1、第7章 光电式传感器 7.1 光电器件光电器件7.2 光纤传感器光纤传感器 7.1 光电器件光电器件 1.外光电效应外光电效应 一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h 式中：h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应外光电效应。向外发射的电子叫光电子光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子具有
2、一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理02021Amvhv式中：m电子质量；v0电子逸出速度。该式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生。2021mv为使光电流为零，必须加负的截止电压 2.内光电效应内光电效应 在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应
3、内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。7.1.1 光敏电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件，其常用的材料有硫化镉（CdS）、硫化铅（P
4、bS）、锑化铟（InSb）等。无光照时光敏电阻受到一定波长范围的光照时光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。光敏电阻的结构很简单，图为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。光导层 2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 (1)暗电阻与暗电流暗电阻与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流成为暗电流。(2)亮电阻与亮电流亮电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。暗电阻越大，亮电阻越小光敏电阻的性能越好，灵敏度也高即暗电流要小，亮电流
5、要大 3.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1)伏安特性伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。硫化镉光敏电阻的伏安特性 光敏电阻的光照特性（2）光照特性光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。(3)光谱特性光谱特性 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。光敏电阻的光谱特性 （4）频率特性频率特性 实验证明，光敏电阻的光电流不能随
6、着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺点之一。光敏电阻的频率特性 (5)温度特性温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，
7、不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件。7.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 1.结构原理结构原理 光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流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 光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，如图所示，只
8、是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏晶体管接线如图所示集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。如图是达林顿光敏管的等效电路输出电流能力大大加强适合于开关状态或位式信号的光电变换 2.基本特性基本特性 (1)光谱特性光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。光敏二极(晶体)管的光谱特性 (2)伏安特性伏安特性硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管;(b)硅光敏晶体管 （3）频率特性频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出
9、的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏晶体管的频率特性 (4)温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线7.1.3 光电池光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。如图是硅光电池原理图。硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路 光电池基本特性有以下几种：(1)光谱特性光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。(2)光照特性光照特性 光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系
10、就是光照特性。硅光电池的光照特性 （3）频率特性 硅光电池和硒光电池的频率特性如下图，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。硅光电池和硒电池的频率特性 (4)温度特性温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。7.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 1.光电耦合器光电耦合器 光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常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
