8光電式傳感器ppt課件

1、哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學第八章第八章 光電式傳感器光電式傳感器原理原理 首先把被丈量的變化轉(zhuǎn)換成光信號首先把被丈量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后經(jīng)過光電器件變換成電信號。的變化，然后經(jīng)過光電器件變換成電信號。輻射源光學通路光電器件輸出輸出被丈量被丈量特性特性 頻譜寬、非接觸丈量、體積小、分頻譜寬、非接觸丈量、體積小、分量輕等量輕等哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學8-1 8-1 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組成部分，大多光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數(shù)光電傳感器都離不開光源。數(shù)光電傳感器都離不開

2、光源。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學一、熱輻射光源一、熱輻射光源 原理：熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射 特點：物體溫度越高，輻射能量越大 代表：白熾燈、鹵鎢燈哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學二、氣體放電光源二、氣體放電光源 原理：電流經(jīng)過氣領(lǐng)會產(chǎn)生發(fā)光景象 特點：改動氣體成分、壓力、電流、陰極資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：日光燈哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學三、電致發(fā)光器件三、電致發(fā)光器件 原理：固體發(fā)光資料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光景象稱為電致發(fā)光 特點：體積小、壽命長、任務電壓低、呼應速度快 代表：發(fā)光二極管哈爾濱

3、工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學四、激光器四、激光器 定義：可以產(chǎn)生光受激輻射放大景象的器件 特點：單色性好、方向性好、亮度高 分類：固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、 液體激光器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學8-2 8-2 光電效應與光電器件光電效應與光電器件一、光電效應一、光電效應 光電傳感器的任務原理基于光電效應光電傳感器的任務原理基于光電效應 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，每一個光子能量為：光子所組成，每一個光子能量為：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：當光照射物體時

4、，物體遭到一連串具有光電效應：當光照射物體時，物體遭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)生相應的效應如發(fā)射電子、電導率變能量，而發(fā)生相應的效應如發(fā)射電子、電導率變化或產(chǎn)生電動勢?；虍a(chǎn)生電動勢。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光電效應按原理又分為以下光電效應按原理又分為以下3 3種：種：1 1、外光電效應：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出、外光電效應：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體外表，構(gòu)成光電流。物體外表，構(gòu)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和動能，即：和動能

5、，即：20012kEmvhfA 不同資料有不同的逸出功，對某種資料而言有一個頻率限，不同資料有不同的逸出功，對某種資料而言有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發(fā)電子，此頻率限成為電子，此頻率限成為“紅限，其臨界波長紅限，其臨界波長K為：為：m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；電子逸出速度；A0物體的外表電子逸出功。物體的外表電子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物體外表電子具有的動能逸出物體外表電子具有的動能哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學3 3、光生伏特效應：在光線作用下，能使

6、物體產(chǎn)生、光生伏特效應：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的景象。典型光電元件有光電池、一定方向的電動勢的景象。典型光電元件有光電池、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：又稱光導電效應，、內(nèi)光電效應：又稱光導電效應， 在光照作用下，在光照作用下，物體導電性能如電阻率發(fā)生變化發(fā)生改動的景物體導電性能如電阻率發(fā)生變化發(fā)生改動的景象。典型的光電元件有光敏電阻等。象。典型的光電元件有光敏電阻等。外光電效應典型元件有光電管、光電倍增管等。外光電效應典型元件有光電管、光電倍增管等。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學二、光電器件二、光電器件 1、外光電效應運用器

7、件、外光電效應運用器件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陽極，陽極，K陰極陰極 當陰極遭到適當波長的光線照射時發(fā)射電子，中央帶正電的陽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。光信號光信號電信號電信號哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學伏安特性伏安特性哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學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、假設(shè)干倍增極和陽極三部由光電陰極、假設(shè)

8、干倍增極和陽極三部分組成。分組成。AK哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 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。假設(shè)的乘積。假設(shè)n個倍增電極的個倍增電極的i 都一樣都一樣 ，那么，那么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 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學幾種光電倍增管的外形幾種光電倍增管的外形 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2、內(nèi)光電效應運用器件：、內(nèi)光電效應運用器件： 構(gòu)造構(gòu)造暗電阻暗電阻 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體資料制成用半導體資料制成普通希望暗電阻越大越好，亮電阻

