第4章光電式傳感器

1、 第4章光電式傳感器 4.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 4.2 光電器件光電器件 4.3 紅外線傳感器紅外線傳感器 4.4 色彩傳感器色彩傳感器 4.5 CZGGD500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅飨盗凶贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅?4.6 光纖傳感器光纖傳感器 4.7 光傳感器應(yīng)用實例光傳感器應(yīng)用實例 4.8 實訓(xùn)實訓(xùn)4.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)v光電元件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。v 光可以認為是由一定能量的粒子（光子）所形成，每個光子具有的能量h正比于光的頻率（h為普朗克常數(shù)）。v 用光照射某一物體，可以看做物體受到一連串能量為h的光子所轟擊。v 物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。 v4.1.1 外光電效

2、應(yīng)外光電效應(yīng)v 光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。v 逸出來的電子稱為光電子。v 外光電效應(yīng)可由愛因斯坦光電方程來描述： Ahmv221 v 一個光子的能量只能給物體中的一個自由電子，使自由電子能量增加h。v 這些能量一部分用于克服逸出功A。v 另一部分作為光電子逸出時的初動能： 221mvv4.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)v 光照射于某一物體上，使其導(dǎo)電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導(dǎo)效應(yīng)。v 硫化鎘、硒化鎘、硫化鉛、硒化鉛等在受到光照時均會出現(xiàn)電阻下降的現(xiàn)象。v 電路中反偏的PN結(jié)在受到光照時也會在該PN結(jié)附近產(chǎn)生光生載流子（電

3、子-空穴對）。v 利用上述現(xiàn)象可制成光敏電阻，光敏二極管，光敏晶體管，光敏晶閘管等光電轉(zhuǎn)換器件。v4.1.3 光生伏打效應(yīng)光生伏打效應(yīng)v 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)。v 具有該效應(yīng)的材料有硅、硒、氧化亞銅、硫化鎘、砷化鎵等。v 例如，當(dāng)一定波長的光照射PN結(jié)時，就產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，于是P區(qū)和N區(qū)之間產(chǎn)生電壓，即光生電動勢。v 利用該效應(yīng)可制成各類光電池。 4.2 光電器件光電器件v4.2.1 光電管和光電倍增管光電管和光電倍增管v 光電管和光電倍增管同屬于用外光電效應(yīng)制成的光電轉(zhuǎn)換器件。v1.光電管光電管v 如

4、圖4-1所示。金屬陽極A和陰極K封裝在一個玻璃殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極時，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時，逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。 23614 5圖4 -1 一種常見的光電管外形1-陽極A 2-陰極K 3-玻璃外殼4-管座 5-電極引腳 6-定位銷圖4 -2 光電管符號及測量電路v2.光電倍增管v 光電倍增管有放大光電流的作用，靈敏度非常高，信噪比大，線性好，多用于微光測量。U0RLD1D3KAD2D4圖4 -3 光電倍增管結(jié)構(gòu)及工作原理v4.2.2 光敏電阻光敏電阻v 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。v 材料有金屬硫化物、硒化物、碲化物等半

5、導(dǎo)體材料。例如：v 硫化鎘（CdS），硒化鎘（CdSe)。 v 在半導(dǎo)體光敏材料兩端裝上電極引線，將其封裝在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻，如圖4-4（a）所示。v 為了增加靈敏度，兩電極常做成梳狀，如圖4-4（b）所示。 圖4-4 光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號 a）原理圖 b)圖4-4 光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號 b）外形圖 c)圖4-4 光敏電阻機構(gòu)示意圖及圖形符號 c）圖形符號 v 光敏電阻無光照時的暗電阻一般大于1500k,在有光照時，其亮電阻為幾k,兩者差別較大。v 對可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種光敏電阻。v 光敏電阻的光照響應(yīng)速度較慢。例如：硫化鎘光敏電阻的響

