《測試技術(shù)與傳感器》課件第9章

9.1光電器件

9.2光纖傳感器

9.3紅外傳感器

9.4超聲波傳感器

思考題與習(xí)題

9.1光電器件9.1.1光電效應(yīng)所謂光電效應(yīng)，是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)。光電效應(yīng)可分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩種。

1.外光電效應(yīng)在光的作用下，物體內(nèi)的電子(光電子)逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，如光電管、光電倍增管等就屬于這類光電器件。光束由光子組成，光子是以光速運動的粒子流，具有能量，每個光子的能量為E=hυ(9-1)式中：h=6.626×10-34J·s，為普朗克常數(shù)；υ為光的頻率(s-1)。可見，光的波長越短，頻率就越高，光子的能量也越大；反之，頻率越低，光子的能量越小。光照射物體時，相當(dāng)于用一定能量的光子轟擊物體，當(dāng)物體中電子吸收的入射光子能量超過逸出功A0時，電子就會逸出物體表面，形成光電子發(fā)射，光子能量超過逸出功的部分表現(xiàn)為逸出電子的動能。根據(jù)能量守恒有

(9-2)式中：m為電子的質(zhì)量；v0為電子的逸出速度。所以，只有當(dāng)光子能量大于逸出功時，才能產(chǎn)生光電子。另外，入射光頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)越大，入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也越多。由于光電子具有初始動能，因此對于外光電效應(yīng)器件，如光電管，即使不加初始陽極電壓，也會有光電流。欲使初始光電流為零，需加負(fù)的截止電壓。

2.內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，受光照的物體的導(dǎo)電率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)。

1)光電導(dǎo)效應(yīng)在光照時，半導(dǎo)體材料吸收了入射光子的能量。當(dāng)光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度時，就激發(fā)電子-空穴對，增加了載流子的濃度，半導(dǎo)體電導(dǎo)率增大，該現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。如光敏電阻、光敏二極管、光敏晶體管等都是利用光電導(dǎo)效應(yīng)工作的。

2)光生伏特效應(yīng)物體受光照而產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象，稱為光生伏特效應(yīng)。如光電池等都可產(chǎn)生光生伏特效應(yīng)。9.1.2光敏電阻

1.光敏電阻的原理與結(jié)構(gòu)光敏電阻又稱為光導(dǎo)管，由半導(dǎo)體材料制成，是純電阻器件，其結(jié)構(gòu)原理如圖9-1所示。光敏電阻不受光照時，電阻值很大，電路中電流很?。皇艿揭欢úㄩL的光照射時，阻值急劇減小。光敏電阻在不受光照射時的電阻稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流；在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差稱為光電流。通常，暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，即光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。圖9-1(a)是金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)示意圖。玻璃底板上均勻涂敷了一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，形成光導(dǎo)層；金屬電極安裝在半導(dǎo)體兩端，由電極引線引出，形成光敏電阻；為防止周圍介質(zhì)的影響，光導(dǎo)層上覆蓋漆膜，但漆膜的成分應(yīng)保證在光敏層最敏感的波長范圍內(nèi)透射率最大。圖9-1(b)是光敏電阻電極的形式，為提高靈敏度，采用梳狀電極。圖9-1(c)是光敏電阻的接線簡圖。圖9-1光敏電阻結(jié)構(gòu)原理圖

2.光敏電阻的基本特性

1)伏安特性伏安特性是指在一定的照度下，光敏電阻兩端的電壓與電流的關(guān)系。硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線如圖9-2所示?？梢姡琁-U曲線在一定的電壓范圍內(nèi)呈直線，說明阻值與電壓、電流無關(guān)，只與入射光量有關(guān)。圖9-2硫化鎘光敏電阻的伏安特性

2)光譜特性光譜特性也稱光譜響應(yīng)，指光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系。幾種不同材料光敏電阻的光譜特性如圖9-3所示。可見，對于不同的波長，光敏電阻的靈敏度不同。硫化鎘光敏電阻光譜響應(yīng)的峰值在可見光區(qū)域，常用于光度量的測量，如照度計；硫化鉛光敏電阻響應(yīng)于近紅外和中紅外區(qū)，常用于火焰探測器。圖9-3光敏電阻的光譜特性

3)溫度特性溫度特性反映的是溫度變化對光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度、暗電阻等的影響。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線如圖9-4所示。可見，該光敏電阻受溫度影響很大，其峰值隨著溫度的上升向波長短的方向移動，故該光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。圖9-4硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性

4)光照特性光照特性描述光電流和光照強(qiáng)度之間的關(guān)系。硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線如圖9-5所示。可見，光照特性曲線呈非線性關(guān)系，因此不宜作為測量元件，而多用于開關(guān)信號的傳遞。不同材料的光敏電阻光照特性不同。圖9-5硫化鎘光敏電阻的光照特性曲線