9、越小越普通希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，好， 此光陰敏電阻的靈敏度高。實踐光敏此光陰敏電阻的靈敏度高。實踐光敏電阻的暗電阻值普通在兆歐量級，電阻的暗電阻值普通在兆歐量級， 亮電阻亮電阻值在幾千歐以下。值在幾千歐以下。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光敏晶體管二極管、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光電子空穴對光生載流子光生載流子內(nèi)建電場作用內(nèi)建電場作用光電流光電流PN結(jié)反導游通結(jié)反導游通運用：光亮度丈量、光耦合器件、非接觸丈量轉(zhuǎn)速運用：光亮度丈量、光耦合器件、非接觸丈量轉(zhuǎn)速光敏二極管的構(gòu)造與普光敏二極管的構(gòu)造與普通

10、二極管類似、通二極管類似、 光敏光敏二極管在電路中普通是二極管在電路中普通是處于反向任務形狀。處于反向任務形狀。在沒有光照射時，反向電在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，這反向電流稱為暗電流，當光照射在當光照射在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，它們在生空穴對，它們在PN結(jié)結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向處的內(nèi)電場作用下作定向運動，構(gòu)成光電流。光的運動，構(gòu)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處于截止形狀，受光照射時處于導通形狀

11、。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學3、光生伏特效應運用器件：、光生伏特效應運用器件：- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光電子空穴對光電子空穴對內(nèi)建電場作用內(nèi)建電場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)光電動勢光電動勢阻撓層阻撓層內(nèi)建電場內(nèi)建電場PN結(jié)結(jié)常見器件：常見器件： 光電池太陽能電池，包括硅光電池、硒光電光電池太陽能電池，包括硅光電池、硒光電池、砷化鎵光電池等。池、砷化鎵光電池等。當光照到當光照到PN結(jié)區(qū)時，假設(shè)光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)結(jié)區(qū)時，假設(shè)光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電

12、子出電子-空穴對，在空穴對，在N區(qū)聚積負電荷，區(qū)聚積負電荷，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。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學太陽能電池片太陽能電池片哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 70年代開展起來，開展自年代開展起來，開展自MOS器件器件 MOS光敏單元陣列光敏單元陣列 讀出移位存放器讀出移位存放器 用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應 用：攝像機固態(tài)圖像拾取。用：攝像機固態(tài)圖像拾取。圖像傳感器4、電荷耦合器件、電荷耦合器件Charge-Coupled Device，簡稱，簡稱CCD哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學

13、1MOS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P型區(qū)構(gòu)成勢阱產(chǎn)生電子和空穴勢阱俘獲電子與光強成正比構(gòu)成MOS光敏元象素光光哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2CCD時鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系時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存放器讀出移位存放器 1 2 3tt1 t2 t3 t4讀出移位存放器是電荷圖像輸出電路讀出移位存放器是電荷圖像輸出電路哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學123123123123t1t2t3t4t5哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學3線陣與面陣線陣與面陣CCD單通道線陣單通

14、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存放器移位存放器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光積分區(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存放器存放器B存放器存放器X哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學輸出輸出面陣：光敏元陳列成矩陣面陣：光敏元陳列成矩陣光敏元面陣、光敏元面陣、存儲器面陣、存儲器面陣、讀出移位存放讀出移位存放器線陣。器線陣。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學5、位置、位置 敏感器件敏感器件Position Sensitive Detector-PSD 分類：一維、二維。分類：一維、二維。PNI123I1I2I0LLx入射光入射光212112A

