅外線，波長為(2.5~3)~(25~40)μm；遠(yuǎn)紅外線，波長為（25~40）~1000μm。圖5-16太陽光譜電磁波的波長學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器在紅外線內(nèi)，對人體有幫助的4~14μm的遠(yuǎn)紅外線，能滲透人體內(nèi)部15cm，從內(nèi)部發(fā)熱，從體內(nèi)作用促進微血管的擴張，使血液循環(huán)順暢，達(dá)到新陳代謝的目的，進而增加身體的免疫力及治愈率。根據(jù)黑體輻射理論，一般的材料要產(chǎn)生足夠強度的遠(yuǎn)紅外線并不容易，通常必須借助特殊物質(zhì)進行能量的轉(zhuǎn)換，將它所吸收的熱量經(jīng)由內(nèi)部分子的振動后發(fā)射出較長波長的遠(yuǎn)紅外線。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器圖5-17所示為紅外線夜視儀，真正的紅外線夜視儀是光電倍增管成像，與望遠(yuǎn)鏡原理完全不同，白天不能使用，價格昂貴且需電源才能工作。圖5-17紅外線夜視儀學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器常用大氣窗口1.由于大氣對電磁波散射和吸收等因素的影響，使部分波段的太陽輻射在大氣層中的透過率很小或根本無法通過。電磁波輻射在大氣傳輸中透過率較高的波段稱為大氣窗口。為了利用地面目標(biāo)反射或輻射的電磁波信息成像，遙感中對地物特性進行探測的電磁波“通道”應(yīng)選擇在大氣窗口內(nèi)。在遙感中使用的大氣窗口包括如下幾種：（1）0.3~1.155μm，包括部分紫外光、全部可見光和部分近紅外光，即紫外、可見光、近紅外波段。也是許多衛(wèi)星遙感器掃描成像的常用波段，如Landsat衛(wèi)星的TM的1~4波段，SPOT衛(wèi)星的HRV波段等。其中，0.3~0.4μm，透過率約為70%，0.4~0.7μm，透過率大于95%；0.7~1.1μm，透過率約為80%。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（2）1.4~1.9μm，近紅外窗口，透過率為60%～95%，其中，1.55～1.75μm，透過率較高。在白天日照條件好的時候掃描成像常用這些波段。（3）2.0~2.5μm，近紅外窗口，透過率約為80%。（4）3.5~5.0μm，中紅外窗口，透過率為60%~70%。該波段物體的熱輻射較強。這一區(qū)間除了地面物體反射太陽輻射外，地面物體自身也有長波輻射。例如，NOVV衛(wèi)星的AVHRR遙感器用3.55~3.93μm波段探測海面溫度，獲得晝夜云圖。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（5）8.0~14.0μm，熱紅外窗口，透過率約為80%。它主要來自物體熱輻射的能量，適于夜間成像，測量探測目標(biāo)的地物溫度。（6）1.0~1.8mm，微波窗口，透過率為35%~40%。（7）2.0~5.0mm，微波窗口，透過率為50%~70%。（8）8.0~1000.0mm，微波窗口，透過率約為100%。因為微波具有穿云透霧的特性，所以其具有全天候、全天時的工作特點。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器一般意義上的分類2.（1）近紅外線（NIR，IR

ADIN），波長為0.75~1.4μm，以水的吸收來定義，由于其在二氧化硅玻璃中的低衰減率，通常使用在光纖通信中。這個區(qū)域的波長對影像的增強非常敏銳。（2）短波長紅外線（SWIR，IR

BDIN），波長為1.4~3μm，水的吸收在1450nm顯著地增加。1530~1560nm是主導(dǎo)遠(yuǎn)距離通信的主要光譜區(qū)域。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（3）中波長紅外線（MWIR，IR

CDIN），也稱為中紅外線，波長為3~8μm。被動式的紅外線追熱導(dǎo)向?qū)椉夹g(shù)在設(shè)計上就是使用3~5μm波段的大氣窗口來工作的，對飛機紅外線標(biāo)識的歸航，通常是針對飛機引擎排放的羽流。（4）長波長紅外線（LWIR，IR

CDIN），波長為8~15μm。這是“熱成像”的區(qū)域，在這個波段的傳感器不需要其他光或外部熱源，如太陽、月球或紅外燈，就可以獲得完整的熱排放量的被動影像。前視紅外線（FLIR）系統(tǒng)使用這個區(qū)域的頻譜，有時也會被歸類為“遠(yuǎn)紅外線”。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（5）遠(yuǎn)紅外線（FIR），波長為15~1000μm。紅外線波長較長，產(chǎn)生熱效應(yīng)，那么紅外線在穿透的過程中所達(dá)到的范圍是一個什么樣的層次呢？如果紅外線能穿透到原子、分子內(nèi)部，那么會引起原子、分子的膨大而導(dǎo)致原子、分子的解體。而事實上，紅外線頻率較低，能量不夠，遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到原子、分子解體的效果。