傳感器第四章光電式傳感器原理與應(yīng)用課件

1、第4章 光電式傳感器原理與應(yīng)用4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.2 光電碼盤4.3 電荷耦合器件4.4 光纖傳感器4.5 光柵傳感器光電式傳感器工作原理：把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后 通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。輻射源光學(xué)通路光電元件光電式傳感器方框圖光電效應(yīng) ？物理學(xué)中認(rèn)為光是由分離的能團(tuán)光子組成波粒子能量：所謂光電效應(yīng)是物體吸收能量為E的光后所產(chǎn)生電效應(yīng)根據(jù)愛(ài)因斯坦的假設(shè)，一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子，因此，要使一個(gè)電子從物質(zhì)的表面逸出，光子的能量E必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，即4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光

2、敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用4.1.1 外光電效應(yīng)（光電發(fā)射型）在光線作用下使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。真空光電管的伏安特性 充氣光電管的伏安特性充氣光電管: 構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差 4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管

3、4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用4.1.2 光電倍增管 在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽(yáng)極 光電倍增管的結(jié)構(gòu) 與工作原理光電陰極光電倍增極陽(yáng)極倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射 二次電子發(fā)射系數(shù) = 二次發(fā)射電子數(shù)入射電子數(shù)若倍增極有n，則倍增率為n4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用內(nèi)光電效應(yīng)（光電

4、導(dǎo)型）在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等1. 光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加光敏電阻的結(jié)構(gòu) 1.玻璃 2.光電導(dǎo)層 3.電極 4.絕緣襯底 5.金屬殼 6.黑色絕緣玻璃 7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。2光敏電阻的基本特性 （1）伏安特性 （2）光照特性（3）光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性（1）伏安特性 在

5、一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系 在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒(méi)有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。 （2）光照特性 光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系 由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。 （3）光譜特性 光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的 （4）響應(yīng)時(shí)間光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。 光敏電阻的頻率特性 不同材料的光敏電阻具有不

6、同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。 （5）溫度特性 光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。 硫化鎘光敏電阻的溫度特性 溫度系數(shù): 在一定光照下，溫度每變化1，光敏電阻阻值的平均變化率 溫度對(duì)光譜特性影響 隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管 1 工作原理2 基本特性1

7、工作原理結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的 光敏二極管光敏晶體管 與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。 2 基本特性（1）光譜特性 （2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)（1）光譜特性入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降 硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性 可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則鍺管較為適宜。 （2）伏安特性硅光敏管的伏安特性 （3）光照特性 硅光敏管的光照特性 光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 （4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)

8、光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系 硅光敏晶體管的頻率響應(yīng) 4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用阻擋層光電效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)）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。如光電池、光敏晶體管等光電池有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。 1. 工作原理2基本特性1. 工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到

9、pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù)) 。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。2 基本特性(1) 光譜特性(2) 光照特性(3) 頻率響應(yīng) (4) 溫度特性 (5) 穩(wěn)定性 （1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的 (2)光照特性 不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。 短路電流與光照度成線性關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度是非線性的光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用 負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬 (3)頻率響應(yīng) 指輸出電流隨調(diào)制光頻率變

10、化的關(guān)系 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ,用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換 (4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo) 硅光電池的溫度特性(照度1000lx) (5)穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定 影響性能和壽命因素：光電池的材料及制造工藝使用環(huán)境條件 4.1 光電效應(yīng)和光電器件4.1.1 光電管4.1.2 光電倍增管4.1.3 光敏電阻4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管4.1.5 光電池4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用模擬式傳

11、感器脈沖式傳感器1. 模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù) 。對(duì)于光通量的任意一個(gè)選定值，對(duì)應(yīng)的光電流就有一個(gè)確定的值，而光通量又隨被測(cè)非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)。光電比色高溫計(jì) 1物鏡；2平面玻璃；3光闌；4光導(dǎo)棒；5分光鏡；6濾光片；7硅光電池；8濾光片；9硅光電池；10瞄準(zhǔn)反射鏡；11圓柱反射鏡；12目鏡；13多夫棱鏡14、15硅光電池負(fù)載電阻；16可逆電機(jī)；17電子電位差計(jì)2. 脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。

12、屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表 End the 4.14.2 光電碼盤 數(shù)字式傳感器: 把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出 優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于用 計(jì)算機(jī)處理。最簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE) 角度數(shù)字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）原理分類：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等 4.2 光電碼盤4.2.1 工作原理4.2.2 碼盤和碼制4.2.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4.2.4 應(yīng)用4.2.1 工作原理用光電方法把被測(cè)角位

