檢測與傳感第八章(3)

1、檢測與傳感技術(shù)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)第八章 光電式傳感器1. 光電池：光電池：基于內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)原理（光生伏特效應(yīng)）從光譜特性、頻率特性來綜合分析選用的光電池類型，半導(dǎo)體材料。3. 電荷耦合器件（電荷耦合器件（CCD）4. 位置敏感器件位置敏感器件(PSD)坐標(biāo)光電池坐標(biāo)光電池 通過測量輸入輸出電流，計(jì)算入射光的位置 一維：設(shè)置一對(duì)信號(hào)電極，一個(gè)公共電極，求解入射光的位置 二維：設(shè)置相互垂直的兩對(duì)信號(hào)電極，聯(lián)立求解位置2. 光電耦合器件光電耦合器件將發(fā)光元件和光電接收元件結(jié)合的器件（以光為媒質(zhì)，耦合）光電隔離光電隔離：發(fā)光二極管和光敏二極管、發(fā)光二極管和光敏晶體管光電開關(guān)光電開關(guān)：透射

2、式、反射式基本單元是MOS光敏元光敏元?jiǎng)葳鍍?nèi)所吸收的光電子數(shù)量與入射光強(qiáng)成正比的原理，感應(yīng)出入射圖像，主要用于圖像識(shí)別技術(shù)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)上節(jié)內(nèi)容復(fù)習(xí)5. 光纖光纖石英系光纖塑料系光纖（1） 定義（2）分類（3） 特點(diǎn)頻帶寬、損耗低、重量輕、抗干擾能力強(qiáng)、工作性能可靠、溫度影響小、成本低光傳導(dǎo)工具 光纖由纖芯、包層和保護(hù)層三層組成。二二. 光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理光纖結(jié)構(gòu)及其傳光原理1. 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫包層。纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射纖芯的折射率率n1要大于包層的折射率要大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)

3、。 在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料，以增加機(jī)械強(qiáng)度。 光在空間是直線傳播的；在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨著光纖能傳送很遠(yuǎn)的距離，其基本原理就是基于光的全反射全反射。（只產(chǎn)生反射而不產(chǎn)生折射的現(xiàn)象 ）2. 傳光原理傳光原理 當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成i角時(shí)，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后, 又以i角入射至纖芯與包層的界面，光線有一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。 但當(dāng)入射角i小于臨界入射角c時(shí)，光線就不會(huì)透射界面，而全部被反射，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，這就是光纖的傳光原理。（1）傳輸路徑分析 光在兩個(gè)界面

4、上發(fā)生了折射，由光的折射定律可得到兩個(gè)方程： （2）光的全反射條件sinsinsinsin2110nnnnii211112211sinsincos1 sin21siniiinnnnnnn當(dāng)=c=90時(shí)，有 22211sinnnnsinsinsinsin2110nnnnii22012sininnn即：221201arcsincinnn（ 為臨界角）c222101arcsinnnnci一般光纖所處環(huán)境為空氣，則n0=1，這樣上式可表示為 2221arcsinnnci 若要使光在光纖內(nèi)的全反射， 光入射到光纖端面的入射角i應(yīng)滿足 即當(dāng)入射角即當(dāng)入射角 即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)

5、全反射（無損耗）傳輸。芯內(nèi)全反射（無損耗）傳輸。2212arcsininn三三. 光纖的基本特性光纖的基本特性1. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA222101sinnnnNAc 數(shù)值孔徑是表征光纖集光（聚焦）本領(lǐng)的一個(gè)重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。 無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。因此，由NA即可得知有效入射光椎角的范圍。光纖的光纖的NA越大，表明它的集光能力越強(qiáng)越大，表明它的集光能力越強(qiáng)。 一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，光信號(hào)畸變會(huì)增大。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.4。 數(shù)值孔徑（NA）定義

6、為（1）按傳輸模式分：單模光纖、多模光纖2.光纖分類光纖分類 對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。 在光纖中傳播模式太多會(huì)不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。 光纖模式光纖模式是指光波傳播的途徑和方式。是指光波傳播的途徑和方式。只能傳輸一種模式稱為只能傳輸一種模式稱為單模光纖單模光纖 這類光纖的傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困

