光電式傳感器.ppt課件

1、第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器原理 首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過光電器件變換成電信號(hào)。輻射源光學(xué)通路光電器件輸出被測量被測量特性 頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等7-1 光源第七章 光電式傳感器熱輻射光源氣體放電光源電致發(fā)光器件激光器 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光源。第七章 光電式傳感器一、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：白熾燈、鹵鎢燈第七章 光電式傳感器二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象特點(diǎn)：改變氣體成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻

2、射源體代表：日光燈第七章 光電式傳感器三、電致發(fā)光器件原理：固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光特點(diǎn)：體積小、壽命長、工作電壓低、響應(yīng)速度快代表：發(fā)光二極管第七章 光電式傳感器四、激光器(Light amplification by stimulated emission of radiation )定義：能夠產(chǎn)生光受激輻射放大現(xiàn)象的器件特點(diǎn)：高單色性、高方向性好、高亮度、高相干性分類：固體激光器、氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、 液體激光器第七章 光電式傳感器7-2 光電效應(yīng)與光電器件一、光電效應(yīng) 光電傳感器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子光子所組成，

3、每一個(gè)光子能量為：h 普朗克常數(shù)，6.62610-34J.s；f 光的頻率（s-1）。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）。光電效應(yīng)按原理又分為以下3種：1、外光電效應(yīng)：在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，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A0和動(dòng)能，即： 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)電子，此頻率限成為“紅限”，其臨界波長K為：m電子質(zhì)量；v0電子逸出速度；A0物體的表面電子逸出功。c

4、 光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動(dòng)能第七章 光電式傳感器外光電效應(yīng)典型元件有光電管、光電倍增管等。2、內(nèi)光電效應(yīng)：又稱光導(dǎo)電效應(yīng)， 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)象。典型的光電元件有光敏電阻，光敏二極管等。第七章 光電式傳感器當(dāng)光照射到光電導(dǎo)體上時(shí)，若這個(gè)光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，且光輻射能量又足夠強(qiáng),光電材料價(jià)帶上的電子將被激發(fā)到導(dǎo)帶上去，使光導(dǎo)體的電導(dǎo)率變大。自由電子所占能帶價(jià)電子所占能帶禁帶導(dǎo)帶價(jià)帶 電子能量EhEg3、光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的現(xiàn)象。典型光電元件有光電池等。第七章 光電式傳感器二、光電器件 第七章 光

5、電式傳感器1、外光電效應(yīng)應(yīng)用器件光電管金屬底層光電管 光透明光電管A陽極，K陰極 當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長的光線照射時(shí)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(hào)電信號(hào)光電管的主要性能（1）光電管的伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時(shí)，對(duì)光電器件的陽極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。150100502020lm40lm60lm80lm100lm120lm4681012陽極電壓/VIA/A第七章 光電式傳感器（2）光電管的光電特性當(dāng)光電管的陰極和陽極之間所加的電壓一定時(shí)，光通量與光電流之間的關(guān)系。光照特性曲線的斜率稱為

6、光電管的靈敏度。255075100200.51.52.0/1mIA/ A1.02.511-氧銫陰極2-銻銫陰極第七章 光電式傳感器(3) 光電管的光譜特性 一般光電陰極材料不同的光電管有不同的紅限頻率，因此它們可用于不同的光譜范圍。 另外，同一光電管對(duì)于不同頻率的光的靈敏度不同。以GD-4型光電管為例，陰極是用銻銫材料制成，其紅限c=700nm，對(duì)可見光范圍的入射光靈敏度比較高。適用于白光光源，被應(yīng)用于各種光電式自動(dòng)檢測儀表中。第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器光電倍增管 倍增極上的涂料在電子轟擊下能發(fā)射更多電子； 倍增極之間有依次增大的加速電壓。 二次發(fā)射系數(shù) 由光電陰極、若干倍增極和

7、陽極三部分組成。AK第七章 光電式傳感器 倍增系數(shù)M等于各倍增電極的二次發(fā)射系數(shù)i 的乘積。如果n個(gè)倍增電極的i 都一樣（ ），則所以式中，i為光電陰極的光電流 光電倍增管的主要性能第七章 光電式傳感器幾種光電倍增管的外形 第七章 光電式傳感器2、內(nèi)光電效應(yīng)應(yīng)用器件：結(jié)構(gòu)暗電阻 暗電流 亮電阻 亮電流 光電流 光敏電阻用半導(dǎo)體材料制成一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好， 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)， 亮電阻值在幾千歐以下。多數(shù)是非線性的。不宜做線性測量元件，一般用做開關(guān)式的光電轉(zhuǎn)換器。第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器光敏二極管RL PN光敏二極管在

