第四章-光電式傳感器.ppt

1、第四章 光電式傳感器,光電式傳感器,應(yīng)用:蜂窩電話,以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。 非接觸 響應(yīng)快 性能可靠,定義,特點(diǎn),光電式傳感器,用于檢測(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； 用來(lái)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。,功能,光電式傳感器,光電式傳感器通常由四部分組成，如圖.圖中 X1 表示被測(cè)量能直接引起光量變化的檢測(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。,光電式傳感器,組成,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和

2、低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,光源,（Lamp-house）,光的特性,光源與光輻射體,一.光的特性,不同波長(zhǎng)光的分布,一.光的特性,光是電磁波譜中的一員; 這些光的頻率(波長(zhǎng))各不相同; 都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性質(zhì)。,不同波長(zhǎng)光的分布,由光的粒子說(shuō)可知， 光是以光速運(yùn)動(dòng)著的粒子(光子)流，一種頻率的光由能量相同的光子所組成，每個(gè)光子的能量 式中 h普郎克常數(shù)，h=6.6261034Js 結(jié)論: 光的頻率愈高(即波長(zhǎng)愈短)，光子的能量愈大。,一.光的特性,主要內(nèi)容,光源,（Lamp-house）,光源與光輻射體,光的特性,

3、二.光源與光輻射體,一.白熾光源 （Incandescence Lamp-house）,二.氣體放電光源,最常用的是鎢絲燈，它的光譜線較豐富，包含可見光與紅外光。使用時(shí)，常加用濾色片來(lái)獲得不同窄帶頻率的光。,氣體放電光源光輻射的持續(xù)，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。,二.光源與光輻射體,三.發(fā)光二極管,發(fā)光二極管是一種電致發(fā)光的半導(dǎo)體器件，它具有體積小、功耗低、壽命長(zhǎng)、響應(yīng)快、便于與集成電路相匹配等優(yōu)點(diǎn)，因此得到廣泛應(yīng)用。,四.激光（Laser）器,激光是新穎的高亮度光，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。激光是相干光源，它有單色性和方向性，能量高度集中

4、。,五、紅外輻射 能全部吸收投射到它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。嚴(yán)格地講，在自然界中，不存在黑體、鏡體與透明體。,二.光源與光輻射體,1、熱輻射體的分類,二.光源與光輻射體,三類輻射體的光譜發(fā)射率和光譜輻射出射度,2、熱輻射的基本規(guī)律,二.光源與光輻射體,1,2,3,4,普朗克公式,維思位移定律,在折射率為n的介質(zhì)中的黑體輻射,斯蒂芬-玻爾茲曼定律,5,紅外輻射與分子能級(jí),二.光源與光輻射體,不同溫度的光譜輻射分布曲線,物質(zhì)分子吸收紅外輻射的條件是：分子在振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)中存在著偶極矩的周期性變化，偶極矩

5、周期性變化的頻率（即振動(dòng)頻率、轉(zhuǎn)動(dòng)頻率）與外來(lái)光子的頻率一致。,二.光源與光輻射體,六、光源特性 光源的輻射特性（例如白熾燈輻射為非相干的朗勃光源，激光器是相干光源）、光譜特性（輻射的中心波長(zhǎng)和譜寬）、光電轉(zhuǎn)換特性（光源的電偏置與光源幅射的光學(xué)特性之間的關(guān)系）以及光源的環(huán)境特性（熱系數(shù)、長(zhǎng)時(shí)間漂移和老化等）是光源的重要參量。,二.光源與光輻射體,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),光電效應(yīng),(photoelectric effect),光電效應(yīng),(photoelectric effect)

