光电式传感器剖析课件

1、第8章 光电式传感器光 电信号 81 光电效应82 光电器件83 光源及光学元件84 光电式传感器的应用85 光纤传感器86 红外传感器87 图像传感器简介8.1 光电效应8.1.1 外光电效应 外光电效应：当光线照射在某些物体上，使物体内的电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，也称为光电发射，逸出的电子称为光电子。基于外光电效应的光电器件有：光电管和光电倍增管。 光子能量： E=h Js 式中，h=普朗克常数，h=6.62610-34 Js；光的频率（s-1）。 Einstein光电方程： h=mv02/2+A0 式中，m电子质量；v0逸出电子的初速度；A0物体的逸出功（或物体表面束缚能）。

2、基本规律： 红限频率0（又称光谱域值）：刚好从物体表面打出光电子的入射光波频率，随物体表面束缚能的不同而不同，与之对应的光波波长0（红限波长）为 0 =hc/ A0 （8-3）式中，h=普朗克常数；c光速；A0物体的逸出功。 当入射光频谱成分不变时，产生的光电子（或光电流）与光强成正比。 逸出光电子具有初始动能Ek=mv02/2，故外光电器件即使没有加阳极电压，也会产生光电流，为了使光电流为零，必须加负的截止电压。8.1 光电效应8.1 光电效应8.1.2 内光电效应 当光照射在物体上。使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。8.

3、1.2.1 光电导效应 在光线作用下，材料内电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化的现象称为光电导效应。基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。入射光能导出光电导效应的临界波长0为0=hc/Eg (8-4) 式中，h=普朗克常数；c光速；Eg半导体材料禁带宽度。8.1 光电效应8.1.2.2 光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。基于光生伏特效应的光电器件有光电池和光敏晶体管。 1势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，若光子能量大于其禁带宽度Eg，使价带电子跃迁到导带，产生电子空穴对，由于阻挡层内电场

4、的作用，形成光电动势的现象称为结光电效应。 2侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由于载流子（光照产生的电子空穴对）浓度梯度的存在将会产生侧向光电效应。光照强的部分带正电，光照弱的部分带负电。8.2 光电器件8.2.1 光电管8.2.1.1 光电管的结构和工作原理 结构：真空（或充气）玻璃泡内装两个电极：光电阴极和阳极，阳极加正电位。如图8-1所示。 原理：当光电阴极受到适当波长的光线照社时发射光电子，在中央带正电的阳极吸引下，光电子在光电管内形成电子流，在外电路中便产生光电流I。图8-1 光电管的结构和工作原理 8.2 光电器件8.2.1.2 光电管的特性 1伏安特性 当入射光的频

5、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安特性。如图8-2（a）、（b）所示。 2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I与入射光在光电阴极上的光通量之间的关系。如图解8-2（c）所示。图8-2 光电管的特性（a）真空光电管伏安特性；（b）充气光电管伏安特性；（c）光电管的光电特性8.2 光电器件 3光谱特性 同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。 锑铯（Cs3Sb）材料阴极，红限波长0=0.7 m ，对可见光的灵敏度较高，转换效率可达20%30%； 银-氧-铯光电阴极，构成红外探测器，其红限波长0=1.2m，在近红外区（0.

6、750.80m）的灵敏度有极大值，灵敏度较低，但对红外较敏感； 锑钾钠铯阴极光谱范围较宽（0.30.85 m ）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； 对紫外光源，常采用锑铯阴极和镁镉阴极。 光谱特性用量子效率表示。对一定波长入射光的光子射到物体表面上，该表面所发射的光电子平均数，称为量子效率，用百分数表示，它直接反映物体对这种波长的光的光电效应的灵敏度。8.2 光电器件 8.2.2 光电倍增管8.2.2.1 光电倍增管的结构和工作原理 结构：由光电阴极、若干倍增极和阳极组成，如图8-3。 原理：光电倍增管工作时，各倍增极（D1、D2、D3）和阳极均加上电压，并依次升高，阴

7、极K电位最低，阳极A电位最高。入射光照射在阴极上，打出光电子，经倍增极加速后，在各倍增极上打出更多的“二次电子”。如果一个电子在一个倍增极上一次能打出个二次电子，那么一个光电子经n个倍增极后，最后在阳极会收集到n个电子而在外电路形成电流。一般=36，n为10左右，所以，光电倍增管的放大倍数很高。 光电倍增管工作的直流电源电压在7003000V之间，相邻倍增极间电压为50100V。8.2 光电器件 图8-3 光电倍增管(a)结构图；(b)原理图；(c)供电电路8.2 光电器件8.2.2.2 光电倍增管的主要参数 1.倍增系数M 当各倍增极二次电子发射系数 i=时，M=n，则阳极电流为I=i n

