7、光電式傳感器

1、光電式傳感器光電式傳感器原理原理 首先把首先把被測(cè)量的變化被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電器件變換成然后通過(guò)光電器件變換成電信號(hào)電信號(hào)。輻射源光學(xué)通路光電器件輸出輸出被測(cè)量被測(cè)量特性特性 頻譜寬、非接觸測(cè)量、體積小、重量輕等1 1 光源光源 熱輻射光源熱輻射光源 氣體放電光源氣體放電光源 電致發(fā)光器件電致發(fā)光器件 激光器激光器 光源是光電式傳感器的一個(gè)組成部分，大多光源是光電式傳感器的一個(gè)組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開(kāi)光源。數(shù)光電傳感器都離不開(kāi)光源。一、熱輻射光源一、熱輻射光源 原理：熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射 特點(diǎn)：物體溫度越高，輻射能量越大 代表：白

2、熾燈、鹵鎢燈二、氣體放電光源二、氣體放電光源 原理：電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象 特點(diǎn)：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體 代表：日光燈三、電致發(fā)光器件三、電致發(fā)光器件 原理：固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱(chēng)為電致發(fā)光 特點(diǎn)：體積小、壽命長(zhǎng)、工作電壓低、響應(yīng)速度快 代表：發(fā)光二極管四、激光器四、激光器 定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件 特點(diǎn)：?jiǎn)紊院谩⒎较蛐院?、亮度?分類(lèi)：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、 液體激光器2 2 光電效應(yīng)與光電器件光電效應(yīng)與光電器件一、光電效應(yīng)一、光電效應(yīng) 光電傳感器的工作原理基于光電效應(yīng)光電傳感器

3、的工作原理基于光電效應(yīng) 光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子子光子所組成，每一個(gè)光子能量為：光子所組成，每一個(gè)光子能量為：Ehfh 普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.62610-34J.s；f 光的頻率（光的頻率（s-1）。）。光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。光電效應(yīng)按原理又分為以下光電效應(yīng)按原

4、理又分為以下3 3種：種：1 1、外光電效應(yīng)：、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，形成光電流。物體表面，形成光電流。 光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功光子能量被電子吸收后，能量轉(zhuǎn)化為電子逸出功A0和動(dòng)能，即：和動(dòng)能，即：20012kEmvhfA 不同材料有不同的逸出功，對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限，不同材料有不同的逸出功，對(duì)某種材料而言有一個(gè)頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，電子，此頻率限成為此頻率限成為“紅限紅限”，其臨界波長(zhǎng)，其臨界波長(zhǎng)K K為：為：m

5、電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；電子逸出速度；A0物體的表面電子逸出功。物體的表面電子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動(dòng)能逸出物體表面電子具有的動(dòng)能3 3、光生伏特效應(yīng)：光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。典型光電元件有一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池、光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。2 2、內(nèi)光電效應(yīng)：內(nèi)光電效應(yīng)：又稱(chēng)光導(dǎo)電效應(yīng)，又稱(chēng)光導(dǎo)電效應(yīng)， 在光照作用下，在光照作用下，物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)

6、物體導(dǎo)電性能（如電阻率發(fā)生變化）發(fā)生改變的現(xiàn)象。典型的光電元件有象。典型的光電元件有光敏電阻等。光敏電阻等。外光電效應(yīng)典型元件有外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。光電管、光電倍增管等。二、光電器件二、光電器件 1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件A AK KA AK K金屬底層光電管金屬底層光電管 光透明光電管光透明光電管A陽(yáng)極，陽(yáng)極，K陰極陰極 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)發(fā)射電子，中央帶正當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)發(fā)射電子，中央帶正電的陽(yáng)極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電電的陽(yáng)極吸引從陰極上逸出的電子，這樣在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。子流，在

7、外電路中便產(chǎn)生電流。光信號(hào)光信號(hào)電信號(hào)電信號(hào)伏安特性伏安特性光電倍增管光電倍增管 倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子；更多電子； 倍增極之間有依次增大的加速電壓。倍增極之間有依次增大的加速電壓。 二次發(fā)射系數(shù)二次發(fā)射系數(shù) 由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三由光電陰極、若干倍增極和陽(yáng)極三部分組成部分組成。AK 倍增系數(shù)倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)i 的乘積。如果的乘積。如果n個(gè)倍增電極的個(gè)倍增電極的i 都一樣（都一樣（ ），則），則inM所以所以niI式中，式中，i為光電陰極的光電流為光電陰極的光電流 幾種光電倍增管的外形幾

