第7章光電式傳感器

1、現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù) 主講教師：王國(guó)榮主講教師：王國(guó)榮 7.1 7.1 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件 7.2 7.2 光源光源 7.3 7.3 光電式傳感器的測(cè)量電路光電式傳感器的測(cè)量電路 7.4 7.4 光電式傳感器及其應(yīng)用光電式傳感器及其應(yīng)用 7.5 7.5 光纖傳感器光纖傳感器 7.6 7.6 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCDCCD）第第7章章 光電式傳感器光電式傳感器原理原理 首先把首先把被測(cè)量的變化被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電器件變換成然后通過(guò)光電器件變換成電信號(hào)電信號(hào)。輻射源光學(xué)通路光電器件輸出輸出被測(cè)量被測(cè)量特性特性 頻譜寬、非接觸

2、測(cè)量、體積小、重量輕等第第7 7章章 光電式傳感器光電式傳感器特點(diǎn)特點(diǎn): 光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高精度、光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強(qiáng)（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式射影響，本身也不輻射電磁波）、可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量等特點(diǎn)測(cè)量等特點(diǎn) 可以直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、可以直接檢測(cè)光信號(hào)，間接測(cè)量溫度、壓力、位移、速度、加速度等速度、加速度等 其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力 光電式傳感器：光電式傳感

3、器：將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光量的變化，再通過(guò)光電元件把光量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種化，再通過(guò)光電元件把光量變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種裝置。裝置。 x1光量光量光量光量電量電量x2輸出輸出光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 ：由光路及電路兩大部分組成由光路及電路兩大部分組成光路部分光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制電路部分電路部分完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換完成從光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換光電效應(yīng)分兩大類型：光電效應(yīng)分兩大類型：外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)和和內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)7-1 7-1 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器

4、件一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng) 光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng). . 光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子子光子所組成，每一個(gè)光子能量為：光子所組成，每一個(gè)光子能量為：Ehfh 普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34J.s；f 光的頻率（光的頻率（s-1）。）。光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。應(yīng)的效應(yīng)

5、（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。光電效應(yīng)按原理又分為以下光電效應(yīng)按原理又分為以下2 2種：種：1 1、外光電效應(yīng)：、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。物體表面，形成光電流。 光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A0和動(dòng)能，即：和動(dòng)能，即：20012kEmvhfA 不同材料有不同的逸出功，對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限，不同材料有不同的逸出功，對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，電子，

6、此頻率限成為此頻率限成為“紅限紅限”，其臨界波長(zhǎng)，其臨界波長(zhǎng)K K為為：m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；電子逸出速度；A0物體的表面電子逸出功。物體的表面電子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動(dòng)能逸出物體表面電子具有的動(dòng)能外光電效應(yīng)典型元件有外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。光電管、光電倍增管等。2 2） 光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。典型光電元件有一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池。光電池。2 2、內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：1) 1) 光導(dǎo)電效應(yīng)

7、：光導(dǎo)電效應(yīng)：在光照作用下，物體導(dǎo)電性能在光照作用下，物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光電元件有電元件有光敏電阻、光敏（電）二極管、光敏（電）光敏電阻、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。三極管等。二、光電器件二、光電器件 1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)發(fā)射電子，中央帶正當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)發(fā)射電子，中央帶正電的陽(yáng)極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電電的陽(yáng)極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。光信號(hào)光

8、信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)伏安特性伏安特性光電倍增管光電倍增管 倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子；更多電子； 倍增極之間有依次增大的加速電壓。倍增極之間有依次增大的加速電壓。 二次發(fā)射系數(shù)二次發(fā)射系數(shù) 由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三部分組成部分組成。AKA陽(yáng)極陽(yáng)極K陰極陰極幾種光電倍增管的外形幾種光電倍增管的外形 2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件： 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)光敏電阻光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成用半導(dǎo)體材料制成一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏此時(shí)光

9、敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)， 亮電阻亮電阻值在幾千歐以下。值在幾千歐以下。1) 光導(dǎo)電效應(yīng)：光導(dǎo)電效應(yīng)： 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào)光敏電阻是光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。 光敏電阻光敏電阻優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜：靈敏度高，體積小、重量輕，光譜響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)。響應(yīng)范圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高、耐沖擊和振動(dòng)，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過(guò)：使用時(shí)需要有外部電