5)頻率特性多數(shù)光敏電阻的光電流不能隨光強(qiáng)的改變而立即變化，有一定的惰性，即時間常數(shù)較大。不同材料的光敏電阻時間常數(shù)不同。硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性曲線如圖9-6所示?？梢姡饷綦娮柙试S的光電流大，光譜特性好，靈敏度高，但參數(shù)一致性較差，光照特性為非線性，常用于對精度要求不高的場合。圖9-6光敏電阻的頻率特性9.1.3光敏二極管和晶體管

1.結(jié)構(gòu)及工作原理

1)光敏二極管光敏二極管的結(jié)構(gòu)簡圖和符號如圖9-7所示。光敏二極管裝在透明玻璃外殼中，PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射。圖9-7光敏二極管結(jié)構(gòu)簡圖和符號光敏二極管在電路中一般處于反向工作狀態(tài)，如圖9-8所示。無光照射時，反向電阻很大，反向電流很小；光照射在PN結(jié)上時，PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，在PN結(jié)處內(nèi)電場的作用下做定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此，光敏二極管在不受光照射時，處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時，處于導(dǎo)通狀態(tài)。圖9-8光敏二極管接線圖

2)光敏晶體管

NPN型光敏晶體管的結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路如圖9-9所示。光敏晶體管有兩個PN結(jié)，發(fā)射極做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積，大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線。當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓；當(dāng)光照射在集電結(jié)上時，會產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極和發(fā)射極間的電壓升高，相當(dāng)于基極電流增加，集電極形成輸出電流，是光生電流的β倍?？梢?，光敏晶體管也具有放大作用。圖9-9NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路(a)光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖；(b)光敏晶體管基本電路

2.基本特性

1)伏安特性硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線如圖9-10所示。光敏三極管在不同照度下的伏安特性和晶體管在不同基極電流下的輸出特性一樣。圖9-10(a)是光敏二極管的伏安特性。反向電流隨光照強(qiáng)度的增大而增大，不同照度下，曲線幾乎平行，不受偏壓影響。圖9-10(b)是硅光敏晶體管的伏安特性。和圖9-10(a)相比，由于晶體管的放大作用，在同樣的照度下，光敏晶體管輸出的光電流比相同管型的二極管大上百倍。圖9-10硅光敏管的伏安特性

2)光譜特性光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖9-11所示，峰值處靈敏度最大?？梢?，硅的峰值波長約為0.9μm，鍺的峰值波長約為1.5μm，都在近紅外區(qū)域。當(dāng)入射光的波長自峰值波長處增加或縮短時，硅和鍺的相對靈敏度均下降。實際應(yīng)用時，可見光或赤熱狀態(tài)物體的探測，一般都用硅管；對紅外光的探測，鍺管較適合。相對而言，鍺管的暗電流較大，性能較差。圖9-11光敏二極和晶體管的光譜特性

3)頻率特性頻率特性指光敏管輸出的相對靈敏度或光電流隨頻率變化的關(guān)系，如圖9-12所示?？梢姡饷艟w管的頻率特性和負(fù)載電阻相關(guān)，減小負(fù)載電阻可提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)亦減小。光敏二極管在半導(dǎo)體光電器件中頻率特性最好，普通的響應(yīng)時間就可達(dá)10μs。圖9-12光敏晶體管的頻率特性

4)溫度特性溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系，如圖9-13所示?？梢姡瑴囟茸兓瘜怆娏饔绊懞苄?，對暗電流影響很大。故在電子線路中應(yīng)對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將導(dǎo)致輸出誤差。圖9-13光敏晶體管的溫度特性9.1.4光電池光電池可直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，是光作用下的電源。

1.結(jié)構(gòu)及工作原理光電池的工作原理是光生伏特效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)原理圖如圖9-14(a)所示，等效電路如圖9-14(b)所示。當(dāng)入射光照射PN結(jié)時，若光子的能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則可以在PN結(jié)內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，并從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，空穴移向P型區(qū)，電子移向N型區(qū)，最后建立一個與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動勢。圖9-14硅光電池結(jié)構(gòu)原理圖及等效電路

2.光電池的基本特性

1)光譜特性硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線如圖9-15所示?？梢姡煌牧系墓怆姵?，光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長不同，光譜響應(yīng)波長的范圍也不同。硅光電池響應(yīng)峰值在0.8μm附近，而硒光電池在0.5μm附近；硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍約為0.4~1.2μm，而硒光電池約為0.38~0.75μm，硅光電池的響應(yīng)范圍較寬。圖9-15光電池的光譜特性

2)光照特性光照特性是指在不同的光照度下，光電池的光電流和光生電動勢之間的關(guān)系。硅光電池的開路電壓和短路電流與光照的關(guān)系曲線如圖9-16所示。可見，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度呈線性關(guān)系，但開路電壓與光照度呈非線性關(guān)系，且當(dāng)照度在2000lx時趨于飽和。因此，光電池作為測量元件時，應(yīng)當(dāng)作為電流源，不宜作為電壓源。圖9-16硅光電池的光照特性

