8光电式传感器ppt课件

1、哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学第八章第八章 光电式传感器光电式传感器原理原理 首先把被丈量的变化转换成光信号首先把被丈量的变化转换成光信号的变化，然后经过光电器件变换成电信号。的变化，然后经过光电器件变换成电信号。辐射源光学通路光电器件输出输出被丈量被丈量特性特性 频谱宽、非接触丈量、体积小、分频谱宽、非接触丈量、体积小、分量轻等量轻等哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-1 8-1 光源光源 热辐射光源热辐射光源 气体放电光源气体放电光源 电致发光器件电致发光器件 激光器激光器 光源是光电式传感器的一个组成部分，大多光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数光电传感器都离不开光源。数光电传感器都离不开

2、光源。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、热辐射光源一、热辐射光源 原理：热物体都会向空间发出一定的光辐射 特点：物体温度越高，辐射能量越大 代表：白炽灯、卤钨灯哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、气体放电光源二、气体放电光源 原理：电流经过气领会产生发光景象 特点：改动气体成分、压力、电流、阴极资料和放电电流的大小，可以得到不同光谱范围的辐射源体 代表：日光灯哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、电致发光器件三、电致发光器件 原理：固体发光资料在电场激发下产生的发光景象称为电致发光 特点：体积小、寿命长、任务电压低、呼应速度快 代表：发光二极管哈尔滨

3、工业大学哈尔滨工业大学四、激光器四、激光器 定义：可以产生光受激辐射放大景象的器件 特点：单色性好、方向性好、亮度高 分类：固体激光器、气体激光器、半导体激光器、 液体激光器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-2 8-2 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、光电效应一、光电效应 光电传感器的任务原理基于光电效应光电传感器的任务原理基于光电效应 光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子子光子所组成，每一个光子能量为：光子所组成，每一个光子能量为：Ehfh 普朗克常数，普朗克常数，6.62610-34J.s；f 光的频率光的频率s-1。光电效应：当光照射物体时

4、，物体遭到一连串具有光电效应：当光照射物体时，物体遭到一连串具有能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量的光子的轰击，物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应如发射电子、电导率变能量，而发生相应的效应如发射电子、电导率变化或产生电动势。化或产生电动势。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电效应按原理又分为以下光电效应按原理又分为以下3 3种：种：1 1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体外表，构成光电流。物体外表，构成光电流。 光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功光子能量被电子吸收后，能量转化为电子逸出功A0和动能，即：和动能

5、，即：20012kEmvhfA 不同资料有不同的逸出功，对某种资料而言有一个频率限，不同资料有不同的逸出功，对某种资料而言有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发电子，此频率限成为电子，此频率限成为“红限，其临界波长红限，其临界波长K为：为：m电子质量；电子质量；v0电子逸出速度；电子逸出速度；A0物体的外表电子逸出功。物体的外表电子逸出功。0/Khc Ac 光在真空中的速度。光在真空中的速度。逸出物体外表电子具有的动能逸出物体外表电子具有的动能哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3 3、光生伏特效应：在光线作用下，能使

6、物体产生、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的景象。典型光电元件有光电池、一定方向的电动势的景象。典型光电元件有光电池、光敏电二极管、光敏电三极管等。光敏电二极管、光敏电三极管等。2 2、内光电效应：又称光导电效应，、内光电效应：又称光导电效应， 在光照作用下，在光照作用下，物体导电性能如电阻率发生变化发生改动的景物体导电性能如电阻率发生变化发生改动的景象。典型的光电元件有光敏电阻等。象。典型的光电元件有光敏电阻等。外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。外光电效应典型元件有光电管、光电倍增管等。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、光电器件二、光电器件 1、外光电效应运用器

