第8章 光电式传感器--课堂版

1、第第8章章 光电式传感器光电式传感器8.1 光电器件光电器件 8.2 光纤传感器光纤传感器 概概 述述光电式传感器的类别光电式传感器的类别n光电式传感器（或称光敏传感器）n是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。n按工作原理分类n光电效应传感器n红外热释电探测器n固态图像传感器n光纤传感器 1、光电效应传感器、光电效应传感器 是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。2、红外热释电探测器、红外热释电探测器 主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电

2、学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。3、固态图像传感器、固态图像传感器 结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。4、光纤传感器、光纤传感器 它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。特点n光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点

3、n可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等n其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力 光电式传感器的基本形式光电式传感器的基本形式n由光路及电路两大部分组成n光路部分实现被测信号对光量的控制和调制n电路部分完成从光信号到电信号的转换四种基本形式四种基本形式 n透射式n反射式n辐射式n开关式 工程检测中所遇到的光，可以由各种发光器件工程检测中所遇到的光，可以由各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。要使光电式传感器产生，也可以是物体的辐射光。要使光电式传感器能很好地工作，除了合理选用光电转换元件处，还能很好地工作，除了合理选用光电转换元件处，还必须配备合适的光源。常用的光

4、源主要有以下几种：必须配备合适的光源。常用的光源主要有以下几种： 发光二极管（发光二极管（LEDLight-Emitting Dilde） 钨丝灯泡钨丝灯泡 电弧灯或石英灯电弧灯或石英灯 激光激光光光 源源光电效应与光电器件光电效应与光电器件n光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为 n光电效应方程 Eh v20021mVAhv光电器件光电器件n光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。n光电器件工件的物理基础：光电效应n光电效应分为：内光电效应、外光电效应外光电效应型光电器件外光电效应型光电器件n当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材

5、料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。n即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。1、光电管及其基本特性、光电管及其基本特性光电管的伏安特性 光电管的光照特性光电管的光照特性曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系 光电管的光谱特性光电管的光谱特性不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电

6、管的光谱特性。曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度，3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线 2、光电倍增管及其基本特性、光电倍增管及其基本特性光电倍增管的结构及电路不放不放图图7-3 光电倍增光电倍增管的结构图管的结构图光电阴极光电阴极K阳极阳极A若干倍增极若干倍增极(414) 入射光在光电阴极上激发入射光在光电阴极上激发电子，由于各级间有电场的存电子，由于各级间有电场的存在，所以阴极激发电子被加速在，所以阴极激发电子被加速轰击第一倍增极，这些倍增极轰击第一倍增极，这些倍增极具有这样的特性，具有这样的特性，在受到一定在受到一定数量的电子轰击后，能放出更数量的电子

7、轰击后，能放出更多的电子，称为多的电子，称为“二次电子二次电子”。若光电阴极发射一个电子，倍若光电阴极发射一个电子，倍增率为增率为，则第一倍增极有，则第一倍增极有个个电子发出，依次类推，若电子发出，依次类推，若n级则级则有有 n个电子到达阳极。个电子到达阳极。主要参数主要参数 n倍增系数 Mn阳极电流 n光电倍增管的电流放大倍数n光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度n暗电流n光电倍增管的光谱特性nIi Mi /nI i 构成倍增极的材料一般构成倍增极的材料一般 1。例：例： =4，若有，若有n=10个倍增极，则放大倍数为：个倍增极，则放大倍数为： n= 4 10106由此例可以看出，光电倍增管的

8、放大倍数是很高的。由此例可以看出，光电倍增管的放大倍数是很高的。Dynode倍增极倍增极Input WindowPhoto Cathode倍增率倍增率光电倍增管的光电特性内光电效应型光电器件内光电效应型光电器件n内光电效应内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种 内光电效应分类内光电效应分类光电导效应 在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光

