光電傳感技術(shù)課件

第2章光電式傳感器1第2章光電式傳感技術(shù)第2章光電式傳感器2第2章光電式傳感技術(shù)2.1光電傳感器的工作原理2.2光敏二極管2.3光敏三極管2.4光敏電阻2.5光電池2.6高速光電二極管2.7光電倍增管2.8色敏光電傳感器2.9光位置傳感器2.10紅外光傳感器2.11光固態(tài)CCD圖像傳感器2.12光纖傳感器2.13激光傳感器2.14核輻射（光）傳感器2.15典型應(yīng)用舉例第2章光電式傳感器3本章目的和要求掌握各種光電式傳感器：結(jié)構(gòu)工作原理基本特性使用注意事項及應(yīng)用第2章光電式傳感器5光電效應(yīng)有以下3類：外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)（1）外光電效應(yīng)：在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。光電元件：光電管、光電倍增管等。光子是具有能量的粒子，每個光子具有的能量由下式確定。第2章光電式傳感器6光電效應(yīng)方程：式中：m——電子質(zhì)量；

v0——電子逸出速度。

A0——物體的表面電子逸出功若物體中電子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0時，電子就逸出物體表面，產(chǎn)生電子發(fā)射。故要使一個電子逸出，則光子能量hν必須超出逸出功A0

，超過部分的能量，表現(xiàn)為逸出電子的動能。第2章光電式傳感器7第2章光電式傳感器9過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg內(nèi)光電效應(yīng)光電池電子能級示意圖第2章光電式傳感器10材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即第2章光電式傳感器11光譜

光波：波長為10—106nm的電磁波紫外線：波長10—380nm，可見光：波長380—780nm紅外線：波長780—106nm第2章光電式傳感器13

沒有光照射時，處于反向偏置的光敏二極管，工作于截止?fàn)顟B(tài),這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。這時反向電阻很大。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時,光子打在PN結(jié)附近,PN結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，它們在反向外加電壓和內(nèi)電場的作用下參與導(dǎo)電,從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流。這時二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。第2章光電式傳感器142.2.2光敏二極管的基本特性1）光譜特性在入射光照度一定時，輸出的光電流（或相對靈敏度）隨光波波長的變化而變化。

一種光敏二極管只對一定波長的入射光敏感。硅管：（峰值波長1.1μm）探測可見光和熾熱物體。鍺管：（峰值波長1.8μm）探測紅外光。第2章光電式傳感器152）伏安特性（一定照度下的電流電壓特性）當(dāng)光照時，反向電流隨著光照強度的增大而增大；在不同照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒有達到飽和值，它的輸出實際上不受偏壓大小的影響。

無偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是由光敏二極管的光電效應(yīng)性質(zhì)所決定的。光的顏色會隨著溫度的升高而變化，這種光源的溫度就叫該光源的色溫（單位：開爾文）。Lx------照度單位：勒克斯第2章光電式傳感器174）溫度特性溫度變化對光敏二極管輸出光電流影響較小,但對暗電流的影響卻十分顯著.解決措施：選硅管、溫度補償電路、交流放大和隔直電容低照度高照度第2章光電式傳感器185）響應(yīng)特性

上升時間短tr<5ns，響應(yīng)速度快，則適用于快速響應(yīng)或入射光調(diào)制頻率較高的場合。第2章光電式傳感器192.2.3光敏二極管的型號參數(shù)見書P14表2.1和表2.2第2章光電式傳感器21部分2CU型光敏二極管主要參數(shù)第2章光電式傳感器22部分2CU型光敏二極管主要參數(shù)用于可見光和近紅外光的接收，也可用于自動控制儀器和電氣設(shè)備的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。第2章光電式傳感器23部分2CU79、2CU80光敏二極管主要參數(shù)2CU80型為低照度寬光譜光敏二極管，可用于多段亮度計和地物光譜儀及微弱光的探測儀。第2章光電式傳感器252.2.4光敏二極管的應(yīng)用1）光電路燈控制電路分析：1.無光照時：2.有光照時：IlVA第2章光電式傳感器262）光強測量電路IlVA分析：1.無光照時：2.有光照時：電橋第2章光電式傳感器292.3.2光敏三極管的基本特性2）伏安特性a）無偏壓時有光電流b）比光敏二極管的光電流大β倍c）可把光敏三極管看成普通三極管（把入射光的光照變化看成基極電流的變化）1）光譜特性

光譜特性與二極管相同光敏二極管

第2章光電式傳感器303）光照特性

其線性沒二極管好、低照度小、高照度飽和

4）溫度特性

溫度特性與光敏二極管相同

5）響應(yīng)特性

上升時間tr<=3μs

比二極管的響應(yīng)速度（ns）慢得多光敏二極管

第2章光電式傳感器312.3.3光敏三極管的型號參數(shù)見書P18表2.3，表2.3續(xù)（一），表2.3續(xù)（二），表2.4第2章光電式傳感器32型號允許功耗mW最高工作電壓UCEM/V暗電流ID/μA光電流mA峰值響應(yīng)波長μm測試條件ICE=IDUCE=UCEM1000IX

UCE=10V3DU1170≥10≤0.30.5~10.883DU1250≥303DU13100≥503DU14100≥100≤0.20.5~13DU2130≥10≤0.31~23DU2250≥303DU23100≥503DU3170≥10≤0.3≥23DU3250≥303DU33100≥503DU5130≥10≤0.2≥0.5部分國產(chǎn)光敏三極管參數(shù)：3DU系列硅光敏三極管適用于近紅外光探測器、光耦合、編碼器、譯碼器、過程控制等方面。第2章光電式傳感器332.3.4.光敏三極管的應(yīng)用1.脈沖編碼器

電源24v輸出電壓發(fā)光二極管光敏三極管轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速為n，輻條數(shù)為N限流電阻輸出電信號：頻率f=nN的脈沖第2章光電式傳感器342.光電轉(zhuǎn)速傳感器第2章光電式傳感器35有光照BG1時，使U0為高電位，無光照BG1時，使U0為低電位。BG3和BG4組成射極耦合觸發(fā)器高T1導(dǎo)通，T2截止高，低T1截止，T2導(dǎo)通低第2章光電式傳感器36

光電式煙塵濃度計：光敏三極管6和7輸出電壓U1和U2由遠算器8算出U1和U2的比值，進一步算出濃度。第2章光電式傳感器372.4光敏電阻2.4.1光敏電阻的工作原理與結(jié)構(gòu)1.光敏電阻的工作原理

光敏電阻的工作原理：光電導(dǎo)效應(yīng)

