畢業(yè)論文光電傳感器技術(shù)的新發(fā)展及應(yīng)用

1、-. z摘要在科學(xué)技術(shù)高速開展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先開展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的開展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有構(gòu)造簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反響快以及構(gòu)造簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理論根底，由光電材料構(gòu)成的器件。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成

2、光量變化的其他非電量，如零件直徑、外表粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。關(guān)鍵字：光電元件傳感器分類傳感器應(yīng)用ABSTRACT-. zABSTRACTThe photoelectric transducer adopts the photoelectric ponent as the transducer measuring the ponent. It changes the change measured into a change of the optical

3、 signal at first, then further change the optical signal into an electric signal through the photoelectric ponent. The photoelectric transducer is generally made up of light source, optical thorough fare and photoelectric ponent three parts. The photoelectric detection method has precision high, rea

4、cts fast, advantage of e*posed to ing etc.s, and can e*amine the parameter more, the transducer is of simple structure, the form is fle*ible, so, it is very e*tensive that the photoelectricity type transducer is employed in measuring and controlling. The photoelectric transducer realizes the key pon

5、ent that the photoelectricity changes in various photoelectric detection systems, it change into electric device of signal optical signal (infrared can seeing and purple other ray radiation). The photoelectricity type transducer is regarded photoelectric device as and changed the transducer of the p

6、onent. It was not electric consumption that it caused the light quantity to change directly that it can be used for measuring, only strong, illuminance, radiation e*amine warmly, the gas position is analyzed etc.; Other ones that can also be used and measured and can change into a light quantity and

7、 change are not the electric consumption such as part diameter, surface roughness, meets an emergency, the displacement, vibration, pace, acceleration, and the form of object, discernment of working state,etc. The photoelectricity type transducer is not e*posed to, respond the fast, reliable charact

8、eristic of performance, so won e*tensive application in the industrial automation device and machine philtrum. In recent years, new Devices photoelectric constantly emerge, especially CCD picture the births of transducer, transducers photoelectric the further to last chapter innovated to turn on.Key

9、words： Photoelectric ponent Transducer classification Application of transducer PAGE ii目錄 -. z目錄第一章 緒論11.1 傳感器開展史11.2光電傳感概述2第二章 光電傳感器根本原理32.1 光電效應(yīng)3 2.2 光電元件及特性3 2.3 光電傳感器6第三章 CCD傳感器113.1 光固態(tài)圖象傳感器11 CCD的構(gòu)造和根本原理11線型CCD圖像傳感器12面型CCD圖像傳感器13 3.2 CCD圖像傳感器應(yīng)用15 工件尺寸檢測15CCD傳感器在公共交通上的應(yīng)用16第四章 光纖傳感器174.1 光纖傳感器的原

10、理和組成17 4.2 光纖傳感器的類型及特點174.3 光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域184.4 光纖傳感器FOS應(yīng)用原理204.5 光纖傳感器的實際應(yīng)用21光纖液位傳感器22電力工業(yè)中的應(yīng)用22第五章 其它光電傳感器25 5.1 高速光電二極管25 PIN結(jié)光電二極管25 雪崩光電二極管(APD) 26 5.2 色敏光電傳感器26-. z 5.3 光位置傳感器27第六章 總結(jié)與展望29 6.1 總結(jié)29 6.2 展望30致31參考文獻33 PAGE 10 光電傳感器技術(shù)的新開展及應(yīng)用-. z緒論1.1 傳感器開展史傳感技術(shù)的開展經(jīng)歷了三個階段,即構(gòu)造型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器，其測量技術(shù)、方

11、法和特點的開展歷程見表1。表1 傳感器的開展階段4050年代60年代70年代80年代至今測量變量溫度、壓力、流量、物位、電壓、電流、功率重力、位移、尺寸、速度、加速度、濕度、氣候、離子等振動、位移等機械運轉(zhuǎn)狀態(tài)；設(shè)備異常狀態(tài)如過熱、泄漏、絕緣等；產(chǎn)品在線檢測如外表質(zhì)量、形狀等；五官感覺指人的五官感覺測量技術(shù)模擬測量法數(shù)字測量法模擬、數(shù)字混合測量法測量技術(shù)與信息處理技術(shù)相結(jié)合測量方法單參數(shù)測量復(fù)參數(shù)掃描測量圖形測量二維多層掃描、數(shù)據(jù)處理、物體識別三維測量特點靜態(tài)或工作參數(shù)動態(tài)、不接觸式、質(zhì)量指標傳感器特點構(gòu)造型傳感器物性型傳感器直接變換物性型傳感器、智能型傳感器帶微處理器1、構(gòu)造型傳感器以其構(gòu)造

