第6章光敏傳感器及工程應(yīng)用

1、第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用第第6章章 光敏傳感器及工程應(yīng)用光敏傳感器及工程應(yīng)用6.1 6.1 光光的基本知識的基本知識6.2 6.2 常見光電元件常見光電元件6.3 6.3 光電傳感器光電傳感器6.4 6.4 光光纖傳感器纖傳感器6.5 6.5 光敏傳感器工程應(yīng)用案例光敏傳感器工程應(yīng)用案例返回主目錄第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.1 光的基本知識光的基本知識6.1.1 光的光的基本特性基本特性 由光學(xué)知識可知，光具有波粒二象性。因而它不但具有波的特性，而且還具有顆粒特性。光有可見和不可見之分。其可見光的波長在380780nm之間。波長在10380nm之間的稱作紫外線，在780106nm之間的

2、稱作紅外線。根據(jù)光的量子理論，光又是一種以光速運動的粒子流。這些粒子稱作光子，光子具有能量，每個光子的能量E為 式中，h為普朗克常數(shù)；為光的頻率。 由此可知，不同頻率的光子具有不同的能量。 hE (6-1)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 光照度是衡量被照射物體表面明亮程度的一個參數(shù)，它表示被照射物體表面單位面積上受到的光通量，單位是勒克斯（lx），光通量是指人眼所能感覺到的輻射功率，它等于單位時間內(nèi)某一波段的輻射能量和該波段的相對視見率的乘積。光通量的單位是流明（lm），它們之間的關(guān)系是 1(lx) = 1(lm/m2) 為了測量光照的強弱，就需要光檢測傳感器。所謂光檢測傳感器，實際是將光信號轉(zhuǎn)

3、變成電信號的一種器件，通常人們把它稱作光電轉(zhuǎn)換器件，簡稱為光電器件。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.1.2 光電效應(yīng)光電效應(yīng) 在光的照射下，物體吸收了光的能量而產(chǎn)生的電現(xiàn)象，稱作光電效應(yīng)。光電效應(yīng)又分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 當(dāng)物體內(nèi)的電子在光的照射下逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象就稱作外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子稱作光電子。 2. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 在光的照射下，物體的電阻率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱作內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩種。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用1) 光電導(dǎo)效應(yīng)當(dāng)物體的電阻率在光的照射下發(fā)生改變的現(xiàn)象稱作光電

4、導(dǎo)效應(yīng)。2) 光生伏特效應(yīng)當(dāng)物體在光的照射下產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱作光生伏特效應(yīng)。 基于不同的光電效應(yīng)就得到不同的光電元器件。下面就介紹幾種常見的光電器件。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用光電管的結(jié)構(gòu)如圖6-1所示，它是在一個真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極的器件。一個是光電陰極，有的貼在玻璃泡內(nèi)壁，有的是涂在半圓筒形的金屬片上。另一個是陽極，通常是裝在光電陰極前面的一根金屬絲或金屬環(huán)。6.2 常見光電元件常見光電元件6.2.1 光電管光電管1. 光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電管的結(jié)構(gòu)及工作原理第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 它的工作原理是基于外光電效應(yīng)：即當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便向外發(fā)射電子，電子

5、被帶正電位的陽極所吸引，在管內(nèi)就產(chǎn)生光電子流，在外電路中便產(chǎn)生電流。 2. 光電管的伏安特性光電管的伏安特性 實驗證明，光電管產(chǎn)生的光電子流大小與光通量有關(guān)，當(dāng)光通量一定時，陽極電壓U與陽極電流 I 的關(guān)系曲線如圖6-2所示。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.2.2 光電倍增管光電倍增管 1. 光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理 在光線比較弱的時候，光電管能產(chǎn)生的光電流很小，為了克服這個缺點，人們又設(shè)計了光電倍增管。它主要由一個光電陰極、若干個倍增極和一個陽極等部分構(gòu)成。倍增極個數(shù)在414個之間。四倍增極的光電倍增管結(jié)構(gòu)如圖6-2所示。其中K為光電陰極，電位最低，D1D4為倍增

