第五章光纖傳感器

1、1光纖傳感器光纖傳感器FOS(Fiber Optical Sensor)是是2020世紀(jì)世紀(jì)7070年代年代發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。它是光纖和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感和光通信技術(shù)迅速發(fā)展的產(chǎn)物，它與以電為基礎(chǔ)的傳感器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器器有本質(zhì)區(qū)別。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體用光作為敏感信息的載體，用光纖作為用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。 電絕緣；電絕緣； 抗電磁干擾抗電磁干擾 高電壓大電流，強(qiáng)磁場噪聲高電

2、壓大電流，強(qiáng)磁場噪聲,強(qiáng)輻射；強(qiáng)輻射； 非侵入性；非侵入性； 高靈敏度高靈敏度; 容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第六節(jié)光纖傳感器第六節(jié)光纖傳感器23 發(fā)光二極發(fā)光二極管產(chǎn)生多管產(chǎn)生多種顏色的種顏色的光線，通光線，通過光導(dǎo)纖過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到維傳導(dǎo)到東方明珠東方明珠球體的表球體的表面。在計面。在計算機(jī)控制算機(jī)控制下，可產(chǎn)下，可產(chǎn)生動態(tài)圖生動態(tài)圖案。案。4一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本

3、原理一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)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(dǎo)光的基一般采用波動理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而折射率變化緩慢的空間折射率變化緩慢的空間, ,可以用可以用“光線光線”即即幾何光學(xué)幾何光學(xué)的方的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象法來分析光波的傳播現(xiàn)象, ,這對于光纖中的這對于光纖中的多模光纖多模光纖是完是完全適用的。為此全適用的。為此, , 采用幾何光學(xué)的方法來分析。采用幾何光學(xué)的方法來分析。 1 1、斯乃爾定理、斯乃爾定理（Snells LawSnells Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)

4、當(dāng)光由光密物質(zhì)( (折射率大折射率大) )入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射，如圖，其折射角大于入射角，即如圖，其折射角大于入射角，即n n1 1n n2 2時，時，r ri i。 n1n2ri光的折射示意圖 可見，入射角可見，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(xué)關(guān)系為之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sini=n2sinr 5當(dāng)當(dāng)ii0并繼續(xù)增大時，并繼續(xù)增大時，r90 ，這時便發(fā)生全反射，這時便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖，其出射光不再折射而全部反射回來?，F(xiàn)象，如圖，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：式中：i0臨界角臨

5、界角i0=arcsin(n2/n1) sini0=n2/n1 sinrsin90 1n1n2ri 光全反射示意圖n1n2ri 臨界狀態(tài)示意圖 當(dāng)當(dāng)r=90 時，時，i仍仍90，此時，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D，稱為臨界狀態(tài)。這時有臨界狀態(tài)。這時有6 2 2、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯( (纖芯纖芯) )和玻璃包皮和玻璃包皮( (包包層層) )兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)以及護(hù)套組成。兩個同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)以及護(hù)套組成。 纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率心折射率

6、n1比包層折射率比包層折射率n2稍大些兩層之間形成良好稍大些兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個界面上反射傳播。的光學(xué)界面，光線在這個界面上反射傳播。 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)7光的全反射實驗光的全反射實驗 8 3 3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NANA入射光線入射光線AB與纖維軸線與纖維軸線OO相交角為相交角為i，入射后折射，入射后折射( (折折射角為射角為j) )至纖芯與包層界面至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線點(diǎn)界面法線DE成成k角，并由界面折射至包層，角，并由界面折射至包層，CK與與DE夾角為夾角為r。則。則n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr

7、sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr 因因j=90 k 所以所以 jikrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖光纖導(dǎo)光示意圖KKkinnnnnn2010101sin1cos)90sin(sinrrinnnnnnn22221021201sin1sin1sinn0為入射光線為入射光線AB所在所在空間的折射率，一般空間的折射率，一般為空氣，故為空氣，故n1，nl為纖芯折射率，為纖芯折射率，n2為包為包層折射率。當(dāng)層折射率。當(dāng)n=1時時9上式上式sini0為為“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑” NA(NumericalAperture)。由于由于n1與與n2相差較小，即相差較

8、小，即n1+n22n1,故又可因式分解為故又可因式分解為 rinn22221sinsin22210sinnni2sin10ni=(n1-n2)/n1稱為相對折射率差稱為相對折射率差 當(dāng)當(dāng)r=90的臨界狀態(tài)時，的臨界狀態(tài)時，i=i0當(dāng)當(dāng)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的的光線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；相反光線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；相反, ,只有入射只有入射角角iarcsinNA的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播。當(dāng)當(dāng)r=90時時當(dāng)當(dāng)r90時，光線發(fā)

