1、1.1.掌握掌握光电传感器光电传感器工作原理工作原理 2.2.了解传感器的基本特性了解传感器的基本特性3.3.了解传感器的应用了解传感器的应用4.4.掌握光纤传感器的工作原理及应用掌握光纤传感器的工作原理及应用 第九章第九章 光电式传感器光电式传感器传感器与检测技术传感器与检测技术返回课程索引返回课程索引光电式传感器是将光电式传感器是将光通量转换为电量光通量转换为电量的一种传感器。的一种传感器。光电式传感器的基础是光电转换元件的光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应光电效应。第九章第九章 光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器第九章第九章 光电式传感器光电式传感器9.1 光电效应
2、光电效应 19221922年爱因斯坦因为解释了光电效应而获得诺贝尔奖。年爱因斯坦因为解释了光电效应而获得诺贝尔奖。光照射在物体上可看成是光照射在物体上可看成是一连串的具有能量为一连串的具有能量为E的粒的粒子轰击在物体上。子轰击在物体上。所谓光所谓光电效应即是由于物体吸收电效应即是由于物体吸收了能量为了能量为E的光后逸出光电的光后逸出光电子的现象子的现象。从传感器的角。从传感器的角度看光电效应可分为度看光电效应可分为三大三大类型类型。 1 1、外光电效应、外光电效应 指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象，指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象，逸出的电子称之为逸出的电子称之为光电子光电
3、子。光电管光电管及及光电倍增管光电倍增管均均属这一类。它们的光电发射极，是具有这种特性的属这一类。它们的光电发射极，是具有这种特性的材料制造的。材料制造的。 光电子逸出时所具有的初始动能光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率与光的频率f有有关，关，频率高则动能大频率高则动能大。212kEmhfA 第九章第九章 光电式传感器光电式传感器 每一种金属材料都有一个对应的光频阀值，称为每一种金属材料都有一个对应的光频阀值，称为“红限红限”频率。光线的频率小于红限频率，光子的能频率。光线的频率小于红限频率，光子的能量不足以使金属内的电子逸出，因而小于红限频率的量不足以使金属内的电子逸出，因而小于红限
4、频率的入射光，光强再大也不会产生光电子的发射，反之，入射光，光强再大也不会产生光电子的发射，反之，入射光频率高于红限频率时，即使光线微弱，也会有入射光频率高于红限频率时，即使光线微弱，也会有光电子发射出来。光电子发射出来。光电子的最大初动能随入射光频率光电子的最大初动能随入射光频率的增大而增大的增大而增大。khcA 在入射光的频谱成分不变时，发射的在入射光的频谱成分不变时，发射的光电子数光电子数正比于光强正比于光强。即光强愈大，意味着。即光强愈大，意味着入射光子数目越入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多多，逸出的电子数也就越多。 9.1 光电效应光电效应2 2、内光电效应、内光电效应 在光的
5、照射下在光的照射下材料的电阻率发生改变材料的电阻率发生改变的现象称为的现象称为内光电效应内光电效应。 半导体材料受到光照时，材料中处于价带的电半导体材料受到光照时，材料中处于价带的电子吸收光子能量而形成自由电子，而价带也会相应子吸收光子能量而形成自由电子，而价带也会相应的形成自由空穴，即会产生电子的形成自由空穴，即会产生电子- -空穴对，使其导电空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，也称为率发生变化的现象，也称为光电导效应光电导效应。 基于这种效应的光电器件有基于这种效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻( (光电导
6、型光电导型) )和反向工作的和反向工作的光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管( (光电导结光电导结型型) )。 9.1 光电效应光电效应3 3、光生伏特效应、光生伏特效应 半导体材料半导体材料P-NP-N结受到光照后产生一定方向的电结受到光照后产生一定方向的电动势的现象称为动势的现象称为光生伏特效应光生伏特效应。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的以可见光作光源的光电池光电池是常用的光生伏特型器件。是常用的光生伏特型器件。 9.1 光电效应光电效应硒光电池硒光电池硅光电池硅光电池9.2 常见常见光电元件（传感器）光电元
7、件（传感器）9.2.19.2.1 光电管光电管 光电阴极采用逸出功小的光电阴极采用逸出功小的光敏材料光敏材料( (如铯如铯Cs)Cs)。当光线照。当光线照射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳射到光敏材料上便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。流。光电管有光电管有真空光电真空光电管管和充气光电管。和充气光电管。 第九章第九章 光电式传感器光电式传感器光电倍增管光电倍增管 光电倍增管光电倍增管的工作原理建立的工作原理建立在光电发射和二在光电发射和二次发射的基础上，次发射的基础