6、極，電位逐次升高，即UD1UD2UD3n2，則當(dāng)角增加時，角也增加。當(dāng)角增加到某一角度時，可使=90，此時，折射光完全消失，只剩下反射光。繼續(xù)增大入射角，仍然如此。這種現(xiàn)象稱作全反射。使折射角=90 的入射角叫做臨界角，記作c。則結(jié)論：當(dāng)光線從折射率大的介質(zhì)射入折射率小的介質(zhì)時，如果入射角大于或等于臨界角，即： 就發(fā)生全反射現(xiàn)象。c12arcsinnnc 1sinsin12即nn(6 4)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用3. 光纖的傳光原理光纖的傳光原理設(shè)有一段圓柱形光纖如圖6-32所示。當(dāng)一束光以入射角從光纖芯的一個端面射入時，將會在端面發(fā)生折射角為的光線射入光纖芯，并照射到纖芯與包層的交界面上

7、；在該界面上有一部分光返射回纖芯，還有一部分光以折射角射入包層。圖圖6-32 光纖的傳光原理示意圖光纖的傳光原理示意圖第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用根據(jù)斯涅耳折射定律可知，只要n1n2，并適當(dāng)選擇光的入射角，就能使光在纖芯與包層的交界面上發(fā)生全反射，使光在光纖內(nèi)無限的傳播下去，而不會有光線射入包層。下面來推導(dǎo)光纖的傳光條件。根據(jù)斯涅耳折射定律得：式中，n0為端面外部的折射率。聯(lián)立式(6-5)和(6-6)得 sinsin10nnsinsin21nn21201201010101)sin(1sin1cos)90sin(sinsinnnnnnnnnnnnn(6 5)(6 6)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用

8、若要使光在光纖芯和包層的界面上發(fā)生全反射，必須滿足 。設(shè)當(dāng) 時， ，則顯然，當(dāng)光照射到光纖端面的入射角滿足光在光纖內(nèi)就發(fā)生全反射。式(6-9)又稱作光纖的傳光條件。一般光纖所處的環(huán)境為空氣，而空氣的折射率n0=1，這時傳光條件(6-9)式可寫成22210212011)(1sinnnnnnnnc90c90)1arcsin(22210nnnc(6 8)(6 9)arcsin(2221nnc(6-10)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 由上分析可知，光在光纖內(nèi)是以鋸齒波形狀向前傳播的，所以，只要光纖彎曲不大，不會破壞它的全反射條件，也就不會影響光的傳播。這就是光纖可以轉(zhuǎn)彎的原因。6.4.2 光纖的主要參

9、數(shù)光纖的主要參數(shù)1. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑 由前面分析可知，c是光纖實現(xiàn)全反射的臨界入射角，它是由組成光纖物質(zhì)的折射率唯一確定的，它的大小反映了光纖的集光本領(lǐng)的大小。為了定量的描述光纖的這種本領(lǐng)，引入了數(shù)值孔徑這個概念，用NA來表示，它定義為222101sinnnnNAc(6 11)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 其物理意義是無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射角處于2c范圍內(nèi)的光才能在光纖內(nèi)無損耗的傳播下去。光纖的數(shù)值孔徑越大，表明光纖對光的集光能力越強。2. 光纖的傳輸損耗光纖的傳輸損耗 光在光纖內(nèi)傳播，由于種種原因?qū)a(chǎn)生損耗，損耗的程度可用衰減率來衡量。假設(shè)光纖的入射光強為I0，經(jīng)過1000m傳

10、輸后光強度下降到I1，則衰減率A定義為 其中A的單位是dB/km。10lg10IIA (6 12)第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用引起傳輸損耗的原因很多，但歸納起來主要有三種， 第一種為材料吸收損耗。它是由光纖材料中的金屬雜質(zhì)如鐵、銅、鉻、鎳的電子能級及進(jìn)入光纖芯及包層的氫氧根離子的振動能級對光能的吸收所引起的。 第二種為散射損耗。散射損耗主要包括由于光纖介質(zhì)密度起伏引起的瑞利散射、由于溫度引起的動態(tài)密度起伏引起的布里淵散射及由于原子振動和旋轉(zhuǎn)能級的吸收和再輻射所引起的拉曼散射。 第三種為光纖彎曲損耗。它是由于在使用過程中，光纖彎曲部分不滿足全反射條件而產(chǎn)生的一種損耗。但當(dāng)彎曲半徑大于10cm時，

