第4章-光電式傳感器ppt課件

1、l4.1 光電效應(yīng)和光電器件光電效應(yīng)和光電器件l4.2 光電碼盤光電碼盤l4.3 電荷耦合器件電荷耦合器件l4.4 光纖傳感器光纖傳感器l4.5 光柵傳感器光柵傳感器l4.1.1 光電管光電管l4.1.2 光電倍增管光電倍增管l4.1.3 光敏電阻光敏電阻l4.1.4 光敏二極管和光敏晶體管光敏二極管和光敏晶體管l4.1.5 光電池光電池l4.1.6 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子，當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。，在

2、外電路中便產(chǎn)生了電流。真空光電管的伏安特性真空光電管的伏安特性 充氣光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管充氣光電管: 構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點是靈敏度高.區(qū)別：在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體區(qū)別：在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體缺點：其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光缺點：其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光 電管差電管差 在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，在入射光極為微弱時，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極組成：光電陰極+若干倍增極若干倍增極+陽極陽

3、極 l光電陰極光電倍增極陽極光電陰極光電倍增極陽極l倍增極上涂有倍增極上涂有Sb-Cs或或Ag-Mg等光敏材料，等光敏材料，并且電位逐級升高并且電位逐級升高 l陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射引起二次電子發(fā)射 l二次電子發(fā)射系數(shù)二次電子發(fā)射系數(shù) =二次發(fā)射電子樹入二次發(fā)射電子樹入射電子數(shù)射電子數(shù)l若倍增極有若倍增極有n，則倍增率為，則倍增率為n1. 光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)2光敏電阻的主要參數(shù)光敏電阻的主要參數(shù)3光敏電阻的基本特性光敏電阻的基本特性當(dāng)無光照時，光敏電阻值當(dāng)無光照時，光敏電阻值(暗電阻暗電阻)很大，電

4、路中電流很小很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時，光敏電阻值當(dāng)有光照時，光敏電阻值(亮電阻亮電阻)急劇減少，電流迅速增加急劇減少，電流迅速增加1.玻璃玻璃 2.光電導(dǎo)層光電導(dǎo)層 3.電極電極 4.絕緣襯底絕緣襯底 5.金屬殼金屬殼 6.黑色絕緣玻璃黑色絕緣玻璃 7.引線引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。因此要將光電導(dǎo)體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，提高了光敏電阻的靈敏度。光敏電阻的電極一般

5、采用梳狀，提高了光敏電阻的靈敏度。靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定 梳狀電極梳狀電極 l（1暗電阻和暗電流暗電阻和暗電流l 光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時間測量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗量的電阻值，稱為暗電阻。此時流過的電流，稱為暗電流。電流。l （2亮電阻亮電阻l 光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。電阻，此時流

6、過的電流稱為亮電流。l （3光電流光電流l 亮電流與暗電流之差，稱為光電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。（1伏安特性伏安特性 （2光照特性光照特性（3光譜特性光譜特性（4響應(yīng)時間和頻率特性響應(yīng)時間和頻率特性（5溫度特性溫度特性 在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系 在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，光敏電阻

7、的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。l光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系光敏電阻的光電流與光強之間的關(guān)系 由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。一般在自動控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號傳感元件。 l光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的 l光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后?；跁r間上有一個滯后

8、。l通常用響應(yīng)時間通常用響應(yīng)時間t表示。表示。 l不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，所不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。以它們的頻率特性也就不盡相同。 l光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。它的暗電阻和靈敏度都下降。 硫化鎘光敏電阻的溫度特性硫化鎘光敏電阻的溫度特性 121212%100)(CRTTRR溫度系數(shù)溫度系數(shù): 在一定光照下，溫度每變化在一定光照下，溫度每變化1，光敏電阻阻值的平均變化率光敏電阻阻值的平均變化率 l隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動隨著溫度升高，光譜響應(yīng)

