光电式传感器修改

1、第三章 光电式传感器 组成 光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件组成。 工作原理 被测量作用于辐射源或者光学通路，将待测信息调制 到光波上，通过改变光波的强度、相位、空间分布和 频谱分布等，由光电器件将光信号转化为电信号。电 信号经后续电路解调分离出被测量信息，实现测量。 光电器件 光源 电信号 被测量 被测量 光学通路 光电式传感器的原理框图 特点 频谱宽 不受电磁干扰的影响 非接触测量 高精度、高分辨力、高可靠性 反应快 应用 检测、控制领域 第一节 光电器件 不同种类的光电传感器，在灵敏度、动 态特性、频谱接收能力等方面不相同。 光电器件按探测原理可分为：热探测型 和光子探测型。

2、一、热探测器 将光信号的能量变为自身的温度变化，再利 用器件将温度变化转变为相应的电信号。 对波长没有选择性，只与接收到的总能量有 关，尤其适用于红外探测。 种类：测辐射的热电偶、测辐射的热敏电阻、 热释电探测器等。 二、光子探测器 原理：基于光电效应原理，即利用光子本身能 量激发载流子。 特点：这类器件有一定的截止波长，但响应速 度快，灵敏度高，使用最为广泛。 什么是光电效应？ 光是由光子组成的，其能量和频率关系为 E=hf 光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的 光子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内 部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚， 成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，

3、 也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称 为光电效应。 （一）光电发射型探测器 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E E 大于电子的逸出功大于电子的逸出功A A（E EA A），会有电子逸出产），会有电子逸出产 生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引， 在在 光电管内形成电子流，光电管内形成电子流， 光电管 光电管的特性 （1）伏伏安特性安特性 当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流之间的关当入射光的频谱和光通量一定时，阳极电压与与阳极电流之间的关 系称为伏系称为伏安特性。安特性。 （2）光电特性）

4、光电特性 当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，阳极电流当光电管的阳极与阴极间所加电压和入射光谱一定时，阳极电流I 与入射光在光电阴极上的光通量与入射光在光电阴极上的光通量之间的关系。之间的关系。 光电管的特性光电管的特性 （a）真空光电管伏安特性；（）真空光电管伏安特性；（b）充气光电管伏安特性；（）充气光电管伏安特性；（c）光电管的光电特性）光电管的光电特性 （ 3）光谱特性）光谱特性 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。 锑铯（锑铯（Cs3Sb）材料阴极，红限波长）材料阴极，红限波长 0=0.7 m ，对可见光的，对可见光的 灵敏度较

5、高，转换效率可达灵敏度较高，转换效率可达20%30%； 银银-氧氧-铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长 0=1.2 m， 在近红外区（在近红外区（0.750.80 m）的灵敏度有极大值，灵敏度较低，）的灵敏度有极大值，灵敏度较低， 但对红外较敏感；但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.30.85 m ）灵敏度也较高，）灵敏度也较高， 与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极；与人眼的光谱特性很接近，是一种新型光电阴极； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 （1 1）原理：光

6、电倍增管的光阴极和阳极之间）原理：光电倍增管的光阴极和阳极之间 加了许多倍增极（加了许多倍增极（1010个左右），在阳极和阴个左右），在阳极和阴 极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增 极间有极间有200200400V400V高压，电流增益在高压，电流增益在105105数量数量 极极 光电倍增管光电倍增管 （2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的一个光子在阴极上能够打出的平均电子数称为光电阴极的 灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数称为光电倍灵敏度。而一个光子在阳极上产

7、生的平均电子数称为光电倍 增管的总灵敏度。增管的总灵敏度。 注意注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。 光电倍增管特性曲线光电倍增管特性曲线 （二）光电导型探测器 半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为 光导效应。光敏电阻，也叫光导管。 金属电极 半导体 玻璃底板 电源 检流计 RL E I (a)(b)(c) Ra 金属封装的硫化镉光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图 金属封装的硫化镉光敏电阻结构 (a) 光敏电阻结构； (b) 光敏电阻电极； (c) 光敏电阻接线图 金属电极 半导

8、体 玻璃底板 电源 检流计 RL E I (a)(b)(c) Ra 光敏电阻的主要特性参数光敏电阻的主要特性参数 1 1暗电阻、亮电阻和光电流暗电阻、亮电阻和光电流 暗电阻：暗电阻：光敏电阻在室温条件下，无光照时具有的电阻光敏电阻在室温条件下，无光照时具有的电阻 值，称为暗电阻（值，称为暗电阻（1M1M）。此时流过的电流称为）。此时流过的电流称为暗电流暗电流。 亮电阻：亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在 该该 光照下的亮电阻（光照下的亮电阻（1k1k）。此时流过的电流称为）。此时流过的电流称为亮电流亮电流。 光电流光电流= =亮电流亮电流

