光電式傳感器-課件

第一節(jié)光源第二節(jié)光電器件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件第四節(jié)光纖傳感器第五節(jié)光柵式傳感器第六節(jié)激光式傳感器第七章光電式傳感器返回主目錄第一節(jié)光源第七章光電式傳感器返回主目錄1光電傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器。利用這種傳感器測量非電量時(shí)，只需將這些非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，就可以將非電量的變化轉(zhuǎn)換成電量的變化而進(jìn)行檢測。光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快等特點(diǎn)。第七章光電式傳感器光具有波粒二象性，光的粒子學(xué)說認(rèn)為光是由一群光子組成的，每一個(gè)光子具有一定的能量，光子的能量，其中為普朗克常數(shù)，，為光的頻率。因此，光的頻率越高，光子的能量也就越大。光照射在物體上會(huì)產(chǎn)生一系列的物理或化學(xué)效應(yīng)。例如光合效應(yīng)、光熱效應(yīng)、光電效應(yīng)等。光電傳感器的理論基礎(chǔ)就是光電效應(yīng)，即光照射在某一物體上，可以看作物體受到一連串能量為的光子所轟擊，被照射物體的材料吸收了光子的能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象，根據(jù)產(chǎn)生電效應(yīng)的不同，光電效應(yīng)大致可以分為三類：

外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)第七章光電式傳感器2工作原理：被測量光信號(hào)電信號(hào)（借助光電器件）；基本組成（見下圖）：輻射源、光學(xué)通路、光電器件3部分；第七章光電式傳感器輻射源光電器件光學(xué)通路輸出被測量被測量圖7-1光電式傳感器原理圖工作原理：被測量光信號(hào)電信號(hào)（借助光電器件）；第七章光3工作過程：被測量通過對(duì)輻射源或者光學(xué)通路的影響將被測信息調(diào)整到光波上，可改變光波的強(qiáng)度、相位、空間分布和頻譜分布；光電器件將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)；電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路解調(diào)分離出被測信息，實(shí)現(xiàn)測量。特點(diǎn)：頻譜寬、不受電磁干擾影響、非接觸測量、體積小、重量輕、造價(jià)低等。第七章光電式傳感器工作過程：第七章光電式傳感器4光電式傳感器對(duì)光源的選擇要考慮的因素：波長、譜分布、相干性、體積、造價(jià)、功率等。光源分類：熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發(fā)光光源等。光譜（附加知識(shí)點(diǎn)）

光波：波長為10—106nm的電磁波紫外線：波長10—380nm波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線

可見光：波長380—780nm第一節(jié)光源光電式傳感器對(duì)光源的選擇要考慮的因素：波長、譜分布、相干性、5

紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。光譜分布如圖所示。遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長/μm第一節(jié)光源紅外線：波長780—106nm遠(yuǎn)紫外近紫外可見光近紅6一、熱輻射光源定義：熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射，也就是利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源，稱為熱輻射光源。物體溫升越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。加熱可以借電流沿導(dǎo)體流動(dòng)時(shí)所釋放的熱量來實(shí)現(xiàn)。實(shí)例：白熾燈、鹵鎢燈；白熾燈特點(diǎn)：白熾燈為可見光源，但它的能量只有15%左右落在可見光區(qū)域，它的峰值波長在近紅外區(qū)域，約1－1.5μm，因此可用作近紅外光源。鹵鎢燈特點(diǎn)：鹵鎢燈燈絲溫度較高，紫外線較豐富，因此可用作為紫外光源，發(fā)光效率比白熾燈高2~3倍。第一節(jié)光源一、熱輻射光源第一節(jié)光源7第一節(jié)光源白熾燈鹵鎢燈

第一節(jié)光源白熾燈鹵鎢燈8二、氣體放電光源定義：電流通過氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。特點(diǎn)：氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。實(shí)例：低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長約為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。特例：若利用高壓或超高壓的氙氣放電發(fā)光，可制成高效率的氙燈，它的光譜與日光非常接近。目前氙燈又可以分為長弧氙燈、短弧氙燈、脈沖氙燈。

第一節(jié)光源二、氣體放電光源第一節(jié)光源9第一節(jié)光源低壓汞燈氫燈鈉燈鎘燈氦燈第一節(jié)光源低壓汞燈氫燈鈉燈鎘燈氦燈10三、電致發(fā)光器件－發(fā)光二極管定義：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，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏等。

發(fā)光二極管（LED）的發(fā)光原理：在N型半導(dǎo)體上擴(kuò)散或者外延生長一層P型半導(dǎo)體，PN結(jié)兩邊摻雜濃度呈遞減分布。當(dāng)PN結(jié)接正向電壓時(shí)，N區(qū)電子向P區(qū)運(yùn)動(dòng)，與P區(qū)空穴結(jié)合時(shí)發(fā)出一定頻率的光，光子頻率取決于PN結(jié)的價(jià)帶和導(dǎo)帶之間的能隙，改變能隙大小可以改變二極管的發(fā)光頻譜。

第一節(jié)光源三、電致發(fā)光器件－發(fā)光二極管第一節(jié)光源11第一節(jié)光源發(fā)光二極管第一節(jié)光源發(fā)光二極管12四、激光器激光產(chǎn)生的過程：某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能量（如特定頻率的輻射），從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上（受激吸收）；如果處于高能級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級(jí)上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子（受激輻射）；由于單位時(shí)間受激發(fā)射光子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)象稱為光的受激輻射放大。

具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。

第一節(jié)光源四、激光器第一節(jié)光源13激光器的優(yōu)點(diǎn)：單色性好、方向性好和亮度高。種類：激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類—固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。第一節(jié)光源激光器的優(yōu)點(diǎn)：單色性好、方向性好和亮度高。第一節(jié)光源14固體激光器-紅寶石半導(dǎo)體激光器液體激光器二氧化碳激光器固體激光器-紅寶石半導(dǎo)體激光器液體激光器二氧化碳激光器151、固體激光器固體激光器的典型實(shí)例就是紅寶石激光器，它是人類發(fā)明的第一種激光器，誕生于1960年。紅寶石激光器的工作介質(zhì)是摻0.5%鉻的氧化鋁（即紅寶石），激光器采用強(qiáng)光燈作泵浦，紅寶石吸收其中的藍(lán)光和綠光，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，受激發(fā)出深紅色的激光（波長約694nm）；Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石激光器）是另一種常見的固體激光器，與紅寶石激光器相比，對(duì)光泵的要求較低，可見光甚至近紅外都可以作其光泵，這種激光器發(fā)出的波長為1.06μm的紅外光。固體激光器通常工作在脈沖狀態(tài)下，功率大，在光譜吸收測量方面有一些應(yīng)用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測量。

第一節(jié)光源1、固體激光器第一節(jié)光源162、氣體激光器特點(diǎn)：氣體介質(zhì)的密度低得多，因而單位體積能夠?qū)崿F(xiàn)的離子反轉(zhuǎn)數(shù)目也低得多，為了彌補(bǔ)氣體密度低的不足，氣體激光器的體積一般都比較大。氣體介質(zhì)均勻，激光穩(wěn)定性好，另外氣體可在腔內(nèi)循環(huán)，有利于散熱，這是固體激光器所不具備的。由于氣體吸收線寬比較窄，氣體激光器一般不宜采用光泵作激勵(lì)，更多的是采用電作激勵(lì)。

種類：氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器。它們的波長覆蓋了從紫外到遠(yuǎn)紅外的頻譜區(qū)域。

