1、第第4 4章章 光电式传感器原理与应用光电式传感器原理与应用4.1 光电效应和光电器件4.2 光电码盘4.3 电荷耦合器件4.4 光纤传感器4.5 光栅传感器光电式传感器2x工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后 通过光电转换元件变换成电信号。辐射源光学通路光电元件1x12I光电效应？物理学中认为光是由分离的能团光子组成波粒子能量：Ehf所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即20012kEmvhfA4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管光
2、电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.1 外光电效应（光电发射型）在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。如光电管、光电倍增管光电管当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。子流，在外电路中便产生了电流。真空光电管的伏安特性真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏
3、度高构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用4.1.2 光电倍增管 在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极组成
4、：光电阴极+若干倍增极若干倍增极+阳极阳极 光电倍增管的结构 与工作原理光电阴极光电倍增极阳极倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 =二次发射电子数入射电子数若倍增极有n，则倍增率为n4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用内光电效应（光电导型）在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等1.光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值当无光照时，光敏电阻
5、值(暗电阻暗电阻)很大，电路中电流很小很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值当有光照时，光敏电阻值(亮电阻亮电阻)急剧减少，电流迅速增加急剧减少，电流迅速增加光敏电阻的结构 1.玻璃玻璃 2.光电导层光电导层 3.电极电极 4.绝缘衬底绝缘衬底 5.金属壳金属壳 6.黑色绝缘玻璃黑色绝缘玻璃 7.引线引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。在带有玻璃的壳体中。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，
6、可提高光敏电阻的灵敏度。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。2光敏电阻的基本特性（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性（1）伏安特性 在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，
7、耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。率又和面积以及散热条件等因素有关。（2）光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。（3）光谱特性 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的 （4）响应时间光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。光敏电阻的频率特性 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。（5）温度特性 光敏电
8、阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性硫化镉光敏电阻的温度特性 121212%100)(CRTTRR温度系数温度系数:在一定光照下，温度每变化在一定光照下，温度每变化1，光敏电阻阻值的平均变化率光敏电阻阻值的平均变化率 温度对光谱特性影响 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4
9、.1.6 光电式传感器的应用4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 1 工作原理2 基本特性1 工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的 光敏二极管光敏二极管光敏晶体管 与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。2 基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应（1）光谱特性入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降 硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则
10、锗管较为适宜。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 （3）光照特性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好光敏二极管的光照特性曲线的线性较好 （4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系 硅光敏晶体管的频率响应硅光敏晶体管的频率响应 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4
11、光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池光电池4.1.6 光电式传感器的应用阻挡层光电效应（光生伏特效应）在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。1.工作原理2基本特性1.工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。2 基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)
12、稳定性（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的(2)光照特性 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽(3)频率响应 指输出电流随调制光频率变化的关系 硅光电池具有较高的频率响应硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换用于高速计数的光电转换 (
13、4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标 硅光电池的温度特性硅光电池的温度特性(照度照度1000lx)(5)稳定性当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定 影响性能和寿命因素：光电池的材料及制造工艺使用环境条件 4.1 光电效应和光电器件4.1.1 光电管4.1.2 光电倍增管4.1.3 光敏电阻4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管4.1.5 光电池4.1.6 光电式传感器的应用光电式传感器的应用4.1.6 光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器1.模拟式光
14、电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。光电比色高温计 1物镜；物镜；2平面玻璃；平面玻璃；3光阑；光阑；4光导棒；光导棒；5分光镜；分光镜；6滤光片；滤光片；7硅光电池；硅光电池；8滤光片；滤光片；9硅光电池；硅光电池；10瞄准反射镜；瞄准反射镜；11圆柱反射镜；圆柱反射镜；12目镜；目镜；13多夫棱镜多夫棱镜14、15硅光电池负载电阻；硅光电池负载电阻；16可逆电机；可逆电机；17电子电位差计电子电位差计2.脉冲式光电传感器 光电器件的输出
15、仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。光电式数字转速表 60ZTNc End the 4.14.2 光电码盘 数字式传感器:把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。最简单的数字式传感器是编码器(ADE)角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等 4.2 光电码盘4.2
16、.1 工作原理工作原理4.2.2 码盘和码制4.2.3 二进制码与循环码的转换4.2.4 应用4.2.1 工作原理用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。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 4.2 光电码盘4.2.1 工作原理4.2.2 码盘和码制码盘和码制4.2.3 二进制码与循环码的转换4.2.4 应用4.2.2 码盘和码制6位二进制码盘位二进制码盘根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。二进制码盘主要特点：（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编
17、码，称其容量为2n，其最小分辨力136002n，它的最外圈角节距为21；（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：（3）码盘转动中，Ci变化时，所有Cj(ji)应同时变化。1112iniiC二进制码盘的粗大误差及消除 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。消除粗大误差方法：双读数头法，循环码代替二进制码双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。(a)四位二进制码盘展开图四位二进制码盘展开图(b)采用双读数头消除粗大误差的示意图
18、采用双读数头消除粗大误差的示意图(1)n位循环码码盘具有位循环码码盘具有2n种不同编码；种不同编码；(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循环码为无权码；循环码为无权码；(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。不会产生粗误差。4.2 光电码盘4.2.1 工作原理4.2.2 码盘和码制4.2.3 二进制码与循环码的转换二进制码与循环码的转换4.2.4 应用4.2.3 二进制码与循环码的转换11nniiiiiiCRCCRRCC4位二进制码与