12、局部變化或構(gòu)造局部變化后而引起*種場的變化來反映被測量的大小及變化。2、物性型傳感器利用構(gòu)成傳感器的*些材料本身的物理特性在被測量的作用下發(fā)生變化,從而將被測量轉(zhuǎn)換為電信號或其他信號輸出。3、智能型傳感器把傳感器與微處理器有機地結(jié)合成一個高度集成化的新型傳感器。它與構(gòu)造型、物性型傳感器相比,能瞬時獲取大量信息,對所獲得的信息還具有信號處理的功能,使信息的質(zhì)量大大提高,其功能也擴展了。以網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器為例,它以嵌入式微處理器為核心,集成了傳感單元、信號處理單元和網(wǎng)絡(luò)接口單元,使傳感器由單一功能、單一檢測向多功能和多點檢測開展;從被動檢測向主動進展信息處理方向開展;從孤立元件向系統(tǒng)化、網(wǎng)絡(luò)化開展

13、;從就地測量向遠距離實時在線測控開展,已成為傳感器技術(shù)開展的主要方向之一。而光電傳感器作為新型傳感器更是得到了廣闊應(yīng)用。1.2 光電傳感器概述光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三局部組成。光電檢測方法具有精度高、反響快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的構(gòu)造簡單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號紅外、可見及紫外光輻射轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。 光電式傳感器是以光電器件

14、作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如零件直徑、外表粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電式傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點，因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應(yīng)用。近年來，新的光電器件不斷涌現(xiàn)，特別是CCD圖像傳感器等的誕生，為光電傳感器的進一步應(yīng)用開創(chuàng)了新的一頁。-. z第二章 光電傳感器根本原理2.1 光電效應(yīng) 光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料外表的電子吸收的能量，假設(shè)電子吸收的能量足夠

15、大是，電子會克制束縛脫離材料外表而進入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象成為外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h6.63*10-34 J/HZ)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一局部用于克制正離子的束縛，另一局部轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。 由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是hA。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都

16、有一個確定的頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限。相應(yīng)的波長為 式中，c為光速，A為逸出功。 當(dāng)受到光照射時，吸收電子能量，其電阻率降低的導(dǎo)電現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)。它屬于光電效應(yīng)。當(dāng)光照在半導(dǎo)體上是，假設(shè)電子的能量大與半導(dǎo)體禁帶的能級寬度，則電子從價帶躍遷到導(dǎo)帶，形成電子，同時，價帶留下相應(yīng)的空穴。電子、空穴仍留在半導(dǎo)體，并參與導(dǎo)電在外電場作用下形成的電流。除金屬外，多數(shù)絕緣體和半導(dǎo)體都有光電效應(yīng)，半導(dǎo)體尤為顯著，根據(jù)光導(dǎo)效應(yīng)制造的光電元件有固有入射光頻率，當(dāng)光照在光電阻上，其導(dǎo)電性增強，電阻值下降。光強度愈強，其阻值愈小，假設(shè)停頓光照，其阻

17、值恢復(fù)到原阻值。半導(dǎo)體受光照射產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，據(jù)此效應(yīng)制造的光電器件有光電池，光電二極管，管控晶閘管和光耦合器等。 2.2 光電元件及特性 根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。 1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光電管它的外形和構(gòu)造如圖1所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼，當(dāng)入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克制金屬外表束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這

18、種電子稱為光電子，光電子逸出金屬外表后的初始動能為光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管形成空間電子流，稱為光電流。此時假設(shè)光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大。在圖2所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極外表逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負載電阻 上的電壓光電管的光電特性如圖3 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性根本是一條直線。圖3光電管的光電特性圖2光

19、電管測量電路圖1光電管構(gòu)造示意圖2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖4是光電倍增管構(gòu)造示意圖。圖4光電倍增構(gòu)造示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了假設(shè)干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電

20、子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。假設(shè)倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的圍具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻

21、值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖5所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖5光敏電阻的伏安特性5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。6、光譜特性 入射光波長不同時，光敏電阻的靈敏度也不同。入射光波長與光敏器件相對靈敏度間的關(guān)系稱為光譜特性。使用時可根

22、據(jù)被測光的波長圍，選擇不同材料的光敏電阻。7、響應(yīng)時間 光敏電阻受光照后，光電流需要經(jīng)過一段時間上升時間才能到達其穩(wěn)定值。同樣，在停頓光照后，光電流也需要經(jīng)過一段時間下降時間才能恢復(fù)到其暗電流值，這就是光敏電阻的時延特性。光敏電阻上升響應(yīng)時間和下降響應(yīng)時間約為10-110-3s，即頻率響應(yīng)為10Hz1000Hz，可見光敏電阻不能用在要求快速響應(yīng)的場合，這是光敏電阻的一個主要缺點。8、溫度特性 光敏電阻受溫度影響甚大，溫度上升，暗電流增大，靈敏度下降，這也是光敏電阻的另一缺點。9、頻率特性 頻率特性是指外加電壓和入射光強一定是，光電流I與入射光的調(diào)制頻率f之間的關(guān)系，光電二極管的頻率特性較光電三

