《傳感器與檢測技術(shù)》胡向東第2章光電式傳感器

1、第第2 2章章 光電式傳感器光電式傳感器 將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件稱為光電傳感器或光電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把電元件。光電式傳感器的工作原理是：首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后通過被測量的變化轉(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。光電傳感器的工光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。2.1 2.1 光電效應(yīng)概述光電效應(yīng)概述 光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。一一. . 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 在光線作用下，物體內(nèi)的電子

2、逸出物體表面，向外發(fā)在光線作用下，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)。射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 基于外光電效應(yīng)的光電器件由光電管、光電倍增管等?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件由光電管、光電倍增管等。 我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的我們知道，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能力由下式確定。能力由下式確定。)s s)(J106.626h -134-光光的的頻頻率率（為為普普朗朗克克常常數(shù)數(shù)式式中中： hE若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功出功A0A0時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)時(shí)，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子

3、發(fā)射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量射。故要使一個(gè)電子逸出，則光子能量hh必須必須超出逸出功超出逸出功A0 A0 ，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。即電子的動(dòng)能。即電電子子逸逸出出速速度度。電電子子質(zhì)質(zhì)量量式式中中：-u -m 002021Amuh二二.內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電受光照的物體導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分動(dòng)勢的效應(yīng)叫內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩大類。為以下兩大類。1 1）光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子）光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過

4、渡到自由狀態(tài)，而引起材料能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于電阻率變化，這種效應(yīng)稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。這種效應(yīng)的器件有光敏電阻等。2 2）光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)）光生伏特效應(yīng)。在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；欢ǚ较螂妱?dòng)勢的現(xiàn)象叫光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。于該效應(yīng)的器件有光電池和光敏晶體管等。一一. 普通光電管普通光電管在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽極。極：光電陰極和光電陽極。光電陰極通常是用逸出功小光電陰極通

5、常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光壁上做成，其感光面對準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。生電流。2.2 2.2 光電管光電管二二. 光電倍增管光電倍增管1.1.結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)與原理原理由于真空由于真空光電管的光電管的靈敏度較靈敏度較低，因此低，因此人們便研人們便研制了光電制了光電倍增管，倍增管，其工作原其工作原理如圖。理如圖。2.主

6、要參數(shù)主要參數(shù)1）倍增系數(shù)倍增系數(shù) MM niM電流放大倍數(shù)電流放大倍數(shù)niiIMM與所加電壓有關(guān)，一般在與所加電壓有關(guān)，一般在105105108108之間。一般陽極之間。一般陽極和陰極的電壓為和陰極的電壓為1000V1000V2500V2500V，兩個(gè)相鄰的倍增電，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電壓差為極的電壓差為50V50V100V100V。2）陰極靈敏度和總靈敏度）陰極靈敏度和總靈敏度 一個(gè)光子在陰極上一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子能夠打出的平均電子數(shù)焦作光電陰極的靈數(shù)焦作光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)焦灼光電倍增管子數(shù)焦灼光電倍增管的

7、總靈敏度。的總靈敏度。 光電倍增管的放大光電倍增管的放大倍數(shù)或總靈敏度如圖倍數(shù)或總靈敏度如圖所示。所示。 光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。 光電光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源, , 電路中有了這種器件就不需電路中有了這種器件就不需要外加電源。要外加電源。 一一. .結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理 光電池的工作原理是基于光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”。 它實(shí)質(zhì)上它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的是一個(gè)大面積的PNPN結(jié)結(jié), , 當(dāng)光照射到當(dāng)光照射到PNPN結(jié)的一個(gè)面結(jié)的一個(gè)面, , 例如例如p p型面型面

8、時(shí)時(shí), , 若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度, , 那么那么p p型區(qū)每吸型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴, , 電子空穴對從表面向電子空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散內(nèi)迅速擴(kuò)散, , 在結(jié)電場的作用下在結(jié)電場的作用下, , 最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢。關(guān)的電動(dòng)勢。 2.3 光電池光電池二二. 光電池的基本特性光電池的基本特性1.光譜特性光譜特性 硒光電池和硅光電池硒光電池和硅光電池的光譜特性如左圖的光譜特性如左圖 不同的光電池，光不同的光電池，光譜峰值的位置不同。譜峰值的位置不同。例如，硅