7、難。 傳輸模式較多稱為傳輸模式較多稱為多模光纖多模光纖 這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。 u 芯徑大到50100m ，多模u 芯徑小到212m，光纖只能傳輸一定波長光，單模（2）按折射率分布：階躍型、漸變型 總結(jié)上述兩種分類形式，實(shí)用的石英光纖（SiO2）主要有三種基本類型： 突變型多模光纖突變型多模光纖（Step-Index Fiber, SIF） 漸變型多模光纖漸變型多模光纖（Graded-Index Fiber, GIF） 單模光纖單模光纖（Single-Mode Fiber, SMF） 相對(duì)于而言，和的纖芯直徑都很大，可以容

8、納數(shù)百個(gè)模式，所以稱為多模光多模光纖纖。三種基本類型的光纖 (a) 突變型多模光纖； (b) 漸變型多模光纖； （c） 單模光纖 橫截面2a2brn折射率分布纖芯包層AitAot(a)輸入脈沖光線傳播路徑輸出脈沖50 m125mrnAitAot(b) 10 m125mrnAitAot(c)3. 光纖傳輸損耗光纖傳輸損耗)/(lg100kmdBPPLi的存在 光信號(hào)減小 限制系統(tǒng)的 一般情況下，在光纖內(nèi)傳輸?shù)碾S變化。設(shè)長度為L(km)的光纖，輸入光功率為Pi，輸出光功率為P0，則（單位dB/km ）為 衡量光纖的損耗可用表示。 材料密度及濃度不均勻 （這種散射與波長的四次方成反比。因此散射隨著波

9、長的縮短而迅速增大。所以可見光波段并不是光纖傳輸?shù)淖罴巡ǘ?，在近紅外波段（11.7m）有最小的傳輸損耗。）（1）散射損耗）散射損耗光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻纖芯和包層界面的不光滑等是光纖的，它決定著光纖損耗的最低理論極限。 （） 光纖傳輸損耗主要來源于材料散射損耗、吸收損耗散射損耗、吸收損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗光波導(dǎo)彎曲損耗。 光波導(dǎo)彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。當(dāng)彎曲半徑大于10cm時(shí)，損耗可忽略不計(jì)。 （3）光波導(dǎo)彎曲損耗）光波導(dǎo)彎曲損耗 目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料的吸收損耗。（

10、由SiO2材料引起的固有吸收和由雜質(zhì)引起的吸收產(chǎn)生的）（2）吸收損耗）吸收損耗單模光纖損耗譜， 示出各種損耗機(jī)理 0.010.050.10.51510501000.81.01.21.41.6實(shí) 驗(yàn)波 導(dǎo) 缺 陷紫 外 吸 收瑞 利 散 射紅 外吸 收波 長 / m損 耗 / (dBkm 1) 因此，與的關(guān)系可以表示為：= +B+CW()+IR()+UV() 4A式中，A為， B為產(chǎn)生的損耗，CW()、 IR()和UV()分別為、和產(chǎn)生的損耗。 光纖損耗譜(a) 三種實(shí)用光纖； (b) 優(yōu)質(zhì)單模光纖 波 長 / m損耗 /( dBkm 1)0.802468100.61.01.21.4 1.680

11、0損耗 / (dBkm 1)波 長 / nm0.0SIFGIFSMF0.51.02.02.53.03.54.01.51000120014001600ab cdeabcde85013001310138015501.810.350.340.400.19nmdB / km(a)(b)1.8、常見光纖的損耗比較圖四四. 光纜光纜 為了保證光纖具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，通常是采用和。 光纖從高溫拉制出來后，要立即用和，除去斷裂光纖，并對(duì)成品光纖用。1. 光纜基本要求光纜基本要求 (a) 緊套； (b) 松套； (c) 大套管； (d) 帶狀線 緊套一次被覆光纖松套大套管一次被覆光纖帶狀線(a)(b)(c)(d

12、) 二次被覆光纖有、和光纖四種，見下圖。 光纜一般由和兩部分組成，有時(shí)在護(hù)套外面加有鎧裝。（1） 纜芯通常包括(或稱芯線)和兩部分。 是光纜的核心，決定著光纜的傳輸特性。 起著承受光纜拉力的作用，通常處在纜芯中心，有時(shí)配置在護(hù)套中。2. 光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜結(jié)構(gòu)和類型光纜的基本型式光纜的基本型式 把松套光纖繞在中心加強(qiáng)件周圍絞合而構(gòu)成。 把被覆光纖放入中心加強(qiáng)件周圍的螺旋形塑料骨架凹槽內(nèi)而構(gòu)成。 把被覆光纖或光纖束放入大套管中， 加強(qiáng)件配置在套管周圍而構(gòu)成。根據(jù)使用條件根據(jù)使用條件可以分為：可以分為： 等。 特種光纜常見的有：電力網(wǎng)使用的(OPGW)， 跨越海洋的，易燃易爆環(huán)境使用的以及各種不同