6、應(yīng)時間約為100ms，硒化鎘光敏電阻的響應(yīng)時間約為10ms。v 光敏電阻通常都工作于直流或低頻狀態(tài)下。v4.2.3光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管v1.光敏二極管光敏二極管v 光敏二極管是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件，其PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，以便接受光照，如圖4-5（a）所示。v 它在電路中處于反向偏置狀態(tài)，如圖4-5（b）所示。v 光電流與光照度成正比。v 還有一種雪崩式光敏二極管（APD）。 光照 P N a) +RLEU0IAb) 圖4 -5 光敏二極管 a)結(jié)構(gòu)示意圖及圖形符號 b）基本應(yīng)用電路 v2.光敏晶體管光敏晶體管v 光敏晶體管有兩個PN結(jié)，從而可以獲

7、得電流增益，如圖4-6所示。v 光敏晶體管與一只普通晶體管制作在同一個管殼內(nèi)，連接成復(fù)合管，如圖4-6（e）所示，稱為達林頓型光敏晶體管。它的靈敏度更大（=12）。v 但是達林頓光敏晶體管的漏電（暗電流）較大，頻響較差，溫漂也較大。 +CNNP-eJcJea)CIc= IcboIcboeb)Cec) 圖4 6 光敏晶體管 a) 結(jié)構(gòu) b) 等效電路 c）圖形符號 d)+UCC U0 =UC C Ic R LIcRLRL+UCC （3 20）VU0 =I C R LIceCe) 圖4 6 光敏晶體管 d) 應(yīng)用電路 e)光敏達林頓管 v4.2.4光電池光電池v 光電池的工作原理是基于光生伏打效應(yīng)

8、。當(dāng)光照射在光電池上時，可以直接輸出電動勢及光電流。v 圖4-7所示是光電池結(jié)構(gòu)與圖形符號。v 光電池 的種類很多，有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。 焊點N型硅 +金屬鍍層電極光P型硅PN結(jié)a)b) 圖4-7 硅光電池 a) 結(jié)構(gòu)示意圖 b) 圖形符號 v 應(yīng)用最廣的是硅光電池，優(yōu)點：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。v 大面積的光電池組按功率和電壓的要求進行串、并聯(lián)，組成方陣，可以做成太陽能電池作為電源。v 太陽能電池在宇宙開發(fā)、航空、通信、交通、家用電器等方面得到了廣泛應(yīng)用。v4.2.5 光電元件的特性光電元件的特性v1.光照特性光照特性

9、v 當(dāng)光電元件上加上一定電壓時，光電流I與光電元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系，稱為光照特性。v I = f（E）v 對于光敏電阻器，因其靈敏度高而光照特性呈非線性，一般用于自動控制中作開關(guān)元件。其光照特性見圖4-8（a）。 圖 4 -8 光照特性圖(a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光敏二極管；(d)光敏晶體管 v 光電池的開路電壓V與照度E是對數(shù)關(guān)系，在2000lx的照度下趨于飽和。v 在負載電阻遠小于光電池內(nèi)阻時，光電池的電流稱為短路電流Isc，與照度呈線性關(guān)系。如圖4-8（b）直線所示。v 光敏二極管的光照特性為線性，適于作檢測元件，其特性如圖4-8（c）所示。v 光敏晶體管的光照特性如

10、圖4-8（d）所示，呈非線性。v 但由于其內(nèi)部具有放大作用，故其靈敏度較高，輸出光電流較大 。v2.光譜特性光譜特性v 光敏元件上加上一定的電壓，這時如有一單色光（單一波長光）照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變化。v 入射光波長與光敏器件相對靈敏度或相對光電流間的關(guān)系即為該元件的光譜特性。 圖4 9 各種光敏元件的光譜特性圖 (a)光敏電阻器；(b)硅光敏二極管；(c)光敏晶體管 v 由圖4-9可見，元件材料不同，所能響應(yīng)的峰值波長也不同。v 應(yīng)根據(jù)光譜特性來確定光源與光電器件的最佳匹配。v 在選擇光敏元件時，應(yīng)使最大靈敏度在需要測量的光譜范圍內(nèi)，才有可能獲得