11、大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光电接收元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。2.光电开关光电开关 光电开关是一种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。光电开关的结构(a)透射式；(b)反射式 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”(1-0)之分即可。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。7.1.5 电荷耦合器件电荷耦合器件
12、电荷耦合器件（Charge Couple Device,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号，它以电荷为信号，具有光电信号转换、具有光电信号转换、存储、存储、移移位并读出信号电荷的功能。位并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。CCD的结构及工作原理的结构及工作原理（1）MOS光敏元光敏元 CCD是由若干个电荷耦合单元组成。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）光敏元MOS光敏元的结构（
13、a）MOS光敏元截面 （b）势阱图 通常在半导体硅片上有几百或几千个相互独立的MOS光敏元，若在金属电极上施加一正电压时，则在这个半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。（2）电荷移位电荷移位 CCD由一系列彼此非常靠近的MOS光敏元依次排列，其上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。三相CCD时
14、钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程 势阱势阱存储电荷 在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。CCD工业相机芯片将光子转换成电子7.1.67.1.6位置敏感器件（位置敏感器件（PSDPSD）位置敏感器件(Position Sensitive Detector,简称PSD)是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池，其输出信号与光点在光敏面上
15、的位置有关。PSD具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，在位置坐标的精确测量、位置变化检测、位置跟踪、工业自动控制等领域得到了越来越广泛的应用。PSD结构示意图 7.1.77.1.7光电传感器的应用光电传感器的应用1.1.火焰探测报警器火焰探测报警器煤气灶熄火报警电路 2.光电式纬线探测器光电式纬线探测器 光电式纬线探测器是应用于喷气织机上，判断纬线是否断线的一种探测器。3.燃气器具中的脉冲点火控制器燃气器具中的脉冲点火控制器 由于燃气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可以打开燃气阀门；否
16、则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。燃气热水器的高压打火确认原理图 光敏燃气报警器光敏燃气报警器火焰传感器模块基于AVR单片机的灭火机器人基于AVR单片机的灭火机器人集光控、磁控、温控电路为一体的实验板集光控、磁控、温控电路为一体的实验板工件尺寸检测系统 CCD图像传感器光控闪光标志灯光控闪光标志灯-光敏三极管光敏三极管光控闪烁安全警示灯光控闪烁安全警示灯-光敏电阻光敏电阻光电断续器光电断续器工作原理与光电开关的相同，但其光电发射器、接收器放置于一个体积很小的塑料壳体中，所以两者能可靠地对准。1发光二极管 2红外光 3光电元件 4槽 5被测物光柱光柱 齿 盘 每齿 盘 每转过一个齿
17、，转过一个齿，光电断续器就光电断续器就输出一个脉冲。输出一个脉冲。通过脉冲频率通过脉冲频率的测量或脉冲的测量或脉冲计数，即可获计数，即可获得齿盘转速和得齿盘转速和角位移。角位移。光电式曲轴位置传感器7.2 光光 纤纤 传传 感感 器器 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，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等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量的测量
18、，在自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。2.光纤传光原理光纤传光原理 众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，可得 sinsinsinsin2110nnnnii式中，n0为光纤外界介质的折射率。若光在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角c=90，即 c=90。而 212122111sin1sin1cos2sinsinnnnnnnniii当=c=90时，有22211sinnnn 所以，为满足光在光纤内的全内反射，光入射
19、到光纤端面的入射角i应满足 222101arcsinnnnci一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为 2221arcsinnnci 实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。7.2.2 光纤基本特性光纤基本特性 1.数值孔径（数值孔径（NA）数值孔径（NA）定义为 222101sinnnnNAc 数值孔径是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。光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一光从空气入射到光纤输入端面时，处在某一角锥角锥内的光线内的光线一旦进入光纤，就将被一旦进入光纤，就将被截留截
20、留在纤芯中，此在纤芯中，此光锥半角光锥半角(C)的正弦的正弦称为称为数值孔径数值孔径。2.光纤模式光纤模式 光纤模式是指光波传播的途径和方式。根据电介质中电磁场的根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程麦克斯韦方程，考虑到光纤，考虑到光纤圆柱形波圆柱形波导导和纤芯和纤芯包层界面处的包层界面处的几何边界条件几何边界条件时，则时，则只存在波动方程的只存在波动方程的特定特定(离散离散)解解。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传。允许存在的不同的解代表许多离散的沿波导轴传播的波。每一个允许传播的波称为一个播的波。每一个允许传播的波称为一个模模。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