7、件、外光电效应运用器件A AK KA AK K金属底层光电管金属底层光电管 光透明光电管光透明光电管A阳极，阳极，K阴极阴极 当阴极遭到适当波长的光线照射时发射电子，中央带正电的阳极吸引从阴极上逸出的电子，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生电流。光信号光信号电信号电信号哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学伏安特性伏安特性哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光电倍增管光电倍增管 倍增极上的涂料在电子轰击下能发射倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子；更多电子； 倍增极之间有依次增大的加速电压。倍增极之间有依次增大的加速电压。 二次发射系数二次发射系数 由光电阴极、假设干倍增极和阳极三部由光电阴极、假设

8、干倍增极和阳极三部分组成。分组成。AK哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 倍增系数倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数等于各倍增电极的二次发射系数i 的乘积。假设的乘积。假设n个倍增电极的个倍增电极的i 都一样都一样 ，那么，那么inM所以所以niI式中，式中，i为光电阴极的光电流为光电阴极的光电流 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学几种光电倍增管的外形几种光电倍增管的外形 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、内光电效应运用器件：、内光电效应运用器件： 构造构造暗电阻暗电阻 暗电流暗电流 亮电阻亮电阻 亮电流亮电流 光电流光电流 光敏电阻光敏电阻用半导体资料制成用半导体资料制成普通希望暗电阻越大越好，亮电阻

9、越小越普通希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，好， 此光阴敏电阻的灵敏度高。实践光敏此光阴敏电阻的灵敏度高。实践光敏电阻的暗电阻值普通在兆欧量级，电阻的暗电阻值普通在兆欧量级， 亮电阻亮电阻值在几千欧以下。值在几千欧以下。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光敏晶体管二极管、三极管，有极性：光敏晶体管二极管、三极管，有极性：RU0光光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对光生载流子光生载流子内建电场作用内建电场作用光电流光电流PN结反导游通结反导游通运用：光亮度丈量、光耦合器件、非接触丈量转速运用：光亮度丈量、光耦合器件、非接触丈量转速光敏二极管的构造与普光敏二极管的构造与普通

10、二极管类似、通二极管类似、 光敏光敏二极管在电路中普通是二极管在电路中普通是处于反向任务形状。处于反向任务形状。在没有光照射时，反向电在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，这反向电流称为暗电流，当光照射在当光照射在PN结上，光结上，光子打在子打在PN结附近，使结附近，使PN结附近产生光生电子和光结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在生空穴对，它们在PN结结处的内电场作用下作定向处的内电场作用下作定向运动，构成光电流。光的运动，构成光电流。光的照度越大，光电流越大。照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止形状，受光照射时处于导通形状

11、。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、光生伏特效应运用器件：、光生伏特效应运用器件：- - - - -+ + + + +PN- - + - -+ + - + +PN光+-光照射光照射光电子空穴对光电子空穴对内建电场作用内建电场作用光生电光生电子被拉向子被拉向N区，光生空穴被拉向区，光生空穴被拉向P区区光电动势光电动势阻挠层阻挠层内建电场内建电场PN结结常见器件：常见器件： 光电池太阳能电池，包括硅光电池、硒光电光电池太阳能电池，包括硅光电池、硒光电池、砷化镓光电池等。池、砷化镓光电池等。当光照到当光照到PN结区时，假设光子能量足够大，将在结区附近激发结区时，假设光子能量足够大，将在结区附近激发出电

12、子出电子-空穴对，在空穴对，在N区聚积负电荷，区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样区聚积正电荷，这样N区区和和P区之间出现电位差。区之间出现电位差。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学太阳能电池片太阳能电池片哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 70年代开展起来，开展自年代开展起来，开展自MOS器件器件 MOS光敏单元阵列光敏单元阵列 读出移位存放器读出移位存放器 用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用途：广泛用于图像识别、传输；典型应 用：摄像机固态图像拾取。用：摄像机固态图像拾取。图像传感器4、电荷耦合器件、电荷耦合器件Charge-Coupled Device，简称，简称CCD哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学

