光电式传感器.ppt课件.ppt

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第七章第七章 光电式传感器光电式传感器原理原理 首先把首先把被测量的变化被测量的变化转换成转换成光信号的变化光信号的变化，然后通过光电器件变换成然后通过光电器件变换成电信号电信号。辐射源辐射源光学通路光学通路光电器件光电器件输出输出被测量被测量特性特性 频谱宽、非接触测量、体积小、重量轻等哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学7-1 7-1 光源光源 热辐射光源热辐射光源 气体放电光源气体放电光源 电致发光器件电致发光器件 激光器激光器 光源是光电式传感器的一个组成部分，大多光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。数光电传感器都离不开光源。哈尔滨工业大

2、学哈尔滨工业大学一、热辐射光源一、热辐射光源 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 特点：物体温度越高，辐射能量越大特点：物体温度越高，辐射能量越大 代表：白炽灯、卤钨灯代表：白炽灯、卤钨灯哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、气体放电光源二、气体放电光源 原理：原理：电流通过气体会产生发光现象电流通过气体会产生发光现象 特点：特点：改变气体成分、压力、阴极材料和放电电流改变气体成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体 代表：代表：日光灯日光灯哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、电致发光器件三、电致

3、发光器件 原理：原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光称为电致发光 特点：特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 代表：代表：发光二极管发光二极管哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、激光器四、激光器(Light amplification by stimulated emission of radiation)定义：定义：能够产生能够产生光受激辐射放大光受激辐射放大现象的器件现象的器件 特点：特点：高单色性高单色性、高方向性好、高亮度、高相干性、高方向性好、高亮度、高相干性 分类：分类：固体激光器、

4、气体激光器、半导体激光器、固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器液体激光器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学7-2 7-2 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、光电效应一、光电效应 光电传感器的工作原理基于光电效应光电传感器的工作原理基于光电效应 光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子子光子所组成，每一个光子能量为：光子所组成，每一个光子能量为：Ehfh 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34J.s；f 光的频率（光的频率（s-1）。）。光电效应：光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子

5、的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种：1 1、外光电效应：、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。物体表面，形成光电流。光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A A0 0和和动能，即：动能，即：20012kEmvhfA 不同材料有不同的逸出功，对某种材料

6、而言有一个频不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，能激发电子，此频率限成为此频率限成为“红限红限”，其临界波长，其临界波长K K为：为：m m电子质量；电子质量；v v0 0电子逸出速度；电子逸出速度；A A0 0物体的表面电子逸出功。物体的表面电子逸出功。0/Khc Ac c 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能逸出物体表面电子具有的动能外光电效应典型元件有外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。光电管、光电倍增管等。哈尔滨工业大学哈尔滨

7、工业大学2 2、内光电效应：内光电效应：又称光导电效应，又称光导电效应，在光照作用下，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。典型的光电元件有象。典型的光电元件有光敏电阻，光敏二极管等。光敏电阻，光敏二极管等。自由电子所占能带自由电子所占能带价电子所占能带价电子所占能带禁带禁带导带导带价带价带 电子能量电子能量Eh Eg哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3 3、光生伏特效应：光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。典型光电元件有一定方向的电动势的现象。典型光电元件有光电池光电池等。等。

8、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、光电器件二、光电器件 1、外光电效应应用器件、外光电效应应用器件A AK KA AK K金属底层光电管金属底层光电管 光透明光电管光透明光电管A阳极，阳极，K阴极阴极 当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正当阴极受到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生电流。子流，在外电路中便产生电流。光信号光信号电信号电信号哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电管的主要性能光电管的主要性能光电管光电管150100502020lm40lm60lm80

9、lm100lm120lm4681012阳极电压阳极电压/V/VI IA A/A/A哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光照特性曲线的斜率称光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。为光电管的灵敏度。1-氧铯阴极氧铯阴极2-锑铯阴极锑铯阴极哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(3)(3)光电管的光电管的光谱特性光谱特性 一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红型光

10、电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限限c=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。中。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电倍增管光电倍增管 倍增极上的涂料在电子轰击下能发射倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子；更多电子；倍增极之间有依次增大的加速电压。倍增极之间有依次增大的加速电压。二次发射系数二次发射系数 由光电阴极、若干倍增极和阳极三由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成部分组成。AK哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次