21、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。(1)单模光纤单模光纤 这类光纤传输性能好，常用于这类光纤传输性能好，常用于功能型光纤传感器功能型光纤传感器，制成的传感器比多模传感器有，制成的传感器比多模传感器有更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但由于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。于纤芯太小，制造、连接和耦合都很困难。(2)多模光纤多模光纤 这类光纤性能较差。但纤芯截这类光纤性能较差。但纤芯截面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤面大，容易制造，连接耦合也比较方便。这种光纤常用于常用于非功能型光纤传感器非功能型光纤传感
22、器。3.光纤传输损耗光纤传输损耗 光纤传输损耗主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料吸收损耗。7.2.3 光纤传感器光纤传感器 1.光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器的工作原理及组成 光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性
23、或功能制成的传感器，称为功能型功能型（Functional Fiber，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；另一类是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，这类传感器称为非功能型非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。非功能型非功能型光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏光纤传感器可以充分利用现有的性能优良的敏感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光感元件来提高灵敏度。为了获得较大的受光量和传输光的功率，这类传感器使用的光纤的功率，这类传感器使用的光纤主要是数值孔径和芯径主要是数值孔径和芯径
24、较大的阶跃型多模光纤较大的阶跃型多模光纤。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光源光源 分为分为相干光源相干光源(各种激光器各种激光器)和和非相干光源非相干光源(白炽白炽光、发光二极管光、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。命长、安装方便等。光探测器光探测器 包括包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要等。光
25、探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。总体性能。发光二极管激光二极管 光 源专用的光纤连接头及光纤插座 光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。光纤传感器特点与传统的传感器相比，光纤传感器具有独特的优点。(1)灵敏度高。(2)抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全(3)测量速度快。(4)
26、信息容量大。(5)适用于恶劣环境。此外，光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。光纤传感器的应用正是由于光纤传感器拥有如此之多的优点，使得其应用领域非常广泛，涉及石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。1、光纤传感器在石油化工系统的应用在石油化工系统中，由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点，使得常规传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤本身不带电，体小质轻，易弯曲，抗电磁干扰、抗辐射性能好。特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用，因此光纤传感器在油井参数测量中发挥着不可替代的作用，它将成为可应用于油气勘探及石
27、油测井等领域的一项具有广阔市场前景的新技术。光纤传感器在油气勘探中的应用光纤传感器由于其抗高温能力、多通络、分布式的感应能力，以及只需要较小的空间即可满足其使用条件的特点，使得在勘探钻井方面尤其独特的优势。(1)井下分光计 流体分析仪如图所示，可用于了解初期开发过程中的原油组成成分。它由两个传感器合成：一个是吸收光谱分光纤，另一个是荧光和气体探测器。井下流体通过地层探针被引入出油管，光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则提供了原位井下流体分析，并对地层流体的评估加以改进。(2)分布式温度传感器光纤分布式温度传感器是井下应用最为流行的光纤传感器。应用实例是监测注水蒸气重油开采系统。蒸
28、汽被注入重油层用以降低油的黏度，使稠油能够开采出来。井下蒸汽温度可高达250 以上。(3)压力传感器 侧孔光纤式压力传感器目前正在研发中，其主要致力于超高温和井下压力监测任务。光纤传感器在石油测井中的应用石油测井是石油工业最基本和最关键的环节之一，压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理量，通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息利用光纤传感器可以进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水（气）测量、密度测量、声波测量等。光纤传感器在电力系统的应用光纤传感器在电力系统的应用传光光纤传感器在医学方面的应用传光光纤传感器在医学方面的应用1 压力测量 目前临床上应用的压力
29、传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。用来测量血压的压力传感器示意见图。2 血流速度测量 多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图。此装置利用了光纤的端面反射现象，测量系统结构简单。3 pH值测量用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图光纤传感器在土木工程中的应用光纤传感器在土木工程中的应用光纤光栅传感器满足了土木工程测量的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求1 在桥梁监测中的应用应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。瑞士温特图力的StorckS桥不仅是世界上第一次使用CFRP拉索替代钢索的斜拉桥，也是最早使用光纤光栅传感器