10、源，同時(shí)當(dāng)有電流通過(guò)它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。 暗電阻暗電阻、暗電流暗電流 暗電阻暗電阻：若將光敏電阻置于無(wú)光照條件下，測(cè)得的：若將光敏電阻置于無(wú)光照條件下，測(cè)得的光敏電阻的阻值。這時(shí)，在給定工作電壓下測(cè)得光敏光敏電阻的阻值。這時(shí)，在給定工作電壓下測(cè)得光敏電阻中的電流稱為電阻中的電流稱為暗電流暗電流。亮電阻亮電阻、光電流光電流 亮電阻亮電阻：光敏電阻在光照條件下，測(cè)得的光敏電阻：光敏電阻在光照條件下，測(cè)得的光敏電阻的阻值的阻值( (亮電阻一般在幾千歐姆亮電阻一般在幾千歐姆) ) 。這時(shí)在工作電壓下。這時(shí)在工作電壓下測(cè)得的電流稱為測(cè)得的電流稱為亮電流亮電流。光電流光電流：亮電流

11、和暗電流之差稱為光電流：亮電流和暗電流之差稱為光電流I I。 光敏電阻的特性光敏電阻的特性光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：RU0光光照射光照射光電子空穴對(duì)光電子空穴對(duì)光生載流子光生載流子內(nèi)建電場(chǎng)作用內(nèi)建電場(chǎng)作用光電流光電流PN結(jié)反向?qū)ńY(jié)反向?qū)☉?yīng)用：光亮度測(cè)量、光耦合器件、非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速應(yīng)用：光亮度測(cè)量、光耦合器件、非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、般二極管相似、 光敏光敏二極管在電路中一般是二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。處于反向工作狀態(tài)。在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，阻

12、很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光結(jié)上，光子打在子打在PN結(jié)附近，使結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)谏昭▽?duì)，它們?cè)赑N結(jié)結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏二極管光敏三極管2)光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光電子空穴對(duì)光電子空穴對(duì)內(nèi)建

13、電場(chǎng)作用內(nèi)建電場(chǎng)作用光生電光生電子被拉向子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)區(qū)光電動(dòng)勢(shì)光電動(dòng)勢(shì)阻擋層阻擋層內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)PN結(jié)結(jié)常見(jiàn)器件：常見(jiàn)器件： 光電池（太陽(yáng)能電池），包括硅光電池、硒光電光電池（太陽(yáng)能電池），包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。池、砷化鎵光電池等。當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子出電子-空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)區(qū)和和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差區(qū)之間出現(xiàn)電位差。太陽(yáng)能電池片太陽(yáng)能電池片三、半導(dǎo)體光電元件的特性三、半

14、導(dǎo)體光電元件的特性 上面討論的光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管、上面討論的光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管、光電池等三種光電元件都是半導(dǎo)體傳感器件。它們各有光電池等三種光電元件都是半導(dǎo)體傳感器件。它們各有特性，但又有相似之處，為了便于分析和選用，把它們特性，但又有相似之處，為了便于分析和選用，把它們的特性綜合如下。的特性綜合如下。一、光電特性一、光電特性 光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光電特性是指這些半導(dǎo)體光電元件產(chǎn)生的光電流與光照之間的關(guān)系。光照之間的關(guān)系。 二、伏安特性二、伏安特性 伏安特性是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓伏安特性是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓U與電

15、流與電流I之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。三、光譜特性三、光譜特性 半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不半導(dǎo)體光電元件對(duì)不同波長(zhǎng)的光，其靈敏度是不同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些同的，因?yàn)橹挥心芰看笥诎雽?dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子光子才能激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)。而光子能量的大空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。小與光的波長(zhǎng)有關(guān)。四、頻率特性四、頻率特性 半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信半導(dǎo)體光電元件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。五、溫度特性五、溫度特性 半導(dǎo)體材料易受溫度的影響，它直接影響光電流半導(dǎo)體材

16、料易受溫度的影響，它直接影響光電流的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便的值。因此需要討論這些光電元件的溫度特性，以便選用合適的工作溫度。選用合適的工作溫度。7-2 7-2 光源光源 熱輻射光源熱輻射光源 氣體放電光源氣體放電光源 電致發(fā)光器件電致發(fā)光器件 激光器激光器 光源光源是光電式傳感器的一個(gè)組成部分，大多是光電式傳感器的一個(gè)組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開(kāi)光源。數(shù)光電傳感器都離不開(kāi)光源。一、熱輻射光源一、熱輻射光源 原理：原理：熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射 特點(diǎn)：特點(diǎn)：物體溫度越高，輻射能量越大物體溫度越高，輻射能量越大 代表：代表：白熾燈