8、上，获得大的光电流。获得大的光电流。 9.2.1光电管与光电倍增管光电管与光电倍增管9.2.2 光敏电阻光敏电阻 9.2.常见光电元件常见光电元件光敏电阻是光敏电阻是用具有内光电效应用具有内光电效应的光导材料制成的，为的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。 光敏电阻优点：光敏电阻优点：灵敏度高灵敏度高，体积小、重量轻，体积小、重量轻，光谱响光谱响应范围宽应范围宽，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。，机械强度高、耐冲击和振动，寿命长。缺点：使用时缺点：使用时需要有外部电源需要有外部电源，同时当有电流通过它，同时当有电流通过它时，会产生热的问题
9、。时，会产生热的问题。 无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量无光线时其阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料足够大时，光导材料禁带禁带中的电子受到能量大于其禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度宽度Eg 的光子激发，由的光子激发，由价带价带越过禁带而跃迁到越过禁带而跃迁到导带导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小电阻率变小。 9.2.2 光敏电阻光敏电阻9.2.3 光电池光电池 光电池是光电池是基于光生伏特效应基于光生伏特效应制成的，是自发电式制成的，是自发电式有源器件，结构如下图所示。它有较大面积的有源器件，结构如下图所示。它有较大
10、面积的PN结，结，当光照射在当光照射在PNPN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。9.2.常见光电元件常见光电元件 硅光电池也称硅太硅光电池也称硅太阳能电池，是用单晶硅阳能电池，是用单晶硅制成，在一块制成，在一块N型硅片型硅片上用扩散的方法掺入一上用扩散的方法掺入一些些P型杂质而形成一个型杂质而形成一个大面积的大面积的P-N结，结，P层做层做得很薄，使光线能穿透得很薄，使光线能穿透照到照到P-N结上。结上。 硅太阳能电池具有轻便、简单，硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或不会产生气体或热污染热污染，易于适应环境。还具有光电转换效率高、性，易于适应环境。还具有光电转
11、换效率高、性能稳定、能稳定、光谱范围宽光谱范围宽、频率特性好频率特性好、能耐高温辐射能耐高温辐射等等特点，应用广泛。特点，应用广泛。 9.2.3 光电池光电池硅硅光电池光电池 第九章第九章 光电式传感器光电式传感器9.3 光电式传感器及其应用光电式传感器及其应用 光电传感器是以光为媒介，光电效应为基础的传光电传感器是以光为媒介，光电效应为基础的传感器，主要由感器，主要由光源光源、光学通路光学通路、光电器件光电器件和和测量电路测量电路组成，如图所示：组成，如图所示： 光源可采用灯泡、激光器、发光二极管等可见光源可采用灯泡、激光器、发光二极管等可见光源，也可以采用紫外灯、红外灯等非可见光源。光源，
12、也可以采用紫外灯、红外灯等非可见光源。 1）被测量）被测量X1直接对光源作用，直接对光源作用，使光通量的某参数使光通量的某参数发生变化发生变化； 2）被测量）被测量X2作用于光学通路，作用于光学通路，对传播过程的光通对传播过程的光通量进行调制量进行调制。 （通常为通常为光纤传感器光纤传感器所采用所采用）被测信号可以通过两种途径转换成光电器件入射光被测信号可以通过两种途径转换成光电器件入射光强的变化强的变化 ：9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 光电器件的作用是检测照射在其上的光通量，光电器件的作用是检测照射在其上的光通量，因光电器件产生的光电流很弱，必须因光电器件产生的光电流很弱，必须采
13、用前置放大采用前置放大器器，对于变化的光信号，对于变化的光信号，采用调制器采用调制器，测量电路中，测量电路中要包含相敏检波等电路。要包含相敏检波等电路。 可以可以用来检测直接引起光量变化的非电量用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，光照度、辐射测温、气体成份分析等， 也可以也可以用来检测能转换成光量变化的其他非电量用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。 光电式传感器具有
