感測技術(shù)--ch2-3

1、2.2 紅外光傳感器紅外光傳感器紅外輻射紅外輻射紅外光傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)紅外光傳感器工作原理與結(jié)構(gòu)紅外光傳感器的應(yīng)用紅外光傳感器的應(yīng)用 紅外輻射的本質(zhì)是熱輻射，一個(gè)熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強(qiáng)。紅外光的本質(zhì)與可見光或電磁波性質(zhì)一樣。 紅外光在大氣中傳播時(shí)，大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶，紅外線氣體分析器就是利用該特性工作的。而紅外線在通過大氣層時(shí)，有三個(gè)波段透過率高，它們是22.6m、35 m和814 m，統(tǒng)稱它們?yōu)椤按髿獯翱凇薄＿@三個(gè)波段對紅外探測技術(shù)特別重要，因此紅外探測器一般都工作在這三個(gè)波段（大氣

2、窗口）之內(nèi)。 紅外傳感器一般由光學(xué)系統(tǒng)、 探測器、信號(hào)處理電路及顯示單元等組成。 紅外探測器是紅外傳感器的核心。紅外探測器是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現(xiàn)的物理效應(yīng)來探測紅外輻射的。紅外探測器的種類很多，按探測機(jī)理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。 熱探測器的工作機(jī)理是：利用紅外輻射的熱效應(yīng)，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使某些有關(guān)物理參數(shù)發(fā)生相應(yīng)變化，通過測量物理參數(shù)的變化來確定探測器所吸收的紅外輻射。 熱探測器主要有四類：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。其中，熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高， 頻率響應(yīng)最寬，所以這種探測器倍受重視，發(fā)展很快。這里我們主要

3、介紹熱釋電型探測器。 熱釋電型紅外探測器是根據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的，即電石、 水晶、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產(chǎn)生溫度變化時(shí)，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化， 在其兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。用此效應(yīng)制成的“鐵電體”， 其極化強(qiáng)度（單位面積上的電荷）與溫度有關(guān)。 熱釋電效應(yīng)及其傳感器熱釋電效應(yīng)：鐵電晶體存在自發(fā)極化，溫度不變下晶體表面極化電荷不變，它吸附空氣中的符號(hào)相反電荷達(dá)到平衡。當(dāng)晶體吸收紅外光而溫度生高 時(shí)，極化強(qiáng)度減小，釋放 一定的吸附電荷，若與一 電阻連接成回路會(huì)形成電 流。因溫度變化引起自發(fā) 極化強(qiáng)度變化而釋放吸附 電荷的現(xiàn)象稱熱釋電效應(yīng)-+R若極化電荷如圖所示，確定電阻

4、上的電流方向若鐵電晶體的溫度不變求電阻上電流大小方向當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片表面上時(shí)引起薄片溫度升高，則負(fù)載電阻上便產(chǎn)生一個(gè)電信號(hào)輸出。輸出信號(hào)的強(qiáng)弱取決于薄片溫度變化的快慢，反映入射的紅外輻射的強(qiáng)弱，熱釋電型紅外傳感器的電壓響應(yīng)率正比于入射光輻射率變化的速率。 ps ：極化強(qiáng)度，單位面積上極化電荷，C/cm2 ； ps /dT：鐵電晶體的熱釋電系數(shù)； dT/dt：與紅外線強(qiáng)度成正比，所以輸出信號(hào) 正 比紅外線強(qiáng)度；dtdTdTdpSRRdtSpdRdtdqIRUss)(U熱釋電傳感器的結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)：雙元型紅外線傳感器主要有：敏感元件、場效應(yīng)管、高阻抗變換管、濾光窗等。敏感元