11、最高靈敏度。v3.伏安特性伏安特性v 在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。v 各種光敏元件的伏安特性如圖4-10所示。v 伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。 圖4 -10 各種光敏元件的伏安特性 (a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光電晶體管 v4.頻率特性頻率特性v 在相同的電壓和同樣幅值的光照下，當(dāng)入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會隨調(diào)制頻率f而變化，它們的關(guān)系為：v I = F1（f ）v或 S = F2（f ） v 稱為頻率特性。v 以光生伏打效應(yīng)原理工作的光敏元件（如光電池）頻率特性較差，v

12、以內(nèi)光電效應(yīng)原理工作的光敏元件（如 光敏電阻）頻率特性更差。v 光敏二極管的頻率特性是半導(dǎo)體光敏元件中最好的。 圖4 -11各種光敏元件的頻率響應(yīng) (a)光敏電阻器；(b)光電池；(c)光敏二極管 v5.溫度特性溫度特性v 光敏電阻，當(dāng)溫度上升時，暗電流增大，靈敏度下降。v 光敏晶體管，由于溫度變化對暗電流影響非常大，并且是非線性的，給微光測量帶來較大誤差。v 光電池受溫度的影響主要表現(xiàn)在開路電壓隨溫度增加而下降，短路電流隨溫度上升緩慢增加。v 應(yīng)采取相應(yīng)措施進行溫度補償。 v6.響應(yīng)時間響應(yīng)時間v 光敏電阻較慢，約為（10 110）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。v 工業(yè)用的硅光敏二極管

13、的響應(yīng)時間為（105107）s左右，v 光敏晶體管的響應(yīng)時間比二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光敏二極管。 v4.2.6 光耦合器件光耦合器件 v 將發(fā)光器件與光敏元件集成在一起便可構(gòu)成光耦合器件，圖4-12為其結(jié)構(gòu)示意圖。v 圖a為窄縫透射式，可用于片狀遮擋物體的位置檢測，或碼盤、轉(zhuǎn)速測量中；v 圖 b為反射式可用于反光體的位置檢測，對被測物不限制厚度；v 圖c為全封閉式，用于前后級電路的隔離。(a)(b)(c)圖 4 -12 光耦合器典型結(jié)構(gòu) v 光耦合器件中的發(fā)光元件多半是發(fā)光二極管。v 光耦合器件中的光敏元件多為光敏二極管和光敏晶體管，少數(shù)采用光敏

14、達林頓管或光控晶閘管。v 對于光耦合器件的特性，應(yīng)注意以下各項參數(shù)。v（1）電流傳輸比 v（2）輸入輸出間的絕緣電阻 v（3）輸入輸出間的耐壓 v（4）輸入輸出間的寄生電容v（5）最高工作頻率 v（6）脈沖上升時間和下降時間 v 采用雙光耦合器件TLP521的光隔離放大器電路如圖4-13所示。v 兩光耦合器件本身是非線性的，由于非線性程度相同，所以采用了負反饋的方法相互抵消，改善了線性。v 電容C用于防止運放的自激振蕩。輸出放大器OP-07用于緩沖隔離。 圖4-13 光隔離放大器電路4.3 紅外線傳感器紅外線傳感器v4.3.1概述概述v 凡是存在于自然界的物體，例如：人體、火焰、冰等物體都會放

