第五章(1)光傳感器

第五章

光傳感器教學目的與要求：要求學生了解光敏傳感器的性能參數(shù);理解光電效應的原理；掌握常用光電器件的特性及應用。

教學重點：內光電效應器件的工作電路、特性及應用教學難點：光電效應

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、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。第五章

光傳感器

具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。在計算機、自動檢測、控制系統(tǒng)應用非常廣泛。

光學變換電路處理變換電路光電傳感光源光學系統(tǒng)被測對象光學變換存儲顯示控制電信號處理門禁光電鼠標料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關光柵光纖光電管光敏電阻照明和能源應用衛(wèi)星和飛船靠太陽能電池提供電力南臺科技大學太陽能電動車

采用太陽能供電的樓房。由于采用了聚光式的結構，使用很小面積的高效太陽能電池也可以達到大面積采光的效果，但可以明顯降低成本。一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm

紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線?？梢姽饨t外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm遠紫外近紫外光就是一種電磁現(xiàn)象頻率與波長的關系:C—真空中的光速

光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。光譜范圍：0.4~3μm

發(fā)光效率：10lm/W色溫2856K白熾鎢絲燈是可見光和近紅外區(qū)光電探測器積分靈敏度測試標準光源2、氣體放電燈

利用電流通過氣體產生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。它們經常用作光電檢測儀器的單色光源。

鹵鎢燈是填充氣體內含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈。在普通白熾燈中，燈絲的高溫造成鎢的蒸發(fā)，蒸發(fā)的鎢沉淀在玻殼上，產生燈泡玻殼發(fā)黑的現(xiàn)象。鹵鎢燈，用鹵鎢循環(huán)的原理消除了這一發(fā)黑的現(xiàn)象。輻射光譜約0.25～3.5μm。色溫可達3200K，發(fā)光效率30lm/W，更廣泛地用作儀器的白光源。如熒光燈（低壓汞燈）

光源（發(fā)光器件）3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導體PN結構成，其工作電壓低、響應速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應用。

LED屏幕

北京奧運開幕現(xiàn)場最令人吃驚之處，在地上那副轉軸不斷轉動的畫面，這就是LED屏幕所做出的效果，這個屏幕長147m、寬36m，上面有4萬4千顆LED燈，藉由電腦動畫，幻化出各種不斷流動的圖案，該屏幕經過測試，完全經得起表演人員踩踏及水淹考驗。4、激光器激光具有高方向性、高單色性、高亮度和高相干性四個重要特性。激光波長從0.24μm到遠紅外整個光頻波段范圍。激光器按工作物質分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。1、外光電效應

在光線的作用下，物體內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。向外發(fā)射的電子叫做光電子。

基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。

由于被光照射的物體材料不同，所產生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產生的光電效應分為：外光電效應、內光電效應。二、光電效應2、內光電效應

當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內光電效應，它多發(fā)生于半導體內。根據(jù)工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。

光電導效應

在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導效應。

基于這種效應的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應

在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。

基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。光電管的結構示意圖

光陽極光電陰極光窗

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。第二節(jié)外光電效應器件

利用物質在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管

當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會有電子逸出產生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內形成電子流，電流在回路電阻R上產生正比于電流大小的壓降。因此

用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。

光電管靈敏度低、體積大、易破損。目前光電管主要用途：光電比色計等分析儀器、各種光學自動裝置。光電管

二、光電倍增管

光照很弱時，光電管產生的電流很小，為提高靈敏度常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉換元件。

光電倍增管是利用二次電子釋放效應，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內進行放大。

當光照射到光陰極時，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進入倍增系統(tǒng)，并通過進一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。一般經十次以上倍增，放大倍數(shù)可達到108～1010。

因為采用了二次發(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點。

在天體光度測量和天體分光光度測量中廣泛使用。測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。

廣泛應用于光子計數(shù)、極微弱光探測、化學發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計、旋光儀、色度計、照度計、塵埃計、濁度計、光密度計、熱釋光量儀、輻射量熱計、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設備中。

利用物質在光的照射下電導性能改變或產生電動勢的光電器件稱內光電效應器件。常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。一、光敏電阻光敏電阻又稱光導管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導效應，其阻值隨光照增強而減小。第三節(jié)內光電效應器件

結構是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。

光敏電阻結構及符號

在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當受到光照并且光輻射能量足夠大時，使其導帶的電子和價帶的空穴增加,電阻率變小。

光敏電阻主要參數(shù)暗電阻——無光照時的電阻；暗電流——無光照時的電流；亮電阻、亮電流——受光照時的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差。

