第8章-光電式傳感器

第八章光電式傳感器

總課時(shí):6學(xué)時(shí)講授課時(shí):4學(xué)時(shí)試驗(yàn)課時(shí):2學(xué)時(shí)第一節(jié)、光電傳感器基本原理與組成目錄第二節(jié)、常用光電器件第三節(jié)、光纖傳感器第四節(jié)、光電傳感器的應(yīng)用一、具有外光電效應(yīng)的光電器件（光電管）二、光電倍增管三、內(nèi)光電效應(yīng)器件四、光電耦合器件第一節(jié)、光電傳感器基本原理與組成

光電式傳感器是能將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種器件，簡稱光電器件。它的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。在現(xiàn)代檢測與控制系統(tǒng)中、應(yīng)用非常廣泛。優(yōu)點(diǎn)：（1）光電元件響應(yīng)快．（2）結(jié)構(gòu)簡單，而且有較高的可靠性。（3）抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測中得到廣泛的應(yīng)用。被測量光信號的變化電信號光電器件或光電元件—

能夠?qū)⒐饬哭D(zhuǎn)換為電量的一種器件。光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路和光電器件三部分組成。一、光電傳感器定義、組成1、光電器件按探測原理分類

熱探測型首先將光信號的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，然后再依賴于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。探測器對波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有關(guān)。光子探測型基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子。這類探測器有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光線，但它們響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為廣泛。二、分類外光電效應(yīng)

在光線作用下能使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象，

如：光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng)

在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如：光敏電阻、光敏二極管阻擋層光電效應(yīng)

在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象，也稱光生伏特效應(yīng)。如：光電池2、按光電原理分類三、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?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。

眾所周知，光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子具有的能量可由下式確定：h—普朗克常數(shù)，—光的頻率。

物體中的電子吸收了入射光子的能量，當(dāng)足以克服逸出功A。時(shí)、電子就逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。如果一個(gè)電子要想逸出，光子能量必須超過逸出功A?！こ^部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。根據(jù)能量守恒定理：圖8-2光電效應(yīng)原理圖

該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。由上式可知：(1)、光電子能否產(chǎn)生，取決于光子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。(2)當(dāng)入射光的頻譜成分不變時(shí)，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。(3)光電子選出物體表面具有初始動(dòng)能，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(huì)有光電流產(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)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率會(huì)發(fā)生變化．或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的效應(yīng)叫做內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類：

1．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。

2．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(dòng)勢的現(xiàn)象叫做光生伏持效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。一、具有外光電效應(yīng)的光電器件（光電管）第二節(jié)常用光電器件1、結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似．如圖7—2所示。它們內(nèi)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．其上涂上光電發(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。當(dāng)光照在陰極上時(shí)．中央陽極可以收集從陰極上逸出的電子。在外電場作用下形成電流I，如圖8-3所示。圖8-3光電管的結(jié)構(gòu)原理圖

充氣光電管內(nèi)充有少量的惰性氣體如組氬或氖，當(dāng)充氣光電管的陰極放光照射后，光電子在飛向陽極的途中，和氣體的原子發(fā)生碰撞而使氣體電離，因此增大了光電流，從而使光電管的靈敏度增加；

但導(dǎo)致充氣光電管的光電流與入射光強(qiáng)度不成比例關(guān)系，因而充氣光電管穩(wěn)定性較差、惰性大、溫度影響大、容易衰老等一系列缺點(diǎn)。目前由于放大技術(shù)的提高，對于光電管的靈敏度不再要求那樣嚴(yán)格，況且真空式光電管的靈敏度也正在不斷提高，在自動(dòng)檢測儀表中，由于要求溫度影響小和靈敏度穩(wěn)定，所以一般都采用真空式光電管。2、光電管的主要特性(1)光電管的伏安持性在一定的光照射下、對光電器件的陰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持性，真空光電管和充氣光電管的伏安持性分別如圖8—4(a)和(b)所示：圖8—4真空光電管和充氣光電管的伏安特性(2)光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時(shí)．光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖8—5所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性．光電流I與光通量成線性關(guān)系。

曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率(光電流與入射光光通量之比)稱為光電管的靈敏度。

圖8-5光電管的光照特性二、光電倍增管1、結(jié)構(gòu)及工作原理：當(dāng)入射光很微弱時(shí)，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾個(gè)微安，很不容易探測。時(shí)常用光電倍增管對電流進(jìn)行放大、圖75是光電倍增管的外形和工作原理圖。圖8-6光電倍增管的工作原理光電陰極半導(dǎo)體光電材料銻-銫制造若干倍增極

414個(gè)不等，并加上一定的電壓陽極收集電子，外電路形成電流輸出。聚焦極——引導(dǎo)電子進(jìn)入倍增級。組成

光陰極發(fā)射出來的光電子被聚焦極電場加速后撞擊到第一倍增極，以便發(fā)生二次電子發(fā)射，產(chǎn)生多于光電子數(shù)目的電子流。這些二次電子發(fā)射的電子流又被加速撞擊到下一個(gè)倍增極產(chǎn)生又一次的二次電子發(fā)射，連續(xù)地重復(fù)這一過程，直到最末倍增極的二次電子發(fā)射被陽極收集，從而達(dá)到了電流放大的作用。這時(shí)光電倍增管的陰極產(chǎn)生的很小的光電子電流，已經(jīng)被放大成較大的陽極輸出電流。如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達(dá)到陰極發(fā)射電子數(shù)的倍。工作原理：2、光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)：

今天我們使用的光電器件中，光電倍增管（PMT）是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測器件，光電倍增管在可以探測到紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測器件中具有極高的靈敏度和極低的噪聲。光電倍增管還有快速響應(yīng)、低本底、大面積陰極等特點(diǎn)。3．主要參數(shù)（1）倍增系數(shù)M：倍增系數(shù)M等于各倍增電圾的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。因此，陽極電流I為：式中i—光電陰極的光電流。

一般的光電倍增管有9～12個(gè)倍增極，所以陽極靈敏度與所加電壓可以有106～1010的變化。光電倍增管的輸出信號也特別地容易受到所加電壓的波動(dòng)的影響，所以供電電壓一定要有很好的穩(wěn)定性、較小的紋波、漂移和溫度系數(shù)。為了降低空間電荷效應(yīng)影響，在電荷密度較高的后幾個(gè)倍增極和陽極上所加的電壓應(yīng)適當(dāng)?shù)靥岣?，增?qiáng)后幾個(gè)光電倍增極和陽極的電壓梯度。

(2)光電陰極靈敏度和光電信增管總靈敏度

一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。

光電倍增管的實(shí)際放大倍數(shù)或靈敏度如圖7—6所示。極間電壓越高，靈敏度越高；但極問電壓也不能太高，太高反而會(huì)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(huì)損壞。圖8-7光電倍增管的特性曲線（3）陽極暗電流

在光電倍增管的使用過程中必須考慮陽極暗電流的影響。光電倍增管在完全黑暗的環(huán)境中仍會(huì)有微小的電流輸出，這個(gè)微小的電流叫做陽極暗電流。若光電倍增管存在較大的暗電流這必然影響系統(tǒng)的信噪比。陽極暗電流主要由于電子熱發(fā)射、殘留氣體電離（離子反饋）、玻璃發(fā)光、光電倍增管的芯柱和管基、管座等的漏電所引起，這些影響因素不可能完全消除，所以系統(tǒng)在選用探測器必須考慮暗電流的影響同時(shí)要考慮到通過電路設(shè)計(jì)或采用數(shù)字濾波來消除暗電流的影響從而提高系統(tǒng)的精度。（4）光譜響應(yīng)特性光電倍增管的陰極將入射光的能量轉(zhuǎn)換為光電子。其轉(zhuǎn)換效率（陰極靈敏度）隨入射光的波長而變。這種光陰極靈敏度與入射光波長之間的關(guān)系叫做光譜響應(yīng)特性。光譜響應(yīng)特性的長波端取決于光陰極材料，短波端則取決于入射窗材料。

