生物醫(yī)學(xué)傳感器原理及應(yīng)用第七章：光電式傳感器與光纖傳感器

第七章光電傳感器與

光纖傳感器本章教學(xué)目標(biāo)

通過本章的學(xué)習(xí)，了解和掌握光電效應(yīng)及其形式以及相應(yīng)的光電器件工作原理。

掌握光敏電阻、光電池、光敏晶體管的結(jié)構(gòu)特點及相應(yīng)的基本特性和參數(shù)。熟悉光電傳感器的應(yīng)用方式以及光電耦合器件的特性。7.1光電傳感器的基本原理及基本特性

光電傳感器是以光為媒介、以光電效應(yīng)為基礎(chǔ)的傳感器，具有反應(yīng)速度快、檢測靈敏度高、并可實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點；光纖傳感器是利用光纖技術(shù)與光學(xué)原理將被測信號轉(zhuǎn)換為可用信號輸出的器件或裝置，它不受電磁干擾、傳輸信號安全、在惡劣環(huán)境下也能使用等優(yōu)點。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。7.1.1光電傳感器的基本原理其物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)是指光照射到物質(zhì)上時，光能量作用于物質(zhì)而釋放出電子的現(xiàn)象。

光子能量其中h——普朗克常量，h=6.626×10-34(JS)

——光頻率，c——光速，

——光波波長

物體內(nèi)電子吸收光子能量足以克服逸出功A0時，電子就能逸出物體表面。即E>hv>A0時，才會產(chǎn)生電子發(fā)射現(xiàn)象。這就意味著每一種物體都具有一個對應(yīng)的光頻值或稱紅限頻率v0當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電效應(yīng)與光強度成正比，即光強越大，逸出電子越多。電子逸出表面具有一定的功能，會有光電流產(chǎn)生2內(nèi)光電效應(yīng)

是指在光線作用下,半導(dǎo)體材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象，或產(chǎn)生一定光電動勢現(xiàn)象，如光敏電阻，光敏晶體管以及光電池就屬于此類效應(yīng)。根據(jù)產(chǎn)生的效應(yīng)不同可以有兩種：1）光電導(dǎo)效應(yīng)（光敏電阻）光照射到絕大多數(shù)高電阻率半導(dǎo)體材料引起該材料的電阻率下降而易于導(dǎo)電的現(xiàn)象，稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。

其效應(yīng)的物理過程是：在光照下，半導(dǎo)體材料中價帶電子吸收了光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而引起材料中的電子——空穴對濃度增加，加大了材料的電導(dǎo)率。機制：當(dāng)入射光子能量hv大于材料的禁帶帶寬Eg時，會引起本征吸收，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，稱為自由電子；同時價帶中也會成對地形成自由空穴。自由電子和空穴統(tǒng)稱為自由載流子，在外電場作用下均可產(chǎn)生光電流。材料的電導(dǎo)率：無光照的自由電子無光照時的空穴光照后的自由電子增量光照后的空穴增量自由電子的遷移率自由空穴的遷移率電子電荷光照后電導(dǎo)率增量（光電導(dǎo)）無光照的電導(dǎo)率（暗電導(dǎo)）2）光生伏特效應(yīng)（光電池、光敏晶體管）在光照下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電動勢現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)有殿巴效應(yīng)、光電磁效應(yīng)和PN結(jié)光生伏特效應(yīng)等三種

