第7章光電器件ppt課件

1、光電式傳感器光電式傳感器 7.1 7.1 光電器件光電器件 7.2 7.2 光纖傳感器光纖傳感器光電器件光電器件外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。外發(fā)射的現(xiàn)象。外光電器件類型外光電器件類型光電管光電管光電倍增管光電倍增管光電管光電管光電管分真空光電管和充氣光電管光電管分真空光電管和充氣光電管惰性氣體惰性氣體光電管陽極用細(xì)長的金屬絲彎成圓形或矩形。光電管陽極用細(xì)長的金屬絲彎成圓形或矩形。當(dāng)陰極受到光線照射時，電子從陰極逸出，在電當(dāng)陰極受到光線照射時，電子從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，形成光電流場作用下被陽極收集

2、，形成光電流I I，該電流及負(fù)，該電流及負(fù)載電阻載電阻RLRL上的電壓將隨光照的強(qiáng)弱而改變，達(dá)到上的電壓將隨光照的強(qiáng)弱而改變，達(dá)到把光信號變化轉(zhuǎn)換為電信號變化的目的。把光信號變化轉(zhuǎn)換為電信號變化的目的。光電倍增管光電倍增管K為陰極，為陰極，D1D4為二次發(fā)射體，稱倍增極，為二次發(fā)射體，稱倍增極，A為為陽極，一般陽極和陰極之間的電壓為陽極，一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩相鄰倍增極之間的電壓為兩相鄰倍增極之間的電壓為50100V。陽極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的陽極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的105105106106倍。倍。內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下

3、，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。動勢的效應(yīng)。分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光敏電阻光敏電阻半導(dǎo)體材料制成一個電阻器件，使用時即可加直流電壓，半導(dǎo)體材料制成一個電阻器件，使用時即可加直流電壓，又可加交流電壓。無光照時，光敏電阻阻值暗電阻又可加交流電壓。無光照時，光敏電阻阻值暗電阻很大，受到一定波長范圍的光照時，它的阻值亮電阻很大，受到一定波長范圍的光照時，它的阻值亮電阻急劇減小，急劇減小， 在玻璃底板上均勻的涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為在玻璃底板上均勻的涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩

4、端裝有金屬電極，金屬電極與引出光導(dǎo)層。半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就是通過引出線端接入電路。線端相連接，光敏電阻就是通過引出線端接入電路。 光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù) 暗電阻：暗電阻： 光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻亮電阻 光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻。此時流過的電流稱為亮電流。阻。此時流過的電流稱為亮電流。 伏安特性伏安特性 在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光 敏

5、電阻兩端的電壓的關(guān)系敏電阻兩端的電壓的關(guān)系 光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性光照特性光照特性 光敏電阻的光照特性是描述光電流光敏電阻的光照特性是描述光電流I I和光照強(qiáng)和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系度之間的關(guān)系 光電流光電流 亮電流與暗電流之間的差值稱為光電流。亮電流與暗電流之間的差值稱為光電流。 光譜特性光譜特性 即光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的即光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系，光敏電阻對入射光的光譜特性具有選擇作用，即關(guān)系，光敏電阻對入射光的光譜特性具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。 對應(yīng)于不同波長，光敏電對應(yīng)于不

6、同波長，光敏電阻的靈敏度是不同的，而阻的靈敏度是不同的，而且不同材料的光敏電阻光且不同材料的光敏電阻光譜響應(yīng)曲線也不同。譜響應(yīng)曲線也不同。 硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常硫化鎘光敏電阻的光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常被用作光度量測量照度計的探頭。被用作光度量測量照度計的探頭。 硫化鉛光敏電阻響應(yīng)與近紅外和中紅外區(qū)，常用做火硫化鉛光敏電阻響應(yīng)與近紅外和中紅外區(qū)，常用做火焰探測器的探頭。焰探測器的探頭。 頻率特性頻率特性 光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化光敏電阻的光電流不能隨著光強(qiáng)改變而立刻變化 溫度特性溫度特性 光敏電阻受溫度影響較大，溫度變化時，影響光敏電阻受溫度影響