9、峰值向短波方向移動。因而，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對。因而，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應(yīng)。長波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 1 工作原理工作原理 2 基本特性基本特性l結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中l(wèi)在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的 光敏二極管光敏二極管l與一般晶體管很相似，具有兩個與一般晶體管很相似，具有兩個pn結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換結(jié)。把光信號轉(zhuǎn)換為電信號同時，又將信號電流加以放大。為電信號同時，又將信號電流加以放大。 l（1光譜特性光譜特性 l（2伏安特

10、性伏安特性l（3光照特性光照特性l（4溫度特性溫度特性l（5頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)l入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降 硅和鍺光敏二極晶體管的光譜特性硅和鍺光敏二極晶體管的光譜特性 可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。 硅硅光光敏敏管管的的伏伏安安特特性性 硅光敏管的光照特性硅光敏管的光照特性 光敏二極管的光照特性曲線的線性較好光敏二極管的光照特性曲線的線性較好 l其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對光電流影響很小

11、，而對暗電流影響很大。溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。l具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓或負載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系隨頻率的變化關(guān)系 硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)硅光敏晶體管的頻率響應(yīng) l有光線作用下實質(zhì)上就是電源，電路中有了這有光線作用下實質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。種器件就不再需要外加電源。 l 1. 工作原理工作原理l2基本特性基本特性l直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個大直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個大面積的面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時，便在結(jié)

12、上時，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢結(jié)的兩端產(chǎn)生電動勢(p區(qū)為正，區(qū)為正，n區(qū)為負區(qū)為負) 。l用導(dǎo)線將用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，就有電流流過，電流的方向由流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。區(qū)。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。若將電路斷開，就可以測出光生電動勢。(1) 光譜特性光譜特性(2) 光照特性光照特性(3) 頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) (4) 溫度特性溫度特性 (5) 穩(wěn)定性穩(wěn)定性l光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的 l不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。

13、 短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用光電池作為測量元件使用時，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用 l外接負載電阻相對于它的內(nèi)阻來說很小情況下外接負載電阻相對于它的內(nèi)阻來說很小情況下的電流值。的電流值。 負載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬負載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬 l指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系 硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)硅光電池具有較高的頻率響應(yīng) ,用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換用于高速計數(shù)

14、的光電轉(zhuǎn)換 l開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。l關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標測量精度或控制精度等重要指標 硅光電池的溫度特性硅光電池的溫度特性(照度照度1000lx)l當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的 l硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定 l影響性能和壽命因素：影響性能和壽命因素：l光電池的材料及制造工藝光電池的材料及制造工藝l使用環(huán)境條件使用環(huán)境

15、條件 l模擬式傳感器模擬式傳感器l脈沖式傳感器脈沖式傳感器l基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)是光通量的函數(shù) 。ll對于光通量的任意一個選定值，對應(yīng)的光電流對于光通量的任意一個選定值，對應(yīng)的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數(shù)。的函數(shù)。1物鏡；物鏡；2平面玻璃；平面玻璃；3光闌；光闌；4光導(dǎo)棒；光導(dǎo)棒；5分光鏡；分光鏡；6濾光片；濾光片；7硅光電池；硅光電池；8濾光片；濾光片；9硅光電池；硅光電池；1

16、0瞄準反射鏡；瞄準反射鏡；11圓柱反射鏡；圓柱反射鏡；12目鏡；目鏡；13多夫棱鏡多夫棱鏡14、15硅光電池負載電阻；硅光電池負載電阻；16可逆電機；可逆電機；17電子電位差計電子電位差計22l光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就光電器件的輸出僅有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，也就是是“通與通與“斷的開關(guān)狀態(tài)。斷的開關(guān)狀態(tài)。l光電器件受光照時，有電信號輸出，光電光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速感器，如測量線位

17、移、線速度、角位移、角速度度(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。的光電脈沖傳感器等等。60ZTNc 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器: 把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出優(yōu)點：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強，能避免優(yōu)點：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強，能避免 在讀標尺和曲線圖時產(chǎn)生的人為誤差，便于用在讀標尺和曲線圖時產(chǎn)生的人為誤差，便于用 計算機處理。計算機處理。最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器最簡單的數(shù)字式傳感器是編碼器(ADE) 角度數(shù)字編碼器碼盤或直線位移編碼器碼尺）角度數(shù)字編碼器碼盤或直線位移編碼器碼尺）原理分類：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等原理分類：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光