因此，紅外線只能穿透到原子、分子的間隙中，而不能穿透到原子、分子的內(nèi)部，會使原子、分子的振動加快、間距拉大即增加熱運動能量。從宏觀上看，物質(zhì)在熔化、沸騰、汽化，但物質(zhì)的本質(zhì)（原子、分子本身）并沒有發(fā)生改變，這就是紅外線的熱效應(yīng)。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器因此，可以利用紅外線的這種激發(fā)機制來燒烤食物，使有機高分子發(fā)生變性，但不能利用紅外線產(chǎn)生光電效應(yīng)，更不能使原子核內(nèi)部發(fā)生改變。同理，不能用無線電波來燒烤食物，無線電波的波長太長，無法穿透到有機高分子間隙，更不能達(dá)到食物烤熟的目的。綜上所述，波長越短，頻率越高、能量越大的波穿透達(dá)到的范圍越大；波長越長，頻率越低、能量越小的波穿透達(dá)到的范圍越小。自然界中的任何物體都在向外輻射紅外線。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器工作原理1.熱釋電紅外傳感器二、熱釋電紅外傳感器如圖5-18所示，它是由高熱電系數(shù)的材料（如鋯鈦酸鉛系陶瓷、鉭酸鋰、硫酸三甘鈦等）制成的尺寸為2mm長、1mm寬的探測元件。圖5-18熱釋電紅外傳感器學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器在每個探測器內(nèi)裝入一個或兩個探測元件，并將兩個探測元件以反極性串聯(lián)，以抑制由于自身溫度升高而產(chǎn)生的干擾。由探測元件將探測并接收到的紅外輻射轉(zhuǎn)變成微弱的電壓信號，經(jīng)裝在探頭內(nèi)的場效應(yīng)管放大后向外輸出。為了提高探測器的探測靈敏度以增大探測距離，一般在探測器的前方裝設(shè)一個菲涅爾透鏡，該透鏡用透明塑料制成，將透鏡的上、下兩部分各分成若干等份，制成一種具有特殊光學(xué)系統(tǒng)的透鏡。它和放大電路相配合，可將信號放大70dB以上，這樣就可以測出10~20m內(nèi)人的行動。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器熱釋電紅外傳感器是一種紅外光傳感器，屬于熱電型器件，其結(jié)構(gòu)圖如5-19所示。當(dāng)PZT熱電元件受到光照時能將光能轉(zhuǎn)換為熱能，受熱的晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等、符號相反的電荷，如果帶上負(fù)載就會有電流流過，輸出電壓信號。圖5-19熱釋電紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和電路學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器熱釋電紅外傳感器主要由濾光片、PZT熱電元件、結(jié)型場效應(yīng)管及電阻、二極管組成。其中，濾光片的光譜特性決定了熱釋電傳感器的工作范圍。其所用的濾光片對波長5μm以下的光具有高反射率，而對于從人體發(fā)出的紅外熱源則有高穿透性，傳感器接收到紅外能量信號后就有電壓信號輸出。熱釋電傳感器是利用熱電效應(yīng)的熱電型紅外傳感器，所謂熱電效應(yīng)是隨溫度變化產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。熱釋電傳感器在溫度沒有變化時不產(chǎn)生信號，稱為積分型傳感器，多用于人體溫度檢測電路。它的輸出是電荷信號，這并不能被直接使用，要附加電阻Rg，以電壓形式輸出。但因電阻值非常大，要用場效應(yīng)晶體管進行阻抗變換。在實際應(yīng)用場合中，會在傳感器探頭前加裝菲涅爾透鏡，試驗傳感器的探測視場和距離。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器菲涅爾透鏡利用透鏡的特殊光學(xué)原理。如圖5-20所示，在探測器前方產(chǎn)生一個交替變化的“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”，以提高它的探測接收靈敏度。當(dāng)有人從透鏡前走過時，人體發(fā)出的紅外線就不斷地交替從“盲區(qū)”進入“高靈敏區(qū)”，這樣就使接收到的紅外信號以忽強忽弱的脈沖形式輸入，從而增強其能量幅度。圖5-20菲涅爾透鏡原理圖學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器人體輻射的紅外線中心波長為9~10μm，而探測元件的波長靈敏度在0.2~20μm內(nèi)幾乎穩(wěn)定不變。在傳感器頂端開設(shè)了一個裝有濾光片的窗口，這個濾光片可通過的光的波長為7~10μm，正好適合于人體紅外輻射的探測，而對其他波長的紅外線由濾光片予以吸收，這樣便形成了一種專門用作探測人體輻射的紅外線傳感器。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器工作特性2.