第七章-光電式傳感器

第七章光電式傳感器

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。7.1光電效應(yīng)7.2光電器件7.4光纖傳感器7.5光柵式傳感器7.1光電效應(yīng)

由光的粒子學(xué)說可知，光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收了能量為E的光后，轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類7.1.1外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）

根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。

外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。根據(jù)能量守恒定理該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。（1）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A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。

光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。（2）當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。（3）光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

（1）光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。7.1.2內(nèi)光電效應(yīng)過程：當(dāng)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，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg

材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。

為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即

（2）

光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。①勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）。接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。②側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。1、光電管及其基本特性a.結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。7.2光電器件一外光電效應(yīng)器件光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽極光電陰極光窗b.主要性能

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1）

光電管的伏安特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。光電管的伏安特性5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012陽極與末級倍增極間的電壓/VIA/μA（2）

光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.512、光電倍增管

當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大。

由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達幾萬倍到幾百萬倍。結(jié)構(gòu)和工作原理入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極

光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。

利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件，常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。1、光敏電阻光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強而減小。優(yōu)點：靈敏度高，光譜響應(yīng)范圍寬，體積小、重量輕、機械強度高，耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等。不足：需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。二內(nèi)光電效應(yīng)器件1.光敏電阻的工作原理和結(jié)構(gòu)

管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴散到內(nèi)部去，但擴散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。A金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖光導(dǎo)電材料絕緣襯低引線電極引線光電導(dǎo)體1--光導(dǎo)層;2--玻璃窗口;3--金屬外殼;4--電極;5--陶瓷基座;6--黑色絕緣玻璃;7--電阻引線。RG1234567(a)結(jié)構(gòu)(b)電極(c)符號它是在一定的掩模下向光電導(dǎo)薄膜上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極，由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積，所以提高了光敏電阻的靈敏度。圖（c）是光敏電阻的代表符號。CdS光敏電阻的結(jié)構(gòu)和符號

光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小，其連線電路如圖所示。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。

RGRLEI2.光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。

光敏電阻的暗電阻越大，而亮電阻越小則性能越好。也就是說，暗電流越小，光電流越大，這樣的光敏電阻的靈敏度越高。實用的光敏電阻的暗電阻往往超過1MΩ,甚至高達100MΩ，而亮電阻則在幾kΩ以下，暗電阻與亮電阻之比在102～106之間，可見光敏電阻的靈敏度很高。

（2）光照特性下圖表示CdS光敏電阻的光照特性。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流和光通量之間的關(guān)系。不同類型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線均呈非線性。因此它不宜作定量檢測元件，這是光敏電阻的不足之處。一般在自動控制系統(tǒng)中用作光電開關(guān)。012345I/mAL/lx10002000二、光電池

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。命名方式：

把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。硅光電池是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。1.光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光PN－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖(b)光電池的工作原理示意圖I光PN光電池的表示符號、基本電路及等效電路如圖所示。(a)IU(b)

光電池符號和基本工作電路L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池（1）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2.基本特性開路電壓短路電流短路電流短路電流，指外接負載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0三、光敏二極管和光敏三極管

光敏二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。1.光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài).PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線

光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流．當(dāng)光照射時，光敏二極管的工作原理與光電池的工作原理很相似。當(dāng)光不照射時，光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。光敏二極管的反向偏置接法

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，所以反向電流很小，這時的電流稱為暗電流，相當(dāng)于普通二極管的反向飽和漏電流。當(dāng)光照射在二極管的PN結(jié)（又稱耗盡層）上時，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的電子-空穴對數(shù)量也隨之增加，光電流也相應(yīng)增大，光電流與照度成正比。

光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁圖）及光電特性演示

在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。

當(dāng)光照增加時，光電流IΦ與光照度成正比關(guān)系。

光敏二極管的反向偏置接法UO+—光照2.光敏三極管光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益,只是它的發(fā)射極一邊做的很大,以擴大光的照射面積,且其基極不接引線。PPNNNPeb

bcRLEec光敏晶體管的光照特性I/μAL/lx200400600800100001.02.03.0（3）光照特性

光敏三極管的光照特性如圖所示。它給出了光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈現(xiàn)了近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大(幾klx)時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)元件。

光纖傳感器可以分為兩大類:一類是功能型（傳感型）傳感器;另一類是非功能型（傳光型）傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件,被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制,使傳輸?shù)墓獾膹姸?、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化,再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào),從而得出被測信號。非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化,光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm,很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度,僅能維持一種模式傳播,一般相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器采用單模光纖;光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。7.4光纖傳感器

為了滿足特殊要求,出現(xiàn)了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結(jié)構(gòu)的專用光纖是光纖傳感技術(shù)發(fā)展的方向。

7.4.1光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

1．光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光纖,目前基本上還是采用石英玻璃,其結(jié)構(gòu)示于下圖。中心的圓柱體叫纖芯,圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2,在包層外面還常有一層保護套,多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì),而光纖的機械強度由保護套維持。光纖結(jié)構(gòu)簡圖

