第五講 光學類傳感器原理及應用

1、第五講第五講 光學類傳感器原理及應用光學類傳感器原理及應用 光學傳感器光源；半導體色敏傳感 器；光纖傳感器；固態(tài)圖像傳感器； 熱釋電紅外傳感器； 第一節(jié) 光學傳感器基礎 光譜范圍：10106nm 波長(nm) 10 102 103 104 105 106 名稱 遠紫外區(qū)域 紫外區(qū)域 可見光區(qū)域，近紅外區(qū)域 紅外區(qū)域 遠紅外區(qū)域 一、光學傳感器類型一、光學傳感器類型 對光學波段的入射電磁輻射產(chǎn)生輸出的傳感器，稱為 光學傳感器，或光學探測器。 按探測機理分為兩大類型：光子（量子）探測光傳感 器和熱探測光傳感器 光子探測光傳感器光子探測光傳感器 光電導光傳感器光電導光傳感器 光生伏特光傳感器光生伏特

2、光傳感器 光電導結光傳感器光電導結光傳感器 光電磁光傳感器光電磁光傳感器 熱探測光傳感器熱探測光傳感器 熱電堆光傳感器熱電堆光傳感器 輻射熱計光傳感器輻射熱計光傳感器 熱釋電光傳感器熱釋電光傳感器 Golay光傳感器光傳感器 二、光學傳感器的特性參數(shù)二、光學傳感器的特性參數(shù) 表征器件工作特性的參數(shù)，以便對各類器件的 性能進行分析、評價和比較。 1. 靈敏度：描述光傳感器對光輻射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 響應度：針對以內(nèi)光電效應工作的光傳感器， 定義為傳感器輸出量U(電壓或電流幅值)與給 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P 3. 噪聲等效照度NEI：噪聲歸一化至單

3、位帶寬時， 提供比值為1的信噪比所需的最小輻射通量密 度 第二節(jié) 光學傳感器用光源 N型摻雜 P型摻雜 PN結 激光束激光束 偏壓引線 產(chǎn)生激光的三個條件：1、 要產(chǎn)生足夠的粒子數(shù)反 轉(zhuǎn)分布；2、要有合適的 光諧振腔，形成激光振 蕩；3、滿足一定的閾值 條件，使總增益大于總 損耗。 第二節(jié) 光學傳感器用光源 同同LD相比，相比，LED單色性、單色性、 方向性和亮度差很多；方向性和亮度差很多； 但驅(qū)動電路簡單，無須但驅(qū)動電路簡單，無須 反饋控制，壽命長。是反饋控制，壽命長。是 光纖通訊、光纖傳感的光纖通訊、光纖傳感的 重要光源。重要光源。 白熾燈白熾燈 氣體導電燈氣體導電燈 第三節(jié) 光敏晶體管

4、N+ N P N 集電極集電極 基極電極基極電極 發(fā)射極發(fā)射極 保護膜 (SiO2) 入射光入射光 Ib Ic= Ib Ic 基極基極 極電極極電極 發(fā)射極發(fā)射極 Ccb Cbe 達林頓光敏三極管等效電路 集電極集電極 發(fā)射極發(fā)射極 光敏三極管典型光譜特性 4006008001000 20 40 60 80 100 (nm) 顏色：不同波長的電磁輻射作用于人的視覺器 官所產(chǎn)生的視覺感受。 顏色分類： 黑色、白色、過渡 的灰度 彩色組合等級：色 調(diào)、色值和色度 信信 號號 處處 理理 系系 統(tǒng)統(tǒng) 分分 光光 計計 光光 探探 測測 器器 輸入光輸入光 短波短波長波長波 N P P 電極電極1 電

5、極電極2 電極電極3 SiO2 PD1 PD2 電極電極1 電極電極2 電極電極3 ISC1 ISC2 PD1 PD2 V 入射光入射光 400 600 8001000 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 波長波長 (nm) 輸出電壓輸出電壓V0(V) 可見光可見光紅外光紅外光 第五節(jié) 光纖傳感器 特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐高溫、 耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。 應用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、 生物醫(yī)學、環(huán)保、食品、化工 測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、 振動、壓力、射線、圖像 第一節(jié) 光纖傳感器基礎知識 一、

6、光纖的結構 纖芯纖芯 包層包層外套外套 二、光纖的種類 按從纖芯到包層折按從纖芯到包層折 射率變化規(guī)律分類射率變化規(guī)律分類 階躍型階躍型 梯度型梯度型 多模光纖與單模光纖 按光的傳輸模式分類，可以將光纖分為多模光 纖和單模光纖。階躍型和梯度型光纖一般為多 模光纖 模的概念：只有能形成駐波的那些以特定角度 射入光纖的光才能在光纖內(nèi)傳播，這些光波稱 為模。V=d(n12-n22)1/2/ 三、光纖的傳光原理 全反射 2211 sinsinnn n1 n2n1 1 2 sin 90sinsin 1 2 1 221 n n nnn cc 全反射臨界角c n1 n2 階躍型光纖傳光示意圖 0 1 1 ?

