第五章光纖傳感器學習教案

1、會計學1第五章光纖傳感器第五章光纖傳感器第一頁，共28頁。2機控制機控制下，可下，可產(chǎn)生動產(chǎn)生動態(tài)態(tài)(dngti)圖案。圖案。第1頁/共28頁第二頁，共28頁。3一、光導纖維導光的基本原理一、光導纖維導光的基本原理 光是一種電磁波光是一種電磁波, ,一般采用波動理論來分析導一般采用波動理論來分析導光的基本原理，然而根據(jù)光學理論指出：在尺寸遠光的基本原理，然而根據(jù)光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間大于波長而折射率變化緩慢的空間(kngjin),(kngjin),可可以用以用“光線光線”即幾何光學的方法來分析光波的傳播即幾何光學的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象現(xiàn)象, ,這對于光纖中的多

2、模光纖是完全適用的。為這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此此, , 采用幾何光學的方法來分析。采用幾何光學的方法來分析。 1 1、斯乃爾定理（、斯乃爾定理（Snells LawSnells Law）當光由光密物質(zhì)當光由光密物質(zhì)(wzh)(wzh)(折射率大折射率大) )入射至光疏物質(zhì)入射至光疏物質(zhì)(wzh)(wzh)時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即時發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1n1n2n2時，時，rrii。 n1n2ri光的折射示意圖 可見可見(kjin)，入射角，入射角i增大時，折射角增大時，折射角r也隨之增大，且始終也隨之增大，且始終ri。n1、n2、r、i之間的數(shù)學關(guān)系為之

3、間的數(shù)學關(guān)系為 n1sini=n2sinr 第2頁/共28頁第三頁，共28頁。4當當iii0i0并繼續(xù)增大時，并繼續(xù)增大時，rr9090，這時便發(fā)生，這時便發(fā)生(fshng)(fshng)全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：式中：i0臨界角臨界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin901n1n2ri 光全反射示意圖n1n2ri 臨界狀態(tài)示意圖 當當r=90時，時，i仍仍90，此時，此時(c sh)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ィQ為臨界狀態(tài)。，出射光線沿界面?zhèn)鞑ィQ為臨界狀態(tài)。這時有這時有第3頁/共28頁第四頁

4、，共28頁。52 2、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)光 纖 呈 圓 柱 形 ， 它 由 玻 璃 纖 維光 纖 呈 圓 柱 形 ， 它 由 玻 璃 纖 維 ( b ( b lixinwi)lixinwi)芯芯( (纖芯纖芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包層包層) )兩個兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)以及護套組成。同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)以及護套組成。 纖芯位于光纖的中心部位纖芯位于光纖的中心部位(bwi)(bwi)，光主要在這里傳輸。纖心折射率，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1n1比包層折射率比包層折射率n2n2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。稍大些兩層之間形成良好的光學界面，光線在這個界面

5、上反射傳播。 n1n2第4頁/共28頁第五頁，共28頁。6第5頁/共28頁第六頁，共28頁。73 3、光纖導光原理及數(shù)值孔徑、光纖導光原理及數(shù)值孔徑NANA入射光線入射光線ABAB與纖維軸線與纖維軸線OOOO相交角為相交角為ii，入射后折射，入射后折射( (折射角為折射角為j)j)至纖芯與包層界面至纖芯與包層界面(jimin)C(jimin)C點，與點，與C C點界面點界面(jimin)(jimin)法線法線DEDE成成kk角，并由界面角，并由界面(jimin)(jimin)折射至包層，折射至包層，CKCK與與DEDE夾角為夾角為rr。則。則n0sini=n1sinj n1sink=n2sin

6、r sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90k 所以所以(suy) jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導光示意圖光纖導光示意圖KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sinn0為入射光線為入射光線AB所在空所在空間間(kngjin)的折射率，的折射率，一般為空氣，故一般為空氣，故n01，nl為纖芯折射率，為纖芯折射率，n2為為包層折射率。當包層折射率。當n0=1時時第6頁/共28頁第七頁，共28頁。8上式上式sini0為為“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑” NA(Numer

7、icalAperture)。由于。由于n1與與n2相差相差(xin ch)較小，即較小，即n1+n22n1,故又可因式分解為故又可因式分解為 rinn22221sinsin22210sinnni2sin10ni=(n1-n2)/n1=(n1-n2)/n1稱為稱為(chn wi)(chn wi)相對折射率差相對折射率差 當當r=90的臨界狀態(tài)的臨界狀態(tài)(ln ji zhun ti)時，時，i=i0當當rNA，iarcsin NA，光線消失。，光線消失。結(jié)論：結(jié)論：arcsinNA是一臨界角是一臨界角, ,凡入射角凡入射角iarcsinNA的光線進入光纖都不能傳播而在包層消失；相反的光線進入光纖都