23、極管的頻率特性好，這是由于光電三極管的基射結(jié)存在電容和載流子基區(qū)需要時間的緣故。利用光電效率原理制造的光電元件的頻率特性最差，這是由于俘獲載流子和釋放電荷都需要一定時間的緣故。2.3 光電傳感器光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的根本構(gòu)造如圖6，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三局部組成.光電檢測方法具有精度高,反響快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的構(gòu)造簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛.光電傳感器一般由三局部構(gòu)成，它們分為：發(fā)送器、接

24、收器和檢測電路，如圖7所示，發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不連續(xù)地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應(yīng)用該信號。此外，光電開關(guān)的構(gòu)造元件中還有發(fā)射板和光導(dǎo)纖維，三角反射板是構(gòu)造結(jié)實的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。圖7 光電傳感器是一種依靠被測物與光

25、電元件和光源之間的關(guān)系，來到達測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種： 1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。 2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。 3、激光 激光與普通光線相比具

26、有能量高度集中，方向性好，頻率單純、相干性好等優(yōu)點，是很理想的光源。 由光源、光學(xué)通路和光電器件組成的光電傳感器在用于光電檢測時，還必須配備適當(dāng)?shù)臏y量電路。測量電路能夠把光電效應(yīng)造成的光電元件電性能的變化轉(zhuǎn)換成所需要的電壓或電流。不同的光電元件，所要求的測量電路也不一樣。下面介紹幾種半導(dǎo)體光電元件常用的測量電路。 半導(dǎo)體光敏電阻可以通過較大的電流，所以在一般情況下，無需配備放大器。在要求較大的輸出功率時，可用圖8所示的電路。圖9a給出帶有溫度補償?shù)墓饷舳O管橋式測量電路。當(dāng)入射光強度緩慢變化時，光敏二極管的反向電阻也是緩慢變化的，溫度的變化將造成電橋輸出電壓的漂移，必須進展補償。圖中一個光敏二

27、極管做為檢測元件，另一個裝在暗盒里，置于相鄰橋臂中，溫度的變化對兩只光敏二極管的影響一樣，因此，可消除橋路輸出隨溫度的漂移。 光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖9所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9b所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光

28、電池組，如圖10c所示。 半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11a所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11b給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是

29、將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體外表反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳

30、感器中，光電元件承受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。 PAGE 32 光電傳感器技術(shù)的新開展及應(yīng)用-. z第三章 CCD傳感器3.1 光固態(tài)圖象傳感器光固態(tài)圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉(zhuǎn)移器件集合而成。它的核心是電荷轉(zhuǎn)移器件CTD(Charge Transfer Device),最常用的是電荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device)。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應(yīng)用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面，尤其適用以

31、上領(lǐng)域中的圖像識別技術(shù)。 CCD的構(gòu)造和根本原理圖12 CCD的MOS構(gòu)造CCD是由假設(shè)干個電荷耦合單元組成，該單元的構(gòu)造如圖12所示。CCD的最小單元是在P型或N型硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。將MOS陣列加上輸入、輸出端，便構(gòu)成了CCD。當(dāng)向SiO2外表的電極加正偏壓時，P型硅襯底中形成耗盡區(qū)勢阱，耗盡區(qū)的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數(shù)載流子電子被吸收到最高正偏壓電極下的區(qū)域如圖中1極下，形成電荷包勢阱。對于N型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數(shù)載流子為空穴。如何實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移呢.電荷轉(zhuǎn)移的控制方法，非常

32、類似于步進電極的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。見圖13(a)圖13 電荷轉(zhuǎn)移過程三相控制是在線陣列的每一個像素上有三個金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個相位不同的控制脈沖1，2，3，見圖13b。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖13(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時，在P1下方產(chǎn)生電荷包t=t0；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時，由于兩電勢下面勢阱間的耦合，原來在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布t=t1；當(dāng)P1回到低電位時，電荷包全部流入P2下的勢阱中t=t2。然后，p3的電位升高，P2回到低電

33、位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢阱t=t3，以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實現(xiàn)電荷移動。線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應(yīng)的構(gòu)成一個主體,在它們之間設(shè)有一個轉(zhuǎn)移控制柵,如圖14(a)所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進展光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間完畢時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與C

34、CD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位存放器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位存放器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進展就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。目前，實用的線型CCD圖像傳感器為雙行構(gòu)造，如圖14b所示。單、雙數(shù)光敏元件中的信號電荷分別轉(zhuǎn)移到上、下方的移位存放器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。圖14 線性CCD圖像傳感器面型CCD圖像