17、、鹵鎢燈白熾燈、鹵鎢燈二、氣體放電光源二、氣體放電光源 原理：原理：電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象 特點(diǎn)：特點(diǎn)：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體 代表：代表：日光燈日光燈三、電致發(fā)光器件三、電致發(fā)光器件 原理：原理：固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光稱為電致發(fā)光 特點(diǎn)：特點(diǎn)：體積小、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、響應(yīng)速度快體積小、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、響應(yīng)速度快 代表：代表：發(fā)光二極管發(fā)光二極管四、激

18、光器四、激光器 定義：定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件 特點(diǎn)：特點(diǎn)：?jiǎn)紊院?、方向性好、亮度高單色性好、方向性好、亮度?分類：分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、 液體激光器液體激光器 要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光要使光電式傳感器能很好地工作。除了合理選用光電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源和測(cè)量線路。電轉(zhuǎn)換元件外，還必須配備合適的光源和測(cè)量線路。一、光源一、光源發(fā)光二極管發(fā)光二極管鎢絲燈泡鎢絲燈泡電弧燈或石英燈電弧燈或石英燈激光激光二、測(cè)量電路二、測(cè)量電路光電管的測(cè)量電路光電管的測(cè)量電路光電

19、倍增管的測(cè)量電路光電倍增管的測(cè)量電路光敏電阻的測(cè)量電路光敏電阻的測(cè)量電路 光敏晶體管的測(cè)量電路光敏晶體管的測(cè)量電路光電池的測(cè)量電路光電池的測(cè)量電路圖圖7-14 真空光電管的差接測(cè)量電路真空光電管的差接測(cè)量電路圖圖7-15 光電倍增管的測(cè)量電路光電倍增管的測(cè)量電路圖圖7-16 光敏電阻開(kāi)關(guān)電路光敏電阻開(kāi)關(guān)電路圖圖7-18 具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管具有溫度補(bǔ)償?shù)墓饷舳O管測(cè)量電路測(cè)量電路7-3 7-3 光電式傳感器的測(cè)量電路光電式傳感器的測(cè)量電路 光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬和脈沖式模擬和脈沖式光電傳感器兩大類。光電傳感器兩大類。7-4 7-4 光電傳感器及其應(yīng)用光

20、電傳感器及其應(yīng)用 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的特性，其光通量是隨被測(cè)量而變，光電流就成為被測(cè)量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式。收式、反射式、遮光式和輻射式。一、一、 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器光電元件的測(cè)量方式光電元件的測(cè)量方式二、脈沖式光電傳感器二、脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即兩

21、種穩(wěn)定狀態(tài)，即通通與與斷斷的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。電元件的開(kāi)關(guān)運(yùn)用狀態(tài)。光電式轉(zhuǎn)速計(jì)光電式轉(zhuǎn)速計(jì)天幕靶天幕靶光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用1 煙塵濁度檢測(cè)儀 煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變煙道里的煙塵濁度是通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光塵顆粒吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。 2 燈光亮度

22、自動(dòng)控制器燈光亮度自動(dòng)控制器 燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)白熾燈或燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強(qiáng)度自動(dòng)調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動(dòng)保持在最佳狀態(tài)，避熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動(dòng)保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。免人們產(chǎn)生視覺(jué)疲勞。 控制器主要由環(huán)境光照檢測(cè)電橋、放大器、積分器、比控制器主要由環(huán)境光照檢測(cè)電橋、放大器、積分器、比較器、過(guò)零檢測(cè)器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。較器、過(guò)零檢測(cè)器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過(guò)零檢測(cè)器對(duì)過(guò)零檢測(cè)器對(duì)50Hz50Hz市電電壓的每次過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并控制市電電壓的每次過(guò)零點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)，并控制鋸齒波形成電路鋸

23、齒波形成電路, ,使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，該電壓使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，該電壓加在比較器的同相輸入端。加在比較器的同相輸入端。 由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相輸入端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正較器的反相輸入端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正比例變化。比例變化。 兩個(gè)電壓的比較結(jié)果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境兩個(gè)電壓的比較結(jié)果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控