13、條件下使用的等。 光纜類型的典型實(shí)例光纜類型的典型實(shí)例 (a) 6芯緊套層絞式光纜(架空、管道)；(b) 12芯松套層絞式光纜(直埋防蟻)；(c) 12芯骨架式光纜(直埋)；(d) 648芯束管式光纜(直埋)；(e) 108芯帶狀光纜；(f) LXE束管式光纜(架空、管道、直埋)；(g) 淺海光纜；(h) 架空地線復(fù)合光纜(OPGW)填充油膏緊套光纖中心加強(qiáng)件包帶鋁縱包PE護(hù)層(a)填充繩(聚乙烯)第一單元松套管( 6芯)第二單元松套管( 6芯)包帶皺紋鋼帶PE層尼龍 12外護(hù)層中心加強(qiáng)件填充油膏(b)PE外 護(hù)層皺紋鋼帶塑料骨架中心加強(qiáng)件緊套光纖(c)PE外護(hù)層鋁縱包鋼絲(分散加強(qiáng))高強(qiáng)度塑

14、料光纖束管6 48 芯光纖(d)外護(hù)層金屬加強(qiáng)件塑料繞包帶帶狀光纖單元帶狀線(e)單根金屬加強(qiáng)件高密度 PE護(hù)層開索鄒紋鋼護(hù)套防潮層高強(qiáng)度塑料束管4 48 芯光纖(f)內(nèi)金屬或高強(qiáng)度塑料線光纖光纖或聚乙烯填充線聚乙烯銅管聚乙烯聚丙烯內(nèi)層鋼絲鎧裝外層鋼絲鎧裝(g)隔熱襯材光纖高強(qiáng)度塑料線鋁管鋁扇形體鋁包鋼線(h)光纖塑料起著對(duì)纜芯的機(jī)械保護(hù)和環(huán)境保護(hù)作用，要求具有良好的抗側(cè)壓力性能及密封防潮和耐腐蝕的能力。 護(hù)套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和鋁帶或鋼帶構(gòu)成。 （2）護(hù)套）護(hù)套1. 光纖傳感器的工作原理及組成光纖傳感器的工作原理及組成五五. 光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器原理實(shí)際上是研

15、究外界信號(hào)（溫度、壓力、應(yīng)變、位移、 振動(dòng)、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。 外界信號(hào)可能引起光的光學(xué)性質(zhì)的變化，從而形成不同的調(diào)制。 強(qiáng)度 波長 頻率 相位 偏振態(tài)非功能型光纖傳感器非功能型光纖傳感器（傳光型） 光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率，主要用于光通訊。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。 用單模光纖，既傳光又是敏感元件。光纖的傳輸特性受被測物的物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長、偏振態(tài)）被調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型。測溫度、壓力、位移等。功能型

16、光纖傳感器功能型光纖傳感器（傳感型）光纖傳感器通?？煞譃椋?在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)。 （a） 傳感型； （b） 傳光型 光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖）、光探測器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖。 由光源發(fā)出的光通過源光纖引到敏感元件，被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測量。 （1） 高溫比色溫度儀式中

17、，K1，K2為與 1、 2 有關(guān)的常數(shù)。物體在兩個(gè)特定波長 1、2 上的輻射強(qiáng)度 、 之比與該物體的溫度成指數(shù)關(guān)系1I2ITKeKII/1221/ 只要測出 與 之比，就可算得出物體的溫度 T。1I2I1. 光電池的應(yīng)用光電池的應(yīng)用應(yīng)應(yīng) 用用一一. 光電器件光電器件可以使用光電池制作非接觸測溫的高溫比色溫度儀。1高溫物體 2物鏡 3半反半透鏡 4反射鏡 5目鏡 6觀察者的眼睛 7光闌8光導(dǎo)棒 9分光鏡 10、12濾光片 11、13硅光電池 14、15電流/電壓轉(zhuǎn)換器測溫原理： 比色溫度計(jì)實(shí)物圖（2）光電比色計(jì)1光源，2 透鏡，3 濾色片，4 標(biāo)準(zhǔn)樣品，5 被測樣品，6、7 光電池，8 差動(dòng)放大