第一節(jié)光源2、氣體激光器第一節(jié)光源17（1）氦-氖激光器是實(shí)驗(yàn)室常見的激光器，具有連續(xù)輸出激光的能力。它能夠輸出從紅外的3.3μm到可見光等一系列譜線，其中632.8nm譜線在光電傳感器中應(yīng)用最廣，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。（2）氬離子、氪離子激光器功率比氦氖激光器大，氬離子發(fā)出可見的藍(lán)光和綠光，比較典型的譜線有488nm和514.5nm等,氪離子發(fā)出的是紅光（647.1－752.5nm）。（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為10.6μm，是遠(yuǎn)紅外的重要光源。（4）氮?dú)夥肿蛹す馄鬏敵霾ㄩL為337nm，在脈沖工作方式下功率可達(dá)到兆瓦量級(jí)，脈沖寬度可達(dá)到納秒量級(jí)。能夠工作在紫外的還有一些準(zhǔn)分子激光器，目前能夠提供從353nm到193nm的激光輸出。第一節(jié)光源（1）氦-氖激光器是實(shí)驗(yàn)室常見的激光器，具有連續(xù)輸出激光的能183、半導(dǎo)體激光器半導(dǎo)體激光器除了具有一般激光器的特點(diǎn)外，還具有體積小、能量高的特點(diǎn)，特別是它對(duì)供電電源的要求極其簡單，使之在很多科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器雖然也是固體激光器，但是同紅寶石、Nd:YAG和其它固體激光器相比，半導(dǎo)體的能級(jí)寬得多，更類似于發(fā)光二極管，但譜線卻比發(fā)光二極管窄得多。半導(dǎo)體激光器的特征是通過摻加一定的雜質(zhì)改變半導(dǎo)體的性質(zhì)，雜質(zhì)能夠增加導(dǎo)帶的電子數(shù)目或者增加價(jià)帶的空穴數(shù)目，當(dāng)半導(dǎo)體接正向電壓時(shí)，載流子很容易通過PN結(jié)，多余的載流子參加復(fù)合過程，能量被釋放發(fā)出激光。目前半導(dǎo)體激光器可以選擇的波長主要局限在紅光和紅外。第一節(jié)光源3、半導(dǎo)體激光器第一節(jié)光源194、液體激光器染液激光器是液體激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作為工作物質(zhì)。液體激光器多用光泵激勵(lì)，有時(shí)也用另一個(gè)激光器作激勵(lì)源。采用不同的燃料溶液和激光器，輸出的波長范圍可達(dá)0.32~1μm。第一節(jié)光源4、液體激光器第一節(jié)光源20光電器件的作用：光信號(hào)電信號(hào)。光電器件的種類：熱探測型：將光信號(hào)的能量變?yōu)樽陨淼臏囟茸兓?，然后再依賴于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，探測器對(duì)波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有關(guān)，在一些特殊場合具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，尤其是遠(yuǎn)紅外區(qū)域；光子探測型：基于光電效應(yīng)原理，即利用光子本身能量激發(fā)載流子，這類探測器有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光線，但它們響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為廣泛。第二節(jié)光電器件光電器件的作用：光信號(hào)電信號(hào)。第二節(jié)光電器件21一、熱探測器原理及特點(diǎn)：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的傳感器，它的突出優(yōu)點(diǎn)是能夠接收超低能量的光子，具有寬廣和平坦的光譜響應(yīng)，尤其適用于紅外的探測。種類：測輻射熱電偶、測輻射熱敏電阻和熱釋電探測器。1、測輻射熱電偶與常規(guī)熱電偶相似，只是在電偶的一個(gè)接頭上增加光吸收涂層，當(dāng)有光線照射到涂層上，電偶接頭的溫度隨之升高，造成溫差電勢。2、測輻射熱敏電阻用熱敏電阻代替了熱電偶，當(dāng)有光線照射到涂層上，首先引起溫度的變化，熱敏電阻再將溫度轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。

第二節(jié)光電器件一、熱探測器第二節(jié)光電器件22二、光子探測器光子探測器的作用原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。光能是由分離的能團(tuán)——光子組成，光子的能量E和頻率f的關(guān)系

h——普朗克常數(shù)，h=6.626×l0-34（J·s）。

光電效應(yīng)：光照射在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體,如果光子的能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部電子在吸收光子后就會(huì)擺脫內(nèi)部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出，也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過程，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。

第二節(jié)光電器件二、光子探測器第二節(jié)光電器件23光電效應(yīng)的種類：外光電效應(yīng)：在光線的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫做光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。第二節(jié)光電器件電子逸出物體表面時(shí)的初速度電子質(zhì)量金屬材料的逸出功（金屬表面對(duì)電子的束縛）（5-1）光子能量1905年德國物理學(xué)家愛因斯坦用光量子學(xué)說解釋了光電發(fā)射效應(yīng)，并為此獲得1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)光電效應(yīng)的種類：第二節(jié)光電器件電子逸出物體表面時(shí)的初速度電24愛因斯坦光電方程的含義愛因斯坦光電方程，它揭示了光電效應(yīng)的本質(zhì)。根據(jù)愛因斯坦的假設(shè)：一個(gè)光子的能量只能給一個(gè)電子，因此一個(gè)單個(gè)的光子把全部能量傳給物體中的一個(gè)自由電子，使自由電子的能量增加為，這些能量一部分用于克服逸出功，另一部分作為電子逸出時(shí)的初動(dòng)能。由于逸出功與材料的性質(zhì)有關(guān)，當(dāng)材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率有一最低的限度，當(dāng)小于時(shí)，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個(gè)最低限度的頻率稱為紅限頻率。當(dāng)大于時(shí)，光通量越大，逸出的電子數(shù)目也越多，光電流也就越大。愛因斯坦光電方程的含義愛因斯坦光電方程，它揭示了光電效應(yīng)的本25內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電元器件是光電池。根據(jù)內(nèi)光電效應(yīng)制成的光電元器件有光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等注意事項(xiàng)：光子探測器一般都有一定的截止波長，當(dāng)光的頻率低于某一閾值時(shí)，光的強(qiáng)度再大也不能激發(fā)導(dǎo)電電子。

第二節(jié)光電器件內(nèi)光電效應(yīng)：當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)26（一）光電發(fā)射探測器利用外光電效應(yīng)制成的光電器件稱為光電發(fā)射探測器。光電發(fā)射探測器主要有真空光電管和光電倍增管等。激發(fā)出電子的條件：

要使一個(gè)電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量必須大于該物質(zhì)表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；因此對(duì)某種材料而言便有一個(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，反之，被照射的物質(zhì)便能激發(fā)出電子，此頻率限稱為“紅限”；其臨界波長λK為

第二節(jié)光電器件（一）光電發(fā)射探測器第二節(jié)光電器件271、真空光電管結(jié)構(gòu)組成：在一個(gè)抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極2和光電陽極1。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。工作原理：當(dāng)光線照射到光敏材料上，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當(dāng)電子獲得的能量足夠大時(shí)，就有可能克服金屬表面對(duì)電子的束縛（逸出功）而逸出金屬表面形成電子發(fā)射，這種電子稱為光電子。當(dāng)光電管陽極加上適當(dāng)電壓時(shí)，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱第二節(jié)光電器件圖7-3真空光電管的結(jié)構(gòu)及外接電路a)結(jié)構(gòu)b)外接電路為光電流。光電流正比于光電子數(shù)，而光電子數(shù)又正比于光通量。如果在外電路中串入一只適當(dāng)阻值的電阻，則電路中的電流便轉(zhuǎn)換為電阻上的電壓。這電流或電壓的變化與光強(qiáng)成一定函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。1、真空光電管工作原理：當(dāng)光線照射到光敏材料上，光子的能量傳282、光電倍增管結(jié)構(gòu)組成：光電陰極、光電倍增極、陽極。倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高。

入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極工作原理：工作時(shí)在各電極之間加上規(guī)定的電壓。當(dāng)有入射光照射時(shí)，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。這樣，在陰極和陽極間的電場作用下，逐級(jí)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，電子數(shù)量迅速遞增。典型的倍增管一般有10個(gè)左右的倍增極，相鄰極之間加有200－400V的電壓，陰極和陽極間的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為105左右。