光電導(dǎo)靈敏度定義為光電導(dǎo)率與暗電導(dǎo)率之比：

具有顯著光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有硫化鎘、硒化鎘、硫化鋅和紅外波段的硒化鉛、硫化鉛等。殿巴效應(yīng)：半導(dǎo)體在強光照射下，表面的部分吸收能量形成高濃度的電子和空穴，與其內(nèi)部的電子和空穴形成濃度差而出現(xiàn)電勢的現(xiàn)象。殿巴效應(yīng)中載流子由表面向內(nèi)部擴散，由于電子的遷移率大于空穴的遷移率，電子先到達半導(dǎo)體內(nèi)部，故而半導(dǎo)體的受光表面帶正電，另一側(cè)帶負電。光電磁效應(yīng)：當(dāng)半導(dǎo)體表面受強光照射并在其垂直方向加以外磁場時，會在垂直于光和磁場方向上產(chǎn)生電勢，這種現(xiàn)象稱為光電磁效應(yīng)。這是由于半導(dǎo)體表面向其內(nèi)部擴散的光生載流子在磁場中受磁場力的作用而發(fā)生運動方向的偏移所致。其結(jié)果使電子和空穴移動方向相反、形成電勢差。PN結(jié)光生伏特效應(yīng)：用光照射距表面很近的PN結(jié)，當(dāng)光子能量hv大于禁帶寬度Eg時，結(jié)區(qū)及其附近由于本征激發(fā)會產(chǎn)生自由電子和自由空穴。這些載流子在PN結(jié)內(nèi)強大的內(nèi)電場（由N區(qū)指向P區(qū)）作用下，電子向N區(qū)加速，而空穴向P區(qū)加速，載流子的流動形成光電流iJ。光生載流子經(jīng)PN結(jié)后在邊界附近積累，使半導(dǎo)體P側(cè)帶正電，N側(cè)帶負電，形成新的電位差，這種現(xiàn)象稱為PN結(jié)光生伏特效應(yīng)。光生電流與入射光照度及電子空穴的收集率有關(guān)：其中，q為電子電荷，單位為C；為電子、空穴的收集率；RT為PN結(jié)吸收的有效光量子數(shù)，其值與入射光照度成正比。光生電勢在PN結(jié)處的極性是相同的。流過二極管的正向電流為iJ：其中，I0為二極管反向飽和電流，單位為A；

J為二極管PN結(jié)兩端的外電壓，單位為V

k為玻爾茲曼常數(shù)，k=1.38×10-23JK-1

T為溫度，單位為K

n為與半導(dǎo)體材料有關(guān)的常數(shù)，試驗參量。工程上考慮到雜質(zhì)與晶格缺陷，長取1或2

kT/q為熱電壓，常用Vt表示，Vt=0.026V(室溫)貝克勒效應(yīng)：在電解液中浸入兩個相同的電極，二者之一受光照后在兩電極間產(chǎn)生電勢的現(xiàn)象稱為貝克勒效應(yīng)，它是液體中的光生伏特現(xiàn)象，有貝克勒效應(yīng)發(fā)展出了實用化的感光電池。7.1.2光電器件基本特性光電器件的基本特性對實際應(yīng)用有重要指導(dǎo)意義。1、光譜靈敏度S(

)：光電器件對單色輻射通量的反應(yīng)，是波長

的函數(shù)。在

m處S(

m)為最大值時，對應(yīng)的

m為峰值波長。d()為單色輻射通量——單位時間內(nèi)發(fā)射的輻射能。2、積分靈敏度S——光電器件對連續(xù)輻射通量的反應(yīng)程度。3、頻率特性：靈敏度隨

射光強調(diào)制頻率f變化。4、光照（光電）特性：光電流（或電壓）與入射光通量之間的關(guān)系。5、伏安特性：入射光頻譜及光通量一定時，光電流和電壓之間的關(guān)系7.2光電器件與光電傳感器類型1光電管與光電倍增管7.2.1光電器件

光電管主要由金屬陽極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，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（稱為逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射。光電管的結(jié)構(gòu)

光電管工作電路如圖所示。在陰極和陽極之間供給直流電壓E，陽極接電源正極，陰極接電源負極。在沒有受到光照時電路無電流。如果陰極受到光照，將發(fā)射電子，電子在陽極正電動勢吸引下形成電子流，并在輸出負載RL中形成電壓降，這個輸出電壓反映光強度的變化。光電管在很寬的光強度范圍內(nèi)穩(wěn)定性好，但是靈敏度較低。為獲得更高的靈敏度，可采用光電倍增管。光電管符號及測量電路

具有足夠動能的電子轟擊任何物體使該物體發(fā)射出電子的現(xiàn)象，稱為二次電子發(fā)射現(xiàn)象。轟擊物體的電子稱一次電子，受轟擊物體發(fā)射的電子稱為二次電子。用二次發(fā)射系數(shù)來表示物體的二次電子發(fā)射能力：二次電子發(fā)射

差別很大，如果大于1，就會發(fā)生空間電子數(shù)成倍增加的現(xiàn)象，即電子倍增效應(yīng)。

光電倍增管是把微弱的光輸入轉(zhuǎn)換成電子流并使電子流獲得放大的電真空器件。它是最靈敏的光檢測器，在冷卻狀態(tài)，無熱生電子時，甚至能檢測單個光電子。