8、不能傳播而在包層消失；相反, ,只有入射角只有入射角iarcsinNA的光線才可進入光纖被全反射傳播的光線才可進入光纖被全反射傳播。當當r=90時時當當r90時，光線發(fā)生全反射，則時，光線發(fā)生全反射，則sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA第7頁/共28頁第八頁，共28頁。94 4、光纖的主要參數(shù)、光纖的主要參數(shù)(yngxing)(yngxing)通訊信息的容量和質(zhì)量。通訊信息的容量和質(zhì)量。多模色散；多模色散； 材料色散和波導結(jié)材料色散和波導結(jié)構(gòu)色散構(gòu)色散 。（4 4）光纖強度）光纖強度材料純度、結(jié)構(gòu)材料純度、結(jié)構(gòu)(jigu)狀態(tài)、擦傷等有關(guān)。狀態(tài)、擦傷等有關(guān)。第

9、8頁/共28頁第九頁，共28頁。10二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類1 1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變變(zhunbin)(zhunbin)為可測的電信號的裝置。見圖為可測的電信號的裝置。見圖(a)(a)。光 纖 傳 感 器 是 一 種 把 被 測 量 的 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 變光 纖 傳 感 器 是 一 種 把 被 測 量 的 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 變(zhunbin)(zhunbin)為可測的光信號的裝置。見圖為可測的光信號的裝置。見圖(b)(b)。信號處理信號處理電電 源源信號接收信號

10、接收敏感元件敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器）傳統(tǒng)傳感器 導線導線光纖光纖信號處理信號處理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器（b）光纖傳感器）光纖傳感器可見可見,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較，在測量(cling)原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機電測量電測量(cling)為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學測量(cling)為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。第9頁/共28頁第十頁，共28頁。11光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的光是一種電磁波，其波長從極遠紅外的lmm到極遠紫外線的到極

11、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。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(bx)考慮光的電矢量考慮光的電矢量E的振動，即的振動，即A電場電場E的振幅矢量；的振幅矢量；光波的振動頻率；光波的振動頻率；光相位；光相位；t光的傳播時間。光的傳播時間?？梢姡灰构獾膹姸?、偏振態(tài)可見，只要使光的強度、偏振態(tài)(矢量矢量A的方向的方向)、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(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。、頻率和相位等參

12、量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被測量調(diào)制，那么，通過對光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。 tAEsin光纖傳感器光學光纖傳感器光學(gungxu)測量基本測量基本原理原理第10頁/共28頁第十一頁，共28頁。12傳感器傳感器光學光學(gungxu)現(xiàn)現(xiàn)象象被測量被測量(cling)光纖光纖分類分類(fn li)干干涉涉型型相位相位調(diào)制調(diào)制光線光線傳感傳感器器干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應效應光彈效應光彈效應干涉干涉電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓角速度角速度振動、壓力、加速度、位移振動

13、、壓力、加速度、位移溫度溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 強度調(diào)強度調(diào)制光纖制光纖溫度傳溫度傳感器感器遮光板遮斷光路遮光板遮斷光路半導體透射率的變化半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻熒光輻射、黑體輻射射光纖微彎損耗光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射振動膜或液晶的反射氣體分子吸收氣體分子吸收光纖漏泄膜光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位溫度、振動、壓力、加速度、位移移溫度溫度溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移振動、壓力、位移氣體濃度氣體濃度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)偏振調(diào)制光

14、纖制光纖溫度傳溫度傳感器感器法拉第效應法拉第效應泡克爾斯效應泡克爾斯效應雙折射變化雙折射變化光彈效應光彈效應電流、磁場電流、磁場電場、電壓、電場、電壓、溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制頻率調(diào)制光纖溫度光纖溫度傳感器傳感器多普勒效應多普勒效應受激喇曼散射受激喇曼散射光致發(fā)光光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度速度、流速、振動、加速度氣體濃度氣體濃度溫度溫度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM單模；單模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類第1