5、件：2個(gè)極性相反熱釋電單元，可以抵抗可見光、大部分紅外線干擾，只對運(yùn)動(dòng)人體敏感場效應(yīng)管和高阻抗變換管：用于阻抗變換和信號(hào)放大濾光窗：在一塊玻璃上鍍的多層濾光薄膜，對陽光、電 燈光抗干擾，僅對人體發(fā)出的紅外線(7-14微米)最敏感 自然界任何高于0K的物體都將產(chǎn)生紅外光譜，溫度不同對應(yīng)的紅外線波長也不同。人體都有恒定的體溫，一般為37度，發(fā)出10微米左右的特定波長紅外線。菲涅爾透鏡：增大熱釋電傳感器的探測距離，是一組透鏡，每個(gè)只有一個(gè)不大的視場，且相鄰視場不連續(xù)都相隔一個(gè)盲區(qū)。當(dāng)人體在具有此透鏡的傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)移動(dòng)時(shí)，形成一個(gè)不斷交替變化的盲區(qū)和亮區(qū)使敏感單元的溫度不斷變化在熱釋電紅外傳感器中

6、有兩個(gè)關(guān)鍵性的元件，一個(gè)是熱釋電紅外敏感單元(PIR)，它能將波長為8一12um之間的紅外信號(hào)變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，并能對自然界中的白光信號(hào)具有抑制作用，在探測器的警戒區(qū)內(nèi)，當(dāng)無人體移動(dòng)時(shí)，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的只是背景溫度，當(dāng)人體進(jìn)人警戒區(qū)，通過菲涅爾透鏡，熱釋電紅外感應(yīng)器感應(yīng)到的是人體溫度與背景溫度的差異信號(hào)，紅外探測器的紅外探測的基本概念就是感應(yīng)移動(dòng)物體與背景物體的溫度的差異。另外一個(gè)元件是菲涅爾透鏡，有折射式和反射式，作用有兩個(gè)：一是聚焦作用，即將紅外信號(hào)折射（反射）在PIR上，二是將警戒區(qū)內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入警戒區(qū)的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)，這

7、樣PIR就能產(chǎn)生變化的電信號(hào)。 PIR：Pyroelectric Infrared，熱電紅外感應(yīng)開關(guān)的主要元件是一片新型熱釋電紅外探測模塊HN911L和一只MOS管。HN911L內(nèi)電路包括高靈敏度紅外傳感器、放內(nèi)電路包括高靈敏度紅外傳感器、放大器、信號(hào)處理電路、輸出電路等大器、信號(hào)處理電路、輸出電路等。熱釋電紅外傳感器遙測移動(dòng)人體發(fā)出的微熱紅外線信號(hào)，送入HN911L，在輸出端得到放大后的電信號(hào)。MOS場效應(yīng)管輸入阻抗極高，接在柵源間的電容充電后，電容電壓可保持很長時(shí)間，在此期間，MOS管導(dǎo)通。利用這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)延時(shí)功能。本開關(guān)電路原理如附圖所示。Cl對220V市電降壓，VSl、VS2對負(fù)半

8、波旁路，對正半波削波穩(wěn)壓，經(jīng)VDl整流、C2濾波后得到12V直流電壓。12V電壓除為三極管Vl供電外，經(jīng)R2降壓、VS3穩(wěn)壓、C3濾波后得到6V電壓作為ICl電源。當(dāng)ICl未探測到紅外信號(hào)時(shí)，輸出端第腳為高電平。V1無基極偏置而截止，V2亦截止，燈泡EL不亮。有人進(jìn)入樓道口時(shí)，移動(dòng)人體發(fā)出的紅外線被紅外傳感器接收，經(jīng)ICl處理后，第腳輸出低電平，V1導(dǎo)通。12V直流電壓經(jīng)Vl、VD3給電容C4充電，V2迅速飽和導(dǎo)通，燈泡EL點(diǎn)亮。人走過后，ICl的第腳恢復(fù)高電平。V1截止。這時(shí)，C4放電期間仍維持V2繼續(xù)導(dǎo)通。隨著C2上電壓的下降，V2由飽和區(qū)進(jìn)入放大直至截止區(qū)，EL亦相應(yīng)地由亮逐漸變暗直至熄