18、器，9 指示儀表。 利用光電池作檢測器，來測量通過有色溶液后透射光的強(qiáng)度，從而求出被測物質(zhì)含量的方法叫做光電比色法。基于此而設(shè)計(jì)的儀器叫做光電比色計(jì)。 由于燃?xì)馐且兹?、易爆氣體，所以對(duì)燃?xì)馄骶咧械狞c(diǎn)火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、 可靠。為此電路中有這樣一個(gè)功能， 即打火確認(rèn)針產(chǎn)生火花， 才可以打開燃?xì)忾y門；否則燃?xì)忾y門關(guān)閉， 這樣就保證使用燃?xì)馄骶叩陌踩浴?2. 光電耦合器的應(yīng)用（燃?xì)馄骶咧械拿}沖點(diǎn)火控制器）光電耦合器的應(yīng)用（燃?xì)馄骶咧械拿}沖點(diǎn)火控制器） 在高壓打火時(shí)，火花電壓可達(dá)1萬多伏，這個(gè)脈沖高電壓對(duì)電路工作影響極大， 為了使電路正常工作，采用光電耦合器VB進(jìn)行電平隔離，大大增加了電路抗

19、干擾能力。當(dāng)高壓打火針對(duì)打火確認(rèn)針放電時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光， 耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，經(jīng)V1、V2、V3放大，驅(qū)動(dòng)強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開， 燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。若高壓打火針與打火確認(rèn)針之間不放電，則光電耦合器不工作，V1等不導(dǎo)通， 燃?xì)忾y門關(guān)閉。 燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖燃?xì)鉄崴鞯母邏捍蚧鸫_認(rèn)原理圖 電磁閥里有密閉的腔，腔中間是活塞，兩電磁閥里有密閉的腔，腔中間是活塞，兩面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥面是兩塊電磁鐵，哪面的磁鐵線圈通電閥體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移體就會(huì)被吸引到哪邊，通過控制閥體的移動(dòng)來開啟或關(guān)閉底部的進(jìn)氣孔動(dòng)來開啟或關(guān)閉底部的進(jìn)氣孔 3.

20、CCD圖像傳感器應(yīng)用（圖像傳感器應(yīng)用（工件尺寸檢測）CCD圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng) 根據(jù)光學(xué)幾何原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸的計(jì)算公式：MnpD n覆蓋的光敏像素?cái)?shù)；p像素間距；M倍率。 通過多次測量求平均值，可精確得到被測物體的尺寸。 任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實(shí)現(xiàn)不接觸的在線自動(dòng)檢測的目的。 測量在左右方向移動(dòng)物體的位置 PSD是檢測受光面上點(diǎn)狀光束的強(qiáng)度中心位置的光敏器件。在應(yīng)用時(shí)，PSD的前面設(shè)置聚光透鏡，確保光點(diǎn)進(jìn)入受光面。 例如測量在PSD前面一定范圍內(nèi)左右方向移動(dòng)物體的位置，在移動(dòng)物體上安裝發(fā)光二極管（LED），移動(dòng)物體時(shí)LED通過聚光透鏡在PSD上成像，測量該移

21、動(dòng)點(diǎn)的像即可得到物體移動(dòng)的距離。 4. PSD的應(yīng)用（測距）的應(yīng)用（測距）1. 1. 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器 光纖溫度傳感器也是一種被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。下圖為光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 二二. .光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 半導(dǎo)體的光透過率特性 這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的一般在-100300溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時(shí)間約為2 s。 它的特點(diǎn)是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、時(shí)間響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應(yīng)用。 對(duì)同一波長的光來說，溫度越低，透過率越對(duì)同一波長的光來說，溫度越低，透過率越高，吸收率越低高，吸收率越低 光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道， 當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí)，光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)。測出頻率就可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。 2. 光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器 dvSft式中： v流體流速； d流體中物體的橫向尺寸大?。?St是一個(gè)無量綱的常數(shù) 多模光纖的輸出端會(huì)由于干多模光纖的輸出端會(huì)由于干涉而出