第七章 光电式传感器

1、第一节概述第二节光电效应与光电器件第三节光纤传感器,内容提要,学习目标,了解光的特性及光源类型；掌握外光电效应定义及器件类型、内光电效应定义及器件类型；掌握各光电器件原理；了解光电传感器应用；理解光纤的结构及传光原理；掌握光纤传感器测量及调制原理。,第一节概述,一、光的特性,二、光源（发光器件）1、白炽光源2、气体放电光源3、发光二极管4、激光器,1000,000nm,10nm,780nm,380nm,可见光,红外光线,紫外线,可见光：波长380780nm紫外线：波长10380nm波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线红外线：波长780

2、106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m的红外线称为远红外线,光波：波长为10106nm的电磁波,一、光的特性,二、光源（发光器件）,1、白炽光源,最为普通的是用钨丝通电加热作为光辐射源。一般白炽灯的辐射光谱是连续的。发光范围：320nm2500nm,所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接收光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。,2、气体放电光源,利用电流通过气体产生发光现象制成的灯即气体放电灯。,光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围

3、的辐射。,汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。,低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，可被用作单色光源。光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如照明日光灯。气体放电灯消耗的能量为白炽灯1/2-1/3。,构成：由半导体PN结构成。特点：工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。,3、发光二极管（LEDLightEmittingDiode）,N,P,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,+,-,-,

4、-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,+,_,原理：,当加正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，和P区里的空穴复合；空穴则由P区注入到N区，和N区里的电子复合，这种电子空穴对的复合同时伴随着光子的放出，因而发光。,电子和空穴复合，所释放的能量等于PN结的禁带宽度（即能量间隙）Eg。所放出的光子能量用h表示，有,普朗克常数h=6.610-34J.s；光速c=3108m/s；hc=19.810-26mWs=12.410-7meV,Eg单位为eV，1eV=1.610-19J,可见光的波长近似地在710-7m以下，所以制作可见光区的发光二极管，其材料的禁带宽度至少应大于hc/=

5、1.8eV,普通二极管是用硅或锗制造的，这两种材料的禁带宽度Eg分别为1.12eV和0.67eV，不能使用。,通常用砷化镓和磷化镓两种材料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x0.35时，可得到Eg1.8eV的材料。改变x值还可以决定发光波长，使在550900nm间变化。,与此相似的可供制作发光二极管的材料见下表：,LED材料,发光二极管的光谱特性,砷磷化镓曲线有两根，这是因为其材质成分稍有差异而得到不同的峰值波长p。除峰值波长p决定发光颜色之外，峰的宽度（用描述）决定光的色彩纯度，越小，其光色越纯。,反向电压应在5V以下!,发光二极管的伏安特性与普通二极管相似，但随材料禁带

6、宽度的不同，开启（点燃）电压略有差异。红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。,砷磷化镓发光二极管的伏安曲线,4、激光器激光（Laser:Lightamplificationbystimulatedemissionofradiation）是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一。具有高方向性、高单色性、高亮度和高的相干性四个重要特性。激光波长一般从0.15m到远红外整个光频波段范围。X-射线激光器。,激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）液体激光器（染料激光器）。半导体激光器（如砷化镓激光器）,第二节光电效应与光电器件,一

7、、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念,四、外光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,被测量,光信号的变化,UIf,光电传感器,测量电路,定义：利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。构成：光源、光学通路、光电元件。应用：光量变化的非电量；能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触；响应快；性能可靠。,光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式：,一、外光电效应,定义：在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,亦称光电发射效应。,1887年，首先是赫兹（M.Hertz）在证明波动理论实验中首次发现的；1902年，勒纳（Lenard)也对其进行了研究

8、，指出光电效应是金属中的电子吸收了入射光的能量从表面逸出的现象。但无法根据当时的理论加以解释；1905年，爱因斯坦提出了光子假设。,爱因斯坦光子假设：光在空间传播时，是不连续的，也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些不连续的量子称为“光量子”。1926年，美国物理学家刘易斯把这一名词改称为“光子”，沿用至今。,每个光子的能量：,E=h,h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）,=3108m/s,可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。,m电子质量；v0电子逸出速度。,爱因斯坦光电方程：,入射光成分不变，产生的光电流与光强成正比。,光电子能否产生

9、，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。,光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，,基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管,第二节光电效应与光电器件,一、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念,四、外光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,1、光电导效应,2、光生伏特效应,二、内光电效应,当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。1、光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。（器件：光敏电阻）,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,为