13、1MOS光敏单元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或型或N型衬底型衬底SiO2电极电极 施加正电压于电极上P型区构成势阱产生电子和空穴势阱俘获电子与光强成正比构成MOS光敏元象素光光哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2CCD时钟电压与电荷传输关系时钟电压与电荷传输关系 1 3 2遮光层遮光层氧化物氧化物P型硅型硅金属金属读出移位存放器读出移位存放器 1 2 3tt1 t2 t3 t4读出移位存放器是电荷图像输出电路读出移位存放器是电荷图像输出电路哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学123123123123t1t2t3t4t5哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3线阵与面阵线阵与面阵CCD单通道线阵单通

14、道线阵转移栅转移栅光积分单元光积分单元不透光不透光输出移位存放器移位存放器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光积分区光积分区输出输出转移栅转移栅双通道线阵双通道线阵A存放器存放器B存放器存放器X哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学输出输出面阵：光敏元陈列成矩阵面阵：光敏元陈列成矩阵光敏元面阵、光敏元面阵、存储器面阵、存储器面阵、读出移位存放读出移位存放器线阵。器线阵。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学5、位置、位置 敏感器件敏感器件Position Sensitive Detector-PSD 分类：一维、二维。分类：一维、二维。PNI123I1I2I0LLx入射光入射光212112A

15、IIXLII原理见教材原理见教材P哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学优点：高灵敏度、高分辨力、呼应速度快、配置电路简单等运用范围：位置准确丈量、兵器制导和跟踪、工业自动控制等哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学产品产品哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学棱镜系统或光栅棱镜系统或光栅会聚光组会聚光组CCD面阵面阵步进系统步进系统XY驱动控制系统驱动控制系统信号采集系统信号采集系统信号处置系统信号处置系统计算机计算机系统系统丈量系统丈量系统信号采集处置系统信号采集处置系统哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学驱动电路驱动电路分类机构分类机构计算机计算机细化二值化细化二值化处置处置传送带传送带CCD透镜透镜1分类箱分类箱23哈尔滨

16、工业大学哈尔滨工业大学RFID Tag汽车车牌汽车车牌RFID ReaderCCD後端資料庫後端資料庫後端電腦後端電腦触发触发存取資料存取資料收发信号收发信号拍照拍照经过经过API传送传送传回信号传回信号哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、概述一、概述 脉冲式：需求一个计数系统，旋转的码盘经过敏感脉冲式：需求一个计数系统，旋转的码盘经过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数进展加或减，从而记录了旋转的位移量。进展加或减，从而记录了旋转的位移量。绝对式：它可以在恣意位置给出一个固定的与位置绝对式：它可以在恣意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出

17、。相对应的数字码输出。8-3 8-3 光电码盘光电码盘哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 光学码盘式传感器是用光电方法把被测角位移转换成以数字代码式表示的电信号的转换部件。 以下图是任务原理表示图。 1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-元件。二、任务原理二、任务原理哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 1、以下图所示是一个、以下图所示是一个6位的二进制码盘。位的二进制码盘。三、码盘和码制三、码盘和码制哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、误差问题、误差问题 1 编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率那编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率那么决议于码道

18、的数目。么决议于码道的数目。 措施：需求增大码盘的尺寸以包容更多的码道措施：需求增大码盘的尺寸以包容更多的码道 对工艺提出很高要求对工艺提出很高要求 2同步困难：相邻两码之间假设有一个码道提同步困难：相邻两码之间假设有一个码道提早或延后，会呵斥读码误差。早或延后，会呵斥读码误差。 处理措施处理措施 ：a、编码技术；、编码技术； b、扫描技术、扫描技术 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学3、循环码盘 右图为6位循环码码盘。1n位循环码有2n种不同 编码；2循环码为无权码；3循环码码盘相邻区域 的编码只需一位变化。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学DBGDBG十进制十进制二进制二进制循环码循环码 十进制十进制