8、種光電倍增管的外形 2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件： 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)暗電阻暗電阻 暗電流暗電流 亮電阻亮電阻 亮電流亮電流 光電流光電流 光敏電阻光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成用半導(dǎo)體材料制成一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，好， 此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)，電阻的暗電阻值一般在兆歐量級(jí)， 亮電阻亮電阻值在幾千歐以下。值在幾千歐以下。光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：光敏晶體管（二極管、三極管），有極性：RU0光光照射光照射光電子空穴對(duì)光電子空穴對(duì)光生載流子光生載流子內(nèi)建電場(chǎng)作用內(nèi)

9、建電場(chǎng)作用光電流光電流PN結(jié)反向?qū)ńY(jié)反向?qū)☉?yīng)用：光亮度測(cè)量、光耦合器件、非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速應(yīng)用：光亮度測(cè)量、光耦合器件、非接觸測(cè)量轉(zhuǎn)速光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、般二極管相似、 光敏光敏二極管在電路中一般是二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。處于反向工作狀態(tài)。在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電在沒(méi)有光照射時(shí)，反向電阻很大，反向電流很小，阻很大，反向電流很小，這反向電流稱(chēng)為暗電流，這反向電流稱(chēng)為暗電流，當(dāng)光照射在當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光結(jié)上，光子打在子打在PN結(jié)附近，使結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)，它們?cè)谏昭▽?duì)，它們?cè)赑N結(jié)結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下

10、作定向處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。照度越大，光電流越大。光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光電子空穴對(duì)光電子空穴對(duì)內(nèi)建電場(chǎng)作用內(nèi)建電場(chǎng)作用光生電光生電子被拉向子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)區(qū)光電動(dòng)勢(shì)光電動(dòng)勢(shì)阻擋層阻擋層內(nèi)建電場(chǎng)內(nèi)建電場(chǎng)PN結(jié)結(jié)常見(jiàn)器件：常見(jiàn)器件： 光電池（太陽(yáng)能電池），包括硅光電池、硒光電光電池（太陽(yáng)能電池），包括硅光電池、硒

11、光電池、砷化鎵光電池等。池、砷化鎵光電池等。當(dāng)光照到當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子出電子-空穴對(duì)，在空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)區(qū)和和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差區(qū)之間出現(xiàn)電位差。太陽(yáng)能電池片太陽(yáng)能電池片 70年代發(fā)展起來(lái)，發(fā)展自年代發(fā)展起來(lái)，發(fā)展自MOS器件器件 MOS光敏單元陣列光敏單元陣列 讀出移位寄存器讀出移位寄存器 用途：廣泛用于圖像識(shí)別、傳輸；典型應(yīng)用途：廣泛用于圖像識(shí)別、傳輸；典型應(yīng) 用：攝像機(jī)固態(tài)圖像拾取。用：攝像機(jī)固態(tài)圖像拾取。圖像傳感器4、電荷耦合器件、電

12、荷耦合器件（Charge-Coupled Device，簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)稱(chēng)CCD）1）MOS光敏單元光敏單元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或型或N型襯底型襯底SiO2電極電極 施加正電壓于電極上施加正電壓于電極上P型區(qū)形成勢(shì)阱型區(qū)形成勢(shì)阱產(chǎn)生產(chǎn)生電子和空穴電子和空穴勢(shì)阱俘獲電子（與光強(qiáng)成正勢(shì)阱俘獲電子（與光強(qiáng)成正比）比）形成形成MOS光敏元（象素）光敏元（象素）光光2）CCD時(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系時(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系 1 3 2遮光層遮光層氧化物氧化物P型硅型硅金屬金屬讀出移位寄存器讀出移位寄存器 1 2 3tt1t2t3t4讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路讀出移位寄存器是電荷圖像

13、輸出電路123123123123t1t2t3t4t53）線陣與面陣）線陣與面陣CCD單通道線陣單通道線陣轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵光積分單元光積分單元不透光不透光輸出移位寄存器移位寄存器一列光敏單元組成；一列光敏單元組成；由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，光照產(chǎn)生的信號(hào)電荷存貯于感光區(qū)的光敏單元中，接通轉(zhuǎn)移柵后，信號(hào)電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以接通轉(zhuǎn)移柵后，信號(hào)電荷流入傳輸區(qū)。傳輸區(qū)是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。光積分區(qū)光積分區(qū)輸出輸出轉(zhuǎn)移柵轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣雙通道線陣A寄存器寄存