光電倍增管主要由光電陰極K、倍增極D（又稱二次電子發(fā)射極）和陽極A組成，均封裝在一個玻璃管內(nèi)。光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖

其主要工作過程如下：當(dāng)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)射得到的倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。最終電流的放大倍數(shù)可達106~109。因此很多器件中都應(yīng)用到光電倍增管，比如：照相機和單光子發(fā)射斷層成像裝置；在放射性同位素測量和成像技術(shù)中，也常用光電倍增管作為檢測器中的光電轉(zhuǎn)換器。

光電倍增管的選擇：光電倍增管的主要參數(shù)有：陽極靈敏度、光譜特性、放大倍數(shù)、電流特性、陽極特性、陽極暗電流的等效輸入、等效噪聲當(dāng)量和能量分辨力等。選用時必須詳細閱讀器件手冊，特別注意令其光譜特性（峰值響應(yīng)波長）與被測光的光譜盡量接近或匹配；工作電壓應(yīng)采用推薦數(shù)據(jù)，以保證其作用在最佳工作區(qū)間內(nèi)，使之增益大，線性度好，噪聲小，暗電流小；陽極特性平坦段要寬，以適應(yīng)負載電流較大變化，能量分辨李數(shù)值要盡量小。3.光電池與光敏管

光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。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就不需要外加電源。常用的光電池分為兩類。一類是金屬——半導(dǎo)體型，其結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體材料上蒸發(fā)一層辦透明的金屬薄膜，例如氧化亞銅和硒光電池。另一種為PN結(jié)型，一般在P（或N）型半導(dǎo)體表面上擴散一層N型（或P型）雜質(zhì)，形成PN結(jié)，比如硅光電池等。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。對于PN結(jié)型，它實質(zhì)上為一個大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面,例如P型面時,若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,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。光電池材料有硒、氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘、鍺、硅，砷化鎵等。

3.光電池與光敏管光敏二極管的原理（內(nèi)光電效應(yīng)——光生伏特效應(yīng)）：由PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)構(gòu)型光電器件，比如二極管，三極管（兩個PN結(jié)）在光照下，PN結(jié)附近吸收光子能量，產(chǎn)生自由電子濃度增加（電子——空穴對濃度增加），在外加電場和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)電子進入N區(qū)，N區(qū)空穴進入P區(qū)，最后通過PN結(jié)的反向電流加大，形成光電流。

結(jié)構(gòu)：光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中,其PN結(jié)裝在管的頂部,可以直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于負偏壓狀態(tài),在沒有光照射時,反向電阻很大,反向電流很小,這反向電流稱為暗電流。光敏二極管的光電流與照度之間呈線性關(guān)系。它的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。光敏二極管符號光敏二極管接線PN結(jié)電流產(chǎn)生示意圖

把一般晶體管的基極和PN結(jié)制造成光敏二極管的結(jié)構(gòu)形狀，就形成了光敏三極管。其特點是能把其中光敏二極管的光電流在三極管上放大。可獲得更大的輸出電流，同時抗噪聲能力較強。

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。其結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，具有電流增益，只是它的發(fā)射極一邊做的很大，以擴大光的照射面積，且其基極不接引線（基極電流由光敏二極管提供）。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。光敏三極管對電流有放大作用。光敏三極管的結(jié)構(gòu)和原理圖光敏三極管的符號光譜特性：在一定照度下，其靈敏度（輸出光電流）與光波波長變化的關(guān)系。當(dāng)入射光的波長增加時，相對靈敏度下降。硅管：范圍0.4~1.1m，峰值靈敏度在0.8m附件，近紅外光鍺管：范圍0.5~1.8m