15、射出紅外線，只是其發(fā)射的紅外線的波長不同而已。v 人體的溫度為3637C，所放射的紅外線波長為910m（屬于遠紅外線區(qū)）。v 加熱到400700C的物體，其放射出的紅外線波長為35m（屬于中紅外線區(qū)）。v 紅外線傳感器可以檢測到這些物體發(fā)射出的紅外線，用于測量、成像或控制。 v 用紅外線作為檢測媒介，來測量某些非電量，比可見光作為媒介的檢測方法要好。其優(yōu)越性表現(xiàn)在：v(1) 可在晝夜進行測量。v(2) 不必設(shè)光源。v(3) 大氣對某些特定波長范圍的紅外線吸收甚少（22.6m ,35m ,814m三個波段稱為“大氣窗口”）,故適用于遙感技術(shù)。 v 紅外線傳感器按其工作原理可分為兩類：量子型及熱型

16、。v 熱型紅外線光敏元件的特點是：v 靈敏度較低、響應(yīng)速度較慢、響應(yīng)的紅外線波長范圍較寬，價格比較便宜、能在室溫下工作。v 量子型紅外線光敏元件的特性則與熱型正好相反，一般必須在冷卻（77K）條件下使用。 v4.3.2熱釋電型紅外傳感器熱釋電型紅外傳感器v1. 熱釋電效應(yīng)熱釋電效應(yīng)v 若使某些強介電質(zhì)物質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，隨著溫度的上升或下降，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)，是熱電效應(yīng)的一種。v 在鈦酸鋇之類的強介電質(zhì)物質(zhì)材料上表現(xiàn)得特別顯著。v 熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷不是永存的，很快便被空氣中的各種離子所結(jié)合。 v2. 熱釋電紅外線光敏元件的材料熱釋電紅外線光敏元

17、件的材料v 熱釋電紅外線光敏元件的材料較多，其中以陶瓷氧化物及壓電晶體用得最多。v3. 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器v 如圖4-14所示。傳感器的敏感元件是PZT（鈦鋯酸鉛 ），在上下兩面做上電極，并在表面上加一層黑色氧化膜以提高其轉(zhuǎn)換效率。 內(nèi)接線 氧化膜PZT元件 鋁件 接腳FET 空洞 圖 4 14 熱釋電紅外傳感器基本結(jié)構(gòu) v 等效電路如圖4-15所示。v 電路結(jié)構(gòu)是一個在負載電阻上并聯(lián)一個電容的電流發(fā)生器，其輸出阻抗極高，輸出電壓信號又極其微弱。v 管內(nèi)有場效應(yīng)管FET放大器及厚膜電阻，以達到阻抗變換的目的。元件FETDSE Rg RsRs為負載電阻，有的傳感器內(nèi)無Rs（需外接）

18、圖 4 -15 熱釋電紅外傳感器等效電路 v4. PVF2 熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器v PVF2是聚偏二氟乙烯的縮寫，是一種經(jīng)過特殊加工的塑料薄膜。v 它具有壓電效應(yīng)，同時也具有熱釋電效應(yīng)，是一種新型傳感器材料。v 熱釋電系數(shù)比鉭酸鋰、硫酸三甘肽等低。 v 具有不吸濕、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、柔軟、易加工及成本低的特點，是制造紅外線監(jiān)測報警裝置的好材料。 v5. 菲涅耳透鏡菲涅耳透鏡v 是由塑料制成的 特殊設(shè)計的光學(xué)透鏡，配合熱釋電紅外線傳感器使用。 v 透鏡由很多“盲區(qū)”和“高靈敏區(qū)”組成，物體或人體發(fā)射的紅外線通過菲涅耳透鏡會產(chǎn)生一系列的光脈沖進入傳感器，從而提高了接收靈敏度。v 物體或人體