9、暗电流。暗电流。 （ 2）伏安特性）伏安特性 在在一定光照度一定光照度下，光敏电阻两端所加的电压与其光电下，光敏电阻两端所加的电压与其光电 流之的关系，成为伏安特性。它是线性的，服从欧姆流之的关系，成为伏安特性。它是线性的，服从欧姆 定律，但不同照度下具有不同的斜率。定律，但不同照度下具有不同的斜率。 CdS光敏电阻的伏安特性光敏电阻的伏安特性 注意光敏电阻的功耗，使用时保持适当的工作电压和工作电流注意光敏电阻的功耗，使用时保持适当的工作电压和工作电流。 （ 3）光照特性）光照特性 在在一定的偏压一定的偏压下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的关系，下，光敏电阻的光电流与照射光强之间的关系， 称

10、为光敏电阻的光照特性。称为光敏电阻的光照特性。 光敏电阻的光照特性光敏电阻的光照特性 （4）光谱特性）光谱特性 光谱特性表征光敏电阻对不同波长的光其灵敏度不同的性质。 光敏电阻的光谱踏特性曲线光敏电阻的光谱踏特性曲线 （5）响应时间和频率特性）响应时间和频率特性 照射光强度变化时，光敏电阻的阻值的变化在时间上 有一定的滞后，通常用响应时间表示。分为上升时间t1和下 降时间t2。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量 级）， 因而它们的频率特性也就各不相同。 光敏电阻的频率特性光敏电阻的频率特性 光敏电阻的时间响应曲线光敏电阻的时间响应曲线 (6) 温度特性 温度变化时，光敏电阻的光谱

11、响应，灵敏度和暗电阻改变。 响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响大，低温、恒温 的条件下使用。对于可见光的光敏电阻， 其温度影响要小一些。 优点：光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命 长、体积小等。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线 光谱区工作。 缺点：型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特 性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电 信号的传感元件。 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 1.02.03.04.0 0 20 40 60 80 100 2020 / m S / (%) 硫化镉光敏电阻的温度特性 1 212 12 %100 )( C RTT RR

12、 温度系数温度系数: 在一定光照下，温度每变化1， 光敏电阻阻值的平均变化率 上一页下一页返 回 表表 3-1 几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数 （三）光电结型探测器 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，光子能 量足够大产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，形成光 电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 光敏二极管、光敏晶体管。 1.光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管 (1)光敏二极管光敏二极管结构原理结构原理 光敏二极管结构模型和基本工作电路光敏二极管结构模型和基本工作电路 （a）结构简化模型；（）结构简化模型；（b）基本工作电路）基本工作电路

13、 (2)光敏三极管的结构光敏三极管的结构 NPNNPN型光敏型光敏三三极管结构模型和基本工作电路极管结构模型和基本工作电路 （a a）结构简化模型；（）结构简化模型；（b b）基本工作电路）基本工作电路 光敏管结构及其符号 a) 光敏二极管 b) 光敏三极管 c) 光敏场效应三极管 1）光谱特性）光谱特性 光敏管在光敏管在恒定电压恒定电压作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值或相对灵敏作用和恒定光通量照射下，光电流（用相对值或相对灵敏 度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性。度）与入射光波长的关系，称为光敏管的光谱特性。 硅和锗光敏管的光谱特性硅和锗光敏管的光谱特性 （3）光敏管）光敏

14、管(光敏二极管和光敏三极管光敏二极管和光敏三极管)的基本特性的基本特性 2）伏安特性）伏安特性 光敏管在光敏管在一定光照一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，下，其端电压与器件中电流的关系， 称为光敏管的伏安特性。称为光敏管的伏安特性。 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性 （a）硅光敏二极管；（）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管）硅光敏三极管 3）光照特性）光照特性 在在端电压一定端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关条件下，光敏管的光电流与光照度的关 系，称为光敏管的光照特性。系，称为光敏管的光照特性。 硅光敏管的光电特性硅光敏管的光电特性 （a）硅光敏二极管；（）硅光敏二极管；（