3)頻率特性光電池的頻率特性反映光的交變頻率和光電池輸出電流的關(guān)系。硅光電池和硒光電池的頻率特性如圖9-17所示，橫坐標(biāo)是光的調(diào)制頻率?？梢姡韫怆姵赜泻芨叩念l率響應(yīng)，可用于高速計數(shù)等方面。圖9-17硅光電池和硒光電池的頻率特性

4)溫度特性溫度特性主要描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況，如圖9-18所示。可見，開路電壓隨溫度的升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度的升高而緩慢增加。由于溫度對光電池的工作有很大的影響，因此把它作為測量器件應(yīng)用時，關(guān)系到儀器和設(shè)備的溫度漂移、測量精度和控制精度，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。硅光電池的最大開路電壓約為600mV，在照度相等的情況下，光敏面積越大，輸出的光電流也越大。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，且耐高溫輻射。圖9-18硅光電池的溫度特性9.1.5光電耦合器件

1.光電耦合器光電耦合器的發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，隨著二極管正向電壓的不斷增大，正向電流不斷增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也不斷增加，達(dá)到一定閾值時，接收元件開始工作。光敏三極管和達(dá)林頓光敏管輸出型的光電耦合器分別如圖9-19(a)、(b)所示。為保證光電耦合器有較高靈敏度，應(yīng)使發(fā)光元件和接收元件的波長匹配。光電耦合器抗干擾能力強(qiáng)，可實現(xiàn)信號的單向傳輸，多用于電路隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)等。圖9-19光電耦合器組合形式

2.光電開關(guān)光電開關(guān)的典型結(jié)構(gòu)如圖9-20所示，圖(a)為透射式，圖(b)為反射式。當(dāng)有不透光的物體位于透射式開關(guān)中間或物體經(jīng)過反射式開關(guān)時，接收元件收到的信號將發(fā)生變化，產(chǎn)生一個檢測脈沖。圖9-20光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)光電開關(guān)響應(yīng)速度快，有非接觸測量的特點，可用于物體檢測、產(chǎn)品計數(shù)、料位檢測、尺寸控制、安全報警等，是工業(yè)控制系統(tǒng)中常用的光控制和光探測裝置，其基本電路示例如圖9-21所示。圖9-21光電開關(guān)的基本電路示例9.1.6電荷耦合器件電荷耦合器件(ChargeCoupleDevice)，簡稱CCD，是一種金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)集成電路器件，以電荷作為信號，其基本功能是進(jìn)行電荷的存儲和轉(zhuǎn)移。

1.CCD的結(jié)構(gòu)電荷耦合器件由若干個電荷耦合單元組成。其基本單元是MOS電容器，用來存儲電荷，如圖9-22(a)所示。以P型或N型半導(dǎo)體為襯底，其上覆蓋一層約120nm的SiO2，再在SiO2上沉積一層金屬電極，即構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件，稱為一個光敏元或一個像素。一個MOS陣列加上輸入輸出結(jié)構(gòu)即構(gòu)成CCD器件。圖9-22MOS電容器(a)MOS電容截面；(b)勢阱圖

2.工作原理

1)表面勢阱的形成在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，MOS電容器中P型硅的空穴被排斥，而電子被吸引到P型硅界面處，在電極下的界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡層，即表面勢阱。對電子而言，耗盡層是低勢能區(qū)域，如圖9-22(b)所示。

2)勢阱對電子的吸收光照射硅片時，產(chǎn)生電子-空穴對，光生電子被勢阱吸收，所吸收的光生電子數(shù)量與入射光強(qiáng)成正比，存儲了電荷的勢阱稱為電荷包，所產(chǎn)生的空穴被排出耗盡區(qū)。一定條件下，正電壓Ug越大，耗盡層越深，表面勢阱越大，所能容納的少數(shù)載流子電荷的量也越大。信號電荷的產(chǎn)生有光信號注入、電信號注入兩種方法。光信號注入接收的是光信號，如圖9-23(a)所示，采用背面光注入方法，多用于固態(tài)圖像傳感器。光照射時，CCD器件在柵極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，多數(shù)載流子被排斥到襯底，少數(shù)載流子被收集到勢阱，形成電荷信號并存儲。存儲電荷的多少正比于入射光強(qiáng)，反映圖像的明暗，實現(xiàn)光-電信號的轉(zhuǎn)換。電信號注入是CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電流或電壓進(jìn)行采樣，并轉(zhuǎn)換成信號電荷。如圖9-23(b)所示，用來實現(xiàn)電注入的輸入二極管，是在輸入柵襯底上擴(kuò)散形成的。當(dāng)輸入柵IG上加上寬度為Δt的正脈沖時，輸入二極管PN結(jié)的少數(shù)載流子通過輸入柵下的溝道注入Φ1電極下的勢阱中，注入電荷量為Q=ID·Δt(9-3)圖9-23電荷注入方法