19、移動的速度越快，靈敏度就越高。一般配上透鏡可檢測10米上下，v 新設(shè)計的雙重反射型，則其檢測距離可達20米以上。 菲涅耳透鏡圖4 - 16菲涅耳透鏡的應(yīng)用 v6熱釋電紅外探測模塊熱釋電紅外探測模塊v 熱釋電紅外探測模塊由v 菲涅爾透鏡、熱釋電紅外傳感器、放大器、基準(zhǔn)電壓源、比較器、驅(qū)動放大電路、繼電器或晶閘管組成，v 如圖4-17所示。菲涅爾透鏡熱釋電紅外傳感器放大器比較器基準(zhǔn)電壓源驅(qū)動電路繼電器圖4-17 熱釋電紅外探測模塊結(jié)構(gòu) v 熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生的微弱電信號，經(jīng)放大器放大，然后與基準(zhǔn)電壓比較。v 若大于基準(zhǔn)電壓，則輸出高電平，經(jīng)驅(qū)動放大后，控制繼電器動作。v 通常將熱釋電紅外傳感器和

20、全部電路安裝在一個小印制電路板上，然后將其裝入一個帶有菲涅爾透鏡的ABS工程塑料外殼內(nèi)，做成一個組件。表表4-3 4-3 熱釋電紅外傳感器組件性能熱釋電紅外傳感器組件性能型型 號號工作工作電壓電壓延遲延遲時間時間探測探測角度角度探測探測距離距離輸出方式輸出方式BH9402BH9402DC5VDC5V2 25s5s120120 5m5m高電平高電平TWH9241ATWH9241ADC12VDC12V10s10s8080 7m7m繼電器繼電器GH608GH608DC9VDC9V3s3s110110 12m12m315MHz315MHz信號信號HT807HT807AC220VAC220V50s50s

21、110110 5m5m晶閘管晶閘管4.4 色彩傳感器色彩傳感器v 色彩傳感器是由單晶硅和非單晶態(tài)硅制成的半導(dǎo)體器件。v 物體的顏色是由照射物體的光源和物體本身的光譜反射率決定的。v 在光源一定的條件下，物體的顏色取決于反射的光譜（波長），能測定物體反射的波長，就可以測定物體的顏色。v 色彩傳感器有兩種：雙PN結(jié)光電二極管和非晶態(tài)集成色彩傳感器。 v1. 雙結(jié)型色彩傳感器雙結(jié)型色彩傳感器v 在一塊單晶硅基片上作了兩個PN結(jié)的三層結(jié)構(gòu)，如圖4-18所示。v 兩個光電二極管PD1及PD2反向連接。 v 光電二極管的光譜特性與PN結(jié)的厚薄有很大關(guān)系。PN結(jié)的面做得薄一點對藍光的靈敏度高。v PD1與P

22、D2的厚薄不同所以光譜特性也不同，如圖4-19所示。 電極3PPN絕緣膜電極1電極2a)123PD2PD1b)圖4 18 雙結(jié)型色彩傳感器的結(jié)構(gòu)與等效電路 圖4-19 雙結(jié)型色彩傳感器的光譜特性 v PD1接近表面，所以對藍光（波長430460nm）、綠光（波長490570nm）有較高的靈敏度。v PD2則對紅光（波長650760nm）及紅外線有較高的靈敏度。v 分別測PD1及PD2的短路電流，ISC1、ISC2，可得圖4-20所示的特性。 圖 4 20 短路電流比與波長特性v 根據(jù)色彩傳感器檢測的短路電流比，由圖4-20可以求出對應(yīng)的波長，即可分辨出不同的顏色。v 由圖4-20可知，不同的溫

23、度，其特性有所變動。因此在作精密測量時要在電路上加溫度補償，或者在計算機中用軟件進行補償。 v2. 非晶態(tài)集成色彩傳感器非晶態(tài)集成色彩傳感器v 如圖4-21 所示，在非晶態(tài)的硅的基片上，平排做了三個光電二極管。v 在各個光電二極管上分別加上紅（R）、綠（G）、藍（B）濾色鏡，將來自物體的反射光分解為三種顏色。v 根據(jù)R、G、B濾色鏡下光電二極管輸出的短路電流大小，通過電子線路及計算機，可以識別十二種以上的顏色。 非晶態(tài)硅引線樹脂導(dǎo)電膜 玻璃板濾色鏡RGB圖 4 21 非晶態(tài)集成色彩傳感器 a)b) AM3301系列集成色彩傳感器的三色相對靈敏度與波長特性如圖4-22所示。 波長（nm）7006