，峰值波長在1.4m附近，近紅外光。一般來講,鍺管的暗電流較大,因此性能較差,故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時,一般都用硅管。但對紅外光進行探測時,鍺管較為適宜。伏安特性：類似于普通的二極管和三極管，但是光敏三極管特性的參變量不是基極電流而是光照度。光敏三極管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。在零偏壓時，二極管仍有光電流輸出，而晶體管則沒有。硅光敏管的伏安特性：(a)硅光敏二極管(b)硅光敏三極管光照特性：在一定偏壓下，輸出光電流與光照強度(lx)之間的關(guān)系。圖示為硅光敏晶體管的光照特性曲線。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。晶體管在照度較小時，光電流隨照度增加較小，而在大電流(光照度為幾千勒克斯)時有飽和現(xiàn)象。硅光敏管的光照特性：(a)硅光敏二極管(b)硅光敏三極管頻率特性：是指具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓)隨照射光頻率的變化關(guān)系。光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負載以及入射光波長等因素有關(guān)。硅光敏三極管的頻率特性

從圖中可以看出，頻率特性與負載大小有關(guān)，負載電阻RL越小，頻率響應(yīng)越好，所以可根據(jù)實際頻率來適當(dāng)選擇負載RL

硅管的響應(yīng)頻率比鍺管大一個數(shù)量級，硅管截止頻率50kHz，鍺管截止頻率3kHz

三極管比二極管的響應(yīng)頻率要小得過，比如，鍺三極管截止頻率3kHz，鍺二極管，截止頻率50kHz。溫度特性：光敏晶體管的溫度特性是指其暗電流及光電流受溫度影響的關(guān)系。即溫度上升→暗（光）電流上升→將會影響輸出靈敏度。可以看出溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。所以在低光照下，暗電流本身就小，再加之溫度的影響，對輸出影響很大，因此必須要采取溫度補償措施。提高輸出的穩(wěn)定性。而且，硅管比鍺管穩(wěn)定性好，其硅管的暗電流小于鍺管的暗電流硅光敏三極管的溫度特性雪崩二極管（APD）：在PN結(jié)的P型區(qū)再設(shè)置一層摻雜濃度很高的P+層，工作電壓接近擊穿的反向偏壓，光子激發(fā)的電子在P+區(qū)受強大的內(nèi)部電場作用，加速轟向P區(qū)。通過反向電壓擊穿，引起電流增益，類似光電倍增管的工作原理，功率比一般二極管大104倍，工作電壓比光電倍增管低。（約幾百伏）一個入射光子激發(fā)出一個電子，通過碰撞電離產(chǎn)生更多的二次電子空穴對，頻響103MHz以上，靈敏度極高，。半導(dǎo)體位置傳感器（PSD）：基于側(cè)向光電效應(yīng)，A、B間產(chǎn)生的側(cè)向光電勢的大小、方向與光斑相對靈敏面中心位置有關(guān)（圖7.12P56）。當(dāng)x較小時，

—N區(qū)電阻率，

—N區(qū)厚度，I—總光電流

，2r—接點間距CCD固態(tài)圖像傳感器—集光電轉(zhuǎn)換，電荷存貯，電荷轉(zhuǎn)移為一體

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,基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD自1970年問世以來,由于其獨特的性能而發(fā)展迅速,廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量,尤其適用于圖像識別技術(shù)。受光情況光信號→CCD（電荷耦合器件）→電脈沖信號①一個脈沖反映1個光敏元②幅度——受光強弱③順序——光能元位置光生電荷與入射光成正比

三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a)三相時鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程7.2.2光電傳感器的計算

光電傳感器由光路和電路組成，應(yīng)該從光路和電路兩方面考慮1光通量的計算

設(shè)光源為單色點光源，光通量均勻地向所有方向輻射，則對應(yīng)于波長

輻射光通量為：I

——波長為的光源的發(fā)光強度∵球面面積為4r2,整個球面立體度：光學(xué)元件（透鏡）對點光源所張的立體角接收的光通量A—光學(xué)元件面積R—光源與光學(xué)元件之間的距離若考慮光學(xué)元件的吸收和反射損耗

—反射系數(shù)，

—光譜透射比，l—光學(xué)元件內(nèi)路徑長2光電流的計算如果投射于光電器件上的單色光源的光通量為，光譜靈敏度S

，則光電流為：對非單色光：3電路的分析計算

光電器件可以仿照晶體管電路理論進行分析計算。如果以輸入光通量或者照度E代替晶體管輸入電流Ib，以靈敏度S代替晶體管放大倍數(shù)，即可按晶體管電路理論進行分析計算，計算結(jié)果如下：

