《光电传感技术》PPT课件.ppt

第第2章章 光电式传感技术光电式传感技术第第2章章 光电式传感技术光电式传感技术2.1 光电传感器的工作原理2.2 光敏二极管2.3 光敏三极管2.4 光敏电阻2.5 光电池2.6 高速光电二极管2.7 光电倍增管2.8 色敏光电传感器2.9 光位置传感器2.10 红外光传感器2.11光固态CCD图像传感器2.12光纤传感器2.13 激光传感器2.14 核辐射（光）传感器2.15典型应用举例2章 光电式传感器本章目的和要求本章目的和要求n掌握各种光电式传感器：掌握各种光电式传感器：u结构结构u工作原理工作原理u基本特性基本特性u使用注意事项及应用使用注意事项及应用2章 光电式传感器概述概述 光电式传感器光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。是将光信号转换为电信号的一种传感器。光电式传感技术特点：光电式传感技术特点：用于检测非电量，具有结构简单、用于检测非电量，具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断等检测技术领域。等检测技术领域。2.1 2.1 光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理 光电传感器的工作原理：光电传感器的工作原理：光电效应。光电效应。光电效应：光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体中的电子吸收入射光子的能量，而的光子的轰击，于是物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等）发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等），这种现象称为光电效应。，这种现象称为光电效应。光电计数器光电计数器2章 光电式传感器光电效应有以下光电效应有以下3类：类：外光电效应、光电导效应、光外光电效应、光电导效应、光生伏特效应生伏特效应（1）外光电效应：外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象。光电元件：光电管、光电倍增管等。表面的现象。光电元件：光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定。由下式确定。2章 光电式传感器光电效应方程光电效应方程：式中：m电子质量；v0电子逸出速度。A0 物体的表面电子逸出功 若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。2章 光电式传感器2章 光电式传感器内光电效应内光电效应包括包括：光电导效应：光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应（2）光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。光电元件：光敏电阻等。（3）光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。光电元件：光电池、光敏二极管、光敏三极管等。2章 光电式传感器过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和和价价带带内内的的空空穴穴浓浓度度增增加加，从而使电导率变大。从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带Eg内光电效应光电池电子能级示意图电子能级示意图2章 光电式传感器材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限0，只有波长小于0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中、分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即2章 光电式传感器 光谱光谱光波：波长为光波：波长为10106nm的电磁波的电磁波紫外线：波长紫外线：波长10380nm，可见光：波长可见光：波长380780nm红外线：波长红外线：波长780106nm2章 光电式传感器2.2 光敏二极管光敏二极管 光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于光敏二极管在电路中一般是处于反向偏置状态反向偏置状态反向偏置状态反向偏置状态。光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是光敏二极管的光照特性是线性线性线性线性的，适合检测等方面的应用。的，适合检测等方面的应用。的，适合检测等方面的应用。的，适合检测等方面的应用。光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的光敏二极管与普通半导体二极管的不同之处：不同之处：不同之处：不同之处：光敏二极管光敏二极管光敏二极管光敏二极管的的的的PNPNPNPN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。