穩(wěn)定性是指探測器在一定光照條件中，隨時(shí)間的變化陽極輸出電流變化的性能。長時(shí)間連續(xù)使用光電倍增管，盡管使用條件沒有任何改變，其輸出電流隨時(shí)間也會(huì)出現(xiàn)輕微的變化。這個(gè)變化叫做漂移，或者，當(dāng)時(shí)間長至103到104小時(shí)的時(shí)候，叫做壽命特性。漂移主要是由于最末倍增極受到大電流轟擊造成的。所以，稍低的工作電壓有利于減小漂移。在強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性的場合，平均陽極電流最好在1μA或更低的水平。（5）時(shí)間穩(wěn)定性及壽命：閃爍探測器參數(shù)表(CH126)型號CH126管直徑MMΦ51最大外形φ69*250低壓供電電源-12V高壓電源+520V用途閃爍計(jì)數(shù)與能譜分析該產(chǎn)品由日本濱松光電子生產(chǎn)具體資料請?jiān)L問日本濱松光電子（中國公司）網(wǎng)站：:三、內(nèi)光電效應(yīng)器件1、光敏電阻具有內(nèi)光電效應(yīng)

圖8-8光敏電阻結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：光敏電阻又稱為光導(dǎo)管。光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成。光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡單、如圖8-8(a)所示。在玻璃底板上均勻地涂上薄薄的一層半導(dǎo)體物質(zhì)，半導(dǎo)體的兩端裝上金屬電極。使電極與半導(dǎo)體層可靠地電接觸，然后．將它們壓入塑料封裝體內(nèi)。原理：光敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的光導(dǎo)效應(yīng)即由于光照強(qiáng)弱而導(dǎo)致半導(dǎo)體阻值變化的現(xiàn)象而工作的，這種具有光導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料就稱為光敏電阻。

光敏電阻就像一個(gè)電阻元件，只是阻值隨光照變化。

無光照時(shí)，暗電阻很大，電流很小。受一定范圍的光照時(shí)，電阻急劇減小，電流迅速增加。

優(yōu)點(diǎn)：具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)到紅外區(qū)，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定，價(jià)格便宜。

為了防止周圍介質(zhì)的污染,在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋一層漆膜，漆膜成分的選擇應(yīng)該使它在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。圖8-9缺點(diǎn)：實(shí)驗(yàn)證明，光敏電阻的光電流不能立刻隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的情性，這個(gè)惰性通常用時(shí)間常數(shù)t來描述。所謂時(shí)間常數(shù)即為光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63％所需要的時(shí)間，因此，時(shí)間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速；但大多數(shù)光敏電阻的時(shí)間常數(shù)都較大，相對于光電管這是它的缺點(diǎn)。2、光敏二極管和光敏三極管

（1）光敏二極管

光敏二極管的符號如圖8—10所示鍺光敏二極管有A，B，C、D四類。硅光敏二極管2CU1A—D系列、1DU1—4系列。

圖8—10光敏二極管符號圖圖8-11光敏二極管接線法

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—般是處于反向工作狀態(tài)，如圖8—11所示。光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小。反向電流也叫做暗電流，當(dāng)光照射時(shí)．當(dāng)光不照射時(shí)、光敏二極管處于載止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏二極管的光電流I與R之間呈線性關(guān)系。但傳統(tǒng)的光敏二極管響應(yīng)速度較慢。

隨著高速光通信和信息處理技術(shù)的發(fā)展，提高光電傳感器的響應(yīng)速度變得越來越重要。新型光電二極管不斷出現(xiàn)，比如高速光電二極管（PIN結(jié)光電二極管、雪崩光電二極管）。（2）光敏三極管

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種．如圖8—12所示：光敏三極管的結(jié)構(gòu)與一般三極管很相似，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積、且其基極往往不接引線。

圖8-13光敏二極管的符號和基個(gè)工作電路原理：光敏三極管像普通三極管一樣有兩個(gè)PN結(jié)，因此具有電流增益。光敏三極管的基本工作線路如圖8—13(b)所示。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電子、空穴對。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。光敏三極管的主要特性(1)光敏三極管的光譜特性

光敏三極管的光譜特性曲線，如圖8—14所示。從曲線可以看出。光敏三極管存在一個(gè)最佳靈敏度的峰值波長。圖8-14光敏晶體管的光譜特性

當(dāng)人射光的波長增加時(shí)，相對靈敏度要下降，這是容易理解的，因?yàn)楣庾幽芰刻。蛔阋约ぐl(fā)電子空穴對。當(dāng)入射光的波長縮短時(shí)，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，并且在表面激發(fā)的電子空穴對不能到達(dá)PN結(jié)，因而相對靈敏度下降。(2)光敏三極管的伏安特性