光敏電阻在受到光的照射時，由于內光電效應使其導電性能增強，電阻RG值下降，所以流過負載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強，電流越大。當光照停止時，光電效應消失，電阻恢復原值，因而可將光信號轉換為電信號。光敏電阻的光譜特性使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。

對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。因此在選用光敏電阻時應當把元件和光源的種類結合起來考慮，才能獲得滿意的結果。

光敏電阻的光照特性具有非線性。

光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應用比較廣泛。光敏電阻主要用于相機自動測光、室內光線控制、工業(yè)及光電控制、光控開關、光控燈以及電動玩具等。

因此不適宜做檢測元件，在自動控制中它常用做開關式光電傳感器。

012345I/mAL/lx10002000光敏電阻的光電特性

在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I與照射光通量Φ(單位lm:流明）的關系稱為光電特性。光敏電阻開關電路照相機曝光自動控制電路（電子快門）電路由光敏電阻R、開關K和電容C1構成的充電電路，時間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構成的驅動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片（執(zhí)行單元）等組成。在初始狀態(tài)，開關K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為1~1.5V），而電壓比較器的負輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。

電子快門中測光器件常采用與人眼光譜響應接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。當按動快門按鈕時，開關K與光敏電阻R及RW2構成的測光與充電電路接通，這時，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導通，電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門，照相機開始曝光?？扉T打開的同時，電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到。T—電路的時間常數(shù)

T=（RW2+R）C

當電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關閉。

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關快門的開啟時間

光敏管工作原理主要基于光生伏特效應。光敏管是重要的光敏器件，與光敏電阻相比有許多優(yōu)點，尤其是光敏二極管，響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數(shù)等領域和裝置。二、光敏二極管和光敏三極管：光敏二極管光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導體二極管在結構上是類似的。硅光敏二極管結構

工作原理：

光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時，PN結處產生光生電子空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強光電流越大；光電流方向與反向電流一致。

光敏二極管基本電路

光照特性

右圖是硅光敏二極管在小負載電阻下的光照特性。

光電流與照度（單位lx：勒克斯）成線性關系。所以適合檢測等方面的應用。

光譜特性

當入射波長＞900nm時，響應下降;當入射波長＜900nm時，響應也逐漸下降.硅光敏二極管光照特性

與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極結作為光敏二極管，集電結做受光結，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏三極管光敏晶極管結構

光敏三極管是把光敏二極管產生的光電流進一步放大，它是具有更高靈敏度和響應速度的光敏傳感器。

光敏三極管

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。

光敏三極管的光譜特性光敏三極管存在一個最佳靈敏度的峰值波長。

光敏三極管的光照特性

光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關系。它們之間呈近似線性關系。當光照足夠大（幾千勒克斯）時，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉換元件，也可作開關轉換元件。

光敏二極管、光敏三極管主要用于光電檢測、光電控制方面，如光電耦合器等。應用舉例光電三極管主要應用于開關控制電路及邏輯電路。

光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時封裝在一個外殼內組合而成的轉換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂采用金屬外殼和玻璃絕緣的結構，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結構。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結構靈敏度較高。光電耦合器(P239)光電耦合器的組合形式有多種(a)(b)(c)(d)該形式結構簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內。該形式采用高速開關管構成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。光電開關P240圖5-43

輸入信號經光電耦合器送至中央運算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介。同時使得高低電壓信號分開！用于邏輯門電路圖中為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時輸入高電平“1”，則兩個發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個光敏三極管TD1和TD2都導通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。

光電耦合器件還可以構成與非、或、或非、異或等邏輯電路。

光電池是在光線照射下，直接能將光量轉變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?。實質上它就是電壓源。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。三、光電池

光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產生一定方向的電動勢的效應。+++---PN光電池符號

目前應用較多的是硒光電池和硅光電池。

硒光電池光電轉換效率低（0.02%），壽命短。因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表及照度計。

硅光電池與其他半導體光電池相比，是目前轉換效率最高的（已過17%），它是幾乎接近理論極限的一種光電池。壽命高，適于接收紅外光。砷化鎵光電池轉換效率比硅光電池稍高，光譜效應特性則與太陽光譜特性最吻合，且工作溫度最高。故它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面應用最廣。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內應用。1——硒光電池2——硅光電池L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池光照特性

開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當照度為2000lx時趨向飽和。

短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流

短路電流，指外接負載相對于光電池內阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內阻也不同，因而應選取適當?shù)耐饨迂撦d近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負載電阻時的光照特性。從圖中可以看出，負載電阻RL越小，光電流與強度的線性關系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0