第二節(jié)光電器件圖7-4光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖2、光電倍增管入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極工作原理29第二節(jié)光電器件第二節(jié)光電器件303、光電管的基本特性光電特性：當(dāng)陽極電壓一定時(shí)，光通量Φ與光電流I（陽極電流）間的關(guān)系。如圖所示為光電倍增管光電特性曲線，光電特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。在相當(dāng)寬的范圍內(nèi)轉(zhuǎn)換靈敏度為常數(shù)，對(duì)于真空光電管靈敏度要比它低。圖7-5a光電管的光電特性第二節(jié)光電器件光通量是描述單位時(shí)間內(nèi)光源輻射產(chǎn)生視覺響應(yīng)強(qiáng)弱的能力，單位是流明，也叫明亮度。流明就是指蠟燭一燭光在一公尺以外的所顯現(xiàn)出的亮度。一個(gè)普通40瓦的白熾燈泡，其發(fā)光效率大約是每瓦10lm，因此可以發(fā)出400lm的光。3、光電管的基本特性圖7-5a光電管的光電特性第二節(jié)光31伏安特性：入射光的頻率及光通量一定時(shí)，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。陽極電壓較低時(shí)，陰極發(fā)射電子只有一部分到達(dá)陽極，其余返回陰極（光電子負(fù)電場作用）；隨著陽極電壓增高，電流增大，陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽極時(shí)，電流穩(wěn)定，處于飽和狀態(tài)。圖7-5b光電管的伏安特性第二節(jié)光電器件伏安特性：入射光的頻率及光圖7-5b光電管的伏安特性第32光譜特性：光電陰極材料對(duì)光譜有選擇性，光電管對(duì)光譜也有選擇性。保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波波長之間的關(guān)系稱為光電管的光譜特性。第二節(jié)光電器件

圖7-5c

光電管的光譜特性光譜特性：光電陰極材料對(duì)光譜有選擇性，光電管對(duì)光譜也有選擇第33（二）光電導(dǎo)探測器當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類。半導(dǎo)體在光線作用下，其電阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為光敏電阻（半導(dǎo)體材料），也叫光導(dǎo)管?；驹恚喊雽?dǎo)體材料在黑暗的環(huán)境下，內(nèi)部電子為原子所束縛，處于價(jià)帶上，不能自由移動(dòng)，半導(dǎo)體的電阻值很高。當(dāng)受到光照時(shí)，價(jià)帶中的電子受到光子激發(fā)，由價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶的電子和價(jià)帶的空穴數(shù)目增加，半導(dǎo)體材料電導(dǎo)率變大。

電子躍遷條件：hf>Eg

或λ<hc/Eg

。f,

λ分別為入射光的頻率和入射光的波長；Eg價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙第二節(jié)光電器件（二）光電導(dǎo)探測器第二節(jié)光電器件34導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價(jià)電子所占能帶Eg第二節(jié)光電器件導(dǎo)帶價(jià)帶禁帶自由電子所占能帶不存35第二節(jié)光電器件光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組成，電極和半導(dǎo)體之間呈歐姆接觸，使用時(shí)在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖5-3所示。在無光照射時(shí)，光敏電阻呈高阻，回路中僅有微弱的電流（稱為暗電流）通過。在有光照射時(shí)，光敏材料吸收光能，使電阻率變小，呈低阻態(tài)，從而在回路中有較強(qiáng)的電流（稱為亮電流）通過。光照越強(qiáng)，阻值越小，亮電流越大。如果將該亮電流取出，經(jīng)放大后即可作為其他電路的控制電流。當(dāng)光照射停止時(shí)，光敏電阻又逐漸恢復(fù)原有的高阻狀態(tài)。第二節(jié)光電器件光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導(dǎo)體組36光敏電阻具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定、價(jià)格低等特點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在自動(dòng)化技術(shù)中作為開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。光電導(dǎo)探測器主要用于探測波長較長，光電二極管和倍增管無法探測的紅外區(qū)域。如PbS探測器探測波長達(dá)3.4μm，靈敏度峰值在2μm。第二節(jié)光電器件第二節(jié)光電器件372022/11/2938制作光敏電阻的材料種類很多，如金屬的硫化物、硒化物和銻化物等半導(dǎo)體材料。目前生產(chǎn)的光敏電阻主要是硫化鎘，為提高其光靈敏度，在硫化鎘中再摻入銅、銀等雜質(zhì)。結(jié)構(gòu)如圖5-4所示。通常采用涂敷、噴涂等方法在陶瓷基片上涂上柵狀光導(dǎo)電體膜（硫化鎘多晶體）經(jīng)燒結(jié)而成。為防止受潮，采用兩種封閉方法：①金屬外殼，頂部有透明玻璃窗口的密封結(jié)構(gòu)；②沒有外殼，但在其表面涂上一層防潮樹脂。

光敏電阻結(jié)構(gòu)圖

2022/11/2638制作光敏電阻的材料種類很多，如金屬的2022/11/2939光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)電阻較小2022/11/2639光敏電阻當(dāng)光敏電阻受到光照時(shí)電阻較小2022/11/2940光敏電阻

d）常見光敏電阻外形光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖、圖形符號(hào)及外形圖2022/11/2640光敏電阻d）常見光敏電阻外形（三）光電結(jié)型探測器工作原理基于內(nèi)光電效應(yīng)，與光電導(dǎo)型類似，只是光照射在半導(dǎo)體結(jié)上。光電結(jié)型探測器類型：光電二極管探測器和光電三極管探測器。光電二極管探測器最為常用，又可分為普通光敏二極管和雪崩二極管等。常規(guī)的二極管和三極管都用金屬殼密封，以防光照。光電結(jié)型的光敏管則必須使P-N結(jié)受最大光照射。光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向?qū)щ姷姆蔷€性半導(dǎo)體器件，但在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方。第二節(jié)光電器件（三）光電結(jié)型探測器第二節(jié)光電器件411、光敏二極管PN光光敏二極管符號(hào)RL