6、,光電效應(yīng)實(shí)驗(yàn)裝置圖,光電效應(yīng),(photoelectric effect),可制作位移，振動(dòng)，轉(zhuǎn)速傳感器傳感器。 外光電效應(yīng) 內(nèi)光電效應(yīng),物質(zhì)在光的作用下釋放電子的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng),是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。 釋放的電子稱為光電子，光電子在外電場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)電流稱為光電流。,定義,應(yīng)用,分類,主要內(nèi)容,光電效應(yīng)及器件,外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),一外光電效應(yīng),(external photoelectric effect),外光電效應(yīng)- External photoelectric effect 外光電效應(yīng)是指在光的照射下，物體內(nèi)的光電子逸出金屬表面的現(xiàn)象。1887

7、年由德國(guó)人赫茲發(fā)現(xiàn)。,定義,應(yīng)用,分類,面效應(yīng)- surface effect 物質(zhì)在光的作用下釋放光電子，光電子在金屬表面形成。 體效應(yīng)- bulk effect 物質(zhì)在光的作用下釋放光電子，光電子在金屬表面較深處形成。,可制作光電管、光電倍增管傳感器,根據(jù)愛因斯坦假設(shè): 一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量. 要使一個(gè)電子從物體表面逸出， 必須使光子能量大于該物體的表面逸出功A。 各種不同的材料具有不同的逸出功A， 因此對(duì)某特定材料而言， 將有一個(gè)頻率限o(或波長(zhǎng)限o)，稱為“紅限”:,一外光電效應(yīng),(external photoelectric effect),一外光電效應(yīng),(external

8、 photoelectric effect),紅限波長(zhǎng)可用下式求得： 當(dāng)入射光的頻率低于o時(shí)(或波長(zhǎng)大于o)，不論入射光有多強(qiáng)，也不能激發(fā)電子； 當(dāng)入射頻率高于o時(shí)，不管它多么微弱也會(huì)使被照射的物體激發(fā)電子，光越強(qiáng)則激發(fā)出的電子數(shù)目越多。 ,式中 c光速,一外光電效應(yīng),基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有:,光電倍增管,光電管,(external photoelectric effect),光電管,光電管種類很多，它是個(gè)裝有光陰極和陽(yáng)極的真空玻璃管 ，結(jié)構(gòu)如圖所示。,一.光電管,結(jié)構(gòu),光電管受光照發(fā)射電子,陽(yáng)極通過(guò)RL與電源連接在管內(nèi)形成電場(chǎng)。光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)恼丈浜蟊惆l(fā)射光電子，這些光電子

9、在電場(chǎng)作用下被具有一定電位的陽(yáng)極吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流。電阻RL上產(chǎn)生的電壓降正比于空間電流，其值與照射在光電管陰極上的光成函數(shù)關(guān)系。,一.光電管,原理,在玻璃管內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽(yáng)極外，尚裝有若干個(gè)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(jí)倍增極發(fā)射的電子繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極。在每個(gè)倍增極間均依次增大加速電壓。設(shè)每級(jí)的培增率為，若有n級(jí)，則光電倍增管的光電流倍增率將為n。,二.光電倍增管,主要內(nèi)容,光電效應(yīng)及器件,外光電效應(yīng),內(nèi)光電效應(yīng),熱探測(cè)器,內(nèi)光電效應(yīng)- (Internal photoelectric effe

10、ct) 受光照物體電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。 光子能量必須大于材料的禁帶寬度Eg才能產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)。 內(nèi)光電效應(yīng)的臨界波長(zhǎng)o=1293/Eg (nm)。通常純凈半導(dǎo)體的禁帶寬度為1eV左右。,定義,二內(nèi)光電效應(yīng),(Internal photoelectric effect),分類,二內(nèi)光電效應(yīng),物體受到光照時(shí)，其內(nèi)部原子釋放的電子留在內(nèi)部而使物體的導(dǎo)電性增加、電阻值下降的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。 可制作光敏電阻（光電導(dǎo)管）傳感器. 物體（如半導(dǎo)體）在光的照射下能產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng) 可制作光電池、光敏二極管、光敏三極管和半導(dǎo)體位置敏感器件傳感器.,pho