24、0050040000.51.0相對靈敏度BGR圖 4 22 相對靈敏度與波長特性 非晶態(tài)色彩傳感器的入射光照度與輸出電壓的關(guān)系如圖 4-23所示。 圖 4-23 非晶態(tài)色彩傳感器輸出電壓與照度關(guān)系 傳感器上有時并聯(lián)一個100K電阻，以保證良好的線性度。放大電路如圖4-24所示。 +-色彩傳感器 100K R CRfV0圖 4-24 非晶態(tài)傳感器放大電路（僅一路） 4.5 CZG-GC-500系列系列紫外火焰?zhèn)鞲衅髯贤饣鹧鎮(zhèn)鞲衅鱲 敏感元件為紫外電管，由管殼、充入的氣體、陽極和光陰極組成。v 如圖4-25 所示。v 在火焰中的遠紫外線的照射下，光陰極中的電子吸收能量而逸出光陰極表面。v 在電場的

25、作用下向陽極運動，從而產(chǎn)生電信號，達到檢測火焰的目的。圖4-25 CZG-GC-500系列紫外火焰?zhèn)鞲衅鱲 紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來檢測火焰的產(chǎn)生。v 該傳感器也可用于發(fā)動機、鍋爐、窯爐等的火焰報警系統(tǒng)。4.6 光纖傳感器光纖傳感器v 可分為功能型和非功能型。v 功能型傳感器是利用光纖本身的特性隨被測量發(fā)生變化，利用光纖作為敏感元件，又稱為傳感型光纖傳感器。v 非功能型傳感器是利用其他敏感元件來感受被測量變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)，也稱為傳光型光纖傳感器或稱混合型光纖傳感器。v4.6.1 光纖傳感元器件光纖傳感元器件v 光導(dǎo)纖維是用比頭發(fā)絲還細的石英

26、玻璃制成的，每根光纖由圓柱形的內(nèi)芯和包層組成。v 內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率。v 光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠的地方去。 v 光纖的直徑比光的波長大很多，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖中的傳播。v 當(dāng)光從光密（折射率大）介質(zhì)射向光疏（折射率?。┙橘|(zhì)，且入射角大于臨界角時，光會產(chǎn)生全反射，v 即光不再離開光密介質(zhì)。v 光纖圓柱形內(nèi)芯的折射率n1大于包層的折射率n2，v 因此，如圖4-27所示，在角2之間的入射光，除了在光纖玻璃中吸收和散射之外，大部分在界面上產(chǎn)生多次反射，以鋸齒形的線路在光纖中傳播。v 在光纖的末

27、端以與入射角相等的出（反）射角射出光纖。圖4 -27 光導(dǎo)纖維中光的傳輸特性 光纖的主要參數(shù)和類型：（1）數(shù)值孔徑： 無論光源發(fā)射功率有多大，只有2張角之內(nèi) 的光功率能被光纖接收。角2與光纖內(nèi)芯和包層材料的折射率有關(guān)，我們將的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA）。212221)(sinnnNA 一般希望有大的數(shù)值孔徑,以利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑越大,光信號畸變就越嚴(yán)重,所以要適當(dāng)選擇。 （2）光纖模式： 多模光纖中，同一光信號采用很多模式傳輸，會使這一光信號分裂為不同時間到達接收端的多個小信號，導(dǎo)致合成信號畸變。 希望模式數(shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。 階躍型的圓筒光纖內(nèi)

