傳感器結課論文

1、目錄 TOC o 1-5 h z 概述2 HYPERLINK l bookmark0 o Current Document 1.1光電傳感器早期發(fā)展2 HYPERLINK l bookmark2 o Current Document 1.2光電傳感器后續(xù)發(fā)展3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 物理特性3 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 2.1外光電效應32.1.1光子假設3 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 2.2內光電效應42.2.1光電導效應4

2、2.2.2光生伏特效應4 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 光電式傳感器4 HYPERLINK l bookmark12 o Current Document 3.1光電傳感器的大致介紹4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 3.2工作原理5 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 3.3光電傳感器分類5 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 3.4光電傳感器作用6 HYPERLINK l bookmark2

3、0 o Current Document 光電傳感器的應用6 HYPERLINK l bookmark22 o Current Document 4.1光電傳感器優(yōu)點6 HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 4.2光電式帶材跑偏檢測器7 HYPERLINK l bookmark26 o Current Document 4.3煙塵濁度監(jiān)測儀7 HYPERLINK l bookmark28 o Current Document 4.4包裝充填物高度檢測8 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 4.5光電色

4、質檢測8 HYPERLINK l bookmark32 o Current Document 4.6其他方面的應用8 HYPERLINK l bookmark34 o Current Document 新型的光電傳感器9CCD傳感器9 HYPERLINK l bookmark36 o Current Document 5.2CCD傳感器的應用9 HYPERLINK l bookmark38 o Current Document 光纖傳感器10 HYPERLINK l bookmark40 o Current Document 6.1光纖傳感器的原理和組成10 HYPERLINK l bookm

5、ark42 o Current Document 6.2光纖傳感器的應用領域10 HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 其他的光電傳感器11 HYPERLINK l bookmark46 o Current Document 高速光電二極管11 HYPERLINK l bookmark48 o Current Document 色敏光電傳感器12 HYPERLINK l bookmark50 o Current Document 光位置傳感器12 HYPERLINK l bookmark52 o Current Document 光電傳感器的發(fā)展1

6、2 HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 總結14 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 參考文獻15光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的 變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具 有精度高、反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單， 形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應用非常廣泛。光電傳感 器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、

7、 可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。光電式傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測直接 引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也 可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應 變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光 電式傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置 和機器人中獲得廣泛應用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是 CCD 圖 像傳感器的誕生，為光電傳感器的進一步應用開創(chuàng)了新的一頁。1.1光電傳感器早期發(fā)展1839年A.E.貝可勒爾發(fā)現(xiàn)當光線落在浸沒于電介液中的兩個金屬電極

8、上， 它們之間就產生電勢，后來稱這種現(xiàn)象為光生伏特效應2。1873年W.史密斯和 Ch.梅伊發(fā)現(xiàn)硒的光電導效應2。1887年H.R赫茲發(fā)現(xiàn)外光電效應2。基于外 光電效應的光電管和光電倍增管屬真空電子管或離子管器件，曾在5060年代 廣泛應用，直到目前仍在某些場合繼續(xù)使用。雖然早在1919年T.W.凱斯就已取 得硫化鉈光導探測器的專利權3，但半導體光敏元件卻是在60年代以后隨著半 導體技術的發(fā)展而開始迅速發(fā)展的。在此期間各種光電材料都得到了全面的研究 和廣泛的應用。它們的結構有單晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它們的成分有元 素半導體的和化合物半導體的，也有多元混晶的。其中最重要的兩種是硅和碲鎘 汞

9、。硅的原料豐富,工藝成熟,是制造從近紅外到紫外波段光電器件的優(yōu)良材料。 碲鎘汞是碲化汞和碲化鎘的混晶，是優(yōu)良的紅外光敏材料。傳感技術的發(fā)展經歷了三個階段,即結構型傳感器、物性型傳感器和智能型 傳感器。（1）結構型傳感器 以其結構部分變化或結構部分變化后而引起某種場的變 化來反映被測量的大小及變化。（2）物性型傳感器 利用構成傳感器的某些材料本身的物理特性在被測量的 作用下發(fā)生變化,從而將被測量轉換為電信號或其他信號輸出。（3）智能型傳感器 把傳感器與微處理器有機地結合成一個高度集成化的新 型傳感器。它與結構型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信 息還具有信號處理的功能,使信息的