9、滅。電路中，BPl為ICl的增益調(diào)節(jié)電阻，RP2為照明延時(shí)時(shí)間調(diào)整電位器。CdS為光敏電阻，白天受光照射，電阻極小，使ICl增益極低，其第腳不輸出電平，夜晚CdS阻值很大，ICl恢復(fù)工作。CdS可暴露于燈光下，因?yàn)閂2一旦導(dǎo)通，即使V1立即截止，V2仍可由C4放電來維持工作。 光子探測器光子探測器 光子探測器的工作機(jī)理是：利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學(xué)現(xiàn)象這種現(xiàn)象稱為光子效應(yīng)。根據(jù)所產(chǎn)生的不同電學(xué)現(xiàn)象，可制成各種不同的光子探測器。光子探測器有內(nèi)光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導(dǎo)、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點(diǎn)是

10、靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。 紅外光傳感器的應(yīng)用紅外光傳感器的應(yīng)用1、 紅外測溫儀紅外測溫儀 利用熱輻射體在紅外波段的輻射通量來測量溫度的。 當(dāng)物體的溫度低于1000時(shí)，它向外輻射的不再是可見光而是紅外光了，可用紅外探測器檢測其溫度。 常見的紅外測溫儀方框圖。圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個(gè)固定焦距的透射系統(tǒng)，濾光片一般采用只允許814 m的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)調(diào)制盤轉(zhuǎn)動(dòng)， 將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻

11、射變換為電信號(hào)輸出。 透 鏡濾 光 片紅 外 探 測 器步 進(jìn) 電 機(jī)調(diào) 制 盤溫 度 傳 感 器前 放選 放同 步檢 波加 法 器“”調(diào) 節(jié)線 性 化A / D數(shù) 顯多 諧振 蕩 器放 大目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測溫器， 利用單片機(jī)與軟件的功能，大大簡化了硬件電路， 提高了儀表的穩(wěn)定性、 可靠性和準(zhǔn)確性。 2.3 CCD圖象傳感器圖象傳感器 光固態(tài)圖象傳感器主要有CCD和MOS。CCD是一中以電荷的形式存貯和傳遞信息的半導(dǎo)體表面器件，是在MOS結(jié)構(gòu)電荷存貯器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。 CCD（電荷耦合器件）它將光敏二極管陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。是一種金

12、屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件，它以電荷作為信號(hào), 基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測量，尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。CCD：電荷藕合器件圖像傳感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。CCD由許多感光單位組成，通常以百萬像素為單位。當(dāng)CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有

13、的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 CMOS：互補(bǔ)性氧化金屬半導(dǎo)體CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一樣同為在數(shù)碼相機(jī)中可記錄光線變化的半導(dǎo)體。CMOS的制造技術(shù)和一般計(jì)算機(jī)芯片沒什么差別，主要是利用硅和鍺這兩種元素所做成的半導(dǎo)體，使其在CMOS上共存著帶N（帶電） 和 P（帶+電）級(jí)的半導(dǎo)體，這兩個(gè)互補(bǔ)效應(yīng)所產(chǎn)生的電流即可被處理芯片紀(jì)錄和解讀成影像。然而，CMOS的缺點(diǎn)就是太容易出現(xiàn)雜點(diǎn), 這主要是因?yàn)樵缙诘脑O(shè)計(jì)使CMOS在處理快速變化的影像時(shí)，由于電流變化過于頻繁而會(huì)產(chǎn)生過熱的現(xiàn)象。一、MOS光敏單元光敏

14、單元 CCD器件完成對物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲(chǔ)電荷的功能，同時(shí)還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬氧化物半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。 MOS是在P型硅襯底上生長一層S iO2 ，再在 S iO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元。P-SiA、勢阱的產(chǎn)生、勢阱的產(chǎn)生 MOS的金屬電極加正壓U，電極下的P型硅區(qū)域內(nèi)空穴被排斥而趕走，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其中無導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢阱。勢阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲(chǔ)、電荷的存儲(chǔ) 勢阱具有存儲(chǔ)電荷的功能，勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量