28、傳播的模式數(shù)量v可簡單表示為： 0212221)(nndv （3）傳播損耗： 由于光纖纖芯材料的吸收、散射以及光纖彎曲處的輻射損耗等影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地會有損耗。 假設(shè)從纖芯左端輸入一個光脈沖，其峰值強度（光功率）為Io，傳播損耗后，光纖中任一點處的光強度為：LeILI0)(（4）光纖類型 按折射率變化分為階躍型光纖和漸變型光纖。 按傳輸模式多少分為單模光纖與多模光纖。 v4.6.2 常用光纖傳感器常用光纖傳感器v 光纖傳感器的種類很多，工作原理也各不相同，但都離不開光的調(diào)制和解調(diào)兩個環(huán)節(jié)。v 光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上。v 承載了被測信息的已調(diào)制光，傳輸?shù)焦馓綔y

29、系統(tǒng)后再經(jīng)解調(diào)，便可獲得所需的該被測信息。v 常用的光調(diào)制方法有強度調(diào)制、相位調(diào)制、頻率調(diào)制、偏振調(diào)制等幾種。 v 1. 光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器v 按光強度調(diào)制原理制成。v （1）被測力作用于膜片，使光纖與膜片間的氣隙減小，使棱鏡與光吸收層之間的氣隙發(fā)生改變。v （2）氣隙發(fā)生改變引起棱鏡界面上全（內(nèi)）反射的局部破壞，造成一部分光離開棱鏡的上界面，進入吸收層并被吸收，致使反射回接收光纖的光強度減小。 圖4 28 光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)1膜片；2光吸收層；3墊圈；4光導(dǎo)纖維；5橋式光接收線路；6發(fā)光二極管；7殼體；8棱鏡；9上蓋。 v （3）接收光纖內(nèi)反射光強度的改變可由橋式光接收器檢測出來。

30、v （4）橋式光接收器輸出信號的大小只與光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關(guān)。v 光纖壓力傳感器不受電磁干擾，響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。v 由于沒有導(dǎo)電元件，特別適合于有防爆要求的場合使用。 v2. 光纖血流傳感器光纖血流傳感器v 利用頻率調(diào)制原理，也就是利用光的多普勒效應(yīng)，在這里光纖只起傳輸作用。v 激光器發(fā)出的光波頻率為f，激光束由分束器分為兩束，一束作為測量光束，通過光纖探針進到被測血液中， 由于血流速度 ，其反射光具有多普勒頻移f 。另一束作為參考光由頻移器產(chǎn)生參考頻移。氬氖激光器頻率分析器記錄儀 光電二極管 動脈血管光纖探針托座頻移器分束器圖4 -29 光纖血流傳感器 v

31、光電二極管接收該兩束光信號，送入頻率分析器分析，記錄儀上顯示對應(yīng)于血流速度的多普勒頻移譜，如圖4-30所示。v 圖中，I表示輸出的光電流；f0表示最大頻移；f的符號由血流方向確定。 f1 f0O I相對電流ff / Hz圖4 30 多普勒頻移譜 4.7 光傳感器應(yīng)用實例光傳感器應(yīng)用實例v4.7.1 自動照明燈自動照明燈v 如圖4-31所示。D1為觸發(fā)二極管，觸發(fā)電壓約為30V左右。v 白天，光敏電阻的阻值低， A點分壓低于30V，觸發(fā)二極管截止，雙向可控硅無觸發(fā)電流，T1、T2之間呈斷開狀態(tài)。v 晚上天黑，光敏電阻的阻值增加，A點電壓大于30V，觸發(fā)二極管導(dǎo)通，雙向可控硅呈導(dǎo)通狀態(tài)，電燈亮。2