19、二进制二进制循环码循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困难：循环码变为十进制数电路复杂困难：循环码变为十进制数电路复杂哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、运用四、运用光学码盘测角原理光学码盘测角原理光光放大放大鉴幅整形鉴幅整形纠错纠错当量变换当量变换 存放存放显示译码显示译码 光源光源聚光镜聚光镜码盘码盘狭缝狭缝光电元件光电元件 光

20、源光源1经过大孔径聚光镜经过大孔径聚光镜2构成均匀狭长的光束照射到码盘构成均匀狭长的光束照射到码盘3上。上。根据码盘所处的转角位置，位于狭缝根据码盘所处的转角位置，位于狭缝4后面的一排光电元件后面的一排光电元件5输输出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后译码显示。纠错电路和存放电路在需求时采用。变换，最后译码显示。纠错电路和存放电路在需求时采用。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学五、产品五、产品哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学？思索题？思索题n为什么为什么BCD码制的码盘会产生误差？码制的码盘会产

21、生误差？n循环码的特点。循环码的特点。n一个一个10码道的循环码码盘，其最小分辨力码道的循环码码盘，其最小分辨力为多少？为多少？哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-4 8-4 光纤传感器光纤传感器p 光光(导导)纤纤(维维)是是20世纪世纪70年代的重要发明之一，年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一同构成了新的光学技它与激光器、半导体探测器一同构成了新的光学技术，发明了光电子学的新天地术，发明了光电子学的新天地(领域领域)。p 光纤传感器始于光纤传感器始于1977年，把待丈量与光纤内的导年，把待丈量与光纤内的导光联络起来就构成光纤传感器。光联络起来就构成光纤传感器。哈尔滨工业大学哈尔滨工

22、业大学度、度、振动、压力、射线、图振动、压力、射线、图像像 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、光纤传感器的根本知识一、光纤传感器的根本知识1. 光纤的构造光纤的构造 注：不同类型的光纤资料的折射率分布有区别注：不同类型的光纤资料的折射率分布有区别纤芯纤芯包层包层外套外套哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2. 光纤的分类光纤的分类1按折射率分布按折射率分布折射率变化规律折射率变化规律分类分类阶跃型阶跃型梯度型梯度型 采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。面向轴心会聚，因此也称为聚焦光纤。 阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变

23、化的，阶跃光纤的纤芯与包层间的折射率阶跃变化的，即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内即纤芯内的折射率分布大体上是均匀的，包层内的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是的折射率分布也大体均匀，均可视为常数，但是纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，纤芯和包层的折射率不同，在界面上发生突变，如图如图 所示。光线的传播，依托光在纤芯和包层界所示。光线的传播，依托光在纤芯和包层界面上发生的内全反射景象。面上发生的内全反射景象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开场沿径向大致按抛物线外形递减，中心轴线开场沿径向大致按抛物线外形递减，中心轴折射

24、率最大。因此，光纤在纤芯中传中心轴折射率最大。因此，光纤在纤芯中传播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，播时会自动地从折射率小的界面向中心会聚，光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又光纤传播的轨迹类似正弦波形。梯度光纤又称为自聚焦光纤。称为自聚焦光纤。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 光纤传输方式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传送的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播方式不同。 在光纤中传播方式很多不利于光信号的传播，在光纤中传播方式很多不利于光信号的传播，由于同一种光信号采取很多方式传播将使一部分光由于同一种光信号采取很多方式传

25、播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接纳端的小信号，从而信号分为多个不同时间到达接纳端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号方式数量导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号方式数量要少。要少。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 普通纤芯直径为212m，只能传输一种方式称为单模光纤。这类光纤传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好， 灵敏度高， 但由于纤芯尺寸小，制造、衔接和耦合都比较困难。 纤芯直径较大50100m，传输方式较多称为多模光纤，这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差别，但由于纤芯截面积大，故容易制造，衔接和耦合比较方便。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光是一种电磁波光是一种电磁