15、b）硅光敏三极管）硅光敏三极管 4）温度特性）温度特性 在在端电压端电压和和光照度光照度一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温一定条件下，光敏管的暗电流及光电流与温 度的关系，称为光敏管的温度特性。度的关系，称为光敏管的温度特性。 光敏管的温度特性光敏管的温度特性 暗 5）频率响应）频率响应 具有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管输出的光电流具有一定频率的调制光照射光敏管时，光敏管输出的光电流 （或负载上的电压）随调制频率的变化关系。（或负载上的电压）随调制频率的变化关系。 一般情况下，锗管的频率响应低于一般情况下，锗管的频率响应低于5000Hz，硅管的频率响应，硅管的频率响应 优于锗管。优

16、于锗管。 硅光敏管的频率响应曲线硅光敏管的频率响应曲线 表表 3-2 2CU型硅光敏二极管的型硅光敏二极管的基本参数基本参数 表表-3 3DU型硅光敏晶体管型硅光敏晶体管的基本参数的基本参数 （四）光生伏特型探测器 定义：受到光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外 部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。 它实质上是一个大面积的它实质上是一个大面积的PNPN结。结。 A 硼 扩 散 层 SiO 2膜 P型 电 极 N型 硅 片PN结 电 极 A I I (a)(b) 为什么为什么PNPN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？ 用可见光作光源的光电池，是最

17、常用的光生伏特型元 件。如硅光电池。 光电池优点：轻便、简单、不会产生气体或热污染， 易于适应环境。 可用于宇宙飞行器的各种仪表电源。 LED太阳能供电 警示 太阳能电池 光电池的基本特性光电池的基本特性 1）光谱特性）光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的。光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的。 硅光电池：光谱响应范围硅光电池：光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值波长在，光谱响应峰值波长在 800nm附近；附近； 硒光电池：光谱响应范围硒光电池：光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波长在，光谱响应峰值波长在 500nm附近。附近。 2）光照特性）光照

18、特性 光电池在不同照度下，其光电流和光生电动势是不同的。 硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系 硅光电池在不同负载下的光照特性硅光电池在不同负载下的光照特性 3）频率特性）频率特性 光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变光电池的频率特性是指其输出电流随照射光调制频率变 化的关系。化的关系。 硅光电池响应频率较高，高速计数的光电转换中一般采硅光电池响应频率较高，高速计数的光电转换中一般采 用硅光电池；用硅光电池； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。 光电池的频率特性光电池的频率特性 4）温度

19、特性）温度特性 光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度光电池的温度特性是指其开路电压和短路电流随温度 变化的关系。变化的关系。 开路电压随温度升高下降很快，约开路电压随温度升高下降很快，约3mV/3mV/； 短路电流随温度升高而缓慢增加，约短路电流随温度升高而缓慢增加，约2 2 1010-6 -6A/ A/ 5稳定性稳定性 光电池的稳定性很好，使用寿命很长。但要防高温和强光照射，保存光电池时切忌短路。光电池的稳定性很好，使用寿命很长。但要防高温和强光照射，保存光电池时切忌短路。 硅光电池的温度特性（照度硅光电池的温度特性（照度1000lx） 表表3-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数

20、型特性参数 表表3-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 三、光电式传感器的应用三、光电式传感器的应用 光电式传感器光电式传感器=光源光源+光学元件光学元件+光电元件光电元件 1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器 模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号，模拟式光电传感器将被测量转换成连续变化的电信号， 与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式 光电元件的应用方式光电元件的应用方式 （a）吸收式；（）吸收式；（b）反射式；（）反射式；（c）遮光式；（）遮光式；（d）辐射式）辐射式 2.光电式带材跑偏仪光电式带材跑偏仪 主要由边缘位

21、置传感器、测量电路和放大器等组成。它是主要由边缘位置传感器、测量电路和放大器等组成。它是 用于冷轧带钢生产过程中控制带钢运动途径的一种自动用于冷轧带钢生产过程中控制带钢运动途径的一种自动 控制装置。控制装置。 光电式边缘位置传感器原理光电式边缘位置传感器原理 测量电路测量电路 采用角矩阵反射器能满足安装精度不高、工作环境有采用角矩阵反射器能满足安装精度不高、工作环境有 振动场合中使用。振动场合中使用。 带材跑偏引起光通量变化带材跑偏引起光通量变化 角矩阵反射器原理角矩阵反射器原理 3光电式转速计光电式转速计 反射式和直射式两种基本类型反射式和直射式两种基本类型. 光电转速计光电转速计 （a）反

