第五章(1)光傳感器

第五章

光傳感器教學(xué)目的與要求：要求學(xué)生了解光敏傳感器的性能參數(shù);理解光電效應(yīng)的原理；掌握常用光電器件的特性及應(yīng)用。

教學(xué)重點(diǎn)：內(nèi)光電效應(yīng)器件的工作電路、特性及應(yīng)用教學(xué)難點(diǎn)：光電效應(yīng)

光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實(shí)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。第五章

光傳感器

具有這種功能的材料稱為光敏材料，做成的器件稱光敏器件。光敏器件種類很多，如：光電管、光敏二極管、光電倍增管、光敏三極管、光敏電阻、光電池、光電耦合器、光纖等等。在計(jì)算機(jī)、自動檢測、控制系統(tǒng)應(yīng)用非常廣泛。

光學(xué)變換電路處理變換電路光電傳感光源光學(xué)系統(tǒng)被測對象光學(xué)變換存儲顯示控制電信號處理門禁光電鼠標(biāo)料位自動控制電動扶梯自動啟停光電開關(guān)光柵光纖光電管光敏電阻照明和能源應(yīng)用衛(wèi)星和飛船靠太陽能電池提供電力南臺科技大學(xué)太陽能電動車

采用太陽能供電的樓房。由于采用了聚光式的結(jié)構(gòu)，使用很小面積的高效太陽能電池也可以達(dá)到大面積采光的效果，但可以明顯降低成本。一、光譜光波：波長為10—106nm的電磁波可見光：波長380—780nm

紫外線：波長10—380nm，波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線?？梢姽饨t外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/μm遠(yuǎn)紫外近紫外光就是一種電磁現(xiàn)象頻率與波長的關(guān)系:C—真空中的光速

光源（發(fā)光器件）1、鎢絲白熾燈發(fā)光范圍：可見光、大量紅外線和紫外線，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信號。光譜范圍：0.4~3μm

發(fā)光效率：10lm/W色溫2856K白熾鎢絲燈是可見光和近紅外區(qū)光電探測器積分靈敏度測試標(biāo)準(zhǔn)光源2、氣體放電燈

利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流大小，可得到主要在某一光譜范圍的輻射。它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。

鹵鎢燈是填充氣體內(nèi)含有部分鹵族元素或鹵化物的充氣白熾燈。在普通白熾燈中，燈絲的高溫造成鎢的蒸發(fā)，蒸發(fā)的鎢沉淀在玻殼上，產(chǎn)生燈泡玻殼發(fā)黑的現(xiàn)象。鹵鎢燈，用鹵鎢循環(huán)的原理消除了這一發(fā)黑的現(xiàn)象。輻射光譜約0.25～3.5μm。色溫可達(dá)3200K，發(fā)光效率30lm/W，更廣泛地用作儀器的白光源。如熒光燈（低壓汞燈）

光源（發(fā)光器件）3、發(fā)光二極管LED（LightEmittingDiode）由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，其工作電壓低、響應(yīng)速度快、壽命長、體積小、重量輕，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。

LED屏幕

北京奧運(yùn)開幕現(xiàn)場最令人吃驚之處，在地上那副轉(zhuǎn)軸不斷轉(zhuǎn)動的畫面，這就是LED屏幕所做出的效果，這個(gè)屏幕長147m、寬36m，上面有4萬4千顆LED燈，藉由電腦動畫，幻化出各種不斷流動的圖案，該屏幕經(jīng)過測試，完全經(jīng)得起表演人員踩踏及水淹考驗(yàn)。4、激光器激光具有高方向性、高單色性、高亮度和高相干性四個(gè)重要特性。激光波長從0.24μm到遠(yuǎn)紅外整個(gè)光頻波段范圍。激光器按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。1、外光電效應(yīng)

在光線的作用下，物體內(nèi)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(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子。

基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。二、光電效應(yīng)2、內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ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)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。

光電導(dǎo)效應(yīng)

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)，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)。

基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。光生伏特效應(yīng)

在光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)。

基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽極光電陰極光窗

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兩類。它們由一個(gè)陰極和一個(gè)陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。第二節(jié)外光電效應(yīng)器件