11、发射系数等于各倍增电极的二次发射系数i 的乘积。如果的乘积。如果n个倍增电极的个倍增电极的i 都一样（都一样（），则），则inM所以所以niI式中，式中，i为光电阴极的光电流为光电阴极的光电流 光电倍增管的主要性能光电倍增管的主要性能哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学几种光电倍增管的外形几种光电倍增管的外形 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、内光电效应应用器件：、内光电效应应用器件：结构结构暗电阻暗电阻 暗电流暗电流 亮电阻亮电阻 亮电流亮电流 光电流光电流 光敏电阻光敏电阻用半导体材料制成用半导体材料制成一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，好，此时光敏电阻的灵

12、敏度高。实际光敏此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻亮电阻值在几千欧以下。值在几千欧以下。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。电转换器。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光敏二极管光敏二极管RL PN光敏二极管在电路中一般是处于反向工光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。合检测等方面的应用。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。当光照射时

13、，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当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。态。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光敏三极管光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引的照射面积，且基极一般不接引线。线。cbeRL集电极电流是光电流的集电极电流是光电流的1+倍。倍。暗电流：暗电流：(1)CEOCBOII哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电池的结构图光电池的结构图下电极下电极梳状电极梳状电极SiO2抗反射膜抗反射膜硅光电池的结构如图。它是在一硅光电池的结构如图。它是在一块块N型硅片上用扩散的办法掺入型硅片上用扩散的办法掺入一些一些P型

14、杂质（如硼）形成型杂质（如硼）形成PN结。结。3、光生伏特效应应用器件：、光生伏特效应应用器件：当光照到当光照到PN结区时，如果光子能结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电量足够大，将在结区附近激发出电子子-空穴对，空穴对，在在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，区聚积正电荷，这样这样N区和区和P区之区之间出现电位差。间出现电位差。若将若将PN结两端用导线连起来，电路结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出就可测出光生电动势。光生电动势。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学太阳能电池片太阳能电池片哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学

15、70年代发展起来，发展自年代发展起来，发展自MOS器件器件 MOS光敏单元阵列光敏单元阵列 读出移位寄存器读出移位寄存器 用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用途：广泛用于图像识别、传输；典型应 用：摄像机固态图像拾取。用：摄像机固态图像拾取。图像传感器4、电荷耦合器件、电荷耦合器件（Charge-Coupled Device，简称，简称CCD）哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1）MOS光敏单元光敏单元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或型或N型衬底型衬底SiO2电极电极结构图结构图哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1）MOS光敏单元光敏单元 施加正电压于电极上施加正电压于电极上P型区形型

16、区形成势阱成势阱产生电子和空穴产生电子和空穴势阱俘获电子（与光强成正势阱俘获电子（与光强成正比）比）形成形成MOS光敏元（象素）光敏元（象素）光光哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2）CCD时钟电压与电荷传输关系时钟电压与电荷传输关系 1 3 2遮光层遮光层氧化物氧化物P型硅型硅金属金属读出移位寄存器读出移位寄存器 1 2 3tt1t2t3t4读出移位寄存器是电荷图像输出电路读出移位寄存器是电荷图像输出电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学123123123123t1t2t3t4t5哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学CCD信号读出电路：信号读出电路：复位管复位管电荷积分器电荷积分器源跟随器源跟随器哈尔滨工业大学

17、哈尔滨工业大学上文回顾上文回顾 磁电式传感器磁电式传感器磁栅传感器磁栅传感器组成组成原理原理光电传感器光电传感器光源光源光电效应及光电器件光电效应及光电器件外光电效应、内光电效应、光电伏特效应外光电效应、内光电效应、光电伏特效应热辐射、气体放电、电致发光、激光热辐射、气体放电、电致发光、激光光电管光电管倍增管倍增管光敏电阻光敏电阻光敏二、三极管光敏二、三极管光电池光电池CCDCCD哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3）线阵与面阵）线阵与面阵CCD单通道线阵单通道线阵转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光不透光输出移位寄存器移位寄存器一列光敏单元组成；一列光敏单元组成；由转移栅及一系列移位寄存器组成。

18、由转移栅及一系列移位寄存器组成。光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光积分区光积分区输出输出转移栅转移栅双通道线阵双通道线阵A寄存器寄存器B寄存器寄存器X有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷

19、转移到移位寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的寄存器，偶数光敏单元的电荷转移到电荷转移到B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学输出输出面阵：光敏元排列成矩阵面阵：光敏元排列成矩阵光敏元面阵、光敏元面阵、存储器面阵、存储器面阵、读出移位寄存读出移位寄存器线阵。器线阵。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学5、位置位置 敏感器件敏感器件（Position Sensitive Detector-PSD）分类：一维、二维。分类：一维、二维。PNI123I1I