9、敏电阻光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池 （1）光敏电阻）光敏电阻（又称为光导管）（又称为光导管）光敏电阻是用具有光敏电阻是用具有内光电效应内光电效应的光导材料制成的，光敏电阻的光导材料制成的，光敏电阻没有极性，为纯电阻元件，使用时可加直流电压，也可以加没有极性，为纯电阻元件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。交流电压。 当无光照时，光敏电阻当无光照时，光敏电阻值值(暗电阻暗电阻)很大很大(达达100M)，电路中，电路中电流很小；电流很小； 当光敏电阻受到一定波长光照当光敏电阻受到一定波长光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少时，它的阻值（亮电阻）急剧减

10、少(约约1K ) ，因此电路中电流迅速增，因此电路中电流迅速增加。加。光敏电阻的结构光敏电阻的结构金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra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2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数n暗电阻 n光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流称为暗电流。 n亮电阻 n光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 n光电流 n亮电流与暗电流之差3、光敏电阻的基本特性、光敏电阻的基本特性n伏安特性伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电

11、阻两端的电压的关系。403020100I / mA10010001 x500 mW1001 x功率200U / V101 x硫化镉光敏电阻的伏安特性 由图看出，光敏电阻的电压与电流之间的关系服从欧姆定律，但在不同照度下，曲线的斜率是不同的，这表明光敏电阻的阻值是随光照度的变化而变化的。光照特性光照特性n指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系光敏电阻的光照特性 光谱特性光谱特性n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。Sr / (%) / A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉 光敏电阻的光谱特性

12、 频率特性频率特性n光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。100806040200101001 00010 000硫化镉硫化铅S /( %)f / Hz光敏电阻的频率特性 温度特性温度特性n光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。n硫化铅光敏电阻受温度影响更大。1.02.03.04.00204060801002020 / mS / (%)硫化铅光敏电阻的光谱温度特性 几种国产光敏电阻参数几种国产光敏电阻参数（2）光电池）光电池n光电池是一种直

13、接将光能转换为电能的光电器件。即电源。 n工作原理：基于“光生伏特效应光生伏特效应”。n光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时， 若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散， 在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。光电池结构、符号光电池结构、符号硒光电池的构造原理硒光电池的构造原理光电池的表示符号：光电池的表示符号：光电池种类光电池种类 n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等n最受人们重视的是硅光电池硅光电池。因为它具有性能稳

14、定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。硅光电池硅光电池大型硅光电池大型硅光电池光电池基本特性光电池基本特性n光谱特性 n光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。04006008001000120020406080100 / nmS / %硒硅硒和硅光电池的光谱特性 硒：响应光谱为硒：响应光谱为0.380.75 m，响应峰值，响应峰值0.5 m 硅：响应光谱为硅：响应光谱为0.41.2

15、 m ，响应峰值，响应峰值0.8 m 光照特性n光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性0.30.20.10光 生 电 流 / mA0.60.40.202 0004 000短 路 电 流开 路 电 压光 生 电 压 / V照 度 / lx 硅光电池的光照特性 频率特性频率特性1500 3000 4500 6000 7500020406080100f / Hz相对光电流 / (%)硒光电池硅光电池光的调制频率f和光电池相对输出电流I关系曲线硅光电池具有较高的频率响应，硅光电池的工作频率上限约为数十kHZ，而硒光电池的频率特性较差，上限频率只有几kHZ温度特

16、性温度特性n是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。2040608010001002003004005002.22.01.8开路电压短 路 电 流温 度 / U / mVI / mA 硅光电池的温度特性 （3）光敏二极管和光敏三极管）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似、 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态反向工作状态。n在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光

17、的照度越大，光电流越大。n光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。 光电二极管的主要技术参数（a）最高反向工作电压 是指光电二极管在无光照条件下，反向漏电流不大于0.1A时所能承受的最高反向电压值。（b）暗电流 指光电二极管在无光照、最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光电二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。一般锗光电二极管的暗电流较大，约为几个A，硅光电二极管的暗电流则小于0.1A。 （c） 光电流 指光电二极管受一定光照，在最高反向电压下产生的电流，其值越大越好。 （d） 灵敏度 反映光电二极管对光的敏感程度的一个参数，通常用在每微瓦的入射光能量下而产生的