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。一、光電管

當(dāng)光線照射在光敏材料上時(shí)，如果光子的能量E大于電子的逸出功A（E＞A），會有電子逸出產(chǎn)生電子發(fā)射。電子被帶有正電的陽極吸引，在光電管內(nèi)形成電子流，電流在回路電阻R上產(chǎn)生正比于電流大小的壓降。因此

用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。

光電管靈敏度低、體積大、易破損。目前光電管主要用途：光電比色計(jì)等分析儀器、各種光學(xué)自動裝置。光電管

二、光電倍增管

光照很弱時(shí)，光電管產(chǎn)生的電流很小，為提高靈敏度常使用光電倍增管。如核儀器中閃爍探測器都使用的是光電倍增管做光電轉(zhuǎn)換元件。

光電倍增管是利用二次電子釋放效應(yīng)，高速電子撞擊固體表面，發(fā)出二次電子，將光電流在管內(nèi)進(jìn)行放大。

當(dāng)光照射到光陰極時(shí)，光陰極向真空中激發(fā)出光電子。這些光電子按聚焦極電場進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過進(jìn)一步的二次發(fā)射得到倍增放大。然后把放大后的電子用陽極收集作為信號輸出。一般經(jīng)十次以上倍增，放大倍數(shù)可達(dá)到108～1010。

因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。另外，光電倍增管還具有響應(yīng)快速、成本低、陰極面積大等優(yōu)點(diǎn)。

在天體光度測量和天體分光光度測量中廣泛使用。測量精度高，可以測量比較暗弱的天體，還可以測量天體光度的快速變化。

廣泛應(yīng)用于光子計(jì)數(shù)、極微弱光探測、化學(xué)發(fā)光、生物發(fā)光研究、極低能量射線探測、分光光度計(jì)、旋光儀、色度計(jì)、照度計(jì)、塵埃計(jì)、濁度計(jì)、光密度計(jì)、熱釋光量儀、輻射量熱計(jì)、掃描電鏡、生化分析儀等儀器設(shè)備中。

利用物質(zhì)在光的照射下電導(dǎo)性能改變或產(chǎn)生電動勢的光電器件稱內(nèi)光電效應(yīng)器件。常見的有光敏電阻、光電池和光敏晶體管等。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。第三節(jié)內(nèi)光電效應(yīng)器件

結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。

光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號

在黑暗的環(huán)境下,它的阻值很高,當(dāng)受到光照并且光輻射能量足夠大時(shí)，使其導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴增加,電阻率變小。

光敏電阻主要參數(shù)暗電阻——無光照時(shí)的電阻；暗電流——無光照時(shí)的電流；亮電阻、亮電流——受光照時(shí)的阻值、電流；光電流——亮電流與暗電流之差。

光敏電阻在受到光的照射時(shí)，由于內(nèi)光電效應(yīng)使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，電阻RG值下降，所以流過負(fù)載電阻RL的電流及其兩端電壓也隨之變化。光線越強(qiáng)，電流越大。當(dāng)光照停止時(shí)，光電效應(yīng)消失，電阻恢復(fù)原值，因而可將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。光敏電阻的光譜特性使用不同材料制成的光敏電阻，有著不同的光譜特性。

對于不同波長的入射光，光敏電阻的相對靈敏度是不相同的。因此在選用光敏電阻時(shí)應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。

光敏電阻的光照特性具有非線性。

光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。光敏電阻主要用于相機(jī)自動測光、室內(nèi)光線控制、工業(yè)及光電控制、光控開關(guān)、光控?zé)粢约半妱油婢叩取?/p>

因此不適宜做檢測元件，在自動控制中它常用做開關(guān)式光電傳感器。

012345I/mAL/lx10002000光敏電阻的光電特性

在一定電壓作用下，光敏電阻的光電流I與照射光通量Φ(單位lm:流明）的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻開關(guān)電路照相機(jī)曝光自動控制電路（電子快門）電路由光敏電阻R、開關(guān)K和電容C1構(gòu)成的充電電路，時(shí)間檢出電路(電壓比較器)，三極管T構(gòu)成的驅(qū)動放大電路，電磁鐵M帶動的開門葉片（執(zhí)行單元）等組成。在初始狀態(tài)，開關(guān)K處于如圖所示的位置，電壓比較器的正輸入端的電位為R1與RW1分電源電壓Ubb所得的閾值電壓Vth（一般為1~1.5V），而電壓比較器的負(fù)輸入端的電位VR近似為電源電位Ubb，顯然電壓比較器負(fù)輸入端的電位高于正輸入端的電位，比較器輸出為低電平，三極管截止，電磁鐵不吸合，開門葉片閉合。