13、移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。1光源 2柱面鏡 3碼盤 4狹縫 5元件 4.2 光電碼盤4.2.1 工作原理4.2.2 碼盤和碼制4.2.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4.2.4 應(yīng)用4.2.2 碼盤和碼制6位二進(jìn)制碼盤根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。 二進(jìn)制碼盤主要特點(diǎn)： （1）n位(n個(gè)碼道)的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n， 其最小分辨力136002n，它的最外圈角節(jié)距為21；（2）二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，C1對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：（3）碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)中，Ci變化時(shí)，所有Cj(ji)應(yīng)同時(shí)變化。二進(jìn)制碼盤的粗大誤差及消除

14、要求各個(gè)碼道刻劃精確，彼此對(duì)準(zhǔn)，這給碼盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差，只要有個(gè)碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。消除粗大誤差方法：雙讀數(shù)頭法，循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼雙讀數(shù)頭的缺點(diǎn)是讀數(shù)頭的個(gè)數(shù)增加了一倍。當(dāng)編碼器位數(shù)很多時(shí)，光電元件安裝位置也有困難。 (a) 四位二進(jìn)制碼盤展開(kāi)圖 (b) 采用雙讀數(shù)頭消除粗大誤差的示意圖 (1)n位循環(huán)碼碼盤具有2n種不同編碼；(2)循環(huán)碼碼盤具有軸對(duì)稱性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循環(huán)碼為無(wú)權(quán)碼；(4)循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時(shí)，編碼中只有一位發(fā)生變化， 不會(huì)產(chǎn)生粗誤差。 六位的循環(huán)碼碼盤4.2 光電碼盤4.2.1 工作原理4.2.2

15、碼盤和碼制4.2.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4.2.4 應(yīng)用4.2.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的對(duì)照表二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為循環(huán)碼的電路 (a) 并行變換電路 (b)串行變換電路 循環(huán)碼轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制碼的電路 (a) 并行變換電路 (b)串行變換電路 循環(huán)碼是無(wú)權(quán)碼，直接譯碼有困難，一般先轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼后再譯碼。 單盤與多盤編碼器:單盤編碼器:全部碼道在一個(gè)圓盤上，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。但當(dāng)位數(shù)要求增多的情況下，若要求具有很高的分辨力，則制造困難，圓盤直徑也要大。 采用幾個(gè)碼盤通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)裝置連成一起的碼盤組，則可大大提高分辨率，而且可以用來(lái)測(cè)定轉(zhuǎn)速。 4.2 光電碼盤4.2.1 工作

16、原理4.2.2 碼盤和碼制4.2.3 二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4.2.4 應(yīng)用4.2.4 應(yīng)用 光學(xué)碼盤測(cè)角儀的原理圖1光源 2大孔徑非球面聚光鏡 3碼盤 4狹縫 5光電元件脈沖當(dāng)量變換 編碼器的分辨力所代表的角度不是整齊的數(shù)，顯示器總是希望以度、分、秒來(lái)表示，為此需要使用脈沖當(dāng)量變換電路。 End the 4.24.3 電荷耦合器件 在MOS（Metal Oxide Semiconductor）電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢(shì)阱”的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。 圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷是由光像照射產(chǎn)生； 若所轉(zhuǎn)移的電荷通過(guò)外界諸多方式得到

17、，則其可以具備延時(shí)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯運(yùn)算等功能。4.3 電荷耦合器件4.3.1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理4.3.2 CCD圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的應(yīng)用4.3.1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理CCD是一種半導(dǎo)體器件 MOS電容的結(jié)構(gòu)1金屬 2絕緣層SiO2平帶條件下的能帶 Ec導(dǎo)帶底能量Ei禁帶中央能級(jí)Ef費(fèi)米能級(jí)Ev價(jià)帶頂能量 平帶條件：當(dāng)MOS電容的極板上無(wú)外加電壓時(shí)，在理想情況下，半導(dǎo)體從體內(nèi)到表面處是電中性的，因而能帶(代表電子的能量)從表面到內(nèi)部是平的。 加上正電壓MOS電容的能帶 (a)柵壓UG較小時(shí)，MOS電容器處于耗盡狀態(tài)。 (b)柵壓UG增大到開(kāi)啟電壓