3)電荷的耦合與轉(zhuǎn)移

CCD最基本的結(jié)構(gòu)是一系列非常靠近的MOS電容器，電容器用同一半導(dǎo)體的襯底制成，襯底上面涂敷一層氧化物，其上制作若干個相應(yīng)的金屬電極，各電極按三相(也有二相和四相)方式連接，如圖9-24所示。電極間的距離極小，以保證相鄰勢阱間的耦合及電荷的轉(zhuǎn)移。圖9-24三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系圖9-24(a)是三個相位不同的控制電壓Φ1、Φ2、Φ3的波形，耦合及轉(zhuǎn)移過程如圖9-24(b)所示。當(dāng)t=t1時，Φ1高，Φ2、Φ3低，電極1、4下面有勢阱，存儲電荷。當(dāng)t=t2時，Φ1、Φ2高，Φ3低，電極2、5下面有勢阱，相鄰勢阱耦合，電極1、4下的電荷向電極2、5下轉(zhuǎn)移。隨著Φ1的下降，1、4勢阱變淺。當(dāng)t=t3時，更多的電荷向電極2、5下轉(zhuǎn)移。當(dāng)t=t4時，Φ1、Φ3低，Φ2高，電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下。依此類推，實現(xiàn)了電荷的耦合與轉(zhuǎn)移。

4)信號的輸出

CCD輸出端的結(jié)構(gòu)如圖9-25所示。在CCD末端的襯底上制作一個輸出二極管，當(dāng)二極管加反向偏壓時，終端電荷在時鐘脈沖的作用下，移向輸出二極管，在負(fù)載RL上形成與電荷數(shù)成正比的脈沖電流Io，并由負(fù)載電阻RL轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。通過上述CCD的工作原理可以看出，CCD器件具有存儲、轉(zhuǎn)移電荷和逐一讀出信號電荷的功能，在固態(tài)圖像傳感器中，可作為攝像或像敏的器件。CCD圖像傳感器主要用于攝像機(jī)、測試、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面。圖9-25CCD輸出端結(jié)構(gòu)

CCD固態(tài)圖像傳感器由兩部分組成，即感光部分和移位寄存器。感光部分是半導(dǎo)體襯底上的若干個光敏單元，通常稱為像素，光敏單元將光圖像轉(zhuǎn)換成電信號，即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換成與光強(qiáng)成比例的電荷包空間分布；移位寄存器實現(xiàn)電信號的傳送和輸出。按照光敏元件的排列形式，CCD固態(tài)圖像傳感器分為線型和面型兩類。線型CCD只能直接將一維光信號轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出，若要采集二維圖像信號，則必須用掃描的方法實現(xiàn)，而面型可直接將二維圖像轉(zhuǎn)換為視頻信號輸出。9.1.7光電器件的應(yīng)用

1.光電轉(zhuǎn)速傳感器光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理圖如圖9-26所示。圖(a)是透射式光電轉(zhuǎn)速傳感器，在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔圓盤1，白熾燈2產(chǎn)生恒定光，光敏二極管3通過圓孔接收光信號，輸出脈沖放大整形后轉(zhuǎn)換為方波，轉(zhuǎn)速由脈沖頻率決定。圖(b)是反射式光電轉(zhuǎn)速傳感器。圖9-26光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f的關(guān)系為

(9-4)式中，N為孔數(shù)或黑/白條紋數(shù)目。光電轉(zhuǎn)換電路如圖9-27所示。光線照射V1，使R1上壓降增大，V2

導(dǎo)通，觸發(fā)由晶體管V3和V4組成的射極耦合觸發(fā)器，Uo為高；反之，Uo為低，產(chǎn)生計數(shù)脈沖。圖9-27光電轉(zhuǎn)換電路

2.光控水龍頭光控水龍頭的電路如圖9-28所示。IC1組成的40kHz的多諧振蕩器驅(qū)動紅外發(fā)光二極管VD1發(fā)光，經(jīng)凸透鏡聚焦后由VD2接收。IC2是專用紅外線接收放大器，內(nèi)含前置放大、濾波、積分檢波及整形電路，并可為VD2提供偏置電壓。IC2的中心頻率由R5決定，為40kHz。當(dāng)VD2接收紅外調(diào)制光時，IC2第7腳變?yōu)榈碗娖剑琕1截止，繼電器K不工作，水龍頭處于關(guān)閉狀態(tài)。有人洗手時，手擋住了VD1發(fā)往VD2的紅外光，IC2第7腳由低電平變?yōu)楦唠娖?，V1導(dǎo)通，繼電器K工作，觸點閉合，電磁閥DF自動打開水龍頭。手離開后，電磁閥關(guān)閉。圖9-28光控水龍頭電路圖

3.CCD器件微小尺寸檢測裝置對微小尺寸的檢測一般采用激光衍射法。當(dāng)激光照射細(xì)絲或小孔時，會產(chǎn)生衍射圖像，用光電器件測出衍射圖像暗紋的間距，即可計算出細(xì)絲或小孔的尺寸。檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖9-29所示。衍射圖像暗紋的間距d為