20、2I0LLXA入射光入射光212112AIIXLII原理见教材原理见教材P137横向光电效应横向光电效应101021()221()2AALXIILLXIIL哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学PSD用作距离传感器：用作距离传感器：1110201,xLxxBfIIIIxLLL02xIBfLL I问题：问题：1、所能测量的最大距、所能测量的最大距离与最小距离？离与最小距离？2、遮光、遮光典型应用：典型应用：红外红外LEDPSD透镜透镜透镜透镜哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学优点：高灵敏度、高分辨力、响应速度快、配置电路简单等应用范围：位置精确测量、兵器制导和跟踪、工业自动控制等哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学棱镜

21、系统或光栅棱镜系统或光栅汇聚光组汇聚光组CCD面阵面阵步进系统步进系统XY驱动控制系统驱动控制系统信号采集系统信号采集系统信号处理系统信号处理系统计算机计算机系统系统测量系统测量系统信号采集处理系统信号采集处理系统哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学驱动电路驱动电路分类机构分类机构计算机计算机细化二值化细化二值化处理处理传送带传送带CCD透镜透镜1分类箱分类箱23哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学RFID Tag汽车车牌汽车车牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端資料庫後端電腦後端電腦触发触发存取資料存取資料收发信号收发信号拍照拍照通过通过API传送传送传回信号传回信号哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、

22、概述一、概述 增量式增量式(脉冲式脉冲式)：需要一个计数系统，旋转的码盘需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对通过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数进行加或减，从而记录了旋转的位移量。某个基数进行加或减，从而记录了旋转的位移量。绝对式：绝对式：它可以在任意位置给出一个固定的与位置它可以在任意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。相对应的数字码输出。7-3 7-3 光电码盘光电码盘哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码式表示的电信号的转换部件。转换成以数字代码

23、式表示的电信号的转换部件。下图是工作原理示意图。下图是工作原理示意图。1-光源；光源；2-柱面镜；柱面镜；3-码盘；码盘；4-狭缝；狭缝；5-元件。元件。二、工作原理二、工作原理 由光源1发出的光线经柱面镜2变成平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按照一定规律排列的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线镜狭缝4后，形成一束很窄的光束照射到光电元件5上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学零位零位标识标识方向方向辨别辨别哈

24、尔滨工业大学哈尔滨工业大学p绝对式编码器绝对式编码器不需要基准数据，更不需要计数系不需要基准数据，更不需要计数系统。它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数统。它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出字码输出哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 1、下图所示是一个、下图所示是一个6位的二进制码盘。位的二进制码盘。三、码盘和码制三、码盘和码制360 2n角度分辨率：同步困难同步困难哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、误差问题、误差问题 1）编码器的精度取决于码盘的编码器的精度取决于码盘的，分辨率则，分辨率则决定于码道的决定于码道的。措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道措施：需要增大码盘的尺寸以容

25、纳更多的码道 （对工艺提出很高要求）（对工艺提出很高要求）2）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前或延后，会造成读码误差。或延后，会造成读码误差。a、编码技术；、编码技术；b、扫描技术、扫描技术 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、循环码循环码(格雷码格雷码)盘盘 右图为右图为6位循环码码盘。位循环码码盘。（1）n位循环码有位循环码有2n种不同种不同 编码；编码；（2）循环码为无权码；）循环码为无权码；（3）循环码码盘相邻区域）循环码码盘相邻区域 的编码只有一位变化，的编码只有一位变化，不会产生同步误差。不会产生同步误差。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学DBG

26、DBG十进制十进制二进制二进制循环码循环码 十进制十进制二进制二进制循环码循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困难：循环码变为十进制数电路复杂困难：循环码变为十进制数电路复杂哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、应用四、应用光学码盘测角原理光学码盘测角原理光光放大放大鉴幅整形鉴幅整形纠错纠错当量变换当量变换 寄存寄存显示译码显示译码

27、光源光源聚光镜聚光镜码盘码盘狭缝狭缝光电元件光电元件 光源光源1通过大孔径聚光镜通过大孔径聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。上。根据码盘所处的转角位置，位于狭缝根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面的一排光电元件后面的一排光电元件5输输出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后译码显示。纠错电路和寄存电路在需要时采用。变换，最后译码显示。纠错电路和寄存电路在需要时采用。二进制数转为度分秒二进制数转为度分秒哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学五、产品五、产品哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工