10、質量大大提高,其功能也擴展了。以網絡化智 能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網 絡接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測發(fā)展;從被動檢 測向主動進行信息處理方向發(fā)展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網絡化發(fā)展;從就地測量 向遠距離實時在線測控發(fā)展,已成為傳感器技術發(fā)展的主要方向之一。而光電傳 感器作為新型傳感器更是得到了廣闊應用。1.2光電傳感器后續(xù)發(fā)展通過對光電效應和器件原理的研究已發(fā)展了多種光電器件(如光敏電阻、光 電二極管、光電三極管、場效應光電管、雪崩光電二極管、電荷耦合器件等)， 適用于不同的場合。光電式傳感器的制造工藝也隨薄膜工藝、平面工藝

11、和大規(guī)模 集成電路技術的發(fā)展而達到很高的水平，并使產品的成本大為降低。被稱為新一 代攝像器件的聚焦平面集成光敏陣列正在取代傳統(tǒng)的掃描攝像系統(tǒng)。光電式傳感 器的最新發(fā)展方向是采用有機化學汽相沉積、分子束外延、單分子膜生長等新技 術和異質結等新工藝。光電式傳感器的應用領域已擴大到紡織、造紙、印刷、醫(yī) 療、環(huán)境保護等領域。在紅外探測、輻射測量、光纖通信，自動控制等傳統(tǒng)應用 領域的研究也有新發(fā)展。例如，硅光電二極管自校準技術的提出為光輻射的絕對 測量提供了一種很有前途的新方法。物理特性2.1 外光電效應外光電效應是指在光的照射下，材料中電子逸出表面的現(xiàn)象，也稱為光電發(fā) 射效應。光電管及光電倍增管均屬這

12、一類，它們的光電發(fā)射極光陰極就是用 具有這種特性的材料制造的。2.1.1 光子假設1887年，赫茲發(fā)現(xiàn)光電效應，愛因斯坦第一個成功解釋光電效應。愛因斯 坦根據(jù)普朗克量子假說而進一步提出的光量子，即光子概念，對光電效應研究做 出了決定性的貢獻。愛因斯坦光子假說的核心思想是：表面上看起來連續(xù)的光波 是量子化的。單色光由大量不連續(xù)的光子組成。若單色光頻率為n,那么每個hvP = 光子的能量為E = hv,動量為C 。由愛因斯坦光子假說發(fā)展成現(xiàn)代光子論(photon theory)的兩個基本點是：光是由一顆一顆的光子組成的光子流。每個光子的能量為E = hv，hv動量為 C 。由N個光子組成的光子流，

13、能量為N hv。光與物質相互作用，即是每個光子與物質中的微觀粒子相互作用。根據(jù)能量守恒定律，約束得最不緊的電子在離開金屬面時具有最大的初動能，所2.2 內光電效應當光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。內光電效應又分為光電導效應和光生伏特效應。2.2.1 光電導效應光照變化引起半導體材料電導變化的現(xiàn)象稱光電導效應（又稱為光電效應、 光敏效應），即光電導效應是光照射到某些物體上后，引起其電性能變化的一類 光致電改變現(xiàn)象的總稱。當光照射到半導體材料時，材料吸收光子的能量，使非 傳導態(tài)電子變?yōu)閭鲗B(tài)電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。 在光線作用

14、下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于 半導體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的 導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應 的光電器件。2.2.2 光生伏特效應光生伏特效應指在光照射下，物體內部產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。光照 射 PN 結中，若能量達到禁帶寬度時，價帶中的電子躍遷到導帶，便產生電子空 穴對。被光激發(fā)的電子在勢壘附近電場梯度的作用下向N側遷移，而空穴則向P 側遷移。從而使N區(qū)帶正電，P區(qū)帶負電，形成光電動勢。還有一種稱為“丹倍效應”的也屬于光生伏特效應一類。這是指當光只照射 在某種光電導材料的局