2.2.1 光敏二极管的结构和工作原理光敏二极管的结构和工作原理2章 光电式传感器 没有光照射时没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止工作于截止状态状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即形成微小的反向电流即暗电流暗电流。这时反向电阻很大。这时反向电阻很大。当当光照射光照射在在PNPN结上时结上时,光子打在光子打在PNPN结附近结附近,PN,PN结附近结附近产生产生电子电子-空穴对，空穴对，它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电,从而使通过从而使通过PNPN结的反向电流大为增加，形成结的反向电流大为增加，形成光电流光电流。这时二极。这时二极管处于导通状态。管处于导通状态。光的照度越大光的照度越大,光电流越大。光电流越大。2章 光电式传感器光敏二极管的基本特性1 1）光谱特性）光谱特性 在入射光照度在入射光照度一定时，输出的光一定时，输出的光电流（或相对灵敏电流（或相对灵敏度）随光波波长的度）随光波波长的变化而变化。变化而变化。一种光敏二极一种光敏二极管只对一定波长的管只对一定波长的入射光敏感。入射光敏感。硅管：（峰值波长1.1m）探测可见光和炽热物体。锗管：（峰值波长1.8m）探测红外光。2章 光电式传感器2）伏安特性）伏安特性（一定照（一定照度下的电流电压特性）度下的电流电压特性）当光照时，反向电流当光照时，反向电流随着光照强度的增大而随着光照强度的增大而增大；增大；在不同照度下，伏安在不同照度下，伏安特性曲线几乎平行，所特性曲线几乎平行，所以只要没有达到饱和值，以只要没有达到饱和值，它的输出实际上不受偏它的输出实际上不受偏压大小的影响。压大小的影响。无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是由光敏二极无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是由光敏二极管的光电效应性质所决定的。管的光电效应性质所决定的。光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温（单位：开尔文）。色温（单位：开尔文）。Lx-照度单位：勒克斯照度单位：勒克斯2章 光电式传感器3 3）光照特性）光照特性 光敏二极管光照特性的线性好。2章 光电式传感器4 4）温度特性）温度特性 温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流但对暗电流的影响却十分显著的影响却十分显著.解决措施：选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容解决措施：选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容低照度低照度 高照度高照度2章 光电式传感器5 5）响应特性）响应特性 上升时间短上升时间短t tr r5ns5ns，响应速度快，则适用于快速响应或，响应速度快，则适用于快速响应或入射光调制频率较高的场合。入射光调制频率较高的场合。2章 光电式传感器2.2.3 光敏二极管的型号参数光敏二极管的型号参数见书P14 表2.1和表2.22章 光电式传感器最高反向工作电压最高反向工作电压V VRMRM:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于大于0.1A0.1A时所能承受的最高反向电压值。时所能承受的最高反向电压值。V VRMRM越大，管子性能越稳定越大，管子性能越稳定。暗电流暗电流I ID D:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。光电流光电流I IL L:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是的电流。其测量的一般条件是:2856K:2856K钨丝光源，照度为钨丝光源，照度为1000lx1000lx。光电灵敏度光电灵敏度SnSn:它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为A/WA/W。即指输入给定波长。即指输入给定波长的单位功率时，光敏二极管能输出的光电流值。的单位功率时，光敏二极管能输出的光电流值。响应时间响应时间:光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。说明光敏二极管的工作频率越高。正向压降正向压降VFVF:是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。结电容结电容CjCj:指光敏二极管指光敏二极管PNPN结的电容。结的电容。CjCj是影响光电响应速度的主要因索。