人體都有恒定的體溫，一般為37℃，所以會發(fā)出特定波長（10μm左右）的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的紅外線進行工作的。人體發(fā)射的10μm左右的紅外線通過菲涅爾濾光片增強后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。（1）這種探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的，所以熱釋電元件對波長為10μm左右的紅外輻射必須非常敏感。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（2）為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲涅爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。（3）被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元件，而且其電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋電元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器（4）一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦并被熱釋電元件接收，但是兩片熱釋電元件接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報警。（5）菲涅爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器優(yōu)點與缺點3.被動式熱釋電紅外探頭的優(yōu)缺點如下：（1）優(yōu)點：本身不發(fā)出任何類型的輻射，器件功耗很小，隱蔽性好，價格低廉。（2）缺點：①容易受各種熱源、光源干擾；②被動紅外穿透力差，人體的紅外輻射容易被遮擋，不易被探頭接收；③易受射頻輻射的干擾，同時，環(huán)境溫度和人體溫度接近時，探測和靈敏度明顯下降，有時會短時失效。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器抗干擾性能4.（1）抗小動物干擾。探測器安裝在推薦的使用高度，對探測范圍內(nèi)地面上的小動物一般不產(chǎn)生報警。（2）抗電磁干擾。探測器的抗電磁波干擾性能符合GB10408.5—2000中的要求，一般手機電磁干擾不會引起誤報。（3）抗燈光干擾。探測器在正常靈敏度的范圍內(nèi)，受3m外H4鹵素?zé)敉高^玻璃照射，不產(chǎn)生報警。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器檢測器應(yīng)避開日光、汽車頭燈、白熾燈的直接照射，也不能對著熱源(如暖氣片、加熱器)或空調(diào)，以避免環(huán)境溫度較大的變化而造成誤報；檢測器必須牢固安裝，避免因風(fēng)吹晃動而造成誤報；不允許用手觸摸傳感器表面；光學(xué)透鏡外表面要定期用濕軟布或棉花擦凈，避免塵土影響靈敏度；安裝高度為2m。熱釋電紅外傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關(guān)系很大。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器圖5-21熱釋電紅外傳感器不同方向的不同敏感度如圖5-21所示。熱釋電紅外傳感器對于徑向移動反應(yīng)最不敏感,而對于橫切方向(即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感。在現(xiàn)場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環(huán)。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器醫(yī)療上的應(yīng)用1.紅外傳感器應(yīng)用實例三、在紅外線區(qū)域中，對人體最有益的波段是4~14μm，這在醫(yī)術(shù)界里統(tǒng)稱為“生命光線”。因為這個紅外線波段可促進生命體的生長，對活化細(xì)胞組織和促進血液循環(huán)有很好的作用，能夠提高人的免疫力，增強人體的新陳代謝。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器遙控設(shè)備上的應(yīng)用2.越來越多的家用電器都配備了遙控器，而遙控器上必定會配備一個紅外線發(fā)射管，當(dāng)與電器的紅外線接收端形成對射的狀態(tài)時，就會達(dá)到遙控的作用。學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器開關(guān)上的應(yīng)用3.幾乎涉及感應(yīng)力的開關(guān)都會應(yīng)用到紅外線，此類開關(guān)統(tǒng)稱為紅外線開關(guān)。