第七章光電式傳感器

1、第七章：光電式傳感器第七章：光電式傳感器主講人：賈鶴萍主講人：賈鶴萍 光電式傳感器是采用光電式傳感器是采用光電元件光電元件做為檢測元件的傳感器。做為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。電元件進一步將光信號轉換成電信號。 光電傳感器一般由光電傳感器一般由光路、電路和光電元件光路、電路和光電元件三部分組三部分組成。成。 光電元件是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關光電元件是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見光及紫外光輻射）轉鍵元件，它是把光信號（紅外、

2、可見光及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。變成為電信號的器件。實驗實驗鋅板鋅板銅網銅網弧光燈弧光燈紫外光照射時電流計指針發(fā)生偏轉紫外光照射時電流計指針發(fā)生偏轉靈敏電靈敏電流計流計1、光電效應、光電效應光的粒子學說：光可以認為是由具有一定能量的光的粒子學說：光可以認為是由具有一定能量的粒子所組成，而每個光子所具有的能量粒子所組成，而每個光子所具有的能量E與其頻率大與其頻率大小成正比。小成正比。光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為光照射在物體上就可看成是一連串的具有能量為E的粒子轟擊在物體上。的粒子轟擊在物體上。E=hfh普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；f光的頻率（光的頻率

3、（s-1）光電效應：物體吸收能量為光電效應：物體吸收能量為E的光后，轉換為該的光后，轉換為該物體中某些電子的能力，從而產生的電效應。物體中某些電子的能力，從而產生的電效應。光電子：向外發(fā)射的電子。光電子：向外發(fā)射的電子。1）外光電效應）外光電效應 在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應。外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應?；谕夤怆娦墓怆娖骷汗怆姽?、光電倍增管等基于外光電效應的光電器件：光電管、光電倍增管等愛因斯坦假設：一個光子的能量只能給一個電子愛因斯坦假設：一個光子的能量只能給一個電子結論：一個電子要從物體中逸出表面，必

4、須是光子結論：一個電子要從物體中逸出表面，必須是光子能量能量E大于表面逸出功大于表面逸出功A0。逸出表面的電子就具有。逸出表面的電子就具有動能動能Ek0221AhfmvEk0221AhfmvEk光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該光電子能否產生，取決于光子的能量是否大于該物體的電子表面逸出功。這意味著每種物體都有物體的電子表面逸出功。這意味著每種物體都有一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率。一個對應的光頻閾值，稱為紅限頻率。入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比，光強越強意味著入射的管子數(shù)目越多，成正比，光強越強意味著入射的管子數(shù)目越多，逸

5、出的電子數(shù)目就越多。逸出的電子數(shù)目就越多。光電子逸出物體表面具有初始動能。光電子逸出物體表面具有初始動能。1）外光電效應）外光電效應光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。產生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。a）光電導效應）光電導效應 某些半導體，在黑暗環(huán)境中電阻值很高；當光照某些半導體，在黑暗環(huán)境中電阻值很高；當光照射在物體上，在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵射在物體上，在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而加強了導電性能，使電合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，從而加強了導電性能，使電阻值降低。阻值降

6、低?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻?；谶@種效應的光電器件有光敏電阻。2）內光電效應）內光電效應b）光生伏特效應）光生伏特效應 在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢在光線作用下能夠使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。的現(xiàn)象叫做光生伏特效應。 光線照射光線照射PN結時，產生電子空穴對，在阻擋層內結時，產生電子空穴對，在阻擋層內電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側，被光激區(qū)外側，被光激發(fā)的空穴移向發(fā)的空穴移向P區(qū)外側，從而使區(qū)外側，從而使P區(qū)帶正電，區(qū)帶正電，N區(qū)帶負區(qū)帶負電，形成光電動勢。電，形成光電動勢。 基于該效應的光電器件有光電池和

7、光敏二極管、三極管基于該效應的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管2）內光電效應）內光電效應 構造 光電管有真空光電管和充氣光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管或稱電子光電管和離子陽極光電陰極光窗2、光電元件及其特性、光電元件及其特性1）光電管與光電倍增管）光電管與光電倍增管圖圖7-2 光電管的結構圖光電管的結構圖光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰光電管兩類。兩者結構相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陰極裝在玻璃管內壁上，其上涂有光電發(fā)射材