26、波,普通采用动摇实际来分析导光的根本普通采用动摇实际来分析导光的根本原理。然而根据光学实际指出：在尺寸远大于波长而原理。然而根据光学实际指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间折射率变化缓慢的空间,可以用可以用“光线即几何光学的方光线即几何光学的方法来分析光波的传播景象法来分析光波的传播景象,这对于光纤中的多模光纤是这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此完全适用的。为此, 采用几何光学的方法来分析。采用几何光学的方法来分析。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(a)(a)光的折射表示图光的折射表示图 可见，入射角可见，入射角1增大时，增大时，折射角折射角2也随之增大，且一也随之增大，且一直直2

27、1 。n1、n2、 2 、 1之间的数学关之间的数学关系为系为 n1sin 1 =n2sin 2 n1n2 1 2哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学当当2 =90时，时，1仍仍90，此时，出射光线沿界面，此时，出射光线沿界面传播如图传播如图b，称为临界形状，称为临界形状 1 10 。这。这时有时有n1n2(b) 临界形状表示图临界形状表示图 2 1 10=arcsin(n2/n1) sin 10=n2/n1 sin 2 sin901临界角临界角n1n2(c) 光全反射表示图光全反射表示图 1 2当当1 1 i0i0并继续增大时，并继续增大时，2 2 9090，这时便发生全反，这时便发生全反射景象，如

28、图射景象，如图(c) (c) ，其出射光，其出射光不再折射而全部反射回来。不再折射而全部反射回来。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学n1n2n0阶跃型光纤传光表示图阶跃型光纤传光表示图0110sinsinnn011？习题：？习题： 假设空气的光折射率为假设空气的光折射率为n0，要使光纤的入射，要使光纤的入射光在光纤纤芯内全反射，那么光在光纤纤芯内全反射，那么0至多为多至多为多少？少？211arcsinCnn哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1数值孔径数值孔径 数值孔径反映纤芯接纳光量的多少，是标志数值孔径反映纤芯接纳光量的多少，是标志光纤接纳性能的一个重要参数。光纤接纳性能的一个重要参数。2损耗：损耗：

29、光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数定义损耗系数1o10lg PLLP，光纤长度入射端光功率入射端光功率出射端光功率出射端光功率哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学二、光纤传感器的构造及特性二、光纤传感器的构造及特性 光纤传感器分类光纤传感器分类 功能型传感器：传感型、探测型 利用光纤本身的某种敏感特性 2. 非功能型传感器：传光型、构外型、强度型、混合型 (光纤只作为传光介质) 光纤传感器可测参光纤传感器可测参量量 电流磁场、电压电场； 温度 速度 振动、压力 射线 图像哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 以电为根底的传统传感

30、器是一种把丈量的形状转以电为根底的传统传感器是一种把丈量的形状转变为可测的电信号的安装。它的电源、敏感元件、信变为可测的电信号的安装。它的电源、敏感元件、信号接纳和处置系统以及信息传输均用金属导线衔接，号接纳和处置系统以及信息传输均用金属导线衔接，见图见图(a)。 光纤传感器那么是一种把被丈量的形状转变为可光纤传感器那么是一种把被丈量的形状转变为可测的光信号的安装。由光发送器、敏感元件测的光信号的安装。由光发送器、敏感元件(光纤或光纤或非光纤的非光纤的)、光接纳器、信号处置系统以及光纤构成，、光接纳器、信号处置系统以及光纤构成，见图见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引由光发送器发出的光经源

31、光纤引导至敏感元件。这时，光的某一导至敏感元件。这时，光的某一性质遭到被丈量的调制，已调光性质遭到被丈量的调制，已调光经接纳光纤耦合到光接纳器，使经接纳光纤耦合到光接纳器，使光信号变为电信号，最后经信号光信号变为电信号，最后经信号处置得到所等待的被丈量。处置得到所等待的被丈量。光纤光纤信号处置信号处置光接纳器光接纳器敏感元件敏感元件光发送器光发送器b光纤传感器光纤传感器信号处置信号处置电电 源源信号接纳信号接纳敏感元件敏感元件a传统传感器传统传感器 导线导线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，而且非功能型传感器的制造和运用也比较容易，所以目前非功能型传感器