電子快門中測光器件常采用與人眼光譜響應(yīng)接近的硫化鎘(CdS)光敏電阻。當(dāng)按動快門按鈕時(shí)，開關(guān)K與光敏電阻R及RW2構(gòu)成的測光與充電電路接通，這時(shí)，電容C兩端的電壓UC為0，由于電壓比較器的負(fù)輸入端的電位低于正輸入端而使其輸出為高電平，使三極管T導(dǎo)通，電磁鐵將帶動快門的葉片打開快門，照相機(jī)開始曝光?？扉T打開的同時(shí)，電源Ubb通過電位器RW2與光敏電阻R向電容C充電，且充電的速度取決于景物的照度，景物照度愈高光敏電阻R的阻值愈低，充電速度愈快。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到。VR的變化規(guī)律可由電容C的充電規(guī)律得到。T—電路的時(shí)間常數(shù)

T=（RW2+R）C

當(dāng)電容C兩端的電壓UC充電到一定的電位（VR≥Vth）時(shí)，電壓比較器的輸出電壓將由高變低，三極管T截止而使電磁鐵斷電，快門葉片又重新關(guān)閉。

光敏電阻的阻值R與入射的光照度EV有關(guān)快門的開啟時(shí)間

光敏管工作原理主要基于光生伏特效應(yīng)。光敏管是重要的光敏器件，與光敏電阻相比有許多優(yōu)點(diǎn)，尤其是光敏二極管，響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動控制、自動報(bào)警、自動計(jì)數(shù)等領(lǐng)域和裝置。二、光敏二極管和光敏三極管：光敏二極管光敏二極管又稱光電二極管，它與普通半導(dǎo)體二極管在結(jié)構(gòu)上是類似的。硅光敏二極管結(jié)構(gòu)

工作原理：

光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)，無光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；有光照時(shí)，PN結(jié)處產(chǎn)生光生電子空穴對；在電場作用下形成光電流，光照越強(qiáng)光電流越大；光電流方向與反向電流一致。

光敏二極管基本電路

光照特性

右圖是硅光敏二極管在小負(fù)載電阻下的光照特性。

光電流與照度（單位lx：勒克斯）成線性關(guān)系。所以適合檢測等方面的應(yīng)用。

光譜特性

當(dāng)入射波長＞900nm時(shí)，響應(yīng)下降;當(dāng)入射波長＜900nm時(shí)，響應(yīng)也逐漸下降.硅光敏二極管光照特性

與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極—集電極結(jié)作為光敏二極管，集電結(jié)做受光結(jié)，另外發(fā)射極的尺寸做的很大，以擴(kuò)大光照面積。大多數(shù)光敏晶體管的基極無引線，集電結(jié)加反偏。玻璃封裝上有個(gè)小孔，讓光照射到基區(qū)。光敏三極管光敏晶極管結(jié)構(gòu)

光敏三極管是把光敏二極管產(chǎn)生的光電流進(jìn)一步放大，它是具有更高靈敏度和響應(yīng)速度的光敏傳感器。

光敏三極管

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。

光敏三極管的光譜特性光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。

光敏三極管的光照特性

光敏三極管的輸出電流I和照度之間的關(guān)系。它們之間呈近似線性關(guān)系。當(dāng)光照足夠大（幾千勒克斯）時(shí)，會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，從而使光敏三極管既可作線性轉(zhuǎn)換元件，也可作開關(guān)轉(zhuǎn)換元件。