8、料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。的中央。圖圖7-3 光電倍增管的結構圖光電倍增管的結構圖 光電倍增管的玻璃泡光電倍增管的玻璃泡內除裝有光電陰極和光內除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干電陽極外，還裝有若干個光電倍增管極，且在個光電倍增管極，且在光電倍增管極涂有在電光電倍增管極涂有在電子轟擊下可發(fā)射更多次子轟擊下可發(fā)射更多次級電子的材料。級電子的材料。1）光電管與光電倍增管）光電管與光電倍增管構造特性-光電管a）光電特性）光電特性 陽極電流與入射在陰極上光通量之間的關系。陽極電流與入射在陰極上光通量之間的關系。1）光電管與光電

9、倍增管）光電管與光電倍增管b）伏安特性）伏安特性 當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之當入射光的頻譜及光通量一定時，陽極與陰極之間的電壓同光電流的關系。間的電壓同光電流的關系。當陽極電壓比較低時，陰極所當陽極電壓比較低時，陰極所發(fā)射的電子只有一部分到達陽發(fā)射的電子只有一部分到達陽極，其余部分受光電子在真空極，其余部分受光電子在真空中運動時所形成的負電場作用，中運動時所形成的負電場作用，回到陰極?；氐疥帢O。隨陽極電壓的增強，光電流隨之增大。隨陽極電壓的增強，光電流隨之增大。當陰極發(fā)射的電子全部到達陽極時，陽極電流達到當陰極發(fā)射的電子全部到達陽極時，陽極電流達到飽和狀態(tài)飽和狀態(tài)特性-光電管1

10、）光電管與光電倍增管）光電管與光電倍增管光電管的光譜特性光電管的光譜特性c）光譜特性）光譜特性 保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與波長保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與波長之間的關系。之間的關系。 銫氧銀銫氧銀 銻化銫銻化銫 人眼的視覺特征人眼的視覺特征紅限頻率紅限頻率特性-光電管1）光電管與光電倍增管）光電管與光電倍增管光電陰極的靈敏度光電陰極的靈敏度：一個光子射在：一個光子射在陰極上所能激發(fā)的電子數(shù)。陰極上所能激發(fā)的電子數(shù)。特性-光電倍增管倍增系數(shù)倍增系數(shù)M：暗電流：暗電流：由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍

11、有電流。即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流。ncM光電倍增管的靈敏度：光電倍增管的靈敏度：一個光子射一個光子射后，陽極所得到的總電子數(shù)。后，陽極所得到的總電子數(shù)。本底電流：本底電流：光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全屏蔽光的情況下，出現(xiàn)的電流。屏蔽光的情況下，出現(xiàn)的電流。1）光電管與光電倍增管）光電管與光電倍增管 光敏電阻用半導體材料制成光敏電阻用半導體材料制成,沒有極性沒有極性, 純粹是一個純粹是一個電阻器件電阻器件, 使用時既可加直流電壓使用時既可加直流電壓, 也可以加交流電壓也可以加交流電壓構造 圖圖7-5 光敏電阻的結構及表示符號光敏電阻的結構

12、及表示符號 光敏電阻優(yōu)點：靈敏度高，體積小，重量輕，光譜光敏電阻優(yōu)點：靈敏度高，體積小，重量輕，光譜響應范圍寬，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長。響應范圍寬，機械強度高，耐沖擊和振動，壽命長。 缺點：使用時需要有外部電源，同時當有電流通過缺點：使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產生熱的問題。它時，會產生熱的問題。2）光敏電阻）光敏電阻光敏電阻演示 當光敏電阻受到當光敏電阻受到光照時，光照時，光生電子光生電子空穴對增加，阻值減空穴對增加，阻值減小，電流增大。小，電流增大。光敏電阻 光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)光電池是基于光生伏特效應制成的，是自發(fā)電式有源器件。它有較大面積的

13、電式有源器件。它有較大面積的PNPN結，當光照射結，當光照射在在PNPN結上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。結上時，在結的兩端出現(xiàn)電動勢。+-PN構造3）光電池）光電池 硅光電池的制造原理：在硅光電池的制造原理：在N型襯底上制造一薄層型襯底上制造一薄層P型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射型層作為光照敏感面，就構成最簡單的光電池。當入射光子的能量足夠大時，光子的能量足夠大時，P型區(qū)每吸收一個光子就產生一型區(qū)每吸收一個光子就產生一對光生電子對光生電子空穴對，光生電子空穴對，光生電子空穴對的的擴散運動空穴對的的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在型區(qū)，空穴