(9-5)式中：L為細(xì)絲到接收光敏陣列器件的距離；λ為入射激光的波長；a為被測細(xì)絲的直徑。圖9-29細(xì)絲直徑檢測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖用線列光敏器件將衍射光強(qiáng)信號轉(zhuǎn)換為脈沖電信號，根據(jù)脈沖電信號兩個極小值之間的線列光敏器件移位脈沖數(shù)N和線列光敏器件單元的間距l(xiāng)，即可算出衍射圖像暗紋之間的間距為d=Nl (9-6)代入式(9-5)中，可得被測細(xì)絲的直徑a為

(9-7)9.2光纖傳感器9.2.1光纖結(jié)構(gòu)及傳光原理

1.光纖的結(jié)構(gòu)光纖是光導(dǎo)纖維的簡稱，結(jié)構(gòu)如圖9-30所示，由以下幾部分組成:

(1)纖芯:指中心的圓柱體，由摻雜的石英玻璃制成，折射率為n1。其材料主體是二氧化硅，摻有微量的二氧化鍺、五氧化二磷等，以提高其光折射率。

(2)包層:指圍繞著纖芯的圓形外層，由不同摻雜的石英玻璃制成，折射率為n2(n1>n2)。包層一般摻有極微量的三氧化二硼，以降低其對光的折射率。

(3)保護(hù)套：包層外面的一層，由尼龍材料制成，增強(qiáng)了光纖的機(jī)械強(qiáng)度。圖9-30光纖的基本結(jié)構(gòu)

2.光纖的傳光原理纖傳輸基于光的全內(nèi)反射，基本原理如圖9-31所示，兩個端面均為光滑的平面。當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θi角時，在光纖內(nèi)折射成θ′角，然后以φi角入射至纖芯與包層的界面，光線一部分透射到包層，一部分反射回纖芯。若要在界面上發(fā)生全反射，則纖芯包層與界面的光線入射角φi應(yīng)大于某臨界角，以使折射角φ′≥90°。根據(jù)斯涅耳(Snell)光的折射定律，有n0sinθi=n1sinθ′(9-8)n1sinφi=n2sinφ′

(9-9)圖9-31光纖的傳光原理

欲發(fā)生全反射，應(yīng)使φ′≥φc=90°(臨界折射角)(9-10)當(dāng)φ′=φc=90°時，有

(9-11)

由式(9-8)和式(9-11)可得，光纖端面的入射角θi應(yīng)滿足如下關(guān)系：

(9-12)

光纖處于空氣中時，n0＝1，有

(9-13)

因此，當(dāng)入射角θi小于臨界入射角θc時，光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射，以鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播，最后從光纖的另一端面射出，此即光纖的傳光原理。

3.光纖的基本特性

1)數(shù)值孔徑(NA)光纖的數(shù)值孔徑定義為

(9-14)

數(shù)值孔徑表征了光纖的集光能力，NA越大，集光能力越強(qiáng)，耦合效率越高。但數(shù)值孔徑NA過大時，會造成光信號畸變。通常石英的NA取0.2～0.4。

2)光纖模式光纖模式指光波傳播的途徑和方式。根據(jù)光纖模式的不同，可將光纖分為單模光纖和多模光纖。

(1)單模光纖:纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一種模式。其畸變小，線性好，容量大，靈敏度高，但制造、連接、耦合困難，多用于相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型的光纖傳感器。

(2)多模光纖:纖芯直徑為50~100μm，性能較差，但易制造、連接和耦合，多用于光強(qiáng)度調(diào)制型或傳光型光纖傳感器。光纖傳光時，信號模式數(shù)量越少越好，因為以多種模式傳播同一光信號，會使部分光信號分為多個不同時間到達(dá)接收端的小信號，導(dǎo)致信號畸變。

3)光纖傳輸損耗損耗主要包括吸收損耗、散射損耗和光波導(dǎo)彎曲損耗。

(1)吸收損耗:因光纖材料中的雜質(zhì)離子、原子的缺陷對光的吸收而產(chǎn)生的損耗。

(2)散射損耗:因光纖材料密度和濃度不均勻，光纖和包層的界面不光滑、存在污染等產(chǎn)生的損耗。散射與波長的四次方成反比，波長越短，散射越嚴(yán)重。

(3)光波導(dǎo)彎曲損耗:因使用時彎曲而產(chǎn)生的損耗。彎曲半徑大于10cm時，可忽略。9.2.2光纖傳感器的工作原理、組成結(jié)構(gòu)及工作過程

1.工作原理光纖傳感器的工作原理是通過外界信號(溫度、壓力、應(yīng)變、位移、振動等)對光進(jìn)行調(diào)制，引起光的強(qiáng)度、波長、頻率、相位、偏振態(tài)等性質(zhì)的變化，即光被外界參數(shù)調(diào)制。光纖傳感器一般分為功能型(傳感型)傳感器和非功能型(傳光型)傳感器兩類。