11、此損耗可以忽略不計。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.4.3 光纖的分類光纖的分類光纖的分類方法有多種，常見的有兩種。一種是按光在光纖中的傳播模式分類，可分為多模光纖和單模光纖兩種。所謂傳播模式是指光波在光纖中的傳播途徑和方式。在光纖的一端，以某一角度射入光纖端面，并能在光纖內(nèi)傳播的光線路徑就稱作一種傳播模式，當(dāng)光纖芯直徑較大時，可以在光纖的受光角內(nèi)允許有多個特定的角度射入，并在光纖內(nèi)傳播，此光纖就稱作多模光纖。當(dāng)光纖芯直徑較小時，光纖只允許與光纖軸線方向一致的光線通過，就稱作單模光纖。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用另一種是按折射率的分布情況分類，可分為突變型光纖(反射型光纖)和漸變型光纖(折射型

12、光纖)兩種。其光纖結(jié)構(gòu)如圖6-33所示。突變型光纖的傳光原理如圖6-32所示。圖圖6-33 光纖的斷面結(jié)構(gòu)與折射率分布情況光纖的斷面結(jié)構(gòu)與折射率分布情況第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用漸變型光纖的傳光原理如圖6-34所示。圖圖6-34 漸變型光纖的傳光原理漸變型光纖的傳光原理 由圖6-34可知，在漸變型光纖中，由于光纖芯的折射率是連續(xù)變化的，因此光波的傳輸軌跡是一條條光滑的曲線。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.4.4 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理光纖傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理 光纖傳感器實際上是把被測量的變化轉(zhuǎn)變成光信號的變化，然后再由光電器件把光信號的變化轉(zhuǎn)變成電信號的變化來進(jìn)行測量的一種裝置。其結(jié)構(gòu)

13、如圖6-35所示，它由光源、光纖、敏感元件(光纖或非光纖)、光電器件等組合而成。 由圖可知，它的結(jié)構(gòu)與光電傳感器類同，所不同的是它將光的通路限制在光纖里面。其敏感元件可以是光纖本身，也可以是光纖以外的器件。圖圖6-35 光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖光纖傳感器結(jié)構(gòu)示意圖第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.4.5 纖傳感器的分類纖傳感器的分類 （有兩種）1. 按被調(diào)制參數(shù)分類，按被調(diào)制參數(shù)分類，可分下面可分下面4種種1）強度調(diào)制型強度調(diào)制型是指利用被測參數(shù)的變化引起光敏感元件的折射率、吸收率或反射率等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度的變化來實現(xiàn)參數(shù)測量的光纖傳感器。2）相位調(diào)制型相位調(diào)制型是指利用被測對象對敏感元件的

14、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)致光的相位變化來實現(xiàn)參數(shù)測量的光纖傳感器。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用3）偏振調(diào)制型偏振調(diào)制型是指利用被測參數(shù)的變化而引起光的偏振態(tài)變化，通過測量偏振態(tài)的變化來實現(xiàn)參數(shù)測量的光纖傳感器4）頻率調(diào)制型頻率調(diào)制型是指利用被測參數(shù)變化，而導(dǎo)致光的頻率變化，通過測量頻率的變化來實現(xiàn)參數(shù)測量的光纖傳感器。2. 按光纖在傳感器中起的作用分類，按光纖在傳感器中起的作用分類，可分為兩種可分為兩種1）非功能型所謂非功能型光纖傳感器是利用外加的敏感元件對光進(jìn)行調(diào)制，而光纖僅僅作為傳光之用，故又稱為傳光型光纖傳感器。它的特點是對光纖要求不高，結(jié)構(gòu)簡單，可靠性好。缺點是