15、1頁/共28頁第十二頁，共28頁。13（1 1）按光纖在傳感器中的作用）按光纖在傳感器中的作用 功能型、非功能型和拾光型三類。功能型、非功能型和拾光型三類。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器 FF FF （Function Fibre Optil SensorFunction Fibre Optil Sensor）光纖在其中不僅是導光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光光纖在其中不僅是導光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。此類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。此類傳感器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。但是，它須用特殊光纖和先進的檢測湊、靈敏度高。但是，

16、它須用特殊光纖和先進的檢測技術(shù)。因此，成本高，其典型例子技術(shù)。因此，成本高，其典型例子(l zi)(l zi)如光纖陀如光纖陀螺、光纖水聽器等。螺、光纖水聽器等。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器第12頁/共28頁第十三頁，共28頁。142 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 NFF NFF（Non-Function Fibre Optil Non-Function Fibre Optil SensorSensor）光纖僅起導光作用，光照在非光纖型敏感元件上受光纖僅起導光作用，光照在非光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。此類光纖傳感器無需特殊被測量調(diào)制。此類光纖

17、傳感器無需特殊(tsh)(tsh)光纖光纖及其他特殊及其他特殊(tsh)(tsh)技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。技術(shù)，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但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。目前，已實用化或尚在研制中的光纖傳感器，大。目前，已實用化或尚在研制中的光纖傳感器，大都是非功能型的。都是非功能型的。信號處理信號處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖3 3）拾光型光纖傳感器）拾光型光纖傳感器 用光纖作為探頭，接收用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其由被測對象輻射的光或被其反射、散射反射、散射(snsh)(snsh)的光。

18、的光。其典型例子如光纖激光多普其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。傳感器等。 信號信號處理處理光受光受信器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合耦合器器被 測 對被 測 對象象第13頁/共28頁第十四頁，共28頁。15（2 2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式 強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制 1 1）強度調(diào)制型光纖傳感器）強度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射是一種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率、吸收或反

19、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，各實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗，各物質(zhì)的吸收特性，振動膜或液晶物質(zhì)的吸收特性，振動膜或液晶(yjng)(yjng)的反射光強的反射光強度的變化，物質(zhì)因各種粒子射線或化學、機械的激勵度的變化，物質(zhì)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(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等而發(fā)光的現(xiàn)象，以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。制型光纖傳感器。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低

20、。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。第14頁/共28頁第十五頁，共28頁。16 2 2）偏振調(diào)制光纖傳感器）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(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(zhì)內(nèi)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(nèi)傳播的泡克耳斯效應做成的電場、電壓傳感器，利用物質(zhì)的光彈效應構(gòu)成的壓力、振動是一種利用光偏振態(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(zhì)內(nèi)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(nèi)傳播的泡克耳斯效應做成的電場、電壓傳感器，利用物質(zhì)的光彈效應

21、構(gòu)成的壓力、振動(zhndng)(zhndng)或聲傳感器，以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動或聲傳感器，以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(zhndng)(zhndng)等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。 3 3）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監(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、振動是一種利用由被測對象引起的光頻率的變化來進行監(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

22、動(zhndng)(zhndng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)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。、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)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。第15頁/共28頁第十六頁，共28頁。17 4 4）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器 基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用基本原理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，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(chǎn)生的干涉導致光的相位變化，使

23、兩束單色光所產(chǎn)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。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；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致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（克（SagnacSagnac）效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀）效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺螺(tulu)(tulu)）等。這類傳感器的靈敏度很高。但）

24、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)，因此成本由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。高。 第16頁/共28頁第十七頁，共28頁。18三、光纖傳感器的應用三、光纖傳感器的應用 （一）溫度（一）溫度(wnd)(wnd)的檢測的檢測 光纖溫度光纖溫度(wnd)(wnd)傳感器有功能型和傳光傳感器有功能型和傳光型兩種。型兩種。 1 1、遮光式光纖溫度計、遮光式光纖溫度計 下圖為一種下圖為一種(y zhn)(y zhn)簡單利用水銀柱升降簡單利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)。用于對設(shè)定溫度的控制，溫度的光纖溫度開關(guān)。用于對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。溫度設(shè)定值靈

25、活可變。 1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1 浸液 2 自聚焦透鏡(tujng) 3 光纖 4 水銀第17頁/共28頁第十八頁，共28頁。19 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(chǎn)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(chǎn)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10105050的溫度。檢測精度約為的溫度。檢測精度約為0.50.5。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響。它的缺點是輸出光強受殼體振動的影響(yng