32、种类较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可处理一些特别辣手的问题。但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的输出变为电信号。 光纤传感器由光源、敏感元件光纤或非光纤的、光探测器、信号处置系统以及光纤等组成。由光源发出的光经过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质遭到被丈量的调制，调制后的光信号经接纳光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处置得到所需求的被丈量。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学(1) (1) 根据光纤在传感器中的作用根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三

33、大类。大类。 1 1功能型全光纤型光纤传感器功能型全光纤型光纤传感器利用对外界信息具有敏感才干和检测才干的光利用对外界信息具有敏感才干和检测才干的光纤纤( (或特殊光纤或特殊光纤) )作传感元件，将作传感元件，将“传和传和“感感合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而合为一体的传感器。光纤不仅起传光作用，而且还利用光纤在外界要素且还利用光纤在外界要素( (弯曲、相变弯曲、相变) )的作用的作用下，其光学特性下，其光学特性( (光强、相位、偏振态等光强、相位、偏振态等) )的变的变化来实现化来实现“传和传和“感的功能。因此，传感器感的功能。因此，传感器中光纤是延续的。由于光纤延续，添加其长度中光

34、纤是延续的。由于光纤延续，添加其长度，可提高灵敏度。，可提高灵敏度。信号处置信号处置光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2 2非功能型或称传光型光纤传感器非功能型或称传光型光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传不传不“感，对外界信息的感，对外界信息的“觉得功能依托其他物理性质的功能元件完成。光纤不觉得功能依托其他物理性质的功能元件完成。光纤不延续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，延续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，本钱低。但灵敏度也较低，用于对灵敏比较容易实现，本钱低。但灵敏度也较低，用于对灵

35、敏度要求不太高的场所。度要求不太高的场所。信号处置信号处置光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤 3 3拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用光纤作为探头，接纳由用光纤作为探头，接纳由被测对象辐射的光或被其被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传度计、辐射式光纤温度传感器等。感器等。 信号信号处置处置光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤传感器的根本构造光纤传感器的根本构造丈丈量量对对象象丈丈量量对对象象丈丈量量对对象象丈丈量

36、量对对象象功能型功能型传光型传光型传光型传光型传光拾光型传光拾光型哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2根据光受被测对象的调制方式根据光受被测对象的调制方式方式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。方式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制。 1强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感丈量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸感丈量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反

37、射光强度的变化；物质因各收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的鼓励而发光的景象；以及物种粒子射线或化学、机械的鼓励而发光的景象；以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：构造简单、容易实现，本钱低。优点：构造简单、容易实现，本钱低。缺陷：受光源强度动摇和衔接器损耗变化等影响较大缺陷：受光源强度动摇和衔接器损耗变化等影响较大 。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 2 2偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态

38、变化来传送被测对象信息是一种利用光偏振态变化来传送被测对象信息的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应的传感器。有利用光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体做成的电流、磁场传感器；利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质内传播的泡尔效应做成的电场、电压传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；以及利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。这类传感器可以防止光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。感器可以防止

39、光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 3 3频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进展监测的传感器。有利用运动物体反频率发生变化来进展监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的丈量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；射构成的丈量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用光致发光的温度传感器等。以及利用光致发光

40、的温度传感器等。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 4 4相位调制传感器相位调制传感器 其根本原理是利用被测对象对敏感元件的作其根本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，经过检测干涉条纹的变化干涉条纹发生变化，经过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振的信息。通常有利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁

41、场传动传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克利用光纤赛格纳克SagnacSagnac效应的旋转角速效应的旋转角速度传感器光纤陀螺等。这类传感器的灵敏度传感器光纤陀螺等。这类传感器的灵敏度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系度很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此本钱高。统，因此本钱高。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学传感器传感器光学景象光学景象被丈量被丈量光纤光纤分类干干涉涉型型相位调制光线传感器干涉磁致伸缩干涉电致伸缩Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度