10、了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即,2、光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（器件：光电池和光敏二极管、光敏三极管）。势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。,侧向光电效应,当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应。,光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。,第二节光电效应与光电器件

11、,一、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念,四、外光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,1、暗电流,2、响应度,3、光谱,4、等效噪声功率NEP,三、基本概念,1、暗电流,光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。,2、响应度,光传感器输出的电压或电流与光通量之比。,3、光谱,光传感器输出与输入光波长的关系曲线。,4、等效噪声功率NEP,即能够产生与传感器输出噪声电压或电流相等的入射光功率的大小。反映最小可探测的光的功率。,第二节光电效应与光电器件,一、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念

12、,四、外光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,（一）、光电管及其基本特性,1、结构与工作原理,2、主要性能,（二）、光电倍增管及其基本特性,1、结构和工作原理,2、主要参数,四、外光电效应器件,（一）、光电管及其基本特性,1.结构与工作原理,当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作用下形成电流I。,光,光窗,（1）内充有少量的惰性气体，如氩、氖；（2）当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离；（3）增大了光电流，从而使灵敏度增加；（4）但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。,充气光电管,真

13、空光电管充气光电管,2、主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性,（1）光电管的伏安特性,在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。,（2）、光电管的光照特性,指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。,2,1,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,1-氧铯阴极2-锑铯阴极,（3）、光电管光谱特性保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。同一光电管对于不同频率光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,对红外光源，常用

14、银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。,国产光电管的技术参数,锑钾钠铯阴极光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。,（二）、光电倍增管及其基本特性,1.结构和工作原理,组成：光阴极、次阴极(倍增电极)、阳极光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍。,使用时在各个倍增电极上

15、均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。,入射光,光电阴极,第一倍增极,阳极,第三倍增极,由于相邻两个倍增电极之间有电位差，因此，存在加速电场，从阴极打击出的光电子，在电场的加速下，打到第一个倍增电极上，引起二次电子发射，每个电子能从这倍增电极上打出36倍的次级电子，被打出的次级电子再经电场加速，打在第三倍增电极上，电子数又增加36倍，如此不断倍增下去，阳极作后收集到的电子数将达到105-107倍的光电子。,各个倍增极均加电压，阴极电位最低，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高，同时这些倍增电机在一定能量的电子轰击下，能够产生更多的次

16、级电子。,2、主要参数,（1）倍增系数M如果n个倍增电极的都相同，则M=因此，阳极电流I为I=ii光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为=I/i=,（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。注意：极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。,最大灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。,（3）暗电流和本底脉冲暗电流：由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这

17、种电流称为暗电流。本底电流：如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本底电流具有脉冲形式。,（4）光电倍增管的光谱特性,国产光电倍增管的技术参数,第二节光电效应与光电器件,一、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念,四、外光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,（一）、光敏电阻,1、光敏电阻的结构,2、光敏电阻的主要参数和基本特性,（二）、光电池,1、光电池的结构和工作原理,2、基本特性,1、光敏二极管,（三）、光敏二极管和光敏三极管,2、高速光电

18、二极管,3、光敏三极管,（四）光电耦合器件,五、内光电效应器件,（一）、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。,1、光敏电阻的结构,光敏电阻连接到外电路：,2.光敏电阻的主要参数和基本特性（1）暗电流、亮电流、光电流暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流为暗电流。亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。,（2）光照特性,用于描述光电流与光照强度之间的关系。,多数是非线性的；不宜做线性测量元件;多做

19、开关式的光电转换器。,（3）光谱特性,硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。选用时把元件和光源结合起来考虑。,（4）伏安特性在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。,所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。,在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。,时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。,多数光敏电阻的时间常数都很大。,（6）温度特性,随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降

20、，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。提高灵敏度(接收较长波段的辐射):将元件降温使用。例如，可利用制冷器使光敏电阻的温度降低。,（二）、光电池,定义：利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件(太阳能电池)。特点：有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。,分类：硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,通信卫星上的光电池,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应

21、特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,1、光电池的结构和工作原理,在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。,光电池的表示符号,基本电路,若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。,（1）光照特性开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线。,2.基本特性,光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,

22、(2)光谱特性,硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。,（3）温度特性指开路电压和短路电流随温度变化的关系。,开路电压随温度升高而下降的速度较快。,关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,短路电流随温度升高而缓慢增加。,1.光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。,光敏二极管符号,（三）、光敏二极

23、管和光敏三极管,光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。,I,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,2、高速光电二极管（1）PIN结光电二极管,P、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。,入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管比PN结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。,P区一边失去空穴，留下带负电的杂