24、制信號(hào)，該控制信光照強(qiáng)度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號(hào)，該控制信號(hào)的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，號(hào)的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，利用這個(gè)控制信號(hào)觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，便可利用這個(gè)控制信號(hào)觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達(dá)到自動(dòng)控使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達(dá)到自動(dòng)控制環(huán)境光照不變的目的。制環(huán)境光照不變的目的。光電式傳感器的類型：光電式傳感器的類型： 1、光電效應(yīng)傳感器、光電效應(yīng)傳感器 是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。光照射到物是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。光照射到物體上使物體發(fā)

25、射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)等等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。等，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 2、光纖傳感器、光纖傳感器 它利用發(fā)光管（它利用發(fā)光管（LED）或激光管（）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或傳輸?shù)奖粰z測(cè)對(duì)象，被檢測(cè)信號(hào)調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號(hào)。送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號(hào)。 3、固體圖像傳感器、固體圖像傳感器 結(jié)構(gòu)上分為兩大類，一類是用結(jié)構(gòu)上分為兩

26、大類，一類是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成CCD圖像傳感器，一類是用光敏二極管圖像傳感器，一類是用光敏二極管與與MOS晶體管構(gòu)成的將光信號(hào)變成電荷或電流信號(hào)的晶體管構(gòu)成的將光信號(hào)變成電荷或電流信號(hào)的MOS金屬金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。 4、紅外熱釋電探測(cè)器、紅外熱釋電探測(cè)器 主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時(shí)引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理制成的一類器件。質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動(dòng)勢(shì)原理制成的一類器件。7-5 7-5 光纖傳感器光纖傳感器p 光光(導(dǎo)

27、導(dǎo))纖纖(維維)是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域領(lǐng)域)。p 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)年，把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。極高的靈敏度和準(zhǔn)確度、固有的安全性、極高的靈敏度和準(zhǔn)確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強(qiáng)度、耐良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強(qiáng)度、耐 高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。機(jī)械、電子

28、儀器儀表、航空航天、通訊、機(jī)械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、 生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工 電流磁場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、溫度、速度、電流磁場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、溫度、速度、 振動(dòng)、壓力、射線、圖像振動(dòng)、壓力、射線、圖像 一、光纖傳感器的基本知識(shí)一、光纖傳感器的基本知識(shí)1. 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別纖芯纖芯包層包層外套外套2. 光纖的分類光纖的分類1）按折射率分布）按折射率分布折射率變化規(guī)律折射率變化規(guī)律分類分類階躍型階躍型梯度型梯度型 采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)地從界采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后

29、會(huì)自動(dòng)地從界面向軸心會(huì)聚，因此也稱為聚焦光纖。面向軸心會(huì)聚，因此也稱為聚焦光纖。 階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，如圖如圖 所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從梯度光纖纖

30、芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時(shí)會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面向中心會(huì)聚，播時(shí)會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面向中心會(huì)聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。稱為自聚焦光纖。 是指是指光波傳播的途徑和方式光波傳播的途徑和方式。對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也

31、是不同的，這就是傳播模式不同。度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。 在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的傳播，在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。要少。 一般纖芯直徑為一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模，只能傳輸一種模式稱為式稱為。這類光纖傳輸性能好，信號(hào)。這類光纖傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好，畸變小，信息

32、容量大，線性好， 靈敏度高，靈敏度高， 但但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。難。 纖芯直徑較大（纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式），傳輸模式較多稱為較多稱為，這類光纖的性能較差，輸，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故 容 易 制 造 ， 連 接 和 耦 合 比 較 方 便 。故 容 易 制 造 ， 連 接 和 耦 合 比 較 方 便 。光是一種電磁波光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于

33、波長(zhǎng)而原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間折射率變化緩慢的空間,可以用可以用“光線光線”即即幾何光學(xué)幾何光學(xué)的的方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的這對(duì)于光纖中的多模光纖多模光纖是完全適用的。為此是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。（Snells Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率小）時(shí)，發(fā)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率?。r(shí)，發(fā)生折射，其折射角大于入射角。生折射，其折射角大于入射角。即即n1n2時(shí)，時(shí)， 2 1 。 (a)(a)光的折射示意圖光的折射示意圖

34、可見(jiàn)，入射角可見(jiàn)，入射角 1增大時(shí)，增大時(shí)，折射角折射角 2也隨之增大，且始終也隨之增大，且始終 2 1 。n1、n2、 2 、 1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sin 1 =n2sin 2 n1n2 1 2當(dāng)當(dāng) 2 =90 時(shí)，時(shí)， 1仍仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鳎藭r(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（播如圖（b），稱為臨界狀態(tài)（），稱為臨界狀態(tài)（ 1 10 ）。這時(shí)有）。這時(shí)有n1n2(b) 臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin90 1臨界角臨界角n1n2(c) 光全反射示意圖光全反射示意圖 1 2當(dāng)當(dāng) 1