18、Uth時(shí) ,半導(dǎo)體表面的費(fèi)米能級(jí) 高于禁帶中央能極, 半導(dǎo)體表面上的電子層稱為反型層。 有信號(hào)電荷的勢(shì)阱當(dāng)MOS電容器柵壓大于開(kāi)啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)體表面處，形成對(duì)于電子的勢(shì)阱。 勢(shì)阱：深耗盡條件下的表面勢(shì)。勢(shì)阱填滿：電子在半導(dǎo)體表面堆積后使平面勢(shì)下降。 信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移 CCD的基本功能是存儲(chǔ)與轉(zhuǎn)移信息電荷為實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)換： 1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢(shì)阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱深淺，使信號(hào)電荷由勢(shì)阱淺的地方流向勢(shì)阱深處。3、在CCD中電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。 定向轉(zhuǎn)移的實(shí)現(xiàn)在CCD的M

19、OS陣列上劃分成以幾個(gè)相鄰MOS電荷為一單元的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每位中對(duì)應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位CCD中含的電容個(gè)數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個(gè)數(shù)一般來(lái)說(shuō)即為CCD的位數(shù)。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時(shí)鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當(dāng)這種時(shí)序脈沖加到CCD的無(wú)限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時(shí)，將實(shí)現(xiàn)信號(hào)電荷的定向轉(zhuǎn)移。 三相CCD信息電荷傳輸原理圖 CCD電荷的產(chǎn)生方式 電壓信號(hào)注入CCD在用作信號(hào)處理或存儲(chǔ)器件時(shí)，電荷輸入采用電注入。 CCD通過(guò)輸入結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。 光信號(hào)

20、注入CCD在用作圖像傳感時(shí)，信號(hào)電荷由光生載流子得到，即光注入 。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強(qiáng)度和照射時(shí)間。 (a)選通電荷積分輸出電路 (b) 驅(qū)動(dòng)時(shí)鐘波形和輸出波形CCD的信號(hào)輸出結(jié)構(gòu) 4.3 電荷耦合器件4.3.1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理4.3.2 CCD圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的應(yīng)用4.3.2 CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像”。由于CCD能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過(guò)一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的致性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的

21、性能。線列和面陣(1)CCD線列圖像器件1CCD轉(zhuǎn)移寄存器 2轉(zhuǎn)移控制柵 3積蓄控制電極 4PD陣列 SH轉(zhuǎn)移控制柵輸入端 RS復(fù)位控制 VOD漏極輸出 OS圖像信號(hào)輸出 OG輸出控制柵線型圖像傳感器結(jié)構(gòu)（2）面型固態(tài)圖像傳感器(a)x-y 選址 (b)行選址 (c)幀場(chǎng)傳輸式 (d)行間傳輸式4.3 電荷耦合器件4.3.1 電荷耦合器件的結(jié)構(gòu)和工作原理4.3.2 CCD圖像傳感器4.3.3 圖像傳感器的應(yīng)用4.3.3 圖像傳感器的應(yīng)用1尺寸測(cè)量2 用于光學(xué)文字識(shí)別裝置1. 尺寸測(cè)量被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度Ll1 視場(chǎng)l2傳感器的長(zhǎng)度2. 用于光學(xué)文字識(shí)別裝置光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)原理 End the

22、 4.34.4 光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點(diǎn)：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測(cè)技術(shù)的內(nèi)在相容性。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測(cè)量。4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理圓柱形內(nèi)芯和包層

23、組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率（n2 arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；i arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)1. 數(shù)值孔徑（NA）2. 光纖模式3. 傳播損耗1. 數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標(biāo)志光纖接收性能。意義：無(wú)論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率

24、的提高。但數(shù)值孔徑太大，光信號(hào)畸變也越嚴(yán)重。2. 光纖模式按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為 希望V?。篸不能太大，n2與n1之差很小 3. 傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 傳播損耗（單位為dB） 式中, I光纖長(zhǎng)度； a單位長(zhǎng)度的衰減； I0光導(dǎo)纖維輸入端光強(qiáng)； I光導(dǎo)纖維輸出端光強(qiáng)。4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理把被

25、測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置 光受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，經(jīng)信號(hào)處理系統(tǒng)得到被測(cè)量。 光纖傳感器光學(xué)測(cè)量的基本原理 光就是一種電磁波， 光的電矢量E被測(cè)量調(diào)制：光的強(qiáng)度、偏振態(tài)（矢量B的方向）、頻率和相位解調(diào)：光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.4 光纖傳感器的分類傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調(diào)制干涉（磁致伸縮）干涉（電