9、光電池在例如，硅光電池在8000A附近，硒光電附近，硒光電池在池在5400A附近。附近。2. 光照特性光照特性 光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。克斯。Lx (W/m2) Lx (W/m2) 反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)系。反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)系。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系, ,光電池工作于光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。短路電流狀態(tài)，可做檢測元件。 開路電壓（負(fù)載電阻開路電壓（負(fù)載電阻RLRL無限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性無限大時(shí)）

10、與光照度的關(guān)系是非線性的的, , 并且當(dāng)照度在并且當(dāng)照度在2000 lx2000 lx時(shí)就趨于飽和了。光電池工作于開時(shí)就趨于飽和了。光電池工作于開路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件。路電壓狀態(tài)，可做開關(guān)元件。3.溫度特性溫度特性 溫度特性主要溫度特性主要描述開路電壓描述開路電壓與短路電流隨與短路電流隨溫度變化的情溫度變化的情況。如圖所示況。如圖所示. . 把光電池作為把光電池作為測量器件應(yīng)用測量器件應(yīng)用時(shí)時(shí), , 應(yīng)保證溫應(yīng)保證溫度恒定或采取度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。溫度補(bǔ)償措施。JMJ112V2A51KL39K470uf三三.光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用1.自動(dòng)干手器自動(dòng)干手器手放入干手器時(shí)，手放入干手器

11、時(shí)，手遮住燈泡發(fā)出的手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光光，光電池不受光照，晶體管基極正照，晶體管基極正偏而導(dǎo)通，繼電器偏而導(dǎo)通，繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，熱風(fēng)吹出絲通電，熱風(fēng)吹出烘手。手干抽出后，烘手。手干抽出后，燈泡發(fā)出光直接照燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)射到光電池上，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢，使生光生電動(dòng)勢，使三極管基射極反偏三極管基射極反偏而截止，繼電器釋而截止，繼電器釋放，從而切斷風(fēng)機(jī)放，從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。和電熱絲的電源。2.路燈控制器2.4 光敏電阻光敏電阻為了防止周圍介質(zhì)的影響為了防止周圍介質(zhì)的影響, , 在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜一

12、層漆膜, , 漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。范圍內(nèi)透射率最大。 1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)它是涂于玻璃底板上的一它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)薄層半導(dǎo)體物質(zhì), , 半導(dǎo)體半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極的兩端裝有金屬電極, , 金金屬電極與引出線端相連接屬電極與引出線端相連接, , 光敏電阻就通過引出線端光敏電阻就通過引出線端接入電路。接入電路。2. 2. 光敏電阻的工作原理光敏電阻的工作原理 光敏電阻又稱光導(dǎo)管光敏電阻又稱光導(dǎo)管, , 它幾乎都是用半導(dǎo)體材它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。料制成的光電器件。 光敏電阻沒有極性

13、光敏電阻沒有極性, , 純純粹是一個(gè)電阻器件粹是一個(gè)電阻器件, , 使用時(shí)既可加直流電壓使用時(shí)既可加直流電壓, , 也可以加交流電壓。也可以加交流電壓。 無光照時(shí)無光照時(shí), , 光敏電阻值（暗電阻）很大光敏電阻值（暗電阻）很大, , 電路電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時(shí)波長范圍的光照時(shí), , 它的阻值（亮電阻）急劇它的阻值（亮電阻）急劇減少減少, , 電路中電流迅速增大。電路中電流迅速增大。 一般希望暗電一般希望暗電阻越大越好阻越大越好, , 亮電阻越小越好亮電阻越小越好, ,此時(shí)光敏電阻此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。的靈敏度高。

14、實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級在兆歐級, , 亮電阻在幾千歐以下。亮電阻在幾千歐以下。3 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)） 暗電阻暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻光敏電阻在不受光時(shí)的阻值稱為暗電阻, , 此時(shí)流過的電流此時(shí)流過的電流稱為暗電流。稱為暗電流。 ） 亮電阻亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻光敏電阻在受光照射時(shí)的電阻稱為亮電阻, , 此時(shí)流過的電此時(shí)流過的電流稱為亮電流。流稱為亮電流。 ） 光電流光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。 4 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性1） 伏安特性伏安特性：在一定