15、IIXLII原理見教材原理見教材P哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學優(yōu)點：高靈敏度、高分辨力、呼應速度快、配置電路簡單等運用范圍：位置準確丈量、兵器制導和跟蹤、工業(yè)自動控制等哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學產(chǎn)品產(chǎn)品哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學棱鏡系統(tǒng)或光柵棱鏡系統(tǒng)或光柵會聚光組會聚光組CCD面陣面陣步進系統(tǒng)步進系統(tǒng)XY驅(qū)動控制系統(tǒng)驅(qū)動控制系統(tǒng)信號采集系統(tǒng)信號采集系統(tǒng)信號處置系統(tǒng)信號處置系統(tǒng)計算機計算機系統(tǒng)系統(tǒng)丈量系統(tǒng)丈量系統(tǒng)信號采集處置系統(tǒng)信號采集處置系統(tǒng)哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學驅(qū)動電路驅(qū)動電路分類機構(gòu)分類機構(gòu)計算機計算機細化二值化細化二值化處置處置傳送帶傳送帶CCD透鏡透鏡1分類箱分類箱23哈爾濱

16、工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學RFID Tag汽車車牌汽車車牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端資料庫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)信號收發(fā)信號拍照拍照經(jīng)過經(jīng)過API傳送傳送傳回信號傳回信號哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學一、概述一、概述 脈沖式：需求一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤經(jīng)過敏感脈沖式：需求一個計數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤經(jīng)過敏感元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)元件給出一系列脈沖，它在計數(shù)器中對某個基數(shù)進展加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。進展加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對式：它可以在恣意位置給出一個固定的與位置絕對式：它可以在恣意位置給出一個固定的與位置相對應的數(shù)字碼輸出

17、。相對應的數(shù)字碼輸出。8-3 8-3 光電碼盤光電碼盤哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 光學碼盤式傳感器是用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。 以下圖是任務原理表示圖。 1-光源；2-柱面鏡；3-碼盤；4-狹縫；5-元件。二、任務原理二、任務原理哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 1、以下圖所示是一個、以下圖所示是一個6位的二進制碼盤。位的二進制碼盤。三、碼盤和碼制三、碼盤和碼制哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2、誤差問題、誤差問題 1 編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率那編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率那么決議于碼道

18、的數(shù)目。么決議于碼道的數(shù)目。 措施：需求增大碼盤的尺寸以包容更多的碼道措施：需求增大碼盤的尺寸以包容更多的碼道 對工藝提出很高要求對工藝提出很高要求 2同步困難：相鄰兩碼之間假設(shè)有一個碼道提同步困難：相鄰兩碼之間假設(shè)有一個碼道提早或延后，會呵斥讀碼誤差。早或延后，會呵斥讀碼誤差。 處理措施處理措施 ：a、編碼技術(shù)；、編碼技術(shù)； b、掃描技術(shù)、掃描技術(shù) 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學3、循環(huán)碼盤 右圖為6位循環(huán)碼碼盤。1n位循環(huán)碼有2n種不同 編碼；2循環(huán)碼為無權(quán)碼；3循環(huán)碼碼盤相鄰區(qū)域 的編碼只需一位變化。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學DBGDBG十進制十進制二進制二進制循環(huán)碼循環(huán)碼 十進制十進制

19、二進制二進制循環(huán)碼循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復雜困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M制數(shù)電路復雜哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學四、運用四、運用光學碼盤測角原理光學碼盤測角原理光光放大放大鑒幅整形鑒幅整形糾錯糾錯當量變換當量變換 存放存放顯示譯碼顯示譯碼 光源光源聚光鏡聚光鏡碼盤碼盤狹縫狹縫光電元件光電元件 光

20、源光源1經(jīng)過大孔徑聚光鏡經(jīng)過大孔徑聚光鏡2構(gòu)成均勻狹長的光束照射到碼盤構(gòu)成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。上。根據(jù)碼盤所處的轉(zhuǎn)角位置，位于狹縫根據(jù)碼盤所處的轉(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輸輸出相應的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量出相應的電信號。該信號經(jīng)過放大、鑒幅、整形后，再經(jīng)當量變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和存放電路在需求時采用。變換，最后譯碼顯示。糾錯電路和存放電路在需求時采用。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學五、產(chǎn)品五、產(chǎn)品哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學？思索題？思索題n為什么為什么BCD碼制的碼盤會產(chǎn)生誤差？碼制的碼盤會產(chǎn)

