光电式传感器及其医学应用讲稿.pptx

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1、 光电效应 光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。一一.外光电效应外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定。能力由下式确定。第1页/共97页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

2、。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。即第2页/共97页二二.内光电效应内光电效应 受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。第3页/共97页光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数 1 1、响应度、响应度k k 光电器

3、件输出电压光电器件输出电压VoVo与入射光功率与入射光功率PiPi之比之比,即单位入射光功率作用下器件的输出电压即单位入射光功率作用下器件的输出电压,称为响称为响应度应度k k。即。即:k=Vo/Pi=Vo/(H k=Vo/Pi=Vo/(H 式中式中,Vo,Vo是器件的输出电压是器件的输出电压 PiPi为入射光敏面的辐射功率为入射光敏面的辐射功率 AdAd是器件受光面积是器件受光面积 H H为光敏面的辐射照度。为光敏面的辐射照度。k k的单位为的单位为(V/W)(V/W)。响应度响应度响应度响应度k k k k是表征光电器件输出信号能力的特征量。是表征光电器件输出信号能力的特征量。是表征光电器

4、件输出信号能力的特征量。是表征光电器件输出信号能力的特征量。第4页/共97页2.光谱特性 n光电器件的响应度与入射波长关系。n通常用直角坐标的横轴表示入射光的波长(),而纵轴表示归一化的响应度。曲线描述不同波长的入射光所产生器件响应度的曲线。峰值对应的波长称为峰值波长,表征该器件对这一波长最灵敏。响应度下降到一半时所对应的波长称为截止波长。光谱特性曲线给出光电器件的工作波长范围。光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数 第5页/共97页3.等效噪声功率和探测度D入射到光电器件光敏面上的辐射功率所产生的响应电压,恰好等于该器件的噪声电压值,那么这个辐射功率称为噪声等效功率,常用NEP表示。4

5、.响应时间响应时间是描述光电器件对入射光辐射响应快慢的参数,也称为时间常数 5线性度线性度是指光电器件输出光电流(或电压)与输入光功率成线性比例的程度和范围。光电器件的基本特性参数光电器件的基本特性参数 第6页/共97页一.光电管在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。光电管、光电倍增管第7页/共97页第8页/共97页二.光电倍增管1.结构与原理由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了

6、光电倍增管，其工作原理如图。第9页/共97页2.2.主要参数主要参数1）倍增系数倍增系数 MM 电流放大倍数M与所加电压有关，一般在105108之间。一般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V100V。第10页/共97页2）阴极灵敏度和总灵敏度 一个光子在阴极一个光子在阴极上能够打出的平均上能够打出的平均电子数叫作光电阴电子数叫作光电阴极的灵敏度。而一极的灵敏度。而一个光子在阳极上产个光子在阳极上产生的平均电子数叫生的平均电子数叫做光电倍增管的总做光电倍增管的总灵敏度。灵敏度。光电倍增管的放光电倍增管的放大倍数或总灵敏度大倍数或总灵敏度如图所示。如图所示。第

7、11页/共97页三三.光电管、光电倍增管的应用光电管、光电倍增管的应用 光电管多用于光信号较强的光学分析仪器。光电倍增管广泛用于弱光线的测量,尤其是对各种射线的探测。分光光度计的测量原理 第12页/共97页 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源。一.结构与工作原理硅光电池是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子空穴对，在PN结势垒电场作用下，将光生电子拉向N区，光生空穴推向P区，形成P区为正、N区为负的光生电动势。若将PN结

8、与负载相连接，则在电路上有电流通过。光电池第13页/共97页(a)工作原理 (b)符号光电池的工作原理及符号第14页/共97页二.光电池的基本特性1、光谱特性指相对灵敏度和入射光波长之间的关系硅光电池适用的光波长在0.41.2m范围内,最大灵敏峰在0.8m左右;硒光电池适用的光波长在0.30.7m范围内,最大灵敏峰在0.5m左右。2、光电池的光照特性。光电池的光照特性是指光生电动势与照度之间的特性曲线。从右图中可以看出，短路电流在很大范围内与光照度成线性关系；开路电压与光照度的关系是非线性的。第15页/共97页硅光电池的光照特性曲线硒光电池和硅光电池的光谱特性曲线第16页/共97页3、光电池的