短路電流在很大范圍內與光強成線性關系。開路電壓隨光強變化是非線性的，并且當照度在2000lx時就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時，應當作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。小面積光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池驅動的涼帽嫦娥一號上的光電池板3.光電池的應用二、光電池四、光電傳感器的特點及應用

由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。

模擬式光電傳感器其光通量隨被測量而變，光電流是被測量的函數(shù)。這類光電傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。

開孔圓盤旋轉一周，光敏元件輸出的電脈沖個數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。被測轉速

n=f/N式中n——轉速；

f——脈沖頻率；

N——圓盤開孔數(shù)。

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“通”與“斷”的開關狀態(tài)。231231(a)(b)光電數(shù)字式轉速表工作原理圖圖(a)是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當轉軸轉動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉換為電脈沖信號。亮度傳感器：

通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內部設定值相比較，調整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達到節(jié)約電能的目的。

燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強度自動調節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避免人們產生視覺疲勞?？刂破髦饕森h(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過零檢測器對50Hz市電電壓的每次過零點進行檢測，并控制鋸齒波形成電路使其產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。

由光敏電阻與電阻組成的電橋將環(huán)境光照的變化轉換成直流電壓的變化，該電壓經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比例變化。

兩個電壓的比較結果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號，該控制信號的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，利用這個控制信號觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導通角，便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達到自動控制環(huán)境光照不變的目的。平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報警器煙道煙塵濁度監(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。

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負載供電，則加一個直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調節(jié)控制器逆變器

交流負載太陽電池方陣

直流負載太陽能電池電源系統(tǒng)(P242)阻塞二極管光電池應用光電池串聯(lián)，能提高電壓；

并聯(lián)，可以提高輸出電流。每一片光電池的最大輸出電壓約為0.6V，每平方米，晴天的輸出電流約為10A。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR

光纖傳感器(FiberOpticalSensor)是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術迅速發(fā)展的產物，它與以電為基礎的傳感器有本質區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。

光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第四節(jié)光纖傳感器(P245)一、光導纖維導光的基本原理

當光由光密物質(折射率大)入射至光疏物質時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2時，θr＞θi。

n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見，入射角θi增大時，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學關系為n1sinθi=n2sinθr1、斯乃爾定理（Snell'sLaw）

當θi＞θi0并繼續(xù)增大時，θr＞90o，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：θi0——臨界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意圖n1n2θrθi(b)臨界狀態(tài)示意圖

當θr=90o時，θi仍＜90o，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ィQ為臨界狀態(tài)。這時有

光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個同心圓柱的雙層結構組成。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些．兩層之間形成良好的光學界面，光線在這個界面上反射傳播。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結構2、光纖結構

入射光線AB與纖維軸線OO相交角為θi，入射后折射(折射角為θj)至纖芯與包層界面C點，與C點界面法線DE成θk角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為θr。則n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90o－θk所以

θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導光示意圖n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。3、光纖導光原理及數(shù)值孔徑NA

上式sinθi0為“數(shù)值孔徑”

NA(Numerical

Aperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解為

Δ=(n1-n2)/n1稱為相對折射率差

當θr=90o的臨界狀態(tài)時，θi=θi0當n０=1時θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導光示意圖

當θr<90o時，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光線消失。

arcsinNA是一臨界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光線才可進入光纖被全反射傳播.當θr=90o時當θr>90o時，光線發(fā)生全反射，則sinθi0=NAθi0=arcsinNAθi<θi0=arcsinNAθjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導光示意圖

NA表示光纖接收和傳輸光的能力。通常的數(shù)值在0.14～0.5范圍之內。光纖的數(shù)值孔徑NA越大，光線可以越容易地被耦合到該光纖中。

以電為基礎的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線連接。

光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構成。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導線

由光發(fā)送器發(fā)出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后經信號處理得到所期待的被測量。二、光纖傳感器結構原理及分類

1、光纖傳感器結構原理

傳統(tǒng)傳感器是以機—電測量為基礎，而光纖傳感器則以光學測量為基礎。

光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學作用主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量E的振動，即

A——電場E的振幅矢量；

ω——光波的振動頻率；

φ——光相位；

t——光的傳播時間?？梢姡灰构獾膹姸?、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調制，那么，通過對光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制等進行解調，獲得所需要的被測量的信息。光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。信號處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器

（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用1）功能型（全光纖型）光纖傳感器

2、光纖傳感器的分類（P250表5-4）

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。

光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖

用光纖作為探頭，接收由被測對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計、輻射式光纖溫度傳感器等。信號處理光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象3）拾光型光纖傳感器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

1）強度調制型光纖傳感器

利用被測對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，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。

有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。優(yōu)點：結構簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。（2）根據(jù)光受被測對象的調制形式形式：強度調制型、偏振調制、頻率調制、相位調制。