PN光敏二極管接線第二節(jié)光電器件1、光敏二極管PN光光敏二極管符號(hào)RLPN光敏二極管接線第42工作原理：光敏二極管的PN結(jié)裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射。使用時(shí)要反向接入電路中，即P極接電源負(fù)極，N極接電源正極。無光照時(shí)，與普通二極管一樣，反向電阻很大，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，稱暗電流。當(dāng)有光照射時(shí)，PN結(jié)受到光子的轟擊，吸收光子而激發(fā)形成光生電子—空穴對(duì)，是少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在反向電壓作用下，反向電流大大增加，形成光電流。光照越強(qiáng)，光電流越大，即反向偏置的PN結(jié)受光照控制。同樣的，入射光子必須具有足夠的能量使電子越過材料價(jià)帶與導(dǎo)帶之間的能隙。光敏二極管的光譜帶寬與材料有關(guān)，硅光敏二極管0.4-1.1μm，峰值0.9μm，鍺光敏二極管帶寬0.6-1.8μm，峰值1.5μm。第二節(jié)光電器件工作原理：第二節(jié)光電器件432022/11/29442022/11/26442022/11/2945光敏二極管外形光敏二極管陣列2022/11/2645光敏二極管外形光敏二極管陣列2、光敏晶體管（三極管）基本結(jié)構(gòu)：與光敏二極管相似，具有兩個(gè)P-N結(jié)，基極一般無引出線。光敏晶體管和普通晶體管的結(jié)構(gòu)相類似。不同之處是光敏晶體管必須有一個(gè)對(duì)光敏感的PN結(jié)作為感光面，一般用集電結(jié)作為受光結(jié)，因此，光敏晶體管實(shí)質(zhì)上是一種相當(dāng)于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通晶體管。工作原理：殼體頂部用透明材料做成聚光鏡，光線聚焦到N型材料上，增大了P-N結(jié)電流。當(dāng)入射光子在基區(qū)及集電區(qū)被吸收而產(chǎn)生電子一空穴對(duì)時(shí)，便形成光電流。由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了β倍的電流信號(hào)。PNP基極集電極發(fā)射極光第二節(jié)光電器件2、光敏晶體管（三極管）PNP基極集電極發(fā)射極光第二節(jié)光電46光敏晶體管外形2022/11/29第二節(jié)光電器件光敏晶體管外形2022/11/26第二節(jié)光電器件47（四）光電伏特型探測器光生伏特效應(yīng)：半導(dǎo)體器件受到光照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢，而不需要外部電源。光電伏特型光電器件能將入射光能量轉(zhuǎn)換成電壓和電流?？梢姽庾鞴庠吹墓怆姵兀汗韫怆姵?、硒光電池等。它的制作材料種類很多，如硅、砷化鎵、硒、鍺、硫化錫等，其中應(yīng)用最廣泛的是硅光電池。硅光電池性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高且價(jià)格便宜。從能量轉(zhuǎn)換角度來看，光電池是作為輸出電能的器件而工作的。例如人造衛(wèi)星上就安裝有展開達(dá)十幾米長的太陽能光電池板。從信號(hào)檢測角度來看，光電池作為一種自發(fā)電型的光電傳感器，可用于檢測光的強(qiáng)弱以及能引起光強(qiáng)變化的其他非電量。第二節(jié)光電器件（四）光電伏特型探測器第二節(jié)光電器件48符號(hào)＋－接線點(diǎn)接線點(diǎn)光薄P層P-N結(jié)N層結(jié)構(gòu)原理第二節(jié)光電器件圖7-8硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào)硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理：N型硅片上擴(kuò)散一薄層P型雜質(zhì)層作為光照敏感面，形成大面積P-N結(jié)。P型層做得很薄，從而使光線能穿透到PN結(jié)上。P-N結(jié)內(nèi)電場阻止空穴、電子自由擴(kuò)散。當(dāng)光照能量足夠大時(shí)，在光照結(jié)區(qū)，光子使電子由價(jià)帶躍遷至導(dǎo)帶，結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子－空穴對(duì)為光生載流子，內(nèi)電場將電子推向N區(qū)，空穴拉向P區(qū)。這種推拉作用的結(jié)果，使得N區(qū)積累了多余電子而形成為光電池的負(fù)極，而P區(qū)因積累了空穴而成為光電池的正極，故P區(qū)和N區(qū)分別帶正、負(fù)電，形成電位差，即光生伏特效應(yīng)。符號(hào)＋－接線點(diǎn)接線點(diǎn)光薄P層P-N結(jié)N層結(jié)構(gòu)原理第二節(jié)光電49硒光電池結(jié)構(gòu)原理和符號(hào)：金屬基板沉積一層硒薄膜，然后加熱硒結(jié)晶，再把氧化鎘沉積在硒層上形成P-N結(jié)。P型硒層N型氧化鎘層金屬基板＋－P-N結(jié)光b）符號(hào)a)結(jié)構(gòu)原理第二節(jié)光電器件圖7-9硒光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào)硒光電池結(jié)構(gòu)原理和符號(hào)：金屬基板沉積一層硒薄膜，然后加熱硒P502022/11/2951光電池外形光敏面2022/11/2651光電池外形光敏面2022/11/2952光電池外形能提供較大電流的大面積光電池外形2022/11/2652光電池外形能提供較大電流的大面積光電2022/11/2953光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2022/11/2653光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用（五）半導(dǎo)體光電器件的特性1、光電特性：半導(dǎo)體光電器件產(chǎn)生的光電流I與光照之間的關(guān)系。光敏電阻的光電流與其端電壓U和入射光通量之關(guān)系為第二節(jié)光電器件圖7-10半導(dǎo)體光電器件的光電特性a）硒光敏電阻的光電特性b）光敏晶體管的光電特性c）硅光電池的光電特性（五）半導(dǎo)體光電器件的特性第二節(jié)光電器件圖7-10半導(dǎo)542、伏安特性：光照度一定，光電器件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系。第二節(jié)光電器件圖7-11半導(dǎo)體光電器件的伏安特性a）光敏電阻的伏安特性b）鍺光敏晶體管的伏安特性c）硅光電池的伏安特性2、伏安特性：光照度一定，光電器件的端電壓U與電流I之間的關(guān)553、光譜特性：半導(dǎo)體光電器件對(duì)不同波長的光，靈敏度不同，因只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的光子才能激發(fā)出電子－空穴對(duì)。光子能量與波長有關(guān)。第二節(jié)光電器件圖7-12半導(dǎo)體光電材料的光譜特性a）光敏電阻的光譜特性b）光敏管和光電池的光譜特性3、光譜特性：半導(dǎo)體光電器件對(duì)不同波長的光，靈敏度不同，因只564．頻率特性半導(dǎo)體光電器件的頻率特性是指它們的輸出電信號(hào)與調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。圖7-13a示出硫化鉛和硫化鉈光敏電阻的頻率特性。第二節(jié)光電器件

圖7-13半導(dǎo)體光電器件的頻率特性a）光敏電阻和光電池的頻率特性 b）光敏晶體管的頻率特性4．頻率特性第二節(jié)光電器件

圖7-13半導(dǎo)體光電器件的575．溫度特性光敏電阻的溫度特性用電阻溫度系數(shù)表示第二節(jié)光電器件圖7-14半導(dǎo)體光電器件的溫度特性a）鍺光敏晶體管的溫度特性b）硅光電池的溫度特性式中R1、R2—相對(duì)于溫度T1、T2時(shí)光敏電阻的阻值，且T2>T1。溫度系數(shù)值越小越好。5．溫度特性第二節(jié)光電器件圖7-14半導(dǎo)體光電器件的溫58一、電荷耦合器件概念：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevices），簡稱CCD歷史：CCD的概念是于20世紀(jì)70年代由美國貝爾實(shí)驗(yàn)室提出；結(jié)構(gòu)：集MOS光敏單元陣列和讀出移位寄存器于一體；產(chǎn)品：數(shù)碼照相機(jī)、攝像機(jī)應(yīng)用：廣播電視、可視電話；工業(yè)監(jiān)控和測量。

1、MOS（MetalOxideSemiconductor）光敏單元MOS光敏單元的結(jié)構(gòu)：P型（或N型）單晶硅基體上，生長一層很薄的SiO2絕緣層，又在其上沉積一層金屬電極，形成了金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)單元；第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件第七章光電式傳感器一、電荷耦合器件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件第七章光59勢阱的形成：施加一正電壓UG時(shí)，在電場作用下，附近的P型硅中的多數(shù)載流子-空穴就被排斥到表面入地，從而形成一個(gè)耗盡區(qū)，稱為電子勢阱；捕獲光子：光線照射到半導(dǎo)體硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體吸收光子，產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，其中的光生空穴被電場排斥出耗盡層，而光生電子被附近的勢阱吸收，吸收的光生電子數(shù)量與勢阱附近的光強(qiáng)度成正比。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-15MOS光敏元的結(jié)構(gòu)原理圖勢阱的形成：施加一正電壓UG時(shí)，在電場作用下，附近的P型硅中602022/11/2961即當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫隙間經(jīng)SiO2層射入，或經(jīng)襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生光生電子—空穴對(duì)，這時(shí)光生電子被吸引并存儲(chǔ)在勢阱中，光越強(qiáng)，產(chǎn)生的光生電子—空穴對(duì)越多，勢阱中收集到的電子就越多，光弱則反之，這樣就把光的強(qiáng)弱變成與其成比例的電荷的多少，實(shí)現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。勢阱中的電子是在被存儲(chǔ)狀態(tài)，即使停止光照，一定時(shí)間內(nèi)也不會(huì)損失，這就實(shí)現(xiàn)了對(duì)光照的記憶。2022/11/2661即當(dāng)器件受到光照時(shí)（光可從各電極的縫像素：一個(gè)MOS光敏元為一個(gè)像素；電荷包：一個(gè)勢阱所收集的光生電荷為一個(gè)電荷包；MOS光敏單元陣列：在半導(dǎo)體硅片上制成幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏單元（如1024×768

），在金屬電極上加上正電壓，就會(huì)形成幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢阱。如果照射在這些光敏單元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏單元就形成一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像，即將整個(gè)圖像的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電荷包陣列。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件像素：一個(gè)MOS光敏元為一個(gè)像素；第三節(jié)電荷耦合器件和位置62讀出移位寄存器的作用：將光生電荷轉(zhuǎn)移輸出；讀出移位寄存器的結(jié)構(gòu)：其也是MOS結(jié)構(gòu)，但與MOS又有區(qū)別在其底部覆蓋有一層遮光層，防止外來光線干擾；它由三組相毗鄰的電極組成一個(gè)耦合單元，每個(gè)耦合單元用來轉(zhuǎn)移一個(gè)MOS光敏單元形成的電荷包，在三個(gè)電極上分別施加φ1、φ2、φ3三個(gè)驅(qū)動(dòng)脈沖，三個(gè)脈沖的形狀完全相同，但彼此間有相位差（差1/3周期）。2、讀出移位寄存器