18、光电流来表示。其值越高，说明光电二极管对光的反应越灵敏。 （e）响应时间 表示光电二极管将光信号转换成电信号所需的时间。响应时间越短， 说明其光电转换的速度越快，即工作频率就越高。 除此之外，光电二极管的参数还有结电容、正向压降、光谱范围和峰值波长等。光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。 大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的

19、电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。 NPN型光敏晶体管结构和基本电路型光敏晶体管结构和基本电路 光敏三极管光敏三极管光敏三极管与普通三极管相似，也有两个PN结，但一般基极无引线，尤其是硅平面光敏晶体管，因为其泄漏电流很小（小于10 -9A），因此一般不备基极外接点。EPNNCB结构结构bce表示符号表示符号bce基本电路基本电路光敏三极管的光敏三极管的工作原理：工作原理： 图示为图示为NPNNPN型晶体管的基本电路。当集电极加上相对于发射型晶体管的基本电路。当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射极为正的电压而

20、不接基极时，集电结就是反向偏压。当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子在集电结上时，就会在结附近产生电子空穴对，从而形成空穴对，从而形成光电流（光生电流）。输入到晶体管的基极，由于基极电流增光电流（光生电流）。输入到晶体管的基极，由于基极电流增加，因此集电极电流是光生电流的加，因此集电极电流是光生电流的 倍，所以光敏晶体管有放倍，所以光敏晶体管有放大作用。大作用。 光敏三极管在把光信号转换为电信号（电流）的同时，还光敏三极管在把光信号转换为电信号（电流）的同时，还对信号有电流放大作用。对信号有电流放大作用。bceCollectorEmitterBaseIPNNCBE光敏管的基本特性光敏管的

21、基本特性光敏晶体管的光谱特性 伏安特性 光照特性 给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。 频率特性 指在恒定电压和光强幅度恒定条件下，入射光强度变化的频率与光电流（或相对灵敏度）的关系 。光敏二极管和三极管的主要差别 n光电流光电流n光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。n响应时间响应时间n光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光

22、敏三极管为510us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。n输出特性输出特性n光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。总结有关勒克斯有关勒克斯(Lux)光通量：光通量：光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量光源在单位时间内发出的光量称为光源的光通量(F F)。光通量的单位是流明。光通量的单位是流明(lm)。照度：照度：每单位受光面积每单位受光面积(S)所接收的光通量数，称为照度所接收的光通量数，称为照度(e e)。照度的单位是勒克斯照度的单位是勒克斯(lux)。1流明的光通量均匀分布在流明的光通量均匀分布在1平方平方米面积上的照度为

23、米面积上的照度为1勒克斯。勒克斯。1 Lux=1流明流明/米米2（4）光电耦合器件）光电耦合器件 光电耦合器件是将发光元件与受光器件组合在同一个密封体内的组合器件，即将发光元件、受光器件及信号处理电路集成在一块芯片上。工作时，将信号加到输入端，使发光元件发光，照射到受光器件使之输出光电流，从而实现电光电两次转换，通过光实现了输入端和输出端之间的耦合。 由于光电耦合器件是以光为传输信号的媒介，因此，它由于光电耦合器件是以光为传输信号的媒介，因此，它具有下列具有下列特点特点：（1）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，因而，保证了输）光电耦合器件实现了以光为媒介的传输，因而，保证了输入端和输出端之间

24、的隔离，使输入端和输出端之间的绝缘电入端和输出端之间的隔离，使输入端和输出端之间的绝缘电阻很高，一般都大于，耐压也很高，具有良好的隔离性。阻很高，一般都大于，耐压也很高，具有良好的隔离性。（2）具有信号的单向传输和不可逆性。信号只能从发光源单向）具有信号的单向传输和不可逆性。信号只能从发光源单向传输到受光器件，而不会可逆传输，传输信号不会影响输入传输到受光器件，而不会可逆传输，传输信号不会影响输入端。端。（3）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低电阻的特点，可）发光源使用砷化镓发光二极管，它具有低电阻的特点，可以抑制干扰，消除噪声。以抑制干扰，消除噪声。（4）响应速度快，可用于高频电路。）响应