35、傳感器面型CCD圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉(zhuǎn)移局部組成。目前存在三種典型構(gòu)造形式，如圖15所示。圖(a)所示構(gòu)造由行掃描電路、垂直輸出存放器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件的信息轉(zhuǎn)移到水平行方向上，由垂直方向的存放器將信息轉(zhuǎn)移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉(zhuǎn)換為視頻圖像信號。這種構(gòu)造易于引起圖像模糊。圖15 面型CCD圖像傳感器構(gòu)造(a) 線轉(zhuǎn)移型； (b) 幀轉(zhuǎn)移型； (c) 隔離轉(zhuǎn)移型線轉(zhuǎn)移面型CCD的構(gòu)造：由行掃描發(fā)生器、感光區(qū)和輸出存放器等組成。行掃描發(fā)生器將光敏元件的信息轉(zhuǎn)移到水平行方向上，驅(qū)動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出存放器，輸出

36、存放器亦在驅(qū)動脈沖的作用下使信號電荷經(jīng)輸出端輸出。 特點：有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等，但電路比擬復(fù)雜，易引起圖像模糊。圖(b)是幀轉(zhuǎn)移面型CCD的構(gòu)造：由光敏元面陣感光區(qū)、存儲器面陣和輸出移位存放器三局部構(gòu)成。圖像成像到光敏元面陣，當(dāng)光敏元的*一相電極加有適當(dāng)?shù)钠珘簳r，光生電荷將收集到這些光敏元的勢阱里，光學(xué)圖像變成電荷包圖像。當(dāng)光積分周期完畢時，信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲器面陣，經(jīng)輸出端輸出一幀信息。當(dāng)整幀視頻信號自存儲器面陣移出后，就開場下一幀信號的形成。特點：是構(gòu)造簡單，光敏單元密度高，但增加了存儲區(qū)。圖(c)是隔離轉(zhuǎn)移面型CCD的構(gòu)造：將光敏單元與垂直轉(zhuǎn)移存放器交替排列。在光

37、積分期間，光生電荷存儲在感光區(qū)光敏單元的勢阱里；當(dāng)光積分時間完畢，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高，信號電荷進入垂直轉(zhuǎn)移存放器中。隨后，一次一行地移動到輸出移位存放器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的一行行視頻信號。特點：感光單元面積減小，圖像清晰，但單元設(shè)計復(fù)雜。3.2 CCD圖像傳感器應(yīng)用 工件尺寸檢測 CCD圖像傳感器在許多領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。前面介紹的電荷耦合器件(CCD)具有將光像轉(zhuǎn)換為電荷分布，以及電荷的存儲和轉(zhuǎn)移等功能，所以它是構(gòu)成CCD固態(tài)圖像傳感器的主要光敏器件，取代了攝像裝置中的光學(xué)掃描系統(tǒng)或電子束掃描系統(tǒng)。 CCD圖像傳感器具有高分辨率和高靈敏度，具有較寬的動態(tài)圍

38、，這些特點決定了它可以廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。CCD圖像傳感器在檢測物體的位置、工件尺寸的準確測量及工件缺陷的檢測方面有獨到之處。下面是一個利用CCD圖像傳感器進展工件尺寸檢測的例子。應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，視頻處理器對輸出的視頻信號進展存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由微機控制完成。根據(jù)光學(xué)幾何原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸的計算公式，即式中：n覆蓋的光敏像素數(shù)； p像素間距； M倍率。微機可對屢次測量求平均值，準確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測的目的。圖16 CC

39、D圖像傳感器工件尺寸檢測系統(tǒng) CCD傳感器在公共交通上的應(yīng)用目前，在公共交通中方面大量采用CCD傳感器，對馬路進展監(jiān)測，對違章車輛進展拍照處理。一般車輛在被拍照后會傳至指揮中心。指揮中心收到圖片，會將車牌號信息與車管所信息相比對，從而調(diào)出車輛的綜合信息，如車主、車型、顏色等，然后由信息處理人員錄入市公安交通管理局， 以使違章車主能夠進展查詢。這樣的麻煩事增加了管理人員的工作量。采用先進的CCD傳感器對拍到的圖片進展智能處理，通過*種算法，使CCD傳感器能夠智能的識別車牌，這樣將大大減少管理人員的工作量。這里一種方法是直接利用傳感器后續(xù)處理的算法，建立一個數(shù)字、字符的像素字符庫，把拍攝到的圖像與

40、該字符庫中的圖片進展比照，通過*種算法來確定具體的車牌號。另一種方法則是更改硬件的方法，對車牌號的數(shù)字進展特殊處理，比方不同數(shù)字運用不同顏色，這樣CCD拍攝到的圖像信息的灰度的值將會有一定的差異，通過這個差異來確定具體的。還有就是利用其他設(shè)備輔助CCD，在不同數(shù)字符號上參加特殊的化學(xué)元素，利用紅外來感應(yīng)這些元素，以確定車牌。-. z第四章 光纖傳感器4.1 光纖傳感器的原理和組成 光纖傳感器主要由光源、光纖與探測器3局部組成，光源發(fā)出的光耦合進光纖，經(jīng)光纖進入調(diào)制區(qū)，在調(diào)治區(qū)，外界被測參數(shù)作用于進入調(diào)區(qū)的光信號，是其光學(xué)性質(zhì)如光的強度、相位、偏振態(tài)、波長等發(fā)生變化成為被調(diào)制的信號光，再經(jīng)過光纖