光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性,純粹是一個電阻器件,使用時既可加直流電壓,也可以加交流電壓。

無光照時,光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時,它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。第2章光電式傳感器38光敏電阻演示

當(dāng)光敏電阻受到光照時，光生電子—空穴對增加，阻值減小，電流增大。暗電流（越小越好）第2章光電式傳感器392光敏電阻的結(jié)構(gòu)它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì)（稱為光導(dǎo)層，用金屬的硫化物、硒化物和銻化物等半導(dǎo)體材料）,半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就

通過引出線端接

入電路。防潮措施：密封結(jié)構(gòu)、防潮樹脂涂層第2章光電式傳感器40第2章光電式傳感器412.4.2光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

1主要參數(shù)１）暗電阻與亮電阻暗電阻：光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻：光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻,此時流過的電流稱為亮電流。

光電流：亮電流與暗電流之差稱為光電流。亮電阻與暗電阻之差越大,光電流越大,靈敏度越高，光敏電阻的性能越好。暗電阻——兆歐級,亮電阻——幾千歐以下。2）光譜響應(yīng)范圍及峰值波長

對應(yīng)于一定敏感程度的波長響應(yīng)區(qū)間；對光譜響應(yīng)最敏感的波長數(shù)值——光譜響應(yīng)峰值波長

3）時間常數(shù)光敏電阻從停止光照到電流下降到原來值的63%所需要的時間（無其他負載），一般低于20ms第2章光電式傳感器422．光敏電阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定電壓，I隨著光照E增強而增大。E↑→R↓→I↑。③受額定功率限制第2章光電式傳感器432)光照特性（I～E）光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測元件，主要用于自動控制中作光電開關(guān)。第2章光電式傳感器443）光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性。亦稱為光譜響應(yīng)。①不同材料，其峰值波長不同。②同一種材料，對不同波長的入射光，其相對靈敏度不同，響應(yīng)電流不同。應(yīng)根據(jù)光源的性質(zhì)，選擇合適的光電元件（匹配）使光電元件得到較高的相對靈敏度。第2章光電式傳感器454）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。由于不同材料的光敏f/Hz電阻時延特性不同，所以它們的頻率特性也不同，如圖。硫化鉛的使用頻率比硫化鎘高得多，但多數(shù)光敏電阻的時延都比較大，所以，它不能用在要求快速響應(yīng)的場合。20406080100K/%010102103104硫化鉛硫化鎘第2章光電式傳感器465）溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。

隨著溫度的升高，暗電阻和靈敏度都下降。使用時，應(yīng)采取降溫措施。第2章光電式傳感器472.4.3常用光敏電阻的性能參數(shù)見書P25表2.5。第2章光電式傳感器48光敏電阻器的型號命名方法（補充）

光敏電阻器的型號命名分為三個部分，各部分的含義見表。

第一部分用字母表示主稱。

第二部分用數(shù)字表示用途或特征。

第三部分用數(shù)字表示產(chǎn)品序號。

第2章光電式傳感器49第2章光電式傳感器501.環(huán)境照度監(jiān)視器（100Lx）2.4.4光敏電阻的應(yīng)用采光電路射極偏置差動放大復(fù)合開關(guān)音樂集成電路復(fù)合功率放大器第2章光電式傳感器51（1）帶材5處于正確位置（中間位置），預(yù)調(diào)電橋平衡，U1=U2輸出電壓UO為0。（2）帶材5偏左，遮光面積減小，光照增加，R1阻值減小，U1增加，U1

>U2，輸出電壓UO為負。（3）帶材5偏右，遮光面積增大，光照減弱，R1阻值增大，U1減少，U1

<U2，輸出電壓UO為正。測量元件溫度補償元件2.帶材跑偏檢測儀測量偏離正確位置的大小和方向第2章光電式傳感器52

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能(電動勢)的光電器件。光電池在有光線作用下實質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件可以不需要外加電源。

2.5.1

結(jié)構(gòu)與工作原理光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面,例如p型面時,若光子能量hv大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg,那么p型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴,電子空穴對從表面向內(nèi)迅速擴散,在結(jié)電場的作用下,最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。2.5光電池光電效應(yīng)

第2章光電式傳感器53第2章光電式傳感器54光電池外形光敏面第2章光電式傳感器552.5.2光電池的基本特性1.光譜特性：光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。

1）光譜響應(yīng)峰值的位置不同：例如，硅光電池在8000A（800nm）附近，硒光電池在5400A（540nm）附近。

2）光譜響應(yīng)波長范圍：硅光電池的為0.45~1.1μm，而硒光電池為0.34~0.75μm?？梢?，硅光電池可以在很寬的波長范圍內(nèi)得到應(yīng)用，硒光電池適用于可見光。

3）使用：光源選光電池，

光電池選光源第2章光電式傳感器562.光照特性

反映短路電流、開路電壓與光照度的關(guān)系。

1）短路電流（負載電阻RL→0，相對于光電池內(nèi)阻很?。涸诤艽蠓秶鷥?nèi)成線性關(guān)系,可做檢測元件。

負載電阻越小越好，光電流與照度之間的線性越好，且線性范圍越寬。光電池的內(nèi)阻隨著照度增強而減小，照度不同時選用大小不同的負載電阻。

2）開路電壓（負載電阻RL→∝）：

非線性,并且當(dāng)照度在2000lx時就趨于飽和了?？勺鲩_關(guān)元件。3）做檢測元件時,當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源，且負載電阻越小越好。\v壓電生光第2章光電式傳感器573.光電池的頻率特性反映光的交變頻率與光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池有較好的頻率響應(yīng)。第2章光電式傳感器584.光電池的溫度特性

1）開路電壓：T↑，下降快

2）短路電流：T↑，升高緩慢

實際使用：考慮溫度漂移，進行補償?shù)?章光電式傳感器592.5.3

光電池的型號參數(shù)1.開路電壓2.短路電流3.輸出電流4.轉(zhuǎn)換效率：光電池最大輸出電功率與輸入光功率的比值（%）。5.光敏面積：面積越大，輸出光電流也越大第2章光電式傳感器60太陽電池方陣有光照時,太陽電池方陣對負載供電，同時對蓄電池組供電。阻塞二極管防止蓄電池經(jīng)過光電池放電。１.太陽電池電源2.5.4