15、與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。 CCD器件將物體的光像形成對應(yīng)的電像時(shí)，就是CCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對應(yīng)的電荷量。二、讀出移位寄存器二、讀出移位寄存器 勢阱下的電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移并傳輸出來。A、電荷的定向轉(zhuǎn)移、電荷的定向轉(zhuǎn)移 當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢阱的深度隨勢阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱的深淺。 要求： 多個(gè)MOS電容緊密排列且勢阱相互溝通。 金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、三相、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)電極的結(jié)構(gòu) MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)

16、相位差120時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。12314 72 5836 9驅(qū)動(dòng)（， ， ）驅(qū)動(dòng)（ ， ， ） （驅(qū)動(dòng) ， ， ）11 231001t 時(shí)刻，為（）， 組電極下形成深勢阱，勢阱中存儲(chǔ)電荷形成電荷包。23121212tt時(shí)刻至 時(shí)刻， 電壓線性減小，為高電平，組電極下的勢阱變淺，組電極下形成深勢阱，電荷從 組電極下逐漸轉(zhuǎn)移到 組電極下。向右移，直至輸出。、依此類推，電荷由勢阱中。電荷逐漸全部移入至Ntt4321243C、電荷的輸出、電荷的輸出 在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸

17、出電流的大小與電荷大小成正比，通過負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵觥?123OGniULR0USiP0I輸出二極管電流法三、線陣電荷耦合器件三、線陣電荷耦合器件線陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖 （1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二極管產(chǎn)生光生電子空穴對，電子注入對應(yīng)的MOS勢阱中，光像變?yōu)殡娤耠姾砂?。（光積分） （2）積分周期結(jié)束，控制信號(hào)使轉(zhuǎn)移柵打開，光生電荷就通過轉(zhuǎn)移柵耦合到移位寄存器中，通過移位寄存器并行輸出。 （3）轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉后，光敏單元開始下一行圖像信號(hào)積分采集。圖7-12 各脈沖的波形和相位四、面陣電荷耦合器件四、面陣電荷耦合器件 光敏區(qū)和存儲(chǔ)區(qū)分開，光敏區(qū)在積分時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生與光像對應(yīng)的電荷包，在積分周期結(jié)束

18、后，利用時(shí)鐘脈沖將整幀信號(hào)轉(zhuǎn)移到讀出寄存器。然后，整幀信號(hào)再向下移，進(jìn)入水平讀出移位寄存器，串行輸出（一幀對應(yīng)光敏區(qū)MOS的數(shù)量） 。光敏區(qū)存儲(chǔ)區(qū)讀出寄存器 CCD圖像傳感器應(yīng)用圖像傳感器應(yīng)用 1、線陣、線陣CCD器件檢測工件尺寸器件檢測工件尺寸(2 )LNdd ML工件尺寸，N覆蓋的光敏單元d相鄰光敏單元中心距離M光學(xué)系統(tǒng)放大率2d為圖象末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差。根據(jù)目前產(chǎn)品情況d0013003mm。2、文字圖像識(shí)別系統(tǒng)、文字圖像識(shí)別系統(tǒng) 郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)。寫有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，

19、傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。 讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)2.4 2.4 光纖傳感器光纖傳感器一、光纖傳感器的基本知識(shí)一、光纖傳感器的基本知識(shí)1、光纖結(jié)構(gòu)、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成（石英玻璃5100um)（n1n2)。外層一層尼龍保護(hù)套。2、傳輸原理、傳輸原理光的全內(nèi)反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件 光由纖芯到包層表面，由光的折射定律。 。時(shí)，光在纖芯中全反射當(dāng)為臨界角此時(shí)全反射