光敏二極管、光敏三極管主要用于光電檢測、光電控制方面，如光電耦合器等。應(yīng)用舉例光電三極管主要應(yīng)用于開關(guān)控制電路及邏輯電路。

光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。絕緣玻璃發(fā)光二極管透明絕緣體光敏三極管塑料發(fā)光二極管光敏三極管透明樹脂采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié)構(gòu)，在其中部對接，采用環(huán)焊以保證發(fā)光二極管和光敏三極管對準(zhǔn)，以此來提高靈敏度。(a)金屬密封型(b)塑料密封型采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié)構(gòu)。管心先裝于管腳上，中間再用透明樹脂固定，具有集光作用，故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高。光電耦合器(P239)光電耦合器的組合形式有多種(a)(b)(c)(d)該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用于50kHz以下工作頻率的裝置內(nèi)。該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器,適用于較高頻率的裝置中。該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的高傳輸效率的光電耦合器，適用于直接驅(qū)動和較低頻率的裝置中。該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高傳輸效率的光電耦合器。光電開關(guān)P240圖5-43

輸入信號經(jīng)光電耦合器送至中央運(yùn)算、處理部分的TTL電路，TTL電路的輸出又通過光電耦合器送到抗干擾能力高的HTL電路，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介。同時(shí)使得高低電壓信號分開！用于邏輯門電路圖中為兩個(gè)光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端Ui1和Ui2同時(shí)輸入高電平“1”，則兩個(gè)發(fā)光二極管GD1和GD2都發(fā)光，兩個(gè)光敏三極管TD1和TD2都導(dǎo)通，輸出端就呈現(xiàn)高電平“1”。

光電耦合器件還可以構(gòu)成與非、或、或非、異或等邏輯電路。

光電池是在光線照射下，直接能將光量轉(zhuǎn)變?yōu)殡妱觿莸墓怆娫?。?shí)質(zhì)上它就是電壓源。光電池的種類很多，有硒光電池、氧化亞銅光電池、硫化鎘光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。三、光電池

光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。+++---PN光電池符號

目前應(yīng)用較多的是硒光電池和硅光電池。

硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低（0.02%），壽命短。因光譜特性與人眼視覺很相近，頻譜較寬，故多用于曝光表及照度計(jì)。

硅光電池與其他半導(dǎo)體光電池相比，是目前轉(zhuǎn)換效率最高的（已過17%），它是幾乎接近理論極限的一種光電池。壽命高，適于接收紅外光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜效應(yīng)特性則與太陽光譜特性最吻合，且工作溫度最高。故它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面應(yīng)用最廣。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm光譜特性

光電池的光譜特性決定于材料。從曲線可看出，硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，峰值波長在540nm附近，適宜測可見光。硅光電池應(yīng)用的范圍400nm—1100nm，峰值波長在850nm附近，因此硅光電池可以在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。1——硒光電池2——硅光電池L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810開路電壓Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光電池(b)硒光電池光照特性

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(shí)趨向飽和。

短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線開路電壓短路電流短路電流

短路電流，指外接負(fù)載相對于光電池內(nèi)阻而言是很小的。光電池在不同照度下，其內(nèi)阻也不同，因而應(yīng)選取適當(dāng)?shù)耐饨迂?fù)載近似地滿足“短路”條件。下圖表示硒光電池在不同負(fù)載電阻時(shí)的光照特性。從圖中可以看出，負(fù)載電阻RL越小，光電流與強(qiáng)度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0

短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系。開路電壓隨光強(qiáng)變化是非線性的，并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。因此把光電池作為測量元件時(shí)，應(yīng)當(dāng)作電流源的形式來使用，不宜用作電壓源。小面積光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池驅(qū)動的涼帽嫦娥一號上的光電池板3.光電池的應(yīng)用二、光電池四、光電傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用

由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。

模擬式光電傳感器其光通量隨被測量而變，光電流是被測量的函數(shù)。這類光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。

開孔圓盤旋轉(zhuǎn)一周，光敏元件輸出的電脈沖個(gè)數(shù)等于圓盤的開孔數(shù)。被測轉(zhuǎn)速

n=f/N式中n——轉(zhuǎn)速；

f——脈沖頻率；

N——圓盤開孔數(shù)。

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“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。亮度傳感器：

通過檢測周圍環(huán)境的亮度，再與內(nèi)部設(shè)定值相比較，調(diào)整光源的亮度和分布，有效利用自然光線，達(dá)到節(jié)約電能的目的。