25、速度快，可用于高频电路。（5）结构简单，无触点，体积小，寿命长。）结构简单，无触点，体积小，寿命长。 由于上述特点，光电耦合器件广泛用于电路隔离、电平由于上述特点，光电耦合器件广泛用于电路隔离、电平转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。转换、噪声抑制、无触点开关及固态继电器等场合。 下图为4N28光电耦合器件的外型结构和常用符号，它的外型结构为双列直插式，其中3脚为空脚，6脚为三极管的基极引线，但在实际应用中很少使用。4N28光电耦合器 光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。 光电

26、开关光电开关 图（图（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。 图（图（b）是一种反射式的光电开关，它的发光）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，交，交点一般即为待测物所在处。

27、当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。时则接收不到。CCD固体图像传感器固体图像传感器n电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。n它以电荷为信号， 具有光电信号转换、 存储、 转移并读出信号电荷的功能。1） CCD的工作原理的工作原理（1） 结构结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电敏元。 它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而

28、构成MOS结构元。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、 输出结构就构成了CCD器件。 P型 MOS光敏元 (2) 电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样， MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称表面势阱。对带负电的电子来说， 耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。 如果

29、有光照射在硅片上， 在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。（3）电荷转移原理nCCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。n任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。n为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 F2F1F3123456一级二级t t1t t2t t3t t4(b)PSiF1F2F3t1t2t3t4(a)oFt三相CCD时钟电压

30、与电荷转移的关系(a) 三相时钟脉冲波形； (b) 电荷转移过程 （4）电荷注入方法PSi(a)tIDnIGF1F2F3F1PSiQ IDt(b)电荷注入方法（a） 背面光注入； （b） 电注入 （5）电荷的输出ERLUoIoOGF3F2F1P SiN SiCCD输出端结构输出端结构 CCD固体图像传感器的分类固体图像传感器的分类n线阵型CCD图像传感器n面阵型CCD图像传感器CCD图像传感器的特性参数n光电转移效率光电转移效率 n总转移效率总转移效率10QQ(1)NNNoQQe分辨率分辨率n分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离灵

31、敏度及光谱响应灵敏度及光谱响应 n单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量：sNqSH A t动态范围动态范围n饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围。CCD器件的动态范围一般在103104数量级。暗电流暗电流 n暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。n暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地方，多数会出现暗电流尖峰。n暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电流约减小一半。n对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流

32、尖峰的单元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。噪声噪声 nCCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。n噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。CCD固体图像传感器的应用固体图像传感器的应用 CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面：l计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。l光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。l生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。l军事应用：导航、跟踪、侦查

33、(带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查)。典型应用实例 n尺寸自动检测尺寸自动检测 n大尺寸物体光学成像光纤传感器光纤传感器n光纤传感器的特点：n极高的灵敏度和精度n固有的安全性好n抗电磁干扰n高绝缘强度n耐腐蚀n集传感与传输于一体n能与数字通信系统兼容等n光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量n在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。1、光纤的结构2、光纤的传光原理2ciin0n2n1纤 芯包 层光纤的传光原理ic光全反射条件：3、光导纤维的主要参数数值孔径数值孔径NA

34、表征光纤集光本领的一个重要参数，反映光纤接表征光纤集光本领的一个重要参数，反映光纤接收光量的多少。收光量的多少。 2212NAsincnn光纤模式光纤模式n光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号畸变的可能。n单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。n多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。传播损耗传播损耗 n光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。n光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。光纤传感器n工作原理工作原理n由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要能测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来检测对应物理量的变化 光纤传感器的组成光纤传感器的组成由由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。组成。光源光源 一般要求光源的体积