20、時(shí)，CCCCnnnn1221sin90sinsin（2）數(shù)值孔徑NA光由空氣射入光纖端面，與軸成 角。011211sinsinsin(90)cos1 sinnnnnn222102221212210arcsin11sinnnnnnnnnnCC光全反射時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無損耗）傳輸。（。之為數(shù)值孔徑反映光纖聚焦本領(lǐng)，稱2221sin)4 . 02 . 0sinnnNANANACC希望NA越大越好。它表明無論光源發(fā)射功率多大，只有2 內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射傳輸。C光纖分類：按傳輸模式分單模光纖、多模光纖光纖分類：按傳輸模式分單模光纖、多模光纖 模的概念模的概念 光纖傳輸光波

21、，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向往返依次的相位變化為2 的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波。形成駐波的光線組成為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。 模的確定模的確定 光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。/2 rNA（梯度型）（階躍型）光纖傳輸模的總數(shù)為4222NN芯徑大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯徑小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纖只能傳輸一定波長光，單模。按折射率分布：階躍型光纖和梯度型光纖按折射率分布：階躍型光纖和梯度型光纖二、光纖傳感器二、光纖傳感器功能型（傳感型）和非功能型（傳光型）。1、功能型光纖、

22、功能型光纖用單模光纖，既傳光又是敏感元件。（單模光纖只能傳輸某一角度和波長的單色光）光纖的傳輸特性受被測物理量作用而發(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。2、非功能型光纖（光通訊）、非功能型光纖（光通訊）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。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。光纖傳感器光纖傳感器 應(yīng)用應(yīng)用 光強(qiáng)調(diào)制光強(qiáng)調(diào)制相位調(diào)制相位調(diào)制Mach-Zehnder干涉原理圖偏振調(diào)制偏振調(diào)制光纖電流傳感器光纖電流傳感器 三、光纖傳感器三、

23、光纖傳感器 應(yīng)用應(yīng)用 1、 光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器 激光束通過分光板后分為兩束光, 透射光作為參考光束, 反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí), 由于質(zhì)量塊M對上下光纖的作用, 從而使光纖被拉伸, 引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào),(光電探測器置于匯合處） 經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。 由于光纖長度的變化，引起光束光程差的變化)4(4222222211111dSadELmnmaSELnLnLnLnL相位變化為兩束光經(jīng)干涉儀產(chǎn)生相干條紋，相干條紋移過的數(shù)目與相位差成正比

24、。一般用光電探測器計(jì)下干涉條紋移過的數(shù)目，經(jīng)處理電路可算出相位差，即而算出加速度。LLL應(yīng)變LSFE/楊氏模量 由于光纖感受溫度變化時(shí)，光纖的折射率發(fā)生變化，而且因光的熱脹冷縮使長度變化。使光纖的光程差及相位變化。可測溫度和壓力。2、光纖微彎曲位移和壓力傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型）、光纖微彎曲位移和壓力傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型）C光纖微彎對傳播光的影響光纖微彎對傳播光的影響當(dāng)光線射入微彎曲段時(shí)，入射角小于臨界角。此時(shí)，除反射光外，一部分光透射進(jìn)入包層。導(dǎo)致光能的損耗。輸出光強(qiáng)度減小。光纖微彎曲傳感器光纖微彎曲傳感器 2.12 激光傳感器激光傳感器 教學(xué)目的與要求教學(xué)目的與要求：理解激光產(chǎn)生的原理，掌 握激光

25、和激光器的特性，了解激光傳感 器的工作原理與應(yīng)用；重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容：激光傳感器的工作原理難點(diǎn)內(nèi)容難點(diǎn)內(nèi)容：激光產(chǎn)生的原理教學(xué)方法教學(xué)方法：講授法一、一、激光的工作原理激光的工作原理 hEE12 1、光的發(fā)射與光的吸收、光的發(fā)射與光的吸收 光的發(fā)射光的發(fā)射：當(dāng)原子從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷時(shí)，兩能級(jí)之差部分以光子形式發(fā)射出去的現(xiàn)象；光的吸收光的吸收：當(dāng)原子從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，將吸收兩能級(jí)之差部分的光子能量的現(xiàn)象；光的發(fā)射和吸收規(guī)律光的發(fā)射和吸收規(guī)律：兩能級(jí)之差決定發(fā)射和吸收光子的頻率2、光發(fā)射的三種躍遷過程、光發(fā)射的三種躍遷過程1) 自發(fā)輻射自發(fā)輻射：處在高能級(jí)的原子以一定的幾率自發(fā)的向低 能級(jí)躍