11、to-conductive effect,photoproduction volta effect,光電導(dǎo)效應(yīng),光生伏特效應(yīng),(Internal photoelectric effect),分類,二內(nèi)光電效應(yīng),photo-conductive effect,photoproduction volta effect,光電導(dǎo)效應(yīng),光生伏特效應(yīng),(Internal photoelectric effect),photo-conductive effect,光電導(dǎo)效應(yīng),光敏電阻,(photo resistors),光敏二極管,(photodiode),光敏三極管,(photo transistors)

12、,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。,為了提高光敏電阻的靈敏度，應(yīng)盡量減小電極間的距離。對(duì)于面積較大的光敏電阻，通常采用光敏電阻薄膜上蒸鍍金屬形成梳狀電極，,光敏電阻,(photo resistors),光電二極管原理圖,PN結(jié)可以光電導(dǎo)效應(yīng)工作,也可以光生伏特效應(yīng)工作。,光敏二極管與光電池,光敏二極管與光電池,光伏型探測(cè)器的幾何模型,P-N結(jié)光二極管工作簡(jiǎn)圖,光敏三極管,(photo transistors),原理,利用輻射的熱效應(yīng)，通過(guò)熱電變換來(lái)探測(cè)輻射 . 最常用的有電阻溫度效應(yīng)（熱敏電阻）、溫差電效應(yīng)（熱電偶、熱電堆）和熱釋電效應(yīng)。,熱探測(cè)器,熱敏電阻,直流工作的

13、橋式輻射熱測(cè)量探測(cè)器電路,輻射熱測(cè)量計(jì)電路,熱敏電阻,熱釋電探測(cè)器,熱釋電探測(cè)器原理電路及等效電路 （a）原理電路；（b）等效電路,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),第三節(jié) 光電器件的特性,光電器件的靈敏度可用此光照特性來(lái)表征，它反映了光電器件輸入光量和輸出光電流之間的關(guān)系。 光照特性常常用響應(yīng)率R來(lái)表示。對(duì)于光生電流器件，輸出電流Ip和光輸出功率Pi之比，稱為電流響應(yīng)率Ri。即 Ri=Ip/Pi 對(duì)于光生伏特器件，輸出電壓Vp和光輸出功率Pi之比，稱為電壓響應(yīng)率Rv，即 Rv=Vp/P

14、i,光照特性,第三節(jié) 光電器件的特性,光敏電阻,光敏二極管,硅光電池,光照特性,由光譜特性可知，為提高光電傳感器的靈敏度，對(duì)包含光源與光電器件的傳感器，應(yīng)根據(jù)光電器件的光譜特性選擇相匹配的光源和光電器件。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。,光譜特性,第三節(jié) 光電器件的特性,響應(yīng)時(shí)間,光電器件的響應(yīng)時(shí)間反映它的動(dòng)態(tài)特性。響應(yīng)時(shí)間小，表示動(dòng)態(tài)特性好。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。,峰值探測(cè)率源出于紅外探測(cè)器，后來(lái)沿用到其他光電器件。無(wú)光照時(shí)，器件固有的散粒噪聲以及前置放大器輸入端的熱噪聲使光探測(cè)器件產(chǎn)生輸出-常常以噪聲等效功

15、率Pne表示。 Pne定義為：產(chǎn)生與器件暗電流大小相等的光電流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能產(chǎn)生信號(hào)噪聲比為1的輻射功率值。 Pne與光敏器件的有效光敏面積A和探測(cè)系統(tǒng)帶寬f有關(guān)系，而且是平方律關(guān)系。因此探測(cè)器件的性能常用峰值探測(cè)率D表示，D值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。,峰值探測(cè)率,第三節(jié) 光電器件的特性,在室溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變化，因此高精度檢測(cè)時(shí)有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或者使它在恒定溫度下工作。,溫度特性,第三節(jié) 光電器件的特性,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激