8、電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管的光照特性是線性的，適合檢測等方面的應(yīng)用。當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。第七章 光電式傳感器光敏三極管集電結(jié)一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且基極一般不接引線。cbeRL集電極電流是光電流的1+倍。暗電流：光電池的結(jié)構(gòu)圖下電極梳狀電極SiO2抗反射膜PN硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖。它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。 3、光生伏特效應(yīng)應(yīng)用器件：第七章 光電式傳感器當(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)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間

9、出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中就有電流流過。若將外電路斷開，就可測出光生電動(dòng)勢。 第七章 光電式傳感器太陽能電池片70年代發(fā)展起來，發(fā)展自MOS器件 MOS光敏單元陣列 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：攝像機(jī)固態(tài)圖像拾取。圖像傳感器第七章 光電式傳感器4、電荷耦合器件（Charge-Coupled Device，簡稱CCD）第七章 光電式傳感器1）MOS光敏單元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型襯底SiO2電極結(jié)構(gòu)圖第七章 光電式傳感器1）MOS光敏單元 施加正電壓于電極上P型區(qū)形成勢阱產(chǎn)生電子和空穴勢阱俘獲電子（與光強(qiáng)成正比）形成

10、MOS光敏元（象素）光第七章 光電式傳感器2）CCD時(shí)鐘電壓與電荷傳輸關(guān)系132遮光層氧化物P型硅金屬讀出移位寄存器123tt1t2t3t4讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器CCD信號(hào)讀出電路：復(fù)位管電荷積分器源跟隨器上文回顧 磁電式傳感器磁柵傳感器組成原理光電傳感器光源光電效應(yīng)及光電器件外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光電伏特效應(yīng)熱輻射、氣體放電、電致發(fā)光、激光光電管倍增管光敏電阻光敏二、三極管光電池CCD第七章 光電式傳感器3）線陣與面陣CCD單通道線陣轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光輸出移位寄存器感光區(qū)：一列光敏單元組成；傳輸區(qū)：由轉(zhuǎn)移柵及一系列移位寄存器組成。原理：

11、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，以防因光生噪聲電荷干擾導(dǎo)致圖像模糊。光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵雙通道線陣第七章 光電式傳感器A寄存器B寄存器原理：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。光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣第七章 光電式傳感器光敏元面陣、存儲(chǔ)器面陣、讀出移位寄存器線陣。第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器5、位置 敏感器件（Position Sensitiv

12、e Detector-PSD） 分類：一維、二維。PNI123I1I2I0LLXA入射光原理見教材P137橫向光電效應(yīng)第七章 光電式傳感器PSD用作距離傳感器：問題：1、所能測量的最大距離與最小距離？ 2、遮光典型應(yīng)用：紅外LEDPSD透鏡透鏡第七章 光電式傳感器優(yōu)點(diǎn)：高靈敏度、高分辨力、響應(yīng)速度快、配置電路簡單等應(yīng)用范圍：位置精確測量、兵器制導(dǎo)和跟蹤、工業(yè)自動(dòng)控制等第七章 光電式傳感器棱鏡系統(tǒng)或光柵光源匯聚光組CCD面陣步進(jìn)系統(tǒng)XY驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)信號(hào)采集系統(tǒng)信號(hào)處理系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)測量系統(tǒng)信號(hào)采集處理系統(tǒng)例1 仿形加工中的測量技術(shù)驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23例

13、2： 郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)第七章 光電式傳感器RFID Tag汽車車牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端電腦觸發(fā)存取資料收發(fā)信號(hào)拍照通過API傳送傳回信號(hào)第七章 光電式傳感器例3： 汽車信息無線傳送系統(tǒng)一、概述 增量式(脈沖式)：需要一個(gè)計(jì)數(shù)系統(tǒng)，旋轉(zhuǎn)的碼盤通過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)進(jìn)行加或減，從而記錄了旋轉(zhuǎn)的位移量。絕對(duì)式：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)字碼輸出。7-3 光電碼盤第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器 光學(xué)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(hào)的轉(zhuǎn)換部件。 下圖是工作原理示意圖。 1-光源；2-柱面鏡；