光電器件的設(shè)計中應(yīng)考慮暗電流的影響，它會隨著溫度升高而增大，應(yīng)盡量減小暗電流。減小暗電流（噪聲電流）的措施。如圖所示：a、橋式補償電路：二個相同的光電元件，一個接收信號，一個在暗盒中。b、負溫度系數(shù)的熱敏電阻：T↑，I暗↑，RT↓，Ub基本穩(wěn)定。c、光電三極管有基極引線，基射之間接入Rb，Ube↓，并趨于穩(wěn)定。d、二極管電壓負溫度特性：T↑，I暗↑，URb↑，但UD2↓，∴Ub基本不變

7.2.3光電傳感器類型1基本類型光源光學(xué)通路光電元件

1

2Ix1x2光通量被測量光電傳感器的組成框圖1）輻射式：光源本身是被測物，它發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)。比如可用于光電比色高溫計和照度計。它的光通量的強度和光譜的強度分布都是被測溫度的函數(shù)。

光源=被測對象,

測

→被測量

2）透射式：恒定光源發(fā)射，其光通量穿過被測物且被部分吸收，例如，測液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色計、混濁度計的傳感器等。

由

測

→

吸收→被測量

3）反射式：恒定光源發(fā)射，被測物進行反射改變光通量，例如，糙度，紙張的白潔度測試由

測=

反射

→被測量

4）遮擋式：恒定光源發(fā)射，被側(cè)無遮擋部分，減弱光通量，例被測物的位置、尺寸大小，振蕩狀態(tài)等的測量

(a)(被測物是光源）輻射式(b)（被測物能吸收光通量）透射式(c)（被測物表面具有反射能力）反射式(d)（被測物遮蔽光）遮擋式。1—被測物，2—光電元件，3—恒光源

5）開關(guān)式：

將被測量X轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流輸出，而自動檢測系統(tǒng)輸出的為開關(guān)量或數(shù)字的電信號。一般可作開關(guān)器件，用于光電繼電器式檢測裝置中或多類計數(shù)器，轉(zhuǎn)速表等場合。屬于這一類的大多數(shù)是用在光機電信結(jié)合的檢測裝置中。如電子計算機的光電輸入機以及轉(zhuǎn)速表的光電傳感器、光柵等。2雙光路光電傳感器目的：減少電源波動，光路干擾等引起的測量誤差。工作原理：初始時，調(diào)整光楔6→改變

→兩個光電元件輸出相等→電橋平衡測量中：外界干擾→兩光路

同時變化→在電橋中抵消7.3光纖傳感元件

組成光纖傳感器基本系統(tǒng)的光纖傳感元件包括光導(dǎo)纖維（光纖）、光源和光電元件。7.3.1光導(dǎo)纖維（OpticalFiber)1光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理

結(jié)構(gòu)：光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是用直徑為微米級的石英玻璃制成的，每根光纖由一個圓柱形的內(nèi)芯和包層組成，內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率，如圖所示：

傳輸原理：斯奈爾定理指出，當(dāng)光密介質(zhì)（折射率大）出射到光疏介質(zhì)（折射率小）時，發(fā)生折射現(xiàn)象，其折射角大于入射角，如果所示，即n1>n2時，

r>i光在不同物質(zhì)分界面的傳播：分別為折射，臨界狀態(tài)和全反射示意圖

它們之間的關(guān)系

可以看出，入射角增大

i，折射角也隨之增大且始終

r>ia)當(dāng)

r=90°（

i仍小于90°），此時稱為臨界狀態(tài)，出射光沿介面?zhèn)鞑?，那么臨界角b)當(dāng)

r>90°,此時發(fā)生全反射現(xiàn)象（即光不再發(fā)生折射現(xiàn)象而全部反射回光密介質(zhì)中）

利用光的全反射原理，只要使射入光纖端面的光線與光軸的夾角小于一定值，使得光纖中的光線發(fā)生全反射時，則光線射不出光釬的纖芯(纖芯折射率>包層折射率)，如圖所示。光線在纖芯和包層的界面上不斷地發(fā)生全反射，經(jīng)過若干次的全反射，光就能從光纖的一端以光速傳播到另一端，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。2光纖的主要參數(shù)數(shù)值孔徑NA：

c為臨界入射角；n1、n2為纖芯和包層的折射率數(shù)值孔徑NA，反映纖芯接受光量的多少，是標(biāo)志光纖性能的一個重要參數(shù)：其意義在于無論光源發(fā)射功率有多大，只有在入射角

i<i0之內(nèi)的入射光線才能被光纖接收傳播。一般希望有大的數(shù)值孔徑,這有利于耦合效率的提高,但數(shù)值孔徑過大,光的色散也越大，會造成光信號畸變,所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。一般選