是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容结面积越小，结电容CjCj也就越小，则工作频率越高。也就越小，则工作频率越高。光敏二极管主要参数光敏二极管主要参数2章 光电式传感器部分2CU型光敏二极管主要参数2章 光电式传感器部分2CU型光敏二极管主要参数 用于可见光和近红外光的接收，也可用于自动控制仪器和电气设备的光电转换系统。2章 光电式传感器部分 2CU79、2CU80 光敏二极管主要参数 2CU80型为低照度宽光谱光敏二极管，可用于多段亮度计和地物光谱仪及微弱光的探测仪。2章 光电式传感器部分 2DU 型光敏二极管主要参数 主要用于可见光和近红外光探测器，也可用于光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器、特性识别、过程控制和激光接收等方面。2章 光电式传感器2.2.4 光敏二极管的应用1 1）光电路灯控制电路）光电路灯控制电路分析：分析：1.1.无光照时：无光照时：2.2.有光照时：有光照时：IlVA2章 光电式传感器2）光强测量电路）光强测量电路IlVA分析：分析：1.1.无光照时：无光照时：2.2.有光照时：有光照时：电桥电桥2章 光电式传感器3）便携式照度计电路光电传感器光电传感器输出电压：输出电压：V0=SlRL Sl=5/lx R L=200当当=0 lx 则则V0=SlRL=0mV当当=1 lx 则则V0=SlRL=1mV当当=5000 lx 则则V0=SlRL=5V将将光光敏敏二二极极管管与与放放大大器器RfRf集集成成在在一一起起，输出为线性，灵敏度为输出为线性，灵敏度为5/lx。2章 光电式传感器2.3 光敏三极管光敏三极管 光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。2.3.1 2.3.1 光敏三极管的结构和工作原理光敏三极管的结构和工作原理基基极极开开路路，集集电电极极与与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时,在在结结附附近近产产生生电电子子-空空穴穴对对,电电子子在在结结电电场场的的作作用用下下，由由P P区区向向N N区区运运动动，形形成成基基极极电电流流，空空穴穴在在基基区区积积累累，提提高高发发射射结结正正向向偏偏置置，发发射射区区多多子子电电子子穿穿过过基基区区向向集集电电区区移移动动，在在外外电电场场作作用用下下形形成成集集电电极极电电流流IcIc，结结果果表表现现为为基基极极电电流流放放大大倍倍形形成成集集电电极极电电流流（光光电电流流）,所所以以光光电电三三极极管管有有放放大大作用。作用。2章 光电式传感器光敏三极管的基本特性2 2）伏安特性）伏安特性a a）无偏压时有光电流）无偏压时有光电流b b）比光敏二极管的光电）比光敏二极管的光电流大流大倍倍c c）可把光敏三极管看成）可把光敏三极管看成普通三极管（把入射光的普通三极管（把入射光的光照变化看成基极电流的光照变化看成基极电流的变化）变化）1）光谱特性）光谱特性 光谱特性与二极管相同光谱特性与二极管相同光敏二极管 2章 光电式传感器3）光照特性）光照特性其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和4）温度特性）温度特性 温度特性与光敏二极管相同5）响应特性）响应特性上升时间 t rU2，输出电压，输出电压UO为负。为负。（3）带材）带材5偏右，遮光面偏右，遮光面积增大，积增大，光照光照减弱减弱，R1阻阻值增大，值增大，U1减少，减少，U1 132章 光电式传感器图图 红外线气体分析仪结构原理图红外线气体分析仪结构原理图该分析仪由红外线辐射该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。器及电路等部分组成。光源由镍铬丝通电光源由镍铬丝通电加热发出红外线，切光加热发出红外线，切光片将连续的红外线调制片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线。成脉冲状的红外线。测量气室中通入被测量气室中通入被分析气体，参比气室中分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气封入不吸收红外线的气体（如体（如N2等）。等）。滤波气室通入干扰滤波气室通入干扰气体。气体。如检测如检测CO(4.65m)时，干扰气体时，干扰气体CO2（4.26m）。红外探测器是薄膜电容红外探测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当两吸充以被测气体，当两吸收气室吸收的红外辐射收气室吸收的红外辐射能量不同时，气体温度能量不同时，气体温度升高不同，导致室内压升高不同，导致室内压力增大不同，薄膜移动，力增大不同，薄膜移动，电容量变化。电容量变化。如被测气体的浓度愈大，如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体被分析气体中被测气体的浓度。的浓度。