15、照度下在一定照度下, , 流過光敏電阻的電流與光敏電流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系阻兩端的電壓的關(guān)系一定光照，一定光照，R R一定，一定，I I正正比于比于U U。一定電壓，一定電壓，I I隨著光照隨著光照E E增強(qiáng)而增大。增強(qiáng)而增大。 ERIERI。2) 光照特性（光照特性（IE） 光敏電阻的光光敏電阻的光照特性為非線照特性為非線性，不宜作檢性，不宜作檢測元件，主要測元件，主要用于自動(dòng)控制用于自動(dòng)控制中。中。3） 光譜特性（光譜特性（Kr %）光敏電阻的相對光敏靈敏度光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性。特性。 亦稱為光譜響應(yīng)。亦稱為光譜

16、響應(yīng)。%100%max00IIKr不同材料，其峰值波長不同。不同材料，其峰值波長不同。同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高得相對靈敏度。元件得到較高得相對靈敏度。4） 溫度特性溫度特性溫度變化影響光敏電阻的溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。光譜響應(yīng)。 硫化鉛光敏電阻的光譜溫硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線度特性曲線, , 它的峰值隨它的峰值隨著溫度上升向波長短的方著溫度上升向波長短的方向移動(dòng)。向

17、移動(dòng)。因此因此, , 硫化鉛光硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。條件下使用。 對于可見對于可見光的光敏電阻光的光敏電阻, , 其溫度影其溫度影響要小一些。響要小一些。 5.光敏電阻的應(yīng)用光敏電阻的應(yīng)用1.光照度計(jì)光照度計(jì) 農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測定。農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測定。 輸出接單片機(jī)的輸出接單片機(jī)的I/OI/O口，口，每每2 2分鐘對此口查詢分鐘對此口查詢1 1次，次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。為低電平，不計(jì)數(shù)。1 1天天查詢查詢720720次。次。 無光照無光照V0=VL V0=VL 。有光照。有光照V0=VHV0=VH。wR9013CR

18、GRA0V)(24720hNH2.環(huán)境照度監(jiān)視器環(huán)境照度監(jiān)視器3.帶材跑偏檢測儀帶材跑偏檢測儀2.5 光敏二極管與三極管光敏二極管與三極管一一. 光敏二極管光敏二極管1.1.工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個(gè)光敏二極管的結(jié)構(gòu)與普通二極管一樣，都有一個(gè)PNPN結(jié)，兩結(jié)，兩根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦?。不根電極引線，而且都是非線性器件，具有單向?qū)щ娦浴２煌幵谟诠饷舳O管的同之處在于光敏二極管的PNPN結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受結(jié)狀在管殼的頂部，可直接受到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。到光的照射，其結(jié)構(gòu)和電路如圖所示。沒有光照射時(shí)沒有光照射

19、時(shí)，處于反向偏置的光敏二極管，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài)工作于截止?fàn)顟B(tài), , 這時(shí)只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成這時(shí)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。這時(shí)反向電阻很大。微小的反向電流即暗電流。這時(shí)反向電阻很大。 當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PNPN結(jié)上時(shí)結(jié)上時(shí), , 光子打在光子打在PNPN結(jié)附近結(jié)附近, PN, PN結(jié)附近產(chǎn)生結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對。從而使光生電子和光生空穴對。從而使P P區(qū)和區(qū)和N N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下大增加，因此在反向外加電壓和內(nèi)電場的

20、作用下,P,P區(qū)的少數(shù)載區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入流子渡越阻擋層進(jìn)入N N區(qū)，區(qū)， N N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P P區(qū)區(qū)，從而使通過從而使通過PNPN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時(shí)二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大, , 光電流越大。光電流越大。2.2.光敏二極管的基本特性光敏二極管的基本特性1 1）光譜特性）光譜特性 在入射度一定時(shí)，在入射度一定時(shí)，輸出的光電流輸出的光電流（或相對靈敏度）（或相對靈敏度）隨光波波長的變隨光波波長的變化而變化。一種化而變化。一種光敏二極管只對光敏二