它分為主動式開關(guān)與被動式開關(guān)，主動式紅外線開關(guān)如圖5-22所示。主動式紅外線開關(guān)由紅外線發(fā)射管和紅外線接收管組成。當(dāng)紅外線接收管接收到發(fā)射管發(fā)出的信號時，電器就會關(guān)閉；當(dāng)物體阻擋到兩者之間的連接，電器就會啟動。圖5-22主動式紅外線開關(guān)學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器紅外線接口的應(yīng)用4.現(xiàn)在很多電子設(shè)備都配備了一個紅外線接口，如圖5-23所示。其作用是進行無線傳輸，從而減少用線路傳輸所帶來的空間上的占用，這可從無線上網(wǎng)或者手機通過紅外線上網(wǎng)體現(xiàn)出來。圖5-23紅外線接口學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器安防上的應(yīng)用5.紅外線報警器是在安防上經(jīng)常使用到的一種安防器材，如圖5-24所示。它是由紅外線發(fā)射機和紅外線接收機所組成的一個完整的安防設(shè)備。發(fā)射端與接收端組成一道人眼看不到的防盜墻，當(dāng)人穿過這個墻時就會阻斷發(fā)射端與接收端之間的聯(lián)系，這樣就會啟動報警主機，從而起到防盜的作用。圖5-24紅外線報警器學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器偵察中的應(yīng)用6.在偵察上的應(yīng)用大部分來自軍事上的應(yīng)用，如通過紅外線在晚上監(jiān)視，偵察中的紅外線夜視儀如圖5-25所示。偵察衛(wèi)星能夠通過紅外線探測到地面的信息，或者通過紅外線來探測溫度變化，從而通過檢測導(dǎo)彈的發(fā)動機的尾焰溫度，實現(xiàn)防空的功能。圖5-25偵察中應(yīng)用的紅外傳感器學(xué)習(xí)單元三紅外傳感器思考與練習(xí)問題1紅外線的種類有哪些？什么是大氣窗口？思考：問題2常見紅外傳感器的主要應(yīng)用是什么？思考：學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器是近年來隨著光導(dǎo)纖維技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新型傳感器，由于它具有靈敏度高、電絕緣性能好、抗電磁干擾、耐腐蝕、耐高溫、體積小、質(zhì)量輕等優(yōu)點，因而廣泛應(yīng)用于位移、速度、加速度、壓力、溫度、液位、流量、水聲、電流、磁場、放射性射線等物理量的測量。隨著光纖傳感器研究工作的不斷開展，各種形式的光纖傳感器層出不窮，到目前為止，已相繼研制出數(shù)十種不同類型的光纖傳感器。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖的結(jié)構(gòu)、分類與傳光原理一、光導(dǎo)纖維簡稱光纖，由纖芯、包層和外套組成，如圖5-26所示。中心圓柱體稱為纖芯，由某種類型的玻璃或塑料制成。起保護作用；另一方面可以通過顏色來區(qū)分各種光纖。圖5-26光纖的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖按其傳輸模式分為單模光纖和多模光纖，其結(jié)構(gòu)如圖5-27所示。圖5-27單模光纖和多模光纖的結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（1）單模光纖。單模光纖通常是指階躍型光纖中的纖芯尺寸很小(通常僅為幾微米)、光纖傳播的模式很少、原則上只能傳送一種模式的光纖(通常是芯徑很小的低損耗光纖)。這類光纖傳輸性能好(常用于干涉型傳感器)，制成的傳感器較多模傳感器有更好的線性、更高的靈敏度和動態(tài)測量范圍。但單模光纖由于纖芯太小，制造、連接和耦合都很困難。（2）多模光纖。多模光纖通常是指階躍光纖中纖芯尺寸較大(大部分為幾十微米)、傳播模式很多的光纖。這類光纖性能較差，帶寬較窄，但芯子的截面大，容易制造，連接耦合也比較方便。這種光纖常用于強度型傳感器。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器根據(jù)幾何光學(xué)理論，當(dāng)光線以較小的入射角θ1由折射率(n1)較大的光密介質(zhì)射向折射率(n2)較小的光疏介質(zhì)（n1>n2）時，如圖5-28所示，一部分入射光以折射角θ2折射到光疏介質(zhì)，另一部分以θ1角反射回光密介質(zhì)。據(jù)公式n