7、較大，溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻光敏電阻的光譜響應(yīng)，同時光敏電阻的靈敏度和暗電阻也隨之改變也隨之改變 。光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管 光敏二極管裝在透明的玻璃外殼中，其光敏二極管裝在透明的玻璃外殼中，其PNPN結(jié)裝在管的頂結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光的照射。光敏二極管在電路中一般部，可以直接受到光的照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，當(dāng)沒有光照射時，反向電阻很大，是處于反向工作狀態(tài)，當(dāng)沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流很小。 當(dāng)光線照射在當(dāng)光線照射在PNPN結(jié)上，結(jié)上，PNPN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空結(jié)附近產(chǎn)

8、生光生電子和光生空穴對，它們在穴對，它們在PNPN結(jié)處的內(nèi)電場作用下做定向移動，形成結(jié)處的內(nèi)電場作用下做定向移動，形成光電流。光電流。 光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時處于導(dǎo)通狀態(tài)。處于導(dǎo)通狀態(tài)。 光敏晶體管與一般晶體管相似它的發(fā)射極一邊做得很大，光敏晶體管與一般晶體管相似它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出以擴(kuò)大光的照射面積，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)光照射在集電結(jié)時就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子線，當(dāng)光照射在集電結(jié)時就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子空穴空穴對，便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，使對

9、，便會有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，使RCERCE急劇減小。急劇減小。 基本特性基本特性 光譜特性光譜特性 光敏管的光譜特性是指在一定的照度時，輸光敏管的光譜特性是指在一定的照度時，輸出的光電流與入射光波長的關(guān)系。出的光電流與入射光波長的關(guān)系。 在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外線探測時，鍺管較為適宜。紅外線探測時，鍺管較為適宜。 伏安特性伏安特性 當(dāng)光照時，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大當(dāng)光照時，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大。而增大。頻率特性頻率特性 光敏管的頻率特性是指光敏管的輸出電流光敏管的頻率特性是指光敏管的輸出

10、電流或相對靈敏度隨頻率變化的關(guān)系?；蛳鄬`敏度隨頻率變化的關(guān)系。 溫度特性溫度特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。電流與溫度的關(guān)系。 光電池光電池 光電池的工作原理是基于光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)”。它實質(zhì)上。它實質(zhì)上是一個大面積的是一個大面積的PNPN結(jié)，當(dāng)光照射在結(jié)，當(dāng)光照射在PNPN結(jié)的一個面，在結(jié)結(jié)的一個面，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。電場的作用下，最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。 基本特性基本特性 光譜特性光譜特性 光電池對不同波長的光靈敏度是不同的。光電池對不同波長的

11、光靈敏度是不同的。 光照特性光照特性 光電池在不同光照度下，其光電流和光生光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的電動勢是不同的 。頻率特性頻率特性 硅光電池有較好的頻率響應(yīng)硅光電池有較好的頻率響應(yīng) 。溫度特性溫度特性 光電池的溫度特性是描述光電池的開路電光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。壓和短路電流隨溫度變化的情況。 光電耦合器件是由發(fā)光元件如發(fā)光二極管和光電光電耦合器件是由發(fā)光元件如發(fā)光二極管和光電接收元件合并使用接收元件合并使用, , 以光作為媒介傳遞信號的光電器以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二件。光電耦

12、合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管極管, , 光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同，又可分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物分為用于實現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。體的光電開關(guān)。光電耦合器件光電耦合器件 光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi), , 一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。 耦合器常見的組耦合器常見的組合形式如下圖合形式如下圖光電耦合器光電耦合器