21、極管只對一定波長的入射一定波長的入射光敏感，這就是光敏感，這就是它的光譜特性。它的光譜特性。如圖所示。如圖所示。2）伏安特性）伏安特性3 3）光照特性）光照特性4 4）溫度特性）溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小溫度變化對光敏二極管輸出電流影響較小, ,但對暗電流的影響但對暗電流的影響卻十分顯著卻十分顯著. .3.光敏二極管的應(yīng)用光敏二極管的應(yīng)用1 1）光電路燈控制電路）光電路燈控制電路2）光強(qiáng)測量電路）光強(qiáng)測量電路二二. 光敏三級管光敏三級管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差。流大幾十至

22、幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差。1.1.工作原理與結(jié)構(gòu)工作原理與結(jié)構(gòu)基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電基極開路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí)結(jié)上時(shí), , 在結(jié)附近產(chǎn)生電子在結(jié)附近產(chǎn)生電子- -空穴對空穴對, , 電子在結(jié)電場的作用電子在結(jié)電場的作用下，由下，由P P區(qū)向區(qū)向N N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大倍形成集電極倍形成集電極電流（光電流）電流（光電流）, , 所以光電三極管有放大作用。所以光電三極管有放大作用。 2.光敏三極管的基本特性光敏三極管的基本特性1 1）光譜特性與伏安特性光譜特性與伏安特性 光譜特性與二極管相同，光譜特

23、性與二極管相同，伏安特性如圖。伏安特性如圖。2）溫度特性與光照特性）溫度特性與光照特性 溫度特性與光敏二極管溫度特性與光敏二極管相同，光照特性如圖相同，光照特性如圖3.光敏三極管的應(yīng)用光敏三極管的應(yīng)用1.脈沖編碼器脈沖編碼器2.轉(zhuǎn)速傳感器轉(zhuǎn)速傳感器2.6光電耦合器件光電耦合器件一一 光電耦合器光電耦合器 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi), , 一一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實(shí)受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒

24、介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號耦合到輸出端?，F(xiàn)輸入電信號耦合到輸出端。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：強(qiáng)弱電隔離。強(qiáng)弱電隔離。 輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)輸入輸出極之間絕緣電阻很高。耐壓達(dá)2000V2000V以上。以上。 能避免輸出端對輸入端地線等的干擾。能避免輸出端對輸入端地線等的干擾。對系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。對系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）對系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲） 光電耦合器的組合形式應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。二二. 光電開關(guān)光

25、電開關(guān) 光電開關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中光電開關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？蓪?shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)作光控制和光探測裝置。可實(shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù)數(shù), , 料位檢測，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等料位檢測，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。用途。 1.1.光電開關(guān)結(jié)構(gòu)光電開關(guān)結(jié)構(gòu) 透射式和反射式的光電開關(guān)。透射式和反射式的光電開關(guān)。 利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無被測物。利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無被測物。2. 基本電路（透射式）基本電路（透射式）如圖（如圖（a)(c)a)(c)無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。無被測物，輸出高電平；有被測物，輸出低電平。

26、(b)(b)無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。無被測物，輸出低電平；有被測物，輸出高電平。2.7 色敏光電傳感器色敏光電傳感器1.結(jié)構(gòu)與基本原理結(jié)構(gòu)與基本原理 色敏光電傳感器相色敏光電傳感器相當(dāng)于兩支結(jié)構(gòu)不同當(dāng)于兩支結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組的光電二極管的組合，故又稱光電雙合，故又稱光電雙結(jié)二極管結(jié)二極管2.基本特性基本特性1）光譜特性）光譜特性2）短路電流比波長特性）短路電流比波長特性 短路電流比波短路電流比波長特性是表征半長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對導(dǎo)體色敏器件對波長的識(shí)別能力，波長的識(shí)別能力，是賴以確定被測是賴以確定被測波長的基本特性。波長的基本特性。3.色敏光電傳感器的應(yīng)用色敏