0.2≤NA≤

0.4傳播模式：有單模和多模之分，希望傳播模式越小越好，則纖芯越小越好，一般為幾個微米到幾十個微米。一般用歸一化頻率表示光纖傳輸模式的總數(shù)，約為2/2~

2/4之間，歸一化頻率由波動方程導(dǎo)出，其表達式為光波長，單位為m芯子半徑，單位為m

在值大時，多模光纖能夠傳輸?shù)哪Ｊ娇倲?shù)N近似等于2/2。若逐漸減小相對折射率差和光纖芯子半徑r，則在某一波長下，模式數(shù)N減小到1，亦即只有基模HE11能夠存在。這種只存在基模的光纖，稱為單模光纖。階躍單模光纖的歸一化頻率=2.41，即只能傳輸值小于2.41的光導(dǎo)纖維為單模光纖。能夠傳輸較大值的光導(dǎo)纖維（能夠傳輸較多的模）稱為多模光纖。傳輸損耗：

由于光纖纖芯材料吸收、散射，以及光纖彎曲處的輻射損耗影響，光信號在光纖中的傳播不可避免地要損耗。I—1km處的光強,I0為輸入光強

石英單模光纖，時，損耗，接近理論極限值。色散現(xiàn)象：光信號以光脈沖形式輸入光纖并經(jīng)光纖傳輸后，發(fā)生的脈沖展寬現(xiàn)象，稱為色散。原因：模式色模、材料色散、波導(dǎo)色散。單模光纖色散最小光纖強度：取決于玻璃纖維的機械強度。玻璃是脆性材料，所以玻璃纖維上非常細小的裂紋，缺陷都會引起應(yīng)力集中，并使應(yīng)力橫向擴展到整個光纖橫截面，最終導(dǎo)致完全斷裂。3光纖的特點4光纖的分類按照傳輸模式：單模和多模光纖。

單模光纖傳輸性能好，頻帶很寬，制成的單模光纖傳感器線性好，靈敏度高等優(yōu)點，只是纖芯大小，連接、耦合以及制造工藝困難。

多模光纖傳輸模式多，性能較單模差，由于內(nèi)芯直徑大，制造、連接、耦合等工藝方便。光強度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。按照折射率分布情況：階躍型和漸變型。

階躍型：光纖纖芯的折射率不隨半徑變化，而纖芯與包層之間的折射率是突變的。即纖芯的折射率和包層的折射率有一定的差值，光在這種光纖中的傳播就和上面分析的一樣。漸變型：光纖纖芯的折射率從橫截面中心開始隨著半徑的增大按一定規(guī)律逐漸減小。即中心處最大，其值為n1，然后從中心向外折射率逐漸減小到內(nèi)芯邊界處變?yōu)榘鼘拥恼凵渎蕁2。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)采用雙曲正割的徑向折射率分布的光纖，具有自聚焦性質(zhì)。階躍光纖和梯度光纖的典型結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光特點（a）階躍光纖（b）梯度光纖7.3.2光源與光電元件按照光種類：可見/近紅外光光纖（石英玻璃）和紅外光光纖（金屬鹵化物）。

特殊光纖：直接傳送圖像的攝像用光纖；可傳送X射線的空芯光纖以及保持偏振光面光纖等。光纖傳感器使用的光源種類很多，比如：白熾光源，激光等。激光二極管和發(fā)光二極管發(fā)生波段為0.8-0.9