14、光电式传感器具有非接触非接触、高精度高精度、高分辨率高分辨率、高高可靠性可靠性和和响应快响应快等优点，应用广泛。等优点，应用广泛。 按其输出量的性质可分为按其输出量的性质可分为模拟式光电传感器模拟式光电传感器和和脉脉冲光电传感器冲光电传感器。 9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用模拟式光电传感器：模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流将被测量转换为连续变化的光电流 光源发出一定的光通量，穿光源发出一定的光通量，穿过被测对象，部分被吸收，过被测对象，部分被吸收，其余达到光电元件变成电信其余达到光电元件变成电信号，利用到达的光通量测定号，利用到达的光通量测定被测物体的参数如被测物体的
15、参数如透明度透明度、混浊度混浊度、化学成份化学成份等。等。光源发出一定的光通量到被光源发出一定的光通量到被测物体，由于物体的性质损测物体，由于物体的性质损失部分光通量，剩下光通量失部分光通量，剩下光通量被光电元件转换成电信号，被光电元件转换成电信号，根据电信号的强度可以判断根据电信号的强度可以判断物体的物体的表面粗糙度表面粗糙度等。等。 9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用光源发出的光通量部分被物光源发出的光通量部分被物体挡住，剩下光通量照射在体挡住，剩下光通量照射在光电元件上转换成电信号，光电元件上转换成电信号，根据电信号的强度和变化情根据电信号的强度和变化情况可以进行物体况可以进行物体
16、面积面积、角度、角度、位移、厚度、振动位移、厚度、振动等参量的等参量的测量。测量。 被测物体本身就是辐射源，被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，根直接照射在光电元件上，根据产生的电信号判断物体的据产生的电信号判断物体的温度、颜色等。温度、颜色等。光电高温计光电高温计、比色高温计比色高温计、红外侦察红外侦察和和红红外遥感外遥感等均属于这一类。等均属于这一类。9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流 光电元件的输出仅有两种稳定状态光电元件的输出仅有两种稳定状态, ,也就是也就是“通通”、“断断”的
17、开关状态的开关状态, ,所以也称为光电元件所以也称为光电元件的开关运用状态。的开关运用状态。 这类传感器这类传感器要求光电元件灵敏度高要求光电元件灵敏度高, ,而对光电而对光电特性的线性要求不高特性的线性要求不高。 主要用于零件或产品的主要用于零件或产品的光电继电器光电继电器、自动计数自动计数、光控开关光控开关、电子计算机的光电输入设备、电子计算机的光电输入设备、光电编码光电编码器器及光电报警装置等方面。及光电报警装置等方面。 9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用光电转速传感器光电转速传感器 9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用9.3.2光电编码
18、器光电编码器 编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码编码器可把角位移直接转换成脉冲或二进制编码的检测器件（的检测器件（增量编码器增量编码器、绝对编码器绝对编码器）。）。 按编码器的结构分为按编码器的结构分为光电式光电式、接触式和电磁式三、接触式和电磁式三种。种。 光电式绝对编码器光电式绝对编码器是目前应用较多的一种，它是是目前应用较多的一种，它是在透明材料的圆盘上精确地印制上在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码二进制编码“0 0或或1 1”不透光或透光区域不透光或透光区域。 在在增量式增量式测量中，移测量中，移动部件每移动一个基本长度动部件每移动一个基本长度单位，位置传感器便发出一单位
19、，位置传感器便发出一个测量信号，此信号通常是个测量信号，此信号通常是脉冲形式。这样，脉冲形式。这样，一个脉冲一个脉冲所代表的基本长度单位就是所代表的基本长度单位就是分辨力分辨力，对，对脉冲计数脉冲计数，便可，便可得到位移量。得到位移量。绝对式测量的特点是：绝对式测量的特点是： 每一被测点都有一个对应的编码每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来，常以二进制数据形式来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。增量式测量得到
20、的脉冲波形增量式测量得到的脉冲波形9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用1 1、光电式绝对编码器、光电式绝对编码器 四位光电码盘上，有四圈四位光电码盘上，有四圈数字码道，在圆周范围内编码数字码道，在圆周范围内编码数为数为2 24 4=16=16个。个。 每个数位（共每个数位（共4位形成一位形成一个个锥体形锥体形）都对应有一个光电）都对应有一个光电器件及放大、整形电路。器件及放大、整形电路。锥体锥体码盘码盘转到不同位置，光电元件转到不同位置，光电元件接受光信号，并转成相应的电接受光信号，并转成相应的电信号，经信号，经放大整形后放大整形后，成为相，成为相应数字信号。应数字信号。 标准二进制编码器