13、圖圖(a)(a)所示的組合形式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低所示的組合形式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低, , 且輸出電流較且輸出電流較大大, , 可達(dá)可達(dá)100 mA, 100 mA, 響應(yīng)時間為響應(yīng)時間為3 34s4s。 圖圖(b)(b)形式結(jié)構(gòu)簡形式結(jié)構(gòu)簡單單, , 成本較低、成本較低、 響應(yīng)時間快響應(yīng)時間快, , 約為約為1s, 1s, 但輸出電流小但輸出電流小, , 在在5050300 A300 A之間。圖之間。圖c c形式傳輸效率高形式傳輸效率高, , 但只適用于但只適用于較低頻率的裝置中。較低頻率的裝置中。 圖圖d d是一種高速、高傳輸效率的新是一種高速、高傳輸效率的新穎器件。對圖中所示無論何種形式穎器

14、件。對圖中所示無論何種形式, , 為保證其有較佳的靈敏為保證其有較佳的靈敏度度, , 都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。 光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器光電耦合器實際上是一個電量隔離轉(zhuǎn)換器, , 它具有它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能抗干擾性能和單向信號傳輸功能, , 廣泛應(yīng)用在電路廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合電器等場合. . 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收接收, , 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換, , 同時加以某種

15、形式的放大同時加以某種形式的放大和控制和控制, , 從而獲得最終的控制輸出從而獲得最終的控制輸出“開開”、 “ “關(guān)關(guān)信號的器件。信號的器件。 光電開關(guān)光電開關(guān)下圖為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖下圖為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖a a是一種透射是一種透射式的光電開關(guān)式的光電開關(guān), , 它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。合的。 當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時, , 會會阻斷光路阻斷光路, , 使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光, , 這樣起到檢測作用。這樣起到檢測作用。圖圖b b是一種反射式的光電

16、開關(guān)是一種反射式的光電開關(guān), , 它的發(fā)光元件它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時交點(diǎn)一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時, , 接接收元件將接收到從物體表面反射的光收元件將接收到從物體表面反射的光, , 沒有物體時沒有物體時則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸觸, , 而且與而且與TTLTTL、MOSMOS等電路容易結(jié)合。等電路容易結(jié)合。 光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作

17、光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測，用作物體檢測， 產(chǎn)品計數(shù)產(chǎn)品計數(shù), , 料位檢測，尺寸控制，料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機(jī)輸入接口等用途。安全報警及計算機(jī)輸入接口等用途。1. 1. 火焰探測報警器火焰探測報警器下圖是采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。下圖是采用硫化鉛光敏電阻為探測元件的火焰探測器電路圖。硫化鉛光敏電阻的暗電阻為硫化鉛光敏電阻的暗電阻為1 M1 M，亮電阻為，亮電阻為0.2 M(0.2 M(光照度光照度 0.01 W/m20.01 W/m2下測試的下測試的) )，峰值響應(yīng)波長為，峰值響應(yīng)波長為2.2m

18、2.2m。硫化鉛光敏。硫化鉛光敏電阻處于電阻處于V1V1管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為管組成的恒壓偏置電路，其偏置電壓約為 6 V6 V，電流約為電流約為 66。V2V2管集電極電阻兩端并聯(lián)管集電極電阻兩端并聯(lián) 68 F68 F的電容，的電容，可以抑制可以抑制100 Hz100 Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。放大器。V2V2、V3V3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動信構(gòu)成二級負(fù)反饋互補(bǔ)放大器，火焰的閃動信號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏號經(jīng)二級放大后送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光

19、敏電阻或長時間使用后，器件阻值的置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不致于影響輸出信號的幅度，變化不致于影響輸出信號的幅度， 保證火焰報警器能長期穩(wěn)保證火焰報警器能長期穩(wěn)定地工作。定地工作。 光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用 2. 2. 光電式緯線探測器光電式緯線探測器 光電式緯線探測器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上，判斷緯線是否光電式緯線探測器是應(yīng)用于噴氣織機(jī)上，判斷緯線是否斷線的一種探測器。下圖為光電式緯線探測器原理電路圖。斷線的一種探測器。下圖為光電式緯線探測器原理電路圖。當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時，紅外發(fā)射管當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時，紅外發(fā)射管VDVD發(fā)出的紅外光，發(fā)出的紅外光，

