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)10102103104105106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光传感器光电导结光传感器光电导结光传感器光电磁光

2、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/P3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单位带宽时，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

3、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N+NPN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IbIc= IbIc基极基极极电极极电极发射极发射

4、极CcbCbe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400600800100020406080100 (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NPP电极电极1电极电极2电极电极3SiO2PD1PD2电极电极1电极电极2电极电极3ISC1ISC2PD1PD2V入射光入射光 40060080010003210-1-2-3-4-5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

5、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、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

6、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2211sinsinnnn1n2n112 sin 90sinsin121221nnnnncc 全反射临界角cn1n2阶跃型光纤传光示意图011?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NoImage0222101212111111001211arcsin , 1cossin)2/( cossinsinsin nnnnnnnnSnell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

7、、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. 01sin22210nnnNcA光纤长度， LPPL lg10oi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；

8、偏振态调制；波长调制1008060402000.51.01.52.0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I1I2光接受器2121IIII信号处理输出电流导线VNpIVNIRVLIIIIIpVVRVLIVLHRIH2 2sin )rad/A(107.32 221214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E1E2输出输出温度测量范围：温度测量范围：-20300 C；误差；误差

9、 3 C；强电场环境；强电场环境0.80.91.01.11.21.31.41.51020304050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T1T2T3T1T20光TQTPs或 TTPs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RgRsDSE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(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：P2288RgS1S2123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LED光源相对的特点是什么