(1)功能型傳感器:又稱為傳感型傳感器，利用光纖本身的特性或功能將光纖作為敏感元件。被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、相位、頻率或偏振態(tài)等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號。

(2)非功能型傳感器:又稱為傳光型傳感器，它利用其它敏感元件感受被測量的變化，光纖作為信息的傳輸介質(zhì)。

2.組成結(jié)構(gòu)如圖9-32所示，光纖傳感器由光源、敏感元件(光纖、非光纖)、光探測器、信號處理系統(tǒng)及傳輸光纖組成。圖9-32光纖傳感器組成示意圖(a)傳感型；(b)傳光型

3.工作過程光源發(fā)出的光，通過源光纖傳到敏感元件；被測參數(shù)作用于敏感元件，在光的調(diào)制區(qū)內(nèi)，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制；調(diào)制后的光經(jīng)接收光纖耦合到光探測器，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，然后進(jìn)行相應(yīng)的信號處理得到被測量值。9.2.3光纖傳感器的應(yīng)用

1.光纖傳感器的液位檢測采用光纖傳感器檢測液位的工作原理如圖9-33所示。系統(tǒng)采用兩組光纖傳感器，一組完成液面上限控制，另一組完成液面下限控制，分別按某一角度裝在玻璃罐的兩側(cè)。當(dāng)投光光纖與光纖傳感器之間有液體時，由于液體對光的折射，光纖傳感器接收到光信號，并由放大器內(nèi)的光敏元件轉(zhuǎn)換成電信號輸出。無液體時，光纖傳感器接收不到投光光纖發(fā)出的光。液面的控制精度可達(dá)±1mm。圖9-33液位檢測原理圖

2.光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖9-34所示。將一根多模光纖垂直裝入流體管道，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時，流體流動受到光纖的阻礙，根據(jù)流體力學(xué)原理，光纖的下游兩側(cè)將產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，旋渦的頻率f近似與流體的流速成正比，即

(9-15)式中：v為流體的流速；d為流體中物體的橫向尺寸；St為斯特羅哈爾(Strouhal)系數(shù)，是無量綱常數(shù)。圖9-34光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)示意圖在多模光纖的輸出端，各模式的光形成干涉光斑，沒有外界擾動時干涉圖樣是穩(wěn)定的，受到外界擾動時，干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點會發(fā)生隨著振動周期而變化的移動，測得相應(yīng)的頻率信號f，可推算出流體的流速。光纖旋渦流量傳感器可測量液體和氣體的流量，沒有活動部件，測量可靠，對流體的流動不產(chǎn)生阻礙作用，壓力損耗非常小。9.3紅外傳感器紅外技術(shù)是在最近幾十年中發(fā)展起來的一門新興技術(shù)。它已在科技、國防和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域中獲得了廣泛的應(yīng)用。以下是其主要的幾種應(yīng)用：

(1)紅外輻射計:用于輻射和光譜輻射測量；

(2)搜索和跟蹤系統(tǒng):用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置，并對它的運動進(jìn)行跟蹤；

(3)熱成像系統(tǒng):可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；

(4)紅外測距和通信系統(tǒng):用于距離測量和通信，如紅外測距儀、紅外無線通信抄表系統(tǒng)等；

(5)混合系統(tǒng):以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個組合。9.3.1紅外輻射紅外輻射通稱為紅外線，是一種不可見光，因其位于電磁波譜中的紅光以外，故稱為紅外線。任何物體，只要其溫度高于絕對零度(-273℃)，都會有紅外線向周圍空間輻射。紅外線的波長范圍是0.76~1000μm，在電磁波譜中的位置如圖9-35所示。在紅外技術(shù)中，一般把紅外輻射分為四個區(qū)域:近紅外(0.6～3μm)、中紅外(3～6μm)、遠(yuǎn)紅外(6～16μm)和極遠(yuǎn)紅外(大于16μm)。紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射。物體的溫度越高，輻射出的紅外線越多，輻射的能量越強(qiáng)。熾熱物體的能量大部分通過紅外線輻射出來。實驗表明，波長在0.1～1000μm間的電磁波被物體吸收時，可以顯著地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?，因此，紅外輻射又稱為熱輻射。圖9-35電磁波譜圖紅外輻射和所有電磁波一樣，以波的形式在空間直線傳播，它在真空中傳播的速度等于光在真空中傳播的速度。大氣對可見光和紫外線是比較透明的，而紅外輻射在大氣中傳播時，由于大氣中的水蒸氣、塵埃等物質(zhì)的吸收和散射作用，使某些波長的輻射在傳輸過程中逐漸衰減，即大氣層對不同波長的紅外線存在不同的吸收帶?？諝庵械腘2、O2、H2等不吸收紅外線，紅外線在通過大氣層時，有三個波段透過率高，這三個波段分別是2~2.6μm、3~5μm和8~14μm,將它們統(tǒng)稱為“大氣窗口”。紅外探測器一般都工作在這三個波段之內(nèi)。9.3.2紅外傳感器的應(yīng)用