21、标准二进制编码器(8421码盘码盘)360 2n 分辨角度：分辨角度：9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 a a）光电码盘的平面结构（）光电码盘的平面结构（8 8码道）码道） b b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4 4码道）码道） 高位高位低位低位9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两由于光电器件安装误差的影响，当码盘回转在两码段边缘交替位置时，就会产生码段边缘交替位置时，就会产生读数误差读数误差。例如，当码盘由位置例如，当码盘由位置“01110111”变为变为“10001000”时时四位四位数要
22、同时变化，可能将数码误读成数要同时变化，可能将数码误读成11111111、10111011、11011101、00010001等，产生无法估计的数值误差，这等，产生无法估计的数值误差，这种误差称为种误差称为非单值性误差。非单值性误差。 标准二进制编码器实际应用少，而采用标准二进制编码器实际应用少，而采用二进制循二进制循环码盘（格雷码盘）。环码盘（格雷码盘）。9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用格雷码盘格雷码盘 任意相邻的两个代任意相邻的两个代码间码间只有一位代码有变只有一位代码有变化化，即由，即由“0 0”变为变为“1 1”或或“1 1”变为变为“0
23、 0”。 因此，因此，读数误差最读数误差最多不超过多不超过“1 1”，只可能，只可能读成相邻两个数中的一读成相邻两个数中的一个数个数有效消除非单有效消除非单值性误差。值性误差。 码盘最外圈上的码盘最外圈上的信号位的位置正好与信号位的位置正好与状态交线错开，状态交线错开，只有只有信号位处的光电元件信号位处的光电元件有信号才能读数有信号才能读数，这，这样就不会产生非单值样就不会产生非单值性误差。性误差。 信号位信号位 二进制循环码盘二进制循环码盘9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志9.3 光电传感器的应用光电传
24、感器的应用9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 拉线式拉线式角编角编码器利用线轮，码器利用线轮，能将直线运动转能将直线运动转换成旋转运动。换成旋转运动。9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用转轴转轴盘码及盘码及狭缝狭缝光敏元件光敏元件光栏板及辨向用的光栏板及辨向用的A、B狭缝狭缝LEDABC零位标志零位标志ABC2 2、光电式增量编码器、光电式增量编码器光栏板上的两个狭缝距离光栏板上的两个狭缝距离是码盘上的两个是码盘上的两个狭缝距离狭缝距离的（的（m +1/4）倍）倍9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用辨向信号和零标志辨向信号和零标志 光电编码器的光栏板上有光电编码器的光栏板上有A组
25、与组与B组两组狭缝，彼此错组两组狭缝，彼此错开开1/4节距，两组狭缝相对应节距，两组狭缝相对应的光敏元件所产生的信号的光敏元件所产生的信号A、 B彼此相差彼此相差90 相位，用于辩向。相位，用于辩向。当编码当编码正转时，正转时，A信号超前信号超前B信号信号90 ；当码盘；当码盘反转时，反转时，B信信号超前号超前A信号信号90 。 在上一页图的码盘里圈，还有一根在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝狭缝C，每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信一转信号号”或或零标志脉冲零标志脉冲，作为测量的，作为测量的起始基准起始基准。9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用3
26、 3、光电编码器的应用、光电编码器的应用 光电编码器除了能直接测量光电编码器除了能直接测量角位移角位移或间接或间接测量测量直线位移直线位移外，可用于外，可用于数字测速数字测速、工位编码工位编码、伺服电机控制伺服电机控制等。等。 9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用编码器在定位加工中的应用编码器在定位加工中的应用1 1增量式编码器增量式编码器 2电动机电动机 3转轴转轴 4转盘转盘 5工件工件 6刀具刀具 设该增量式光电编码器的设该增量式光电编码器的参数为参数为10241024 p/rp/r，大、小皮带，大、小皮带轮的轮的传动比为传动比为5 5，若希望当加工，若希望当加工好元件好元件1 1后