21、生誤差？n循環(huán)碼的特點。循環(huán)碼的特點。n一個一個10碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小分辨力碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小分辨力為多少？為多少？哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學8-4 8-4 光纖傳感器光纖傳感器p 光光(導導)纖纖(維維)是是20世紀世紀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、半導體探測器一同構(gòu)成了新的光學技它與激光器、半導體探測器一同構(gòu)成了新的光學技術(shù)，發(fā)明了光電子學的新天地術(shù)，發(fā)明了光電子學的新天地(領(lǐng)域領(lǐng)域)。p 光纖傳感器始于光纖傳感器始于1977年，把待丈量與光纖內(nèi)的導年，把待丈量與光纖內(nèi)的導光聯(lián)絡起來就構(gòu)成光纖傳感器。光聯(lián)絡起來就構(gòu)成光纖傳感器。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工

22、業(yè)大學度、度、振動、壓力、射線、圖振動、壓力、射線、圖像像 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學一、光纖傳感器的根本知識一、光纖傳感器的根本知識1. 光纖的構(gòu)造光纖的構(gòu)造 注：不同類型的光纖資料的折射率分布有區(qū)別注：不同類型的光纖資料的折射率分布有區(qū)別纖芯纖芯包層包層外套外套哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2. 光纖的分類光纖的分類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)律分類分類階躍型階躍型梯度型梯度型 采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。 階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變

23、化的，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，依托光在纖芯和包層界所示。光線的傳播，依托光在纖芯和包層界面上發(fā)生的內(nèi)全反射景象。面上發(fā)生的內(nèi)全反射景象。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，而是從中心軸線開場沿徑向大致按拋物線外形遞減，中心軸線開場沿徑向大致按拋物線外形遞減，中心軸折射

24、率最大。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會自動地從折射率小的界面向中心會聚，播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。稱為自聚焦光纖。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 光纖傳輸方式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳送的光波之間的干涉所產(chǎn)生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播方式不同。 在光纖中傳播方式很多不利于光信號的傳播，在光纖中傳播方式很多不利于光信號的傳播，由于同一種光信號采取很多方式傳播將使一部分光由于同一種光信號采取很多方式傳

25、播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接納端的小信號，從而信號分為多個不同時間到達接納端的小信號，從而導致合成信號的畸變，因此希望光纖信號方式數(shù)量導致合成信號的畸變，因此希望光纖信號方式數(shù)量要少。要少。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 普通纖芯直徑為212m，只能傳輸一種方式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高， 但由于纖芯尺寸小，制造、銜接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大50100m，傳輸方式較多稱為多模光纖，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差別，但由于纖芯截面積大，故容易制造，銜接和耦合比較方便。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光是一種電磁波光是一種電磁

26、波,普通采用動搖實際來分析導光的根本普通采用動搖實際來分析導光的根本原理。然而根據(jù)光學實際指出：在尺寸遠大于波長而原理。然而根據(jù)光學實際指出：在尺寸遠大于波長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“光線即幾何光學的方光線即幾何光學的方法來分析光波的傳播景象法來分析光波的傳播景象,這對于光纖中的多模光纖是這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此完全適用的。為此, 采用幾何光學的方法來分析。采用幾何光學的方法來分析。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學(a)(a)光的折射表示圖光的折射表示圖 可見，入射角可見，入射角1增大時，增大時，折射角折射角2也隨之增大，且一也隨之增大，且一直直2

27、1 。n1、n2、 2 、 1之間的數(shù)學關(guān)之間的數(shù)學關(guān)系為系為 n1sin 1 =n2sin 2 n1n2 1 2哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學當當2 =90時，時，1仍仍90，此時，出射光線沿界面，此時，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D傳播如圖b，稱為臨界形狀，稱為臨界形狀 1 10 。這。這時有時有n1n2(b) 臨界形狀表示圖臨界形狀表示圖 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin901臨界角臨界角n1n2(c) 光全反射表示圖光全反射表示圖 1 2當當1 1 i0i0并繼續(xù)增大時，并繼續(xù)增大時，2 2 9090，這時便發(fā)生全反，這時便發(fā)生全反射景象，如