光電池的應(yīng)用蓄電池組第2章光電式傳感器61JMJ112V2A51KL39K470uF～2.自動干手器手放入干手器時：光電池：不受光照晶體管：導(dǎo)通繼電器：吸合風(fēng)機和電熱絲：通電，烘手手干抽出后：光電池：受光照，產(chǎn)生光生電動勢三極管：截止繼電器：釋放風(fēng)機和電熱絲：斷電第2章光電式傳感器623.路燈光電自動開關(guān)控制回路主回路第2章光電式傳感器63二倍壓整流電路：U0=2√2e2第2章光電式傳感器64二倍壓整流電路：U0=2√2e2第2章光電式傳感器652.6高速光電二極管PIN

P、N間加了層很厚的高電阻率的本征半導(dǎo)體I。P層做的很薄。比普通的光電二極管施加較高的反偏電壓。1.PIN結(jié)光電二極管主要用于光纖通信和光電自動控制的快速接收器件第2章光電式傳感器66圖PIN光電二極管偏壓價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極電極輸出端PIN第2章光電式傳感器67

2.雪崩式光電二極管（APD）在PN結(jié)的P區(qū)外增加一層摻雜濃度極高的P+層，且在其上加上高反偏壓。響應(yīng)時間極短，靈敏度極高。電極偏壓輸出端價帶導(dǎo)帶信號光信號光電極P+pN圖8-29雪崩式二極管105V/cm內(nèi)部加速場第2章光電式傳感器68高速光電二極管的特性參數(shù)表2.9特性曲線高速光電二極管靈敏度為一般硅光二極管50倍，響應(yīng)時間高出2個數(shù)量級，探測精度高出5個數(shù)量級。因此應(yīng)用于高速信息處理系統(tǒng)領(lǐng)域。第2章光電式傳感器69一.普通光電管兩個電極：光電陰極（光敏材料涂敷）和光電陽極。外光電效應(yīng)：當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。2.7光電倍增管主要用于高精度的分析儀器，原子分光光度計、濁度計等。特點：將微小光電流放大，（10-3A~10-4A）。2.7.1

結(jié)構(gòu)組成第2章光電式傳感器70第2章光電式傳感器71作用：光電倍增管具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。結(jié)構(gòu)：由光陰極、次陰極（倍增電極）、陽極組成陰極由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成，次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料形成。次陰極可達30級。通常為12~14級。

光電倍增管第2章光電式傳感器72IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT

工作原理：使用時在各個倍增電極上均加上電壓，光陰極電位最低，以后依次升高，陽極最高。相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此存在加速電場。2.7.2

工作原理第2章光電式傳感器73入射光光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A(3-6倍)(3-6倍)(3-6倍)次級電子(3-6倍)（105~106倍）第2章光電式傳感器74光電倍增管的電流放大倍數(shù)為如果n個倍增電極的δi

都一樣,則Ｍ＝δin

因此陽極電流為Ｉ＝i·δin,M與所加的電壓有關(guān)，在105—108之間。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。電壓越穩(wěn)越好。光電倍增管的主要參數(shù)：（1）倍增系數(shù)M：等于各個倍增電極的2次發(fā)射電子系數(shù)δi的乘積。2.7.3主要參數(shù)第2章光電式傳感器75一個光子在陰極能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫光電倍增管的總靈敏度。(2)光電陰極靈敏度和光電管的總靈敏度最大靈敏度可達10A/lm，極間電壓越高（不能太高），M越大，不能受強光照射。

光電倍增管的特性曲線255075100125106極間電壓/V倍增系數(shù)M105104103第2章光電式傳感器76（3）暗電流和本底脈沖由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而形成的電流，稱為本底電流（本底脈沖）具有脈沖形式。第2章光電式傳感器77（4）光電倍增管的光譜特性

與相同材料的光電管的相似。光照特性第2章光電式傳感器78光譜特性：對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。第2章光電式傳感器79國產(chǎn)光電倍增管的技術(shù)參數(shù)第2章光電式傳感器802.7.4光電倍增管的應(yīng)用閃爍計數(shù)器是一種通用的精密核輻射探測器。第2章光電式傳感器812.8色敏光電傳感器

色敏光電傳感器相當(dāng)于兩支結(jié)構(gòu)不同的光電二極管的組合，故又稱光電雙結(jié)二極管用途：直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。2.8.1

結(jié)構(gòu)與基本原理第2章光電式傳感器82工作原理：P+-N結(jié)為淺結(jié)，P-N結(jié)為深結(jié)；半導(dǎo)體中不同的區(qū)域?qū)Σ煌ㄩL分別具有不同靈敏度：淺結(jié)對紫外光有較高靈敏度。紫外光部分吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被吸收完畢；而對紅外光部分吸收系數(shù)小;深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。紅外光部分吸收系數(shù)大，光子主要在深結(jié)處被吸收；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(jié)的短路電流ISD2與淺結(jié)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(guān)系就可以確定。根據(jù)標定曲線，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。第2章光電式傳感器832.8.2基本特性1）光譜特性表示它所能檢測的波長范圍。CS-1型色敏光電傳感器，波長范圍：400nm—1000nm第2章光電式傳感器842）短路電流比－波長特性

短路電流比－波長特性是表征半導(dǎo)體色敏器件對波長的識別能力，是賴以確定被測波長的基本特性。3）溫度特性

不考慮溫度影響第2章光電式傳感器852.8.3.色敏光電傳感器的應(yīng)用U0=C(lnISD2―

lnISD1)=Cln(ISD2/

ISD1)第2章光電式傳感器862.9光位置傳感器光位置傳感器是一種硅光電二極管，它利用光線來檢測位置。光位置傳感器的主要用途：常用于機械加工的定位裝置，也可以作為機器人的眼睛或用于其他位置檢測。第2章光電式傳感器87光位置傳感器工作原理：當(dāng)電阻層均勻分布時：則：第2章光電式傳感器88PSD位置傳感器

組成：PSD是一種新型光電檢測器件，由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成。工作原理：基于半導(dǎo)體的“橫向光電效應(yīng)”，對達到器件入射光或粒子位置的敏感。即利用PSD的光電流可測量入射到感光區(qū)域的光斑能量中心的位置（一維），將光敏面上光點位置轉(zhuǎn)化為電信號。

第2章光電式傳感器89PSD位置傳感器的測量電路：取PSD中心為坐標原點，L表示二電極之間的距離，I0=I1+I2表示總電流,xA為入射光到坐標原點之間的距離，則利用PSD位置傳感器工作原理有：則輸出電壓值與光強能量中心位置xA值成正比。