16、光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),噪聲,探測(cè)器噪聲的類型,低噪聲電子設(shè)計(jì),一.噪 聲,噪聲是指探測(cè)器、電路元件產(chǎn)生的隨機(jī)電起伏。,隨機(jī)噪音的記錄圖,我們可以用一定時(shí)間間隔內(nèi)，電壓（或電流）的均方根差來(lái)表示噪聲電壓（或噪聲電流）。 ,一.噪 聲,主要內(nèi)容,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),噪聲,探測(cè)器噪聲的類型,低噪聲電子設(shè)計(jì),二.探測(cè)器噪聲的類型,光導(dǎo)體中總噪聲譜隨頻譜變化的曲線,二.探測(cè)器噪聲的類型,Johnson噪聲; 溫度噪聲; 噪聲; 產(chǎn)生-復(fù)合噪聲; 散彈噪聲;,探測(cè)器噪聲從機(jī)理上區(qū)分大致有以下幾類：,主要內(nèi)容,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),噪聲,探測(cè)器噪聲的類型,低噪聲電子

17、設(shè)計(jì),三.低噪聲電子設(shè)計(jì),A、噪聲系數(shù),噪聲系數(shù)也叫噪聲因素，是器件或電路對(duì)于噪聲 的品質(zhì)因素。,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),噪聲系數(shù)是放大器引起的信噪比惡化程度的量度。,如果第一級(jí)增益高時(shí)，級(jí)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的噪聲系統(tǒng)主要受第一級(jí)噪 聲的影響。探測(cè)器信號(hào)放大電路的第一級(jí)通常為高增益的低噪聲 放大器，稱為前置放大器，后級(jí)主放大器增益較低，對(duì)低噪聲 的要求也較低。,B、最佳源電阻,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),分析如下兩圖,放大器的噪聲模型和信號(hào)源,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),分析兩圖可知：放大器噪聲系數(shù)與源電阻有關(guān),三.低噪聲電子設(shè)計(jì),C、晶體管噪聲,輸入晶體管是影響讀出電路噪聲的主要因素。,用于低噪聲放大的晶體管有雙極晶體管（

18、BJT）、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管(JFET)和金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）。MOSFET的工作溫度范圍、功率和噪聲特性較好，許多現(xiàn)代讀出集成電路都是由用CMOS工藝制造的MOSFET和其他組件組成。,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),D、常用前置放大器的噪聲,前置放大器通常采用電壓放大和電流電壓放大（互阻抗）兩種形式。,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),對(duì)于探測(cè)器、放大器組件，總的均方根噪聲 功率是放大器噪聲、探測(cè)器噪聲和光子噪聲功率 之和：,三.低噪聲電子設(shè)計(jì),E、微弱信號(hào)檢測(cè)（Weak Signal Detection）技術(shù)概述,1、相干檢測(cè),2、時(shí)域信號(hào)的平均處理,3、離散信號(hào)的計(jì)數(shù)處理,主要內(nèi)容,光源與光輻射體

19、,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,新型光電檢測(cè)器的類型,量子阱探測(cè)器,光位置傳感器,光電磁探測(cè)器,固態(tài)圖像傳感器,光位置傳感器原理,一.光位置傳感器,器件，結(jié)構(gòu),等效電路,一.光位置傳感器,讀取電路框圖,光平面位置測(cè)試器原理,一.光位置傳感器,主要內(nèi)容,新型光電檢測(cè)器的類型,光位置傳感器,量子阱探測(cè)器(QWIP),光電磁探測(cè)器,固態(tài)圖像傳感器,量子阱探測(cè)器(QWIP)：將兩種半導(dǎo)體材料A和B用人工方法薄層交替生長(zhǎng)形成超晶格，在其界面，能帶有突變。電子和空穴被限制在低勢(shì)能阱A層內(nèi)，能量量子化，稱為量子阱