14、器B寄存器寄存器X有兩個(gè)移位寄存器平行地配置在感光區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)光生有兩個(gè)移位寄存器平行地配置在感光區(qū)的兩側(cè)。當(dāng)光生信號(hào)電荷積累后，時(shí)鐘脈沖接通轉(zhuǎn)移柵，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位信號(hào)電荷積累后，時(shí)鐘脈沖接通轉(zhuǎn)移柵，信號(hào)電荷轉(zhuǎn)移到移位寄存器，奇數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到寄存器，奇數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到A寄存器，偶數(shù)光敏單元的寄存器，偶數(shù)光敏單元的電荷轉(zhuǎn)移到電荷轉(zhuǎn)移到B寄存器。雙通道線陣總的轉(zhuǎn)移效率比單通道高。寄存器。雙通道線陣總的轉(zhuǎn)移效率比單通道高。輸出輸出面陣：光敏元排列成矩陣面陣：光敏元排列成矩陣光敏元面陣、光敏元面陣、存儲(chǔ)器面陣、存儲(chǔ)器面陣、讀出移位寄存讀出移位寄存器線陣。器線陣。5、位置位置 敏感器件

15、敏感器件（Position Sensitive Detector-PSD） 分類(lèi)：一維、二維。分類(lèi)：一維、二維。PNI123I1I2I0LLx入射光入射光212112AIIXLII原理見(jiàn)教材原理見(jiàn)教材P137優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配置電路簡(jiǎn)單等應(yīng)用范圍：位置精確測(cè)量、兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動(dòng)控制等產(chǎn)品產(chǎn)品棱鏡系統(tǒng)或光柵棱鏡系統(tǒng)或光柵匯聚光組匯聚光組CCD面陣面陣步進(jìn)系統(tǒng)步進(jìn)系統(tǒng)XY驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量系統(tǒng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電路分類(lèi)機(jī)構(gòu)分類(lèi)機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化細(xì)化二

16、值化處理處理傳送帶傳送帶CCD透鏡透鏡1分類(lèi)箱分類(lèi)箱23RFID Tag汽車(chē)車(chē)牌汽車(chē)車(chē)牌RFID ReaderCCD後端資料庫(kù)後端資料庫(kù)後端電腦後端電腦觸發(fā)觸發(fā)存取資料存取資料收發(fā)信號(hào)收發(fā)信號(hào)拍照拍照通過(guò)通過(guò)API傳送傳送傳回信號(hào)傳回信號(hào)一、概述一、概述 脈沖式：脈沖式：需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)通過(guò)敏感需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤(pán)通過(guò)敏感元件給出一系列脈沖，它在計(jì)數(shù)器中對(duì)某個(gè)基數(shù)元件給出一系列脈沖，它在計(jì)數(shù)器中對(duì)某個(gè)基數(shù)進(jìn)行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。進(jìn)行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對(duì)式：絕對(duì)式：它可以在任意位置給出一個(gè)固定的與位置它可以在任意位置給出一個(gè)固定的與位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字

17、碼輸出。相對(duì)應(yīng)的數(shù)字碼輸出。3 3 光電碼盤(pán)光電碼盤(pán) 光學(xué)碼盤(pán)式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位光學(xué)碼盤(pán)式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。 下圖是工作原理示意圖。下圖是工作原理示意圖。 1-光源；光源；2-柱面鏡；柱面鏡；3-碼盤(pán)；碼盤(pán)；4-狹縫；狹縫；5-元件。元件。二、工作原理二、工作原理 1、下圖所示是一個(gè)、下圖所示是一個(gè)6位的二進(jìn)制碼盤(pán)。位的二進(jìn)制碼盤(pán)。三、碼盤(pán)和碼制三、碼盤(pán)和碼制2、誤差問(wèn)題、誤差問(wèn)題 1） 編碼器的精度取決于碼盤(pán)的編碼器的精度取決于碼盤(pán)的，分辨率，分辨率則決定于碼道的則決定于碼道的。 措