和1.0-1.1，光纖損耗最小，廣泛使用。光纖傳感器使用的光電元件是光電二極管和光電三極管。其他還包括光纖接頭，光纖耦合器等。7.4光電傳感器及光纖傳感器的醫(yī)學(xué)應(yīng)用1光電式脈搏波檢測利用近紅外單色光在一般組織中的穿透性比血液中大幾十倍的現(xiàn)象，被測部位的透光率隨血管博動而變化。血液中血紅蛋白含量的增減（血流量），使組織對光的吸收量發(fā)生改變。由此利用光電傳感器將反射或透射光檢出，即可測得血管內(nèi)容積變化。反射式測出容積精確；透射式較好反應(yīng)心率時間關(guān)系系統(tǒng)包括光源、光電傳感器以及遮光套和接口電路等部分。通常有反射式和透射式兩種。指尖動脈成分多，比其他組織薄。透過手機光強大。光電式脈搏波傳感器脈搏信號主要由動脈血的充盈引起，而血液中還原血紅蛋白（hb）和氧合血紅蛋白（hbo2）含量變化將造成透光率的變化，當(dāng)氧合血紅蛋白和還原血紅蛋白對光的吸收量相等時，透射光的強度將主要由動脈血管的收縮和舒張引起的，此時能夠比較準(zhǔn)確地反映出脈搏信號。光電式脈搏波測量血壓當(dāng)P袖>P動脈，動脈被阻斷，脈博波消失→最高血壓（收縮壓）脈博振幅最大點

P袖=P動脈→平均血壓光源→手指（透射法）→當(dāng)V血管容積變化→V吸光物質(zhì)變化→

透射變化2光電法測血氧飽和度

血氧飽和度——被氧結(jié)合的氧合血紅蛋白（HbO2）的容量占全部可結(jié)合的血紅蛋白（Hb）容量的百分比，即血液中的血氧濃度。根據(jù)朗伯－比爾定律可以得出單色光透過某均勻溶液后透射光強Ｉ與溶液諸參數(shù)的關(guān)系是：E—吸光系數(shù)C—血液中HbO2濃度L—動脈血液光路長度（溶液厚度）吸光度：當(dāng)動脈血脈動時，D將有一個

D的改變，透射光也將有一個I的改變，則吸光度的改變

如果分別用兩個不同波長的光測量，則有

研究表明，E1/E2和血氧飽和度呈一一對應(yīng)關(guān)系。通常兩束光的波長分別為660nm附近和930nm附近。當(dāng)用兩種特定波長的恒定光λ1、λ2照射手指時，采用805nm，可以得到近似公式。但生物組織是一復(fù)雜光學(xué)介質(zhì)，在實際測量中無法用一個嚴格的公式來描述，所以一般是通過測量雙光束吸光度變化之比，然后通過經(jīng)驗定標(biāo)曲線最終獲取氧飽和度。在紅光區(qū)(600～700nm)HbO2和Hb的吸收差別很大，血液的光吸收程度和光散射程度極大地依賴于血氧飽和度；而在紅外光譜區(qū)(800～1000nm)，則吸收差別較大，血液的光吸收程度和光散射程度主要與血紅蛋白含量有關(guān)。3光纖多普勒血流速、血流量檢測

當(dāng)頻率為f的光與相對運動物體速度的夾角為

時，被照射物體散射的光頻率發(fā)生的偏移量為1——激光器2——偏振棱鏡3——透鏡5——血管6——紅細胞7——頻譜分析8——前置放大9——光敏器件（APD）光纖血液流速傳感器原理4——光纖

光纖刺入血管，紅細胞的直徑約為7m,利用紅血球散射光的多普勒效應(yīng)就可以測量血流速度。激光器發(fā)出的直線偏振激光（頻率f），經(jīng)偏光棱鏡后進入光纖直至血管內(nèi)的終端。其中部分光在終端截面處反射返回始端。另一部分進入血液被紅細胞散射，頻率發(fā)生偏移，再經(jīng)光纖終端進入光纖返回到始端。偏振鏡只把返回始端的兩束光波總的特定偏振成分發(fā)射到光敏器件（如雪崩光敏二極管），在其接受面上發(fā)生干涉。光敏器件檢出其差頻△f后，就可根據(jù)多普勒公式計算紅細胞的移動速度。由于光敏器件檢出的是兩束相干光的頻率之差，所以此法稱作光外差檢波法。由于光束與參考光束（反射光束）共用同一條光路，故要求傳輸中偏振光面盡量保持一致，以提高檢測效率。

這種光纖傳感器測量血流速度范圍很寬，測量位置可任選，沒有電磁干擾，測試的空間分辨力為100m，安全性好。缺點是創(chuàng)傷性和干擾了血流流場。

對不同粗細的血管，安置方法不同。較粗的一般采用插入式，100-900m的細血管，可以將光纖固定在血管外表面。