27、紧接着加工元件后紧接着加工元件8 8，则电动机转动了多少分之几圈？则电动机转动了多少分之几圈？应等待编码器应等待编码器给出多少脉冲数给出多少脉冲数时，时，电动机停转？电动机停转？9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 编码器在数控编码器在数控加加工中心的刀库选刀控工中心的刀库选刀控制中制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出为角编码器的输出为当前刀具号当前刀具号角编码器与角编码器与 旋转刀库连接旋转刀库连接9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用 用不同的刀具加用不同的刀具加工复杂的工件工复杂的工件9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用编码器在伺服电机中的
28、应用编码器在伺服电机中的应用 利用利用编码器测编码器测量量伺服电机的转速、伺服电机的转速、转角，并通过伺服转角，并通过伺服控制系统控制其各控制系统控制其各种运行参数。种运行参数。转速测量转速测量转子磁极位置测量转子磁极位置测量角位移测量角位移测量9.3 光电传感器的应用光电传感器的应用第九章第九章 光电式传感器光电式传感器9.4 光纤传感器光纤传感器 光导纤维是光导纤维是2020世纪世纪7070年代的重要发明，它与年代的重要发明，它与激光器激光器、半导体光探测器半导体光探测器一起构成了光纤传感器，由于具有一起构成了光纤传感器，由于具有灵灵敏度高敏度高、频带宽、频带宽、动态测量范围动态测量范围大
29、、大、抗干扰能力强抗干扰能力强、耐高温、体积小等优点，光纤传感器广泛应用于位移、耐高温、体积小等优点，光纤传感器广泛应用于位移、速度、加速度、压力、温度、液位、流量、电磁场等速度、加速度、压力、温度、液位、流量、电磁场等物理量的测量。物理量的测量。光纤位移传感器光纤位移传感器光纤温度传感器光纤温度传感器9.4 光纤传感器光纤传感器9.4.19.4.1光纤的结构：光纤的结构： 光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的光纤结构十分简单，它是一种多层介质结构的对称圆对称圆柱体柱体，圆柱体由，圆柱体由纤芯纤芯、包层包层和和护层护层组成。组成。纤芯材料的主体是二氧纤芯材料的主体是二氧化硅或塑料，其直径在
30、化硅或塑料，其直径在5 575m75m内。围绕纤芯内。围绕纤芯的是一层圆柱形套层的是一层圆柱形套层( (包包层层) )，包层可以是单层，包层可以是单层，也可以是多层结构，层也可以是多层结构，层数取决于光纤的应用场数取决于光纤的应用场所，但总直径控制在所，但总直径控制在100100200m200m范围内。范围内。9.4 光纤传感器光纤传感器9.4.29.4.2光纤的传光原理：光纤的传光原理： 光纤是利用光纤是利用光的内全反光的内全反射射规律，将入射光传递规律，将入射光传递到另一端。到另一端。光纤的可弯曲性是它的一光纤的可弯曲性是它的一大优点，若一根直径为大优点，若一根直径为d的光纤，被弯曲成半径
31、为的光纤，被弯曲成半径为R（R4d)，则光线仍能，则光线仍能在弯曲光纤中传播在弯曲光纤中传播9.4.39.4.3光纤的分类：光纤的分类： 9.4 光纤传感器光纤传感器光纤按折射率分布可分光纤按折射率分布可分为为阶跃型阶跃型光纤和光纤和渐变型渐变型光纤。光纤。光纤按传播模式可分为光纤按传播模式可分为单模单模光纤和光纤和多模多模光纤光纤（可传播多条光线）。（可传播多条光线）。光纤按材料可分为光纤按材料可分为玻璃玻璃光纤和光纤和塑料塑料光纤。光纤。9.4 光纤传感器光纤传感器9.4.59.4.5光纤传感器的基本工作原理：光纤传感器的基本工作原理： 位移、加速度、温度、流量等位移、加速度、温度、流量等
32、被测物理量被测物理量对光纤对光纤传输的光进行传输的光进行调制调制，使传输光的，使传输光的幅值幅值、相位相位、频率频率或或者者偏振态偏振态随被测量的变换而变化，再通过对被调制过随被测量的变换而变化，再通过对被调制过的光信号进行的光信号进行检测和解调检测和解调，从而获得被测参数。，从而获得被测参数。光纤传感器的组成结构光纤传感器的组成结构 光纤传感器可分为光纤传感器可分为传光型和传感型传光型和传感型两大类。两大类。利用其他敏感元件来感受被测量的变化以实现对传输利用其他敏感元件来感受被测量的变化以实现对传输光的调制，传感器中的光的调制，传感器中的光纤是不连续的光纤是不连续的。光纤光纤仅仅是传光介质仅
33、仅是传光介质，多数使用多模光纤。，多数使用多模光纤。9.4 光纤传感器光纤传感器光纤传感器的分类：光纤传感器的分类： 传光型传光型非非功能型光纤传感器功能型光纤传感器：9.4 光纤传感器光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤( (或特殊光纤或特殊光纤) )作传感元件，作传感元件，将将“传传”和和“感感”合为一体的传感器合为一体的传感器。光纤不仅。光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素起传光的作用，同时利用光纤在外界因素( (弯曲、相变弯曲、相变) )的作用的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作下，使其某些光学特