1sinθ1=n2sinθ2，由n1>n2，得θ1<θ2。圖5-28光線的折射和反射學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器當(dāng)入射角θ1加大到θ1=θc=arcsin（n2/n1）時（θc為臨界角），θ2=90°，折射光沿著界面?zhèn)鞑?。?dāng)繼續(xù)加大入射角，即θ1>θc時，光不再產(chǎn)生折射，只有反射，也就是說，光不能穿過兩個介質(zhì)的分界面而是完全反射回來，稱為全反射。由于光纖纖芯的折射率大于包層的折射率，因此在光纖纖芯中傳播的光只要滿足上述條件，光線就能在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射，成“之”字形向前傳播，從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖傳光原理。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器能在光纖內(nèi)產(chǎn)生全反射的端面入射角的最大允許值，即光纖的數(shù)值孔徑NA，NA=sinθc。數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收性能的一個重要參數(shù)。一般希望光纖有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高。但數(shù)值孔徑大，光信號將產(chǎn)生大的“模色散”，入射光能分布在許多個模式中，各模式的速度不同，導(dǎo)致各個能量分量到達(dá)光纖遠(yuǎn)端的時間不同，信號將發(fā)生嚴(yán)重畸變，所以要適當(dāng)選擇。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器的原理與分類二、光纖傳感器的組成1.光纖傳感器系統(tǒng)包括了光源、光纖、傳感頭、光探測器和信號處理電路五個部分。光源相當(dāng)于一個信號源，負(fù)責(zé)信號的發(fā)射；光纖是傳輸媒介，負(fù)責(zé)信號的傳輸；傳感頭感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器；光探測器負(fù)責(zé)信號轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；信號處理電路的功能是還原外界信息，相當(dāng)于解調(diào)器。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器的性能特點2.與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點如下：（1）抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，耐高壓，本質(zhì)安全，在易燃環(huán)境下安全可靠。由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而光纖又是電絕緣、耐腐蝕的傳輸媒質(zhì)，因而不怕強電磁干擾，也不影響外界的電磁場，并且安全可靠。這使它在各種大型機電、石油化工、冶金、高壓、強電磁干擾、易燃、易爆、強腐蝕環(huán)境能方便而有效地傳感。（2）靈敏度高。利用長光纖和光波干涉技術(shù)使光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器，其中有的已由理論證明，有的已經(jīng)經(jīng)實驗驗證，如測量水聲、加速度、輻射、溫度、磁場等物理量的光纖傳感器。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（3）質(zhì)量輕，體積小，外形可變。光纖除具有質(zhì)量輕、體積小的特點外，可撓曲，幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，因此利用光纖可制成外形各異、尺寸不同的各種光纖傳感器。這有利于航空、航天及狹窄空間的應(yīng)用。（4）測量對象廣泛。目前已有性能不同的測量溫度、壓力、位移、速度、加速度、液面、流量、振動、水聲、電流、電場、磁場、電壓、雜質(zhì)含量、液體濃度、核輻射等各種物理量、化學(xué)量的光纖傳感器在現(xiàn)場使用，還可以與光纖遙測技術(shù)相配合，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和控制。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（5）頻帶寬，測量動態(tài)范圍大。（6）對被測介質(zhì)影響小，這對于醫(yī)藥生物領(lǐng)域的應(yīng)用極為有利。（7）便于復(fù)用，便于成網(wǎng)。由光纖傳感器組成的光纖傳感系統(tǒng)便于與計算機相連接，響應(yīng)快，能實時、在線測量和自動控制，有利于利用現(xiàn)有光通信技術(shù)組成遙測網(wǎng)和光纖傳感網(wǎng)絡(luò)。（8）成本低。有些種類的光纖傳感器的成本將大大低于現(xiàn)有同類傳感器。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器的分類3.（1）按傳感原理分類。光纖傳感器按其傳感原理可分為兩類：一類是功能型，又稱FF型；另一類是非功能型，又稱NF型。這兩類光纖傳感器的基本組成十分相似，都由光源、入射光纖、調(diào)制器、出射光纖和光敏器件組成，但兩者的光纖所起的作用是不同的(調(diào)制器不同)。

