光電式傳感器

1、第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件第二節(jié)第二節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器可見光0.5極遠(yuǎn)紫外0.10.05近紅外遠(yuǎn)紅外150.0110波長/m光波光波：波長為波長為10106nm的電磁波的電磁波可見光：可見光：波長波長380780nm紫外線：紫外線：波長波長10380nm 波長波長300380nm稱為稱為近紫外線近紫外線 波長波長200300nm稱為稱為遠(yuǎn)紫外線遠(yuǎn)紫外線 波長波長10200nm稱為稱為極遠(yuǎn)紫外線極遠(yuǎn)紫外線紅外線：紅外線：波長波長780106nm 波長波長3m（即（即3000nm）以下的稱）以下的稱近紅外線近紅外線 波長超過波長超過3m

2、的紅外線稱為的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線遠(yuǎn)紅外線第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、一、 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 定義：在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),亦稱光電發(fā)射效應(yīng)(光電管、光電倍培管 ). 每個光子的能量：E=h h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js；光的頻率（s-1）=31010cm / s可以看出光的波長越短，頻率越高，光子能量也越大?？梢钥闯龉獾牟ㄩL越短，頻率越高，光子能量也越大。 光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射， 超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電

3、子的動能。根據(jù)能量守恒定理 02021Amvhv式中 m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由上式可知：n當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。n光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。n光電子逸出物體表面具有初始

4、動能mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。二、內(nèi)光電效應(yīng)二、內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)。 1、 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)（光敏電阻）。過程：過程：自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶導(dǎo)帶價帶禁帶Eg Eg24. 1hch為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即 2、 光生伏特效應(yīng) 在光

5、線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)（光電池光電池和光敏二極管、光敏三光敏二極管、光敏三極管）極管）。 勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，便引起光電動勢，這就是結(jié)光電效應(yīng)。以PN結(jié)為例，光線照射PN結(jié)時，設(shè)光子能量大于禁帶寬度Eg，使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，而產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。 側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，則將產(chǎn)生載流子濃度梯度而產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。當(dāng)光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子空穴對時，光

6、照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢?；谠撔?yīng)的光電器件如半導(dǎo)體光電位置敏感器件（PSD）。三、基本概念三、基本概念1、 暗電流 光傳感器接入電路后即使沒有光照射，由于熱電子發(fā)射、場致發(fā)射和晶格振蕩激發(fā)載流子，使電路有電流輸出，此電流稱為暗電流，也稱隨機(jī)電流。fIdN2eI頻帶寬度，暗電流平均值fdI2、響應(yīng)度光傳感器輸出的電壓或電流與光通量之比。SIIR SVVR 3、光譜光傳感器輸出

7、與輸入光波長的關(guān)系曲線。4、等效噪聲功率NEP 即能夠產(chǎn)生于傳感器輸出噪聲電壓或電流相等的入射光的功率大小。反映最小可探測的光的功率。四、外光電效應(yīng)器件四、外光電效應(yīng)器件（一）、光電管及其基本特性（一）、光電管及其基本特性 光1. 1. 結(jié)構(gòu)與工作原理結(jié)構(gòu)與工作原理陽極光窗光電陰極 當(dāng)光照射在陰當(dāng)光照射在陰極上時，中央陽極極上時，中央陽極可以收集從陰極上可以收集從陰極上溢出的電子，在外溢出的電子，在外電場作用下形成電電場作用下形成電流流I。 充氣光電管內(nèi)充有少量的惰性氣體，如氬、氖，當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的過程中，和氣體的原子發(fā)生碰撞使氣體電離。因此增大了光電流，從而使

8、靈敏度增加，但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比例，因而穩(wěn)定性較差。陽極陰極陽極陰極（1 1） 光電管的伏安特性光電管的伏安特性2. 2. 主要性能：主要性能：伏安特性、光照特性、光譜特性 在一定的光照射下，對光電器件的陽極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。40801200.02 lm0.05 lm0.1 lm4321010 M5 M1 M負(fù) 載 線陽極電壓 /V陽極電流 /A真空光電管真空光電管40陽極電流 /A30201020406080 1000.05 lm0.01 lm0.02 lm4 M負(fù) 載 線陽極電壓/V0.015 lm0.025 lm10 M0 充

9、氣光電管的電壓-電流特性不具有真空光電管的那種飽和特性,而是達(dá)到充氣離子化電壓附近時,陽極電流急速上升,如圖所示。急速上升部分的特性就是氣體放大特性,放大系數(shù)為510。充氣光電管的優(yōu)點是靈敏度高,但其靈敏度隨電壓顯著變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差。所以在測試中一般選用真空光電管。充氣光電管充氣光電管: （2） 光電管的光照特性 指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。225507510000.51.52.0/1mIA/ A1.02.51（3）光電管光譜特性 保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光

10、波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。 一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率0，并且強(qiáng)度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。 國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限0=7000，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%30%。它適用于白

11、光光源白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對紫外光源紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為30008500，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。 一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。（二）、光電倍增管及其基本特性（二）、光電倍增管及其基本特性1. 1. 結(jié)構(gòu)和工作原理結(jié)構(gòu)和工