14、3-碼盤；4-狹縫；5-元件。二、工作原理 由光源1發(fā)出的光線經(jīng)柱面鏡2變成平行光或會(huì)聚光，照射到碼盤3上。碼盤由光學(xué)玻璃制成，上面刻有許多同心碼道，每個(gè)碼道上都有按照一定規(guī)律排列的若干透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過亮區(qū)的光線鏡狹縫4后，形成一束很窄的光束照射到光電元件5上。光電元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)。當(dāng)有光照射時(shí)，光電元件的各種信號(hào)組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤轉(zhuǎn)角的大小。1、增量式編碼器結(jié)構(gòu)及原理第七章 光電式傳感器零位標(biāo)識(shí)方向辨別2、絕對(duì)式編碼器原理第七章 光電式傳感器 絕對(duì)式光電編碼器是把被測轉(zhuǎn)角通過讀取碼盤上的圖案信息直接轉(zhuǎn)換成相應(yīng)代碼的檢測元件。 絕對(duì)式光電

15、編碼器是在透明材料的圓盤上精確地印制上二進(jìn)制編碼。絕對(duì)式編碼器不需要基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，更不需要計(jì)數(shù)系統(tǒng)。它在任意位置都可給出與位置相對(duì)應(yīng)的固定數(shù)字碼輸出 1、下圖所示是一個(gè)6位的二進(jìn)制碼盤。三、碼盤和碼制第七章 光電式傳感器黑色不透光區(qū)和白色透光區(qū)分別代表二進(jìn)制的“0”和“1”。在一個(gè)六位光電碼盤上，有六圈數(shù)字碼道，每一個(gè)碼道表示二進(jìn)制的一位，里側(cè)是高位，外側(cè)是低位，在360范圍內(nèi)可編數(shù)碼數(shù)為26=64個(gè)。同步困難2、誤差問題 1） 編碼器的精度取決于碼盤的精度，分辨率則決定于碼道的數(shù)目。 措施：需要增大碼盤的尺寸以容納更多的碼道 （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)碼道提前或延

16、后，會(huì)造成讀碼誤差。 解決措施 ：a、編碼技術(shù)； b、掃描技術(shù) 第七章 光電式傳感器3、循環(huán)碼(格雷碼)盤 右圖為6位循環(huán)碼碼盤。（1）n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 的編碼只有一位變化， 不會(huì)產(chǎn)生同步誤差。第七章 光電式傳感器十進(jìn)制數(shù)、直接二進(jìn)制碼和循環(huán)碼對(duì)照表 DBGDBG十進(jìn)制二進(jìn)制循環(huán)碼十進(jìn)制二進(jìn)制循環(huán)碼012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111

17、001101111111101010101110011000困難：循環(huán)碼變?yōu)槭M(jìn)制數(shù)電路復(fù)雜第七章 光電式傳感器四、應(yīng)用光學(xué)碼盤測角原理光放大鑒幅整形糾錯(cuò)當(dāng)量變換 寄存顯示譯碼 光源聚光鏡碼盤狹縫光電元件 光源1通過大孔徑聚光鏡2形成均勻狹長的光束照射到碼盤3上。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5輸出相應(yīng)的電信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)過放大、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。第七章 光電式傳感器二進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)為度分秒五、產(chǎn)品第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器？思考題為什么BCD碼制的碼盤會(huì)產(chǎn)生誤差？循環(huán)碼的特點(diǎn)。一個(gè)10碼道的循環(huán)碼碼盤，其最小

18、分辨力為多少？第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器7-4 光纖傳感器 光(導(dǎo))纖(維)是20世紀(jì)70年代的重要發(fā)明之一，它與激光器、半導(dǎo)體探測器一起構(gòu)成了新的光學(xué)技術(shù)，創(chuàng)造了光電子學(xué)的新天地(領(lǐng)域)。 光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內(nèi)的導(dǎo)光聯(lián)系起來就形成光纖傳感器。特點(diǎn)：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 高溫、耐腐蝕、輕質(zhì)、柔韌、寬頻帶。應(yīng)用：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 測量對(duì)象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、 振動(dòng)、壓力、射線、圖像 第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器一、光纖傳感器的基本知識(shí)

19、1. 光纖的結(jié)構(gòu) 注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區(qū)別纖芯包層外套2. 光纖的分類1）按折射率分布折射率變化規(guī)律分類階躍型梯度型 采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)地從界面向軸心會(huì)聚，因此也稱為聚焦光纖。 第七章 光電式傳感器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)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，如圖 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。梯度光纖纖芯內(nèi)的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大,界面處的折射與包層相等。因此，光纖在

20、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，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。2）按傳輸模式 光纖傳輸模式是指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。 第七章 光電式傳感器 在光纖中傳播模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)量要少。 一般纖芯直徑為212m，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號(hào)畸變小，信息容量大，線性好， 靈敏度高，