7、若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光在 光纖纖芯內(nèi)全反射，則0至多為多少？ 例題參考答案 0 2 2 2 1 0 1 2 1 2 11111100 1 2 1 1 arcsin , 1cossin )2/( cossinsin sin n nn nnn n n Snell 所以又由于 折射角而光從空氣進入光纖的 的全反射臨界角為法則可求得由解： 四、光纖特性 數(shù)值孔徑： 損耗：費涅爾反射損耗、光吸收損耗、全反射損耗以 及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù) 色散：輸入光脈沖在光纖傳輸中由于光波的群速度不 同而出現(xiàn)的脈沖展寬現(xiàn)象。表征傳輸帶寬。 容量；拉抗強度；集光本領等。 57. 0 1 sin 2

8、2 2 1 0 nn n N cA 光纖長度， L P P L lg 10 o i 五、光纖傳感器的結構及特性 光纖傳感器分類 1. 功能型傳感器：傳感 型、探測型 2. 非功能型傳感器：傳 光型、結構型、強度 型、混合型 光纖傳感器可測參量 1. 電流磁場、電壓電場； 2. 溫度 3. 速度 4. 振動、壓力 5. 射線 6. 圖像 光纖傳感器的基本結構 測測 量量 對對 象象 測測 量量 對對 象象 測測 量量 對對 象象 測測 量量 對對 象象 光纖傳感器舉例：基于微彎效應測壓力 F 光強調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長調(diào)制 100 80 60 40 20 0 0.51.01.52.0

9、透射光強% 外力N 偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器 浸油顯微鏡激光器起偏器 起偏器顯微鏡 I1 I2 光接受器 21 21 II II 信號處理 輸出 電流 導線 VN p I VNI R VLI II II p VV R VLI VLH R I H 2 2sin )rad/A(107.3 2 2 21 21 4 即： 信號處理輸出 維德常數(shù)， 法拉第偏轉(zhuǎn) 關閉中的戴高樂機場2-E 光纖液位傳感 ? 基于磁致伸縮效應的光纖磁傳感器 磁致伸縮材料 (金屬玻璃) 解調(diào)器 100k Hz 弱磁場測量 非功能型光纖傳感器測溫應用 GaAs半導體半導體 光吸收片光吸收片 E1 E2 輸出輸出 溫度測量范圍：

10、溫度測量范圍：-20300 C；誤差；誤差 3 C；強電場環(huán)境；強電場環(huán)境 0.80.91.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 10 20 30 40 50 相對光強相對光強 透過率透過率% 波長波長 m 光源光譜光源光譜 T1 T2 T3 T1T20 光 T Q T P s 或 T T Ps 自然極化Ps 熱釋電式紅外光敏元件構造 導光筒 聚乙稀光窗 PZT紅外光敏材料 FET阻抗變換及放大元件 鋁基板 引出電極 封裝樹脂 紅外光 RgRs D S E 紅外傳感器件的應用 將紅外傳感器排成線型或面型矩陣可以構成紅外圖像傳 感器，應用到遙感、醫(yī)學或軍事上 熱釋電傳感器在應用上分為主動式

11、(檢測靜止或者移動極 緩慢的人體及物體)和被動式(檢測運動人體極物體)兩種 方式。 熱釋電效應產(chǎn)生的極化電荷不是永存的，一般要在器件 前方加裝一個周期性遮斷被測紅外信號的機械裝置，以 使器件接受紅外光能而引起的溫度作周期性的變化，進 而使得測量過程中始終存在比例于紅外光強的極化電荷。 在車輛計數(shù)系統(tǒng)中的應用 傳感器選擇：P2288 Rg S1 S2 1 2 3 探測距離 10m，可 通過配用電路調(diào)節(jié) 敏感波長515m， 可有效消除可見光 極其中大部分紅外 線干擾 安裝、系統(tǒng)組成 通過調(diào)節(jié)，使其對人的靈敏度距離僅為1.5m左 右，而對20m遠快速通過的車輛反應靈敏可靠 安在公路正上方，或調(diào)低靈敏度安裝在公路旁 系統(tǒng)組成框圖： 傳感器放大器雙限比較器 計數(shù)器譯碼顯示器 思考題 1. 作為光學用光源，激光光源和普通L