9、频率特性。光电池的频率特性是指光的调制频率和输出电流之间的关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。4、光电池的温度特性。光电池的温度特性是指光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系，开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，用光电池作为敏感元件时，在自动检测系统设计时就应考虑到温度的漂移，需采取相应的措施进行补偿。第17页/共97页光电池的频率特性光电池的温度特性第18页/共97页JMJ112V2A51KL39K470uf三.光电池的应用1.自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机

10、和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。第19页/共97页2.路灯控制器第20页/共97页3、光电池用于线性测量的电路原理光电池在作为测量元件使用时,不是作为电压源使用,而是作为电流源使用,利用其短路电流与光照成线性关系的特点,这是光电池的主要优点之一。运算放大器输出电压等于硅光电池短路电流Isc与放大器反馈电阻R1的乘积,U0=IscR1光电池的基本测量电路 第21页/共97页光敏二极管与三极管一.光敏二极管1.工作原理与结构光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电

11、极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不同之处在于光敏二极管的PN结状在管壳的顶部，可直接受到光的照射，其结构和电路如图所示。第22页/共97页没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生光生电子和光生空穴对。从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在反向外加电压和内电场的作用下,P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态

12、。光的照度越大,光电流越大。第23页/共97页2.2.光敏二极管的基本特性光敏二极管的基本特性1 1）光谱特性）光谱特性 在入射度一定时，在入射度一定时，输出的光电流输出的光电流（或相对灵敏度）（或相对灵敏度）随光波波长的变随光波波长的变化而变化。一种化而变化。一种光敏二极管只对光敏二极管只对一定波长的入射一定波长的入射光敏感，这就是光敏感，这就是它的光谱特性。它的光谱特性。如图所示。如图所示。第24页/共97页2）伏安特性对光敏二极管施加正向电压时对光敏二极管施加正向电压时,正向电流将几乎随电正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升。如同导通的二极管，不压升高而按指数规律上升。如同导通的二极

13、管，不可用于光电测量。可用于光电测量。象限虚线。象限虚线。施加反向电压：特性曲线在第施加反向电压：特性曲线在第象限。象限。无光照时无光照时,光敏二极管的电压光敏二极管的电压-电流特性与一般二电流特性与一般二极管一样极管一样当入射光照加强时，反向电流随入射光照度的增当入射光照加强时，反向电流随入射光照度的增强而增大强而增大,在一定的反向电压范围内在一定的反向电压范围内,反向电流的反向电流的大小几乎与反向电压的高低无关大小几乎与反向电压的高低无关,但是与光照度成但是与光照度成比例。比例。结论结论：在入射光照度一定的条件下在入射光照度一定的条件下,反向谝置的光敏二极管相当于一个恒反向谝置的光敏二极管

14、相当于一个恒流源。流源。第25页/共97页光敏二极管的伏安特性曲线第26页/共97页3 3）光照特性）光照特性第27页/共97页4 4）温度特性）温度特性温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.第28页/共97页3 3、光敏二极管的测量电路光敏二极管测量电路 第29页/共97页二.光敏三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。1.工作原理与结构基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，放大倍形成集电极电流（光电流）,所以光

15、电三极管有放大作用。第30页/共97页2.光敏三极管的基本特性1)1)光谱特性和温度特性：与二极管相同与二极管相同2)2)光照特性:第31页/共97页3 3）伏安特性）伏安特性测试电路输出特性第32页/共97页3、光敏三极管的应用电路(a)电流控制电路 (b)电压控制电路第33页/共97页4、生物医学测量中的应用 光电式脉搏波传感器 原理：是利用光电信号来测量脉搏容积的变化。当血管内血容量变化时,组织对光的吸收程度相应发生变化,利用光电传感器可测出这种变化，反映出血液脉动的基本参数情况（包括频率，幅度，脉搏波形状的改变）。第34页/共97页(a)透射式传感器结构示意图和应用图(b)反射式传感器

16、结构示意图和应用于脑血氧的应用图 发光管接收管发光管接收管体表第35页/共97页第36页/共97页光敏电阻为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。1.光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。第37页/共97页第38页/共97页2.2.光敏电阻的工作原理 光敏电阻又称光导管光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件纯粹是一个电阻

17、器件,使用时既可加直流电使用时既可加直流电压压,也可以加交流电压。也可以加交流电压。无光照时无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大光敏电阻值（暗电阻）很大,电电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）它的阻值（亮电阻）急剧减少急剧减少,电路中电流迅速增大。电路中电流迅速增大。一般希望一般希望暗电阻越大越好暗电阻越大越好,亮电阻越小越好亮电阻越小越好,此时光敏此时光敏电阻的灵敏度高。电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。亮电阻在几千欧以下