利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影響，因此靈敏度高。

3）頻率調制光纖傳感器2）偏振調制光纖傳感器

利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進行監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測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。

是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。

通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋轉角速度傳感器（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系統(tǒng)，因此成本高。4）相位調制傳感器

（一）溫度的檢測

光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。

為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關。可用于對設定溫度的控制，溫度設定值靈活可變。1234水銀柱式光纖溫度開關1真空2自聚焦透鏡3光纖4水銀1、遮光式光纖溫度計三、光纖傳感器的應用

下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計。當溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂直方向產生位移從而使輸出光強發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計能測量10℃～50℃的溫度。檢測精度約為0.5℃。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響，且響應時間較長，一般需幾分鐘。光源接收熱雙金屬式光纖溫度開關121遮光板2雙金屬片

當一束白光經過半導體晶體片時，低于某個特定波長λg的光將被半導體吸收,而高于該波長的光將透過半導體。這是由于半導體的本征吸收引起的,λg稱為半導體的本征吸收波長。當一定波長的光照射到半導體上時,電子吸收光能從價帶躍遷入導帶,光子能量必須大于半導體的禁帶寬度Eg，即因λ＝c/v，則產生本征吸收條件h——普朗克常數(shù)；v——光頻率

對于波長大于λg的光，能透過半導體，而波長小于λg的光將被半導體吸收。不同種類的半導體材料具有不同的本征吸收波長。2、透射型半導體光纖溫度傳感器

由圖看出，GaAs在室溫時的本征吸收波長約為880nm左右。

半導體的吸收光譜與Eg有關，而半導體材料的Eg隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關系可表示為式中：Eg（0）——絕對零度時半導體的禁帶寬度；

α——經驗常數(shù)(eV／K)；

β——經驗常數(shù)(K)。85080095010000203040t=20℃波長λ/nm透射率(%)對于GaAs材料，由實驗得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K室溫(20℃)時,120μm厚的GaAs材料的透射率曲線90010

由此可見，半導體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長λg隨溫度上升而增大。反映在半導體的透光特性上，即當溫度升高時，其透射率曲線將向長波方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導體的λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強度將隨著溫度的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對發(fā)光強度半導體透射測量原理透射率波長半導體光纖溫度傳感器基本結構P253圖5-61圖5-62

種類：強度調制型、相位調制型和偏振調制型三類。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P（二）壓力的檢測

利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號，從而對光強進行調制。因此，只要設計好合理的彈性元件及結構，就可以實現(xiàn)壓力的檢測。1、采用彈性元件的光纖壓力傳感器

在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當膜片受壓變形時，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強受到調制。

←

彈性膜片材料是恒彈性金屬，對于不同的測量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之間為宜。R—膜片有效半徑；t—膜片厚度；p—外加壓力；E－膜片材料的彈性模量；μ—為膜片的泊松比。

可見，在一定范圍內，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關系。若利用Y形光纖束檢測位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。這種傳感器結構簡單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

對于周邊固定的膜片，在小撓度(y＜0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為

光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當壓差為零時，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強相等,即I1＝I2。當膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強增大,形成差動輸出。4

p>0P=0P<0(a)傳感器結構

(b)探頭截面結構(c)測量原理PI2I1I02(外圈)1(內圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(輸入)改進型的膜片反射式光纖壓力傳感器

可見，輸出光強比I2／Il與膜片的反射率、光源強度等因素均無關，因而可有效地消除這些因素的影響。

將上式兩邊取對數(shù)且滿足(Ap)2≤1時,等式右邊展開后取第一項，得到兩束輸出光的光強之比為A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關的常數(shù)；p——待測量壓力。

待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關系。因此，若將I1、I2檢出后分別經對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。

晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應。(b)傳感器結構12345P(a)檢測原理

P678910111光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件

5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡偏振光線偏振光橢圓偏振光2、光彈性式光纖壓力傳感器

發(fā)自LED的入射光經起偏器后成為直線偏振光。當有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。

為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，將輸出光用偏振分光鏡分別檢測出兩個相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個分量經“差／和”電路處理，即可得到與光源強度及光纖損耗無關的輸出。該傳感器的測量范圍為103Pa～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達1.4Pa。這種結構的傳感器在光彈性元件上加上質量塊后，也可用于測量振動、加速度。輸出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驅動123456I1I2PD1PD2光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結構1光纖2起偏器3光彈性元件41/4波長板5偏振分光鏡6反射鏡p

（三）液位、流量、流速的檢測12(a)探頭結構(b)檢測原理空氣液體LEDPD