41、送入光探測器而獲得被測參數(shù)，光纖傳感器中的光纖通常由纖芯、包層、樹脂涂層和塑料護套組成，纖芯和包層具有不同的折射率，樹脂涂層對光纖起保護作用。光纖主要分為兩類一是漸變光纖一是躍階光纖。前者的折射率是漸變的而后者的折射率是突變的。另外還分為單模光纖及多模光纖 近年來又有新的光子晶體光纖問世。依材質(zhì)：石英玻璃、多組份玻璃、氟化物、塑料、液芯。 依轉(zhuǎn)輸方式分：單模、多模級射、多模斜射。 依折射率分：階躍型、漸變型光纖。依工作波長分：短波長光纖、長波長光纖、超長波長光纖。光纖是基于光的全反射原理而工作的。當(dāng)入射角 在此圍時，光在界面產(chǎn)生全反射，并在光纖部一同樣的角度反復(fù)逐次反射，知道傳播到光纖的另一端

42、面。如果工作需要光纖微彎曲，只要仍滿足全反射定律，則光仍然可以繼續(xù)前進。如果入射角超出上述圍，則進入光纖的光線便會在截面上發(fā)生折射，并透入包層。4.2 光纖傳感器的類型及特點1、特點：靈敏度高，耐腐蝕，電絕緣，防爆性好，抗電磁干擾，光路可撓曲，易于與電腦連接，便于遙測等；而且：構(gòu)造簡單，尺寸小，質(zhì)量輕，頻帶寬，可進展溫度、應(yīng)變、壓力等多種參數(shù)的分布式測量。因此自從光纖傳感技術(shù)隨著光纖通信技術(shù)的開展逐步形成之后，它就得到了深入的研究和廣泛的應(yīng)用，現(xiàn)今光纖傳感器已經(jīng)能夠?qū)囟?、壓力、溫度、振動、電流、電壓、磁場等物理量進展測定，其應(yīng)用圍深入至國防軍事、航天航空、土木工程、電力、能源、環(huán)保醫(yī)學(xué)等，開

43、展空間相當(dāng)廣闊！ 2、分類： 按光纖傳感器中光纖的作用可分為傳感型和傳光型兩種類型。 傳感型光纖傳感器又稱為功能型光纖傳感器，主要使用單模光纖，光纖不僅起傳光作用，同時又是敏感元件，它利用光纖本身的傳輸特性經(jīng)被測物理量作用而發(fā)生變化的特點，使光波傳導(dǎo)的屬性(振幅、相位、頻率、偏振)被調(diào)制。因此，這一類光纖傳感器又分 為光強調(diào)制型，偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(diào)制型等幾種。對于傳感型光纖傳感器，由于光纖本身是敏感元件，因此加長光纖的長度可以得到很高的靈敏度。 傳光型光纖傳感器又稱非功能型光纖傳感器，它是將經(jīng)過被測對象所調(diào)制的光信號輸入光纖后，通過在輸出段進展光信號處理而進展測量的。在這類傳感器中，光纖僅作

44、為傳光元件，必須附加能夠?qū)饫w所傳遞的光進展調(diào)治的敏感元件才能組成傳感元件 光纖傳感器根據(jù)其測量圍還可分為點式光纖傳感器，分布式光纖傳感器。 單點光纖傳感器，只能對*一點做連續(xù)測量，分布式光纖傳感器是理想的構(gòu)造應(yīng)變分布的監(jiān)測器 ,它能在對構(gòu)造無損傷的情況下 ,利用光導(dǎo)纖維具有的傳感運輸雙重特性，迅速實現(xiàn)對待測場沿光纖分布的多點甚至連續(xù)點測量，以到達取代多臺獨立點傳感器的目的。分布式光纖系統(tǒng)的根本原理為：光源發(fā)出脈沖光經(jīng)分光束進入光纖，光纖中的背向散射光經(jīng)分光束耦合進入調(diào)制器，調(diào)制器把待測對播送參數(shù)的調(diào)制變成功率的變化并進入光點檢測器。根據(jù)背向散射光的功率及其相對于注入光脈沖的時延可以得出測場沿