8、(8-5)式中，i光电阴极的光电流。 光电倍增管的电流放大倍数为=I/i= n (8-6)M一般在105108之间，M与所加电压有关。8.2 光电器件 2.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增管的总灵敏度。灵敏度曲线见图8-4。 注意:光电倍增管的灵敏度很高，切忌强光源照射。 图8-4 光电倍增管特性曲线8.2 光电器件 3暗电流和本底脉冲 在无光照射（暗室）情况下，光电倍增管加上工作电压后形成的电流称为暗电流。 在光电倍增管阴极前面放一块闪烁体，便构成闪烁计数器。当闪烁体受到人眼看不见的宇

9、宙射线照射后，光电倍增管就有电流信号输出，这种电流称为闪烁计数器的暗电流，一般称为本底脉冲。 4光电倍增管的光谱特性 光电倍增管的光谱特性与同材料阴极的光电管的光谱特性相似。8.2 光电器件8.2.3 光敏电阻8.2.3.1 光敏电阻的结构和工作原理 光敏电阻由梳状电极和均质半导体材料制成，基于内光电效应，其电阻值随光照而变化。图8-5示出其结构、原理。图8-5 CdS光敏电阻结构和工作原理1-玻璃；2-光电导层；3-电极；4-绝缘衬底；5-金属壳；6-黑色绝缘玻璃；7-引线 光敏电阻是纯电阻器件，具有很高的光电灵敏度，常作为光电控制用。8.2 光电器件8.2.3.2 光敏电阻的主要特性参数

10、1暗电阻、亮电阻和光电流 暗电阻：光敏电阻在室条件下，无光照时具有的电阻值，称为暗电阻（1M）。此时流过的电流称为暗电流。 亮电阻：光敏电阻在一定光照下所具有的电阻称其为在该光照下的亮电阻（1k）。此时流过的电流称为亮电流。 光电流=亮电流暗电流。 8.2 光电器件 2伏安特性 在一定光照度下，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。图8-6是CdS光敏电阻的伏安特性曲线。它是线性电阻，服从欧姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。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。图8-6 CdS光敏电阻的伏安特性 8.2 光电器件 3光照特性 在一定的偏压下，光敏电阻的光电

11、流与照射光强之间的关系，称为光敏电阻的光照特性。图8-7示出CdS光敏电阻的光照特性曲线，呈非线性，故其不宜作测量元件，一般在自动控制系统中作开关式光电信号传感元件。图8-7 光敏电阻的光照特性 8.2 光电器件 4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。光敏电阻的光谱特性如图8-8所示。图8-8 光敏电阻的光谱踏特性曲线 8.2 光电器件 5响应时间和频率特性 光敏电阻在照射光强变化时，由于光电导的驰豫现象，其电阻的变化在时间上有一定的滞后，通常用响应时间表示。响应时间又分为上升时间t1和下降时间t2，如图8-9所示。 光敏电阻上升和下降时间的长短，表示其对动态光信号

12、响应的快慢，即频率特性，如图8-10所示。光敏电阻的频率特性不仅与元件的材料有关，而且还与光照的强弱有关。 图8-10 光敏电阻的频率特性 图8-9 光敏电阻的时间响应曲线 8.2 光电器件 6温度特性 在光照一定的条件下，光敏电阻的阻值随温度的升高而下降，即温度特性，用温度系数来表示。 (8-7)式中，R1在一定光照下，温度为T1时的阻值；R2在一定光照下，温度为T2时的阻值。 图8-11 CdS光敏电阻的温度特性曲线（光照一定） 8.2 光电器件 温度不仅影响光敏电阻的灵敏度，而且还影响其光谱特性，温度升高，光谱特性向短波方向移动，如图8-12所示。7稳定性 光敏电阻在制作时经加温、光照和