18、施：需要增大碼盤(pán)的尺寸以容納更多的碼道措施：需要增大碼盤(pán)的尺寸以容納更多的碼道 （對(duì)工藝提出很高要求）（對(duì)工藝提出很高要求） 2）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個(gè)碼道提前）同步困難：相鄰兩碼之間若有一個(gè)碼道提前或延后，會(huì)造成讀碼誤差?；蜓雍?，會(huì)造成讀碼誤差。 a、編碼技術(shù)；、編碼技術(shù)； b、掃描技術(shù)、掃描技術(shù) 3、循環(huán)碼盤(pán)循環(huán)碼盤(pán) 右圖為右圖為6位循環(huán)碼碼盤(pán)。位循環(huán)碼碼盤(pán)。（1）n位循環(huán)碼有位循環(huán)碼有2n種不同種不同 編碼；編碼；（2）循環(huán)碼為無(wú)權(quán)碼；）循環(huán)碼為無(wú)權(quán)碼；（3）循環(huán)碼碼盤(pán)相鄰區(qū)域）循環(huán)碼碼盤(pán)相鄰區(qū)域 的編碼只有一位變化。的編碼只有一位變化。DBGDBG十進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制二進(jìn)制循環(huán)碼

19、循環(huán)碼 十進(jìn)制十進(jìn)制二進(jìn)制二進(jìn)制循環(huán)碼循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)電路復(fù)雜困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)電路復(fù)雜四、應(yīng)用四、應(yīng)用光學(xué)碼盤(pán)測(cè)角原理光學(xué)碼盤(pán)測(cè)角原理光光放大放大鑒幅整形鑒幅整形糾錯(cuò)糾錯(cuò)當(dāng)量變換當(dāng)量變換 寄存寄存顯示譯碼顯示譯碼 光源光源聚光鏡聚光鏡碼盤(pán)碼盤(pán)狹縫狹縫光電元件光電元件 光源光源1

20、通過(guò)大孔徑聚光鏡通過(guò)大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長(zhǎng)的光束照射到碼盤(pán)形成均勻狹長(zhǎng)的光束照射到碼盤(pán)3上。上。根據(jù)碼盤(pán)所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫根據(jù)碼盤(pán)所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫4后面的一排光電元件后面的一排光電元件5輸輸出相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量出相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當(dāng)量變換，最后譯碼顯示。糾錯(cuò)電路和寄存電路在需要時(shí)采用。變換，最后譯碼顯示。糾錯(cuò)電路和寄存電路在需要時(shí)采用。五、產(chǎn)品五、產(chǎn)品4 4 光纖傳感器光纖傳感器p 光光(導(dǎo)導(dǎo))纖纖(維維)是是20世紀(jì)世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技它與

21、激光器、半導(dǎo)體探測(cè)器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域領(lǐng)域)。p 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)年，把待測(cè)量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。光聯(lián)系起來(lái)就形成光纖傳感器。極高的靈敏度和準(zhǔn)確度、固有的安全性、極高的靈敏度和準(zhǔn)確度、固有的安全性、 良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強(qiáng)度、耐良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強(qiáng)度、耐 高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。機(jī)械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、機(jī)械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、 生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工生物醫(yī)學(xué)、環(huán)保、食品、化工 電流磁

22、場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、溫度、速度、電流磁場(chǎng)、電壓電場(chǎng)、溫度、速度、 振動(dòng)、壓力、射線、圖像振動(dòng)、壓力、射線、圖像 一、光纖傳感器的基本知識(shí)一、光纖傳感器的基本知識(shí)1. 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 注：不同類(lèi)型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別注：不同類(lèi)型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別纖芯纖芯包層包層外套外套2. 光纖的分類(lèi)光纖的分類(lèi)1）按折射率分布）按折射率分布折射率變化規(guī)律折射率變化規(guī)律分類(lèi)分類(lèi)階躍型階躍型梯度型梯度型 采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)地從界采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)地從界面向軸心會(huì)聚，因此也稱(chēng)為聚焦光纖。面向軸心會(huì)聚，因此也稱(chēng)為聚焦光纖。 階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，

23、階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)即纖芯內(nèi)的折射率分布大體上是均勻的，包層內(nèi)的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是的折射率分布也大體均勻，均可視為常數(shù)，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，纖芯和包層的折射率不同，在界面上發(fā)生突變，如圖如圖 所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。面上發(fā)生的內(nèi)全反射現(xiàn)象。梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸線開(kāi)始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大