第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-16a

讀出移位寄存器結(jié)構(gòu)原理圖讀出移位寄存器的作用：將光生電荷轉(zhuǎn)移輸出；2、讀出移位寄存器63t=t1：φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，電極φ1下出現(xiàn)勢阱，存入電荷。t=t2：φ1、φ2相處于高電平，φ3相處于低電平，電極φ1、φ2下都出現(xiàn)勢阱。因兩電極靠的很近，電荷就從φ1電極下耦合到φ2電極下。t=t3：更多的電荷耦合到電極φ2下。t=t4：只有φ2相處于高電平，電荷全部耦合到電極φ2下。電荷轉(zhuǎn)移過程：第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-16b

信號(hào)電荷傳輸示意圖t=t1：φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，電極φ1643、線陣電荷耦合器件組成：單排MOS光敏元陣列、轉(zhuǎn)移柵、讀出移位寄存器。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-17線陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖3、線陣電荷耦合器件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-65工作過程：光學(xué)成像系統(tǒng)將圖像成像在CCD的光敏面上，光敏單元開始電荷積累，這一過程也稱光積分。施加電壓脈沖φp，勢阱吸收附近的光生電荷，從而將圖像信號(hào)按其強(qiáng)度大小轉(zhuǎn)變?yōu)橐幌盗须姾砂?。轉(zhuǎn)移柵施加轉(zhuǎn)移脈沖φt，轉(zhuǎn)移柵開啟，各光敏單元的光生電荷并行轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器的相應(yīng)單元輸出。當(dāng)轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉時(shí)，MOS光敏單元陣列開始下一行的光電荷積累過程。讀出移位寄存器串行輸出各位的信息。說明：CCD輸出脈沖的幅度取決于對(duì)應(yīng)光敏元所受光強(qiáng)；輸出脈沖頻率和驅(qū)動(dòng)脈沖φ1等的頻率相一致。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件工作過程：第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件664、面陣電荷耦合器件組成：光敏元面陣、存儲(chǔ)器面陣、讀出移位寄存器（線陣）。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-19場轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件4、面陣電荷耦合器件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-67工作過程：在光積分時(shí)間，各個(gè)光敏單元曝光，吸收光生電荷。曝光結(jié)束后，在轉(zhuǎn)移脈沖控制下，光敏元面陣的電荷信號(hào)全部迅速轉(zhuǎn)移到對(duì)應(yīng)的存儲(chǔ)器區(qū)暫存。此后光敏元面陣開始第二次光積分。與此同時(shí)，存儲(chǔ)器面陣存儲(chǔ)的光生電荷自存儲(chǔ)器底部向下一排一排轉(zhuǎn)移到讀出移位寄存器中，然后再順次從讀出移位寄存器輸出，完成二維圖像信息向二維電信息的轉(zhuǎn)換。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件工作過程：第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件685、CCD應(yīng)用舉例工件尺寸檢測：依據(jù)工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數(shù)目來計(jì)算工件尺寸。參考教材圖7-20。圖7-20工件尺寸測量系統(tǒng)第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件5、CCD應(yīng)用舉例圖7-20工件尺寸測量系統(tǒng)第三節(jié)電荷69例如：光學(xué)系統(tǒng)放大率為1/M，則工件尺寸N-覆蓋的光敏單元數(shù)目；d-相鄰光敏單元的中心距離；-圖像末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差。物體缺陷檢查：檢查對(duì)象：表面有缺陷的不透明物體；體內(nèi)有缺陷的透明物體。判斷缺陷的依據(jù)：缺陷與材料背景有足夠反差，且缺陷面大于兩個(gè)光敏單元，CCD可察覺。實(shí)例：磁帶的小孔，鈔票的缺陷；玻璃中的針孔、氣泡、夾雜物。第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件例如：光學(xué)系統(tǒng)放大率為1/M，則工件尺寸物體缺陷檢查：第三節(jié)702022/11/29712022/11/26712022/11/29722022/11/26722022/11/2973ＣＣＤ圖象傳感器的分類線陣CCD外形2022/11/2673ＣＣＤ圖象傳感器的分類線陣CCD外形2022/11/2974面陣ＣＣＤ外形面陣CCD在X、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像2022/11/2674面陣ＣＣＤ外形面陣CCD在X、y兩個(gè)2022/11/2975ＣＣＤ圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用2022/11/2675ＣＣＤ圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD在掃2022/11/29762022/11/2676二、位置敏感器件概念：位置敏感器件（PositionSensitiveDetector,），簡稱PSD種類：一維和二維應(yīng)用：一維PSD用于測定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置，二維PSD用于測定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位置。PSD的基本結(jié)構(gòu)：第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-22PSD的基本結(jié)構(gòu)二、位置敏感器件第三節(jié)電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-2277光導(dǎo)纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發(fā)展速度很快的一種傳感器，光纖不僅可以用來作為光波的傳輸介質(zhì)在長距離通信中應(yīng)用，而且光在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場和位移等）的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖作為傳感元件來探測各種待測量。光纖傳感器分類傳感型—利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對(duì)外界因素進(jìn)行計(jì)量和數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。它具有傳光、傳感合一的特點(diǎn)，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。傳光型—利用其他敏感元件來感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質(zhì)。第四節(jié)光纖傳感器光導(dǎo)纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發(fā)展速度很快的一種傳感78第四節(jié)光纖傳感器光纖之父-高錕獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)光纖傳感器的測量對(duì)象涉及位移、加速度、液體、壓力、流量、振動(dòng)、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、核輻射、應(yīng)變、熒光、PH值、DNA生物量等諸多內(nèi)容。光纖傳感器和其他傳感器優(yōu)點(diǎn)：1）抗電磁干擾能力強(qiáng)；2）柔軟性好；3）光纖集傳感器和信號(hào)與一體第四節(jié)光纖傳感器光纖之父-高錕光纖傳感器的測量對(duì)象涉及位移79一、光纖傳感器的基本知識(shí)：結(jié)構(gòu)：纖芯、包層、保護(hù)層。

n1——纖芯材料的折射率；

n2——包層材料的折射率。

Δ=1-n2/n1，相對(duì)折射率差，一般為0.005~0.140。第四節(jié)光纖傳感器圖7-24光纖的結(jié)構(gòu)及傳光原理一、光纖傳感器的基本知識(shí)：第四節(jié)光纖傳感器圖7-24光802022/11/29811.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成。每一根光纖由纖芯、包層和外層組成。纖芯位于光纖的中心，其直徑在5-75，光主要在纖芯中傳輸。圍繞纖芯的是一層圓柱形包層，直徑約在100-200范圍內(nèi)，包層的折射率比纖芯小。包層外面常有一層尼龍外套，直徑約，其作用一方面是保護(hù)光纖不受外界損害，增加光纖的機(jī)械強(qiáng)度，另一方面以顏色區(qū)分各種光纖。2022/11/26811.光纖的結(jié)構(gòu)2022/11/2982光纖的結(jié)構(gòu)2022/11/2682光纖的結(jié)構(gòu)2022/11/2983各種裝飾性光纖2022/11/2683各種裝飾性光纖2022/11/2984光纜的外形及光纖的拉制2022/11/2684光纜的外形及光纖的拉制2022/11/2985導(dǎo)（傳）傳光原理空中光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠(yuǎn)的地方去。2022/11/2685導(dǎo)（傳）傳光原理空中光是直線傳播的2022/11/2986光纖傳光原理光密介質(zhì)光疏介質(zhì)臨界角光疏介質(zhì)光密介質(zhì)光纖傳光原理

2022/11/2686光纖傳光原理光密介質(zhì)光疏介質(zhì)臨界角光導(dǎo)光原理：光的全反射。-纖芯與包層間的臨界角。注意：實(shí)際工作中，光纖可能彎曲，只有滿足全反射定律，光線仍能繼續(xù)前進(jìn)。第四節(jié)光纖傳感器發(fā)生全反射條件：導(dǎo)光原理：光的全反射。-纖芯與包層間的臨界角。第四87