3-10mN 222章 光电式传感器2.11 2.11 光固态光固态CCDCCD图像传感器图像传感器 光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以以电荷转移电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、信号存储和为核心，可以完成光电信号转换、信号存储和传输处理的集成光敏传感器，具有体积小、重量轻、功耗传输处理的集成光敏传感器，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外线、小、成本低等优点，可探测可见光、紫外线、x x射线、红射线、红外光、微光和电子轰击等。外光、微光和电子轰击等。固态图像传感器按其结构可分为固态图像传感器按其结构可分为三类三类：电荷耦合器：电荷耦合器件（简称件（简称CCDCCD）、）、MOSMOS图像传感器（简称图像传感器（简称SSPASSPA）和电荷注入）和电荷注入器件（简称器件（简称CIDCID）。）。前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。2章 光电式传感器2.11.1 电荷耦合器件电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，简称简称CCDCCD），是一种金属氧化物半导体（），是一种金属氧化物半导体（MOSMOS）集成）集成电路器件，它以电路器件，它以电荷电荷作为信号作为信号,基本功能是进行基本功能是进行光光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。是在。是在MOSMOS结构电荷存储器的基础上发展起来的，被称为结构电荷存储器的基础上发展起来的，被称为“排排列起来的列起来的MOSMOS电容阵列电容阵列”。2章 光电式传感器 CCD CCD 技术的发展促进了各种技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个讯、工业、农业、军用等各个领域。领域。基于基于CCDCCD光电光电耦合器件的输入耦合器件的输入设备有：数字摄设备有：数字摄像机、数字相机、像机、数字相机、平板扫描仪、指平板扫描仪、指纹机等。纹机等。2章 光电式传感器 CCDCCD基本基本结构结构分两部分：分两部分：MOSMOS光敏元光敏元阵列阵列；读出读出移位寄存器移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，制作成百上千（万）个光敏元，一个一个光敏元光敏元对应一个对应一个像素像素，在半，在半 导体硅平面上光敏元按导体硅平面上光敏元按线列线列或或面面 阵阵有规则地排列。有规则地排列。CCDCCD结构示意图结构示意图 显微镜下的显微镜下的MOSMOS元表面元表面2章 光电式传感器（一）（一）MOS光敏单元的结构及原理光敏单元的结构及原理 CCD CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的与光像图形相对应的电荷电荷分布图形。这就要求它分布图形。这就要求它的基本单元具有的基本单元具有存储电荷存储电荷的功能，同时还具有的功能，同时还具有电电荷转移荷转移输出功能。输出功能。CCDCCD器件的基本单元结构是器件的基本单元结构是MOSMOS（金属金属氧化物氧化物半导体）结构半导体）结构。即。即在在P P型硅衬底上生长一层型硅衬底上生长一层SiOSiO2 2(120nm),(120nm),再在再在 SiOSiO2 2层上沉积金属铝构成层上沉积金属铝构成MOSMOS结构（结构（MOSMOS电容），它是电容），它是CCDCCD器件的最小工作单元。器件的最小工作单元。2章 光电式传感器A A、势阱的产生、势阱的产生 MOSMOS的金属电极加正压（的金属电极加正压（P-SiP-Si），金属电极板上充上），金属电极板上充上一些正电荷，电极下的一些正电荷，电极下的P P型硅区域内空穴被赶尽，留下型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。表面区有表面电势层。表面区有表面电势（00）,如衬底电位为如衬底电位为0 0，则表，则表面处电子的静电位能为面处电子的静电位能为-q q（0),n2。涂涂敷敷层层及及护护套套：保保护护、增增加加机机械械强强度度、区区分分各各种种光光纤。纤。涂敷层及护套2章 光电式传感器2、斯乃、斯乃尔（Snell）定理）定理 当光由光密介质入射至光疏当光由光密介质入射至光疏介介质时，发生折射质时，发生折射（a）折射角大于入射角：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态：临界角临界角（c）全反射）全反射：2章 光电式传感器3、光纤传光原理、光纤传光原理 光的全反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件：光由光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角2章 光电式传感器光纤导光光纤导光 n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射所在空间的折射率，一般皆为空气，故率，一般皆为空气，故 n012章 光电式传感器当当r=90的临界状态时，的临界状态时，arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture）2章 光电式传感器二、光纤的主要参数二、光纤的主要参数1.