22、射型；（）反射型；（b）直射型）直射型 4光电式转速计光电式转速计 利用光电断续器测量转速和圈数利用光电断续器测量转速和圈数 1-光电断续器；光电断续器；2-不锈钢薄圆片；不锈钢薄圆片；3-透光缝；透光缝；4-旋转物转轴旋转物转轴 为了提高转速测量的分辨率，采用为了提高转速测量的分辨率，采用机械细分技术机械细分技术，使转动体每转动，使转动体每转动 一周有多个（一周有多个（Z）反射光信号或透射光信号。）反射光信号或透射光信号。 若直射型调制盘上的孔（或齿）数为若直射型调制盘上的孔（或齿）数为Z（或反射型转轴上的反射体数（或反射型转轴上的反射体数 为为Z），测量电路计数时间为），测量电路计数时间为

23、T秒，被测转速秒，被测转速n(r/min)，则计数值为，则计数值为 N=nZT/60 (8-9) 为了使计数值为了使计数值N能直接读出转速能直接读出转速n值，一般取值，一般取ZT=60 10m（m=0,1,2,） 光电脉转换电路。光电脉转换电路。 光电脉冲转换电路光电脉冲转换电路 光电池应用的几种基本电路光电池应用的几种基本电路 5光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池在光电检测和自动控制方面的应用 6光电耦合器光电耦合器 发光器件与光电元件集成在一起发光器件与光电元件集成在一起 光电耦合器典型结构光电耦合器典型结构 （a）窄缝透射式；（）窄缝透射式；（b）反射式；（）反射式；（c）、（）

24、、（d）全封闭式）全封闭式 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是 70年代发展起来的一种新型器件。它将MOS 光敏元阵列和读出移位寄存器集成为一体， 构成具有自扫描功能的图像传感器。 应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、 传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、 遥感。 车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、 显微镜改造、工件尺寸及缺陷检测、复杂 形貌测量等。 优点 固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性 高、寿命长 图像畸变小、尺寸重现性好 光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的 定位精度和测量精度，具有较高分辨力 自扫描，具

25、有较高的光电灵敏度和较大的动 态范围 视频信号便于与微机接口 一、CCD的工作原理 （一）MOS光敏单元 CCD基本结构分两部分：基本结构分两部分： MOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）光敏元半导体）光敏元 阵列；阵列； 读出移位寄存器。读出移位寄存器。 电荷耦合器件是在半导体硅电荷耦合器件是在半导体硅 片上片上 制作成百上千（万）个制作成百上千（万）个 光敏元，一个光敏元又称一光敏元，一个光敏元又称一 个像素。个像素。 在半导体硅平面上在半导体硅平面上 光敏元按线阵或面光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。阵有规则地排列。 CCD结构示意图结构示意图 一个一个MOS结构元为结构元为MOS光敏元

26、或一个像素；光敏元或一个像素； 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电把一个势阱所收集的光生电子称为一个电 荷包；荷包； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏 的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与 光照度响应的光生电荷图象。光照度响应的光生电荷图象。 （二）读出移位寄存器 CCDCCD信号电荷的输出的式主要有电流输出、电压输出两种信号电荷的输出的式主要有电流输出、电压输出两种, ,以电压输出型为以电压输出型为 例：例： 有浮置扩散放大器（有浮置扩散放大器（FDAFDA）、浮置栅放大器（）、浮置栅放大器（FGAFGA） 由浮置

27、扩散区收集的信号电荷来控制放大管由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管VT2VT2的栅极电位：的栅极电位： C CFD FD为浮置扩散节点上的总电容 为浮置扩散节点上的总电容 式中，式中，gm为为MOS管管VT1栅极与栅极与 源极之间的跨导。复位管源极之间的跨导。复位管VT1导通，导通，VT2的的 沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷，直到下一个时钟周期信号到来如此循环 下去下去。 二、CCD的结构 （一）线阵电荷耦合摄像器件 （二）面阵电荷 耦合摄像器件 以以TCD142DTCD142D型型CCDCCD为例做简单介绍，其它型号的器为例做

28、简单介绍，其它型号的器 件大同小异。件大同小异。 TCD142DTCD142D是一种具有是一种具有20482048位像元的两相线阵位像元的两相线阵CCDCCD器器 件，件，TCD142DTCD142D有有2222个引脚，其中个引脚，其中1212个是空脚；个是空脚； 1A1A、2A2A、1B1B、2B 2B 均为时钟端，均为时钟端，SHSH为为 转移栅转移栅 RSRS为复位栅，为复位栅， OSOS为信号输出端，为信号输出端， DOSDOS为补偿输出端，为补偿输出端， SSSS为地，为地，NCNC空闲空闲 TCD142D结构示意图结构示意图 TCD142D结构示意图结构示意图 TCD142D的驱动