27、光電傳感器的應(yīng)用色彩信號處理電路色彩信號處理電路2.8 紅外光傳感器紅外光傳感器紅外輻射紅外輻射 紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在范圍大致在0.76-1000m,0.76-1000m,紅外線在電磁波譜中的位置如紅外線在電磁波譜中的位置如下圖。下圖。二二.紅外光傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)紅外光傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu) 紅外光傳感器按工作原理可分為光量子型和熱電紅外光傳感器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類。型兩大類。 光量子型可直接把

28、紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光量子型可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外光敏電阻和紅外PNPN結(jié)型光生伏特器件，用于遙感結(jié)型光生伏特器件，用于遙感成像方面。成像方面。 熱電型吸收紅外光后變?yōu)闊崮?，使材料的溫度升熱電型吸收紅外光后變?yōu)闊崮埽共牧系臏囟壬?，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個(gè)現(xiàn)象制成高，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個(gè)現(xiàn)象制成了測量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。了測量光輻射的器件。如紅外熱釋電傳感器。1.熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng) 對于某些材料對于某些材料 ( (如鋯鈦如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等硫酸三甘肽等) )，具有，具有自發(fā)極化的特征。自

29、發(fā)自發(fā)極化的特征。自發(fā)極化與溫度有很大關(guān)系。極化與溫度有很大關(guān)系。若溫度因吸收紅外光而若溫度因吸收紅外光而升高，則極化強(qiáng)度減少，升高，則極化強(qiáng)度減少，使單位面積上極化電荷使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個(gè)電阻附電荷；若與一個(gè)電阻連成回路，會(huì)形成電流，連成回路，會(huì)形成電流，如圖所示。如圖所示。由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電阻上壓降的變化為由實(shí)驗(yàn)證實(shí)，電阻上壓降的變化為）溫度（溫度（熱釋電系數(shù)熱釋電系數(shù)電極面積電極面積式中式中K-T )KcmC(10- -S : -12-8-dtdTRSU由于由于dT/dtdT/dt與紅外線強(qiáng)度的變化成正比，結(jié)合上式，與紅外線強(qiáng)度的變化成

30、正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比與紅外線強(qiáng)度的變化?？傻贸鲚敵鲭妷赫扰c紅外線強(qiáng)度的變化。2.單元件熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路單元件熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路3. 雙元件（雙元型）紅外傳感器雙元件（雙元型）紅外傳感器 此傳感器專門用來檢測人此傳感器專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。市體輻射的紅外線能量。市場上常見有國產(chǎn)的場上常見有國產(chǎn)的SD02SD02、PH5324PH5324，日本的，日本的SCA02-1SCA02-1，美國的美國的P2288P2288等。等。 SD02SD02由敏感單元、場效應(yīng)由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光管、高阻抗變換管、濾光窗等組成，并在氦氣環(huán)境窗等組成

31、，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。下封裝而成。三三. 紅外光傳感器的應(yīng)用紅外光傳感器的應(yīng)用1.無線報(bào)警系統(tǒng)無線報(bào)警系統(tǒng)2.衛(wèi)生間節(jié)水控制器衛(wèi)生間節(jié)水控制器3.紅外測溫儀紅外測溫儀4.紅外氣體分析儀紅外氣體分析儀2.9 固態(tài)固態(tài)CCD圖像傳感器圖像傳感器 固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱合器件（簡稱CCDCCD）、）、MOSMOS圖像傳感器（簡稱圖像傳感器（簡稱SSPASSPA）和電荷注入器件（簡稱）和電荷注入器件（簡稱CIDCID）。）。 目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與目前，前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識(shí)別。例如，攝像機(jī)、數(shù)碼

32、照相機(jī)、掃描儀、識(shí)別。例如，攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、掃描儀、復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。復(fù)印機(jī)和機(jī)器人的眼睛等。 在本節(jié)中僅說明在本節(jié)中僅說明CCDCCD圖像傳感器的工作原理與圖像傳感器的工作原理與特性特性一一. 電荷耦合器件電荷耦合器件 (CCD)電荷耦合器件（電荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device， 簡稱簡稱CCDCCD），它將光敏二極管陣列和讀出移位寄），它將光敏二極管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象存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（傳感器。是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSMOS）