24、质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷（很薄的空间电荷区），在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。,（2）雪崩式光电二极管（APD）,在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。,当光入射到PN结时，光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200kV/cm以上，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电

25、子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增，构成强大的光电流。,3、光敏三极管,集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。,普通三极管,光敏三极管,IC,IB,e,EB,EC,IE,RC,Rb,c,b,N,N,P,基区很薄；基极不接引线；集电极面积较大。,当集电极加上正电压,基极开路时,集电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,光生电子被拉到集电极,基区留下空穴,使基极与发射极间的电压升高,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,

26、且集电极电流为光电流的倍。,（1）光谱特性,光敏三极管的主要特性：,存在一个最佳灵敏度的峰值波长,硅的峰值波长为9000，锗的峰值波长为15000。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。,（2）伏安特性,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,同一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只要将入射光照在发射极e与基极b之间的PN结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,光敏晶体管

27、的光照特性,（3）光照特性,故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件。,近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。,（4）温度特性,温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。,（5）光敏三极管的频率特性,频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,（四）光电耦合器件,组成：发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。分类:光电耦合器:用于实现电隔离;光电开关:用于检测有无物体。,1.光电耦合器发光元件和接收元件封装在一个外壳

28、内；有金属封装和塑料封装两种；发光器件采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加；光电接收元件是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。,2.光电开关利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。,光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等。,第二节光电效应与光电器件,一、外光电效应,二、内光电效应,三、基本概念,四、外

29、光电效应器件,五、内光电效应器件,六、应用举例,光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式：,六、应用举例,1、光电转速传感器,2、感烟传感器(火灾报警器的一部分)由红外发光二极管及光电三极管组成，但二者不在同一平面上(有一定角度)。在无烟状态时，光电三极管接收不到红外线；当发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾粒子进入感烟传感器时，由于红外线受烟雾粒于折射作用，光电三极管接收到红外线，给出烟雾报警信号。,3、光电液位检测在液体未升到发光二极管及光电三极管平面时，红外发光二极管发出的红外线不会被光电三极管接收；当液位上升到发光二极管及光电三极管平面时，出于液体的折射，光电三极管接收到红外信号由此获得液位信

30、号。,4、光电开关的应用下图为检测生产流水线上瓶盖及商标的实例。除记数外，还可进行位置检测(如装配体有没有到位)、质量检查(如瓶盖是否压上，标签是否漏贴等)。,5、自动切断控制的实例可以根据被测物的特定标记进行自动控制(如根据特定的标记检测后进行自动切断、封口等)。光电开关主要用于自动包装机、自动灌装机、自动封装机、自动或半自动装配流水线等自动化机械装置。,6、防盗报警电路将光电断路器安装于抽屉的背后，并设一电源开关于隐蔽的地方，当需要防盗时将开关合上。平时由于挡板插入槽口，光电三极管仅有暗电流，BG不导通，继电器J不吸合。当小偷撬开抽屉时，一拉开抽屉则挡板离开槽口，光电三极管的光电流使R2上

31、产生接近电源的电压，BG导通，继电器吸合，发出报警信号。,这种装置同样可以安装在门窗上起防盗报警作用。,7、自动照明灯D1为触发二极管，触发电压约30v左右。在白天时，光敏电阻的阻值低，其分压低于30v(A点)，触发二极管截止，双向可控硅无触发电流，T1、T2之间呈断开状态；天暗后，光敏电阻阻值增加，A点电压大于30v，触发二极管导通，双向可控硅呈导通状态，电灯亮。R1、C1为保护双向可控硅的吸收电路。,正常强度光照在光敏电阻上，因阻值较小，端压小于0.5V，电路中三极管截止，即流过三极管T和小白炽灯泡的电流趋于零，灯暗，当光照逐渐变暗，光敏电阻阻值变大，三极管逐渐导通，流过三极管和灯的电流逐

32、渐变大，灯D逐渐变亮。入射光敏电阻的照度为零时，灯最亮。二极管D的作用是保护三极管，防止大反向电压加在三极管的be两极。,8、路障灯、航标指示灯电路白天光敏电阻阻值低，BGl截止，BG2也截止，双向可控硅处于断的状态，当天黑时，光敏电阻阻值增加，BGl与BG2相继导通，双向可控硅有触发电流而处于导通状态，灯亮。,9、路灯自动控制器,天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止J释放，路灯灭。,10、太阳能电池电源系统,发电装置：单体太阳能电池太阳电池组件阵列,调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电,11、光电管在电影放映机上的应用,影片声音重放过程,