20、。利用量子阱中能級(jí)電子躍遷原理可以做紅外探測(cè)器。,二.量子阱探測(cè)器(QWIP),主要內(nèi)容,新型光電檢測(cè)器的類型,光位置傳感器,光電磁探測(cè)器,量子阱探測(cè)器(QWIP),固態(tài)圖像傳感器,三.光電磁探測(cè)器,光磁電（PEM）效應(yīng),主要內(nèi)容,新型光電檢測(cè)器的類型,光位置傳感器,固態(tài)圖像傳感器,量子阱探測(cè)器(QWIP),光電磁探測(cè)器,四.固態(tài)圖像傳感器,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，它與傳統(tǒng)的電子束掃描真空攝像管相比，具有體積小、重量輕、使用電壓低（20V）、可靠性高和不需要強(qiáng)光照明等優(yōu)點(diǎn)。因此，在軍用、工業(yè)控制和民用電器中均有廣泛使用。,分類,固態(tài)圖像傳感器,CCD圖像傳感器,光敏

21、二極管CMOS圖像傳感器,高速光電器件,利用電荷耦合技術(shù)組成的圖像傳感器稱為電荷耦合圖像傳感器，它由成排的感光元件與電荷耦合移位寄存器等構(gòu)成，電荷耦合圖像傳感器通?？煞譃榫€型傳感器和面型傳感器。,CCD圖像傳感器,線型CCD圖像傳感器,一種面型CCD圖像傳感器結(jié)構(gòu),面型CCD圖像傳感器,光敏二極管CMOS圖像傳感器,CMOS的兩種像素結(jié)構(gòu),CMOS芯片組成框圖,光敏二極管CMOS圖像傳感器,PIN-PD具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、線性較好等特點(diǎn)，適用于光通信和光測(cè)量技術(shù)。 雪崩二極管具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度，但輸出線性較差，故它特別適用于光通信中脈沖編碼的工作方式。,高速光電器件,PIN結(jié)光電

22、二極管（PIN-PD）,雪崩式光電二極管（APD）,APD的結(jié)構(gòu)原理,高速光電器件,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,激光傳感技術(shù),干涉測(cè)試技術(shù),衍射測(cè)試技術(shù),激光多普勒測(cè)速技術(shù),一、干涉測(cè)試技術(shù),幾種常見干涉儀及其在測(cè)試中的應(yīng)用：,1、邁克爾遜干涉儀,一、干涉測(cè)試技術(shù),2、馬赫-曾特爾干涉儀,一、干涉測(cè)試技術(shù),3、薩格納克干涉儀,一、干涉測(cè)試技術(shù),4、法布里-珀羅干涉儀,主要內(nèi)容,激光傳感技術(shù),衍射測(cè)試技術(shù),干涉測(cè)試技術(shù),激光多普勒測(cè)速技術(shù),二、衍射測(cè)試技術(shù),激光衍射測(cè)試方法

23、的基本原理是利用了夫朗和費(fèi)衍射效應(yīng)。,夫朗和費(fèi)衍射,二、衍射測(cè)試技術(shù),我們以夫朗和費(fèi)單縫衍射為例來(lái)說(shuō)明激光衍射測(cè)試的基本原理。,夫朗和費(fèi)單縫衍射測(cè)量原理,二、衍射測(cè)試技術(shù),這就是衍射測(cè)試方法的基本原理，上面兩式即 為衍射計(jì)量的基本公式。,主要內(nèi)容,激光傳感技術(shù),干涉測(cè)試技術(shù),激光多普勒測(cè)速技術(shù),衍射測(cè)試技術(shù),三、激光多普勒測(cè)速技術(shù),1、光學(xué)多普勒效應(yīng)測(cè)速的基本原理,光學(xué)多普勒效應(yīng),三、激光多普勒測(cè)速技術(shù),2、光學(xué)多普勒頻移的測(cè)量光外差方法,激光多普勒測(cè)速方法包括用激光作為光源，將被測(cè)運(yùn)動(dòng)物,體散射（或反射）的具有多普勒頻移的光波送入探測(cè)器進(jìn)行外差檢測(cè)，,探測(cè)器輸出的信號(hào)通過(guò)電子線路處理，最后輸