18、。第39页/共97页3 光敏电阻的主要参数）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。第40页/共97页4 光敏电阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。第41页/共97页2)光照特性（IE）光敏电阻的光光敏电阻的光照特性为非线照特性为非线性，不宜作检性，不宜作检测元件测元件第42页/共97页3）光谱特性（Kr%）光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波

19、长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。第43页/共97页4）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此,硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些。第44页/共97页光固态CCD图像传感器 固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCDCCD）、）、MO

20、SMOS图像传感器图像传感器（简称（简称SSPASSPA）和电荷注入器件（简称）和电荷注入器件（简称CIDCID）。）。目前，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、目前，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。扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明在本节中仅说明CCDCCD图像传感器的工作原理与特性图像传感器的工作原理与特性第45页/共97页一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（Charge Couple Device，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的

21、图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。第46页/共97页1.MOS光敏单元的结构及原理CCD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电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。第47页/共97页第48页/共97页A、势阱的产生

22、MOS的金属电极加正压，电极下的P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，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。第49页/共97页B、电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。第50页/共97页2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。第51页/共97页A、电荷的定向转移 当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的

23、电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。第52页/共97页B、三相CCD电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。第53页/共97页第54页/共97页第55页/共97页第56页/共97页C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法

24、第57页/共97页二.CCD图像传感器 1.线阵电荷耦合器件 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。第58页/共97页线阵CCD结构原理图第59页/共97页图7-12 各脉冲的波形和相位第60页/共97页2.面阵型CCD图像传感器 面阵型面阵型CCDCCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式列

25、，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。可分为行传输、帧传输和行间传输三种。第61页/共97页帧传输（FT）面阵CCD 光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）光敏区存储区读出寄存器第62页/共97页第63页/共97页三.CCD图像传感器的特性参数1.1.转移效率转移效率 当当CCDCCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若若Q Q1 1为转移一次后的

26、电荷量，为转移一次后的电荷量，Q Q0 0为原始电荷，则转为原始电荷，则转移效率定义为移效率定义为若转移损耗定义为则电荷进行N次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到99.9999.999%第64页/共97页2.分辨率 CCD CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数图象传感器的分辨率用调制转移函数MTFMTF表征。当光强以正弦变化的图像作用在传表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数化为调制转移函数MTFMTF。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率最高分辨

27、率f fm m等于它的空间采样频率等于它的空间采样频率f f0 0的一的一半，即半，即第65页/共97页3.暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。暗电流起因于热激发产生的电子空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCDCCD器件器件暗电流越小越好。暗电流越小越好。第66页/共97页4.4.灵敏度 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即单位时间、单位面积发射的电量，即第67页/共97页 四.CCD图像传感器应用 1、线阵CCD器件检测工件尺寸L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率

28、2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。第68页/共97页2.线列CCD摄像系统第69页/共97页3.文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。第70页/共97页驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统第71页/共97页3.8 3.

29、8 光纤传感器光纤传感器一、光纤的传光原理1、光纤结构由 纤 芯 和 包 层 组 成（石 英 玻 璃 5100um)（n1n2)。外层一层尼龙保护套。第72页/共97页2、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 光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：第73页/共97页第74页/共97页（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。第75页/共97页即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。希望NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。第76页/共97页二.光纤分类1.按传输模式分单模光纤、多模光纤.模的概念 光纤传输光

30、波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为2的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。第77页/共97页芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。第78页/共97页2.按折射率分布阶跃型光纤和梯度型光纤第79页/共97页3.按材料分类高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。光损耗较小,在=1.2m的波长时,最低损耗为0.47dB/km。多组分玻璃纤维。常规玻璃制

31、成，损耗也很低。塑料纤维。人工合成导光塑料制成，损耗较大。第80页/共97页4.按作用分类光纤在传感器的作用通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。功能型光纤传感器（物性型）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）光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。第81页/共97页 非功能型光纤传感器（结构型）光纤只作为传光元件，不作为敏感元件。光纤只作为光的传输回路。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NA较大和

32、芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。第82页/共97页三、光纤传感器的基本原理及特点 1、原理：光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示E0：光波振幅 ：角频率 ：初相角 上式包含5个参数：强度E02、频率、波长、相位、偏振态。工作原理：用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使之发生变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。根据调制的参数可分为以下几种：第83页/共97页 发光强度调制型：以被测量所引起的发光强度变化，来实现对被测对象的监控。解调方法简单、响应快、运行可靠、造价低。缺点：测量精度低、易产生漂移，需自补偿措施。相位调制型：通过被测量的作用，使光相位发生变化，