21、 但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。 纖芯直徑較大（50100m），傳輸模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異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第七章 光電式傳感器3. 光纖的導(dǎo)光原理第七章 光電式傳感器光是一種電磁波,一般采用波動(dòng)理論來分析導(dǎo)光的基本原理。然而根據(jù)光學(xué)理論指出：在尺寸遠(yuǎn)大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學(xué)的方法來分析光波的傳播現(xiàn)象,這對(duì)于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此, 采用幾何光學(xué)的方法來分析。斯乃爾定理（Snells Law）指出：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)生折

22、射，其折射角大于入射角。即n1n2時(shí)， 2 1 。 (a)光的折射示意圖 可見，入射角1增大時(shí)，折射角2也隨之增大，且始終2 1 。n1、n2、 2 、 1之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sin 1 =n2sin 2 n1n212第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器當(dāng)2 =90時(shí)，1仍90，此時(shí)，出射光線沿界面?zhèn)鞑ト鐖D（b），稱為臨界狀態(tài)（ 1 10 ）。這時(shí)有n1n2(b) 臨界狀態(tài)示意圖 2110=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin901臨界角n1n2(c) 光全反射示意圖12當(dāng)1 i0并繼續(xù)增大時(shí)，2 90，這時(shí)便發(fā)生全反射現(xiàn)象，如圖(c) ，其出射光不再

23、折射而全部反射回來。n1n2n0階躍型光纖傳光示意圖011第七章 光電式傳感器要發(fā)生全反射，入射角的臨界值c4. 光纖特性1）數(shù)值孔徑 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少，是標(biāo)志光纖接收性能的一個(gè)重要參數(shù)，用NA表示。2）損耗： 光纖吸收損耗、散射損耗以及彎曲損耗等。定義損耗系數(shù)第七章 光電式傳感器入射端光功率出射端光功率吸收損耗，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。 在這些材料中，由于存在雜質(zhì)離子、原子的缺陷等都會(huì)吸收光，從而造成材料損耗。散射損耗，是由于材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉制時(shí)粗細(xì)不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化， 同樣會(huì)引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光

24、滑、污染等，也會(huì)造成嚴(yán)重的散射損耗。彎曲損耗是使用過程中可能產(chǎn)生的一種損耗。光纖彎曲會(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。 第七章 光電式傳感器二、光纖傳感器第七章 光電式傳感器光纖傳感技術(shù)是伴隨著光通訊技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。在光通訊系統(tǒng)中，光纖被用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越好。但是，在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振態(tài)、波長（顏色）等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生

25、了光纖傳感技術(shù)。第七章 光電式傳感器 以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器是一種把測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y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，見圖(a)。 光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號(hào)的裝置。由光發(fā)送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號(hào)處理系統(tǒng)以及光纖構(gòu)成，見圖(b)。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)，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(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)處理得到所期待的被測量。光纖信號(hào)處理光接收器敏感元件光發(fā)送器（b）光纖傳感器信號(hào)處理電 源信號(hào)接收敏感元件（a）傳統(tǒng)傳感器 導(dǎo)線

26、(1) 根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類光纖傳感器分為功能型、非功能型兩大類。 1）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能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”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(彎曲、相變)的作用下，其光學(xué)特性(光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等)的變化來實(shí)現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。信號(hào)處理光受信器光纖敏感元件光發(fā)送器第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器 2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對(duì)外界信息的“感覺”功能依靠其他物理

27、性質(zhì)的功能元件完成。光纖不連續(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(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合。信號(hào)處理光受信器敏感元件光發(fā)送器光纖 （2）根據(jù)光受被測對(duì)象的調(diào)制形式功能型光纖傳感器分為：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制、偏振調(diào)制等。 1）強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：待測物理量引起光纖中傳輸光的光強(qiáng)變化，通過檢測光強(qiáng)的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)待測量的測量。第七章 光電式傳感器調(diào)制的方法包括兩大類：1、改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角；2、改變光纖纖芯或包層的折射率圖7-27 光強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器原理圖a) 光纖彎曲 b) 折射率變化

28、2）相位調(diào)制傳感器 相位調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。 目前的各類光探測器都不能敏感光的相位變化，必須采用干涉測量技術(shù)，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)外界物理量的檢測。 第七章 光電式傳感器常用的干涉儀有四種：邁克爾遜(Michlson)、馬赫-琴特(Mach-Zehnder)、薩古納克(Sagnac)、法布里-珀羅(Fabry-perot)。 圖7-28 馬赫-琴特干涉儀原理圖第七章 光電式傳感器上文回顧光電傳感器CCDPSD光電碼盤光纖結(jié)構(gòu)：纖芯、包層、外套分類：單模/多模、階躍型/梯度型導(dǎo)光