数值孔径（数值孔径（NA）2.光纤模式光纤模式3.传播损耗传播损耗2章 光电式传感器1.数值孔径（数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意意义义：无无论论光光源源发发射射功功率率有有多多大大，只只有有2c张张角角之之内的光功率能被光纤接受传播。内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。产产品品光光纤纤不不给给出出折折射射率率N只只给给数数值值孔孔径径NA，石石英英光光纤纤的数的数值值孔径一般孔径一般为为NA=0.2NA=0.20.40.422c c2章 光电式传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式途径和方式；不同入射角度光线在界面上反射的次数不同，光波不同入射角度光线在界面上反射的次数不同，光波之间的干涉产生的强度、分布也各不相同；之间的干涉产生的强度、分布也各不相同；模式值模式值定义为：定义为：式中：式中：为纤芯半径为纤芯半径；为入射波长为入射波长 2.光纤模式（光纤模式（V）2章 光电式传感器光纤模式（光纤模式（V V）讨论：）讨论：模式值越大，允许传播的模式越多（模式值越大，允许传播的模式越多（多模光纤多模光纤）。在信）。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达，多个信号导致合成信号模式会使光信号分不同时间到达，多个信号导致合成信号畸变。畸变。模式值模式值V V小，就是小，就是 值小（即值小（即纤芯直径小）纤芯直径小）传播的模式越传播的模式越少。只传播一种模式的光纤，称少。只传播一种模式的光纤，称单模光纤单模光纤。单模光纤单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。高，但制造、连接困难。2章 光电式传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率表示：表示：3.传播损耗（传播损耗（）在一根衰减率为在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的后，光强下降到入射时的1/10。3dB/Km相当光纤传输相当光纤传输1Km后，光强衰减到入射时的后，光强衰减到入射时的一半一半,性能优良的光纤传播损耗可达性能优良的光纤传播损耗可达 0.16dB/Km。2章 光电式传感器三、光纤传感器的原理三、光纤传感器的原理1、按工作原理：、按工作原理：光纤传感器通常可分为光纤传感器通常可分为功能型功能型（传感型）和（传感型）和非功能型非功能型（传光型）（传光型）。功能型光纤传感器功能型光纤传感器（传感型）（传感型）是利用光纤本身的特性是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件把光纤作为敏感元件，被测，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤不仅起到光纤不仅起到传光传光作用，而且有作用，而且有传感传感能力。能力。用单模光纤，既传光又是敏感元件。用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）2章 光电式传感器 非功能型光纤传感器非功能型光纤传感器（传光型）（传光型）光通讯光通讯是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。输介质。光纤的状态是不连续的光纤的状态是不连续的，光纤只起，光纤只起传光传光作用。作用。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用光纤传感器采用NANA较大和芯径较大的阶跃型多模较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。光纤。增大传输光的通量。2章 光电式传感器光纤传感器组成示意图光纤传感器组成示意图（a）传感型；传感型；（b）传光型传光型 2章 光电式传感器2、按调制类型：、按调制类型：光纤传感器可分为光纤传感器可分为强度调制光纤传感器强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器相位调制光纤传感器波长（频率）调制光纤传感器波长（频率）调制光纤传感器时分调制光纤传感器时分调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 2章 光电式传感器1）强度调制原理强度调制原理利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。