可見電極輸出光電流之差與xA成正比，通過測量減法器輸出電壓值即可得到光照能量中心位置xA值。第2章光電式傳感器902.10紅外光傳感器紅外光傳感器的應(yīng)用：紅外輻射計：用于輻射和光譜輻射測量搜索和跟蹤系統(tǒng)：確定位置對其運動進行跟蹤熱成像系統(tǒng)：產(chǎn)生目標紅外輻射的分布圖紅外測距和通信系統(tǒng)混合系統(tǒng)第2章光電式傳感器912.10紅外光傳感器紅外輻射俗稱紅外線，它是一種不可見光，由于是位于可見光中紅色光以外的光線，故稱紅外線。它的波長范圍大致在0.76-1000μm。紅外線所占據(jù)的波段分為4部分，即近紅外，中紅外，遠紅外和極遠紅外。2.10.1紅外輻射基礎(chǔ)第2章光電式傳感器921)紅外輻射的物理本質(zhì)：熱輻射溫度輻射紅外線2)紅外輻射以波的形式在空間直線傳播的。它在大氣中傳播時，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶?？諝庵袑ΨQ的雙原子氣體，如N2、O2、H2等不吸收紅外線。紅外線在通過大氣層時，有3個波段透過率高，它們是2m～2.6m，3m～5m和8m～14m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇?。因此紅外探測器一般都工作在這3個波段（大氣窗口）之內(nèi)。第2章光電式傳感器93

紅外光傳感器按工作原理可分為光量子型和熱電型兩大類。

光量子型：可直接把紅外光轉(zhuǎn)換成電能。如，紅外光敏電阻和紅外PN結(jié)型光生伏特器件，用于遙感成像方面。

熱電型：吸收紅外光后變?yōu)闊崮埽共牧系臏囟壬?，電學(xué)性能發(fā)生變化，人們利用這個現(xiàn)象制成了測量光輻射的器件。如紅外光敏熱釋電效應(yīng)器件。2.10.2紅外光傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)第2章光電式傳感器941.熱釋電效應(yīng)及器件1）材料：具有自發(fā)極化的特征—鐵電晶體。(如鋯鈦酸鉛系陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘肽等)。溫度升高，則極化強度減少。2）熱釋電效應(yīng)：若溫度因吸收紅外光而升高，則極化強度減小，使單位面積上極化電荷減少，釋放一定量的吸附電荷；若與一個電阻連成回路，會形成電流，電阻上產(chǎn)生一定的壓降，這種因溫度變化引起自發(fā)極化值變化的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。3）只能探測輻射的變化第2章光電式傳感器95由實驗證實，電阻上壓降的變化為由于dT/dt與紅外線強度的變化成正比，結(jié)合上式，可得出輸出電壓正比于紅外線強度的變化。第2章光電式傳感器962.熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)和等效電路R絕緣體第2章光電式傳感器973.雙元件（雙元型）紅外傳感器

此傳感器專門用來檢測人體輻射的紅外線能量。市場上常見有國產(chǎn)的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美國的P2288等。

SD02由敏感單元、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗、菲涅爾透鏡等組成，并在氦氣環(huán)境下封裝而成。渡多層濾光層薄膜7~14μm第2章光電式傳感器982.10.3紅外光傳感器的應(yīng)用1．紅外測溫儀

紅外測溫儀是利用熱輻射在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。物體輻射紅外光紅外探測器測溫。采用濾光片，可使其工作在任意紅外波段。第2章光電式傳感器99紅外測溫儀方框圖

8m～14m（鉭酸鋰）第2章光電式傳感器1003.紅外氣體分析儀

紅外線氣體分析儀是根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性來對氣體成分進行分析的。不同氣體其吸收波段（吸收帶）不同。

4.652.784.26>13第2章光電式傳感器101圖

紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖該分析儀由紅外線輻射光源、氣室、紅外探測器及電路等部分組成。

光源由鎳鉻絲通電加熱發(fā)出紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線。測量氣室中通入被分析氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體（如N2等）。濾波氣室通入干擾氣體。如檢測CO(4.65μm)時，干擾氣體CO2（4.26μm）。紅外探測器是薄膜電容型，它有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當(dāng)兩吸收氣室吸收的紅外輻射能量不同時，氣體溫度升高不同，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大不同，薄膜移動，電容量變化。如被測氣體的濃度愈大，兩束光強的差值也愈大，則電容的變化量也愈大，因此電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。3-10μmN22第2章光電式傳感器1022.11光固態(tài)CCD圖像傳感器光固態(tài)圖像傳感器是高度集成的半導(dǎo)體光敏傳感器，以電荷轉(zhuǎn)移為核心，可以完成光電信號轉(zhuǎn)換、信號存儲和傳輸處理的集成光敏傳感器，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低等優(yōu)點，可探測可見光、紫外線、x射線、紅外光、微光和電子轟擊等。固態(tài)圖像傳感器按其結(jié)構(gòu)可分為三類：電荷耦合器件（簡稱CCD）、MOS圖像傳感器（簡稱SSPA）和電荷注入器件（簡稱CID）。前兩種用得較多。廣泛用于圖像傳輸與識別。例如，攝像機、數(shù)碼照相機、掃描儀、復(fù)印機和機器人的眼睛等。第2章光電式傳感器1032.11.1電荷耦合器件(CCD)電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡稱CCD），是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件，它以電荷作為信號,基本功能是進行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。是在MOS結(jié)構(gòu)電荷存儲器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，被稱為“排列起來的MOS電容陣列”。第2章光電式傳感器104

CCD技術(shù)的發(fā)展促進了各種視頻裝置的普及和微型化，應(yīng)用遍及航天、遙感、天文、通訊、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領(lǐng)域。基于CCD光電耦合器件的輸入設(shè)備有：數(shù)字攝像機、數(shù)字相機、平板掃描儀、指紋機等。第2章光電式傳感器105

CCD基本結(jié)構(gòu)分兩部分：MOS光敏元陣列；讀出移位寄存器。電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作成百上千（萬）個光敏元，一個光敏元對應(yīng)一個像素，在半導(dǎo)體硅平面上光敏元按線列或面陣有規(guī)則地排列。CCD結(jié)構(gòu)示意圖

顯微鏡下的MOS元表面第2章光電式傳感器106（一）MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)及原理CCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲電荷的功能，同時還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能。

CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即

在P型硅襯底上生長一層SiO2(120nm),再在SiO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)（MOS電容），它是CCD器件的最小工作單元。第2章光電式傳感器107A、勢阱的產(chǎn)生