28、圖射景象，如圖(c) (c) ，其出射光，其出射光不再折射而全部反射回來。不再折射而全部反射回來。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學n1n2n0階躍型光纖傳光表示圖階躍型光纖傳光表示圖0110sinsinnn011？習題：？習題： 假設(shè)空氣的光折射率為假設(shè)空氣的光折射率為n0，要使光纖的入射，要使光纖的入射光在光纖纖芯內(nèi)全反射，那么光在光纖纖芯內(nèi)全反射，那么0至多為多至多為多少？少？211arcsinCnn哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學1數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑反映纖芯接納光量的多少，是標志數(shù)值孔徑反映纖芯接納光量的多少，是標志光纖接納性能的一個重要參數(shù)。光纖接納性能的一個重要參數(shù)。2損耗：損耗：

29、光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)定義損耗系數(shù)1o10lg PLLP，光纖長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哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學二、光纖傳感器的構(gòu)造及特性二、光纖傳感器的構(gòu)造及特性 光纖傳感器分類光纖傳感器分類 功能型傳感器：傳感型、探測型 利用光纖本身的某種敏感特性 2. 非功能型傳感器：傳光型、構(gòu)外型、強度型、混合型 (光纖只作為傳光介質(zhì)) 光纖傳感器可測參光纖傳感器可測參量量 電流磁場、電壓電場； 溫度 速度 振動、壓力 射線 圖像哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 以電為根底的傳統(tǒng)傳感

30、器是一種把丈量的形狀轉(zhuǎn)以電為根底的傳統(tǒng)傳感器是一種把丈量的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的電信號的安裝。它的電源、敏感元件、信變?yōu)榭蓽y的電信號的安裝。它的電源、敏感元件、信號接納和處置系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線銜接，號接納和處置系統(tǒng)以及信息傳輸均用金屬導線銜接，見圖見圖(a)。 光纖傳感器那么是一種把被丈量的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榭晒饫w傳感器那么是一種把被丈量的形狀轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的安裝。由光發(fā)送器、敏感元件測的光信號的安裝。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或光纖或非光纖的非光纖的)、光接納器、信號處置系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，、光接納器、信號處置系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖見圖(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

31、光纖引導至敏感元件。這時，光的某一導至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)遭到被丈量的調(diào)制，已調(diào)光性質(zhì)遭到被丈量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接納光纖耦合到光接納器，使經(jīng)接納光纖耦合到光接納器，使光信號變?yōu)殡娦盘枺詈蠼?jīng)信號光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處置得到所等待的被丈量。處置得到所等待的被丈量。光纖光纖信號處置信號處置光接納器光接納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處置信號處置電電 源源信號接納信號接納敏感元件敏感元件a傳統(tǒng)傳感器傳統(tǒng)傳感器 導線導線哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 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造和運用也比較容易，所以目前非功能型傳感器

32、種類較多。功能型傳感器的構(gòu)思和原理往往比較巧妙，可處理一些特別辣手的問題。但無論哪一種傳感器，最終都利用光探測器將光纖的輸出變?yōu)殡娦盘枴?光纖傳感器由光源、敏感元件光纖或非光纖的、光探測器、信號處置系統(tǒng)以及光纖等組成。由光源發(fā)出的光經(jīng)過源光纖引到敏感元件，被測參數(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)遭到被丈量的調(diào)制，調(diào)制后的光信號經(jīng)接納光纖耦合到光探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號， 最后經(jīng)信號處置得到所需求的被丈量。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學(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功能型、非功能型和拾光型三光纖傳感器分為功能型、非功能型和拾光型三

33、大類。大類。 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外界信息具有敏感才干和檢測才干的光利用對外界信息具有敏感才干和檢測才干的光纖纖( (或特殊光纖或特殊光纖) )作傳感元件，將作傳感元件，將“傳和傳和“感感合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界要素且還利用光纖在外界要素( (彎曲、相變彎曲、相變) )的作用的作用下，其光學特性下，其光學特性( (光強、相位、偏振態(tài)等光強、相位、偏振態(tài)等) )的變的變化來實現(xiàn)化來實現(xiàn)“傳和傳和“感的功能。因此，傳感器感的功能。因此，傳感器中光纖是延續(xù)的。由于光纖延續(xù)，添加其長度中光