30、的桥梁之一。该桥长120m，横跨18根铁轨。该桥有2根长为35m的拉索用CFRP材料替代了钢筋，每根CFRP拉索由7个FBG传感器组成的传感阵列进行监测，从而实现了对桥梁的长期监测，并且监测结果与同时使用的箔式电阻应变仪测得的结果十分吻合2 边坡监测中的应用边坡是工程建设中最常见的工程形式之一。由边坡失稳破坏产生的滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩等，这些在表面上看似斜坡岩体运动的不同表现形式，但随时都可能带来严重的破坏，甚至是灾难。目前常用的高边坡和库区滑坡深部变形的传统监测仪器是钻孔倾斜仪。这种手段虽然有效，但属点式监测。从全面收集建筑物的安危和实况重要信息这方面而言，尚有相当的局限性，会导致
31、险情或重要先兆信息的漏检。光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测，在大型土木工程的安全监测中已得到了越来越多的重视。3 隧道监测中的应用隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体，因此在对隧道的健康监测中，要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用，这是隧道结构健康监测的主要对象。对隧道的监测内容主要包括隧道围岩变形，隧道周边位移，围岩压力及两层主要包括隧道围岩变形，隧道周边位移，围岩压力及两层支护间压力，支护和衬砌内应力、表面应力及裂缝测量，锚杆或锚索受力等广州地铁五号线小北站隧道的初期支护中应用了光纤布拉格光栅传感技术(FBG)进行了监测。监测过程中使用了3种FBG传感器，分别是混凝土应变传
32、感器、温度传感器和钢筋应力计式传感器。使用3种传感器分别监测了初期支护混凝土的应变、内部温度以及钢拱架的主筋应力。2.光纤传感器的应用光纤传感器的应用 （1）光纤加速度传感器 （2）光纤温度传感器 光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。半导体的光透过率特性 相位调制型光纤传感器 用单模光导纤维构成干涉仪，外界各种物理量的影响因素能导致光导纤维中光程的变化，从而引起干涉条纹的变动。3.光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤
33、受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。当流体运动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，根据流体力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡，其旋涡的频率 f与流体的流速可表示为 dvSft式中：v流体流速；d流体中物体的横向尺寸大小；St斯特罗哈尔（Strouhal）系数，它是一个无量纲的常数，仅与雷诺数有关。光纤流速传感器，主要由多模光纤、光源、铜管、成。多模光纤插入顺流而置的铜管中，光电二极管及测量电路组模式光的相位发生变化流体的流动使光纤发生机械变形，导致光纤中传播的各使光纤的发射光强发生变化.其振幅的变化与流速成正比例。各种装饰性光导纤维
34、 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。上海东方明珠光纤式光电开关应用标志孔标志孔电路板标志检测电路板标志检测 当光纤发出的光当光纤发出的光穿过标志孔时，穿过标志孔时，若无反射，说明若无反射，说明电路板方向放置电路板方向放置正确。正确。光纤光纤 耦合器耦合器传输光纤传输光纤出射光纤出射光纤 军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。军事武器中导弹控制部件之一的光纤陀螺仪是一种以光导纤维线圈为基础的敏感元器件，由激光二极管发射出的光线朝两个
35、方向沿光导纤维传播。光传播路径的不同，决定了敏感元件的角位移。光纤陀螺仪的工作原理是什么样的？光纤陀螺仪的实现主要基于塞格尼克理论：当光束在一个环形的通道中行进时，若环形通道本身具有一个转动速度，那么光线沿着通道转动方向行进所需要的时间要比沿着这个通道转动相反的方向行进所需要的时间要多。也就是说当光学环路转动时，在不同的行进方向上，光学环路的光程相对于环路在静止时的光程都会产生变化。利用光程的这种变化，检测出两条光路的相位差或干涉条纹的变化，就可以测出光路旋转角速度，这便是光纤陀螺仪的工作原理。传光型光纤传感器 以多模光导纤维来传输光信号，根据光接受强度不同进行测量，而对被测参数起检测作用的是
36、其他敏感元件。这种传感器多用于工业检测液位、压力、形变、温度、流速、电流、磁场等。它的优点是性能稳定可靠，结构简单，造价低廉，缺点是灵敏度低。光强调制型光纤传感器 在压力作用下光纤产生微弯变形导致光强度变化，从而引起光纤传输损耗的改变，并由吸收、发射或折射率变化来调制发射光，可制成微弯效应的光纤压力传感器光纤电流传感器主要由传感头、输送与接收光纤、电子回路等三部分组成，如图1所示。传感头包含载流导体，绕于载流导体上的传感光纤，以及起偏镜、检偏镜等光学部件。电子回路则有光源、受光元件、信号处理电路等。从传感头有无电源的角度，可分为无源式和有源式两类。基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器应用于架空电
37、缆的线路，用于判定事故发生区间判定基于法拉第电磁效应的光纤电流传感器安装于275KV地下输电线，用于检测输电线的浪涌电流7.3 光光 栅栅 传传 感感 器器 7.3.1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 1.光栅结构光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图为透射光栅的示意图。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a b=1.1 0.9。目前常用的光栅每毫米刻成10、25、50、100、250条线条。2.光栅测量原理光栅测量原理 把两块栅距相等的光栅