45、光纖的分布。4.3 光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域1、在航天器及船舶中的應(yīng)用 先進的復(fù)合材料抗疲勞、抗腐蝕性能較好，而且可以減輕船體或航天器的重量，對于快速航運或飛行具有重要意義，因此復(fù)合材料越來越多地被用于制造航空航海工具(如飛機的機翼)。 為全面衡量船體的狀況，需要了解其不同部位的變形力矩、剪切壓力、甲板所受的抨擊力，對于普通船體大約需要100個傳感器，因此波長復(fù)用能力極強 的光纖光柵傳感器最適合于船體檢測。光纖光柵傳感系統(tǒng)可測量船體的彎曲應(yīng)力，而且可測量海浪對濕甲板的抨擊力。具有干預(yù)探測性能的16路光纖光柵復(fù)用系統(tǒng) 成功實現(xiàn)了在帶寬為5kHz圍、分辨率小于10n/(Hz)1/2的動態(tài)應(yīng)變測量。另外

46、，為了監(jiān)測一架飛行器的應(yīng)變、溫度、振動、起落駕駛狀態(tài)、超聲波場和加速度情況，通常需要100多個傳感器，故傳感器的重量要盡量輕，尺寸盡量小，因 此最靈巧的光纖光柵傳感器是最好的選擇。另外，實際上飛機的復(fù)合材料中存在兩個方向的應(yīng)變，嵌人材料中的光纖光柵傳感器是實現(xiàn)多點多軸向應(yīng)變和溫度測量的理想智能元件。 2、在民用工程構(gòu)造中的應(yīng)用 民用工程的構(gòu)造監(jiān)測是光纖光柵傳感器最活潑的領(lǐng)域。力學(xué)參量的測量對于橋梁、礦井、隧道、大壩、建筑物等的維護和狀況監(jiān)測是非常重要的。通過測量上述構(gòu)造的應(yīng)變分布，可以預(yù)知構(gòu)造局部的載荷及狀況。光纖光柵傳感器可以貼在構(gòu)造的外表或預(yù)先埋入構(gòu)造中，對構(gòu)造同時進展沖擊檢測、形狀控制和

47、振動阻尼檢 測等，以監(jiān)視構(gòu)造的缺陷情況。另外，多個光纖光柵傳感器可以串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，對構(gòu)造進展準分布式檢測，可以用計算機對傳感信號進展遠程控制。 光纖傳感器在溫度測試中的應(yīng)用 它是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，則它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些后向散射光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變，將散射回來的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測解調(diào)后，送入信號處理系統(tǒng)便可將溫度信號實時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息定位 光纖傳感器在裂縫監(jiān)測中的應(yīng)用 當(dāng)?shù)叵律畈堪l(fā)生變形時，必將擠壓砂漿體產(chǎn)生相應(yīng)形變，導(dǎo)致裂縫或滑

48、移錯動的產(chǎn)生，進而引起埋入光纖的微彎，該處的微彎將破壞光波導(dǎo)的全反射條件，使光損耗增加，產(chǎn)生衰減，利用光纖監(jiān)測地下深部變形，就是基于微彎衰減的傳感機制。埋入洞的光纖，全部是傳感局部，受深部變形作用，光纖產(chǎn)生微彎或撓曲，致使光損耗增大；OTDR檢測到全過程的散射光強分布。OTDR是一種用于光纖通信故障定位的技術(shù)，現(xiàn)在普遍運用于分布式光纖傳感器系統(tǒng)中 光纖傳感器在光纖光纜中的應(yīng)用 光纜通信在我國已有20多年的使用歷史，這段歷史也就是光通信技術(shù)的開展史和光纖光纜的開展史。光纖光纜在我國的開展可以分為這樣幾個階段：對光纜可用性的探討；取代市局間中繼線的市話電纜和PCM電纜；取代有線通信干線上的高頻對稱

49、電纜和同軸電纜。這兩個取代應(yīng)該說是完成了；現(xiàn)正在取代接入網(wǎng)的主干線和配線的市話主干電纜和配線電纜，并正在進入局域網(wǎng)和室綜合布線系統(tǒng)。目前，光纖光纜已經(jīng)進入了有線通信的各個領(lǐng)域，包括郵電通信、播送通信、電力通信和軍用通信等領(lǐng)域。 光纖傳感器在智能大橋中的應(yīng)用 它是將傳感元件、驅(qū)動元件以及信息處理控制系統(tǒng)集成于主體材料中 ,使制成的構(gòu)件不僅具有承受載荷、傳遞運動的能力 ,而且具有檢測多種參數(shù) (如應(yīng)力、應(yīng)變、損傷、溫度、壓力等 )、分析、處理及控制等多種功能。它出現(xiàn)時間不長 ,但已成為目前國外研究的熱點。具有智能材料構(gòu)造特點的智能橋梁能對 智能材料構(gòu)造的動作流程圖橋梁的施工質(zhì)量、運營中的應(yīng)力狀態(tài)以