13、加负载条件下一至二周的老化处理后，其稳定性很好，使用寿命相当长，合理使用，几乎无限。 图8-12 PbS光敏电阻的光谱温度特性8.2 光电器件8.2.4 光敏二极管和光敏三极管8.2.4.1 光敏管的结构和工作原理 1光敏二极管 光敏二极管的基本结构就是具有光敏特性的PN结，如图8-13（a）所示。光敏二极管在电路中处于反向工作状态，如8-13（b）所示。图8-13 光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（b）基本工作电路8.2 光电器件无光照时，反向电阻很大，电路中仅有反向饱和漏电流，一般为10-810-9A，称为暗电流，相当于光敏二极管截止；当有光照射在PN结上时，由于内光电

14、效应，产生光生电子-空穴对，使少数载流子浓度大大增加，因此，通过PN结的反向电流也随之增加，形成光电流，相当于光敏二极管导通；入射光照度变化，光电流也变化。可见，光敏二极管具有光电转换功能，故又称为光电二极管。8.2 光电器件 2光敏三极管 光敏三极管与光敏二极管的结构相似，内部具有两个PN结，通常只有两个引出电极。光敏三极管在电路中与普通三极管接法相同，管基极开路，集电结反偏，发射结正偏。如图8-14所示。图8-14 NPN型光敏二极管结构模型和基本工作电路（a）结构简化模型；（b）基本工作电路8.2 光电器件当无光照时，管集电结因反偏，集电极与基极间有反向饱和电流Icbo，该电流流入发射结

15、放大，使集电极与发射极之间有穿透电流Iceo=(1+)Icbo，此即光敏三极管的暗电流。当有光照射光敏三极管集电结附近基区时，产生光生电子-空穴对，使其集电结反向饱和电流大大增加，此即为光敏三极管集电结的光电流；该电流流入发射结进行放大成为集电极与发射极间电流，即为光敏三极管的光电流，它将光敏二极管的光电流放大(1+)倍，所以它比光敏二极管具有更高的光电转换灵敏度。 由于光敏三极管中对光敏感的部分是光敏二极管，所以，它们的特性基本相同，只是反应程度即灵敏度差(1+)倍。8.2 光电器件8.2.4.2 光敏管(光敏二极管和光敏三极管)的基本特性 1光谱特性 光敏管在恒定电压作用和恒定光通量照射下

16、，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，如图8-15所示。图中可见： Si光敏管，光谱响应波段4001300nm，峰值响应波长约为900nm； Ge光敏管，光谱响应波段5001800nm，峰值响应波长约为1500nm。 图8-15 硅和锗光敏管的光谱特性 8.2 光电器件 2伏安特性 光敏管在一定光照下，其端电压与器件中电流的关系，称为光敏管的伏安特性。图8-16是Si光敏管在不同光照下的伏安特性。图8-16 硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管8.2 光电器件 3光照特性 在端电压一定条件下，光敏管的光电流与光照度的关系，称为光敏管的光照

17、特性。Si光敏管的光照特性如图8-17所示。图8-17 硅光敏管的光电特性（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管8.2 光电器件 4温度特性 在端电压和光照度一定条件下，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。如图8-18所示。图8-18 光敏管的温度特性8.2 光电器件 5频率响应 光敏管的频率响应是指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。图8-19为硅光敏三极管的频率响应曲线。 一般情况下，锗管的频率响应低于5000Hz，硅管的频率响应优于锗管。图8-19 硅光敏管的频率响应曲线8.2 光电器件8.2.5 光电池 光电

18、池是利用光生伏特效应将光能直接转变成电能的器件，它广泛用于将太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。光电池的种类很多，应用最广的是硅光电池和硒光电池等。8.2 光电器件8.2.5.1 光电池的结构和工作原理 光电池的结构如图8-20所示，它实质上是一个大面积的PN结。当光照射到PN结上时，便在PN结两端产生电动势（P区为正，N区为负）形成电源。图8-20 硅光电池（a）结构简图；（b）工作原理示意图8.2 光电器件光电池机理： P型半导体与N型半导体结合在一起时，由于载流子的扩散作用，在其交界处形成一过渡区，即PN结，并在PN结形成一内建电场，电场方向由N区指向P区，阻止载流子的继续扩散。

19、当光照射到PN结上时，在其附近激发电子-空穴对，在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区，结果在N区聚集了电子，带负电；P区聚集了空穴，带正电。这样N区和P区间出现了电位差，若用导线连接PN结两端，则电路中便有电流流过 ，电流方向由P区经外电路至N区；若将电路断开，便可测出光生电动势。8.2 光电器件8.2.5.2 光电池的基本特性 1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，即光谱特性，如图8-21所示。 硅光电池：光谱响应范围4001200nm，光谱响应峰值波长在800nm附近； 硒光电池：光谱响应范围380750nm，光谱响应峰值波长在500