28、业大学哈尔滨工业大学？思考题？思考题n为什么为什么BCD码制的码盘会产生误差？码制的码盘会产生误差？n循环码的特点。循环码的特点。n一个一个10码道的循环码码盘，其最小分辨力码道的循环码码盘，其最小分辨力为多少？为多少？哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学7-4 7-4 光纤传感器光纤传感器p 光光(导导)纤纤(维维)是是20世纪世纪70年代的重要发明之一，年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地术，创造了光电子学的新天地(领域领域)。p 光纤传感器始于光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导年，把待测

29、量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。光联系起来就形成光纤传感器。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐 高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。高温、耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、生物医学、环保、食品、化工生物医学、环保、食品、化工 电流磁场、电压电场、温度、速度、电流磁场、电压电场、温度、速度、振动、压力、射线、图像振动、压力、射线、图像 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、光纤传感器的基本知识

30、一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构光纤的结构 注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯纤芯包层包层外套外套哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2.光纤的分类光纤的分类1）按折射率分布）按折射率分布折射率变化规律折射率变化规律分类分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型 采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内即纤芯内的折射率分布大体

31、上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图如图 所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，中心轴折射率最大中心轴折射率最大,界面处的折射与包层相等。界面处的折射与包层相等。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射因此

32、，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 是指是指光波传播的途径和方式光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种

33、光信号采取很多模式传播将使一部分光因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。要少。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 一般纤芯直径为一般纤芯直径为212m，只能传输一种模，只能传输一种模式称为式称为。这类光纤传输性能好，信号。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高，灵敏度高，但但由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困由于纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。难。纤芯

34、直径较大（纤芯直径较大（50100m），传输模式），传输模式较多称为较多称为，这类光纤的性能较差，输，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，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。故 容 易 制 造，连 接 和 耦 合 比 较 方 便。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光是一种电磁波光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间折射率变化缓慢的空间,可以用可以用“光线光线”即即

35、几何光学几何光学的的方法来分析光波的传播现象方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的这对于光纤中的多模光纤多模光纤是完全适用的。为此是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学（Snells Law）当光由光密物质当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。生折射，其折射角大于入射角。即即n1n2时，时，2 1。(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 可见，入射角可见，入射角 1增大时，增大时，折射角折射角 2也随之增大，且始终也随之增大，且始终 2

36、1。n1、n2、2、1之间的数学关系为之间的数学关系为 n1sin 1=n2sin 2 n1n2 1 2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学当当 2=90时，时，1仍仍90，此时，出射光线沿界面传，此时，出射光线沿界面传播如图（播如图（b），称为临界状态（），称为临界状态（1 10）。这时有）。这时有n1n2(b)临界状态示意图临界状态示意图 2 1 10=arcsin(n2/n1)sin 10=n2/n1 sin 2 sin901临界角临界角n1n2(c)光全反射示意图光全反射示意图 1 2当当 1 i0并继续增大时，并继续增大时，2 90，这时便发生全反射现象，这时便发生全反射现象，如图如图(c)

37、，其出射光不再折射，其出射光不再折射而全部反射回来。而全部反射回来。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学n1n2n0阶跃型光纤传光示意图阶跃型光纤传光示意图0110sinsinnn011211arcsinCnn要发生全反射，入射角的临界值要发生全反射，入射角的临界值c22120arcsin()cnnn哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1）数值孔径）数值孔径 数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数，用性能的一个重要参数，用NA表示。表示。2）损耗：）损耗：光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定

38、义损耗系数耗系数1o10lg PLLP，光纤长度入射端光功率入射端光功率出射端光功率出射端光功率22012sincNAnnn哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学目前常用的光纤材料有石英玻璃、多目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在这些材料中，由于存在在杂质离子、原子的缺陷杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造等都会吸收光，从而造成材料损耗。成材料损耗。是由于是由于材料密度及浓度不均匀材料密度及浓度不均匀引起的。引起的。光纤拉制时光纤拉制时粗细不均匀粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变，造成纤维尺寸沿轴线变化，化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯

39、和包层同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的界面的不光滑、污染不光滑、污染等，也会造成严重的散射损等，也会造成严重的散射损耗。耗。是使用过程中可能产生的一种损耗。是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤光纤弯曲弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。层产生损耗。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、光纤传感器二、光纤传感器光纤传感技术是伴随着光通讯技术的发展而逐步形光纤传感技术是伴随着光通讯技术的发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光成的。在光通讯系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的波信号的

40、媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传光信号受外界干扰越小越好。但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振态、波长（颜色）等数如光强、相位、频率、偏振态、波长（颜色）等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感技术。大小，

41、于是产生了光纤传感技术。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测光纤传感器则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、敏感元件的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤或非光纤的光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，、光接收器、信号处理系统以及光纤构成