18、電式等 l4.2.1 工作原理工作原理l4.2.2 碼盤和碼制碼盤和碼制l4.2.3 二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)二進制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換換l4.2.4 應(yīng)應(yīng) 用用l用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示用光電方法把被測角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號的轉(zhuǎn)換部件。的電信號的轉(zhuǎn)換部件。1光源光源 2柱面鏡柱面鏡 3碼盤碼盤 4狹縫狹縫 5元件元件 6位二進制碼盤位二進制碼盤根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。根據(jù)碼盤的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。 1112iniiCl（1n位位(n個碼道個碼道)的二進制碼盤具有的二進制碼盤具有2n種不同種不同編碼

19、，稱其容量為編碼，稱其容量為2n， 其最小分辨力其最小分辨力136002n，它的最外圈角節(jié)距為，它的最外圈角節(jié)距為21；l（2二進制碼為有權(quán)碼，編碼二進制碼為有權(quán)碼，編碼Cn,Cn-1，C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：l（3碼盤轉(zhuǎn)動中，碼盤轉(zhuǎn)動中，CK變化時，所有變化時，所有Cj(j arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；i arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。，光線才可以進入光纖被全反射傳播。l1. 數(shù)值孔徑數(shù)值孔徑NA）l2. 光纖模式光纖模式l3. 傳播損耗傳播損耗l反映纖芯接收光量的多少，標

20、志光纖接收性能。反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。l意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有意義：無論光源發(fā)射功率有多大，只有2i張角張角之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。之內(nèi)的光功率能被光纖接受傳播。l大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。大的數(shù)值孔徑：有利于耦合效率的提高。l但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。但數(shù)值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。2221sinnnNAil光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式光波沿光導(dǎo)纖維傳播的途徑和方式l在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸在光導(dǎo)纖維中傳播模式很多對信息的傳輸是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希是不利的，導(dǎo)致合成信號的畸變，因此我們希望模式數(shù)量越

21、少越好。望模式數(shù)量越少越好。l 階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為階躍型的圓筒波導(dǎo)內(nèi)傳播的模式數(shù)量表示為l 。/)(212221nndV希望希望V?。盒。篸不能太大，不能太大，n2與與n1之差很小之差很小 l損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響 ll-光纖長度；光纖長度；a-單位長度衰減；單位長度衰減；lI0-光纖輸入端光強；光纖輸入端光強；I-光纖輸出端光強光纖輸出端光強IIgalA0101傳播損耗單位為傳播損耗單位為dB） l把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號

22、的裝置 光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，光受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。使光信號變?yōu)殡娦盘?，?jīng)信號處理系統(tǒng)得到被測量。 l光就是一種電磁波，光就是一種電磁波， 光的電矢量光的電矢量E)sin(tBE被測量調(diào)制：被測量調(diào)制：光的強度、偏振態(tài)矢量光的強度、偏振態(tài)矢量B的方向）、頻率和相位的方向）、頻率和相位解調(diào)：解調(diào)：光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制光的強度調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制或相位調(diào)制l光纖在傳感器中的作用光纖在傳感器中的作用l光受被測量調(diào)制的形式光受被測量調(diào)制的形式l光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同光

23、纖傳感器中對光信號的檢測方法不同 功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 l光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。l缺點：須用特殊光纖，成本高，缺點：須用特殊光纖，成本高，l典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。 l光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。元件上受被測量調(diào)制。l優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，l 比較容易實

24、現(xiàn)，成本低。比較容易實現(xiàn)，成本低。l缺點：靈敏度較低。缺點：靈敏度較低。l實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。 用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。的光或被其反射、散射的光。 典型例子：典型例子：光纖激光多普勒速度計光纖激光多普勒速度計輻射式光纖溫度傳感器輻射式光纖溫度傳感器(a) 強度調(diào)制型光纖傳感器強度調(diào)制型光纖傳感器(b) 偏振調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器(c) 頻率調(diào)制光纖傳感器頻率調(diào)制光纖傳感器(d) 相位調(diào)制傳感器相位調(diào)制傳感器 利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而利用被測對象