变化测量被测信息。可分为：可分为：反射调制、透射调制、内调制反射调制、透射调制、内调制微弯调制微弯调制。2章 光电式传感器q 反射式强度调制反射式强度调制 由多根光纤束组成入射、接收光由多根光纤束组成入射、接收光纤，被测物体将光束反射回光纤，纤，被测物体将光束反射回光纤，经反向传输后由光敏器件接收。经反向传输后由光敏器件接收。光强的大小随被测物体的特征不光强的大小随被测物体的特征不同而不同；同而不同；特征包括：特征包括：被测物体与光纤端面的被测物体与光纤端面的距离距离；被测物体表面的被测物体表面的光洁度光洁度（反射（反射率）；率）；相对相对倾角倾角。特点：非接触、探头小、线性特点：非接触、探头小、线性度好、频响高、测量范围在度好、频响高、测量范围在100m100m以内。以内。X X入射入射光光源源S S出射出射透镜透镜接接收收D D被测物体2章 光电式传感器q 透射式强度调制透射式强度调制 光纤端面为平面，入射光纤光纤端面为平面，入射光纤不动；不动；出射光纤可横向、纵向、旋出射光纤可横向、纵向、旋转移动，出射光强受位移信号的转移动，出射光强受位移信号的调制。调制。图中接收光强与两圆的交叠图中接收光强与两圆的交叠面积有关。面积有关。S S入入射射出出射射X X2章 光电式传感器入射入射光源光源S S出射出射透镜透镜接收接收D D弹性薄膜弹性薄膜P Pq 开关调制开关调制 入射、接收光纤固定不动，当光纤端面有物体运动入射、接收光纤固定不动，当光纤端面有物体运动时，出射光纤的光强变化。时，出射光纤的光强变化。遮光屏遮光屏蔽物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。2章 光电式传感器 将光纤的光分为两束，一束相位受外界信息的调制，一将光纤的光分为两束，一束相位受外界信息的调制，一束作为参考光使两束光叠加形成干涉花纹，通过检测干涉束作为参考光使两束光叠加形成干涉花纹，通过检测干涉条纹的变化可确定出两束光相位的变化，从而测出使相位条纹的变化可确定出两束光相位的变化，从而测出使相位变化的待测物理量。变化的待测物理量。待测量通过改变光纤的长度（几何尺寸），光纤折射率待测量通过改变光纤的长度（几何尺寸），光纤折射率n n可以使光纤输出端产生相位变化。可以使光纤输出端产生相位变化。2）相位调制原理）相位调制原理演示2章 光电式传感器3）频率调制）频率调制被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应多普勒效应的光纤速的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；度、流速、振动、压力、加速度传感器；当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率到的光频率f fs s与光源频率与光源频率f f不同，这种现象称光的不同，这种现象称光的“多多普勒效应普勒效应”；设光敏器件相对光源的运动速度为设光敏器件相对光源的运动速度为，接收的光频率可，接收的光频率可表示为：表示为：被测体散射光信号由透镜接收回光纤，与空气界面直被测体散射光信号由透镜接收回光纤，与空气界面直接返回的光信号合成后形成频率为接返回的光信号合成后形成频率为f fp p的拍频信号，送的拍频信号，送光敏探测器，经由频谱仪分析频率变化，获得速度。光敏探测器，经由频谱仪分析频率变化，获得速度。2章 光电式传感器q 法拉第磁光效应法拉第磁光效应(又称磁致旋光效应又称磁致旋光效应)磁场传感器磁场传感器当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（矢量振当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（矢量振动方向）将发生偏转，偏转的角度动方向）将发生偏转，偏转的角度 与磁感应强度与磁感应强度B B以及介质的长度以及介质的长度L L成正比成正比 =KBL=KBL，K K为物质常数。为物质常数。透明介质透明介质B BQ QL L外界因素作用下，使光的外界因素作用下，使光的某一方向振动比其他方向占某一方向振动比其他方向占优势的一种调制方式。主要优势的一种调制方式。主要基于人为旋光现象，如：法基于人为旋光现象，如：法拉第磁光效应、克尔电光效拉第磁光效应、克尔电光效应、弹光效应等实现的。应、弹光效应等实现的。5）偏振调制）偏振调制4）时分调制）时分调制 利用外界因素调制返回信号的基带频谱，通过检测基带利用外界因素调制返回信号的基带频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化，来测量各种物理量的大小的延迟时间、幅度大小的变化，来测量各种物理量的大小和空间分布的方法。和空间分布的方法。2章 光电式传感器光纤传感器组成光纤传感器组成 由光源、敏感元件（光纤和非光纤的）、光探测由光源、敏感元件（光纤和非光纤的）、光探测器、信号处理系统及光纤等。器、信号处理系统及光纤等。2章 光电式传感器 四、光纤传感器实例四、光纤传感器实例 1.