MOS的金屬電極加正壓（P-Si），金屬電極板上充上一些正電荷，電極下的P型硅區(qū)域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負電荷的負離子，其中無導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。表面區(qū)有表面電勢Φ（>0）,如襯底電位為0，則表面處電子的靜電位能為-qΦ（<0),則表面處有存儲電荷的能力，一旦有電子，電子就會向耗盡層的表面處運動，表面這種狀態(tài)稱為電子勢阱（表面勢阱）。勢阱的深淺取決于U的大小。++第2章光電式傳感器108B、電荷的存儲勢阱具有存儲電荷的功能，光照時，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。

CCD器件將圖像的光信號轉(zhuǎn)變成對應(yīng)電荷包陣列。勢阱中的電子，在停止光照一定時內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。第2章光電式傳感器109（二）電荷轉(zhuǎn)移原理CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，這些光敏元使用同一半導(dǎo)體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。為了保證信號電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴格滿足相位要求。第2章光電式傳感器110A、電荷的定向轉(zhuǎn)移

當(dāng)外加電壓一定時，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。要求：多個MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴格滿足相位要求。電極的結(jié)構(gòu)：按所加電壓的相數(shù)分為二相、三相和四相系統(tǒng)。（三）CCD的工作原理第2章光電式傳感器111B、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)以三相時鐘脈沖控制把MOS光敏元電極分成三組，在其上面分別施加三個形狀相同、相位不同（相位差1/3周期

）的驅(qū)動脈沖Φ1、Φ2、Φ3做控制電壓（見圖a）

第2章光電式傳感器112123456第2章光電式傳感器113C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過負載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法第2章光電式傳感器（四）CCD圖像傳感器（分類）從結(jié)構(gòu)上分：線列型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像傳感器

1）行傳輸（LT）面陣型CCD2）幀傳輸（FT）面陣型CCD3）行間傳輸（ILT）面陣型CCD第2章光電式傳感器115（四）CCD圖像傳感器

1.線列型CCD圖像傳感器線列CCD結(jié)構(gòu)原理圖（1）光照光敏元，且梳狀電極施加高壓時，各光敏元中的光敏二極管產(chǎn)生光生電子空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤瘛姾砂＃ü夥e分）（2）積分周期結(jié)束，控制信號使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，并行輸出到移位寄存器，再通過移位寄存器串行輸出。（3）轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號積分采集。結(jié)構(gòu)組成：工作原理：演示第2章光電式傳感器1162.面陣型CCD圖像傳感器

面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。1）行傳輸（LT）面陣CCD較少使用第2章光電式傳感器1172）幀傳輸（FT）面陣CCD感光區(qū)和暫存區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對應(yīng)的電荷包，在積分周期結(jié)束后，利用時鐘脈沖將整幀信號轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)。然后，整幀信號再向下移，進入水平讀出移位寄存器，串行輸出。（一幀對應(yīng)光敏區(qū)MOS的數(shù)量）感光區(qū)暫存區(qū)讀出寄存器MN第2章光電式傳感器118演示優(yōu)點：分辨率高、彌散性低，噪聲小。缺點：由于設(shè)置暫存區(qū)，使器件面積增大。第2章光電式傳感器1193）行間傳輸（ILT）面陣型CCD它將光敏單元與垂直轉(zhuǎn)移寄存器交替排列。在光積分期間，光生電荷存儲在感光區(qū)光敏單元的勢阱里；當(dāng)光積分時間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高，信號電荷進入垂直轉(zhuǎn)移寄存器中。隨后，一次一行地移動到輸出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的一行行視頻信號。這種結(jié)構(gòu)的感光單元面積減小，圖像清晰，但單元設(shè)計復(fù)雜。單元平面結(jié)構(gòu)圖P53演示第2章光電式傳感器1203.CCD圖像傳感器的特性參數(shù)（1）轉(zhuǎn)移效率當(dāng)CCD中電荷包從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱時，若Q1為轉(zhuǎn)移一次后的電荷量，Q0為原始電荷，則轉(zhuǎn)移效率定義為若轉(zhuǎn)移損耗定義為則電荷進行N次轉(zhuǎn)移時，總轉(zhuǎn)移效率為要求轉(zhuǎn)移效率必須達到99.99％－99.999%第2章光電式傳感器121（2）分辨率

分辨能力是指攝像器件分辨圖像細節(jié)的能力，是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離。根據(jù)奈奎斯特采樣定理，定義圖像傳感器的最高分辨率fm等于它的空間采樣頻率f0（圖像傳感器電極的間隔-單元數(shù)/毫米）的一半，即第2章光電式傳感器122（3）暗電流

暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子－空穴對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。CCD器件暗電流越小越好。暗電流與溫度密切有關(guān)，溫度每降低10℃，暗電流約減小一半。暗電流與積分時間有關(guān)，光信號電荷的積累時間越長，其影響就越大。暗電流的產(chǎn)生不均勻，在圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，暗電流限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍，暗電流大的地方，多數(shù)會出現(xiàn)暗電流尖峰。對于每個器件，產(chǎn)生暗電流尖峰的缺陷總是出現(xiàn)在相同位置的單元上，利用信號處理，把出現(xiàn)暗電流尖峰的單元位置存貯在PROM(可編程只讀存貯器)中，單獨讀取相應(yīng)單元的信號值，就能消除暗電流尖峰的影響。第2章光電式傳感器123（4）靈敏度

圖像傳感器的靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時間、單位面積發(fā)射的電量，即第2章光電式傳感器124光譜靈敏度特性第2章光電式傳感器125（5）噪聲噪聲是圖像傳感器的主要參數(shù)。CCD是低噪聲器件，由于其他因素產(chǎn)生噪聲疊加到信號電荷上，使信號電荷的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生干擾。噪聲的來源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號輸出噪聲等。散粒噪聲決定圖像傳感器的噪聲極限值。第2章光電式傳感器126第2章光電式傳感器127（五）線列CCD攝像系統(tǒng)第2章光電式傳感器1282.11.2MOS圖像傳感器參看書p54-57第2章光電式傳感器129

2.11.3CCD器件應(yīng)用

CCD固體圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面：·計量檢測儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測定等?！す鈱W(xué)信息處理：光學(xué)文字識別、標記識別、圖形識別、傳真、攝像等?！どa(chǎn)過程自動化：自動工作機械、自動售貨機、自動搬運機、監(jiān)視裝置等?！ぼ娛聭?yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查(帶攝像機的無人駕駛飛機、衛(wèi)星偵查)。第2章光電式傳感器130CCD器件應(yīng)用