20、經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路說明緯線已斷。因此利用光電池的輸出信號，通過后續(xù)電路放大、脈沖整形等，控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報警。放大、脈沖整形等，控制機(jī)器正常運(yùn)轉(zhuǎn)還是關(guān)機(jī)報警。為燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。為燃?xì)鉄崴髦械母邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。 在高壓打在高壓打火時，火花電壓可達(dá)一萬多伏，這個脈沖高電壓對電路火時，火花電壓可達(dá)一萬多伏，這個脈沖高電壓對電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器V

21、BVB進(jìn)行電平隔離，大大增強(qiáng)了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓進(jìn)行電平隔離，大大增強(qiáng)了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對打火確認(rèn)針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極打火針對打火確認(rèn)針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，管發(fā)光， 耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通，耦合器中的光敏三極管導(dǎo)通， 經(jīng)經(jīng)V1V1、V2V2、V3V3放大，驅(qū)動強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹捶糯螅?qū)動強(qiáng)吸電磁閥，將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。燃燒?若高壓打火針與打火確認(rèn)針之間不放電，則光電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，耦合器不工作，V1V1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y門關(guān)閉。3. 3. 燃?xì)鉄崴髦?/p>

22、脈沖點(diǎn)火控制器燃?xì)鉄崴髦忻}沖點(diǎn)火控制器下圖是吸收式煙塵濁度檢測儀的組成框圖。為了檢測下圖是吸收式煙塵濁度檢測儀的組成框圖。為了檢測出煙塵中對人體的危害性最大的亞微米顆粒的濁度和出煙塵中對人體的危害性最大的亞微米顆粒的濁度和避免水蒸汽和二氧化碳對光源衰弱的影響，選取和見避免水蒸汽和二氧化碳對光源衰弱的影響，選取和見光作為光源。該光源產(chǎn)生光譜范圍為光作為光源。該光源產(chǎn)生光譜范圍為400400700nm700nm的純的純白熾平行光，要求光照穩(wěn)定。白熾平行光，要求光照穩(wěn)定。4.4.煙塵濁度連續(xù)檢測儀煙塵濁度連續(xù)檢測儀光檢測器選取光譜響應(yīng)范圍為光檢測器選取光譜響應(yīng)范圍為400400600nm600nm

23、的光電管，獲的光電管，獲得隨濁度變化的相應(yīng)電信號。采用具有高增益、高輸入得隨濁度變化的相應(yīng)電信號。采用具有高增益、高輸入阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對電信號阻抗、低零漂、高共模抑制比的運(yùn)算放大器，對電信號進(jìn)行放大。刻度校正被用來進(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿，以保證測進(jìn)行放大?？潭刃Ｕ挥脕磉M(jìn)行調(diào)零與調(diào)滿，以保證測試準(zhǔn)確性。顯示器可以顯示濁度的瞬時值。報警發(fā)生器試準(zhǔn)確性。顯示器可以顯示濁度的瞬時值。報警發(fā)生器由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算方法器輸出的濁度信號超出由多諧振蕩器組成，當(dāng)運(yùn)算方法器輸出的濁度信號超出規(guī)定值時，多諧振蕩器工作，其輸出經(jīng)放大推動喇叭發(fā)規(guī)定值時，多諧振蕩器工作，其輸出經(jīng)放大推動喇叭發(fā)