燈光亮度控制器可按照環(huán)境光照強(qiáng)度自動調(diào)節(jié)白熾燈或熒光燈的亮度，從而使室內(nèi)的照明自動保持在最佳狀態(tài)，避免人們產(chǎn)生視覺疲勞?？刂破髦饕森h(huán)境光照檢測電橋、放大器、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管等組成。過零檢測器對50Hz市電電壓的每次過零點(diǎn)進(jìn)行檢測，并控制鋸齒波形成電路使其產(chǎn)生與市電同步的鋸齒波電壓，該電壓加在比較器的同相輸入端。

由光敏電阻與電阻組成的電橋?qū)h(huán)境光照的變化轉(zhuǎn)換成直流電壓的變化，該電壓經(jīng)放大并由積分電路積分后加到比較器的反相輸入端，其數(shù)值隨環(huán)境光照的變化而緩慢地成正比例變化。

兩個(gè)電壓的比較結(jié)果，便可從比較器輸出端得到隨環(huán)境光照強(qiáng)度變化而脈沖寬度發(fā)生變化的控制信號，該控制信號的頻率與市電頻率同步，其脈沖寬度反比于環(huán)境光照，利用這個(gè)控制信號觸發(fā)雙向晶閘管，改變其導(dǎo)通角，便可使燈光的亮度隨環(huán)境光照做相反的變化，從而達(dá)到自動控制環(huán)境光照不變的目的。平行光源光電探測放大顯示刻度校正 報(bào)警器煙道煙塵濁度監(jiān)測儀

防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報(bào)警。煙道里的煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少，因而光檢測器輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。

太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調(diào)節(jié)控制器逆變器

交流負(fù)載太陽電池方陣

直流負(fù)載太陽能電池電源系統(tǒng)(P242)阻塞二極管光電池應(yīng)用光電池串聯(lián)，能提高電壓；

并聯(lián)，可以提高輸出電流。每一片光電池的最大輸出電壓約為0.6V，每平方米，晴天的輸出電流約為10A。220VC1路燈CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路燈自動控制器BG2BG3BG42CR

光纖傳感器(FiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(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，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時(shí)具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)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、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量第四節(jié)光纖傳感器(P245)一、光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理

當(dāng)光由光密物質(zhì)(折射率大)入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2時(shí)，θr＞θi。

n1n2θrθi(a)光的折射示意圖

可見，入射角θi增大時(shí)，折射角θr也隨之增大，且始終θr＞θi。n1、n2、θr、θi之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為n1sinθi=n2sinθr1、斯乃爾定理（Snell'sLaw）

當(dāng)θi＞θi0并繼續(xù)增大時(shí)，θr＞90o，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，其出射光不再折射而全部反射回來。式中：θi0——臨界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90o＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意圖n1n2θrθi(b)臨界狀態(tài)示意圖

當(dāng)θr=90o時(shí)，θi仍＜90o，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑?，稱為臨界狀態(tài)。這時(shí)有

光纖呈圓柱形，它由玻璃纖維芯(纖芯)和玻璃包皮(包層)兩個(gè)同心圓柱的雙層結(jié)構(gòu)組成。

纖芯位于光纖的中心部位，光主要在這里傳輸。纖心折射率n1比包層折射率n2稍大些．兩層之間形成良好的光學(xué)界面，光線在這個(gè)界面上反射傳播。2R2rn2n1nn2n1纖芯包層光纖結(jié)構(gòu)2、光纖結(jié)構(gòu)

入射光線AB與纖維軸線OO相交角為θi，入射后折射(折射角為θj)至纖芯與包層界面C點(diǎn)，與C點(diǎn)界面法線DE成θk角，并由界面折射至包層，CK與DE夾角為θr。則n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90o－θk所以

θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般為空氣，故n０≈1，nl為纖芯折射率，n2為包層折射率。3、光纖導(dǎo)光原理及數(shù)值孔徑NA

上式sinθi0為“數(shù)值孔徑”

NA(Numerical

Aperture)。由于n1與n2相差較小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解為

Δ=(n1-n2)/n1稱為相對折射率差

當(dāng)θr=90o的臨界狀態(tài)時(shí)，θi=θi0當(dāng)n０=1時(shí)θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖

當(dāng)θr<90o時(shí)，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光線消失。

arcsinNA是一臨界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光線進(jìn)入光纖都不能傳播而在包層消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光線才可進(jìn)入光纖被全反射傳播.當(dāng)θr=90o時(shí)當(dāng)θr>90o時(shí)，光線發(fā)生全反射，則sinθi0=NAθi0=arcsinNAθi<θi0=arcsinNAθjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纖導(dǎo)光示意圖

NA表示光纖接收和傳輸光的能力。通常的數(shù)值在0.14～0.5范圍之內(nèi)。光纖的數(shù)值孔徑NA越大，光線可以越容易地被耦合到該光纖中。

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)榭蓽y的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接。

光纖傳感器則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。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成。光纖信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器導(dǎo)線

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(shí)，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)信號處理得到所期待的被測量。二、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理及分類

1、光纖傳感器結(jié)構(gòu)原理

傳統(tǒng)傳感器是以機(jī)—電測量為基礎(chǔ)，而光纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ)。

光是一種電磁波，其波長從極遠(yuǎn)紅外的lmm到極遠(yuǎn)紫外線的10nm。它的物理作用和生物化學(xué)作用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矢量E的振動，即

A——電場E的振幅矢量；

ω——光波的振動頻率；

φ——光相位；

t——光的傳播時(shí)間。可見，只要使光的強(qiáng)度、偏振態(tài)(矢量A的方向)、頻率和相位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。光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三大類。信號處理光接收器光纖敏感元件光發(fā)送器

（1）根據(jù)光纖在傳感器中的作用1）功能型（全光纖型）光纖傳感器

2、光纖傳感器的分類（P250表5-4）

利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”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素(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”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，可提高靈敏度。

光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(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)，比較容易實(shí)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。信號處理光接收器敏感元件光發(fā)送器光纖

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(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。信號處理光接收器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象3）拾光型光纖傳感器

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器

1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器

利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器。

有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)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、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。缺點(diǎn)：受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大。（2）根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。

利用光偏振態(tài)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。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影響，因此靈敏度高。

3）頻率調(diào)制光纖傳感器2）偏振調(diào)制光纖傳感器

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多普勒效應(yīng)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(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。

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，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(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。

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；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）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。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。4）相位調(diào)制傳感器

（一）溫度的檢測

光纖溫度傳感器有功能型和傳光型兩種。

為一種簡單的利用水銀柱升降溫度的光纖溫度開關(guān)?？捎糜趯υO(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真空2自聚焦透鏡3光纖4水銀1、遮光式光纖溫度計(jì)三、光纖傳感器的應(yīng)用

下圖為利用雙金屬熱變形的遮光式光纖溫度計(jì)。當(dāng)溫度升高時(shí)，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。這種形式的光纖溫度計(jì)能測量10℃～50℃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，且響應(yīng)時(shí)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

當(dāng)一束白光經(jīng)過半導(dǎo)體晶體片時(shí)，低于某個(gè)特定波長λg的光將被半導(dǎo)體吸收,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,λg稱為半導(dǎo)體的本征吸收波長。當(dāng)一定波長的光照射到半導(dǎo)體上時(shí),電子吸收光能從價(jià)帶躍遷入導(dǎo)帶,光子能量必須大于半導(dǎo)體的禁帶寬度Eg，即因λ＝c/v，則產(chǎn)生本征吸收條件h——普朗克常數(shù)；v——光頻率

對于波長大于λg的光，能透過半導(dǎo)體，而波長小于λg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。2、透射型半導(dǎo)體光纖溫度傳感器

由圖看出，GaAs在室溫時(shí)的本征吸收波長約為880nm左右。

半導(dǎo)體的吸收光譜與Eg有關(guān)，而半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度的不同而不同。Eg與溫度t的關(guān)系可表示為式中：Eg（0）——絕對零度時(shí)半導(dǎo)體的禁帶寬度；

α——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(eV／K)；

β——經(jīng)驗(yàn)常數(shù)(K)。85080095010000203040t=20℃波長λ/nm透射率(%)對于GaAs材料，由實(shí)驗(yàn)得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K室溫(20℃)時(shí),120μm厚的GaAs材料的透射率曲線90010