根據(jù)斯奈爾折射定律：設(shè)當(dāng)達(dá)到臨界角時(shí)的入射角為，可得，稱為光纖的數(shù)值孔徑。NA的值越大，光源到光纖的耦合效率越高。NA決定于光纖的折射率，與光纖幾何尺寸無關(guān)。第四節(jié)光纖傳感器根據(jù)斯奈爾折射定律：設(shè)當(dāng)達(dá)到臨界角時(shí)的88分類纖芯材料：玻璃光纖、塑料光纖、混合光纖等。傳輸模式：單模光纖；多模光纖。光纖中傳輸?shù)墓?，可分解為沿軸向和沿截面徑向傳播的兩種平面波成分。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產(chǎn)生全反射，因此當(dāng)它在徑向每一次往返傳輸（相鄰兩次反射）的相位變化是2π的整數(shù)倍時(shí)，就在截面內(nèi)形成駐波。這只有形成駐波的光才能在光纖中傳播。一個(gè)駐波一個(gè)模。光纖中只能傳輸有限個(gè)模。第四節(jié)光纖傳感器分類第四節(jié)光纖傳感器89分類折射率分布：階躍型光纖、梯度型光纖。階躍型梯度型第四節(jié)光纖傳感器分類階躍型梯度型第四節(jié)光纖傳感器90梯度型光纖在中心軸折射率最大，沿徑向逐漸變小，n1的分布規(guī)律如下梯度型光纖又稱子聚焦光纖。特點(diǎn)：頻帶寬，信號(hào)畸變小，易達(dá)到全反射，但制造困難，常用光纖類型參考表7-1.第四節(jié)光纖傳感器梯度型光纖在中心軸折射率最大，沿徑向逐漸變小，n1的分布規(guī)律91二、光纖傳感器（一）功能型光纖傳感器光纖既是光傳播的介質(zhì)，又對(duì)被測量敏感。光波的振幅（光強(qiáng)）、相位和偏振態(tài)隨光纖的環(huán)境（如應(yīng)變、壓力、溫度、電場、磁場等）而改變。（二）非功能型光纖傳感器光纖僅作為光傳播的介質(zhì)，要與其他敏感元件組成傳感器。第四節(jié)光纖傳感器二、光纖傳感器第四節(jié)光纖傳感器92（一）功能型光纖傳感器

1、光強(qiáng)度調(diào)制型

利用被測量的因素改變光纖中光的強(qiáng)度，再通過光強(qiáng)的變化來測量外界物理量，稱為強(qiáng)度調(diào)制。強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器使用最早的調(diào)制方法，其特點(diǎn)是技術(shù)簡單、可靠，價(jià)格低；光源可采用LED和高強(qiáng)度的白熾光等非相干光源。探測器一般用光敏二極管、晶體管和光電池等。被測量通過影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。調(diào)制條件為調(diào)制途徑：①改變光纖幾何形狀，實(shí)現(xiàn)力、位移和壓強(qiáng)等的測量。圖7-27a；②改變纖芯或包層折射率，如可采用不同的包層材料。圖7-27b光強(qiáng)被油滴調(diào)制。第四節(jié)光纖傳感器（一）功能型光纖傳感器第四節(jié)光纖傳感器932、光相位調(diào)制型壓力、應(yīng)變、溫度、磁場等被測量通過影響光纖的長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力等引起光信號(hào)相位的變化。檢測一般采用干涉儀。馬赫-琴特干涉儀調(diào)制相位原理如圖7-27所示：第四節(jié)光纖傳感器圖7-27馬赫-琴特干涉儀原理圖2、光相位調(diào)制型第四節(jié)光纖傳感器圖7-27馬赫-琴特干94信號(hào)光纖環(huán)境溫度變化，產(chǎn)生一定相移，大小與信號(hào)光纖的長度L、折射率n等的變化有關(guān)，相移表示如下式中：；玻璃光纖：；結(jié)論：折射率n的變化起主要作用。第四節(jié)光纖傳感器信號(hào)光纖環(huán)境溫度變化，產(chǎn)生一定相移，第四節(jié)光纖95

3、光偏振態(tài)調(diào)制型外界因素使光纖中偏振態(tài)發(fā)生變化，并能加以檢測的光纖傳感器為偏振態(tài)調(diào)制型。如利用磁旋效應(yīng)做成的高壓傳輸線用的光纖電流傳感器。第四節(jié)光纖傳感器圖7-28光纖電流傳感器原理圖3、光偏振態(tài)調(diào)制型第四節(jié)光纖傳感器圖7-28光纖96沃拉斯特棱鏡光電接收器處在磁場中的光偏振面旋轉(zhuǎn)角KV-光纖材料的磁光常數(shù)。結(jié)論：旋轉(zhuǎn)角度只與電路I成正比，與光纖繞圈的大小和形狀無關(guān)，與道題在線圈中的位置無關(guān)。沃拉斯特棱鏡將光束分成振動(dòng)方向互相垂直的偏振光，在送入兩個(gè)光電接收器，設(shè)接收光信號(hào)強(qiáng)度為AV1AV2，標(biāo)準(zhǔn)化后的參數(shù)光纖電流傳感器結(jié)構(gòu)：激光器起偏器單模光纖N圈大電流（電流I）導(dǎo)體第四節(jié)光纖傳感器

97標(biāo)準(zhǔn)化處理的優(yōu)點(diǎn)：測量結(jié)果不受絕對(duì)光強(qiáng)、激光器漂移、光纖衰減的影響。實(shí)例分析：硅光纖，分辨力0.1°C傳感器分辨力300A/匝，可測電流10kA.可見，該傳感器量程大，靈敏度高，輸出與輸入端電絕緣。第四節(jié)光纖傳感器標(biāo)準(zhǔn)化處理的優(yōu)點(diǎn)：第四節(jié)光纖傳感器98（二）非功能型光纖傳感器

1、光纖位移傳感器光纖傳感器是由許多根光纖組成的光纜。發(fā)射和接收光纖的常見組合方式有混合式、對(duì)半式、共軸內(nèi)發(fā)射分布三種。混合式的靈敏度最高，對(duì)半式測量范圍最大。2、光纖溫度傳感器常用的半導(dǎo)體材料是GaAs，其透光率達(dá)30%以上，厚度為150微米，工作面積約為0.7mm2，其工作面和光纖的端面都要拋光并互相平行。

第四節(jié)光纖傳感器（二）非功能型光纖傳感器第四節(jié)光纖傳感器99三、光纖光柵傳感器由于光纖材料的光敏性，當(dāng)外界入射光子和離子相互作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生纖芯內(nèi)折射率的永久性變化，進(jìn)而在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵，即產(chǎn)生光纖光柵。優(yōu)點(diǎn)：1）是自參考型傳感器，可以實(shí)現(xiàn)絕對(duì)測量。2）具有更強(qiáng)的抗干擾能力。3）易于組建各種形式的傳感網(wǎng)絡(luò)，尤其是采用密集波分復(fù)用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）技術(shù)構(gòu)成準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器陣列，可進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測量。第四節(jié)光纖傳感器三、光纖光柵傳感器第四節(jié)光纖傳感器1002022/11/29101光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器是最近幾年出現(xiàn)的新技術(shù)，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度、流量等，還可以完成現(xiàn)有測量技術(shù)難以完成的測量任務(wù)。在狹小的空間里，在強(qiáng)電磁干擾和高電壓的環(huán)境里，光纖傳感器都顯示出了獨(dú)特的能力。2022/11/26101光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器是最近幾2022/11/291021．光纖渦輪流量傳感器將反射型光纖傳感器與傳統(tǒng)的渦輪流量測量原理相結(jié)合，制造出具有雙光纖傳感器的渦輪流量計(jì)。與傳統(tǒng)的內(nèi)磁式渦輪流量計(jì)相比，光纖渦輪流量計(jì)具備了正反流量測量的性能。在檢測原理上，光纖傳感器克服了內(nèi)磁式傳感器磁性引力帶來的影響，有效地?cái)U(kuò)大了渦輪流量計(jì)的量程比。光纖渦輪流量計(jì)，就是把渦輪葉片進(jìn)行改進(jìn)使其葉片端面適宜反射光線，利用反射型光纖傳感器及光電轉(zhuǎn)換電路檢測渦輪葉片的旋轉(zhuǎn)，從而測量出流量。圖5-27光纖渦輪流量計(jì)雙向測量原理2022/11/261021．光纖渦輪流量傳感器將反射型光纖2022/11/291032．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)如圖5-28所示。它是一種簡諧振子的結(jié)構(gòu)形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí)，由于質(zhì)量塊M對(duì)光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。