14、留在P區(qū)，所以區(qū)，所以N區(qū)帶負電，區(qū)帶負電，P區(qū)帶正電。如區(qū)帶正電。如果光照是連續(xù)的，經短暫的果光照是連續(xù)的，經短暫的時間，時間，PN結兩側就有一個穩(wěn)結兩側就有一個穩(wěn)定的光生電動勢輸出。定的光生電動勢輸出。 3）光電池）光電池光電池外形光敏面光敏面3）光電池）光電池 圖圖7-6 光敏二極管光敏二極管 光敏二極管的基本結構也是一個光敏二極管的基本結構也是一個PN結，與一結，與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結結裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于中一般是處于反向反向工作狀態(tài)，如圖所示

15、。工作狀態(tài)，如圖所示。構造4）光敏二極管及光敏三極管）光敏二極管及光敏三極管 當光不照射時：光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時當光不照射時：光敏二極管處于載止狀態(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流即暗電流；形成微小的反向電流即暗電流； 受光照射時：受光照射時：PN結附近受光子轟擊，吸收其能量結附近受光子轟擊，吸收其能量而產生電子而產生電子-空穴對，從而使空穴對，從而使P區(qū)和區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內電場的作用下，用下， P區(qū)的少數(shù)載流子

16、渡越阻擋層進入?yún)^(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，區(qū)， N區(qū)區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過區(qū)，從而使通過PN結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。結的反向電流大為增加，這就形成了光電流。4）光敏二極管及光敏三極管）光敏二極管及光敏三極管 光敏二極管的反向偏置接線及光電特性演示 在沒有光照時，由在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小向電流（暗電流）很小。 當當光照增加光照增加時，時，光電流光電流I與光照度成正與光照度成正比關系。比關系。 光敏光敏二二極管的極管的反向偏反向偏置接法置接法UO+光照光照 圖圖7-7 光敏三

17、極管光敏三極管4）光敏二極管及光敏三極管）光敏二極管及光敏三極管a）光電特性）光電特性 開路電壓開路電壓短路電流短路電流硅光電池硅光電池 指半導體光電元指半導體光電元件產生的光電流與光件產生的光電流與光照之間的關系。照之間的關系。光敏晶體管光敏晶體管5）半導體光電元件的特性）半導體光電元件的特性硒光敏電阻硒光敏電阻b）伏安特性）伏安特性 光敏電阻光敏電阻硅光電池硅光電池 指光電元件的端指光電元件的端電壓與電流之間的關電壓與電流之間的關系。系。光敏三極管光敏三極管5）半導體光電元件的特性）半導體光電元件的特性c）光譜特性）光譜特性 光敏電阻光敏電阻光電池光電池光敏三極管光敏三極管 只有能量大于半

18、導體材只有能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子激發(fā)出光生電子空穴對?？昭▽?。5）半導體光電元件的特性）半導體光電元件的特性 要使光電式傳感器能很好地工作，除了合理要使光電式傳感器能很好地工作，除了合理選用光電轉換元件外，還必須配備合適的光源和選用光電轉換元件外，還必須配備合適的光源和測量線路。測量線路。3 3、光電式傳感器的測量電路及應用、光電式傳感器的測量電路及應用光源光源發(fā)光二極管發(fā)光二極管鎢絲燈泡鎢絲燈泡電弧燈或石英燈電弧燈或石英燈激光激光 光電式傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬式和脈光電式傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬式和脈沖式光電傳感器兩大類。沖式

19、光電傳感器兩大類。1） 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光通量是隨被測量而變，光電流就的光電特性，其光通量是隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運用成為被測量的函數(shù)，故稱為光電傳感器的函數(shù)運用狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射狀態(tài)。它的形式有吸收式、反射式、遮光式和輻射式。式。3 3、光電式傳感器的測量電路及應用、光電式傳感器的測量電路及應用a） 吸收式：吸收式：恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部恒光源發(fā)射的光通量穿過被測物，一部分由被測物吸收，剩余部分投射到光電

20、元件上，分由被測物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。被吸收的光通吸收量決定于被測物的某些參數(shù)。被吸收的光通量與被測物的透明度有關，常用作混濁度計等。量與被測物的透明度有關，常用作混濁度計等。1） 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 b）反射式：）反射式：恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，恒光源發(fā)出的光通量投射到被測物上，然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件然后從被測物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。反射光通量取的輸出反映了被測物的某些參數(shù)。反射光通量取決于反射表面的性質、狀態(tài)和與光源之間的距離，決于反射表面的性質、狀態(tài)和與光源之間的距