34、纖是延續(xù)的。由于光纖延續(xù)，添加其長度，可提高靈敏度。，可提高靈敏度。信號處置信號處置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)送器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 2 2非功能型或稱傳光型光纖傳感器非功能型或稱傳光型光纖傳感器光纖僅起導光作用，只光纖僅起導光作用，只“傳不傳不“感，對外界信息的感，對外界信息的“覺得功能依托其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不覺得功能依托其他物理性質(zhì)的功能元件完成。光纖不延續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，延續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，本錢低。但靈敏度也較低，用于對靈敏比較容易實現(xiàn)，本錢低。但靈敏度也較低，用于對靈

35、敏度要求不太高的場所。度要求不太高的場所。信號處置信號處置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 用光纖作為探頭，接納由用光纖作為探頭，接納由被測對象輻射的光或被其被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳度計、輻射式光纖溫度傳感器等。感器等。 信號信號處置處置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對象被測對象哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光纖傳感器的根本構(gòu)造光纖傳感器的根本構(gòu)造丈丈量量對對象象丈丈量量對對象象丈丈量量對對象象丈丈量

36、量對對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哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 2根據(jù)光受被測對象的調(diào)制方式根據(jù)光受被測對象的調(diào)制方式方式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。方式：強度調(diào)制型、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制。 1強度調(diào)制型光纖傳感器強度調(diào)制型光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、是一種利用被測對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，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏吸收或反射等參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感丈量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸感丈量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質(zhì)的吸收特性；振動膜或液晶的反

37、射光強度的變化；物質(zhì)因各收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質(zhì)因各種粒子射線或化學、機械的鼓勵而發(fā)光的景象；以及物種粒子射線或化學、機械的鼓勵而發(fā)光的景象；以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。位移、氣體等各種強度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點：構(gòu)造簡單、容易實現(xiàn)，本錢低。優(yōu)點：構(gòu)造簡單、容易實現(xiàn)，本錢低。缺陷：受光源強度動搖和銜接器損耗變化等影響較大缺陷：受光源強度動搖和銜接器損耗變化等影響較大 。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 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)

38、變化來傳送被測對象信息是一種利用光偏振態(tài)變化來傳送被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應的傳感器。有利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)內(nèi)傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質(zhì)的光彈效應構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光的光彈效應構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以防止光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。感器可以防止

39、光源強度變化的影啊，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物體上反射回來的光的是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進展監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反頻率發(fā)生變化來進展監(jiān)測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散壓力、加速度傳感器；利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的丈量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；射構(gòu)成的丈量氣體濃度或監(jiān)測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。以及利用光致發(fā)光

40、的溫度傳感器等。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 4 4相位調(diào)制傳感器相位調(diào)制傳感器 其根本原理是利用被測對象對敏感元件的作其根本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的而導致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，經(jīng)過檢測干涉條紋的變化干涉條紋發(fā)生變化，經(jīng)過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁

41、場傳動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克利用光纖賽格納克SagnacSagnac效應的旋轉(zhuǎn)角速效應的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器光纖陀螺等。這類傳感器的靈敏度傳感器光纖陀螺等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此本錢高。統(tǒng)，因此本錢高。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學傳感器傳感器光學景象光學景象被丈量被丈量光纖光纖分類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效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度

42、、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 強度調(diào)制光纖溫度傳感器遮光板遮斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄膜溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、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泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓、溫度振動、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受激喇曼散射光致發(fā)光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMcbb注

43、：注：MM多模；多模；SM單模；單模；PM偏振堅持；偏振堅持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學三、光纖傳感器舉例三、光纖傳感器舉例 基于微彎效應測基于微彎效應測壓力壓力F光強調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長調(diào)制光強調(diào)制；相位調(diào)制；偏振態(tài)調(diào)制；波長調(diào)制哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學1008060402000.51.01.52.0透射光強%外力N哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學偏振態(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信號處置輸出電流導線哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學非功能型光

