第五讲 光学类传感器原理及应用

1、第五讲第五讲 光学类传感器原理及应用光学类传感器原理及应用 光学传感器光源；半导体色敏传感 器；光纤传感器；固态图像传感器； 热释电红外传感器； 第一节 光学传感器基础 光谱范围：10106nm 波长(nm) 10 102 103 104 105 106 名称 远紫外区域 紫外区域 可见光区域，近红外区域 红外区域 远红外区域 一、光学传感器类型一、光学传感器类型 对光学波段的入射电磁辐射产生输出的传感器，称为 光学传感器，或光学探测器。 按探测机理分为两大类型：光子（量子）探测光传感 器和热探测光传感器 光子探测光传感器光子探测光传感器 光电导光传感器光电导光传感器 光生伏特光传感器光生伏特

2、光传感器 光电导结光传感器光电导结光传感器 光电磁光传感器光电磁光传感器 热探测光传感器热探测光传感器 热电堆光传感器热电堆光传感器 辐射热计光传感器辐射热计光传感器 热释电光传感器热释电光传感器 Golay光传感器光传感器 二、光学传感器的特性参数二、光学传感器的特性参数 表征器件工作特性的参数，以便对各类器件的 性能进行分析、评价和比较。 1. 灵敏度：描述光传感器对光辐射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量U(电压或电流幅值)与给 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P 3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单

3、位带宽时， 提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度 第二节 光学传感器用光源 N型掺杂 P型掺杂 PN结 激光束激光束 偏压引线 产生激光的三个条件：1、 要产生足够的粒子数反 转分布；2、要有合适的 光谐振腔，形成激光振 荡；3、满足一定的阈值 条件，使总增益大于总 损耗。 第二节 光学传感器用光源 同同LD相比，相比，LED单色性、单色性、 方向性和亮度差很多；方向性和亮度差很多； 但驱动电路简单，无须但驱动电路简单，无须 反馈控制，寿命长。是反馈控制，寿命长。是 光纤通讯、光纤传感的光纤通讯、光纤传感的 重要光源。重要光源。 白炽灯白炽灯 气体导电灯气体导电灯 第三节 光敏晶体管

4、N+ N P N 集电极集电极 基极电极基极电极 发射极发射极 保护膜 (SiO2) 入射光入射光 Ib Ic= Ib Ic 基极基极 极电极极电极 发射极发射极 Ccb Cbe 达林顿光敏三极管等效电路 集电极集电极 发射极发射极 光敏三极管典型光谱特性 4006008001000 20 40 60 80 100 (nm) 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉器 官所产生的视觉感受。 颜色分类： 黑色、白色、过渡 的灰度 彩色组合等级：色 调、色值和色度 信信 号号 处处 理理 系系 统统 分分 光光 计计 光光 探探 测测 器器 输入光输入光 短波短波长波长波 N P P 电极电极1 电

5、极电极2 电极电极3 SiO2 PD1 PD2 电极电极1 电极电极2 电极电极3 ISC1 ISC2 PD1 PD2 V 入射光入射光 400 600 8001000 3 2 1 0 -1 -2 -3 -4 -5 波长波长 (nm) 输出电压输出电压V0(V) 可见光可见光红外光红外光 第五节 光纤传感器 特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。 应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像 第一节 光纤传感器基础知识 一、

6、光纤的结构 纤芯纤芯 包层包层外套外套 二、光纤的种类 按从纤芯到包层折按从纤芯到包层折 射率变化规律分类射率变化规律分类 阶跃型阶跃型 梯度型梯度型 多模光纤与单模光纤 按光的传输模式分类，可以将光纤分为多模光 纤和单模光纤。阶跃型和梯度型光纤一般为多 模光纤 模的概念：只有能形成驻波的那些以特定角度 射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称 为模。V=d(n12-n22)1/2/ 三、光纤的传光原理 全反射 2211 sinsinnn n1 n2n1 1 2 sin 90sinsin 1 2 1 221 n n nnn cc 全反射临界角c n1 n2 阶跃型光纤传光示意图 0 1 1 ?