32、20VVTVDGC2R2A R1 C1R3圖4 31 自動照明燈電路 v4.7.2 物體長度及運動速度的檢測物體長度及運動速度的檢測v 圖4-32為示意圖和電路簡圖。v 當(dāng)工件自左向右運動時，首先遮斷光源A的光線，經(jīng)過設(shè)定的S0距離后再遮斷光源B的光線，經(jīng)光敏元件VDA、VDB和 RS觸發(fā)器輸出高頻脈沖，計數(shù)器進行計數(shù)。v 若所計脈沖數(shù)為n 和脈沖周期為T，則可計算物體平均運動速度為 nTStS00 圖4 32（a） 光電元件檢測運動物體速度信號示意圖S 0LEDBLEDAQL7689清零信號 VDAVDBSR 3 14 25 圖4 32（b） 光電元件檢測運動物體速度電路圖 1光源A ；2光

33、敏元件VDA ；3運動物體 ；4光源B ；5光敏元件VDB ；6 RS觸發(fā)器；7高頻脈沖信號源；8計數(shù)器；9顯示器 v4.7.3 紅外線自動水龍頭紅外線自動水龍頭 v 紅外線自動水龍頭屬無接觸式自動水龍頭，起到節(jié)約用水的作用，還可以避免人群中病菌的交叉?zhèn)鞑?。電路如圖4-33所示。v 音調(diào)解碼器LM567的振蕩信號頻率由5、6腳外接的R2、C1確定。v 產(chǎn)生的振蕩信號，由5腳輸出，經(jīng)運算放大器A1和VT1放大，驅(qū)動紅外發(fā)光二極管VL1發(fā)光向外發(fā)射。 圖圖4-33 紅外線自動水龍頭紅外線自動水龍頭v 紅外光線經(jīng)人手反射，由紅外光敏二極管VD2接收，經(jīng)運算放大器A2放大后，由3腳輸入到LM567音調(diào)

34、解碼器。v 音調(diào)解碼器把輸入信號與內(nèi)部振蕩信號比較，兩者頻率相等，8腳輸出低電平。v 晶體管VT2飽和導(dǎo)通，集電極變?yōu)楦唠娖?，使晶閘管BT139導(dǎo)通，接通電磁閥RL的電源。電磁閥打開，放出水來。v 手離開后，沒有人手的反射，紅外光敏二極管VD2沒有接收信號，LM567音調(diào)解碼器3腳沒有輸入信號，8腳輸出為高電平。v VT2截止，集電極變?yōu)榈碗娖?，晶閘管不導(dǎo)通，電磁閥關(guān)閉，沒有水流出來。v4.7.4 手指光反射測量心率方法手指光反射測量心率方法 v 如圖4-34所示。v 用一光發(fā)生器向手指發(fā)射光，用一光檢測器放在手指的同一邊，接收手指反射的光。v 手指反射的光的強度及其變化會隨血液脈搏的變化而變

35、化。v 由光檢測器檢測到手指反射的光，并對其強度變化速率進行記數(shù)，即可測得被測人的心率。圖4-34 手指光反射測量心率示意圖 v 電路組成如圖4-35所示。v 光發(fā)生器采用超亮度LED管，光檢測器使用光敏電阻。v 當(dāng)食指前端接觸光傳感器時，從光傳感器輸出可得到約100V的電壓變化。v 該信號經(jīng)電容器C加到放大器的輸入端，經(jīng)放大、信號變換處理，便可從顯示器上直接得到心率的測量結(jié)果。顯顯示示器器信號信號變換變換處理處理放放大大器器5VLEDB光傳感器光傳感器68K270C圖4-35 手指光反射測量心率電路圖v4.7.5 條形碼掃描筆條形碼掃描筆 v 掃描筆的前方為光電讀入頭，它由一個發(fā)光二極管和一個光敏晶體管組成，如圖4-36所示。v 當(dāng)掃描筆頭在條形碼上移動時，黑色線條吸收光線，白色間隔反射光線。v 光敏晶體管將條形碼黑色線條和白色間隔變成了一個個電脈沖信號，如圖4-37所示。v 脈沖列經(jīng)計算機處理后，完成對條形碼信息的識別。圖4-3