1.紅外氣體分析儀幾種氣體對紅外線的透射光譜如圖9-36所示。如CO對波長在4.65μm附近的紅外線具有很強(qiáng)的吸收能力；CO2對波長在2.78μm和4.26μm附近以及波長大于13μm范圍的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力?？梢姴煌瑲怏w的吸收波段(吸收帶)不同，因此可根據(jù)氣體對紅外線具有選擇性吸收的特性對氣體成分進(jìn)行分析。圖9-36幾種氣體對紅外線的透射光譜工業(yè)用紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理如圖9-37所示，它由紅外線輻射光源、氣室、紅外檢測器、電路等組成。光源是對鎳鉻絲通電加熱發(fā)出3～10μm的紅外線，切光片將連續(xù)的紅外線調(diào)制成脈沖狀的紅外線，以便于紅外線檢測器檢測信號，測量氣室中通入被分析的氣體，參比氣室中封入不吸收紅外線的氣體(如N2等)。紅外檢測器是薄膜電容型，有兩個吸收氣室，充以被測氣體，當(dāng)它吸收了紅外輻射能量后，氣體溫度將升高，導(dǎo)致室內(nèi)壓力增大。圖9-37工業(yè)用紅外線氣體分析儀結(jié)構(gòu)原理圖以分析CO氣體含量為例。測量時，兩束紅外線經(jīng)反射、切光后射入測量氣室和參比氣室。由于測量氣室中含有一定量的CO氣體，對4.65μm的紅外線有較強(qiáng)的吸收能力，而參比氣室中的氣體不吸收紅外線，這樣射入紅外探測器兩個吸收氣室的紅外光存在能量差異，使兩吸收室壓力不同，測量邊的壓力減小，于是薄膜偏向定片方向，改變了薄膜電容兩電極間的距離，電容即發(fā)生變化。被測氣體的濃度愈大，兩束光強(qiáng)的差值也愈大，則電容變化也愈大，因此，電容變化量反映了被分析氣體中被測氣體的濃度。其中，濾波氣室用來消除干擾氣體對測量結(jié)果的影響。干擾氣體指與被測氣體吸收紅外線波段有部分重疊的氣體，如CO氣體和CO2氣體在4～5μm波段內(nèi)紅外吸收光譜有部分重疊，則CO2的存在對分析CO氣體會帶來影響，這種影響稱為干擾。

2.紅外自動烘手器紅外自動烘手器電路如圖9-38所示，由六反相器CD4069組成紅外控制電路，包括紅外脈沖信號發(fā)射電路、紅外接收處理電路和開關(guān)電路三部分。紅外脈沖信號發(fā)射電路由反向器F1、F2、半導(dǎo)體三極管V1及紅外發(fā)射管VD1等組成；紅外光敏二極管VD2及后續(xù)電路組成紅外脈沖的接收、放大、整形、濾波及開關(guān)電路。圖9-38紅外自動烘手器電路圖工作過程:當(dāng)手放在烘手器的下方10~15cm時，由VD1發(fā)射的紅外光經(jīng)人手反射后，由紅外光敏二極管VD2接收并轉(zhuǎn)換成脈沖電壓信號，經(jīng)V2、V3放大，及反相器F3、F4整形，通過VD3向C6

充電變?yōu)楦唠娖?，?jīng)反相器F5變?yōu)榈碗娖剑筕4導(dǎo)通，繼電器K工作，觸點S1閉合，接通電熱風(fēng)機(jī)的電源，熱風(fēng)吹出。同時，發(fā)光二極管VD5點亮，表示熱風(fēng)機(jī)啟動工作。人手晃動偏離光控部分會造成短時信號消失，使電路無法連續(xù)工作。為此在電路中由VD3、R12、C6組成延時關(guān)機(jī)電路，C6通過R12放電需要一段時間，C6上在短時間內(nèi)仍可保持高電平，后級電路工作狀態(tài)不變。延時時間一般為3s。9.4超聲波傳感器9.4.1超聲波的特性振動在彈性介質(zhì)內(nèi)的傳播稱為機(jī)械波、彈性波、波動，或簡稱波。頻率在16Hz~20kHz之間的機(jī)械波，稱為聲波；低于16Hz的機(jī)械波，稱為次聲波；高于20kHz的機(jī)械波，稱為超聲波。頻率在3×108~3×1011Hz之間的波，稱為微波。機(jī)械波的頻率界限如圖9-39所示。

圖9-39機(jī)械波的頻率界限圖按照振動強(qiáng)度，超聲波可分為檢測超聲波和功率超聲波兩種。檢測超聲波振動強(qiáng)度較低，用來探測信息；功率超聲波振動強(qiáng)度高，用來改變傳聲媒質(zhì)的狀態(tài)、性質(zhì)及結(jié)構(gòu)，也稱為高能超聲波。當(dāng)超聲波從一種介質(zhì)入射到另一種介質(zhì)時，由于在兩種介質(zhì)中傳播速度不同，因此在介質(zhì)分界面上會產(chǎn)生反射、折射和波型轉(zhuǎn)換等現(xiàn)象。