9、生全反射，則時，光線發(fā)生全反射，則sini0=NA i0=arcsin NAii0=arcsin NA10（1）傳播損耗）傳播損耗光纖纖芯材料和包層物質(zhì)的吸收、散射、畸變，以及光纖纖芯材料和包層物質(zhì)的吸收、散射、畸變，以及光纖彎曲處的輻射損耗等光纖彎曲處的輻射損耗等, 它表示光強(qiáng)度相對衰減與光它表示光強(qiáng)度相對衰減與光纖長度的關(guān)系。纖長度的關(guān)系。（2）光纖模式）光纖模式是光波沿光纖傳播的途徑和方式。是光波沿光纖傳播的途徑和方式。 （3）色散）色散表征光纖傳輸特性的一個重要參數(shù)，在光纖通訊中反表征光纖傳輸特性的一個重要參數(shù)，在光纖通訊中反映傳輸帶寬，影響通訊信息的容量和質(zhì)量。映傳輸帶寬，影響通訊信

10、息的容量和質(zhì)量。多模色散多模色散 材料色散和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散材料色散和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)色散 （4）光纖強(qiáng)度）光纖強(qiáng)度 11二、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)變?yōu)榭梢噪姙榛A(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的裝置。見圖測的電信號的裝置。見圖(a)。光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號光纖傳感器是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。見圖的裝置。見圖(b)。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）光纖傳感器信號處理信

11、號處理電電 源源信號接收信號接收敏感元件敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線導(dǎo)線可見可見,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，在測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以測量原理上有本質(zhì)的差別。傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)機(jī)電測量電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量光學(xué)測量為基礎(chǔ)。為基礎(chǔ)。12光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外到極遠(yuǎn)紫外線的線的10nm。它的。它的物理作用物理作用和和生物化學(xué)作用生物化學(xué)作用主要因其中的主要因其中的電場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電電

12、場而引起。因此，討論光的敏感測量必須考慮光的電矢量矢量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构獾目梢?，只要使光的強(qiáng)度強(qiáng)度、偏振態(tài)偏振態(tài)( (矢量矢量A的方向的方向) )、頻率頻率和和相位相位等參量之一隨被測量狀態(tài)的變化而變化，或受被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(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻測量調(diào)制，那么，通過對光的強(qiáng)度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量的率調(diào)制或相位調(diào)制等進(jìn)行解調(diào)，獲得所需要的被測量的信息。信息。 tAEsi

13、n13傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非 干 涉 型 強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場電場、電壓、溫度振動、

14、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c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14 （1 1）按光纖在傳感器中的作用）按光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為光纖傳感器分為功能型功能型、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大類。三大類。 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 （Function Fibre Optil Sensor）利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用

15、對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特或特殊光纖殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素素(彎曲、相變彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等振態(tài)等)的變化來實現(xiàn)的變化來實現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。因此，的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器15 2 2）非功能型（或

16、稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器 NFF（Non-Function Fibre Optil Sensor）光纖僅起導(dǎo)光作用，只光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳傳”不不“感感”，對外界信息的，對外界信息的“感覺感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成, ,光纖光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈，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。敏度要求不太高的場合。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

17、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，接收由用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。纖溫度傳感器等。 信號信號處理處理光受光受信器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合器耦合器被測對象被測對象16 （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)制形式形式：形式：強(qiáng)度調(diào)制型強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制偏振調(diào)制、頻率調(diào)制頻率調(diào)制、相位調(diào)制相位調(diào)制。 1 1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是

18、一種利用被測對象的變化引起敏感元件的是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率折射率、吸收吸收或或反射反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。有利用光纖的感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗微彎損耗；各物質(zhì)的；各物質(zhì)的吸吸收特性收特性；振動膜或液晶的；振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物種粒子射線或化學(xué)、機(jī)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來構(gòu)成壓力、振動、溫度、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(qiáng)度調(diào)制型光

19、纖傳感器。位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。：結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大：受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大 。17 2 2）偏振調(diào)制光纖傳感器）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光是一種利用光偏振態(tài)偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳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(yīng)做成感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)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)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光播的泡

20、爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、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、振動等傳感器。這類傳感器雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高?？梢员苊夤庠磸?qiáng)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 是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動物體反來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。有利用運(yùn)動物體反射光和散射光的射光和散射光的多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng)

21、的光纖速度、流速、振動、的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散喇曼散射射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用以及利用光致發(fā)光光致發(fā)光的溫度傳感器等。的溫度傳感器等。 18 4 4）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器 其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作其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，用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條

22、紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來涉條紋發(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。確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電利用磁致伸縮效應(yīng)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（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精