1、線列CCD器件檢測工件尺寸L——工件尺寸，N——覆蓋的光敏單元數(shù)d——相鄰光敏單元中心距離M——光學(xué)系統(tǒng)放大率第2章光電式傳感器1312.文字圖像識別系統(tǒng)郵政編碼識別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運動方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運動時，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計算機中存儲的數(shù)字特征比較，最后識別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計算機控制分類機構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。第2章光電式傳感器132驅(qū)動電路分類機構(gòu)計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識別系統(tǒng)第2章光電式傳感器1333、CCD在汽車前照燈配光測試中的應(yīng)用P60圖2.704、CCD傳感器在光電精密測徑系統(tǒng)中的應(yīng)用P60圖2.71第2章光電式傳感器134光纖傳感器的特點：極高的靈敏度和精度固有的安全性好，抗電磁干擾，高絕緣強度，耐腐蝕體積小、柔軟集傳感與傳輸于一體能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量在生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警、軍事、航空航天和生命科學(xué)等方面有廣泛的應(yīng)用。2.12光纖傳感器第2章光電式傳感器135一、光纖的傳光原理1、光纖結(jié)構(gòu)纖芯（SiO2摻GeO2、P2O5）：折射率n1包層（SiO2摻B2O3、SiF4）：一層或多層、折射率n2，且n1>n2。涂敷層及護套：保護、增加機械強度、區(qū)分各種光纖。涂敷層及護套第2章光電式傳感器1362、斯乃爾（Snell）定理

當(dāng)光由光密介質(zhì)入射至光疏介質(zhì)時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：臨界角（c）全反射：第2章光電式傳感器1373、光纖傳光原理

光的全反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件：光由光密介質(zhì)射向光疏介質(zhì)且入射角大于臨界角第2章光電式傳感器138光纖導(dǎo)光

n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1第2章光電式傳感器139當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，arcsinNA是一個臨界角，θi

>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。

定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）第2章光電式傳感器140二、光纖的主要參數(shù)1.數(shù)值孔徑（NA）2.光纖模式3.傳播損耗第2章光電式傳感器1411.數(shù)值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2θc張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。 大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。產(chǎn)品光纖不給出折射率N只給數(shù)值孔徑NA，石英光纖的數(shù)值孔徑一般為NA=0.2～0.42θc第2章光電式傳感器142光纖模式是指光波沿光纖傳播的途徑和方式；不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同，光波之間的干涉產(chǎn)生的強度、分布也各不相同；模式值定義為：

式中：α為纖芯半徑；

為入射波長

2.光纖模式（V）第2章光電式傳感器143光纖模式（V）討論：模式值越大，允許傳播的模式越多（多模光纖）。在信息傳播中，希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使光信號分不同時間到達，多個信號導(dǎo)致合成信號畸變。模式值V小，就是α值小（即纖芯直徑?。﹤鞑サ哪Ｊ皆缴?。只傳播一種模式的光纖，稱單模光纖。單模光纖性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度高，但制造、連接困難。第2章光電式傳感器144

光纖模式種類：按折射率分布分為階躍型、梯度型；按傳播模式分為多模(纖芯直徑D=50～100μm)單模(纖芯直徑D=3～10μm)單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。有特殊要求的稱特殊光纖。第2章光電式傳感器145第2章光電式傳感器146光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲的輻射損耗影響，不可避免的要有損耗，用衰減率α表示：

3.傳播損耗（α）在一根衰減率為10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強下降到入射時的1/10。

3dB/Km相當(dāng)光纖傳輸1Km后，光強衰減到入射時的一半,性能優(yōu)良的光纖傳播損耗可達0.16dB/Km。第2章光電式傳感器147三、光纖傳感器的原理1、按工作原理：

光纖傳感器通?？煞譃楣δ苄停▊鞲行停┖头枪δ苄停▊鞴庑停?。

功能型光纖傳感器（傳感型）是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹姸取⑾辔?、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進行解調(diào)，從而得出被測信號。光纖不僅起到傳光作用，而且有傳感能力。

用單模光纖，既傳光又是敏感元件。（單模光纖只能傳輸某一角度和波長的單色光）

第2章光電式傳感器148

非功能型光纖傳感器（傳光型）光通訊是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其它敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質(zhì)。光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的，光纖只起傳光作用。為了得到較大的受光量和傳輸光功率。非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。增大傳輸光的通量。第2章光電式傳感器149光纖傳感器組成示意圖（a）傳感型；（b）傳光型第2章光電式傳感器1502、按調(diào)制類型：

光纖傳感器可分為強度調(diào)制光纖傳感器相位調(diào)制光纖傳感器波長（頻率）調(diào)制光纖傳感器時分調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器第2章光電式傳感器1511）強度調(diào)制原理利用外界物理量改變光纖中的光強度，通過測量光強的變化測量被測信息?？煞譃椋悍瓷湔{(diào)制、透射調(diào)制、內(nèi)調(diào)制—微彎調(diào)制。第2章光電式傳感器152反射式強度調(diào)制由多根光纖束組成入射、接收光纖，被測物體將光束反射回光纖，經(jīng)反向傳輸后由光敏器件接收。光強的大小隨被測物體的特征不同而不同；特征包括：被測物體與光纖端面的距離；被測物體表面的光潔度（反射率）；相對傾角。特點：非接觸、探頭小、線性度好、頻響高、測量范圍在100μm以內(nèi)。X入射光源S出射透鏡接收D被測物體第2章光電式傳感器153透射式強度調(diào)制