26、xing)(yngxing)，且響應時間較長，一般需幾分鐘。，且響應時間較長，一般需幾分鐘。 光源(gungyun)接收(jishu)熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)121 遮光板 2 雙金屬片第18頁/共28頁第十九頁，共28頁。20 2 2、透射型半導體光纖溫度傳感器、透射型半導體光纖溫度傳感器 當一束白光經(jīng)過半導體晶體片時，低于某當一束白光經(jīng)過半導體晶體片時，低于某個特定波長個特定波長gg的光將被半導體吸收的光將被半導體吸收, ,而高于該波長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的光將透過半導體。這是由于半導體的本征吸收引起的起的,g,g稱為半導體的本征吸收波長。電子從價帶稱為半

27、導體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)激發(fā)(jf)(jf)到導帶引起的吸收稱為本征吸收。當一到導帶引起的吸收稱為本征吸收。當一定波長的光照射到半導體上時定波長的光照射到半導體上時, ,電子吸收光能從價帶電子吸收光能從價帶躍遷入導帶躍遷入導帶, ,顯然顯然, ,要發(fā)生本征吸收要發(fā)生本征吸收, ,光子能量必須大光子能量必須大于半導體的禁帶寬度于半導體的禁帶寬度EgEg，即，即gEhggEhc因因c/v，則產(chǎn)生，則產(chǎn)生(chnshng)本征吸收條件本征吸收條件h 普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)(chngsh)；v 光頻率光頻率因此，對于波長大于因此，對于波長大于g的光，能透過半導體，而波長小于的光，能透過半導體，

28、而波長小于g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，圖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，圖為為在室溫在室溫( (20)時時,120m厚的厚的GaAs材料的透射率曲線。材料的透射率曲線。 第19頁/共28頁第二十頁，共28頁。21由圖看出，由圖看出，GaAs在室溫時的本征吸收波長約為在室溫時的本征吸收波長約為880nm左右左右(zuyu)，半導體的吸收光譜與，半導體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導體材料的有關(guān)，而半導體材料的Eg隨溫度的不同而不同，隨溫度的不同而不同，Eg與溫度與溫度t的關(guān)系可表示為的關(guān)系可表示為 ttEtEgg20式中：式中：E

29、g（0）絕對零度絕對零度(judu lngd)時半導體的禁帶寬度；時半導體的禁帶寬度； 經(jīng)驗常數(shù)經(jīng)驗常數(shù)(eVK)；經(jīng)驗常數(shù)經(jīng)驗常數(shù)(K)。 8508009 009 501 0 00010203040t=20波長(bchng)/nm砷化鎵的光譜透射率曲線砷化鎵的光譜透射率曲線透射率( %) eVEg522. 10 對于對于GaAs材料，由實驗得到材料，由實驗得到 =5.810-4eV/K =300K第20頁/共28頁第二十一頁，共28頁。22由此可見，半導體材料的由此可見，半導體材料的EgEg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長gg隨溫度上升而增大。反映在半

30、導體的透光特性隨溫度上升而增大。反映在半導體的透光特性(txng)(txng)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g(t)g(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。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T1T20P=0P0( a ) 傳 感 器 結(jié) 構(gòu)(jigu) ( b ) 探 頭 截 面(jimin)結(jié)構(gòu) (c)測量原理PI2I1I02(外圈)1 (內(nèi)圈)I1I0I2I1I0I2

31、I1I0I23 (輸入)第24頁/共28頁第二十五頁，共28頁。26可見，輸出光強比可見，輸出光強比I2Il與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。 將上式兩邊取對數(shù)且滿足將上式兩邊取對數(shù)且滿足(Ap)21時時,等式右邊展開后取第一項，得到等式右邊展開后取第一項，得到(d do)這表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將這表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到(d do)線

32、性的輸出。線性的輸出。 若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為若選用的光纖束中每根光纖的芯徑為70m,包層厚度為包層厚度為3.5m,纖芯和包層折射率分別為纖芯和包層折射率分別為1.52和和1.62,則該傳感器可獲得則該傳感器可獲得115dB的動態(tài)范圍的動態(tài)范圍,線性度為線性度為0.25。采用不同的尺寸、材料的膜片。采用不同的尺寸、材料的膜片,即可獲得不同的測量范圍。即可獲得不同的測量范圍。 ApApII1112ApII2ln12兩束輸出兩束輸出(shch)光的光強之比為光的光強之比為A與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)(yugun)的常數(shù)；的常數(shù)；p待測量壓力。待測量壓力。第25頁/共28頁第二