24、。因此，光纖在纖芯中傳中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時(shí)會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面向中心會(huì)聚，播時(shí)會(huì)自動(dòng)地從折射率小的界面向中心會(huì)聚，光纖傳播的軌跡類(lèi)似正弦波形。梯度光纖又光纖傳播的軌跡類(lèi)似正弦波形。梯度光纖又稱(chēng)為自聚焦光纖。稱(chēng)為自聚焦光纖。 是指是指光波傳播的途徑和方式光波傳播的途徑和方式。對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是對(duì)于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)不同的，傳遞的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強(qiáng)度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。 在光纖中傳播模式很多不利于光信號(hào)的傳播，在光纖中傳播模

25、式很多不利于光信號(hào)的傳播，因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光因?yàn)橥环N光信號(hào)采取很多模式傳播將使一部分光信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而信號(hào)分為多個(gè)不同時(shí)間到達(dá)接收端的小信號(hào)，從而導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量導(dǎo)致合成信號(hào)的畸變，因此希望光纖信號(hào)模式數(shù)量要少。要少。 一般纖芯直徑為一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模，只能傳輸一種模式稱(chēng)為式稱(chēng)為。這類(lèi)光纖傳輸性能好，信號(hào)。這類(lèi)光纖傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好，畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高，靈敏度高， 但但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困

26、難。難。 纖芯直徑較大（纖芯直徑較大（50100m），傳輸模式），傳輸模式較多稱(chēng)為較多稱(chēng)為，這類(lèi)光纖的性能較差，輸，這類(lèi)光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故 容 易 制 造 ， 連 接 和 耦 合 比 較 方 便 。故 容 易 制 造 ， 連 接 和 耦 合 比 較 方 便 。光是一種電磁波光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本一般采用波動(dòng)理論來(lái)分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長(zhǎng)而折射率變化緩慢的空間折射率變化緩慢的空間,可以用可以用“光線光線”即即幾

27、何光學(xué)幾何光學(xué)的的方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象方法來(lái)分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的這對(duì)于光纖中的多模光纖多模光纖是完全適用的。為此是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。采用幾何光學(xué)的方法來(lái)分析。（Snells Law）當(dāng)光由光密物質(zhì)當(dāng)光由光密物質(zhì)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率?。r(shí)，發(fā)（折射率大）入射至光疏物質(zhì)（折射率?。r(shí)，發(fā)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時(shí)，時(shí)， 2 1 。 (a)(a)光的折射示意圖光的折射示意圖 可見(jiàn)，入射角可見(jiàn)，入射角 1增大時(shí)，增大時(shí)，折射角折射角 2也隨之增大，且始終也隨之增大，且始終 2 1 。n1、n2、 2

28、 、 1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sin 1 =n2sin 2 n1n2 1 2當(dāng)當(dāng) 2 =90時(shí)，時(shí)， 1仍仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)?，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（播如圖（b），稱(chēng)為臨界狀態(tài)（），稱(chēng)為臨界狀態(tài)（ 1 10 ）。這時(shí)有）。這時(shí)有n1n2(b) 臨界狀態(tài)示意圖臨界狀態(tài)示意圖 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin901臨界角臨界角n1n2(c) 光全反射示意圖光全反射示意圖 1 2當(dāng)當(dāng) 1 i0并繼續(xù)增大時(shí)，并繼續(xù)增大時(shí)， 2 90，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖如圖(c) ，其出射光不再折射，其

29、出射光不再折射而全部反射回來(lái)。而全部反射回來(lái)。n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖階躍型光纖傳光示意圖0110sinsinnn011？ 若空氣的光折射率為若空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射光，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，則在光纖纖芯內(nèi)全反射，則 0至多為多少？至多為多少？211arcsinCnn1）數(shù)值孔徑）數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收性能的一個(gè)重要參數(shù)。性能的一個(gè)重要參數(shù)。2）損耗：）損耗： 光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)耗系數(shù)1o10lg PLL

30、P，光纖長(zhǎng)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目前常用的光纖材料有石英玻璃、多目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復(fù)合材料等。成分玻璃、復(fù)合材料等。 在這些材料中，由于存在這些材料中，由于存在在雜質(zhì)離子、原子的缺陷雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造等都會(huì)吸收光，從而造成材料損耗。成材料損耗。是由于是由于材料密度及濃度不均勻材料密度及濃度不均勻引起的。引起的。光纖拉制時(shí)光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變，造成纖維尺寸沿軸線變化，化， 同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的界面的不光滑、污染不光滑、污染等，也會(huì)