26、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非干涉型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制遮光板斷光路半導(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模溫度、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光纖傳感器偏振調(diào)制法拉第效應(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光纖傳感器頻率調(diào)制多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速

27、、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb注：MM多模光纖；SM單模光纖；PM偏振保持光纖 光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測(cè)量調(diào)制的形式光纖傳感器中對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)方法不同 (1) 光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型 (a) 功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。 (b) 非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：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。缺點(diǎn)：靈敏度

28、較低。實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。(c) 拾光型光纖傳感器 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。 典型例子：光纖激光多普勒速度計(jì)輻射式光纖溫度傳感器(2) 根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式 (a) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b) 偏振調(diào)制光纖傳感器(c) 頻率調(diào)制光纖傳感器(d) 相位調(diào)制傳感器(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件參數(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。應(yīng)用：壓力、振動(dòng)、位移、氣體優(yōu)點(diǎn): 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn): 易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息應(yīng)

29、用： 電流、磁場(chǎng)傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場(chǎng)、電壓傳感器：泡克爾斯效應(yīng)； 壓力、振動(dòng)或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)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；利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。（d）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。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、磁場(chǎng)傳感器；利用

30、電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器 利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點(diǎn)：靈敏度很高，缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，成本高。4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。 4.4 光纖傳感器4.4.1 光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理4.4.2 光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)4.4.3 光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理4.4.4 光纖傳感

31、器的分類4.4.5 光纖傳感器的特點(diǎn)4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用4.4.6 光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型：基于彈性元件受壓變形，將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來(lái)檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù)；相位調(diào)制型：利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型：主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器 （1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度 若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測(cè)壓力呈線性關(guān)系。1 Y形光纖2 殼體 3 膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系傳感器的固有頻率可表示為 式中, 膜片材料的密度； g重力加速度。 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或

32、長(zhǎng)期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。 差動(dòng)式膜片反射型光纖壓力傳感器 1輸出光纖 2輸入光纖 3輸出光纖 4膠 5膜片 兩束輸出光的光強(qiáng)之比 A常數(shù)；p待測(cè)量壓力 輸出光強(qiáng)比I2/I1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無(wú)關(guān) 將上式兩邊取對(duì)數(shù)，在滿足(Ap)21時(shí)，得到 表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(guò)減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測(cè)量范圍。（b）光彈性式光纖壓力傳感器 光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1 光源 2、8 起偏器 3、9 1/4波長(zhǎng)板 4、10 光彈

33、性元件 5、11 檢偏器 6 光纖 7 自聚焦透鏡光彈性式光纖壓力傳感器 在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測(cè)量振動(dòng)、加速度 （c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強(qiáng)度。 1 聚碳酸酯薄膜 2 可動(dòng)變形板 3 固定變形板 4、5 光纖 微彎式光纖水聽(tīng)器探頭 End the 4.44.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)什么是光柵在玻璃尺（或金屬尺）或玻璃盤上進(jìn)行長(zhǎng)刻線的密集刻劃，得到間隔很小的黑白相間的條紋，沒(méi)有刻

34、劃的地方透光（或反光），刻劃的發(fā)黑處不透光（或不反光），這就是光柵，其中刻線稱為柵線。a 柵線的寬度 b 縫隙的寬度 W 光柵的柵距 4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)莫爾條紋形成原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 4.5 光柵傳感器4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)4.5.4 光柵的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 細(xì)分技術(shù)莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn) 調(diào)整夾角即可得到很大

35、的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測(cè)量精度。例：當(dāng)時(shí)得莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵的移動(dòng)量、移動(dòng)方向具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。光電元件對(duì)于光柵刻線的誤差起到了平均作用。刻線的局部誤差和周期誤差對(duì)于精度沒(méi)有直接的影響。例如：設(shè) ，接收元件為10 x10mm的硅光電池，則在接收范圍內(nèi)將有500條柵線，由此，使得任意柵線的柵距誤差或瑕疵，對(duì)整個(gè)莫爾條紋的位置和形狀影響很小。莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。 光柵傳感器光源：鎢絲燈泡：輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到+130）與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機(jī)械振動(dòng)和沖擊條件下工作時(shí)，使用壽命將降低。半導(dǎo)體發(fā)光器件:轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效