23、度檢測系統(tǒng)，因此成本高。特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。 19三、光纖傳感器的應(yīng)用三、光纖傳感器的應(yīng)用 （一）溫度的檢測（一）溫度的檢測 光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。 1 1、遮光式光纖溫度計、遮光式光纖溫度計 下圖為一種簡單利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開下圖為一種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，溫度設(shè)定值靈活可變。關(guān)。用于對設(shè)定溫度的控制，溫度設(shè)定值靈活可變。 1234水銀柱式光纖溫度開關(guān)1 浸液 2 自聚焦透鏡 3 光纖 4 水銀20 下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計。當(dāng)下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖

24、溫度計。當(dāng)溫度升高時，雙金屬片的變形量增大，帶動遮光板在垂溫度升高時，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(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的直方向產(chǎn)生位移從而使輸出光強(qiáng)發(fā)生變化。這種形式的光纖溫度計能測量光纖溫度計能測量1050的溫度。檢測精度約為的溫度。檢測精度約為0.5。它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動的影響，且響它的缺點(diǎn)是輸出光強(qiáng)受殼體振動的影響，且響應(yīng)時間較長，一般需幾分鐘。應(yīng)時間較長，一般需幾分鐘。 光源接收熱雙金屬式光纖溫度開關(guān)121 遮光板 2 雙金屬片21 2 2、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器 當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時，低于某個特定波當(dāng)一

25、束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時，低于某個特定波長長g的光將被半導(dǎo)體吸收的光將被半導(dǎo)體吸收,而高于該波長的光將透過半而高于該波長的光將透過半導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的導(dǎo)體。這是由于半導(dǎo)體的本征吸收引起的,g稱為稱為半導(dǎo)半導(dǎo)體的本征吸收波長體的本征吸收波長。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收。電子從價帶激發(fā)到導(dǎo)帶引起的吸收稱為稱為本征吸收本征吸收。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時,電電子吸收光能從價帶躍遷入導(dǎo)帶子吸收光能從價帶躍遷入導(dǎo)帶,顯然顯然,要發(fā)生本征吸收要發(fā)生本征吸收,光光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即，即gEhggEhc

26、因因c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件，則產(chǎn)生本征吸收條件h 普朗克常數(shù)；普朗克常數(shù)；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(dǎo)體，而波長的光，能透過半導(dǎo)體，而波長小于小于g的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料的光將被半導(dǎo)體吸收。不同種類的半導(dǎo)體材料具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 長 ， 圖具 有 不 同 的 本 征 吸 收 波 長 ， 圖 為為 在 室 溫在 室 溫 ( ( 2 0 ) )時時,120m厚的厚的GaAs材料的透射率曲線。材料的透射率曲線。 22由圖看出，由圖看出，GaAs在室溫時在室溫時的 本 征 吸 收 波 長 約 為的 本 征 吸 收 波

27、長 約 為880nm左右左右，半導(dǎo)體的吸，半導(dǎo)體的吸收光譜與收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的體材料的Eg隨溫度的不同隨溫度的不同而不同，而不同，Eg與溫度與溫度t的關(guān)系的關(guān)系可表示為可表示為 ttEtEgg20式中：式中：E Eg g（0 0）絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度；絕對零度時半導(dǎo)體的禁帶寬度； 經(jīng)驗常數(shù)經(jīng)驗常數(shù)(eVeVK K)；經(jīng)驗常數(shù)經(jīng)驗常數(shù)(K)(K)。 850800900 950 1000010203040t=20波長/nmGaAs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 =300

28、K23由此可見，半導(dǎo)體材料的由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長本征吸收波長g隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的隨溫度上升而增大。反映在半導(dǎo)體的透光特性上，即當(dāng)溫度升高時，其透射率曲線將向長波透光特性上，即當(dāng)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(dǎo)體的方向移動。若采用發(fā)射光譜與半導(dǎo)體的g(t)相匹配的相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1T20P=0P0(a)傳感器結(jié)構(gòu) (b)探頭截面結(jié)構(gòu) (c)測量原

29、理PI2I1I02(外圈)1 (內(nèi)圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23 (輸入)27可見，輸出光強(qiáng)比可見，輸出光強(qiáng)比I2Il與膜片的與膜片的反射率反射率、光源強(qiáng)度光源強(qiáng)度等等因素均無關(guān)，因而可有效地消除這些因素的影響。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,等式右邊展開后等式右邊展開后取第一項，得到取第一項，得到這表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的這表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性對數(shù)呈線性關(guān)系。因此，關(guān)系。因此，若將若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出?？傻玫骄€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,包層厚度包層厚度為為3.5m,纖芯和包層折射率分纖芯和包層折射率分別為別為1.52和和1.62, ,則該傳感則該傳感器可獲得器可獲得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。采用不同的尺寸、材料的膜片的尺寸、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。 ApApII1112ApII2ln12兩束輸出光的光強(qiáng)之比為兩束輸出光的光強(qiáng)之比為A與膜片尺寸、材料及輸