44、纖傳感器測溫運用非功能型光纖傳感器測溫運用GaAs半導體半導體光吸收片光吸收片E1E2輸出輸出溫度丈量范圍：溫度丈量范圍：-20300C；誤差；誤差3C哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學丈量原理：利用多數(shù)半導體的能帶隨溫度的丈量原理：利用多數(shù)半導體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。資料吸收波長隨溫度添升高而減小的特性。資料吸收波長隨溫度添加而向長波方向挪動，可以使透射過半導體加而向長波方向挪動，可以使透射過半導體資料的光強隨溫度而改動，到達測溫的目的。資料的光強隨溫度而改動，到達測溫的目的。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光纖液位傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射實際原理：

45、基于全內(nèi)反射實際 當測頭沒有接觸液面處于空氣中時，當測頭沒有接觸液面處于空氣中時，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而前往到光電二光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而前往到光電二極管；當測頭接觸液面，由于液體與空氣折射極管；當測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不一樣，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光率不一樣，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使前往光電二極管的光強變?nèi)酢＞€投入液體，使前往光電二極管的光強變?nèi)?。前往光強是液體折射率的函數(shù)。前往光強發(fā)生前往光強是液體折射率的函數(shù)。前往光強發(fā)生突變時，測頭已接觸到液位。突變時，測頭已接觸到液位。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學圓錐測頭圓錐測頭U型測頭型測頭 同時可

46、以測定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學反射光強調(diào)制型光纖傳感運用P +放大放大濾波濾波2040608010020406080100膜片振動m反射光強%哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光纖速度、加速度傳感器光纖速度、加速度傳感器 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)槲灰啤⑥D(zhuǎn)角或形變等變量。經(jīng)過對這些變量的丈量，就可以得到加速度數(shù)值。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學光纖傳感器優(yōu)缺陷光纖傳感器優(yōu)缺陷 優(yōu)點：功能強，且光纖本身是敏感器件；優(yōu)點：功能強，且光纖本身是敏感器件； 抗電磁干擾，平安。抗電磁干擾，平安。 缺陷：技術(shù)難度大、構(gòu)造復雜、調(diào)整

47、困難。缺陷：技術(shù)難度大、構(gòu)造復雜、調(diào)整困難。哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學四、產(chǎn)品四、產(chǎn)品壓力壓力應力應力溫度溫度哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學溫度、應變儀溫度、應變儀分析儀分析儀網(wǎng)絡分析儀網(wǎng)絡分析儀哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學8-4 8-4 光柵式傳感器光柵式傳感器哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學一、光柵的類型和構(gòu)造一、光柵的類型和構(gòu)造 計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。計量光柵按外形又可分為長光柵和圓光柵。計量光柵按外形又可分為長光柵和圓光柵。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱

48、工業(yè)大學尺身尺身尺身安裝孔尺身安裝孔 反射式掃描反射式掃描頭頭 與挪與挪動部件固定動部件固定掃描頭安裝孔掃描頭安裝孔可挪動電纜可挪動電纜光柵的外形及構(gòu)造光柵的外形及構(gòu)造防塵維護罩的內(nèi)部為長磁柵防塵維護罩的內(nèi)部為長磁柵哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學掃描頭與挪動部件固定掃描頭與挪動部件固定光柵尺光柵尺可挪動電纜可挪動電纜光柵的外形及構(gòu)造續(xù)光柵的外形及構(gòu)造續(xù)哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學反射式光柵反射式光柵哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學透射式光柵透射式光柵哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學透射式圓光柵透射式圓光柵固定固定哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學 1 1、定義、定義 二、莫爾條紋二、莫爾條紋BaabbW 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一同，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線堅持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，構(gòu)成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而構(gòu)成暗帶。 哈爾濱工業(yè)大學哈爾濱工業(yè)大學2、 亮帶與暗帶之間的間隔亮帶與暗帶之間的間隔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