24、出報警信號。出報警信號。 電冰箱照明燈故障檢測器電路。此電冰箱照明燈故障檢測器電路。此檢測器可檢測電冰箱的照明工作情檢測器可檢測電冰箱的照明工作情況，況，M5232LM5232L、VTVT、C C等組成一個光控等組成一個光控音頻振蕩器，在有光照時，音頻振音頻振蕩器，在有光照時，音頻振蕩器停振，蕩器停振，B B無聲；當(dāng)無光照射時，無聲；當(dāng)無光照射時，音頻振蕩器開始振蕩，音頻振蕩器開始振蕩，B B發(fā)聲。使用發(fā)聲。使用時，只需將檢測器放到冰箱的照明時，只需將檢測器放到冰箱的照明燈下面，關(guān)閉箱門后，燈下面，關(guān)閉箱門后，B B應(yīng)發(fā)聲，如應(yīng)發(fā)聲，如不發(fā)聲，說明照明燈沒有熄滅，可不發(fā)聲，說明照明燈沒有熄滅，

25、可判斷照明電路或照明開關(guān)出故障，判斷照明電路或照明開關(guān)出故障，應(yīng)及時修理。應(yīng)及時修理。5、電冰箱照明燈故障檢測器電路、電冰箱照明燈故障檢測器電路7.2 7.2 光光 纖纖 傳傳 感感 器器光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1 1光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光導(dǎo)纖維簡稱為光纖光導(dǎo)纖維簡稱為光纖, , 目前基本上還是采用石英目前基本上還是采用石英玻璃玻璃, , 中心的圓柱體叫纖芯中心的圓柱體叫纖芯, , 圍繞著纖芯的圓形外層圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制叫做包層。纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率成。纖芯的折射率n1n1略大于包層的折射率略大于

26、包層的折射率n2, n2, 在包層在包層外面還常有一層保護(hù)套外面還常有一層保護(hù)套, , 多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)能力取決于纖芯和包層的性質(zhì), , 而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由保護(hù)套維持。保護(hù)套維持。sinsin10nnisinsin21nni包層2 2光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理 眾所周知眾所周知, , 光在空間是直線傳播的。在光纖中光在空間是直線傳播的。在光纖中, , 光的傳輸限制在光纖中光的傳輸限制在光纖中, , 并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離離, , 光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。

27、 若光纖在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，則界面上的光線臨界折射角 =90，即c2111sin1cos)2sin(1siniiinnnn2121) sin(1nnn)1arcsin(22210nnnci為滿足光在光纖內(nèi)全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入為滿足光在光纖內(nèi)全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的入射角射角i i 應(yīng)滿足應(yīng)滿足 光纖的基本特性1 1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NANA）數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要參數(shù)，即反數(shù)值孔徑是表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光亮的多少。只有入射角處于映光纖接收光亮的多少。只有入射角處于2C 2C 的光椎的光椎角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大，光線便從包

28、層角內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。如入射角過大，光線便從包層逸出而產(chǎn)生漏光。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，逸出而產(chǎn)生漏光。所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值，如石英光纖數(shù)值孔徑一般為如石英光纖數(shù)值孔徑一般為0.20.20.40.4。2 2光纖模式光纖模式一般纖芯的直徑為一般纖芯的直徑為2 212m12m，只能傳輸一種模式的光，只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖。纖稱為單模光纖。 纖芯直徑較大纖芯直徑較大5050100m100m），傳輸模式較多的為多），傳輸模式較多的為多模光纖。這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差模光纖。這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯面積大，故容易制造，連接和耦合比異，但

29、由于纖芯面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。較方便。3 3光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗、散射損耗光纖的傳輸損耗主要來源于材料吸收損耗、散射損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗。和光波導(dǎo)彎曲損耗。 光纖傳感器 1 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光纖傳感器由光源、敏感元件光纖和非光纖的）、光光纖傳感器由光源、敏感元件光纖和非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖組成。探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖組成。 2 2、光纖傳感器的應(yīng)用、光纖傳感器的應(yīng)用 光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。它是一種簡光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如下圖所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光, ,