15、部時，被照射的部分產生電子空穴對，使照射到和未被照 射到的兩部分中載流子的濃度不同，從而產生載流子擴散，如果電子的遷移率大 于空穴的遷移率，必將使未被照射到的部分獲得更多的電子，并帶負電；而被照 射到的部分失去電子而帶正電，從而出現(xiàn)光生伏特效應。光電式傳感器光電傳感器的大致介紹光電式傳感器的工作原理是將被測量的變化轉換成光信號的變化，再通過光 電器件將光信號的變化轉換成電信號。光電式傳感器一般是由輻射源、光學通路 和光電器件三部分組成。被測量通過對輻射源或者光學通路的影響將待測信息調制到光波上，通常使 光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布發(fā)生改變，光電器件將光信號的變化變 換為電信號。電信號經

16、后續(xù)電路的解調分離出被測量的信息，從而實現(xiàn)對被測量 的測量。光源是光電傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源。光電 式傳感器對光源的選擇要考慮很多因素，如波長、譜分布、相干性、體積、造價 和功率等。常用的光源可分為熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發(fā)光器 件四大類。3.2 工作原理由光通量對光電元件的作用原理1不同所制成的光學測控系統(tǒng)是多種多樣 的,按光電元件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質可分二類 ,即模擬式光電傳感器和脈 沖（開關）式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續(xù)變化的光電流, 它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法可分 為透射（吸

17、收）式,漫反射式,遮光式（光束阻檔）三大類.所謂透射式是指被測物體 放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電 元件上;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上 ,再從被測物體表面 反射后投射到光電元件上;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經被測物光遮其 中一部份 ,使投射剄光電元件上的光通量改變 ,改變的程度與被測物體在光路位 置有關.光敏二極管是最常見的光傳感器。光敏二極管的外型與一般二極管一樣，只 是它的管殼上開有一個嵌著玻璃的窗口，以便于光線射入，為增加受光面積，PN 結的面積做得較大，光敏二極管工作在反向偏置的工作狀態(tài)下，并與負載電阻相 串聯(lián)，當無光照

18、時，它與普通二極管一樣，反向電流很小（VA）,稱為 光敏二極管的暗電流；當有光照時，載流子被激發(fā)，產生電子-空穴，稱為光電 載流子。在外電場的作用下，光電載流子參于導電，形成比暗電流大得多的反向 電流，該反向電流稱為光電流。光電流的大小與光照強度成正比，于是在負載電 阻上就能得到隨光照強度變化而變化的電信號。光敏三極管除了具有光敏二極管能將光信號轉換成電信號的功能外，還有對 電信號放大的功能。光敏三級管的外型與一般三極管相差不大，一般光敏三極管 只引出兩個極發(fā)射極和集電極，基極不引出，管殼同樣開窗口，以便光線射 入。為增大光照，基區(qū)面積做得很大，發(fā)射區(qū)較小，入射光主要被基區(qū)吸收。工 作時集電結

19、反偏，發(fā)射結正偏。在無光照時管子流過的電流為暗電流Iceo=（l+ B） Icbo （很?。?，比一般三極管的穿透電流還??；當有光照時，激發(fā)大量的電 子-空穴對，使得基極產生的電流lb增大，此刻流過管子的電流稱為光電流，集 電極電流Ic二（1+B） lb，可見光電三極管要比光電二極管具有更高的靈敏度。3.3光電傳感器分類光電兀件有光敏電阻、光電二極管、光電三極管、發(fā)光二極管（LED）、光電 倍增管、光電池、光電耦合器件等。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成 的光學測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電兀件（光學測控系統(tǒng)）輸出量性質，光電 式傳感器可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關）式光電傳感器；

20、模擬式 光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法又可分為透射（吸收）式、漫反射式、 遮光式（光束阻擋）三大類。（1）槽開光電開關把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側 的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。 但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制 信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為 受整體結構的限制一般只有幾厘米。（2）對射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由 一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射 式光電開關。它的檢測距離可達幾