31、造成嚴(yán)重的散射損等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。耗。是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗。是使用過(guò)程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖光纖彎曲彎曲會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包會(huì)引起傳輸模式的轉(zhuǎn)換，激發(fā)高階模進(jìn)入包層產(chǎn)生損耗。層產(chǎn)生損耗。 二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性二、光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 光纖傳感器分類(lèi)光纖傳感器分類(lèi) 功能型傳感器：傳感型、探測(cè)型（利用光纖本身的某種敏感特性）2. 非功能型傳感器：傳光型、結(jié)構(gòu)型、強(qiáng)度型、混合型(光纖只作為傳光介質(zhì)) 光纖傳感器可測(cè)參光纖傳感器可測(cè)參量量 電流磁場(chǎng)、電壓電場(chǎng)； 溫度 速度 振動(dòng)、壓力 射線 圖像 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)以電為基礎(chǔ)的傳

32、統(tǒng)傳感器是一種把測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信變?yōu)榭蓽y(cè)的電信號(hào)的裝置。它的電源、敏感元件、信號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，號(hào)接收和處理系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導(dǎo)線連接，見(jiàn)圖見(jiàn)圖(a)。 光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)光纖傳感器則是一種把被測(cè)量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖或非光纖的光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見(jiàn)圖見(jiàn)圖(b)。由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導(dǎo)至敏感元件。這時(shí)，光的某一導(dǎo)至敏

33、感元件。這時(shí)，光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)，最后經(jīng)信號(hào)處理得到所期待的被測(cè)量。處理得到所期待的被測(cè)量。光纖光纖信號(hào)處理信號(hào)處理光接收器光接收器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器（b）光纖傳感器）光纖傳感器信號(hào)處理信號(hào)處理電電 源源信號(hào)接收信號(hào)接收敏感元件敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線導(dǎo)線 在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且在用途上，非功能型傳感器要多于功能型傳感器，而且非功能型傳感器的制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能非功能型傳感器的

34、制作和應(yīng)用也比較容易，所以目前非功能型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧型傳感器品種較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可解決一些特別辣手的問(wèn)題。但無(wú)論哪一種傳感器，最妙，可解決一些特別辣手的問(wèn)題。但無(wú)論哪一種傳感器，最終都利用終都利用光探測(cè)器光探測(cè)器將光纖的輸出變?yōu)閷⒐饫w的輸出變?yōu)殡娦盘?hào)電信號(hào)。 光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成。探測(cè)器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光通由光源發(fā)出的光通過(guò)源光纖引到敏感元件，被測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的過(guò)源光纖引到敏感元件，被

35、測(cè)參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光調(diào)制區(qū)內(nèi)，使光的某一性質(zhì)受到被測(cè)量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，信號(hào)經(jīng)接收光纖耦合到光探測(cè)器，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)， 最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。最后經(jīng)信號(hào)處理得到所需要的被測(cè)量。 (1) (1) 根據(jù)光纖在傳感器中的作用根據(jù)光纖在傳感器中的作用光纖傳感器分為光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型功能型、非功能型和拾光型三大類(lèi)。三大類(lèi)。 1 1）功能型（全光纖型）光纖傳感器）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖利用對(duì)外界信息具有敏感能力

36、和檢測(cè)能力的光纖(或特殊光纖或特殊光纖)作傳感元件，將作傳感元件，將“傳傳”和和“感感”合為一體的傳感器。光纖不僅合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變彎曲、相變)的作用的作用下，其光學(xué)特性下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)“傳傳”和和“感感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。續(xù)，增加其長(zhǎng)度，可提高靈敏度。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器光纖敏感元件光纖敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器 2 2）非

37、功能型（或稱(chēng)傳光型）光纖傳感器）非功能型（或稱(chēng)傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳傳”不不“感感”，對(duì)外界信息的，對(duì)外界信息的“感覺(jué)感覺(jué)”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類(lèi)光纖功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(xù)。此類(lèi)光纖傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。傳感器無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。但靈敏度也較低，用于對(duì)靈敏度要求不太高的場(chǎng)合。信號(hào)處理信號(hào)處理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖 3 3）拾光型光纖傳感器）拾光型光纖傳感器 用