19、循环码的对照表位二进制码与循环码的对照表二进制码转换为循环码的电路(a)并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 1iiiRCC循环码转变为二进制码的电路(a)并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。1iiiCCR单盘与多盘编码器:单盘编码器:全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力，则制造困难，圆盘直径也要大。采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组，则可大大提高分辨率，而且可以用来
20、测定转速。4.2 光电码盘4.2.1 工作原理4.2.2 码盘和码制4.2.3 二进制码与循环码的转换4.2.4 应用应用4.2.4 应用 光学码盘测角仪的原理图光学码盘测角仪的原理图1光源光源 2大孔径非球面聚光镜大孔径非球面聚光镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5光电元件光电元件脉冲当量变换 编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。End the 4.24.3 电荷耦合器件 在MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷
21、（少数载流子）的转移。图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生；若所转移的电荷通过外界诸多方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器4.3.3 图像传感器的应用4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理CCD是一种半导体器件 MOS电容的结构电容的结构1金属金属 2绝缘层绝缘层SiO2平带条件下的能带 Ec导带底能量导带底能量Ei禁带中央能级禁带中央能级Ef费米能级费米能级Ev价带顶能量价带顶能量 平带条件：平带条件：当当MOS电容的极板上无外加电压时，在
22、理想情况下，半导体从电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量代表电子的能量)从表面到从表面到内部是平的。内部是平的。加上正电压MOS电容的能带 (a)栅压栅压UG较小时，较小时，MOS电容器处于耗尽状态。电容器处于耗尽状态。(b)栅压栅压UG增大到开启电压增大到开启电压 Uth时时,半导体表面的费米能级半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极高于禁带中央能极,半导体表面上的电子层称为反型层。半导体表面上的电子层称为反型层。有信号电荷的势阱当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表
23、面处，形成对于电子的势阱。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。信号电荷转移 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换：1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每位中对应位置上的电容栅极分别
24、连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。三相三相CCD信息电荷传输原理图信息电荷传输原理图 CCD电荷的产生方式 CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。(
25、a)选通电荷积分输出电路选通电荷积分输出电路 (b)驱动时钟波形和输出波形驱动时钟波形和输出波形CCD的信号输出结构 4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器图像传感器4.3.3 图像传感器的应用4.3.2 CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。线列和面阵(1)CCD线列图像器件1CCD转移寄存器转移寄存器
26、2转移控制栅转移控制栅 3积蓄控制电极积蓄控制电极 4PD阵列阵列 SH转移控制栅输入端转移控制栅输入端 RS复位控制复位控制 VOD漏极输出漏极输出 OS图像信号输出图像信号输出 OG输出控制栅输出控制栅线型图像传感器结构线型图像传感器结构（2）面型固态图像传感器(a)x-y 选址选址 (b)行选址行选址 (c)帧场传输式帧场传输式 (d)行间传输式行间传输式4.3 电荷耦合器件4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2 CCD图像传感器4.3.3 图像传感器的应用图像传感器的应用4.3.3 图像传感器的应用1尺寸测量2 用于光学文字识别装置1.尺寸测量被测对象长度被测对象长度Lpn
27、fanpML)1(1pnllL21l1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度2.用于光学文字识别装置光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 End the 4.34.4 光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理光导纤维的结构和导光原理4.4
28、.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.1 光导纤维的结构和导光原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2 arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，光线才可以进入光纤被全反射传播。0sini4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.
29、5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.2 光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2i张角之内的光功率能被光纤接受传播。大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2221sinnnNAi2.光纤模式按传输模式分为单模光纤和多模光纤。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为。/)(212221nndV希望希望V小：小：d不能太大，不能太大，n2与与n1之差很小之差很小 3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损
30、耗等的影响 0201IAalgI传播损耗（单位为传播损耗（单位为dB）式中式中,I光纤长度；光纤长度；a单位长度的衰减；单位长度的衰减；I0光导纤维输入端光强；光导纤维输入端光强；I光导纤维输出端光强。光导纤维输出端光强。4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.3 光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收
31、器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光纤传感器光学测量的基本原理 光就是一种电磁波，光的电矢量光的电矢量E)sin(tBE被测量调制：被测量调制：光的强度、偏振态（矢量光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位的方向）、频率和相位解调：解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应
32、用4.4.4 光纤传感器的分类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分类干干涉涉型型光纤传感器相位调制光纤传感器相位调制干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非干干涉涉型型光纤传感器强度调制光纤传感器强度调制遮光板断光路遮光板断光路半导体透射率的变化半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗光纤微弯损耗振动膜或液晶的反
33、射振动膜或液晶的反射气体分子吸收气体分子吸收光纤漏泄模光纤漏泄模温度、振动、压力、加速度、位移温度、振动、压力、加速度、位移温度温度温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移振动、压力、位移气体浓度气体浓度液位液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纤传感器偏振调制光纤传感器偏振调制法拉第效应法拉第效应泡克尔斯效应泡克尔斯效应双折射变化双折射变化光弹效应光弹效应电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纤传感器频率调制光纤传感器频率调制多普勒效应多普勒效应受激喇曼散射受激喇
34、曼散射光致发光光致发光速度、流速、振动、加速度速度、流速、振动、加速度气体浓度气体浓度温度温度MMMMMMCbb注：注：MM多模光纤；多模光纤；SM单模光纤；单模光纤；PM偏振保持光纤偏振保持光纤 光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。缺点：须用特殊光纤，成本高，典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏
35、感元件上受被测量调制。优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。缺点：灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。(c)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。典型例子：光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器(a)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、气体优点: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
36、的影响（b）偏振调制光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：泡克尔斯效应；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。（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测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；利用光致发光的温度传感器等。（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。利用光弹效应的
37、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：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用4.4.5 光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。4.4 光纤传感器4.4.1 光导纤维的结构和导光原理4.