33、集成）集成電路器件，它以電荷作為信號電路器件，它以電荷作為信號, , 基本功能是進(jìn)基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。行光電轉(zhuǎn)換電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。 廣廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測量泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測量, , 尤其尤其適用于圖適用于圖像識(shí)別技術(shù)像識(shí)別技術(shù)。1. MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCDCCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲(chǔ)電荷的功能，同時(shí)還具有電荷轉(zhuǎn)本單元具有存儲(chǔ)電荷的功能，同時(shí)還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能

34、。移輸出功能。CCDCCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOSMOS（金（金屬屬氧化物氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P P型硅襯底上型硅襯底上生長一層生長一層SiOSiO2 2 (120nm), (120nm),再在再在 SiOSiO2 2層上沉積金屬層上沉積金屬鋁構(gòu)成鋁構(gòu)成MOSMOS結(jié)構(gòu)，它是結(jié)構(gòu)，它是CCDCCD器件的最小工作單元。器件的最小工作單元。A A、勢阱的產(chǎn)生、勢阱的產(chǎn)生 MOSMOS的金屬電極加正壓，電極下的的金屬電極加正壓，電極下的P P型硅區(qū)型硅區(qū)域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其中無導(dǎo)電的載流子，形成耗

35、盡層。它是電子的中無導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢阱。勢阱的深淺取決于勢阱。勢阱的深淺取決于U U的大小。的大小。B B、電荷的存儲(chǔ)、電荷的存儲(chǔ) 勢阱具有存儲(chǔ)電荷的功能，勢阱內(nèi)所吸收勢阱具有存儲(chǔ)電荷的功能，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)成的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。正比。 CCDCCD器件將物體的光像形成對應(yīng)的電像器件將物體的光像形成對應(yīng)的電像時(shí)，就是時(shí)，就是CCDCCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOSMOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對應(yīng)的電荷量。單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對應(yīng)的電荷量。2. 讀出移位寄存器讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路是電荷

36、圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢阱下的電荷從一個(gè)研究如何實(shí)現(xiàn)勢阱下的電荷從一個(gè)MOSMOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOSMOS元位置，并依元位置，并依次轉(zhuǎn)移并傳輸出來。次轉(zhuǎn)移并傳輸出來。A、電荷的定向轉(zhuǎn)移、電荷的定向轉(zhuǎn)移 當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢阱的深度隨勢阱中的電當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOSMOS電電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。 要求：要求： 多個(gè)多個(gè)MOSMOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。電容緊密排列且勢阱相互溝通。 金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求

37、。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、三相、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)電極的結(jié)構(gòu) MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由接在一起。由3個(gè)相位差個(gè)相位差120時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。12314 72 5836 9驅(qū)動(dòng)（， ， ）驅(qū)動(dòng)（ ， ， ） （驅(qū)動(dòng) ， ， ）11 231001t 時(shí)刻，為（）， 組電極下形成深勢阱，勢阱中存儲(chǔ)電荷形成電荷包。23121212tt時(shí)刻至 時(shí)刻， 電壓線性減小，為高電平，組電極下的勢阱變淺，組電極下形成深勢阱，電荷從 組電極下逐漸轉(zhuǎn)移到 組電極下。向右移，直至輸出。、依此類推，電荷由勢阱中。電荷逐漸全部移入至Nt

38、t4321243C、電荷的輸出、電荷的輸出在輸出端在輸出端P P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在加反壓，在PNPN結(jié)形成耗盡層。輸出柵結(jié)形成耗盡層。輸出柵OGOG加壓使電荷轉(zhuǎn)加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵觥?123OGniULR0USiP0I輸出二極管電流法輸出二極管電流法二二.CCD圖像傳感器圖像傳感器 1. 1. 線陣電荷耦合器件線陣電