光纖端面為平面，入射光纖不動；出射光纖可橫向、縱向、旋轉(zhuǎn)移動，出射光強受位移信號的調(diào)制。圖中接收光強與兩圓的交疊面積有關(guān)。S入射出射X第2章光電式傳感器154入射光源S出射透鏡接收D彈性薄膜P開關(guān)調(diào)制入射、接收光纖固定不動，當(dāng)光纖端面有物體運動時，出射光纖的光強變化。遮光屏蔽物與其它敏感元件相連，如膨脹元件。第2章光電式傳感器155將光纖的光分為兩束，一束相位受外界信息的調(diào)制，一束作為參考光使兩束光疊加形成干涉花紋，通過檢測干涉條紋的變化可確定出兩束光相位的變化，從而測出使相位變化的待測物理量。待測量通過改變光纖的長度（幾何尺寸），光纖折射率n可以使光纖輸出端產(chǎn)生相位變化。2）相位調(diào)制原理演示第2章光電式傳感器1563）頻率調(diào)制被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測利用運動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、壓力、加速度傳感器；當(dāng)光敏器件與光源之間有相對運動時，光敏器件接收到的光頻率fs與光源頻率f不同，這種現(xiàn)象稱光的“多普勒效應(yīng)”；設(shè)光敏器件相對光源的運動速度為υ，接收的光頻率可表示為：被測體散射光信號由透鏡接收回光纖，與空氣界面直接返回的光信號合成后形成頻率為fp的拍頻信號，送光敏探測器，經(jīng)由頻譜儀分析頻率變化，獲得速度。第2章光電式傳感器157法拉第磁光效應(yīng)(又稱磁致旋光效應(yīng))——磁場傳感器當(dāng)線偏振光通過處于磁場下的透明介質(zhì)時，光線的偏振面（矢量振動方向）將發(fā)生偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度θ與磁感應(yīng)強度B以及介質(zhì)的長度L成正比θ=KBL，K為物質(zhì)常數(shù)。透明介質(zhì)BQL外界因素作用下，使光的某一方向振動比其他方向占優(yōu)勢的一種調(diào)制方式。主要基于人為旋光現(xiàn)象，如：法拉第磁光效應(yīng)、克爾電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等實現(xiàn)的。5）偏振調(diào)制4）時分調(diào)制利用外界因素調(diào)制返回信號的基帶頻譜，通過檢測基帶的延遲時間、幅度大小的變化，來測量各種物理量的大小和空間分布的方法。第2章光電式傳感器158光纖傳感器組成

由光源、敏感元件（光纖和非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)及光纖等。第2章光電式傳感器159

四、光纖傳感器實例

1.光纖輻射劑量傳感器1）吸光型：利用光纖吸收了放射性射線后，衰減量發(fā)生變化的機理。2）發(fā)光型：利用光纖受放射性射線的輻射后其內(nèi)部發(fā)光的機理。射線輻射劑量→光纖對傳輸光的吸收損耗→輸出功率→光強指標第2章光電式傳感器1602.光纖電流傳感器利用相位調(diào)制I→B→鎳護套磁致伸縮→n、L→相位差第2章光電式傳感器1613.光纖圖像傳感器0.3萬~10萬股→圖像單元圖像光纖是由數(shù)目眾多的光纖組成一個圖像單元。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，然后圖像是作為一組強度與顏色不同的光點傳送，并在另一端重建原圖像。第2章光電式傳感器162加速度通過一定質(zhì)量的物體，在平衡力的反作用下可產(chǎn)生位移、形變、旋轉(zhuǎn)等。干涉型光纖加速度傳感器4.光纖加速度傳感器一慣性系統(tǒng)，質(zhì)量塊質(zhì)量M，順變體質(zhì)量MC，順變體是一空心圓柱體，并且M＞MC；當(dāng)系統(tǒng)以加速度a運動的質(zhì)量塊對順變體施加軸向力F=ma,在F的作用下順變體產(chǎn)生軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變。MC質(zhì)量塊順變體光纖aFd基座M順變體徑向應(yīng)變將作用力傳遞給繞在柱體上的光纖，使光纖的長度發(fā)生變化，光纖的長度變化通過干涉系統(tǒng)測量出光的相位變化，從而實現(xiàn)加速度測量。第2章光電式傳感器163干涉型光纖加速度傳感器SDD激光器分束器1分束器2探測器參考端第2章光電式傳感器1645.光纖溫度傳感器相位調(diào)制、光強調(diào)制型、偏振調(diào)制型敏感元件：半導(dǎo)體光吸收器能帶隨溫度的升高而減小溫度升高→透射率降低→光強減??；光強的變化體現(xiàn)溫度的變化（-10~3000C）體積小、靈敏度高、工作可靠，廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量。第2章光電式傳感器1656.光纖漩渦流量傳感器結(jié)構(gòu)：將一根多模光纖垂直地裝入管道工作原理：當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振動的頻率與流速有關(guān)。測出頻率就可知流速。流體力學(xué)原理可知，旋渦的頻率

f與流體的流速可表示為:光纖輸出端測出干涉圖樣斑紋或斑點的移動，獲得振動頻率f。用于氣體、液體流量的測量。傳感器無活動部件，測量可靠，而且對流體流動不產(chǎn)生阻礙作用，所以壓力損耗非常小。式中：v-流體速度，d-流體中物體橫向尺寸大小；

S-常數(shù),斯特羅哈數(shù)。vfd≈S第2章光電式傳感器1662.13激光傳感器一.激光產(chǎn)生的機理

原子在正常分布狀態(tài)下，總是穩(wěn)定的處于低能級E1，如無外界作用，原子將長期保持這種穩(wěn)定狀態(tài)。一旦受到外界光子的作用，賦予原子一定的能量E后，原子就從低能級E1躍遷到高能級E2，這個過程稱為光的受激吸收。光受激后，其能量有下列關(guān)系：

E=hυ=E2-E1

E-光子的能量

υ-光的頻率

h-普朗克常數(shù)（6.623×10-23J.s)第2章光電式傳感器167受激輻射:處于高能級E2的原子在外來光的誘發(fā)下，從高能級E2

躍遷至低能級E1而發(fā)光。這個過程叫光的受激輻射。受激輻射的條件：根據(jù)外光電效應(yīng)，只有外來光的頻率等于激發(fā)態(tài)原子的某一固有頻率（即紅限頻率）時,原子的受激輻射才能產(chǎn)生。粒子反轉(zhuǎn)：在外來光的激發(fā)下，如果受激輻射大于受激吸收，原子在某高能級的數(shù)目就多于低能級的數(shù)目，像對于原子正常分布狀態(tài)來說，稱之為粒子反轉(zhuǎn)。當(dāng)激光器內(nèi)工作物質(zhì)中的原子處于反轉(zhuǎn)分布，這時受激輻射占優(yōu)勢，光在這種物質(zhì)中傳播時，會變得越來越強。通常把這種處于粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)的物質(zhì)稱為增益介質(zhì)。增益介質(zhì)放在光學(xué)諧振腔內(nèi)。光學(xué)諧振腔除了有增益介質(zhì)外，還有兩個平行對置的反射鏡，一個為全反射鏡，另一個為半反半透鏡。當(dāng)原子發(fā)出的光焰諧振腔軸向傳播時，光子碰到反射鏡后，就被反射折回，在兩反射鏡間往返運行，不斷碰撞，使工作物質(zhì)受激輻射，產(chǎn)生雪崩似的放大，從而形成了強大的受激輻射光該輻射光稱為激光。然后由半反半透鏡輸出。第2章光電式傳感器168二.激光的特性激光與普通光源相比，具有如下特點。方向性強能量集中

具有高平行度，發(fā)散角小，約為0.18°。光束擴展角小，一般可至10－3rad。能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源好幾百萬倍。單色性好