29、电路可分为两部分：的驱动电路可分为两部分： 一部分是脉冲产生电路；一部分是脉冲产生电路； 另一部分是驱动电路。另一部分是驱动电路。 脉冲电路产生脉冲电路产生HS、1、2、RS四路脉冲四路脉冲 由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为 4MHz的方波；的方波； 经经JK触发器分频，得到频率为触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将的方波，将4MHz与与 2MHz脉冲相与，形成脉冲相与，形成RS脉冲。将脉冲。将RS经经JK触发器分触发器分 频，产生频率为频，产生频率为1MHz的的1脉冲，脉冲，1脉冲送入分频器；脉冲送入分频器； 经译码电路产生转移

30、脉冲经译码电路产生转移脉冲SH，并且使，并且使SH周期周期TSH 1061s； 将将SH和和1相与产生相与产生2,1=2，至此，就产生了四路，至此，就产生了四路 脉冲。脉冲。 将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加加速电路送至 H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。 TCD142D驱动电路驱动电路 三、CCD应用举例 尺寸测量 图7-20工件尺寸测量系统 物体缺陷检测 图7-21 钞票检查系统原理图 第四节 光纤传感器（FOS） 背景知识 光纤传感器是利用光在光纤中传播特性的 变化来测量它所受环境

31、的变化，即用被测 量的变化调制光纤中的光波，使光纤中的 光波参量随被测量而变化，从而得到被测 信号大小。 由光导纤维组成的光纤传感器与常规传感器相 比有哪些特点？ 抗电磁干扰能力强（为什么？） 灵敏度高 重量轻、体积小 适于遥测，容易构成分布式测量系统 应用 位移、速度、加速度、液位、应变、力、流量、 振动、水声、温度、电流、电压、磁场、核辐 射、生物医学量、化学量。应用范围遍布军事、 民用、商业、医学、工业控制等领域。 一、光纤导波光学基础 （一）光纤的导波原理 光纤由导光的纤芯、包层、套层构成。 光纤传光的基础是光的全内反射。 图7-25 光纤的结构及传光原 理 定义 (n1- n2)/n

32、1，称为光纤的相对折 射率差,一般为0.005-0.140。 当光线以入射角入射到光纤的端面时，在 端面处发生折射，设折射角为，然后光 线以角入射至纤芯与包层的界面。当 角大于纤芯与包层间的临界角c时，在光 纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至 传播到另一端面。 什么是光纤的数值孔径？ 由图可知 设当达到临界角c时的入射角为c，则 称为光纤的数值孔径，用NA表示。 （二）光纤的种类 按制作材料分 （1）高纯度石英玻璃纤维。这种材料 损耗低。 （2）塑料光纤。它与石英光纤相比具 有重量轻、成本低、柔软性好、加工方 便等优点，但损耗比玻璃光纤大。 按传输模式分 (1) 单模光纤。只能传输一种模式，

33、纤芯直径 仅几个微米，接近波长。单模光纤的优点是没 有模式色散，可利用波导色散抵消材料色散， 以得到零色散。同时，信息容量极大，可进行 理论预测，可利用光的相位。但缺点是，芯径 很小，因而使用不便。 (2) 多模光纤。能传输多种模式，可达几百到 几千个模式，纤芯直径远远大于波长。多模光 纤由于模式色散的存在，从理论上难以预测其 特性，信息容量小，传感器时不能利用光的相 位等限制。但因芯直径达到100微米左右，光 纤相互之间的耦合以及与光源之间的耦合比较 容易，使用方便。 按光纤折射率的径向分布分 (1) 阶跃光纤。其纤芯和包层的折射率不 连续。 (2) 梯度光纤。又称渐变光纤，在中心轴 上折射

34、率最大，沿径向逐渐变小，纤芯 和包层交界处n1 = n2。 单模光纤多半是阶跃光纤，多模光纤既 有阶跃光纤又有梯度光纤。 26 按用途分 (1) 通信光纤。 (2) 非通信光纤特殊光纤。有低折射光 纤、高折射光纤、涂层光纤、液芯光纤、 激光光纤和红外光纤等。 二、光纤传感器 光纤传感器按传感原理可分为功能型和 非功能型。 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特 性把光纤作为敏感元件，所以又称传感 型或物性型光纤传感器。 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元 件感受被测量的变化，光纤仅作为传输 介质，传输来自远处或难以接近场所的 光信号，所以又称为传光型或结构型光 纤传感器。 光纤加速度传感器光纤加速