39、荷耦合器件線陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二）光照光敏元，各光敏元中的光敏二極管產(chǎn)生光生電子空穴對，電子注入對應(yīng)的極管產(chǎn)生光生電子空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤駝葳逯?，光像變?yōu)殡娤耠姾砂?。（光電荷包。（光積分）積分） （2）積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵）積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，通過移位寄存器并行輸出。存器中，通過移位寄存器并行輸出。 （3）轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一）轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分采集。行圖像信號積分采集。圖7-12 各脈沖的波

40、形和相位2.面陣型面陣型CCD圖像傳感器圖像傳感器 面陣型面陣型CCDCCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式可分為行傳輸、幀傳輸二維平面圖像。按傳輸和讀出方式可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。下面主要介紹前兩種。和行間傳輸三種。下面主要介紹前兩種。1 1）行傳輸（）行傳輸（LTLT）面陣）面陣CCDCCD2） 幀傳輸（幀傳輸（FT）面陣）面陣CCD 光敏區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)分開，光敏區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生光敏區(qū)在積分時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對應(yīng)的電荷包，在積與光像對應(yīng)的電荷包，在積分周期結(jié)束后，利用時(shí)鐘脈分周期結(jié)

41、束后，利用時(shí)鐘脈沖將整幀信號轉(zhuǎn)移到讀出寄沖將整幀信號轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。然后，整幀信號再向存器。然后，整幀信號再向下移，進(jìn)入水平讀出移位寄下移，進(jìn)入水平讀出移位寄存器，串行輸出。（一幀對存器，串行輸出。（一幀對應(yīng)光敏區(qū)應(yīng)光敏區(qū)MOSMOS的數(shù)量）的數(shù)量）光敏區(qū)存儲(chǔ)區(qū)讀出寄存器三三. CCD圖像傳感器的特性參數(shù)圖像傳感器的特性參數(shù)1.1.轉(zhuǎn)移效率轉(zhuǎn)移效率 當(dāng)當(dāng)CCDCCD中電荷包從一個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢阱時(shí)，若中電荷包從一個(gè)勢阱轉(zhuǎn)移到另一個(gè)勢阱時(shí)，若Q Q1 1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q Q0 0為原始電荷，則轉(zhuǎn)移效率為原始電荷，則轉(zhuǎn)移效率定義為定義為01QQ若轉(zhuǎn)移損耗定義為若

42、轉(zhuǎn)移損耗定義為1則電荷進(jìn)行則電荷進(jìn)行N N次轉(zhuǎn)移時(shí)，總轉(zhuǎn)移效率為次轉(zhuǎn)移時(shí)，總轉(zhuǎn)移效率為NNNQQ)1 (0要求轉(zhuǎn)移效率必須達(dá)到要求轉(zhuǎn)移效率必須達(dá)到99.9999.9999.999%99.999%2.分辨率分辨率 CCD CCD圖象傳感器的分辨率用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)圖象傳感器的分辨率用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTFMTF表征。當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器表征。當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器上時(shí)，電信號幅度隨光像空間頻率的變化為調(diào)上時(shí)，電信號幅度隨光像空間頻率的變化為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTFMTF。 根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率高分辨率f f

43、m m等于它的空間采樣頻率等于它的空間采樣頻率f f0 0的一半，的一半，即即021ffm3.暗電流暗電流 暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子空穴對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。CCDCCD器件器件暗電流越小越好。暗電流越小越好。 4.4.靈敏度靈敏度 圖象傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單圖象傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電量，即位時(shí)間、單位面積發(fā)射的電量，即WmA q t N A H s為電數(shù)，單位為為電數(shù)，單位為子數(shù)子數(shù)時(shí)間內(nèi)上能收集的載流時(shí)間內(nèi)上能收集的載流為為為單位面積為單位面積為光像的發(fā)射照度為光像的發(fā)射照

44、度式中：式中：HAtqNSs 四四. CCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(yīng)用 1、線陣、線陣CCD器件檢測工件尺寸器件檢測工件尺寸(2 )LNdd ML工件尺寸，N覆蓋的光敏單元d相鄰光敏單元中心距離M光學(xué)系統(tǒng)放大率2d為圖象末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差。根據(jù)目前產(chǎn)品情況d0013003mm。2.線列線列CCD攝像系統(tǒng)攝像系統(tǒng)3.3.文字圖像識(shí)別系統(tǒng)文字圖像識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的

