传感技术及应用9光电式传感器课件.pptx

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-1 8-1 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 特点：物体温度越高，辐射能量越大 代表：白炽灯、卤钨灯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二、气体放电光源二、气体放电光源 原理：电流通过气体会产生发光现象 特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材料和放电电流的大

2、小，可以得到不同光谱范围的辐射源体 代表：日光灯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三、电致发光器件三、电致发光器件 原理：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 特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快 代表：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 定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件 特点：单色性好、方向性好、亮度高 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-2 8-2 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

3、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：h 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

4、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A0和动能，即：和动能，即：不同材料有不同的逸出功，对某种材料而言有一个频率限，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，也不能激发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，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电子质量；电子质量；v

5、0电子逸出速度；电子逸出速度；A0物体的表面电子逸出功。物体的表面电子逸出功。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、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。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

6、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等。光敏电阻等。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

7、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伏安特性伏安特性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），则所以所以式中，式中，i

8、为光电阴极的光电流为光电阴极的光电流 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。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈

9、尔滨工业大学光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对光生载流子光生载流子内建电场作用内建电场作用光电流光电流PN结反向导通结反向导通应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速光敏二极管的结构与一光敏二极管的结构与一般二极管相似、般二极管相似、光敏光敏二极管在电路中一般是二极管在电路中一般是处于反向工作状态。处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，这反向电流称为暗电流，当光照射在当光照射在PN

10、结上，光结上，光子打在子打在PN结附近，使结附近，使PN结附近产生光生电子和光结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在生空穴对，它们在PN结结处的内电场作用下作定向处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、光生伏特效应应用器件：、光生伏特效应应用器件：光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对内建电场作用内建电场作用光生电光生电子被拉向子被拉向N区，光生空穴被拉向区，光生空穴被拉向P区区光电动势光电动势阻挡层阻挡层内建电场内建电场PN结结常见

11、器件：常见器件：光电池（太阳能电池），包括硅光电池、硒光电光电池（太阳能电池），包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。池、砷化镓光电池等。当光照到当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N区区和和P区之间出现电位差区之间出现电位差。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 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

12、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 施加正电压于电极上施加正电压于电极上P型区形成势阱型区形成势阱产生产生电子和空穴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

13、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。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

14、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

15、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。PNI123I1I2I0LLx入射光入射光原理见教材原理见教材P137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：

16、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产品产品哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学棱镜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

17、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、概述一、概述 脉冲式：脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数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。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。8-3 8-3 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

18、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

19、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 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。

20、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、循环码盘循环码盘 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。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学DBGDBG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01234567000000010010001101000101011001110000000100110010011001110101

21、0100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000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 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

22、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。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8-

23、4 8-4 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

24、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

25、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，

26、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。因此，光纤在纤芯中传中心轴折射率最大。因此，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，播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又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。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

27、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

28、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

29、 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

30、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 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n1

31、n2(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)，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011？若空气的光折射率为若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，则在光纤纤芯内全反射，则 0至多为多少？至多为

32、多少？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。性能的一个重要参数。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。定义损耗系数耗系数入射端光功率入射端光功率出射端光功率出射端光功率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

33、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、光纤传感器的结构及特

34、性二、光纤传感器的结构及特性 光纤传感器分类光纤传感器分类1.功能型传感器：传感型、探测型（利用光纤本身的某种敏感特性）2.非功能型传感器：传光型、结构型、强度型、混合型(光纤只作为传光介质)光纤传感器可测参光纤传感器可测参量量1.电流磁场、电压电场；2.温度3.速度4.振动、压力5.射线6.图像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

35、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，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

36、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 在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决一些特别辣手的问题。但无论哪一种传感器，

37、最妙，可解决一些特别辣手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用终都利用光探测器光探测器将光纤的输出变为将光纤的输出变为电信号电信号。光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。探测器、信号处理系统以及光纤等组成。由光源发出的光通由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光调制区内，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，信号经接

38、收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。最后经信号处理得到所需要的被测量。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的作用根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型功能型、非功能型和拾光型三大类。三大类。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

39、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”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

40、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，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 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接收由被测对用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。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

41、度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。计、辐射式光纤温度传感器等。信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤传感器的基本结构光纤传感器的基本结构测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象测测量量对对象象功能型功能型传光型传光型传光型传光型传光（拾光）型传光（拾光）型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形式：形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制。1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤

42、传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、而发光的现象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光

43、纤传感器。振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。结构简单、容易实现，成本低。结构简单、容易实现，成本低。受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场

44、、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发是一种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。生变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的

45、光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利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喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气用物质受强光照射时的喇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；以及利用光致发光的温度传感器等。污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其基本原理是其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，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

46、生变的相位变化，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。量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、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、电压传感器以及磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（利用光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。但由器（光纤陀螺）等。这类传感器的灵敏度很高。

47、但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器传感器光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类干干涉涉型型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、

48、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型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F光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制光强调制；相位调制；偏振态调制

49、；波长调制哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学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浸油显微镜激光器起偏器起偏器显微镜I1I2光接受器信号处理输出电流导线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输出输出温度测量范围：温度测量范围：-20300 C；误差；误差 3 C哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学测量原理：测量原理：利用多数半导体的能带随温度的升高利用多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性。材料吸收波长随温度增加而向

50、长波而减小的特性。材料吸收波长随温度增加而向长波方向移动，可以使透射过半导体材料的光强随温度方向移动，可以使透射过半导体材料的光强随温度而改变，达到测温的目的。而改变，达到测温的目的。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纤液位传感器光纤液位传感器原理：基于全内反射理论原理：基于全内反射理论 当测头没有接触液面（处于空气中）时，当测头没有接触液面（处于空气中）时，光线在探头内发生全内反射，而返回到光电二光线在探头内发生全内反射，而返回到光电二极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射率不相同，所以全内反射被破坏，将有部分光率不相同，所以