50、及其它多種參數(shù)進展長期實時在線監(jiān)測 ,并根據(jù)對大量傳感信息的實時綜合分析采取適當(dāng)、及時的控制措施 ,因而可以極提高工程構(gòu)造的平安性和可靠性 ,防止災(zāi)難性事故的發(fā)生。 3、在電力工業(yè)中的應(yīng)用 光纖光柵傳感器因不受電磁場干擾和可實現(xiàn)長距離低損耗傳輸，從而成為電力工業(yè)應(yīng)用的理想選擇。電線的載重量、變壓器繞線的溫度、大電流等都可利用光纖光柵傳感器測量。 4、在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用 光纖光柵傳感器還可用來測量心臟的效率。在這種方法中，醫(yī)生把嵌有光纖光柵的熱稀釋導(dǎo)管插入病人心臟的右心房，并注射人一種冷溶液，可測量肺動脈血液的溫度，結(jié)合脈功率就可知道心臟的血液輸出量，這對于心臟監(jiān)測是非常重要的。 5、在化學(xué)傳感中的

51、應(yīng)用 光纖光柵傳感器可用于化學(xué)傳感，因為光柵的中心波長隨折射率的變化而變化，而光柵間倏失波的相互作用以及環(huán)境中的化學(xué)物質(zhì)的濃度變化都會引起折射率的變化。4.4 光纖傳感器FOS應(yīng)用原理光纖傳感器一般由光源、光導(dǎo)纖維、光傳感器元件、光調(diào)制機構(gòu)和信號處理器等局部組成。其工作原理是：光源發(fā)出的光經(jīng)光導(dǎo)纖維進入光傳感元件，而在光傳感元件中受到周圍環(huán)境場的影響而發(fā)生變化的光再進入光調(diào)制機構(gòu)，由其將傳感元件測量檢測的參數(shù)調(diào)制成幅度、相伴、偏振等信息，這一過程也稱為光電轉(zhuǎn)換過程，最后利用微處理器如頻譜儀等等進展信號處理。其構(gòu)造如17圖所示：信號輸出電信號光纖光源傳感頭光電轉(zhuǎn)換信號處理被測量圖17 光纖傳感器

52、的構(gòu)造圖如前所述可以看出光纖傳感器的傳感機理外表上與電磁類傳感器有著相似的思路，只不過電磁類傳感器的電線或者測量空間的信息傳播載體是電磁波而光導(dǎo)纖維中的載體是光波，然而也正是由于光波不同于電磁波的獨特性質(zhì)使其具有以下幾個突出的優(yōu)點：利用不導(dǎo)電的玻璃纖維制成，其信息傳播載體是光子而不是電子，故無電磁干擾EMI和射頻干擾RFI的影響，可在各種電磁場復(fù)雜的環(huán)境中不受影響的工作；有較大的靈活性，可制成各種形狀，并可用于各種危險、惡劣環(huán)境和探測微細變化；其光信號不僅能直接感知，而且可與高度開展的電子裝置相匹配，幫助其實現(xiàn)智能化、多功能化和遠距離的實時監(jiān)控。光纖傳感器有三種分類方法：1、按光纖與光的作用機

53、理分，可分為本征型和非本征型，前者是利用光纖直接與環(huán)境中的光相互作用來調(diào)制光信號，適用于測量轉(zhuǎn)速、加速度、聲源、壓力和振動等；后者則是將光纖作為傳送和接收光的通道，然后在光纖外部調(diào)制光信號，適用于測量純屬和角度位置、溫度、液位及過程控制中的流量等。2、按光纖傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量分，可分為單模器件和多模器件。前者的纖芯很細，能大大降低信號的失真和損失程度；后者能傳輸更多的光，但由于具有多個通道，并對入射光的散射點數(shù)和存在模式色散，所以損失的信號較多，信號的失真也較嚴重。3、按信號在光纖中被調(diào)制的不同方式分，還可將光纖傳感器分為強度調(diào)制、相伴調(diào)制、偏振態(tài)調(diào)制、頻率調(diào)制和波長調(diào)制等多種不同類型。4.5 光

54、纖傳感器的實際的應(yīng)用光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通訊技術(shù)和半導(dǎo)體技術(shù)開展而衍生的一種新的傳感技術(shù)，是光傳感、光通訊、電子技術(shù)互相穿插、互相滲透的高科技技術(shù)，是國家“十五重點支持開展的信息產(chǎn)業(yè)的重要組成局部。 光纖液位傳感器在我國石油化工、冶金以及國防等部門，對油品和化工產(chǎn)品等易燃易爆液體類物質(zhì)的儲存、檢測和平安管理一直是個難題。長期以來，大多企業(yè)是采用人工對其進展檢測和管理，勞動強度大，又有危險性，儲罐爆炸事件和人員傷亡事故時有發(fā)生。光纖液位傳感器*檢測湘度高，使用方便、穩(wěn)定可靠，特別是采用光纖光纜采集和傳輸信號，做到現(xiàn)場無電檢側(cè)，本質(zhì)平安防爆，特別適于易燃易爆場所的儲罐檢測。即將投產(chǎn)的光纖液位傳感