12、作原理入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極 由光陰極、次陰極由光陰極、次陰極(倍增電極倍增電極)以及陽極三以及陽極三部分組成。部分組成。 光陰極是由半導(dǎo)體光電材料銻銫做成；次陰極是在鎳或銅-鈹?shù)囊r底上涂上銻銫材料而形成的，次陰極多的可達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105106倍。2. 2. 主要參數(shù)主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M 如果n個倍增電極的發(fā)射系數(shù)都相同，則倍增系數(shù)M= 因此，陽極電流 I 為 I=i i 光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)為 = I / i =nnn 103 104 105 106255075100125極間電壓/V 放大倍數(shù)（

13、2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度陰極靈敏度：陰極靈敏度：一個光子在光電倍增管的陰極上能夠打出的平均電子數(shù)?？傡`敏度總靈敏度：一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)。 極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會損壞。 （3）暗電流和本底脈沖暗電流：暗電流： 由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。本底電流：本底電流： 如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射

14、而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底本底電流電流具有脈沖形式脈沖形式。 光電倍增管的光照特性與直線最大偏離是3%10131010109107105103101在 4 5 m A處飽和10141010106102光通量/1m陽極電流/ A（4）光電倍增管的光照特性五、內(nèi)光電效應(yīng)器件五、內(nèi)光電效應(yīng)器件（一）、光敏電阻 光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻元件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。1 1、光敏電阻的結(jié)構(gòu)、光敏電阻的結(jié)構(gòu)金 屬 電 極半 導(dǎo) 體玻 璃 底 板電 源檢 流 計RLEI(a)(b)(c)Ra2. 2. 光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的主要

15、參數(shù)和基本特性（1 1）暗電阻、亮電阻、光電流）暗電阻、亮電阻、光電流暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗（無光照射）后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時在給定電壓下流過的電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流。光電流：亮電流與暗電流之差。（2 2）光照特性）光照特性012345I/mA L/lx10002000（3 3）光譜特性）光譜特性 312/m204060801004080120160200240相對靈敏度1硫化鎘2硒化鎘3硫化鉛（4） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏電阻兩端的電壓與電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。5010015020012U

16、/V02040I/ A（5）頻率特性當(dāng)光敏電阻受到脈沖光照射時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達(dá)到穩(wěn)定值，而在停止光照后，光電流也不立刻為零，這就是光敏電阻的時延特性。20406080100I / %f / Hz010102103104硫化鉛硫化鎘（6）溫度特性I / A100150200-50-1030 5010-30T / C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20 C-20 C當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子附近激發(fā)出電子- -空穴對，在空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積區(qū)聚積正電

17、荷，這樣正電荷，這樣N區(qū)和區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。I光 P N1、光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理（二）、光電池（二）、光電池A硼 擴(kuò) 散 層SiO2膜P型 電 極N型 硅 片PN結(jié)電 極AII(a )(b )IU光電池的表示符號基本電路（1 1）光照特性）光照特性開路電壓曲線：光生電動勢與照度之間的特性曲線，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線2. 基本特性L/klx 5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

18、 /VIsc/mA(a) 硅光電池短路電流L/klx0.10.20.30.4 0.50.30.1012345Uoc/VIsc /mA(b)硒光電池開路電壓短路電流02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx 50 10010005000RL=0204060801000.40.60.81.01.20.2I / %12/m(2) (2) 光譜特性光譜特性 1硒光電池2硅光電池（3 3）溫度特性）溫度特性 光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。2004060904060UOC/ mVT / CISCUOCISC / A600400200UOC開路電壓ISC 短路電

19、流硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線1. 光敏二極管 光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)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反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)，如圖所示。PN光光敏二極管符號光敏二極管接線 RL 光PN（三）、光敏二極管和光敏三極管（三）、光敏二極管和光敏三極管2. 光敏三極管 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的倍。 NNPe bc RL EPPN bec（1 1）光譜特

20、性）光譜特性硅鍺相對靈敏度/%入射光/40008000120001600010080604020 0（2 2）伏安特性）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶體管的伏安特性U/V光敏晶體管的光照特性I / AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性 暗電流/mA10 2030 4050 6070T /C25 050光電流/mA100 020030040010 20 30 40 50 60 70 80T/C（4 4）溫度特性）溫度特性（5 5）光敏三極管的頻率特性）光敏三極管的頻率特

21、性 0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光調(diào)制頻率入射光調(diào)制頻率 / HZ相相對對靈靈敏敏度度/%光敏晶體管的頻率特性（四）光電耦合器件（四）光電耦合器件 1. 光電耦合器光電耦合器 光電耦合器的發(fā)光元件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。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。光電接收元件可以是光敏二極管和光敏三極管，也可以是達(dá)林頓光敏管。輸 入輸 出輸 入輸 出(a )(b )輸 入輸 出輸 入輸 出(a )(b )2