29、原理：全反射(臨界角)、階躍型光纖入射臨界角光纖傳感器分類：功能型/非功能型 強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制、偏振調(diào)制原理：橫向光電效應(yīng)測距原理脈沖式、絕對(duì)式第七章 光電式傳感器光纖電流傳感器原理圖光纖圈數(shù)N確定后，旋光角度只與導(dǎo)體的電流成正比與光纖線圈的大小、形狀無關(guān)，與導(dǎo)體在圈中的位置無關(guān)。 3）偏振調(diào)制光纖傳感器 偏振調(diào)制光纖傳感器的基本原理是：外界因素使光纖中偏振態(tài)發(fā)生變化，并加以檢測。三、光纖傳感器舉例 基于微彎效應(yīng)測壓力 微彎效應(yīng)：光纖在微彎時(shí)引起纖芯中傳輸?shù)墓獠糠滞度氚鼘?（全反射條件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強(qiáng)度也不同，從而達(dá)到光強(qiáng)度調(diào)制的目的。第七章 光電式

30、傳感器DSFF變形器光纖d1n0n2n1231008060402000.51.01.52.0透射光強(qiáng)%外力N第七章 光電式傳感器偏振態(tài)調(diào)制型光纖電流傳感器高折射率浸油顯微鏡激光器起偏器起偏器顯微鏡I1I2光接受器信號(hào)處理輸出電流導(dǎo)線第七章 光電式傳感器耦合器沃拉斯特棱鏡消除包層模單模傳輸?shù)呐R界條件：光纖直徑非功能型光纖傳感器測溫應(yīng)用GaAs半導(dǎo)體光吸收片E1E2輸出溫度測量范圍：-20300C；誤差3C第七章 光電式傳感器什么類型二極管？第七章 光電式傳感器測量原理：利用多數(shù)半導(dǎo)體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長隨溫度增加而向長波方向移動(dòng)，可以使透射過半導(dǎo)體材料的光強(qiáng)隨溫度而改變，

31、達(dá)到測溫的目的。第七章 光電式傳感器光纖液位傳感器原理：基于全內(nèi)反射理論 當(dāng)測頭沒有接觸液面（處于空氣中）時(shí)，光線在探頭內(nèi)發(fā)生全內(nèi)反射，而返回到光敏二極管；當(dāng)測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內(nèi)反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光敏二極管的光強(qiáng)變?nèi)?。返回光?qiáng)是液體折射率的函數(shù)。返回光強(qiáng)發(fā)生突變時(shí)，測頭已接觸到液位。第七章 光電式傳感器圓錐測頭U型測頭 同時(shí)可以測定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。第七章 光電式傳感器反射光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感應(yīng)用P+放大濾波2040608010020406080100膜片振動(dòng)m反射光強(qiáng)%第七章 光電式傳感器光纖傳感器優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：功能強(qiáng)，且

32、光纖本身是敏感器件； 抗電磁干擾，安全。缺點(diǎn)：技術(shù)難度大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、調(diào)整困難。第七章 光電式傳感器四、產(chǎn)品壓力應(yīng)力溫度第七章 光電式傳感器溫度、應(yīng)變儀分析儀網(wǎng)絡(luò)分析儀第七章 光電式傳感器光柵定義：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學(xué)元件稱為光柵。特點(diǎn)：1）精度高；2）大量程測量兼有高分辨力；3）可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量；4）具有較強(qiáng)的抗干擾能力。測量領(lǐng)域：主要是幾何量（線位移和角位移）測量。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，用來進(jìn)行自動(dòng)控制）7-4 光柵式傳感器第七章 光電式傳感器第七章 光電式傳感器一、光柵的類型和結(jié)構(gòu) 計(jì)

33、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。計(jì)量光柵按形狀又可分為長光柵和圓光柵。 計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，所以計(jì)量光柵又稱光柵副。標(biāo)尺光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）,并使兩者的柵線保持很小的夾角。在長光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，所以兩者之間可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。掃描頭（與移動(dòng)部件固定）光柵尺可移動(dòng)電纜光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）第七章 光電式傳感器反射式光柵第七章 光電式傳感器透射式光柵第七章 光電式傳感器透射式圓光柵固定第七章 光電式傳感器 1、定義 二、莫爾條紋BHaabbW第七章 光電式傳感器 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。 2、 亮帶與暗帶之間的距離BH 第七章 光電式傳感器橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定 莫爾條紋演示第七章 光電式傳感器3、莫爾條紋的特點(diǎn)光學(xué)放大