42、，见图见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。处理得到所期待的被测量。光纤光纤信号处理信号处理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光发送器光发送器（b）光纤传感器）光纤传感器信号处理信号处理电电 源源信号接收信号接收敏感元件敏感元件（a）传统传感器）传统传感器 导线导线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(1)(1)根据光纤在传感器中

43、的作用分类根据光纤在传感器中的作用分类光纤传感器分为光纤传感器分为功能型、非功能型两功能型、非功能型两大类。大类。1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤或特殊光纤)作传感元件，将作传感元件，将“传传”和和“感感”合为一体的传感器。光纤不仅合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素起传光作用，而且还利用光纤在外界因素(弯曲、相变弯曲、相变)的作用的作用下，其光学特性下，其光学特性(光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等)的变化来实现的变化来实现“传传”

44、和和“感感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，

45、成本低。传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 （2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式功能型光纤传感器分为：功能型光纤传感器分为：强度调制型、相位调制、偏振强度调制型、相位调制、偏振调制调制等。等。1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 强度调制光纤传感器的强度调制光纤传感器的基本原理基本原理是：待测物理量引是：待测物理量引起光纤中传输光的光强变化，

46、通过检测光强的变化实现起光纤中传输光的光强变化，通过检测光强的变化实现对待测量的测量。对待测量的测量。调制的方法包括两大类：调制的方法包括两大类：1、改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角；、改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角；2、改变光纤纤芯或包层的折射率、改变光纤纤芯或包层的折射率哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学图图7-27 光强度调制型光纤传感器原理图光强度调制型光纤传感器原理图a)光纤弯曲光纤弯曲 b)折射率变化折射率变化哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2 2）相位调制传感器）相位调制传感器 相位调制光纤传感器的相位调制光纤传感器的基本原理基本原理是：通过被测能是：通过被测能

47、量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。测出待测的物理量。目前的各类光探测器都不能敏感光的相位变化，目前的各类光探测器都不能敏感光的相位变化，必须采用必须采用干涉测量干涉测量技术，才能实现对外界物理量的检技术，才能实现对外界物理量的检测。测。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 常用的干涉仪有四种：迈克尔逊常用的干涉仪有四种：迈克尔逊(Michlson)、马赫马赫-琴特琴特(Mach-Zehnder)、萨古纳克萨古纳克(Sagnac)、法布里

48、法布里-珀罗珀罗(Fabry-perot)。图图7-28 马赫马赫-琴特干涉仪原理图琴特干涉仪原理图哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学上文回顾上文回顾光电传感器光电传感器CCDCCDPSDPSD光电码盘光电码盘光纤光纤结构：纤芯、包层、外套结构：纤芯、包层、外套分类：单模分类：单模/多模、阶跃型多模、阶跃型/梯度型梯度型导光原理：全反射导光原理：全反射(临界角临界角)、阶跃型光纤入射临界角、阶跃型光纤入射临界角光纤传感器光纤传感器分类：功能型分类：功能型/非功能型非功能型 强度调制型、相位调制、偏振调制强度调制型、相位调制、偏振调制原理：横向光电效应原理：横向光电效应测距原理测距原理脉冲式、绝对式脉

49、冲式、绝对式哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤电流传感器原理图光纤电流传感器原理图光纤圈数光纤圈数N确定后，旋光角度只与导体的电流成正比与光纤线确定后，旋光角度只与导体的电流成正比与光纤线圈的大小、形状无关，与导体在圈中的位置无关。圈的大小、形状无关，与导体在圈中的位置无关。3 3）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器的偏振调制光纤传感器的基本原理基本原理是：外界因素使光是：外界因素使光纤中偏振态发生变化，并加以检测。纤中偏振态发生变化，并加以检测。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、光纤传感器举例三、光纤传感器举例 基于微弯效应测压力基于微弯效应测压力哈尔滨工业大学哈尔滨工业

50、大学1008060402000.51.01.52.0透射光强%外力N哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学偏振态调制型光纤电流传感器偏振态调制型光纤电流传感器高折射率高折射率浸油浸油显微镜显微镜激光器激光器起偏器起偏器起偏器起偏器显微镜显微镜I1I2光接受器光接受器2121IIII信号处理信号处理输出输出电流导线电流导线耦合器耦合器沃拉斯沃拉斯特棱镜特棱镜消除包消除包层模层模单模传输的临界条件：单模传输的临界条件：22122.40483ddVnnNA光纤直径光纤直径哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学非功能型光纤传感器测温应用非功能型光纤传感器测温应用GaAs半导体半导体光吸收片光吸收片E1E2输出输出温度测量