25、的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點缺點: 易受光源波動和連接器損耗變化等的影響易受光源波動和連接器損耗變化等的影響l利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息l應(yīng)用：應(yīng)用：l 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)；電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)；l 電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)；電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)；l 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)；壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)；

26、l 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性l優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。l被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測l利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的利用運動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、壓力、加速度傳感器光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；l利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的利用物質(zhì)受強光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器；l利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。利用光致發(fā)光的溫度傳感器等

27、。被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。種相位變化而得到被測對象的信息。利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用電致伸縮的電場、電壓傳感器 利用利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器光纖陀螺效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。（1電絕緣。電絕緣。（2抗電磁干擾?？?/p>

28、電磁干擾。（3非侵入性。非侵入性。（4高靈敏度。高靈敏度。（5容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。 強度調(diào)制型：強度調(diào)制型：基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型：相位調(diào)制型：利用光纖本身作為敏感元件；利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型：偏振調(diào)制型：主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。光纖壓力傳感器光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度膜片的中心撓度 34216)

29、1 (3EtRy若利用若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。1 Y形光纖形光纖2 殼體殼體 3 膜片膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系與所加的壓力呈線性關(guān)系傳感器的固有頻率可表示為傳感器的固有頻率可表示為 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。 結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。其精度就要受到

30、影響。 1輸出光纖輸出光纖 2輸入光纖輸入光纖 3輸出光纖輸出光纖 4膠膠 5膜片膜片 ApApII1112兩束輸出光的光強之比兩束輸出光的光強之比 A常數(shù)；常數(shù)；p待測量壓力待測量壓力 輸出光強比輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān)與膜片的反射率、光源強度等因素均無關(guān) 將上式兩邊取對數(shù)，在滿足將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(Ap)21時，得到時，得到 ApII2ln12表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關(guān)系。若將若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。即可得到線性的輸出

31、。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。l光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、9 1/4波長板波長板 4、10 光彈性元件光彈性元件 5、11 檢偏器檢偏器 6 光纖光纖 7 自聚焦透鏡自聚焦透鏡在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度 l基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光

32、強度。生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強度。 1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 可動變形板可動變形板 3 固定變形板固定變形板 4、5 光纖光纖 微彎式光纖水聽器探頭微彎式光纖水聽器探頭 上一頁下一頁返 回4.5.1 光柵傳感器的結(jié)構(gòu)光柵傳感器的結(jié)構(gòu)4.5.2 莫爾條紋形成的原理莫爾條紋形成的原理4.5.3 莫爾條紋技術(shù)的特點莫爾條紋技術(shù)的特點4.5.4 光柵的光路光柵的光路4.5.5 辨向原理辨向原理4.5.6 細分技術(shù)細分技術(shù)l光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副主光柵和光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副主光柵和指示光柵和光電接收元件組成。指示光柵和光電接收元件組成。 l鎢絲燈泡：鎢絲燈泡：l輸出功率較大

33、，工作范圍較寬（輸出功率較大，工作范圍較寬（-40到到+130）l與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。工作時，使用壽命將降低。l半導(dǎo)體發(fā)光器件半導(dǎo)體發(fā)光器件:l轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。 l如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最如砷化鎵發(fā)光二極管，與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達高可達30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，

34、從而減小功耗和熱耗散。l a+b=W稱為光柵的柵距或光柵常數(shù)）稱為光柵的柵距或光柵常數(shù)）通常情況下，通常情況下，a=b=W/2 l包括有光電池和光敏三極管等部分。包括有光電池和光敏三極管等部分。l在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源在采用固態(tài)光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。相接近的光敏元件，以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。l在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。2tantan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WWBCABBH2

35、sin22sin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 （1調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。放大作用，又提高了測量精度。（2莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信 號作進一步細分，即采用號作進一步細分，即采用“倍頻技術(shù)倍頻技術(shù)”。這樣可以提。這樣可以提 高測量精度或可以采用較粗的光柵。高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？坦怆娫τ诠鈻趴叹€的誤差起到了平均作用?？?線的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。線的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。 因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。 這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。