38、（光栅1、光栅2）面向叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条莫尔条纹纹。莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用位移的放大作用 当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH，如果光栅作反向移动，条纹移动方向也相反。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 WWBH2sin 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大
39、了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。（2）莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。7.3.2 光栅传感器的组成光栅传感器的组成 光栅传感器作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号；光栅
40、数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1.光栅读数头光栅读数头 光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。前面分析的莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转
41、换为电信号，接近于正弦周期函数，如以电压输出，即 WxUUumoo22sin 2.光栅数显表光栅数显表 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。（1）辨向原理辨向原理 采用一个光电元件的光栅读数头，无论主光栅作正向还是反向移动，莫尔条纹都作明暗交替变化，光电元件总是输出同一规律变化的电信号，此信号不能辨别运动方向。为了能够辨向，需要有相位差为/2的
42、两个电信号。辨向逻辑工作原理 2u 是元件1输出的波形，超前 90 是元件2输出的波形；是 波经整形放大后的脉冲方波；是 波形经整形放大后的脉冲方波，仍超前 90；是 反相后得到的脉冲方波；是 经微分电路后得到的脉冲波；是 经微分电路后得到的脉冲波1u2u2u2u2u1u1u2u1u 1u1u1u wu1wu1 对于“与门 ”：当 高电平时，总是处于低电平，所以 输出为零（0）对于“与门 ”：当 高电平时,总是处于高电平，所以 输出为高（1）此时触发器：置“1”，（控制）“可逆计数器”作 加法计数 1y2ywu12u1ywu1 2u2y (2)细分技术细分技术 在前面讨论的光栅测量原理中可知，
43、以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。由于细分后计数脉冲频率提高到了n倍，因此也称之为n倍频。细分方法有机械细分和电子细分两类。下面介绍电子细分法中常用的四倍频细分法，这种细分法也是许多其它细分法的基础。在上述辨向原理中可知，在相差BH/4位置上安装两个光电元件，得到两个相位相差/2的电信号。若将这两个信号反相就可以得到四个依次相差/2的信号，从而可以在移动一个
44、栅距的周期内得到四个计数脉冲，实现四倍频细分。也可以在相差BH/4位置上安放四个光电元件来实现四倍频细分。这种方法不可能得到高的细分数，因为在一个莫尔条纹的间距内不可能安装更多的光电元件。它有一个优点，就是对莫尔条纹产生的信号波形没有严格要求。四倍频细分四倍频细分 方案：方案：在一个莫尔条纹宽度上并列放置在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个四个光电光电元件，得到四个相差依次为元件，得到四个相差依次为/2/2的的电压信号；或在电压信号；或在相差相差B/4B/4位置上安放两个光电元件，得到两个相差位置上安放两个光电元件，得到两个相差/2/2电压信号，将这两个信号整形、反相后得到四电压信号，将这两个信号
45、整形、反相后得到四个依次相差个依次相差/2/2的电压信号。的电压信号。细分前后比较 由于光栅传感器由于光栅传感器测量精度高测量精度高、动态测量范围广、可进行无接、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和触测量、易实现系统的自动化和数字化数字化，因而在机械工业中得到，因而在机械工业中得到了广泛的应用。了广泛的应用。光栅传感器通常作为光栅传感器通常作为测量元测量元件件应用于机床定位、长度和角度应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。、加速度、振动等。尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描头反射式扫描头 （与移动部件固定）（
46、与移动部件固定）扫描头安装孔扫描头安装孔可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长光栅防尘保护罩的内部为长光栅扫描头扫描头（与移动部件固定）（与移动部件固定）光栅尺光栅尺可移动电缆可移动电缆光栅的外形及结构（续）光栅的外形及结构（续）反射式光栅反射式光栅透射式光栅透射式光栅透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定长度计安装有直线光栅的数控机床加工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器角编码器安装在夹安装在夹具的端部具的端部7.4 编编 码码 器器 将机械转动的模拟量（位移）
47、转换成以数字代码形式表示的电信号，这类传感器称为编码器。编码器以其高精度、高分辨率和高可靠性被广泛用于各种位移的测量。编码器的种类很多，主要分为脉冲盘式（增量编码器）和码盘式编码器（绝对编码器），其关系如下所示：编码器 脉冲盘式编码器(增量编码器)码盘式编码器(绝对编码器)接触式编码器 电磁式编码器 光电式编码器 脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。绝对编码器不需要基准数据及计数系统，它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出，能方便地与数字系统（如微机）连接。编码器按其结构形式有接触式、光电式、电磁式等，后两种为非接触式编码器。非接触式编码器具有非接触、体积小和寿命长，且分辨率高的特点。三种编码器相比较，光电式编码器的性价比最高，它作为精密位移传感器在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。7.4.1 光电式编码器光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。基本结构如图所示。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。6位二进制码盘7.4.2 磁编码器磁编码器 磁编码器是近几年发展起来的新型传感器。它主要由磁鼓与磁阻探头组成，它的构成如图所示。