45、數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。的方式把數(shù)字依次讀出。讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。類箱中。驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)2.10 2.10 光纖傳感器光纖傳感器一、光纖的傳光原理一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成

46、（石英玻璃由纖芯和包層組成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外層一層尼龍保護(hù)套。外層一層尼龍保護(hù)套。2、傳光原理、傳光原理光的全內(nèi)反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件 光由纖芯到包層表面，由光的折射定律可知： 。時(shí)，光在纖芯中全反射當(dāng)為臨界角此時(shí)全反射時(shí)，CCCCnnnn1221sin90sinsin（2）數(shù)值孔徑NA光由空氣射入光纖端面，與軸成 角。011211sinsinsin(90)cos1 sinnnnnn222102221212210arcsin11sinnnnnnnnnnCC光全反射時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無損耗）即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無損耗）

47、傳輸。傳輸。（。之為數(shù)值孔徑反映光纖聚焦本領(lǐng)，稱2221sin)4 . 02 . 0sinnnNANANACC希望希望NA越大越好。它表明無論光源發(fā)射功率多越大越好。它表明無論光源發(fā)射功率多大，只有大，只有2 內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射傳輸。傳輸。C二二.光纖分類光纖分類1.1.按傳輸模式分單模光纖、多模光纖按傳輸模式分單模光纖、多模光纖. . 模的概念模的概念 光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向往返

48、依次的相位變化為往返依次的相位變化為22的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波。形成的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波。形成駐波的光線組成為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺駐波的光線組成為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。 模的確定模的確定光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。/2NAr （梯度型）（階躍型）光纖傳輸模的總數(shù)為4222NN芯徑大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯徑小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纖只能傳輸一定波長光，單模。2.按折射率分布按折射率分布階躍型光纖和梯度型光纖階躍型光纖和梯度型光纖三三. 光纖傳感器

49、的基本原理光纖傳感器的基本原理光纖傳感器通?？煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴饫w傳感器通?？煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴庑停┕庑停?。功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 用單模光纖，既傳光又是敏感元件。用單模光纖，既傳光又是敏感元件。（單模光纖只能傳輸某一角度和波長的單色光）（單模光纖只能傳輸某一角度和波長的單色光）光纖的傳輸特性受被測物理量作用而發(fā)生變化。光纖的傳輸特性受被測物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長、偏振態(tài)）被使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長、偏振態(tài)）被調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制

50、型和波長調(diào)制型。測溫度、壓力、位移等。制型。測溫度、壓力、位移等。 非功能型光纖傳感器（光通訊）非功能型光纖傳感器（光通訊）光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率。非功能型光纖傳感器采用量和傳輸光功率。非功能型光纖傳感器采用NANA較較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。大和芯徑較大的階躍型多模光纖。增大傳輸光的通量。增大傳輸光的通量。1.光強(qiáng)調(diào)制光強(qiáng)調(diào)制2. 相位調(diào)制相位調(diào)制Mach-Zehnder干涉原理圖3. 偏振調(diào)制偏振調(diào)制光纖電流傳感器光纖電流傳感器 三、光纖傳感器實(shí)例三、光纖傳感器實(shí)例 1. 1.光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器

51、 激光束通過分光板后分為兩束光激光束通過分光板后分為兩束光, , 透射光作為參考透射光作為參考光束光束, , 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)時(shí), , 由于質(zhì)量塊由于質(zhì)量塊M M對上下光纖的作用對上下光纖的作用, , 從而使光纖從而使光纖被拉伸被拉伸, , 引起光程差的改變。相位改變的激光束由引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號為電信號,(,(光電探測器置于匯合處）光電探測器置于匯合處） 經(jīng)過處理電經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。路處理后便可正確地測出加速度值。 由于光纖長度的變化，引起光束光程差的變化)4(4222222211111dSadELmnmaSELnLnLnLnL相位變化為兩束光經(jīng)干涉儀產(chǎn)生相干條紋，相