22、. 光電開關(guān)光電開關(guān) 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， 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，同時加以某種形式的放大和控制，從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號的器件。發(fā)光元件窗接收元件殼體導(dǎo)線接收元件發(fā)光元件殼體導(dǎo)線(a )(b )反射物發(fā) 光 元 件窗接 收 元 件殼 體導(dǎo) 線接 收 元 件發(fā) 光 元 件殼 體導(dǎo) 線(a )(b )反 射 物第七章 光電式與光導(dǎo)式傳感器 第一節(jié)第一節(jié) 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件第二節(jié)第二節(jié) 光纖傳感器光纖傳感器第二節(jié)第二節(jié) 光光 纖纖 傳傳 感感 器器不受電磁干擾 體積小重量輕 可繞曲靈敏度高 耐腐蝕高絕緣強(qiáng)度 防爆性好集傳感與傳輸于一體 能與

23、數(shù)字通信系統(tǒng)兼容 光纖傳感器能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、加速度、磁、電、 聲和聲和PH值值等70多個物理量的測量，在自動控制、 在線檢測、 故障診斷、安全報警等方面具有極為廣泛的應(yīng)用潛力和發(fā)展前景。 一、一、光纖傳感器光纖傳感器 1. 光纖傳感器的工作原理光纖傳感器的工作原理 光纖傳感器原理實際上是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)光纖傳感器原理實際上是將來自光源的光經(jīng)過光纖送入調(diào)制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光制器，使待測參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（學(xué)性質(zhì)（光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等光的強(qiáng)度

24、、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖送入光探測器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測參數(shù)。調(diào)后，獲得被測參數(shù)。 2. 光纖傳感器的類型光纖傳感器的類型功能型（功能型（Functional FiberFunctional Fiber， 縮寫為縮寫為FFFF）傳感器）傳感器：利用光纖本：利用光纖本身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，又稱為傳感型光纖傳身的某種敏感特性或功能制成的傳感器，又稱為傳感型光纖傳感器；感器；非功能型（非功能型（Non Functional FiberNon Functional Fib

25、er， 縮寫為縮寫為NFFNFF）傳感器）傳感器：光：光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，又稱為傳光型光纖傳感器。件感受被測量的變化，又稱為傳光型光纖傳感器。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖利用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

26、(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?？商岣哽`敏度。信號處理信號處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器 2 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(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。光纖功能依靠

27、其他物理性質(zhì)的功能元件完成。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，接收由被測對象輻射的光或被其用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。輻

28、射式光纖溫度傳感器等。 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3 3、光纖傳感器結(jié)構(gòu)、光纖傳感器結(jié)構(gòu)由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量。得到所期待的被測量。信號處理電 源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器傳統(tǒng)傳感器是以傳統(tǒng)傳感

29、器是以機(jī)機(jī)電測量電測量為基礎(chǔ)為基礎(chǔ)光纖傳感器則以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)干涉型干涉型 4 4、光纖傳感器的分類、光纖傳感器的分類光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測量被測量光纖光纖分類分類傳感器傳感器相位調(diào)相位調(diào)制光纖制光纖傳感器傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)效應(yīng)光彈效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉干涉電流、磁場電流、磁場電場、電壓電場、電壓角速度角速度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、加速度、位移溫度溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa注：注：MM多模；多模；SM單模；單模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功

30、能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類強(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 非非 干涉型干涉型傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖 分類偏振調(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、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖 分類頻率調(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

31、、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb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. 1. 光纖結(jié)構(gòu)光纖結(jié)構(gòu)纖 芯 n1包 層 n2保 護(hù) 層光導(dǎo)纖維簡稱光纖，它是一種特殊結(jié)構(gòu)的光學(xué)纖維，結(jié)構(gòu)如圖所示。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。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)。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。 2 2、光纖導(dǎo)光原理、光纖導(dǎo)光原理n0sini=n1sinj n1sink=n2sinr sini=(n1/n0)sinj sink=(n2/n1)sinr

32、jikrA AB BC CD DE EF FK KO On n0n n2n n1rrinnnnnnn22221021201sin1sin1sin因因j=90k 所以所以“數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑” NA(NumericalAperture)： NA=sini0rinnn222210sinsin1 時22210sinnni當(dāng)當(dāng)r=90的臨界狀態(tài)時的臨界狀態(tài)時表征光纖集光本領(lǐng)的一個重要參數(shù)，即反映光纖接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2i0的光椎角內(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。光纖的NA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

33、提高耦合效率； 但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。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。 3. 3. 光纖模式光纖模式單模光纖：纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式。這類光纖的傳輸性能好，信號畸變小，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難。多模光纖：纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式較多。 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。 光是一種電磁波，電矢量光是一種電磁波，電矢量E EA A電場電場E 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

34、位；t t光的傳播時間。光的傳播時間?？梢?，只要使光的可見，只要使光的強(qiáng)度強(qiáng)度、偏振態(tài)偏振態(tài)( (矢量矢量A 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，或受被測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、頻率量調(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信調(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。息。 tAEsin 三、光纖傳感器的調(diào)制器原理三、光纖傳感器的調(diào)制器原理形式：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。

35、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