33、再利用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测物理量。特点：灵敏度高、动态测量范围大、抗干扰能力强，传感器形式灵活多样，可进行多种物理量测量和不同的 测量环境。第84页/共97页 波长调制型：利用传感器探头的光谱特性随外界物理量的变化的性质来实现。多为非功能型传感器。其探头只简单传导光作用，技术关键是传感单元的光谱灵敏度和波长解调器或频谱分析器的性能。大多数光源采用白炽灯或宽带LED。频谱分析器一般采用棱镜分光计、光栅分光计和干涉滤光器等方式。偏振态调制型：利用光波的偏振性质做成。非本征型的偏振调制光纤传感器中，偏振光的产生以及外界被测量引起偏振态的改变是通过分离的偏振敏感光学元件

34、完成，光纤只起穿光作用。本征型的偏振调制光纤传感器中，外界被测量直接作用到光纤上，导致光纤产生双折射或圆双折射效应，从而使传输的偏振光受到调制，检测偏振态的变化即可得到被测量的变化。可用于温度、压力、震动、机械形变、电场和电流等检测，最主要应用高压强电流的测量。第85页/共97页2、特点（1）抗电磁干扰，电绝缘，本质安全。（2）灵敏度高（3）重量轻、体积小、外形可变，可绕。（4）测量对象广泛（5）对被测介质影响小（6）可进行连续分布测量、便于复用、便于成网第86页/共97页 四、光纤传感器医学应用 1.光纤血压传感器血压的压力使光纤变形,光纤只是承担着传入、传出光的作用,传入光纤将入射光传递到

35、薄膜面,传出光纤将压力面反射的光传回到探测器,传入、传出光纤均匀混合在一起,在端面处,光纤的接收光强度受膜面的形变而变化，其大小与血压的压力相关。若输入光源功率一定,反射光的光强度的改变反映不同的受力程度。光探测器接受反射光并进行换能,可得到相对应与血压的电信号输出。在小的压力变化范围内,经精确设计,能使反射光强度近似正比于膜片两边的压力差。也就是说,压力的大小由反射光的强弱来代表。第87页/共97页薄膜型光纤血压传感器 第88页/共97页2.医用内窥镜医用内窥镜结构图 第89页/共97页3.光纤温度传感器第90页/共97页3.9 激光传感器一.激光产生的机理 原子在正常分布状态下，总是稳定的

36、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。，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一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E E后，后，原子就从低能级原子就从低能级E E1 1跃迁到高能级跃迁到高能级E E2 2，这个过程称为光，这个过程称为光的受激吸收。光受激后，其能量有下列关系：的受激吸收。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-

37、23J.s)J.s)第91页/共97页受激辐射:处于高能级E2的原子在外来光的诱发下，从高能级E2 跃迁至低能级E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才能产生。粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分布状态来说，称之为粒子反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介

38、质外，还有两个平行对置的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰撞，使工作物质受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。第92页/共97页二.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。光束扩展角小，一般可至小，一般可至10103 3radrad。能量高度集中，其亮度很高，。能量高度集中，其亮度

39、很高，一般比同能量的普通光源好几百万倍一般比同能量的普通光源好几百万倍单色性好单色性好 普通光源中，单色性最好的是同位素氪普通光源中，单色性最好的是同位素氪8686（8686Kr)Kr)灯发灯发出的光，其中心波长出的光，其中心波长605.7nm=0.0047nm;605.7nm=0.0047nm;而而氦氖激光器氦氖激光器632.8nm 632.8nm，=10=10 6 6nm nm。相干性好相干性好 所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。信

40、号。时间相干时间相干 空间相干空间相干第93页/共97页三.激光器及其特性 要产生激光必须具备三个条件：要产生激光必须具备三个条件：1 1）必须由能形）必须由能形成粒子数反转分布的工作物质（增益介质）成粒子数反转分布的工作物质（增益介质）2 2）激）激励能量（光源）励能量（光源）3 3）光学谐振腔。将这三者结合在）光学谐振腔。将这三者结合在一起的装置称为激光器。一起的装置称为激光器。到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。1.1.固体激光器固体激光器 2.2.液体激光器液体激光器 3.3.气体激光器气体激光器 4.4.半导体激光器半导体激光器第94页/共97页四.激光传感器的应用1.激光测距第95页/共97页2.激光测流速第96页/共97页感谢您的观看。第97页/共97页