38、光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)象輻射的光或被其反射、散射的光。象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度其典型例子如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。 信號(hào)信號(hào)處理處理光受光受信器信器光發(fā)送器光發(fā)送器光纖光纖耦合器耦合器被測(cè)對(duì)象被測(cè)對(duì)象光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象測(cè)測(cè)量量對(duì)對(duì)象象功能型功能型傳光型傳光型傳光型傳光型傳光（拾光）型傳光（拾光）型 （2 2）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式）根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式形式：形式：強(qiáng)度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、強(qiáng)

39、度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制相位調(diào)制。 1 1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收是一種利用被測(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動(dòng)膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)的反射光強(qiáng)度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵(lì)而發(fā)光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、而發(fā)

40、光的現(xiàn)象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來(lái)構(gòu)成壓力、振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。振動(dòng)、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)，成本低。受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大受光源強(qiáng)度波動(dòng)和連接器損耗變化等影響較大 。 2 2）偏振調(diào)制光纖傳感器）偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。是一種利用光偏振態(tài)變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息的傳感器。有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳有利用光在磁場(chǎng)中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效

41、應(yīng)做成的電場(chǎng)感器；利用光在電場(chǎng)中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場(chǎng)、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動(dòng)或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動(dòng)等傳感器。這類(lèi)傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。這類(lèi)傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。 3 3）頻率調(diào)制光纖傳感器）頻率調(diào)制光纖傳感器 是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)是一種利用單色光射到被測(cè)物體上反射回來(lái)的光的頻率發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。生變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)的傳感器。有

42、利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的有利用運(yùn)動(dòng)物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動(dòng)、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。污染的氣體傳感器；以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。 4 4）相位調(diào)制傳感器）相位調(diào)制傳感器 其基本原理是其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光

43、的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及磁場(chǎng)傳感器；利用電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類(lèi)傳感器的靈敏度很高。但由

44、器（光纖陀螺）等。這類(lèi)傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。于須用特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。 傳感器傳感器光學(xué)現(xiàn)象光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量被測(cè)量光纖光纖分類(lèi)干干涉涉型型相位調(diào)制光線傳感器干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應(yīng)光彈效應(yīng)干涉電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓角速度振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 強(qiáng)度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導(dǎo)體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動(dòng)膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動(dòng)、壓力、加速度、位移溫度溫度振動(dòng)、壓力、加速度、

45、位移振動(dòng)、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振調(diào)制光纖溫度傳感器法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化光彈效應(yīng)電流、磁場(chǎng)電場(chǎng)、電壓、溫度振動(dòng)、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb頻率調(diào)制光纖溫度傳感器多普勒效應(yīng)受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動(dòng)、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注：注：MM多模；多模；SM單模；單模；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、拾光型三、光纖傳感器舉例三、光纖傳感器舉例 基于微彎效應(yīng)測(cè)壓力基于微彎效應(yīng)測(cè)壓力F光強(qiáng)調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長(zhǎng)調(diào)制光強(qiáng)調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長(zhǎng)調(diào)制1

46、008060402000.51.01.52.0透射光強(qiáng)%外力N偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器浸油顯微鏡激光器起偏器起偏器顯微鏡I1I2光接受器2121IIII信號(hào)處理輸出電流導(dǎo)線非功能型光纖傳感器測(cè)溫應(yīng)用非功能型光纖傳感器測(cè)溫應(yīng)用GaAs半導(dǎo)體半導(dǎo)體光吸收片光吸收片E1E2輸出輸出溫度測(cè)量范圍：溫度測(cè)量范圍：-20300 C；誤差；誤差 3 C測(cè)量原理：測(cè)量原理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長(zhǎng)隨溫度增加而向長(zhǎng)波而減小的特性。材料吸收波長(zhǎng)隨溫度增加而向長(zhǎng)波方向移動(dòng)，可以使透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度方向移動(dòng)，可以使

47、透射過(guò)半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而改變，達(dá)到測(cè)溫的目的。而改變，達(dá)到測(cè)溫的目的。光纖液位傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論原理：基于全內(nèi)反射理論 當(dāng)測(cè)頭沒(méi)有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，當(dāng)測(cè)頭沒(méi)有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光電二極管；當(dāng)測(cè)頭接觸液面，由于液體與空氣折射極管；當(dāng)測(cè)頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)?。線投入液體，使返回光電二極管的光強(qiáng)變?nèi)酢７祷毓鈴?qiáng)是液體折射率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生返回光強(qiáng)是液體折射