55、器價調(diào)查和分析說明，目前全國年需求量應(yīng)在1萬臺以上，而目前市場需求仍在快鵬長如。 電力工業(yè)中的應(yīng)用電力工業(yè)中的設(shè)備大多處在強電磁場中，一般電器類傳感器無法使用。高壓開關(guān)的在線監(jiān)測，高壓變壓器繞組、發(fā)電機定子等地方的溫度和位移等參數(shù)的實時檢測都要求絕緣性能好，體積小。光纖光柵具有的抗電磁干擾和它的平安性能恰恰能滿足在這種環(huán)境條件下使用。在強電磁環(huán)境中，關(guān)鍵根底用電設(shè)備的平安運行是企業(yè)生產(chǎn)的必要保障，也是整個國民經(jīng)濟正常運轉(zhuǎn)的根本保證。電氣設(shè)備產(chǎn)生故障的大局部原因是設(shè)備過熱引起的，主要可以分為外部熱故障和部熱故障。電氣設(shè)備的外部熱故障主要指裸露接頭由于壓接不良等原因，在大電流作用下，接頭溫度升高，

56、接觸點氧化引起接觸電阻增大，惡性循環(huán)造成隱患。此類故障占外部熱故障的90%以上。統(tǒng)計近幾年來檢測到的外部熱故障的幾千個數(shù)據(jù)，可以發(fā)現(xiàn)線夾和刀閘觸頭的熱故障占整個外部熱故障的77%，它們的平均溫升約在30度左右，其它外部接頭的平均溫升在20-25度之間。根據(jù)對電力事故分析，電纜故障引起的火災(zāi)導(dǎo)致大面積電纜燒損，造成被迫停機，短時間無法恢復(fù)生產(chǎn)，造成重大經(jīng)濟損失。通過事故的分析，引起電纜溝火災(zāi)發(fā)生的直接原因是電纜中間頭制作質(zhì)量不良、壓接頭不緊、接觸電阻過大，長期運行所造成的電纜頭過熱燒穿絕緣，最后導(dǎo)致電纜溝火災(zāi)的發(fā)生。從電纜頭或變電設(shè)備的過熱到事故的發(fā)生，其開展速度比擬緩慢、時間較長，通過電纜/設(shè)

57、備溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)完全可以防止、杜絕此類事故的發(fā)生。在電力工業(yè)中，電流轉(zhuǎn)換器可把電流變化轉(zhuǎn)化為電壓變化，電壓變化可使壓電瓷(PZT)產(chǎn)生形變，而利用貼于PZT上的光纖光柵的波長漂移，很容易得知其形變，進而測知電流強度。這是一種較為廉價的方法，并且不需要復(fù)雜的電隔離。另外，由大雪等對電線施加的過量的壓力可能會引發(fā)危險事件，因此在線檢測電線壓力非常重要，特別是對于那些不易檢測到的山區(qū)電線。光纖光柵傳感器可測電線的載重量，其原理為把載重量的變化轉(zhuǎn)化為緊貼電線的金屬板所受應(yīng)力的變化，這一應(yīng)力變化即可被粘于金屬板上的光纖光柵傳感器探測到。這是利用光纖光柵傳感器實現(xiàn)遠距離惡劣環(huán)境下測量的實例，在這種情況下

58、，相鄰光柵的間距較大，故不需快速調(diào)制和解調(diào)。-. z第五章 其它光電傳感器5.1 高速光電二極管 PIN結(jié)光電二極管 PIN管是光電二極管中的一種。它的構(gòu)造特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層相對很厚的本征半導(dǎo)體。這樣，PN結(jié)的電場就根本上全集中于 I 層中，從而使PN結(jié)雙電層的間距加寬，結(jié)電容變小。由式 = CjRL與f = 1/2知，Cj小，則小，頻帶將變寬。電場較大，電子加速運動，響應(yīng)時間快。 圖18 PIN管構(gòu)造示意圖最大特點：頻帶寬，可達10GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出圍寬。由耗盡層寬度與外加電壓的關(guān)系可知，增加反向偏壓會使

59、耗盡層寬度增加，從而結(jié)電容要進一步減小，使頻帶寬度變寬。缺乏：I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼的商品出售。 雪崩光電二極管(APD)雪崩光電二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種二極管。P區(qū)外側(cè)增加高濃度P+層。這種管子工作電壓很高，約100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪崩反響。因此，這種管子有很高的增益，可到達幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達106，即產(chǎn)生所謂的雪崩。這種管子響應(yīng)速度特別快，帶寬可達100GHz，是目前響應(yīng)速度最快的一種光電二極管。缺點：噪聲大。由于雪崩反響是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以至無法使用。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，它在光通信中應(yīng)用前景廣闊。5.2 色敏光電傳感器色敏光電傳感器實際上是光電傳感器的一種