21、米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別 裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開 關控制信號。（3）反光板反射式光電開關把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前 方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式（或反射 鏡反射式）光電開關。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器 收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個 開關控制信號。（4）擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但 前方沒有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的；當檢測物通過 時擋住了光，并把光部分反射回來，

22、收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信 號。（5）光纖式光電開關把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的 光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖 式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。3.4光電傳感器作用新技術革命的到來，世界開始進入信息時代。在利用信息的過程中，首先要 解決的就是要獲取準確可靠的信息，而傳感器是獲取自然和生產領域中信息的主 要途徑與手段。如今，傳感器早已滲透到諸如工業(yè)生產、宇宙開發(fā)、海洋探測、環(huán)境保護、 資源調查、醫(yī)學診斷、生物工程、甚至文物保護等等極其之泛的領域。可以毫不 夸張地說，從茫茫的太空，到浩瀚的海洋，

23、以至各種復雜的工程系統(tǒng)，幾乎每一 個現(xiàn)代化項目，都離不開各種各樣的傳感器。光電傳感器的應用4.1 光電傳感器優(yōu)點光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件，首先把被測量的變化轉變?yōu)樾盘柕淖兓?，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電傳感器一般由光 源、光學通路和光電元件3 部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應快、非接 觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，體積小。近年 來，隨著光電技術的發(fā)展，光電傳感器已成為系列產品，其品種及產量日益增加， 用戶可根據(jù)需要選用各種規(guī)格產品，在各種輕工自動機上獲得廣泛的應用。光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正

24、確位置的大小及方向，從 而為糾偏控制電路提供糾偏信號，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如下圖 1 所示。光源發(fā)出的光線經過透鏡 帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從 而為糾偏控制電路提供糾偏信號，主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產過程中。光電式帶材跑偏檢測器原理如下圖 1 所示。光源發(fā)出的光線經過透鏡 1 會聚 為平行光束，投向透鏡2，隨后被會聚到光敏電阻上。在平行光束到達透鏡2的 途中，有部分光線受到被測帶材的遮擋，使傳到光敏電阻的光通量減少。-7-3.fiRIt!=fl圖1下圖2為測量電路簡圖。Rl、R2是同型號的光敏電阻。R

25、1作為測量元件裝 在帶材下方，R2用遮光罩罩住，起溫度補償作用。當帶材處于正確位置（中間 位）時，由R1、R2、R3、R4組成的電橋平衡，使放大器輸出電壓U0為0。當帶 材左偏時，遮光面積減少，光敏電阻 Rl 阻值減少，電橋失去平衡。差動放大器 將這一不平衡電壓加以放大，輸出電壓為負值，它反映了帶材跑偏的方向及大小。 反之，當帶材右偏時，U0為正值。輸出信號U0 方面由顯示器顯示出來，另一 方面被送到執(zhí)行機構，為糾偏控制系統(tǒng)提供糾偏信號。圖24.3 煙塵濁度監(jiān)測儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要 知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進行監(jiān)測、自動顯示和超標報警。煙

26、道里的 煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增 加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器的光減少，因而 光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。4.4 包裝充填物高度檢測用容積法計量包裝的成品，除了對重量有一定誤差范圍要求外，一般還對充 填高度有一定的要求，以保證商品的外觀質量，不符合充填高度的成品將不許出 廠。下圖3 所示為借助光電檢測技術控制充填高度的原理。當充填高度 h 偏差太 大時，光電接頭沒有電信號，即由執(zhí)行機構將包裝物品推出進行處理。圖34.5 光電色質檢測下圖4 為包裝物料的光電色質檢測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質 量