24、出多普勒頻移量或直接,輸出運(yùn)動(dòng)物體的速度值。,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,光纖傳感器,光纖傳感器基礎(chǔ),光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?光纖傳感器,主要內(nèi)容,光纖傳感器,光纖傳感器基礎(chǔ),光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?光的全反射現(xiàn)象是光纖傳光原理的基礎(chǔ)。,一.光纖傳感器基礎(chǔ),光纖波導(dǎo)原理,根據(jù)幾何光學(xué)原理，當(dāng)光線以較小入射角1由光密介質(zhì)1射向光疏介質(zhì)2(n1n2)時(shí)(見圖9.2)，一部分入射光以折射角2折射入介質(zhì)2，其余部分仍

25、以1反射回介質(zhì)1。 依據(jù)光折射和反射的斯涅爾(Snell)定律，有：,一.光纖傳感器基礎(chǔ),當(dāng)1角逐漸增大直至1=c時(shí)，透射入介質(zhì)2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?2=90)。對(duì)應(yīng)于2=90時(shí)的入射角1稱為臨界角c；由上式有,一.光纖傳感器基礎(chǔ),因此，當(dāng)1c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。這就是光纖傳光的工作基礎(chǔ)。,9.1 光纖傳感器基礎(chǔ),一.光纖傳感器基礎(chǔ),光線由折射率為n0的外界介質(zhì)(空氣n0=1)射入纖芯時(shí)實(shí)現(xiàn)全反射的臨界角(始端最大入射角),NA定義為“數(shù)值孔徑”，是衡量光纖集光性能的主要參數(shù)。它表示：無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只

26、有2c0張角內(nèi)的光，才能被光纖接收、傳播(全反射)；NA愈大，光纖集光能力愈強(qiáng)。,一.光纖傳感器基礎(chǔ),光纖的特性,一.光纖傳感器基礎(chǔ),信號(hào)通過(guò)光纖時(shí)的主要特性,損耗,色散,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 a（dB/km)可用下式計(jì)算：,一.光纖傳感器基礎(chǔ),損耗,引起光纖損耗的因素可歸結(jié)為吸收損耗和散射損耗兩類。 物質(zhì)的吸收作用使傳輸?shù)墓饽茏兂蔁崮?，造成光功能的損失。 散射損耗是由于光纖的材料及其不均勻性或其幾何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率隨機(jī)性變化所致。 光導(dǎo)纖維的彎曲也會(huì)造成散射損耗。,9.1 光纖傳感器基礎(chǔ),一.

27、光纖傳感器基礎(chǔ),光纖的色散是表征光纖傳輸特征的一個(gè)重要參數(shù)，它反映傳輸帶寬，關(guān)系到通訊信息的容量和品質(zhì)。 光纖的色散就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。 光纖色散分三種： 材料色散、波導(dǎo)色散、多模色散,色散,一.光纖傳感器基礎(chǔ),材料色散 材料的折射率隨光波長(zhǎng)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cg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、

28、群速度不同而產(chǎn)生的色散。,一.光纖傳感器基礎(chǔ),光纖傳感器一般分為兩大類,1、功能型傳感器,2、非功能傳感器,又稱FF型光纖傳感器，利用光纖本身特性，把光纖作為敏感元件，所以又稱傳感型光纖傳感器。,又稱NF型光纖傳感器，利用其他敏感元件感受被測(cè)量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，用以傳輸來(lái)自遠(yuǎn)處或難以接近場(chǎng)所的光信號(hào)，所以也稱傳光型光纖傳感器。,一.光纖傳感器基礎(chǔ),光纖式傳感器的分類,主要內(nèi)容,光纖傳感器,光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),光纖傳感器基礎(chǔ),光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?微彎損耗強(qiáng)度調(diào)制器的原理如圖。當(dāng)垂直于光纖軸線的應(yīng)力使光纖發(fā)生彎曲時(shí)，傳輸光有一部分會(huì)泄漏到包層中去。,二.光纖傳感器中幾