光敏三極管的伏安特性曲線如圖8—14所示。光敏三極管在不同的照射下的伏安特性。就像一般晶體管在不同的基極電流的輸出特性—樣。圖8-14光敏品體管的伏安特性(3)光敏三極管的溫度特性

光敏三極管的溫度特性曲線如圖8—15所示，它反映的是光敏三極管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系。從特性曲線可以看出，溫度變化對光電流的影晌很小，而對暗電流的影響很大。所以電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償．否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。圖8-15光敏品體管的溫度特性(4)光敏三極管的頻率特性

光敏三極管的頻率特性曲線如圖8—16所示。光敏三極管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)。一般來說，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差、對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在5000Hz以下。硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好。實(shí)驗(yàn)證明光敏三極管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系。如果要求截止頻率高、那么基區(qū)就要?。坏鶇^(qū)變薄，光電靈敏度將降低．在制造時(shí)要適當(dāng)兼顧兩者。圖8-16光敏晶體管的頻率特性四、光電耦合器件

光電耦合器件是由發(fā)光元件（比如發(fā)光二極管)和光電接收元件合并使用，以光作為媒介傳遞信號的光電器件。光電耦合器中的發(fā)光元件通常是半導(dǎo)體的發(fā)光二極管，光電接收元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管或光可控硅等。根據(jù)其結(jié)構(gòu)和用途不同又可分為用于實(shí)現(xiàn)電隔離的光電耦合器和用于檢測有無物體的光電開關(guān)。1．光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi)，一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。耦合器的組合形式常見的有以下幾種，如圖8—15所示。

圖(a)所示的組合形式結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，且輸出電流較大，可達(dá)100mA，響應(yīng)時(shí)間為3-4微秒。圖(b)形式結(jié)構(gòu)簡單，成本較低、響應(yīng)時(shí)間快，約為1微秒，但輸出電流小，在50一300微A之間。圖(c)形式傳輸效率高，但只適用于較低頻率的裝置中。圖(d)是一種高速、高傳輸效率的新穎器件。對圖中所示無論何種形式，為保證其有較佳的靈敏度，都考慮了發(fā)光與接收波長的匹配。光電耦合器組合形式

光電耦合器實(shí)際上是一個(gè)電量隔離轉(zhuǎn)換器，它具有抗干擾性能和單向信號傳輸功能，廣泛應(yīng)用在電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點(diǎn)開關(guān)及固態(tài)繼電器等場合。

2．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(shí)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。光電開關(guān)結(jié)構(gòu)

上圖為典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)圖。圖(a)是一種透射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸是重合的。當(dāng)不透明的物體位于或經(jīng)過它們之間時(shí)，會(huì)阻斷光路，使接收元件接收不到來自發(fā)光元件的光，這樣起到檢測作用。圖(b)是一種反射式的光電開關(guān)，它的發(fā)光元件和接收元件的光軸在同一平面且以某一角度相交，交點(diǎn)一般即為待測物所在處。當(dāng)有物體經(jīng)過時(shí)，接收元件將接收到從物體表面反射的光，沒有物體時(shí)則接收不到。光電開關(guān)的特點(diǎn)是小型、高速、非接觸，而且與TTL、MOS等電路容易結(jié)合。用光電開關(guān)檢測物體時(shí)，大部分只要求其輸出信號有“高一低”(1-0)之分即可。其基本電路如下圖所示：主要由發(fā)光二極管和光敏三極管和CMOS比較器組成：光電開關(guān)基本電路

光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中作物體檢測，產(chǎn)品計(jì)數(shù)，料位檢測，尺寸控制、安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。第三節(jié)光纖傳感器

光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn):如不受電磁干擾；體積小；重量輕；可撓曲，靈敏度高；耐腐蝕，電絕緣、防爆性能好，易與微機(jī)連接，便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。一、光纖傳感器的發(fā)展和特點(diǎn)二、光纖傳感器的分類