33、录制：声音-机械振动-通过光束宽度变换-记录在电影胶片上-宽度不同的影像声迹重放：光-声迹-光电管声迹宽度起伏变化-光线强弱变化-光电流变化,12、注油液位控制装置,13、测量心率,脉搏跳动-生物组织血液量变化-传输光的性能变化变化速率-心率,手指光反射强度变化的测量,14、条形码扫描笔,15、红外线警戒报警器,有人遮挡：报警,16、大米分选机,大米及杂质在光照下，发出不同光信号,17、可逆计数器,运动方向,出入场人数统计,可逆计数器电路原理图,18、烟尘浊度监测仪,19、工件表面粗糙度及尺寸测量,20、燃气器具中的脉冲点火控制器,门窗防盗控制,自动扶梯自动启停,21、其他应用对射式光电开关,

34、汽车通过检测,汽车喷涂控制,鉴别不同高度物体,高度判别,缺件剔除,料位控制,对射式光电开关,围墙监护警戒,远距对射式光电开关,库房卫士,安全警戒,扩散反射式光电开关,料位控制,烟雾报警,带材对中控制,缺料检测,斜度检测,扩散反射式光电开关,裂缝检测,镜面反射式光电开关,透明玻璃瓶检测,长度控制,限距式光电开关,产品计数,液位检测,气流量监测,检测有无盖,限距式光电开关,料径控制,行程控制,转速监测,超速或滞速判别,槽型光电开关,起重机位置控制,定长剪切,脉冲发生器,光电开关式标志传感器,透明薄膜上标志检测,电度表转速检测,仪表指针位置检测,标志检测,第三节光纤传感器,一、光纤的结构及其传光原理

35、,二、光纤传感器的原理及分类,三、光纤传感器的调制器原理,四、光纤传感器的应用,用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。,不受电磁干扰体积小重量轻可绕曲灵敏度高耐腐蚀高绝缘强度防爆性好集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容应用：位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、流量、浓度、磁场等70多个物理量的测量。,优点：,各种装饰性光导纤维,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,一、光纤的结构及其传光原理1、光纤的结构,575m,主要由三部分组成中心纤芯；外层包层；护套尼龙料。导光

36、能力取决于纤芯和包层的性质，n1n2,2、光纤导光原理,n0sini=n1sinjn1sink=n2sinr,i,k,A,B,C,D,E,F,K,n0,n2,n1,斯奈尔定律：,sini=(n1/n0)sinjsink=(n2/n1)sinr,因j=90k所以,产生全反射;光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,当r=90的临界状态,光的全反射实验,意义：表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。,数值孔径NA(NumericalAperture)：NA=sini0,入射角的最大值为：,定义,(1)、NA表示光纤的集光能力，无论光源的

37、发射功率有多大，只要在2c张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。（2）一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。（3）产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。石英光纤数值孔径一般为0.20.4。,NA意义讨论,按纤芯和包层材料性质分：玻璃光纤和塑料光纤；按折射率分有阶跃型和梯度型；,按光纤的传播模式来分：多模光纤和单模光纤。,3、光纤的种类,多模光纤多用于非功能型（NF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FF）光纤传感器。,(a)阶跃型；(b)梯度型,光在梯度型的传输,阶跃型光纤纤芯的折射率不随半径而变

38、；但在纤芯与包层界面处折射率有突变。,梯度型光纤纤芯的折射率沿径向由中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率一致。因此，这类光纤有聚焦作用；光线传播的轨迹近似于正弦波，,单模光纤：纤芯直径为212m，只能传输一种模式。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。多模光纤：纤芯直径较大（50100m），传输模式较多。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。,二、光纤传感器的原理及分类,1、光纤传感器的结构,光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器

39、、敏感元件（光纤或非光纤的）、光接收器、信号处理系统以及光纤构成。,传统传感器是以机电测量为基础,光纤传感器则以光学测量为基础,光是一种电磁波：,A：电场E的振幅矢量；：光波的振动频率；:光相位；t:光的传播时间。只要使光的强度、偏振态（矢量A的方向）、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，即可获得所需要的被测量的信息。,2、光纤传感器的工作原理,3、光纤传感器的类型功能型（FunctionalFiber，缩写FF）传感器利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，又称为传感型光纤传感器（在被测对象作用

40、下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息）；非功能型（NonFunctionalFiber，缩写NFF）传感器光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，又称为传光型光纤传感器。,1）功能型（全光纤型）光纤传感器将“传”和“感”合为一体的传感器；光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能；光纤是连续的。,信号处理,光受信器,光纤敏感元件,光发送器,2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用；只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能