48、率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，測(cè)頭已接觸到液位。突變時(shí)，測(cè)頭已接觸到液位。圓錐測(cè)頭圓錐測(cè)頭U型測(cè)頭型測(cè)頭 同時(shí)可以測(cè)定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。同時(shí)可以測(cè)定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感應(yīng)用P +放大放大濾波濾波2040608010020406080100膜片振動(dòng)m反射光強(qiáng)%光纖速度、加速度傳感器光纖速度、加速度傳感器 原理：原理：一定質(zhì)量的物體在加速度作用下產(chǎn)生慣性力，這種慣性力可以轉(zhuǎn)變?yōu)槲灰?、轉(zhuǎn)角或形變等變量。通過(guò)對(duì)這些變量的測(cè)量，就可以得到加速度數(shù)值。光纖傳感器優(yōu)缺點(diǎn)光纖傳感器優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)，且光纖本身是敏感器件；優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)，且光纖本

49、身是敏感器件； 抗電磁干擾，安全?？闺姶鸥蓴_，安全。 缺點(diǎn)：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。缺點(diǎn)：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。四、產(chǎn)品四、產(chǎn)品壓力壓力應(yīng)力應(yīng)力溫度溫度溫度、應(yīng)變儀溫度、應(yīng)變儀分析儀分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀在玻璃（或金屬）上進(jìn)行刻劃，可得到在玻璃（或金屬）上進(jìn)行刻劃，可得到一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光一系列密集刻線，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱(chēng)為光柵。學(xué)元件稱(chēng)為光柵。1）精度高；）精度高；2）大量程測(cè)量兼有高分辨力；）大量程測(cè)量兼有高分辨力；3）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量；4）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。主要是幾何量（線位移和

50、角位移）測(cè)量。主要是幾何量（線位移和角位移）測(cè)量。其它包括振動(dòng)、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等。其它包括振動(dòng)、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等。 （如數(shù)控機(jī)床上的線位移和角位移量，用來(lái)進(jìn)行自（如數(shù)控機(jī)床上的線位移和角位移量，用來(lái)進(jìn)行自動(dòng)控制）動(dòng)控制）4 4 光柵式傳感器光柵式傳感器一、光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu)一、光柵的類(lèi)型和結(jié)構(gòu) 計(jì)量光柵可分為計(jì)量光柵可分為透射式光柵透射式光柵和和反射式光柵反射式光柵兩大兩大類(lèi)，均由類(lèi)，均由光源、光柵副、光敏元件光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。三大部分組成。計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。計(jì)量光柵按形狀又可分為長(zhǎng)光柵和圓光柵。 尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描頭反射式掃描頭

51、（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)光柵的外形及結(jié)構(gòu)防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長(zhǎng)磁柵掃描頭掃描頭（與移動(dòng)部件固定）（與移動(dòng)部件固定）光柵尺光柵尺可移動(dòng)電纜可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）反射式光柵反射式光柵透射式光柵透射式光柵透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定 1 1、定義、定義 二、莫爾條紋二、莫爾條紋BaabbW 在透射式直線光在透射式直線光柵中，把主光柵與指柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使有很小的間隙，并使兩者的柵線保

52、持很小兩者的柵線保持很小的夾角的夾角。在兩光柵。在兩光柵的刻線重合處，光從的刻線重合處，光從縫隙透過(guò)，形成縫隙透過(guò)，形成亮帶亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)處，由于相互擋光作處，由于相互擋光作用而形成用而形成暗帶暗帶。 2、 亮帶與暗帶之間的距離亮帶與暗帶之間的距離B tantan2橫向莫爾條紋的斜率橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋間距WWBCABBH2sin22sin莫爾條紋的寬度莫爾條紋的寬度BH由由光柵常數(shù)與光柵夾角決定光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋莫爾條紋演示演示3、莫爾條紋的特點(diǎn)、莫爾條紋的特點(diǎn)由上式可知，雖然由上式可知，雖然光柵常數(shù)光柵常數(shù)W很小，但很小，但只要調(diào)整只要調(diào)整夾角夾角，即可得到很大的莫爾條紋的寬度，即可得到很大的莫爾條紋的寬度B，起，起了放大作用。了放大作用。 放大倍數(shù)：放大倍數(shù)： 光學(xué)概念上的每毫米刻線要刻很多條，由