38、4.2 光导纤维的主要参数4.4.3 光纤传感器结构原理4.4.4 光纤传感器的分类4.4.5 光纤传感器的特点4.4.6 光纤传感器的应用光纤传感器的应用4.4.6 光纤传感器的应用强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器光纤压力传感器（1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度 34216)1(3EtRy若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，形光纤束位移特性的线性区，
39、则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1 Y形光纤形光纤2 壳体壳体 3 膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系传感器的固有频率可表示为传感器的固有频率可表示为 pgERtfr)1(356.222式中式中,膜片材料的密度；膜片材料的密度；g重力加速度。重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。其精度就要受到影响。差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤输出光纤 2输入光纤输入光纤 3输出光纤输
40、出光纤 4胶胶 5膜片膜片 ApApII1112两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 A常数；常数；p待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得到时，得到 ApII2ln12表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。采用不同
41、的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。（b）光弹性式光纤压力传感器 光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、9 1/4波长板波长板 4、10 光弹性元件光弹性元件 5、11 检偏器检偏器 6 光纤光纤 7 自聚焦透镜自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器 在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度 （c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板可动变形板 3 固定变形板固定变形板
42、4、5 光纤光纤 微弯式光纤水听器探头微弯式光纤水听器探头 End the 4.44.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术什么是光栅在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线。a 栅线的宽度 b 缝隙的宽度 W 光栅的栅距 Wabab4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理莫尔条纹形成的原
43、理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术莫尔条纹形成原理2tantan横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术莫尔条纹技术的特点 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。例：当0.02mmW
44、0.00174532rad(0.1)11.4592mmHB时得莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。例如：设 ，接收元件为10 x10mm的硅光电池，则在接收范围内将有500条栅线，由此，使得任意栅线的栅距误差或瑕疵，对整个莫尔条纹的位置和形状影响很小。0.02mmW 莫尔条纹技术的特点光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。光栅传感器光源：钨丝灯泡：输出功率较大，工作范围较宽（-40到+130）与光电元件相组合的转换效率低。在机械振
45、动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件:转换效率高，响应特征快速。如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。光栅副：指示光栅主光栅 光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路光栅的光
46、路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术光栅的光路透射光路反射光路（1）透射式光路1-光源光源2-准直透镜准直透镜3-主光栅主光栅4-指示光栅指示光栅5-光电元件光电元件 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。（2）反射式光路1反射主光栅反射主光栅2-指示光栅指示光栅3-场镜场镜4-反射镜反射镜5-聚光镜聚光镜6-光源光源7-物镜物镜8-光电电池。光电电池。该光路适用于黑白反射光栅。该光路适用于黑白反射光栅。4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2
47、 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理辨向原理4.5.6 细分技术辨向原理 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。辨向光路设置在相距的位置上设置两个光电元件在相距的位置上设置两个光电元件1和和2，以得到两个相位互差以得到两个相位互差90的正弦信号的正弦信号 辨向电路正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加
48、的脉冲数中正向移动时脉冲数累加，反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。减去反向移动所得到的脉冲数，这样光栅传感器就可辨向。辨向电路各点波形图辨向电路各点波形图4.5 光栅传感器4.5.1 光栅传感器的结构4.5.2 莫尔条纹形成的原理4.5.3 莫尔条纹技术的特点4.5.4 光栅的光路4.5.5 辨向原理4.5.6 细分技术细分技术细分技术提高分辨力方法：在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值。细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。（1）直接
49、细分直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。优点：对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统。缺点：光电元件安放困难，细分数不能太高。未细分未细分(a)与细分与细分(b)的波形比较的波形比较（2）电阻电桥细分法（矢量和法）22111212eRRReRRRUsccossin)sin(AUsc用此信号去触发施密特电路 电阻电桥细分法用于电阻电桥细分法用于10细分细分（c）电阻链细分法（电阻分割法）等电阻链细分电路等电阻链细分电路 实质：用电阻衰减器来进行细分。实质：用电阻衰减器来进行细分。End the 4.5