34、性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的用，使在光纤内传输的光的强度强度、相位相位、偏振态偏振态等特性发生变等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的光纤是连续的。传感型传感型功能型光纤传感器功能型光纤传感器：9.4 光纤传感器光纤传感器9.4.69.4.6光纤传感器的调制方式：光纤传感器的调制方式： 根据光被调制的原理，光纤传感器也可分为：根据光被调制的原理，光纤传感器也可分为：光光通量（通量（强度）调制型强度）调制型、光光频率调制型频率调制型、光光相位调制型、相位调制型、光波长调制型光波长调制型及及偏振态
35、调制型偏振态调制型。 光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。外界信外界信号可能引起光的某些特性号可能引起光的某些特性( (如强度、波长、频率、相位、偏振如强度、波长、频率、相位、偏振态等态等) )变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制器。制器。9.4 光纤传感器光纤传感器强度调制原理强度调制原理 利用被测量的作用改变光纤中光的利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量。强度，再通过光强的变化来测量被测量。1 1）强度调制）强度调制微小的微小的线性位移和角位移调制线
36、性位移和角位移调制方法：方法：非功能型光强调非功能型光强调制制通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤通过光束位移、遮挡、耦合等方式使接收光纤的光强变化。这种调制方法使用两根光纤，一根为光的光强变化。这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示：图所示：9.4 光纤传感器光纤传感器9.4 光纤传感器光纤传感器微微弯损耗光强调制：功能型光强调制弯损耗光强调制：功能型光强调制通过改变光通过改变光纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。可纤外形、折射率差、吸收特性等方式使光强变化。可以通过对纤芯或包层中光的能
37、量变化来测量外界作用，以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。如应力、重量、加速度等物理量。当外界力增大时，泄当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增漏到包层的散射光增大，光纤纤芯的输出大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。的输出光强度增强。它们之间它们之间呈线性关系。呈线性关系。吸收特性强度调制：吸收特性强度调制：x x、射线等辐射会引起光纤材料射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器。用来测量各种辐
38、射量构成强度调制器。用来测量各种辐射量9.4 光纤传感器光纤传感器9.4 光纤传感器光纤传感器2 2）频率调制）频率调制利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量光的波长或频率的变化来测量各种物理量,这两种调制方式分这两种调制方式分别称为波长调制和频率调制。主要利用别称为波长调制和频率调制。主要利用多普勒效应多普勒效应来实现来实现非功能型调制。非功能型调制。光学多普勒效应：光学多普勒效应：当光源当光源S发射出的光，经运动发射出的光，经运动物体物体N散射后，观察者散射后，观察者M接收接收到的光波发射
39、频率到的光波发射频率f D相对于原相对于原发射频率发射频率f 发生了变化。发生了变化。21(coscos)Dfff 实例：激光多普勒效应速度传感器实例：激光多普勒效应速度传感器9.4 光纤传感器光纤传感器9.4 光纤传感器光纤传感器光弹效应光弹效应 在垂直于光波传播方向上施加应力，在垂直于光波传播方向上施加应力，被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射被施加应力的材料将会使光产生双折射现象，其折射率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。可以率的变化与应力材关，这种现象称为光弹效应。可以构成构成压力压力、振动、位移振动、位移等光纤传感器等光纤传感器3 3）偏振态调制）偏振态调制9.4 光
40、纤传感器光纤传感器9.4.79.4.7光纤传感器的应用：光纤传感器的应用： 光纤流速传感器光纤流速传感器 由于流体流动而使由于流体流动而使光纤发生机械变形，光纤发生机械变形，从而使光纤中传播的从而使光纤中传播的各模式光强出现强弱各模式光强出现强弱变化，其振幅的变化变化，其振幅的变化与流速成正比。与流速成正比。本章小结：本章小结： 1.1.光电传感器的光电传感器的工作原理及特性工作原理及特性 ；2.2.光电传感器的测量电路；光电传感器的测量电路；3.3.光电传感器的应用。光电传感器的应用。4.4.光纤传感器光纤传感器的工作原理及应用。的工作原理及应用。第九章第九章 光电式传感器光电式传感器返回课程索引返回课程索引