27、不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產品包裝前先由光電檢測色質，物品泛黃時就有比較 電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。I下圖4 為包裝物料的光電色質檢測原理。若包裝物品規(guī)定底色為白色，因質 量不佳，有的出現(xiàn)泛黃，在產品包裝前先由光電檢測色質，物品泛黃時就有比較 電壓差輸出，接通電磁閥，由壓縮空氣將泛黃物品吹出。I苣百沽:i:電屮圖44.6 其他方面的應用利用光電開關還可以進行產品流水線上的產量統(tǒng)計、對裝配件是否到位及裝 配質量進行檢測，例如灌裝時瓶蓋是否壓上、商標是否漏貼，以及送料機構是否 斷料等。此外，利用反射式光電傳感器可以檢測布料的有無和寬度。利用遮擋式光電 傳感器檢測布料的下垂度，其

28、結果可用于調整布料在傳送中的張力，利用安裝在 框架上的反射式光電傳感器可以發(fā)現(xiàn)漏裝產品的空箱，并利用油缸將空箱推出。新型的光電傳感器5.1CCD 傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。它的核心是電 荷轉移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件 CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特 點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面, 尤其適用以上領域中的圖像識別技術。5.2CCD 傳感器的應用(1)工件尺寸檢測CCD圖像傳感器在許多領域內獲得了

29、廣泛的應用。電荷耦合器件(CCD)是構 成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學掃描系統(tǒng)或電 子束掃描系統(tǒng)。CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)范圍，這些特點 決定了它可以廣泛應用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術。 CCD 圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的精確測量及工件缺陷的檢測方面有獨 到之處。(2)CCD傳感器在公共交通上的應用目前，在公共交通中方面大量采用CCD傳感器，對馬路進行監(jiān)測，對違章車 輛進行拍照處理。一般車輛在被拍照后會傳至指揮中心。指揮中心收到圖片，會 將車牌號信息與車管所信息相比對，從而調出車輛的綜合信息，如車主、車型

30、、 顏色等，然后由信息處理人員錄入北京市公安交通管理局網站， 以使違章車主 能夠進行查詢。這樣的麻煩事增加了管理人員的工作量。采用先進的CCD傳感器 對拍到的圖片進行智能處理，通過某種算法，使CCD傳感器能夠智能的識別車牌 號碼，這樣將大大減少管理人員的工作量。這里一種方法是直接利用傳感器后續(xù)處理的算法，建立一個數(shù)字、字符的像 素字符庫，把拍攝到的圖像與該字符庫中的圖片進行對比，通過某種算法來確定 具體的車牌號。另一種方法則是更改硬件的方法，對車牌號的數(shù)字進行特殊處理，比如不同 數(shù)字運用不同顏色，這樣CCD拍攝到的圖像信息的灰度的值將會有一定的差異， 通過這個差異來確定具體的號碼。還有就是利用

31、其他設備輔助CCD，在不同數(shù)字 符號上加入特殊的化學元素，利用紅外來感應這些元素，以確定車牌號碼。光纖傳感器6.1光纖傳感器的原理和組成光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器 3 部分組成，光源發(fā)出的光耦合進光 纖，經光纖進入調制區(qū)，在調治區(qū)內，外界被測參數(shù)作用于進入調區(qū)內的光信號， 是其光學性質如光的強度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調制的信號光， 再經過光纖送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包 層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖 起保護作用。光纖主要分為兩類，一是漸變光纖，一是躍階光纖。前者的折射率 是漸變的，而后者的折射率是突

32、變的。另外還分為單模光纖及多模光纖，近年來， 又有新的光子晶體光纖問世。依材質：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、 液芯。 依轉輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。 依折射率分：階躍型、漸 變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基 于光的全反射原理而工作的。當入射角 在此范圍內時，光在界面產生全反射， 并在光纖內部一同樣的角度反復逐次反射，知道傳播到光纖的另一端面。如果工 作需要光纖微彎曲，只要仍滿足全反射定律，則光仍然可以繼續(xù)前進。如果入射 角超出上述范圍，則進入光纖的光線便會在截面上發(fā)生折射，并透入包層。光纖傳感器的應用領域（1）在航天器及船舶中的應用先進的