15、光調(diào)制在光纖外進(jìn)行，故容易產(chǎn)生附加損耗。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用2）功能型所謂功能型光纖傳感器是利用光纖本身的某些特性和功能進(jìn)行調(diào)制，光纖不僅用作傳光，本身也是敏感器件。故又稱作傳感型傳感器。6.4.6 常見光纖傳感器及其應(yīng)用常見光纖傳感器及其應(yīng)用1. 光纖扭矩傳感器光纖扭矩傳感器光纖扭矩傳感器結(jié)構(gòu)如圖6-36(a)所示。在被測軸上裝上兩個圓周刻有黑白條紋的圓盤，在圓盤下方各放置一反射式光纖探頭。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用圖圖6-36 光纖傳感器結(jié)構(gòu)及輸出波形光纖傳感器結(jié)構(gòu)及輸出波形當(dāng)軸轉(zhuǎn)動時，從光纖探頭可輸出一周期脈沖信號；當(dāng)轉(zhuǎn)軸不受扭矩時，兩個探頭的輸出信號經(jīng)整形后相位差為零；而當(dāng)轉(zhuǎn)

16、軸受到扭矩時，使兩個光纖探頭的輸出信號產(chǎn)生一相位差，如圖6-36(b)所示。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用2. 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器光纖傳感器溫度測量系統(tǒng)是目前僅次于加速度、壓力傳感器而被廣泛使用的光纖傳感器。根據(jù)工作原理它可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。這里僅介紹一種光強調(diào)制型光纖傳感器溫度測量系統(tǒng)，它的結(jié)構(gòu)如圖6-38(a)所示。圖圖6-38 光強調(diào)制型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖光強調(diào)制型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 它是由半導(dǎo)體光吸收器、光纖、光源和包括光探測器在內(nèi)的信號處理系統(tǒng)組成。光纖是用來傳輸光信號的，半導(dǎo)體光吸收器是光敏感元件，在一定的波長范

17、圍內(nèi)，它對光的吸收隨溫度T變化的情況如圖6-38(b)。 圖圖6-38 光纖溫度傳感器特性光纖溫度傳感器特性 由圖可知，半導(dǎo)體材料的光透過率特性曲線隨溫度的增加而向右移動，如果適當(dāng)?shù)剡x定一種在該材料工作波長范圍內(nèi)的光源，就可以使透過半導(dǎo)體材料的光強隨溫度而變化，探測器檢測輸出光強的變化即達(dá)到測量溫度的目的。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用 這種半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器的測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，一般在溫度為-100300范圍內(nèi)進(jìn)行測量，響應(yīng)時間約為2s。它的特點是體積小、結(jié)構(gòu)簡單、時間響應(yīng)快、工作穩(wěn)定、成本低、便于推廣應(yīng)用。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.5 光檢測傳感器的應(yīng)用案例光檢測傳感

18、器的應(yīng)用案例6.5.1 火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)案例火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)案例 火災(zāi)檢測報警系統(tǒng)又叫火災(zāi)探測報警器，它采用硫化鉛（PbS）光敏電阻作為探測元件，其電路如圖6-38所示。圖圖6-38 火災(zāi)探測報警器電路火災(zāi)探測報警器電路第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用光敏電阻的暗電阻為1M，亮電阻為0.2M(在光強度0.01W/m2下測試)，峰值響應(yīng)波長為2.2m，硫化鉛光敏電阻處于VT1管組成的恒壓偏置電路中，其偏置電壓約為6V，電流約為6A。VT1管集電極電阻兩端并聯(lián)68F的電容，可以抑制100Hz以上的高頻，使其成為只有幾十赫茲的窄帶放大器。VT2、VT3構(gòu)成二級負(fù)反饋互補放大器。當(dāng)火焰的閃動信號被光敏電阻檢測到后，經(jīng)二級放大送給中心控制站進(jìn)行報警處理。采用恒壓偏置電路是為了在更換光敏電阻或長時間使用后，器件阻值的變化不至于影響輸出信號的幅度，保證火災(zāi)報警器能長期穩(wěn)定的工作。第6章 光敏傳感器及工程應(yīng)用6.5.2 物體尺寸測量系統(tǒng)案例物體尺寸測量系統(tǒng)案例下面介紹一個利用線型CCD圖像傳感器進(jìn)行工件尺寸檢測的例子。該工件尺寸測量系統(tǒng)如圖6-39所示。圖圖6-39 C