1.超聲波的基本特性超聲波具有以下幾方面的基本特性：

(1)束射特性:超聲波波長短，發(fā)散性能較弱，可近似集中成一束射線。

(2)吸收特性:超聲波在空氣、液體和固體中均會被吸收，在空氣中吸收特性最強(qiáng)，在固體中最弱。

(3)高功率性:超聲波因頻率高，所以功率比聲波大得多，可使所通過的介質(zhì)產(chǎn)生急速運動，甚至使其分子結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化。

(4)聲壓作用:超聲波振動使物質(zhì)分子產(chǎn)生壓縮和稀疏作用，這種由于聲波振動引起附加壓力作用的現(xiàn)象稱為聲壓作用。

2.超聲波的波型及其傳播速度

1)波型質(zhì)點的振動方向與波在介質(zhì)中的傳播方向的不同形成不同的聲波波型。通常有以下幾種：

(1)縱波:質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向一致的波，能在固體、液體和氣體介質(zhì)中傳播；

(2)橫波:質(zhì)點的振動方向與波的傳播方向垂直的波，只能在固體介質(zhì)中傳播；

(3)表面波:質(zhì)點的振動介于橫波與縱波之間，軌跡是橢圓形，橢圓的長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向，只沿著介質(zhì)表面?zhèn)鞑ィ湔穹S深度的增加而迅速衰減。

2)波型轉(zhuǎn)換當(dāng)縱波以某一角度入射到第二固體介質(zhì)的界面上時，除有縱波的反射、折射外，還發(fā)生橫波的反射、折射，有些情況下還能產(chǎn)生表面波。

3)傳播速度超聲波的傳播速度取決于介質(zhì)的密度和彈性。在氣體和液體中傳播時，由于不存在剪切應(yīng)力，所以僅有縱波的傳播，其傳播速度c為

(9-16)式中：ρ為介質(zhì)的密度；Ba為絕對壓縮系數(shù)。上述的ρ、Ba都是溫度的函數(shù)，因此超聲波在介質(zhì)中的傳播速度隨溫度的變化而變化。在固體中，縱波、橫波及其表面波的速度相互關(guān)聯(lián):橫波速度為縱波的一半，表面波速度為橫波聲速的90%。氣體中縱波速度為344m/s，液體中縱波速度為900～1900m/s。

3.超聲波的反射和折射聲波從一種介質(zhì)傳播到另一種介質(zhì)，在兩個介質(zhì)的分界面上，一部分聲波發(fā)生反射，另一部分發(fā)生折射，透射過界面，在另一種介質(zhì)內(nèi)部繼續(xù)傳播，如圖9-40所示。圖9-40超聲波的反射和折射依物理學(xué)理論，波反射時，入射角α與反射角α′的正弦之比等于波速之比；折射時，入射角α與折射角β的正弦之比，等于入射波波速c1與折射波波速c2之比，即

(9-17)聲波的反射系數(shù)R和透射系數(shù)T分別為

(9-18)(9-19)式中：Ii、Ir、It分別為入射波、反射波、透射波的聲強(qiáng)；α、β分別為聲波的入射角和折射角；c1、c2分別為反射波和折射波的速度；ρ1c1、ρ2c2分別為兩介質(zhì)的聲阻抗。當(dāng)超聲波垂直界面入射，即α=β=0時，則

(9-20)(9-21)

當(dāng)ρ2c2≈ρ1c1時，反射系數(shù)R≈0，透射系數(shù)T≈1，聲波幾乎全透射；當(dāng)ρ2c2ρ1c1時，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射；

ρ1c1ρ2c2時，反射系數(shù)R≈1，聲波在界面上幾乎全反射。

4.超聲波的衰減聲波在介質(zhì)中傳播時，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減，聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律為Px=P0e-αx(9-22)Ix=I0e-2αx

9-23)式中：Px、Ix分別為距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；x為聲波與聲源間的距離；α為衰減系數(shù)，單位為Np/cm(奈培/厘米)。聲波在介質(zhì)中傳播時，能量衰減的程度與聲波的擴(kuò)散、散射及吸收等因素有關(guān)。擴(kuò)散衰減指因聲波傳播距離的增加而引起的聲能減弱；散射衰減指因固體介質(zhì)中的顆粒界面或流體介質(zhì)中的懸浮粒子改變了部分聲能的傳播方向而造成能量損耗；吸收衰減是由于介質(zhì)具有粘滯性，使超聲波傳輸時引起質(zhì)點間的摩擦，從而使一部分聲能轉(zhuǎn)換成熱能，導(dǎo)致?lián)p耗。在理想介質(zhì)中，聲波的衰減僅來自于聲波的擴(kuò)散。9.4.2超聲波傳感器的工作原理與結(jié)構(gòu)超聲波傳感器是指利用超聲波在超聲場中的物理特性而實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換的裝置，又稱為超聲波換能器或探測器。超聲波傳感