普通光源中，單色性最好的是同位素氪86（86Kr)燈發(fā)出的光，其中心波長λ＝605.7nmΔλ=0.00047nm;而氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ=10－9nm。相干性好

所謂相干性好就使兩束光在相遇區(qū)域內(nèi)發(fā)出的波相疊加，并能形成較清晰的干涉圖樣或能接收到穩(wěn)定的拍頻信號。時間相干：同一光源在相干時間內(nèi)的不同時刻發(fā)出的光，經(jīng)不同路程相遇而產(chǎn)生的干涉。空間相干：同一時間由空間不同點發(fā)出的光的相干性。第2章光電式傳感器169三.激光器及其特性要產(chǎn)生激光必須具備三個條件：1）必須由能形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的工作物質(zhì)（增益介質(zhì)）2）激勵能量（光源）3）光學(xué)諧振腔。將這三者結(jié)合在一起的裝置稱為激光器。到目前為止，激光器按增益介質(zhì)可分為如下四種。

1.固體激光器

2.液體激光器

3.氣體激光器

4.半導(dǎo)體激光器第2章光電式傳感器170四.應(yīng)用舉例1.激光測距1）原理2）t的測量：精密時間間隔測量儀單次分辨率±20ps3）精度：激光測距的精度主要取決于時間間隔測量的精度和激光的散射。D=1500kmt=10ms±1ns，測距誤差±15cm；t=10ms±0.1ns，測距誤差±1.5cm第2章光電式傳感器1712.激光測流速應(yīng)用最多：激光多普勒流速計。測量火箭燃料的流速、飛行器噴射氣流的速度、風(fēng)洞氣流速度及化學(xué)反應(yīng)中粒子的大小及會聚速度等，組成：光學(xué)系統(tǒng)多普勒信號處理原理：根據(jù)多普勒效應(yīng)，散射光的頻率相對于入射光將產(chǎn)生正比于流體速度的偏移。若能測得散射光的偏移量，就能得到流體的速度。平面鏡分光鏡光電倍增管頻率跟蹤器fdfd=2v/λ第2章光電式傳感器1723.激光測長度1）應(yīng)用于：隨著機床、自動制圖機、掩模制作機、集成電路制作機等工作機械大型化、精密化、數(shù)值控制化的發(fā)展，需要長尺子并以很高精度確定其位置。2）有效量程受單色性限制．最大量程

△λ是譜線寬度如普通光源：氪燈的紅光（波長λ=605.7nm，△λ=4.7×10-4nm）計量，最大量程38.5cm，而激光光源，如特制氦-氖激光器輸出的紅光（λ=632.8nm，△λ=2×10-9nm），最大量程可達20km．

第2章光電式傳感器1733）原理：利用光的干涉方法進行精密長度測量把激光器輸出的激光在干涉儀中分成兩束，一束在干涉儀中走過固定路程；另一束射到靶棱鏡后反射回干涉儀，光靶棱鏡相對于干涉儀移動時，這束光的光程發(fā)生變化．兩束光會合之后發(fā)生干涉，生成干涉條紋．當(dāng)靶棱鏡移動半個波長時，干涉圖上發(fā)生一條條紋的移動。數(shù)出通過參考點的條紋移動數(shù)目N，就可以由下面的公式得到移動的長度L：4）測量精度高（10-7m），是任何其他測量方法所無法比擬的。第2章光電式傳感器1742.14核輻射（光）傳感器核輻射光傳感器的測量原理基于核輻射粒子的電離作用、穿透能力、物體吸收、散射和反射等物理特性，利用這些特性制成的傳感器可用來測量物質(zhì)的密度、厚度，分析氣體成分，探測物體內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，是現(xiàn)代檢測技術(shù)的重要部分。第2章光電式傳感器1752.15典型應(yīng)用舉例光電比色溫度計是根據(jù)熱輻射定律，使用光電池進行非接觸測溫的一個典型例子。根據(jù)有關(guān)的輻射定律，物體在兩個特定波長λ1、λ2上的Ｉλ１、Ｉλ２之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系：式中，Ｋ１、Ｋ２是與λ1、λ２及物體的黑度有關(guān)的常數(shù)。2.15.1光電式傳感器的模擬量檢測見P76圖2.91第2章光電式傳感器176光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開關(guān)及光電斷續(xù)器沒有太大的差別，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關(guān)的檢測距離可達幾米至幾十米。

2.15.2光電式傳感器的數(shù)字量檢測第2章光電式傳感器177光電開關(guān)：是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收，并進行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、“關(guān)”信號的器件。應(yīng)用：用于檢測物體的靠近和通過等狀態(tài)。分類：光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。器件的選擇：發(fā)射管：紅外發(fā)光二極管接收管：光敏三極管、光敏達林頓管和光電池第2章光電式傳感器178a）是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時，會阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣就起了檢測的作用。（b）是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時，接收元件將收到從物體表面反射的光，沒有物體時則接收不到。第2章光電式傳感器179遮斷型光電開關(guān)外形第2章光電式傳感器180反射型光電開關(guān)外形電源指示信號指示第2章光電式傳感器181光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）透明度測量、控制質(zhì)量檢測第2章光電式傳感器182光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）加工控制第2章光電式傳感器183光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）機械手定位第2章光電式傳感器184光電開關(guān)應(yīng)用（續(xù)）商標方向檢測第2章光電式傳感器185光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐流水線運行方向罐裝高度檢測儲料倉落料口遮斷式光電開關(guān)（計數(shù)）第2章光電式傳感器186光電開光廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制，自動化包裝線、自動灌裝機、裝配流水線及安全裝置中作為光控制和光檢測裝置?？稍谧詣涌刂葡到y(tǒng)中用作物體檢測，產(chǎn)品計數(shù)，料位檢測，尺寸控制，檢測裝配件到位與否以及裝配質(zhì)量，安全報警及計算機輸入接口等。第2章光電式傳感器187２光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器可分為遮斷型和反射型兩種。第2章光電式傳感器188光電斷續(xù)器外形第2章光電式傳感器189光電斷續(xù)器外形（續(xù)）紅色光柱反射式電斷續(xù)器第2章光電式傳感器190

光電斷續(xù)器是較便宜、簡單、可靠的光電器件。它廣泛應(yīng)用于自動控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。演示第2章光電式傳感器191３光電式轉(zhuǎn)速表用于距被測物數(shù)十毫米處非接觸地高轉(zhuǎn)速的測量。分：反射式和透射式兩種。圖示轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/分鐘）：