光纤辐射剂量传感器光纤辐射剂量传感器1）吸光型：利用光纤吸收了放射性射线后，衰减量发生变化的机理。）吸光型：利用光纤吸收了放射性射线后，衰减量发生变化的机理。2）发光型：利用光纤受放射性射线的辐射后其内部发光的机理。）发光型：利用光纤受放射性射线的辐射后其内部发光的机理。射线辐射剂量射线辐射剂量光纤对传输光的吸收损耗光纤对传输光的吸收损耗输出功率输出功率光强指标光强指标2章 光电式传感器2.光纤电流传感器利用相位调制利用相位调制I B 镍护套磁致伸镍护套磁致伸缩缩n、L 相位差相位差2章 光电式传感器3.光纤图像传感器光纤图像传感器0.3万万10万股万股图像单元图像单元图像光纤是由数目众多的光纤组成图像光纤是由数目众多的光纤组成一个图像单元。投影在光纤束一端一个图像单元。投影在光纤束一端的图像被分解成许多像素，然后图的图像被分解成许多像素，然后图像是作为一组强度与颜色不同的光像是作为一组强度与颜色不同的光点传送，并在另一端重建原图像。点传送，并在另一端重建原图像。2章 光电式传感器加速度通过一定质量的物体，在平衡力加速度通过一定质量的物体，在平衡力的反作用下可产生位移、形变、旋转等。的反作用下可产生位移、形变、旋转等。干涉型光纤加速度传感器干涉型光纤加速度传感器4.光纤加速度传感器一惯性系统，质量块质量一惯性系统，质量块质量MM，顺变体质量，顺变体质量MCMC，顺变体是一空心圆柱体，并且顺变体是一空心圆柱体，并且MMMCMC；当系统；当系统以加速度以加速度a a运动的质量块对顺变体施加轴向力运动的质量块对顺变体施加轴向力F=ma,在在F的作用下顺变体产生轴向应变和径的作用下顺变体产生轴向应变和径向应变。向应变。MC质量块质量块顺变体顺变体光纤光纤a Fa Fd d基座基座M顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，使光纤的长度发生变化，使光纤的长度发生变化，光纤的长度变化通过干涉系统测量出光的相位变化，光纤的长度变化通过干涉系统测量出光的相位变化，从而实现加速度测量。从而实现加速度测量。2章 光电式传感器干涉型光纤加速度传感器干涉型光纤加速度传感器SDD激光器激光器分束器分束器1 1分束器分束器2 2探测器探测器参考端参考端2章 光电式传感器5.光纤温度传感器相位调制、相位调制、光强调制型光强调制型、偏振调制型、偏振调制型敏感元件：半导体光吸收器敏感元件：半导体光吸收器 能带随温度的升高而减小能带随温度的升高而减小温度升高温度升高透射率降低透射率降低光强减小；光强的变化体现温度的变化（光强减小；光强的变化体现温度的变化（-103000C）体积小、灵敏度高、工作可靠，广泛应用于高压电力装体积小、灵敏度高、工作可靠，广泛应用于高压电力装置中的温度测量。置中的温度测量。2章 光电式传感器6.光纤漩涡流量传感器 结构：将一根多模光纤垂直地装入结构：将一根多模光纤垂直地装入管道管道 工作原理：当液体或气体流经与其工作原理：当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。测出频率就可知流速。流体力学原理可知，旋涡的频率流体力学原理可知，旋涡的频率 f f与流体的流速可表示为与流体的流速可表示为:光纤输出端测出干涉图样斑纹或斑点的移动，获得振动频率光纤输出端测出干涉图样斑纹或斑点的移动，获得振动频率f 。用于气体、液体流量的测量。传感器无活动部件，测量可靠，用于气体、液体流量的测量。传感器无活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍作用，所以压力损耗非常小。而且对流体流动不产生阻碍作用，所以压力损耗非常小。式中：式中：v-流体速度，流体速度，d-流体中物体横向尺寸大小；流体中物体横向尺寸大小；S-常数常数,斯特罗哈数斯特罗哈数。vfdS2章 光电式传感器2.13 激光传感器一一.激光产生的机理激光产生的机理 原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E E1 1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E E后，原子后，原子就从低能级就从低能级E E1 1跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2，这个过程称为，这个过程称为光的受激光的受激吸收吸收。光受激后，其能量有下列关系：。光受激后，其能量有下列关系：E=h=EE=h=E2 2-E-E1 1 E-E-光子的能量光子的能量 -光的频率光的频率 h-h-普朗克常数（普朗克常数（6.62310 6.62310-23-23J.s)J.s)2章 光电式传感器二.激光的特性激光与普通光源相比，具有如下特点。激光与普通光源相比，具有如下特点。方向性强能量集中方向性强能量集中 具有高平行度，发散角小，约为具有高平行度，发散角小，约为0.180.18。光束扩展角小，一般可。光束扩展角小，一般可至至10103 3radrad。能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源好。能量高度集中，其亮度