21、離，可制成表面粗糙度測試儀等?？芍瞥杀砻娲植诙葴y試儀等。1） 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 c c） 遮光式：遮光式： 恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件恒光源發(fā)出的光通量在到達光電元件的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量的途中遇到被測物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測物的尺寸。的尺寸。1） 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 d d） 輻射式：輻射式：光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光光源本身是被測物，被測物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)

22、。的某些物理參數(shù)。1） 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 光電數(shù)字式轉速表光電數(shù)字式轉速表 天幕靶天幕靶 脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即通通與與斷斷的開關狀態(tài)，的開關狀態(tài)，所以也稱為光電元件的開關運用狀態(tài)。所以也稱為光電元件的開關運用狀態(tài)。2） 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器 2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉速表工作原理圖光電數(shù)字式轉速表工作原理圖 圖圖(a)是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調是在待測轉速軸上固定一帶孔的轉速調置盤，在調置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏

23、二極置盤一邊由白熾燈產生恒定光，透過盤上小孔到達光敏二極管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放管組成的光電轉換器上，轉換成相應的電脈沖信號，經過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉速由該脈沖頻率決定。 在待測轉速的軸上在待測轉速的軸上固定一個涂上黑白固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，相間條紋的圓盤，它們具有不同的反它們具有不同的反射率。當轉軸轉動射率。當轉軸轉動時，反光與不反光時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收感器件間斷地接收光的反射信號，轉光的反射信號，轉換為電脈沖信號。換為電脈沖信號。2） 脈沖式光

24、電傳感器脈沖式光電傳感器 -光電數(shù)字式轉速表光電數(shù)字式轉速表2） 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器 -天幕靶天幕靶放大器放大器控制機構控制機構 可以用于自動控可以用于自動控制，自動計數(shù)、自動制，自動計數(shù)、自動報警、自動跟蹤等。報警、自動跟蹤等。光控繼電器光控繼電器數(shù)碼相機數(shù)碼相機數(shù)碼相機使用數(shù)碼相機使用CCD光敏器件代光敏器件代替膠卷感光成像其原理就是替膠卷感光成像其原理就是CCD元件的光電效應。元件的光電效應。光電管光電管2） 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器 -其它其它|光導纖維光導纖維|光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理和典型結構和典型結構5 5、光纖傳感器、光纖傳感器1）光導纖維

25、一、光導纖維的結構和傳輸原理一、光導纖維的結構和傳輸原理 中心圓柱體稱為纖芯，由石英玻璃或塑料制中心圓柱體稱為纖芯，由石英玻璃或塑料制成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是成。纖芯外圍的圓筒形外殼稱為包層，通常也是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是由玻璃或塑料制成。包層外面有涂敷層，之外是一層塑料保護外套。一層塑料保護外套。光纖的結構示意圖光纖的結構示意圖 光纖的光纖的導光能力導光能力取決取決于纖芯和包層的性質，于纖芯和包層的性質，機機械強度械強度取決于塑料保護外取決于塑料保護外套。套。一、光導纖維的結構和傳輸原理一、光導纖維的結構和傳輸原理 光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理纖芯的折射

26、率為纖芯的折射率為n1；包層的折射率為；包層的折射率為n2；光纖傳輸?shù)幕A：光纖傳輸?shù)幕A：光的全反射光的全反射發(fā)生全反射的條件發(fā)生全反射的條件?n1n2相對折射率差用相對折射率差用表示表示 =1 n2/ n1 通常通常為為0.0050.14。由由Snell定律定律:1001sinsinnn111100cossinsinnnn12011010sin1cossinnnnn1）光導纖維一、光導纖維的結構和傳輸原理一、光導纖維的結構和傳輸原理 光纖的傳輸原理光纖的傳輸原理 若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反若要使入射光線在纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，入射角應大于等于臨界角即：射，入射角應大

27、于等于臨界角即：121/sinnn12011010sin1cossinnnnn22210212201011sinnnnnnnnc121arcsinnn1）光導纖維一、光導纖維的結構和傳輸原理一、光導纖維的結構和傳輸原理 22210212201011sinnnnnnnn 能使光線在光纖內全反射的最大入射角能使光線在光纖內全反射的最大入射角c c可由可由上式求得，即上式求得，即 NAnnn22210C1sin NA稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當入射光從外稱為光纖的數(shù)值孔徑，它表示當入射光從外部介質射入光纖時，只有入射角小于部介質射入光纖時，只有入射角小于c的光才能在光的光才能在光纖中傳播。纖中傳播。