7、若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在 光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？ 例题参考答案 0 2 2 2 1 0 1 2 1 2 11111100 1 2 1 1 arcsin , 1cossin )2/( cossinsin sin n nn nnn n n Snell 所以又由于 折射角而光从空气进入光纤的 的全反射临界角为法则可求得由解： 四、光纤特性 数值孔径： 损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以 及弯曲损耗等。定义损耗系数 色散：输入光脉冲在光纤传输中由于光波的群速度不 同而出现的脉冲展宽现象。表征传输带宽。 容量；拉抗强度；集光本领等。 57. 0 1 sin 2

8、2 2 1 0 nn n N cA 光纤长度， L P P L lg 10 o i 五、光纤传感器的结构及特性 光纤传感器分类 1. 功能型传感器：传感 型、探测型 2. 非功能型传感器：传 光型、结构型、强度 型、混合型 光纤传感器可测参量 1. 电流磁场、电压电场； 2. 温度 3. 速度 4. 振动、压力 5. 射线 6. 图像 光纤传感器的基本结构 测测 量量 对对 象象 测测 量量 对对 象象 测测 量量 对对 象象 测测 量量 对对 象象 光纤传感器举例：基于微弯效应测压力 F 光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制 100 80 60 40 20 0 0.51.01.52.0

9、透射光强% 外力N 偏振态调制型光纤电流传感器 浸油显微镜激光器起偏器 起偏器显微镜 I1 I2 光接受器 21 21 II II 信号处理 输出 电流 导线 VN p I VNI R VLI II II p VV R VLI VLH R I H 2 2sin )rad/A(107.3 2 2 21 21 4 即： 信号处理输出 维德常数， 法拉第偏转 关闭中的戴高乐机场2-E 光纤液位传感 ? 基于磁致伸缩效应的光纤磁传感器 磁致伸缩材料 (金属玻璃) 解调器 100k Hz 弱磁场测量 非功能型光纤传感器测温应用 GaAs半导体半导体 光吸收片光吸收片 E1 E2 输出输出 温度测量范围：

10、温度测量范围：-20300 C；误差；误差 3 C；强电场环境；强电场环境 0.80.91.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 10 20 30 40 50 相对光强相对光强 透过率透过率% 波长波长 m 光源光谱光源光谱 T1 T2 T3 T1T20 光 T Q T P s 或 T T Ps 自然极化Ps 热释电式红外光敏元件构造 导光筒 聚乙稀光窗 PZT红外光敏材料 FET阻抗变换及放大元件 铝基板 引出电极 封装树脂 红外光 RgRs D S E 红外传感器件的应用 将红外传感器排成线型或面型矩阵可以构成红外图像传 感器，应用到遥感、医学或军事上 热释电传感器在应用上分为主动式

11、(检测静止或者移动极 缓慢的人体及物体)和被动式(检测运动人体极物体)两种 方式。 热释电效应产生的极化电荷不是永存的，一般要在器件 前方加装一个周期性遮断被测红外信号的机械装置，以 使器件接受红外光能而引起的温度作周期性的变化，进 而使得测量过程中始终存在比例于红外光强的极化电荷。 在车辆计数系统中的应用 传感器选择：P2288 Rg S1 S2 1 2 3 探测距离 10m，可 通过配用电路调节 敏感波长515m， 可有效消除可见光 极其中大部分红外 线干扰 安装、系统组成 通过调节，使其对人的灵敏度距离仅为1.5m左 右，而对20m远快速通过的车辆反应灵敏可靠 安在公路正上方，或调低灵敏度安装在公路旁 系统组成框图： 传感器放大器双限比较器 计数器译码显示器 思考题 1. 作为光学用光源，激光光源和普通L