35、 i0并繼續(xù)增大時(shí)，并繼續(xù)增大時(shí)， 2 90 ，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖象，如圖(c) ，其出射光不再，其出射光不再折射而全部反射回來(lái)。折射而全部反射回來(lái)。n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖階躍型光纖傳光示意圖0110sinsinnn011？ 若空氣的光折射率為若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則在光纖纖芯內(nèi)全反射，則 0至多為多少？至多為多少？211arcsinCnn1）數(shù)值孔徑）數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收數(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(gè)重要參數(shù)。性能的一個(gè)重要參數(shù)。2）損耗

36、：）損耗： 光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)耗系數(shù)1o10lg PLLP，光纖長(zhǎng)度入射端光功率入射端光功率出射端光功率出射端光功率目前常用的光纖材料有石英玻璃、多目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在這些材料中，由于存在在雜質(zhì)離子、原子的缺陷雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造等都會(huì)吸收光，從而造成材料損耗。成材料損耗。是由于是由于材料密度及濃度不均勻材料密度及濃度不均勻引起的。引起的。光纖拉制時(shí)光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變，造成纖維尺寸沿軸線

37、變化，化， 同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的界面的不光滑、污染不光滑、污染等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。耗。是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗。是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖光纖彎曲彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。層產(chǎn)生損耗。 二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 光纖傳感器分類光纖傳感器分類1. 功能型傳感器：傳感型、探測(cè)型（利用光纖本身的某種敏感特性）2. 非功能型傳感器：傳光型、結(jié)構(gòu)型、強(qiáng)度型、混合型(光纖只作為傳光介質(zhì)) 光纖傳感器可測(cè)參

38、光纖傳感器可測(cè)參量量1. 電流磁場(chǎng)、電壓電場(chǎng)；2. 溫度3. 速度4. 振動(dòng)、壓力5. 射線6. 圖像 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見(jiàn)圖見(jiàn)圖(a)。 光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖或非光纖的光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系

39、統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見(jiàn)圖見(jiàn)圖(b)。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。處理得到所期待的被測(cè)量。光纖光纖信號(hào)處理信號(hào)處理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器（b）光纖傳感器）光纖傳感器信號(hào)處理信號(hào)處理電電 源源信號(hào)接收信號(hào)接收敏感元件敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線導(dǎo)線 在用

40、途上，在用途上，非功能型傳感器非功能型傳感器要多于要多于功能型傳感器功能型傳感器，而且，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問(wèn)題。但無(wú)論哪一種傳感器，最妙，可解決一些特別辣手的問(wèn)題。但無(wú)論哪一種傳感器，最終都利用終都利用光探測(cè)器光探測(cè)器將光纖的輸出變?yōu)閷⒐饫w的輸出變?yōu)殡娦烹娦盘?hào)號(hào)。 光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)

41、以及光纖等組成。探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光通由光源發(fā)出的光通過(guò)源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的過(guò)源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。 (1) (1) 根據(jù)光纖在傳感器中的作用根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型功能型、非功能型

42、和拾光型三大類。三大類。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。合為一體的傳感器。光纖不僅光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變彎曲、相變)的作用的作用下，其光學(xué)特性下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連因此，傳感器中光纖是連

43、續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器 2 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳傳”不不“感感”，對(duì)外界信息的，對(duì)外界信息的“感覺(jué)感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。但靈敏

44、度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖 3 3）拾光型光纖傳感器）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。 信號(hào)信號(hào)處理處理光受光受信器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合器耦合器被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象功能型功能型傳光

45、型傳光型傳光型傳光型傳光（拾光）型傳光（拾光）型 （2 2）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制相位調(diào)制。 1 1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的

46、變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。 2 2）偏振調(diào)制光纖傳感器）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感

47、器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。 3 3）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳

48、感器 是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。 4 4）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器 其基本原理是其基

49、本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸

50、縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。 傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量被測(cè)量光纖光纖分類干干涉涉型型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器

51、遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM單模；單模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光