29、種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),微彎效應(yīng),外調(diào)制技術(shù)的調(diào)制環(huán)節(jié)通常在光纖外部，因而光纖本身只起傳光作用。這里光纖分為兩部分：發(fā)送光纖和接收光纖。兩種常用的調(diào)制器是反射器和遮光屏。,二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),光強(qiáng)度的外調(diào)制,利用折射不同進(jìn)行光強(qiáng)度調(diào)制的原理包括：利用被測(cè)物理量引起傳感材料折射率的變化；利用漸逝場(chǎng)耦合；利用折射率不同的介質(zhì)之間的折射與反射。,二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),折射率光強(qiáng)度調(diào)制,調(diào)制原理,二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),普克耳（Pockels）效應(yīng),法拉第磁光效應(yīng),光彈效應(yīng),二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),普克耳（Pockels）效應(yīng),如圖所

30、示，當(dāng)壓電晶體受光照射并在其正交方向上加以高電壓，晶體將呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象普克耳效應(yīng)。在晶體中，兩正交的偏振光的相位變化：,平面偏振光通過(guò)帶磁性的物體時(shí)，其偏振光面發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為法拉第磁光效應(yīng)，光矢量旋轉(zhuǎn)角：,9.2 光調(diào)制與解調(diào)技術(shù),法拉第磁光效應(yīng),二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),在垂直于光波傳播方向施加應(yīng)力，材料將產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，其強(qiáng)弱正比于應(yīng)力。這種現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。偏振光的相位變化：,二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),光彈效應(yīng),二.光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),解調(diào)原理,渥拉斯頓棱鏡,偏振矢量示意圖,偏振矢量示意圖,偏振矢量示意圖,主要內(nèi)容,光纖傳感器,光纖干涉

31、傳感器原理,光纖傳感器基礎(chǔ),光纖傳感器中幾種常用的光強(qiáng)調(diào)制技術(shù),三.光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?（a）邁克爾遜干涉儀；（b）馬赫-澤德爾干涉儀 （c）賽格納克干涉儀；（d）法布里-伯羅干涉儀,主要內(nèi)容,光源與光輻射體,光電效應(yīng)及器件,光電器件的特性,探測(cè)器噪聲和低噪聲電子設(shè)計(jì),光電式傳感器,光纖傳感器,新型光電檢測(cè)器,激光傳感技術(shù),主要內(nèi)容,光電式傳感器,光電式傳感器的類型,激光傳感技術(shù)實(shí)例,光電尺寸測(cè)量舉例,光纖傳感器實(shí)例,機(jī)器人視覺傳感器,光電式傳感器的類型,光電式傳感器的類型,模擬式光電傳感器,開關(guān)式光電傳感器,一.模擬式光電傳感器,圖 光電傳感器的工作方式,一.模擬式光電傳感器,直射式光電傳感

32、器,反射式光電傳感器,反射式光電傳感器示意圖,(a)為正反射接收型，用于檢測(cè)淺小的缺陷，靈敏度較高； (b)為非正反射接收型，用于檢測(cè)較大的幾何缺陷； (c)是利用反射法測(cè)量工件尺寸或表面位置的示意圖,一.模擬式光電傳感器,這種傳感器將被測(cè)對(duì)象作為光閘， 主要用于測(cè)小孔、狹縫、細(xì)絲直徑等。,一.模擬式光電傳感器,圖(a)表示轉(zhuǎn)軸上涂黑白兩種顏色的工作方式。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電元件間斷地接收反射光信號(hào)，輸出電脈經(jīng)放大整形電路轉(zhuǎn)換成方波信號(hào)，由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)得電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 圖(b)為電機(jī)軸上固裝一齒數(shù)為z的調(diào)制盤的工作方式。其工作原理與圖(a)相同。若頻率計(jì)的計(jì)數(shù)頻率為f，由下式