功能型光纖傳感器是以光纖自身作為敏感元件來感受被測量的變化，被測量通過使光纖的某些光學(xué)特性發(fā)生變化來實現(xiàn)對光纖傳輸光的調(diào)制，因此功能型光纖傳感器又稱傳感型光纖傳感器，這類傳感器常使用單模光纖。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（2）按調(diào)制光波參數(shù)的不同分類。按光波被調(diào)參數(shù)的不同，光纖傳感器可以分為強度調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器和偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器。（3）按測量對象分類。按測量對象的不同，光纖傳感器可以分為光纖溫度傳感器、光纖速度傳感器、光纖加速度傳感器、光纖濃度傳感器、光纖電流傳感器、光纖流速傳感器等。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器的工作原理4.（1）光纖傳感器的基本工作原理。光纖傳感器的基本工作原理是將光源入射的光束經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)，在調(diào)制區(qū)內(nèi)，外界被測參數(shù)與進入調(diào)制區(qū)的光相互作用，使光的光學(xué)性質(zhì)，如光的強度、波長(顏色)、頻率、相位、偏振態(tài)等發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)光纖送入光敏器件、解調(diào)器而獲得被測參數(shù)。（2）強度調(diào)制光纖傳感器的工作原理。利用外界因素改變光纖中光的強度，通過測量光纖中光強的變化來測量外界被測參數(shù)的原理稱為強度調(diào)制。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（3）頻率調(diào)制光纖傳感器的工作原理。光纖傳感器中的頻率調(diào)制就是利用外界因素改變光纖中光的頻率，通過測量光的頻率的變化來測量外界被測參數(shù)。光的頻率調(diào)制是由多普勒效應(yīng)引起的。所謂多普勒效應(yīng)，簡單地講，就是光的頻率與光接收器和光源之間的運動狀態(tài)有關(guān)，當(dāng)它們之間是相對靜止時，接收到的光頻率為光的振蕩頻率；當(dāng)它們之間有相對運動時，接收到的光頻率與其振蕩頻率發(fā)生了頻移。頻移的大小與相對運動速度的大小和方向都有關(guān)，測量這個頻移就能測量到物體的運動速度。光纖傳感器測量物體的運動速度是基于光纖中的光入射到運動物體上，由運動物體反射或散射的光發(fā)生的頻移與運動物體的速度有關(guān)這一基本原理制成的。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（4）波長(顏色)調(diào)制光纖傳感器的工作原理。光纖傳感器的波長調(diào)制就是利用外界因素改變光纖中光能量的波長分布或光譜分布，通過檢測光譜分布來測量被測參數(shù)。由于波長與顏色直接相關(guān)，因此波長調(diào)制也稱為顏色調(diào)制。其調(diào)制方式有黑體輻射調(diào)制、熒光波長調(diào)制、濾光器波長調(diào)制和熱色物質(zhì)波長調(diào)制。（5）相位調(diào)制光纖傳感器的工作原理。相位調(diào)制光纖傳感器的原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再利用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強度變化，從而檢測出待測的物理量。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器（6）偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器的工作原理。偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器的原理就是利用外界因素改變光的偏振特性，通過檢測光的偏振態(tài)的變化來檢測各種物理量。在光纖傳感器中，偏振態(tài)調(diào)制主要基于人為旋光現(xiàn)象和人為雙折射，如法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)和彈光效應(yīng)等。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器的應(yīng)用實例三、利用光纖傳感器的調(diào)制機理、光纖傳光及調(diào)制方式可以制備出各種光纖傳感器，如光纖加速度傳感器、光纖壓力傳感器、光纖溫度傳感器、光纖磁敏傳感器、光纖輻射劑量傳感器和光纖圖像傳感器等。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖壓力傳感器1.利用壓力使光纖變形，進而影響光纖中傳輸光的強度，構(gòu)成了強度型光纖壓力傳感器。