52、型三、光纖傳感器舉例三、光纖傳感器舉例 基于微彎效應(yīng)測(cè)壓力基于微彎效應(yīng)測(cè)壓力F光強(qiáng)調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長(zhǎng)調(diào)制光強(qiáng)調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長(zhǎng)調(diào)制1008060402000.51.01.52.0透射光強(qiáng)%外力N偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器偏振態(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I1I2光接受器2121IIII信號(hào)處理輸出電流導(dǎo)線非功能型光纖傳感器測(cè)溫應(yīng)用非功能型光纖傳感器測(cè)溫應(yīng)用GaAs半導(dǎo)體半導(dǎo)體光吸收片光吸收片E1E2輸出輸出溫度測(cè)量范圍：溫度測(cè)量范圍：-20300 C；誤差；誤差 3 C測(cè)量原理：測(cè)量原理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶

53、隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長(zhǎng)隨溫度增加而向長(zhǎng)波而減小的特性。材料吸收波長(zhǎng)隨溫度增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可以使透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度方向移動(dòng)，可以使透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而改變，達(dá)到測(cè)溫的目的。而改變，達(dá)到測(cè)溫的目的。光纖液位傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論原理：基于全內(nèi)反射理論 當(dāng)測(cè)頭沒(méi)有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，當(dāng)測(cè)頭沒(méi)有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當(dāng)測(cè)頭接觸液面，由于液體與空氣折射極管；當(dāng)測(cè)頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光率不相同，所以全內(nèi)

54、反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?。線投入液體，使返回光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)酢７祷毓鈴?qiáng)是液體折射率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生返回光強(qiáng)是液體折射率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，測(cè)頭已接觸到液位。突變時(shí)，測(cè)頭已接觸到液位。圓錐測(cè)頭圓錐測(cè)頭U型測(cè)頭型測(cè)頭 同時(shí)可以測(cè)定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。同時(shí)可以測(cè)定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。光纖傳感器優(yōu)缺點(diǎn)光纖傳感器優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)，且光纖本身是敏感器件；優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)，且光纖本身是敏感器件； 抗電磁干擾，安全?？闺姶鸥蓴_，安全。 缺點(diǎn)：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。缺點(diǎn)：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。四、產(chǎn)品

55、四、產(chǎn)品壓力壓力應(yīng)力應(yīng)力溫度溫度溫度、應(yīng)變儀溫度、應(yīng)變儀分析儀分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀 CCD全稱電荷耦合器件，全稱電荷耦合器件，它它具備光具備光電轉(zhuǎn)換、信息處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)電轉(zhuǎn)換、信息處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、邏輯運(yùn)算和傳輸?shù)裙δ?，具有集成度高、功耗算和傳輸?shù)裙δ埽哂屑啥雀?、功耗小、分辨力高、?dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)小、分辨力高、動(dòng)態(tài)范圍大等優(yōu)點(diǎn)。 CCD圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、圖像傳感器被廣泛應(yīng)用于生活、天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工天文、醫(yī)療、電視、傳真、通信以及工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)。 7-6 7-6 電荷耦合器件電荷耦合器件(CCD)(CCD)1 1、CCD的

56、基本工作原理的基本工作原理 一個(gè)完整的一個(gè)完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。 CCD工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元工作時(shí)，在設(shè)定的積分時(shí)間內(nèi)，光敏元對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏對(duì)光信號(hào)進(jìn)行取樣，將光的強(qiáng)弱轉(zhuǎn)換為各光敏元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在元的電荷量。取樣結(jié)束后，各光敏元的電荷在轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移柵信號(hào)驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)移到CCD內(nèi)部的移位內(nèi)部的移位寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的寄存器相應(yīng)單元中。移位寄存器在驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘的作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出

57、端。輸出作用下，將信號(hào)電荷順次轉(zhuǎn)移到輸出端。輸出信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存信號(hào)可接到示波器、圖象顯示器或其他信號(hào)存儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處儲(chǔ)、處理設(shè)備中，可對(duì)信號(hào)再現(xiàn)或進(jìn)行存儲(chǔ)處理。理。 MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器讀出移位寄存器的的數(shù)據(jù)面顯微照片數(shù)據(jù)面顯微照片 彩色彩色CCD顯微照片（放大顯微照片（放大7000倍）倍）（1 1）CCDCCD固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 CCD CCD的基本單元是的基本單元是MOSMOS電容器。電容器。MOS(MetalMOS(Metal Oxide Semiconductor)Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P(P型硅型硅) )基片上形成一種氧化物基片上形成一種氧化物( (如二氧化硅如二氧化硅) )，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬金屬- -氧化物氧化物- -半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 (MOS)(MOS)。 2、CCD圖像傳感器圖像傳感器 在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排