28、1）光導纖維一、光導纖維的結構和傳輸原理一、光導纖維的結構和傳輸原理 反映了光纖與光源或探測器等元件耦合時的反映了光纖與光源或探測器等元件耦合時的耦合耦合效率效率，只有入射光處于，只有入射光處于c的光錐內的光錐內, 光纖才能導光。光纖才能導光。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。提高，但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。22210C1sinnnnNA數(shù)值孔徑：數(shù)值孔徑：與光纖的幾何尺寸無關，僅與纖芯和包層的折射與光纖的幾何尺寸無關，僅與纖芯和包層的折射率有關。可將率有關。可將NA值做的很大，但橫截面積卻很小，

29、值做的很大，但橫截面積卻很小，使得光纖柔軟且可彎曲。使得光纖柔軟且可彎曲。1）光導纖維二、光導纖維的種類二、光導纖維的種類 1. 按折射變化：按折射變化：階躍型：光導纖維的纖芯與包層間的折射率是突變的。階躍型：光導纖維的纖芯與包層間的折射率是突變的。漸變型漸變型 ：光纖橫截面中心處折射率最大，其值有中：光纖橫截面中心處折射率最大，其值有中心向外逐漸變小，到纖芯邊界邊時變?yōu)榘鼘诱凵渎省Ｐ南蛲庵饾u變小，到纖芯邊界邊時變?yōu)榘鼘诱凵渎省?1）光導纖維 性能較差。容易制造，連接耦合比較方便。性能較差。容易制造，連接耦合比較方便。這種光纖常用于非功能型光纖傳感器。這種光纖常用于非功能型光纖傳感器。二、光導

30、纖維的種類二、光導纖維的種類 2.按其傳輸模式按其傳輸模式 能形成駐波的光線稱為能形成駐波的光線稱為“模?！薄?“模?！笔请x散是離散存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。存在的，某種光纖只能傳輸特定模數(shù)的光。單模光纖：單模光纖：多模光纖：多模光纖： 傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，傳輸性能好，常用于功能型光纖傳感器，與多模傳感器相比線性更好、靈敏度更高和動態(tài)測量與多模傳感器相比線性更好、靈敏度更高和動態(tài)測量范圍更大。但纖芯太小使得制造、連接和耦合很困難。范圍更大。但纖芯太小使得制造、連接和耦合很困難。1）光導纖維 光纖敏感元件光源光源光纖光電元件光電元件測量對象測量對象a). .功能型光纖

31、傳感器功能型光纖傳感器 功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 光纖傳感器按其工作原理來分有：光纖傳感器按其工作原理來分有：功能型和非功能型和非功能型兩大類功能型兩大類。 2）光纖傳感器的工作原理又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結又稱傳感型光纖傳感器，主要使用單模光纖，基本結構原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是構原理如圖所示。光纖在這類傳感器中不僅是傳光元傳光元件件，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的，而且利用光纖本身的某些特性來感知外界因素的變化，所以它又是變化，所以它又是敏感元件敏感元件。 可以分為：可以分為：強度（振幅）調制、相位調制、偏強度（振幅）調制、相位調制、偏振

32、調制、頻率調制和波長調制振調制、頻率調制和波長調制等等 利用被測量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強利用被測量直接或間接地改變光纖中傳輸光的強度，再通過測量光強的變化檢測出被測量的方法，稱度，再通過測量光強的變化檢測出被測量的方法，稱為強度調制。為強度調制。強度調制強度調制a).a).功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 可以分為：可以分為：強度（振幅）調制、相位調制強度（振幅）調制、相位調制等等2）光纖傳感器的工作原理強度調制強度調制- -微彎損耗光強調制微彎損耗光強調制微彎損耗光強調制微彎損耗光強調制 根據(jù)模態(tài)理論，當光纖受力微彎時，一部根據(jù)模態(tài)理論，當光纖受力微彎時，一部分纖芯模式能量會轉化為包層模式能量，通過測量分纖芯模式能量會轉化為包層模式能量，通過測量包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測出被測包層模式能量或纖芯模式能量的變化就能測出被測量。量。2）光纖傳感器的工作原理強度調制強度調制- -利用光纖的吸收特性進行光強調制利用光纖的吸收特性進行光強調制 X X射線、射線、g g射線等輻射會使光纖材料的射線等輻射會使光纖材料的吸收損吸收損耗耗增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強度調制。增加，光纖的輸出功率降低，從而形成強度調制。由于不同材料對不同的射線敏感，因此改變光纖材由于不同材料對