由此可見，半導(dǎo)體材料的Eg隨溫度上升而減小，亦即其本征吸收波長λg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(shí)，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λg(t)相匹配的發(fā)光二極管作為光源，如圖，則透射光強(qiáng)度將隨著溫度的升高而減小。LED發(fā)光光譜半導(dǎo)體透射率T1<T2<T3T3T1T2相對發(fā)光強(qiáng)度半導(dǎo)體透射測量原理透射率波長半導(dǎo)體光纖溫度傳感器基本結(jié)構(gòu)P253圖5-61圖5-62

種類：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類。膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖光源接收121Y形光纖束2殼片3膜片3P（二）壓力的檢測

利用彈性體的受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號，從而對光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制。因此，只要設(shè)計(jì)好合理的彈性元件及結(jié)構(gòu)，就可以實(shí)現(xiàn)壓力的檢測。1、采用彈性元件的光纖壓力傳感器

在Y形光纖束前端放置一感壓膜片，當(dāng)膜片受壓變形時(shí)，使光纖束與膜片間的距離發(fā)生變化，從而使輸出光強(qiáng)受到調(diào)制。

←

彈性膜片材料是恒彈性金屬，對于不同的測量范圍，可選擇不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之間為宜。R—膜片有效半徑；t—膜片厚度；p—外加壓力；E－膜片材料的彈性模量；μ—為膜片的泊松比。

可見，在一定范圍內(nèi)，膜片中心撓度與所加的壓力呈線性關(guān)系。若利用Y形光纖束檢測位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，但如果光源不穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率下降，影響其精度。

對于周邊固定的膜片，在小撓度(y＜0.5t，t為膜片厚度)的條件下，膜片的中心撓度y為

光纖束的一端分成三束,其中一束為輸入光纖,兩束為輸出光纖。三束光纖在另一端結(jié)合成一束,并且在端面成同心環(huán)排列分布,最里面一圈為輸出光纖束1,中間一圈為輸入光纖束,外面一圈為輸出光纖束2。當(dāng)壓差為零時(shí)，膜片不變形,反射到兩束輸出光纖的光強(qiáng)相等,即I1＝I2。當(dāng)膜片受壓變形后,使得處于里面一圈的光纖束,接收到的反射光強(qiáng)減小,而處于外面一圈的光纖束2接到的反射光強(qiáng)增大,形成差動輸出。4

p>0P=0P<0(a)傳感器結(jié)構(gòu)

(b)探頭截面結(jié)構(gòu)(c)測量原理PI2I1I02(外圈)1(內(nèi)圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(輸入)改進(jìn)型的膜片反射式光纖壓力傳感器

可見，輸出光強(qiáng)比I2／Il與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(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(Ap)2≤1時(shí),等式右邊展開后取第一項(xiàng)，得到兩束輸出光的光強(qiáng)之比為A——與膜片尺寸、材料及輸入光纖束數(shù)值孔徑等有關(guān)的常數(shù)；p——待測量壓力。

待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系。因此，若將I1、I2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。

晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，呈現(xiàn)雙折射的現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。(b)傳感器結(jié)構(gòu)12345P(a)檢測原理

P678910111光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件

5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡偏振光線偏振光橢圓偏振光2、光彈性式光纖壓力傳感器

發(fā)自LED的入射光經(jīng)起偏器后成為直線偏振光。當(dāng)有與入射光偏振方向呈45o的壓力作用于晶體時(shí)，使晶體呈雙折射從而使出射光成為橢圓偏振光，由檢偏器檢測出與入射光偏振方向相垂直方向上的光強(qiáng)，即可測出壓力的變化。其中1/4波長板用于提供一偏置，使系統(tǒng)獲得最大靈敏度。

為了提高傳感器的精度和穩(wěn)定性，將輸出光用偏振分光鏡分別檢測出兩個(gè)相互垂直方向的偏振分量；并將這兩個(gè)分量經(jīng)“差／和”電路處理，即可得到與光源強(qiáng)度及光纖損耗無關(guān)的輸出。該傳感器的測量范圍為103Pa～106Pa，精度為±1％，理論上分辨力可達(dá)1.4Pa。這種結(jié)構(gòu)的傳感器在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度。輸出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驅(qū)動123456I1I2PD1PD2光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu)1光纖2起偏器3光彈性元件41/4波長板5偏振分光鏡6反射鏡p

（三）液位、流量、流速的檢測12(a)探頭結(jié)構(gòu)(b)檢測原理空氣液體LEDPD