35、度传感器 应用举例 光纤温度传感器光纤温度传感器 这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用，这种光纤温度传感器结构简单、制造容易、成本低、便于推广应用， 可在可在-10300的温度范围内进行测量，响应时间约为的温度范围内进行测量，响应时间约为2s。 光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器 将一根多模光纤垂直地装入流管，当液体或气体流经与将一根多模光纤垂直地装入流管，当液体或气体流经与 其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振 动的频率与流速成线性关系。动的频率与流速成线性关系。 在多模光纤中，光以多种模式进行传输，在光纤的

36、输出在多模光纤中，光以多种模式进行传输，在光纤的输出 端，各模式的光就形成了干涉花样，这就是光斑。一根端，各模式的光就形成了干涉花样，这就是光斑。一根 没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的，当光没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的，当光 纤受到外界扰动时，斑纹或斑点发生移动。如果外界扰纤受到外界扰动时，斑纹或斑点发生移动。如果外界扰 动是由流体的涡流引起的，那么干涉图样的斑纹或斑点动是由流体的涡流引起的，那么干涉图样的斑纹或斑点 就会随着振动的周期变化来回移动，这时测出斑纹或斑就会随着振动的周期变化来回移动，这时测出斑纹或斑 点移动，获得对应于振动频率点移动，获得对应于振动频率f的

37、信号。的信号。 这种流量传感器可测量液体和气体的流量。因为传感器这种流量传感器可测量液体和气体的流量。因为传感器 没有活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍没有活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍 作用，所以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等作用，所以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等 许多传统流量计所无法比拟的。许多传统流量计所无法比拟的。 4.物性型光纤压力传感器物性型光纤压力传感器 5.反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器 利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体股光纤将光信号传

38、送至端部，并照射到被测物体 上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光 纤纤 传送到光敏元件上。传送到光敏元件上。 被测物体与光纤间被测物体与光纤间 距离变化，反射到距离变化，反射到 接受光纤上，光通接受光纤上，光通 量发生变化。再通量发生变化。再通 过光电传感器检测过光电传感器检测 出距离的变化。出距离的变化。 6.结构型光纤传感器及其应用结构型光纤传感器及其应用 由激光光源由激光光源(氢氢-氦激光氦激光)发出的光发出的光(频率为频率为fi)导入导入 光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向光导纤维，经过分光镜后，光线通过光纤射向 振动物体，由于振动物体

39、振动物体，由于振动物体 (被测体被测体)振动，产生振动，产生 散射散射 (频率为频率为fs)。被测物体的运动速度与多普勒。被测物体的运动速度与多普勒 频率之间的关系为：频率之间的关系为： 被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为：被测物体的运动速度与多普勒频率之间的关系为： fi为入射光频率，即激光源频率；为入射光频率，即激光源频率； fs为散射光频率；为散射光频率； n为发生散射介质的折射率；为发生散射介质的折射率； 为入射光在空气中的波长；为入射光在空气中的波长； 为被测物体的运动速度。为被测物体的运动速度。 上式表明，多普勒频率上式表明，多普勒频率f与被测物体运动速度与被测物体运动速度

40、成比例变成比例变 化关系，从频率分检器中测得化关系，从频率分检器中测得f后，即可得到物体的运后，即可得到物体的运 动速度。动速度。 nv fff is 2 光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特光纤传感器应用相当广泛，尤其在下列情况下特 别适应别适应: 在高压、电磁感应噪音条件下的测试；在高压、电磁感应噪音条件下的测试； 在危险和环境恶劣条件下的测试；在危险和环境恶劣条件下的测试； 在机器设备内部的狭小间隙中的测试；在机器设备内部的狭小间隙中的测试； 在远距离的传输中的测试。在远距离的传输中的测试。 以光纤传感器为核心的远距离测试系统在过程检以光纤传感器为核心的远距离测试系统在过程检 测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课测和控制系统中的应用已成为当前的重点研究课 题。题。 第五节 红外传感器 按其应用可分为以下几方面： 红外辐射计，用 于辐射和光谱辐射测量；搜索和跟踪系统，用 于搜索和