2．光纖的傳輸原理

眾所周知,光在空間是直線傳播的。在光纖中,光的傳輸限制在光纖中,并隨光纖能傳送到很遠的距離,光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長大很多時,可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。設(shè)有一段圓柱形光纖,如圖所示,它的兩個端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θ角時,根據(jù)斯涅耳光的折射定律,在光纖內(nèi)折射成θ′,然后以φ角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射,則纖芯與界面的光線入射角φ應(yīng)大于臨界角φc,即

φ≥φc=arcsin

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。為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射,光入射到光纖端面的臨界入射角θc應(yīng)滿足下式:

所以

實際工作時需要光纖彎曲,但只要滿足全反射條件,光線仍繼續(xù)前進?？梢娺@里的光線“轉(zhuǎn)彎”實際上是由光的全反射所形成的。一般光纖所處環(huán)境為空氣,則n0=1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射,在光纖端面上的光線入射角為

θ≤θc=arcsin

說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA,即

NA=sinθc=

數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是:無論光源發(fā)射功率有多大,只有入射光處于2θc的光錐內(nèi),光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大,如圖中角θr,經(jīng)折射后不能滿足要求,光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的一個重要參數(shù)。一般希望有大的數(shù)值孔徑,這有利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑過大,會造成光信號畸變,所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。

7.4.3光纖傳感器的實際應(yīng)用光纖傳感器由于它的獨特的性能而受到廣泛的重視,它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。光纖傳光原理

１．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時,由于質(zhì)量塊M對光纖的作用,從而使光纖被拉伸,引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。光纖加速度傳感器原理圖

２．光纖溫度傳感器

光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器,圖為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖,它的敏感元件是一個半導(dǎo)體光吸收器,光纖用來傳輸信號。傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成。它體積小、靈敏度高、工作可靠,廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合。

光纖溫度傳感器

這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性,如圖所示,材料的吸收光波長將隨溫度增加而向長波方向移動,如果適當(dāng)?shù)剡x定一種波長在該材料工作范圍內(nèi)的光源,那么就可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強隨溫度而變化,從而達到測量溫度的目的。這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用,可在-10~300℃的溫度范圍內(nèi)進行測量,響應(yīng)時間約為2s。３．光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入流管,當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時,光纖受到流體渦流的作用而振動,振動的頻率與流速有關(guān)系,測出頻率便可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。半導(dǎo)體光透過率特性光纖旋渦流量傳感器

當(dāng)流體流動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時,根據(jù)流體力學(xué)原理,在某些條件下,在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦,其旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即

f≈式中:v——流速;d——流體中物體的橫向尺寸大小;S——斯特羅哈（Strouhal）數(shù),它是一個無量綱的常數(shù),僅與雷諾數(shù)有關(guān)。上式是旋渦流體流量計測量流量的基本理論依據(jù)。由此可見,流體流速與渦流頻率呈線性關(guān)系。

在多模光纖中,光以多種模式進行傳輸,在光纖的輸出端,各模式的光就形成了干涉花樣,這就是光斑。一根沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的,當(dāng)光纖受到外界擾動時,干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾動是由流體的渦流引起的,那么干涉圖樣的斑紋或斑點就會隨著振動的周期變化來回移動,這時測出斑紋或斑點移動,即可獲得對應(yīng)于振動頻率f的信號,根據(jù)式推算流體的流速。這種流量傳感器可測量液體和氣體的流量,因為傳感器沒有活動部件,測量可靠,而且對流體流動不產(chǎn)生阻礙作用,所以壓力損耗非常小。這些特點是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的。7.5.1結(jié)構(gòu)與分類

1.定義：

等節(jié)距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)元件

在玻璃尺或玻璃盤上類似于刻線標(biāo)尺或度盤那樣，進行長刻線（一般為10-12mm）的密集刻劃，得到如圖所示的黑白相間、間隔相同的細小條紋，沒有刻劃的白的地方透光，刻劃的發(fā)黑，不透光。這就是光柵。7.5光柵傳感器2.分類

實際上，光柵很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，但應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域只有一百多年的歷史。早期人們利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜、測定波長，這種光柵稱之為物理光柵；到了20世紀(jì)50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象測量精密位移，人們把這種光柵稱為計量光柵，以示區(qū)別。按形狀和用途，光柵可分為長光柵和圓光柵兩種。長光柵---直線位移；圓光柵---角位移

按運動形式分：直線型---主光柵為直尺形→直線移動旋轉(zhuǎn)型---主光柵為圓盤形→旋轉(zhuǎn)運動按光學(xué)形式分：透射式---光源與光電元件在兩側(cè)→透射光反射式---光源與光電元件同一側(cè)→反射光反射式光柵透射式光柵透射式圓光柵固定3.基本結(jié)構(gòu)構(gòu)成：主光柵---標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵長度---測量范圍；刻線密度---測量精度(10、25、50、100、125線/mm)4.基本參數(shù)

光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般都取a=b，而W＝a+b，如圖所示。W稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù)或光柵的節(jié)距)，它是光柵的重要參數(shù)。

長光柵柵線的疏密(即柵距W的大小)常用每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)(也稱柵線密度)表示。例如W＝0.02mm，其柵線密度為50線／mm。7.5.2工作原理