33、 即可測(cè)得轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n(r/min)。,二.開關(guān)式光電傳感器,螺紋圓柱型,方形,圓柱型系列,槽形,二.開關(guān)式光電傳感器,螺紋圓柱型,方形,圓柱型系列,槽形,二.開關(guān)式光電傳感器,主要內(nèi)容,光電式傳感器,光電尺寸測(cè)量舉例,激光傳感技術(shù)實(shí)例,光電式傳感器的類型,光纖傳感器實(shí)例,機(jī)器人視覺傳感器,尺寸測(cè)量的基本原理,二.光電尺寸測(cè)量舉例,外徑檢測(cè)系統(tǒng),二.光電尺寸測(cè)量舉例,主要內(nèi)容,光電式傳感器,激光傳感技術(shù)實(shí)例,光電尺寸測(cè)量舉例,光電式傳感器的類型,光纖傳感器實(shí)例,機(jī)器人視覺傳感器,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,激光位移干涉儀,激光位移干涉儀通常采用經(jīng)典的邁克爾遜干涉儀結(jié)構(gòu)，光源的相干性和亮度均較好. 在實(shí)

34、際測(cè)量中，通常將一個(gè)反射鏡固定不動(dòng)，另一反射鏡與被測(cè)件相連，當(dāng)被測(cè)件沿測(cè)量臂光束方向移動(dòng)時(shí)，即可出現(xiàn)干涉條紋的移動(dòng)。干涉條紋移動(dòng)N條時(shí)，位移為,采用角隅棱鏡的光路,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,雙頻激光外差干涉儀,雙頻激光外差干涉儀光路,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,激光衍射測(cè)試技術(shù),間隙計(jì)量法,間隙計(jì)量法,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,激光衍射測(cè)試技術(shù),互補(bǔ)測(cè)定法,根據(jù)巴俾涅原理，互補(bǔ)的衍射屏產(chǎn)生的夫朗和費(fèi)衍射圖樣是相同的，因此，如果用細(xì)絲或薄帶代替間隙，可以得到與單縫相同的夫朗和費(fèi)衍射圖樣，測(cè)量出衍射暗紋位置，就可以計(jì)算出細(xì)絲直徑或薄帶寬度。,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,參考光束型光路,參考光與信號(hào)光之間的頻差:,激光

35、多普勒測(cè)速,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,激光多普勒測(cè)速方向的判斷,移相法,移頻法,三.激光傳感技術(shù)實(shí)例,移相法,移相法判斷速度方向的光路,移頻法,頻率速度關(guān)系,主要內(nèi)容,光電式傳感器,光纖傳感器實(shí)例,光電尺寸測(cè)量舉例,光電式傳感器的類型,激光傳感技術(shù)實(shí)例,機(jī)器人視覺傳感器,光纖角速度傳感器又名光纖陀螺，其理論測(cè)量精度遠(yuǎn)高于機(jī)械和激光陀螺儀，它以塞格納克效應(yīng)為其物理基礎(chǔ)。對(duì)于N匝光纖，塞格納克相移為,四.光纖傳感器實(shí)例,光纖角速度傳感器（光纖陀螺）,轉(zhuǎn)速測(cè)量的誤差是由光散粒噪聲決定的，輸出光電流可參考激光多普勒光外差公式計(jì)算。圖4-72所示為光電流與相移分強(qiáng)度噪聲iN與相移誤差卻的關(guān)系，光散粒噪聲可按下列公式計(jì)算,光纖角速度傳感器（光纖陀螺）,四.光纖傳感器實(shí)例,光纖角速度傳感器（光纖陀螺）,光電探