26、遷，同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子的過程，a）圖；2 )受激輻射過程受激輻射過程：在滿足兩能級(jí)之差的外來光子的激勵(lì)下，處在高能級(jí)的原子以一定的幾率自發(fā)向低能級(jí)躍遷，同時(shí)發(fā)出另一個(gè)與外來光子頻率相同的光子，b）圖； 兩種輻射過程特點(diǎn)的比較兩種輻射過程特點(diǎn)的比較： 自發(fā)輻射過程自發(fā)輻射過程是隨機(jī)的，發(fā)出一串串光波的相位、傳播方向、偏振態(tài)都彼此無關(guān)，輻射的光波為非相干光； 受激輻射受激輻射的光波，其頻率、相位、偏振狀態(tài)、傳播方向均與外來的光波相同，輻射的光波是相干光。3)受激吸收過程：在滿足兩能級(jí)之差的外來光子的激勵(lì)下，處在低能級(jí)的原子向高能級(jí)躍遷，c）圖 受激輻射與受激吸收過程同時(shí)存在受激輻射與受激吸收過程同時(shí)

27、存在：實(shí)際物質(zhì)原子數(shù)很多，處在各個(gè)能級(jí)上的原子都有，在滿足兩能級(jí)能量之差的外來光子激勵(lì)時(shí)，兩能級(jí)間的受激輻射和受激吸收過程同時(shí)存在。當(dāng)吸收過程占優(yōu)勢時(shí),光強(qiáng)減弱；當(dāng)受激輻射占優(yōu)勢時(shí)，光強(qiáng)增強(qiáng)。 3、粒子數(shù)分布、粒子數(shù)分布 當(dāng)一束光通過具有能級(jí)E1和E2（假定E2E1)的介質(zhì)時(shí)：1) 正常分布：正常分布：高能級(jí)E2上原子數(shù)N2少于低能級(jí)E1上原子數(shù)N1 ， N2/ N11 激活介質(zhì)或增益介質(zhì)：能引起粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布的介質(zhì) 二、激光器的產(chǎn)生條件二、激光器的產(chǎn)生條件1、光學(xué)諧振腔、光學(xué)諧振腔 作用作用：對入射光的頻率、方向選擇，產(chǎn)生極好的 方向性和單色性、高亮度的激光束。 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)反射鏡和增益

28、介質(zhì)組成，這兩個(gè)反 射鏡可以是凸面鏡、凹面鏡或平面鏡,下圖 穩(wěn)定腔穩(wěn)定腔：近軸光線在諧振腔內(nèi)部多次來回反射 時(shí)，光線離軸的高度不會(huì)無限增大，稱此 腔為穩(wěn)定腔。2、外部能量泵浦使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布外部能量泵浦使粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布3、增益介質(zhì)增益介質(zhì) 三、激光器的種類與結(jié)構(gòu)三、激光器的種類與結(jié)構(gòu) 種類分固體激光器、氣體激光器、染料激光器。 固體激光器：以絕緣晶體或玻璃為工作物質(zhì)。少量的過渡金屬離子或稀土離子摻入晶體或玻璃，經(jīng)光泵激勵(lì)后產(chǎn)生受激輻射作用。主要有紅寶石激光器、鈦寶石激光器、半導(dǎo)體激光器。 氣體激光器：如He-Ne激光器、氬離子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等。 染料激光器：采用在適當(dāng)?shù)娜軇┲腥苋胗袡C(jī)染料作為激光器的工作物質(zhì)。 半導(dǎo)體激光器：屬于固體激光器 四、半導(dǎo)體激光二