圖5-28光纖加速度傳感器的組成結(jié)構(gòu)測量光束參考光束M2022/11/261032．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感2022/11/291043．光纖圖像傳感器圖像光纖是由數(shù)目眾多的光纖組成一個(gè)圖像單元（或像素單元），典型數(shù)目為3千到1萬股，每一股光纖的直徑約為10，光纖圖像傳感器的原理如圖5-29所示。在光纖的兩端，所有的光纖都是按同一規(guī)律整齊排列的。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，然后，圖像是作為一組強(qiáng)度與顏色不同的光點(diǎn)傳送，并在另一端重建原圖像。工業(yè)用內(nèi)窺鏡用于檢查系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光速的傳輸在系統(tǒng)外部可以觀察監(jiān)視。圖5-29光纖圖像傳感器2022/11/261043．光纖圖像傳感器圖像光纖是由數(shù)目2022/11/29105光纖傳感器的應(yīng)用2022/11/26105光纖傳感器的應(yīng)用2022/11/291062022/11/261062022/11/291072022/11/261072022/11/291082022/11/261082022/11/29109返回本章目錄2022/11/26109返回本章目錄光柵：在玻璃（或金屬）尺或玻璃（或金屬）尺盤上進(jìn)行刻劃，可得到一系列黑白相間、間隔細(xì)小的條紋，不刻劃處透光，刻劃處不透光，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。第五節(jié)光柵式傳感器第七章光電式傳感器圖7-32柵線放大圖光柵：在玻璃（或金屬）尺或玻璃（或金屬）尺盤上進(jìn)行刻劃，可得110光柵式傳感器的特點(diǎn)：精度高。大量程測量兼有高分辨力?？蓪?shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，易于實(shí)現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。具有較強(qiáng)的抗干擾能力。光柵式傳感器的應(yīng)用：幾何量、振動(dòng)、速度、應(yīng)力、應(yīng)變。第五節(jié)光柵式傳感器光柵式傳感器的特點(diǎn)：第五節(jié)光柵式傳感器111一、計(jì)量光柵的種類計(jì)量光柵：利用莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測量的光柵。種類：按基體材料的不同主要可分為金屬光柵和玻璃光柵；按刻線的形式不同可分為振幅光柵和相位光柵；按光線的走向又可分為透射光柵和反射光柵；按其用途可分為長光柵和圓光柵兩類。第五節(jié)光柵式傳感器一、計(jì)量光柵的種類第五節(jié)光柵式傳感器1121、長光柵測量對(duì)象：長度、直線位移；特點(diǎn)：刻線相互平行，又稱光柵尺。柵線密度：每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)，表示長光柵柵線的疏密程度。例如柵線間距W=0.02mm時(shí)，柵線密度為50線/mm。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-33透射長光柵1、長光柵第五節(jié)光柵式傳感器圖7-33透射長光柵113長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。振幅光柵是對(duì)入射光波的振幅進(jìn)行調(diào)制，也叫黑白光柵，它又可分為透射光柵和反射光柵兩種。在玻璃的表面上制作透明與不透明間隔相等的線紋，可制成透射光柵；在金屬的鏡面上或玻璃鍍膜（如鋁膜）上制成全反射或漫反射相間，二者間還有吸收的線紋，可制成反射光柵。柵線密度20~125線/mm。相位光柵（閃耀光柵）是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，它也有透射光柵和反射光柵兩種形式。柵線密度600線/mm以上。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-34玻璃相位光柵的斷面長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。第五節(jié)光柵式傳感器圖71142、圓光柵定義：刻劃在玻璃圓盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤。測量對(duì)象：角度或角位移。

主要參數(shù)：整圓刻線數(shù)；柵距角（也稱節(jié)距角）δ，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線之間的夾角。種類：徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；切向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤同心的直徑只有零點(diǎn)幾到幾個(gè)毫米的小圓相切。第五節(jié)光柵式傳感器2、圓光柵第五節(jié)光柵式傳感器115二、莫爾條紋（一）形成的光學(xué)原理：莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，對(duì)于柵距較大的振幅光柵，可以忽略光的衍射。圖7-36為兩光柵以很近的距離重疊的情況。W1——標(biāo)尺光柵1的光柵常數(shù)；W2——指示光柵2的光柵常數(shù)；θ——兩光柵柵線的夾角。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-36莫爾條紋的形成二、莫爾條紋W1——標(biāo)尺光柵1的光柵常數(shù)；第五節(jié)光柵式傳116在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透過透光部分形成亮帶；在b-b線上，兩光柵透光部分分別另一光柵的不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不過形成暗帶，這種由光柵重疊形成的明案相間的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋。長光柵莫爾條紋的周期為

第五節(jié)光柵式傳感器在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透過透117第五節(jié)光柵式傳感器第五節(jié)光柵式傳感器118第五節(jié)光柵式傳感器第五節(jié)光柵式傳感器119莫爾條紋形成的衍射理論分析：前提：柵距很小的光柵（W＜0.005mm），或相位光柵。分析：光柵G1產(chǎn)生了0,±1,±2,……等n級(jí)衍射光，光柵G1的衍射光束到達(dá)光柵G2時(shí)將進(jìn)一步被衍射，G1的n級(jí)衍射光，其中每一級(jí)的衍射光束對(duì)光柵G2來說都是一組入射光束，并由光柵G2又衍射成n級(jí)衍射光（因?yàn)閮晒鈻诺腤相同，又是單色光），所以從光柵副出射的衍射光束的數(shù)目為n2個(gè)。

第五節(jié)光柵式傳感器圖7-37雙光柵的衍射莫爾條紋形成的衍射理論分析：第五節(jié)光柵式傳感器圖7-37120每支衍射光束都用它在兩個(gè)光柵上衍射的級(jí)次序號(hào)來表示，例如經(jīng)光柵G1衍射的0級(jí)光束，經(jīng)過光柵G2后衍射成0級(jí)、±1級(jí)、…等衍射光束就用（0,0）、（0,1）、（0，-1）、……表示。由光柵G1產(chǎn)生的第p級(jí)衍射光又經(jīng)光柵G2產(chǎn)生的第q級(jí)衍射光束就可以用（p、q）表示。p+q相等的光束，用其p+q值來稱作該組光束為某級(jí)組，如0級(jí)組，1級(jí)組，-1級(jí)組，……。理論推導(dǎo)可以證明，每一級(jí)組中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一級(jí)組中的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋。其中，p+q=1和p+q=-1級(jí)組光束強(qiáng)度變化幅度最大，它們形成莫爾條紋的基波條紋。其它各光束級(jí)組形成莫爾條紋的高次諧波。第五節(jié)光柵式傳感器每支衍射光束都用它在兩個(gè)光柵上衍射的級(jí)次序號(hào)來表示，例如經(jīng)光121（二）莫爾條紋的特性1、運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向與兩光柵的相對(duì)位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在圖7-36中，當(dāng)主光柵1向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W1時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距B；如果主光柵1向左運(yùn)動(dòng)，莫爾條紋則向上移動(dòng)。光柵傳感器在測量時(shí)，可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向判定光柵的位移量和位移的方向。第五節(jié)光柵式傳感器（二）莫爾條紋的特性第五節(jié)光柵式傳感器122第五節(jié)光柵式傳感器第五節(jié)光柵式傳感器1232、位移放大作用由于兩光柵的夾角θ很小，若它們的光柵常數(shù)相等，設(shè)為W，從式（7-33）可得到如下近似關(guān)系明顯看出，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數(shù)為1/θ