42、、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa 非非 干干 涉涉 型型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注

43、：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振坚持；偏振坚持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学三、光纤传感器举例三、光纤传感器举例 基于微弯效应测基于微弯效应测压力压力F光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学1008060402000.51.01.52.0透射光强%外力N哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学偏振态调制型光纤电流传感器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I1I2光接受器2121IIII信号处置输出电流导线哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学非功能型光

44、纤传感器测温运用非功能型光纤传感器测温运用GaAs半导体半导体光吸收片光吸收片E1E2输出输出温度丈量范围：温度丈量范围：-20300C；误差；误差3C哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学丈量原理：利用多数半导体的能带随温度的丈量原理：利用多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性。资料吸收波长随温度添升高而减小的特性。资料吸收波长随温度添加而向长波方向挪动，可以使透射过半导体加而向长波方向挪动，可以使透射过半导体资料的光强随温度而改动，到达测温的目的。资料的光强随温度而改动，到达测温的目的。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤液位传感器光纤液位传感器原理：基于全内反射实际原理：

45、基于全内反射实际 当测头没有接触液面处于空气中时，当测头没有接触液面处于空气中时，光线在探头内发生全内反射，而前往到光电二光线在探头内发生全内反射，而前往到光电二极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射率不一样，所以全内反射被破坏，将有部分光率不一样，所以全内反射被破坏，将有部分光线投入液体，使前往光电二极管的光强变弱。线投入液体，使前往光电二极管的光强变弱。前往光强是液体折射率的函数。前往光强发生前往光强是液体折射率的函数。前往光强发生突变时，测头已接触到液位。突变时，测头已接触到液位。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学圆锥测头圆锥测头U型测头型测头 同时可

46、以测定不同折射率的液体和同一种溶液的不同浓度。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学反射光强调制型光纤传感运用P +放大放大滤波滤波2040608010020406080100膜片振动m反射光强%哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤速度、加速度传感器光纤速度、加速度传感器 原理：一定质量的物体在加速度作用下产生惯性力，这种惯性力可以转变为位移、转角或形变等变量。经过对这些变量的丈量，就可以得到加速度数值。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学光纤传感器优缺陷光纤传感器优缺陷 优点：功能强，且光纤本身是敏感器件；优点：功能强，且光纤本身是敏感器件； 抗电磁干扰，平安。抗电磁干扰，平安。 缺陷：技术难度大、构造复杂、调整

47、困难。缺陷：技术难度大、构造复杂、调整困难。哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学四、产品四、产品压力压力应力应力温度温度哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学温度、应变仪温度、应变仪分析仪分析仪网络分析仪网络分析仪哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学8-4 8-4 光栅式传感器光栅式传感器哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学一、光栅的类型和构造一、光栅的类型和构造 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。计量光栅按外形又可分为长光栅和圆光栅。计量光栅按外形又可分为长光栅和圆光栅。 哈尔滨工业大学哈尔滨

48、工业大学尺身尺身尺身安装孔尺身安装孔 反射式扫描反射式扫描头头 与挪与挪动部件固定动部件固定扫描头安装孔扫描头安装孔可挪动电缆可挪动电缆光栅的外形及构造光栅的外形及构造防尘维护罩的内部为长磁栅防尘维护罩的内部为长磁栅哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学扫描头与挪动部件固定扫描头与挪动部件固定光栅尺光栅尺可挪动电缆可挪动电缆光栅的外形及构造续光栅的外形及构造续哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学反射式光栅反射式光栅哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学透射式光栅透射式光栅哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学透射式圆光栅透射式圆光栅固定固定哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学 1 1、定义、定义 二、莫尔条纹二、莫尔条纹BaabbW 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠合在一同，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线坚持很小的夹角。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，构成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而构成暗带。 哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学2、 亮带与暗带之间的间隔亮带与暗带之间的间隔B tantan2横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距WWBCABBH2sin22sin莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与