41、依靠其他物理性质的功能元件完成；光纤不连续。,3）拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。,信号处理,光受信器,光发送器,光纤,耦合器,被测对象,干涉型,4、光纤传感器的分类,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,非干涉型,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,非干涉型,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,非干涉型,注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型,三、

42、光纤传感器的调制器原理形式：强度调制、偏振调制、频率调制、相位调制，波长调制1、强度调制型光纤传感器,利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响。,输出ID,入射光,强度调制,t,光源,出射光,光探测器,原理如图：当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。,（1）微弯效应,调制环节在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。,（2）光强度的外调制,2、偏振调制光

43、纤传感器,利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。,（1）普克耳（Pockels）效应,当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高压，晶体将呈现双折射现象，这种现象称为普克耳效应。,（2）法拉第磁光效应,平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面将发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应。,光矢量旋转角:,式中V正常光折射率；L物质中的光程；H磁场强度。,磁场,偏振光片,磁光材料,L,检偏片,光源,（3）光弹效应,在垂直于光波传播方向施

44、加压力，材料将会产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。,偏振光的相位变化为,式中k物质光弹性系数；P施加在物体上的压强；l光波通过的材料长度。,3、频率调制光纤传感器,利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。应用：利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的拉曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。,利用光学多普勒效应实现频率调制：观察者在O处观察到的频率为fs。根据多普勒原理可得,拉曼散射（Ramanscattering）：光通过介质时由于入射光

45、与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。又称拉曼效应。1923年A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C.V.拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射为研究晶体或分子的结构提供了重要手段，在光谱学中形成了拉曼光谱学的一分支。用拉曼散射的方法可迅速定出分子振动的固有频率，并可决定分子的对称性、分子内部的作用力等。自激光问世以后，关于激光的拉曼散射的研究得到了迅速发展，强激光引起的非线性效应导致了新的拉曼散射现象。,拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两侧对称地伴有频率为v0vi(i1，2，3，）的谱线，长波

46、一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。,4、相位调制传感器,利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。应用：利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器；利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高；缺点：特殊

47、光纤及高精度检测系统，成本高。,光纤受到纵向（轴向）的机械应力作用时，将产生三个主要的物理效应，导致光纤中光相位的变化：光纤的长度变化应变效应光纤芯的直径变化泊松效应光纤芯的折射率变化光弹效应,（1）应力应变效应,在所有干涉型光纤传感器中，光纤中传播光的相位响应都是与待测场中光纤的长度L成正比。这个待测场可以是变化的温度T。由于干涉型光纤传感器中的信号臂光纤可以足够长，因此信号光纤对温度变化有很高的灵敏度。,（2）热胀冷缩效应,5、波长调制,利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。应用：液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器

48、；优点：对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感；缺点：解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。,1、光纤温度开关利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。,水银柱式光纤温度开关,浸液自聚焦透镜光纤水银,四、光纤传感器的应用,当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,2、遮光式光纤温度计,1遮光板；2双金属片,3、透射型半导体光纤温度传感器,半导体的吸收光

49、谱与材料的Eg有关，而Eg却随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为：,半导体材料的Eg随温度的上升而减小，亦即其本征吸收波长g随温度的上升而增大。,半导体的透光性：当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若发射光g一定，则透射光强度将随着温度的升高而减小，即通过检测透射光的强度或透射率，即可检测温度变化。,单端探头式光纤温度传感器：利用半导体的吸收特性制作；光纤中的入射光线经探头顶部的反射膜反射后返回，在光路中放入对温度敏感的半导体薄片对光进行吸收，则出射光强将随温度的变化而变化。,4、膜片反射式光纤压力传感器,Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器如图。在Y形光纤束前端放置一感压膜

50、片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,膜片的中心挠度y为,R膜片有效半径；t膜片厚度；p外加压力；E膜片材料的弹性模量；为膜片的泊松比。,若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。,(a)传感器结构,(b)探头截面结构,(c)测量原理,p0,P=0,P0,改进的膜片反射式,将上式两边取对数且满足(Ap)21时,等式右边展开后取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。,两束输出光的光强之比为,A:与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；P:待测量压力。,光纤被夹在一对锯齿板中间，当光纤不受力时，光线从光纤中穿过，没有能量损失。当锯齿板受外力作用而产生位移时，光纤则发生许多微弯，这时在纤芯中传输的光在微弯处