光纖傳感器可以分為兩大類，一類是功能型(傳感型)傳感器；另一類是非功能型(傳光型)傳感器。

1、功能型傳感器是利用光纖本身的待性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等待性發(fā)生變化．再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號。2、非功能型傳感器是利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質(zhì)。三、光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理1．光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)示于圖8—27。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層，纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成，纖芯的折射率略大于包層的折射率，在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由保護(hù)套維持。8-17光纖的結(jié)構(gòu)圖2．光纖的傳輸原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長大很多時(shí)，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。設(shè)有一段圓柱形光纖，如圖8—18所示：圖8-18光纖的傳光原理它的兩個(gè)端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個(gè)端面并與圓柱的軸線成角時(shí)，根據(jù)斯乃爾光的折射定律，在光纖內(nèi)折射成，然后以角入射至纖芯與包層的界面。若要在界面上發(fā)生全反射，則纖芯與界面的光線入射角應(yīng)大于臨界角即>并在光纖內(nèi)部以同樣的角度反夏逐次反射，直至傳播到另一端面。為滿足光在光纖內(nèi)的全內(nèi)反射，光入射到光纖端面的臨界入射角氏應(yīng)滿足下式:

實(shí)際工作時(shí)需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍繼續(xù)前進(jìn)。可見這里的光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。一般光纖所處環(huán)境為空氣，則no＝1。這樣在界面上產(chǎn)生全反射，在光纖端面上的光線入射角為:說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA，即:

數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是；無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射光處于的光錐內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。

如入射角過大，如圖8—18中，經(jīng)折射后不能滿足全反射要求，光線便從包層選出而產(chǎn)生漏光。所以NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)。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(huì)造成光信號畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。3、光纖傳感器

光纖傳感器由于它的獨(dú)特的性能而受到廣泛的重視，它的應(yīng)用正在迅速地發(fā)展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器:1．光纖加速度傳感器:光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖8—19所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。

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，經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。

圖8-19光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖2．光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器是目前僅次于加速度、壓力傳感器而廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強(qiáng)調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器，圖8—20為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖:圖8-20半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器

它的敏感元件是一個(gè)半導(dǎo)體光吸收器，光纖用來傳輸信號。傳感器是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、發(fā)射光源和包括光控制器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)等組成。它體積小、靈敏度高、工作可靠，廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等待殊場合。這種傳感器的基本原理是利用了多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性，如圖8—21所示，材料的吸收光波長將隨溫度增加而向長波方向移動(dòng)，如果適當(dāng)?shù)剡x定一種波長在該材料工作范圍內(nèi)的光源，那么就可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而變化，從而達(dá)到測量溫度的目的。結(jié)構(gòu)及原理

這種光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)簡單、制造容易、成本低、便于推廣應(yīng)用，可在一10一300度的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時(shí)間約為2s。圖8-21半導(dǎo)體的光透過率特性3、光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入流管，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時(shí)，光纖受到流體渦流的作用而振動(dòng)，振動(dòng)的頻率與流速有關(guān)系，測出頻率便可知流速。這種流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖8—23所示圖8-23光纖旋渦流量傳感器

當(dāng)流體流動(dòng)受到一個(gè)垂直于流動(dòng)方向的非流線體阻礙時(shí)，根據(jù)流體力學(xué)原理，在某些條件下，在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，其旋渦的頻率近似與流體的流速成正比，即:v——流速；d——流體中物體的橫向尺寸大??；s——斯持羅哈(strouhal)數(shù)，它是一個(gè)無量綱的常數(shù);

在多模光纖中，光以多種模式進(jìn)行傳輸，在光纖的輸出端，各模式的光就形成了干涉花樣，這就是光斑。一根沒有外界擾動(dòng)的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的，當(dāng)光纖受到外界擾動(dòng)時(shí)，干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點(diǎn)發(fā)生移動(dòng)。

如果外界擾動(dòng)是由于流體的渦流而引起時(shí)，干涉圖樣的斑紋或斑點(diǎn)就會(huì)隨著振動(dòng)的周期變化來回移動(dòng)，那么測出斑紋或斑點(diǎn)移動(dòng)頻率，即可獲得對應(yīng)于振動(dòng)頻率的信號，根據(jù)式就可推算流體的流速。這種流量傳感器可測量液體和氣體的流量，因?yàn)閭鞲衅鳑]有活動(dòng)部件，測量可靠，而且對流體流動(dòng)不產(chǎn)生阻礙作用，所以壓力損耗非常小。這些特點(diǎn)是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計(jì)所無法比擬的。類型模擬式傳感器—

其測量系統(tǒng)是光電流為被測光通量的函數(shù)。脈沖式傳感器—

其測量系統(tǒng)是使其輸出端工作在“通”與“斷”的開關(guān)狀態(tài)。第四節(jié)光電傳感器