。例如：W=0.02mm，θ=0.1°，則B=11.4592mm，放大倍數(shù)約為573倍。所以盡管柵距很小，難以觀察到，但莫爾條紋卻清晰可見。這非常有利于布置接收莫爾條紋信號(hào)的光電器件。第五節(jié)光柵式傳感器2、位移放大作用第五節(jié)光柵式傳感器1243、誤差平均效應(yīng)莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數(shù)百條）共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響,個(gè)別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對(duì)莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測量精度。第五節(jié)光柵式傳感器3、誤差平均效應(yīng)第五節(jié)光柵式傳感器125（三）莫爾條紋的種類1、長光柵的莫爾條紋（1）橫向莫爾條紋當(dāng)兩光柵柵距相等W1＝W2=W時(shí)，以夾角θ相交形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。（2）光閘莫爾條紋當(dāng)W1=W2=W，且θ=0時(shí)，莫爾條紋的寬度趨于無窮大，兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)入射光就像閘門一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱為光閘莫爾條紋。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-38光閘莫爾條紋（三）莫爾條紋的種類第五節(jié)光柵式傳感器圖7-38光閘莫1262、圓光柵的莫爾條紋（1）徑向光柵莫爾條紋圓弧形莫爾條紋兩塊柵距角δ相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，如圖7-39所示。在光柵的各部分柵線的交角θ不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。主要特點(diǎn)：莫爾條紋是對(duì)稱的兩簇圓形條紋，它們的圓心排列在兩光柵中心連線的垂直平分線上。莫爾條紋的寬度不是定值，它隨條紋位置的不同而不同。位于偏心方向垂直位置上的條紋近似垂直于柵線，稱這部分為橫向莫爾條紋。沿著偏心方向的條紋近似平行于柵線，成為縱向莫爾條紋。在實(shí)際使用中，主要應(yīng)用橫向莫爾條紋這部分。第五節(jié)光柵式傳感器2、圓光柵的莫爾條紋第五節(jié)光柵式傳感器127光閘莫爾條紋將柵距角δ相同的兩塊圓光柵同心疊合時(shí)，得到與長光柵中相類似的光閘莫爾條紋。主光柵轉(zhuǎn)過一個(gè)柵距角δ

，透光亮度變化一個(gè)周期。

第五節(jié)光柵式傳感器圖7-39圓弧形莫爾條紋光閘莫爾條紋將柵距角δ相同的兩塊圓光柵同心疊合時(shí)，得到與長128（2）切向光柵的莫爾條紋兩塊切向相同、柵距角δ相同的切向光柵柵線面相對(duì)同心疊合時(shí)，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為環(huán)形莫爾條紋。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-40環(huán)形莫爾條紋（2）切向光柵的莫爾條紋第五節(jié)光柵式傳感器圖7-40環(huán)129三、零位光柵零位光柵一般是在主光柵和指示光柵的原有光柵之外，另刻一組透明狹縫，用單獨(dú)的光電器件和電子線路來給出計(jì)數(shù)器的置零信號(hào)。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-41零位光柵刻線規(guī)律示意圖三、零位光柵第五節(jié)光柵式傳感器圖7-41零位光柵刻線規(guī)130第五節(jié)光柵式傳感器圖7-42SN(u)~N關(guān)系曲線第五節(jié)光柵式傳感器圖7-42SN(u)~N關(guān)系曲線131四、光柵式傳感器基本組成：光源、標(biāo)尺光柵、指示光柵和光電器件。常見形式：透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-43光柵式傳感器原理圖四、光柵式傳感器第五節(jié)光柵式傳感器圖7-43光柵式傳感132B第五節(jié)光柵式傳感器B第五節(jié)光柵式傳感器133（一）透射式光柵傳感器類型：透射式長光柵傳感器、透射式圓光柵傳感器。光源：發(fā)光二極管（有的本身集成透鏡、有的需要外加透鏡）、白熾燈。

指示光柵特點(diǎn)：裂相光柵，一般由四部分組成，每一部分的刻線間距與對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺光柵完全相同，但各個(gè)部分之間在空間上依次錯(cuò)開nW+W/4。第五節(jié)光柵式傳感器圖7-44透射式長光柵傳感器（一）透射式光柵傳感器第五節(jié)光柵式傳感器圖7-44透射134輸出信號(hào)：U0——電信號(hào)的直流電平，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋的平均光強(qiáng)；Um——電信號(hào)的幅值，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋明暗的最大變化。信號(hào)處理方式：首先將u1、u3和u2、u4分別兩兩相減，消除信號(hào)中的直流電平，得到兩路相位差為90°的信號(hào)，然后將它們送入專門的電子細(xì)分和辨向電路，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測量。

第五節(jié)光柵式傳感器輸出信號(hào)：U0——電信號(hào)的直流電平，對(duì)應(yīng)于莫爾條紋的平均光強(qiáng)135（二）反射式光柵傳感器1、反射式長光柵傳感器：發(fā)光二極管經(jīng)聚光透鏡形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光柵，莫爾條紋是由標(biāo)尺光柵的反射光與指示光柵作用形成，光電器件接收莫爾條紋的光強(qiáng)。

1－反射主光柵2－指示光柵3－場鏡4－反射鏡5－聚光鏡6－光源7－物鏡8－光電元件第五節(jié)光柵式傳感器圖7-47反射分光式光學(xué)系統(tǒng)（二）反射式光柵傳感器1－反射主光柵第五節(jié)光柵式傳感器圖71362、反射分光式光柵傳感器組成：光源1、準(zhǔn)直透鏡2、分光棱鏡3、閃耀光柵4（等腰三角形）；光柵工作在自準(zhǔn)狀態(tài)，光束垂直投射線槽面，最大強(qiáng)度衍射光沿原路反射回3。A、B兩處返回的兩路衍射光經(jīng)3投向透鏡5，二者相干，相遇干涉，干涉條紋由光電器件6接收。柵線刻劃面與光柵平面夾角φ

，控制φ可以使要求的光譜級(jí)次m發(fā)生在最大光強(qiáng)方向，產(chǎn)生主閃耀條件：式中，m—具有最大光強(qiáng)的光譜級(jí)次；—入射波波長；

W—光柵的柵距。第五節(jié)光柵式傳感器2、反射分光式光柵傳感器第五節(jié)光柵式傳感器137工作時(shí)，光柵4沿x方向移動(dòng)，入射光EB光程變化2BB1：相應(yīng)的變化另一光束射到A處的光線相位變化第五節(jié)光柵式傳感器工作時(shí)，光柵4沿x方向移動(dòng)，入射光EB光程變化2138光柵移動(dòng)，兩束相干光相位差變化若要求光譜級(jí)次m1=m2=2有最大光強(qiáng)結(jié)論：光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，相干光束相位變化，干涉條紋變化4個(gè)周期。故光學(xué)系統(tǒng)具有光學(xué)四細(xì)分作用。第五節(jié)光柵式傳感器光柵移動(dòng)，兩束相干光相位差變化第五節(jié)光柵式傳感器139一、激光干涉?zhèn)鞲衅?一)工作原理典型應(yīng)用：邁克爾遜雙光束干涉系統(tǒng)反射鏡M2移動(dòng)半個(gè)光波波長，干涉條紋明暗變化一次，測量位移x計(jì)算公式如下：式中，n—空氣折射率；—真空中光波波長；

N—干涉條紋亮暗變化數(shù)目。第六節(jié)激光式傳感器圖7-48邁克爾遜干涉系統(tǒng)第七章光電式傳感器一、激光干涉?zhèn)鞲衅鞯诹?jié)激光式傳感器圖7-48邁克爾140（二）單頻激光干涉儀圖7-49單頻激光干涉儀光路原理圖1、5-1/4波片2-偏振分光鏡3、4-角錐棱鏡6-分光鏡7-反射鏡8、9-偏振片10、11-光電器件第六節(jié)激光式傳感器（二）單頻激光干涉儀圖7-49單頻激光干涉儀光路原理圖141（三）雙頻激光干涉儀圖7-50雙頻激光干涉儀光路原理圖1-分光鏡2-1/4波片3-偏振分光鏡4、5-角錐棱鏡6-反射鏡7、8-檢偏器9、10-光電器件第六節(jié)激光式傳感器（三）雙頻激光干涉儀圖7-50雙頻激光干涉儀光路原理圖142二、激光測微測頭絕對(duì)距離傳感器，利用激光的方向性好的特點(diǎn)。三角法測頭原理圖圖7-51激光三角法測頭原理圖第六節(jié)激光式傳感器二、激光測微測頭圖7-51激光三角法測頭原理圖第六節(jié)143測量原理：利用幾何三角關(guān)系測位移。激光聚焦成小光斑，成像于光電探測器，投影光軸與成像光軸夾角θ，被測位移x近似計(jì)算如下：式中，d0

—被測點(diǎn)到成像物鏡的距離；

d1—光電探測器到成像物鏡的距離。因此，只要求出像點(diǎn)偏移即可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移x的測量。第六節(jié)激光式傳感器測量原理：利用幾何三角關(guān)系測位移。激光聚焦成小光斑，成像于光144三、激光掃描傳感器（一）基本工作原理氦氖激光器發(fā)出激光細(xì)束