33、復合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重 量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復合材料越來越多地被用于制造航 空航海工具（如飛機的機翼）。 為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的 變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器， 因此波長復用能力極強 的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。（2）在民用工程結構中的應用 民用工程的結構監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活躍的領域。光纖光柵傳感器可以貼在結構的表面或預先埋入結構中，對結構同時進行沖擊檢測、形狀控制和振動 阻尼檢 測等，以監(jiān)視結構的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成 一個傳感網絡，對結構

34、進行準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進行遠程控 制。（3）光纖傳感器在溫度測試中的應用 它是利用光在光纖中傳輸能夠產生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，那么它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產生后向散射光波，這些后向散射 光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經波 分復用、檢測解調后，送入信號處理系統(tǒng)便可將溫度信號實時顯示出來，并且由 光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位（4）光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的應用 當?shù)叵律畈堪l(fā)生變形時，必將擠壓砂漿體產生相應形變，導致裂縫或滑移（錯 動）的產生，進而引起埋入光纖的微彎，該處的微彎將破壞光波導的全反射條

35、件， 使光損耗增加，產生衰減，利用光纖監(jiān)測地下深部變形，就是基于微彎衰減的傳 感機制。埋入洞內的光纖，全部是傳感部分，受深部變形作用，光纖產生微彎或 撓曲，致使光損耗增大；OTDR檢測到全過程的散射光強分布。（OTDR是一種用于 光纖通信故障定位的技術，現(xiàn)在普遍運用于分布式光纖傳感器系統(tǒng)中）（5）光纖傳感器在光纖光纜中的應用 光纜通信在我國已有20多年的使用歷史，這段歷史也就是光通信技術的發(fā)展史和光纖光纜的發(fā)展史。光纖光纜在我國的發(fā)展可以分為這樣幾個階段：對光 纜可用性的探討；取代市內局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；取代有線通信干 線上的高頻對稱電纜和同軸電纜。這兩個取代應該說是完成了；現(xiàn)正

36、在取代接入 網的主干線和配線的市話主干電纜和配線電纜，并正在進入局域網和室內綜合布 線系統(tǒng)。目前，光纖光纜已經進入了有線通信的各個領域，包括郵電通信、廣播 通信、電力通信和軍用通信等領域。（6）光纖傳感器在智能大橋中的應用 它是將傳感元件、驅動元件以及信息處理控制系統(tǒng)集成于主體材料中 ,使制成的構件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力 ,而且具有檢測多種參數(shù) （如應力 應變、損傷、溫度、壓力等 ）、分析、處理及控制等多種功能。它出現(xiàn)時間不長 , 但已成為目前國內外研究的熱點。具有智能材料結構特點的智能橋梁能對 智能 材料結構的動作流程圖橋梁的施工質量、運營中的應力狀態(tài)以及其它多種參數(shù)進 行長期實時

37、在線監(jiān)測 ,并根據(jù)對大量傳感信息的實時綜合分析采取適當、及時的 控制措施 ,因而可以極大地提高工程結構的安全性和可靠性 ,避免災難性事故 的發(fā)生。其他的光電傳感器7.1 高速光電二極管（1）PIN結光電二極管PIN管是光電二極管中的一種。它的結構特點是，在P型半導體和N型半導 體之間夾著一層（相對）很厚的本征半導體。這樣，PN結的內電場就基本上全 集中于I層中，從而使PN結雙電層的間距加寬，結電容變小。由式t =CjRL 與f=l/2nT知，Cj小，t則小，頻帶將變寬。內電場較大，電子加速運動， 響應時間快。最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓 下運用可承受較

38、高的反向電壓，線性輸出范圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關 系可知，增加反向偏壓會使耗盡層寬度增加，從而結電容要進一步減小，使頻帶 寬度變寬。不足：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前 有將 PIN 管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內的商品出 售。（2）雪崩光電二極管（APD）雪崩光電二極管是利用PN結在高反向電壓下產生的雪崩效應來工作的一種二極管。P區(qū)外側增加高濃度P+層。這種管子工作電壓很高，約10 0200V，接近于反向擊穿電壓。結區(qū)內電場 極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產生電離 雪崩反應。因此，這種管子有很高的