圖5-29（a）所示為光纖壓力傳感器的原理圖，激光經(jīng)過擴束鏡，聚焦注入多模光纖，包層中的非導(dǎo)引模由脫模器（一般涂有黑漆的光纖，長度為數(shù)厘米）去掉，然后進入變形器（一般為5個周期，節(jié)距為3mm）。當(dāng)變形器受外界壓力作用時，光纖的微變程度發(fā)生變化，影響光纖的傳輸能量，通過光探測器測出其變化。這一裝置能檢測的最小位移量為0.8，頻響為20~1100Hz，線性度為1%。為提高檢測的靈敏度，可將光纖盤繞成平面螺旋狀，以增加作用長度，如圖5-29（b）所示。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器圖5-29光纖壓力傳感器的原理與檢測靈敏度的提高方法學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖圖像傳感器2.光纖圖像傳感器是采用傳像束來完成圖像傳感的。傳像束由數(shù)目眾多的玻璃光纖按一定規(guī)則整齊排列而成。一條傳像束包含了數(shù)萬條甚至數(shù)十萬條直徑為10~20μm的光纖，每條光纖傳送一個像元信息。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，然后圖像是作為一組強度與顏色不同的光點進行傳送，并在另一端重建原圖像。傳像束式光纖圖像傳感器在醫(yī)療、工業(yè)、軍事等部門有著廣泛的應(yīng)用。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器在工業(yè)生產(chǎn)過程中，常用工業(yè)用內(nèi)窺鏡來檢查系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)。它采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光束的傳輸可以在系統(tǒng)外部觀察、監(jiān)視系統(tǒng)內(nèi)部情況，其原理如圖5-30所示。圖5-30工業(yè)用內(nèi)窺鏡原理圖學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新型傳感器，可以用來測量多種物理量，如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。學(xué)習(xí)單元四光纖傳感器思考與練習(xí)問題1全反射的原理是什么？光纖是如何實現(xiàn)光的傳輸?shù)?？思考：問題2常見的光纖傳感器有哪些？請舉例說明。思考：學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用光敏傳感器除了前面介紹的基本器件之外，其應(yīng)用技術(shù)也在許多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。本學(xué)習(xí)單元以光柵傳感器和光電角編碼器為例介紹光敏傳感器的其他應(yīng)用技術(shù)。學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用光柵傳感器測量位移一、光柵傳感器（opticalgratingtransducer）指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。光柵是在一塊長條形的光學(xué)玻璃上密集等間距平行的刻線，刻線密度為10~100線/mm，如圖5-31所示。

圖5-31光柵1—光源；2—透鏡；3—指示光柵；

4—標(biāo)尺光柵；5—光敏元件學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用由光柵形成的莫爾條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應(yīng)，因而能提高測量精度。光柵傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強反射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上，這種傳感器的優(yōu)點是量程大和精度高。學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用光柵尺位移傳感器1.光柵尺位移傳感器（簡稱光柵尺）如圖5-32所示，是利用光柵的光學(xué)原理工作的測量反饋裝置。可用作直線位移或者角位移的檢測。其測量輸出的信號為數(shù)字脈沖，具有檢測范圍大、檢測精度高、響應(yīng)速度快的特點。圖5-32光柵尺位移傳感器學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用光柵的有關(guān)概念2.（1）柵距。柵距稱為光柵常數(shù)，用W表示。（2）柵線密度。柵線密度有10線/mm、25線/mm、50線/mm、100線/mm和200線/mm等幾種。（3）角節(jié)距。對于圓光柵來說，兩條相鄰刻線的中心線的夾角稱為角節(jié)距，每周的柵線數(shù)從較低精度的100線到高精度等級的21600線不等。學(xué)習(xí)單元五光敏傳感器的其他應(yīng)用莫爾條紋3.在透