39、內增益，可達到幾百。當電壓等于反向擊穿 電壓時，電流增益可達106，即產生所謂的雪崩。這種管子響應速度特別快，帶 寬可達100GHz，是目前響應速度最快的一種光電二極管。缺點：噪聲大。由于雪崩反應是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電 壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。 但由于APD的響應時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應用前景廣闊。7.2 色敏光電傳感器色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種特殊類型。它是兩只結深不同的 的光電二極管組合體，雙結光電二極管的P+-N結為淺結，N-P結為深結。當光 照射時，P+，N，P三個區(qū)域及其間的勢壘區(qū)均有光子吸收，

40、但是吸收的效率不 同。紫外光部分吸收系數(shù)大，經過很短距離就被吸收完畢；因此，淺結對紫外光 有較高靈敏度。而紅外光部分吸收系數(shù)小，光子主要在深結處被吸收；因此，深 結對紅外光有較高的靈敏度。即半導體中不同的區(qū)域對不同波長分別具有不同靈 敏度。這一特性為識別顏色提供了可能性。利用不同結深二極管的組合，即可構 成測定波長的半導體色敏傳感器。具體使用時，首先對該色敏器件進行標定，也就是測定在不同波長光照射下， 深結的短路電流ISD2與淺結的短路電流ISD1的比值ISD2 / ISD1。ISD2在 長波區(qū)較大，ISD1在短波區(qū)較大；因而ISD2 / ISD1與入射單色光波長的關系 就可以確定。根據(jù)標定曲

41、線，實測出某一單色光的短路電流比值，即可確定該單 色光的波長。7.3 光位置傳感器當半導體光電器件受光照不均勻時，有載流子濃度梯度將會產生側向光電效 應。當光照部分吸收入射光子的能量產生電子空穴對時，光照部分載流子濃度比 未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。 如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分擴散， 就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負電，光照部分與未被光照部分 產生光電動勢?；谠撔墓怆娖骷绨雽w光電位置敏感器件（PSD）光電傳感器的發(fā)展光電傳感器是一種非接觸式測小型電子測量設備,依靠檢測出其接收到的光 強的變

42、化，來達到測量目的，同時它也是一種容易受到外界干擾而失去測量準確 度的器件。所以在設計時除了選擇先進光電元件，還必須設置參比信號和溫度補 償措施，用來削弱或消除這些因素的影響。光電傳感器必須經過光波調制，光波的調制像無線電波的傳送和接收，將收 音機調到某臺,就可以忽略其他的無線電波信號未經調制的傳感器只有通過使用 長焦距鏡頭的機械屏蔽手段,使接收器只能接收到發(fā)射器發(fā)出的光 ,才能使其能 量變得很高.相比之下,經過調制的接收器能忽略周圍的光,只對自己的光或具有 相同調制頻率的光做出響應.未經調制的傳感器用來檢測周圍的光線或紅外光的 輻射,如剛出爐的紅熱瓶子,在這種應用場合如果使用其它的傳感器,可

43、能會有誤 動作。光電傳感器由于非接觸、高可靠性等優(yōu)點，在測量時對變被測物體損害小， 所以自其發(fā)明以來就在測量領域有著舉足輕重的地位，目前它已廣泛應用于測量 機械量、熱工量、成分量、智能車系統(tǒng)等。現(xiàn)在它在電力系統(tǒng)自動并網裝置中起 到了非常重要的作用，因為發(fā)電機投入電網運行常采用準同法，必須滿足：三相 線序一致，頻率一致，相位一致，電壓幅值相等，其中的一個條件在系統(tǒng)設計時 已經滿足，后三個條件必須同時滿足才能并網，當然人工并網比較困難，光電并 網比較容易。時代在發(fā)展，科學技術在更新，光電傳感器種類也日益增多，應用領域也越 來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應用，其中一種 基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運用反射式紅外傳感 器設計路徑檢測模塊和速度監(jiān)測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則 利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此