20、nm附近。图8-21 光电池的光谱特性 8.2 光电器件 2光照特性 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的关系曲线如图8-22所示。 开路电压与光照度关系是非线性的，而且在光照度为1000lx时出现饱和，故其不宜作为检测信号； 短路电流（负载电阻很小时的电流）与光照度关系在很大范围是线性的，负载电阻越小，线性度约好（见图8-23），因此，将光电池作为检测元件时，是利用其短路电流，作为电流源的形式来使用。 图8-22 硅光电池的开路电压和短路电流与光照度关系 图8-23 硅光电池在不同负载下的光照特性 8.2 光电器件 3频率特性 光电池的频率

21、特性是指其输出电流随照射光调制频率变化的关系，如图8-24所示。 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； 硒光电池响应频率较低，不宜用做快速光电转换。 图8-24 光电池的频率特性 8.2 光电器件 4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变化的关系。图8-25是硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线。由图可见： 开路电压随温度升高下降很快，约3mV/； 短路电流随温度升高而缓慢增加，约210-6A/。 5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。 图8-25 硅光电池的温度特性（照度1000lx）8.2

22、光电器件8.2.6 光控晶闸管 光控晶闸管是利用光信号控制电路通断的开关元件，属三端四层结构，有三个PN结J1、J2、J3，如图8-26所示。其特点在于控制极G上不一定由电信号触发，可以由光照起触发作用。经触发后，A、K间处于导通状态，直至电压下降或交流过零时关断。图8-26 光控晶闸管结构及其等效电路8.2 光电器件工作原理： 四层结构可视为两个三极管，如图8-26（b）所示。光敏区为J2结。若入射光照射在光敏区，产生的光电流通过J2结，当光电流大于某一阈值时，晶闸管便由断开状态迅速变为导通状态。 考虑光敏区的作用，其等效电路如图8-26（c）所示。无光照时，光敏二极管VD无光电流，三极管T

23、2的基极电流仅是T1的反向饱和电流，在正常外加电压下处于关断状态。一旦有光照射，光电流IP将作为T2的基极电流。如果T1、T2的放大倍数分别为1、2，则T2的集电极得到的电流是2IP。此电流实际上又是T1的基极电流，因而在T1的集电极上又将产生一个1 2IP的电流，这一电流又成为T2的基极电流。如此循环反复，产生强烈的正反馈，整个器件就变为导通状态。 如果在G、K间接一电阻，必将分去一部分光敏二极管产生的光电流，这时要使晶闸管导通，就必须施加更强的光照。可见，用这种方法可以调整器件的光触发灵敏度。 8.2 光电器件 光控晶闸管的伏安特性如图8-27所示。图中，E0、E1、E2代表依次增大的照度

24、，曲线01段为高阻状态，表示器件未导通；12段表示由关断到导通的过渡状态；23为导通状态。图8-27 光控晶闸管伏安特性（a）单向晶闸管；（b）双向晶闸管 光控晶闸管作为光控无触点开关使用更方便，它与发光二极管配合可构成固态继电器，体积小、无火花、寿命长、动作快，并具有良好的电路隔离作用，在自动化领域得到广泛应用。 8.3 光源及光学元件8.3.1 光源 1白炽灯 白炽灯是利用电能将灯丝加热至白炽而发光，其辐射的光谱是连续的，除可见光外，同时还有辐射大量的红外线和少量的紫外线。 2发光二极管(电能 光能) 发光二极管(Light Emitting Diode,LED)，由半导体PN结构成，能将

25、电能转换成光能的半导体器件。 特点：工作电压低（13V），工作电流小(小于40mA)，响应快（一般为10-610-9s），体积小，重量轻，坚固耐振，寿命长，比普通光源单色性好等，广泛用来作为微型光光源和显示器件。8.3 光源及光学元件 LED发光机理： 由于载流子的扩散作用，在半导体PN结处形成势垒，从而抑制空穴和电子的继续扩散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴由P区注入到N区，称为少数载流子注入。注入到P区的电子与P区的空穴复合，注入到N区的空穴与N区的电子复合，这种复合同时伴随着以光子的形式释放能量，因而在PN结有发光现象。电子与空穴复合，所释放的光子能量h也

26、就是PN结禁带宽度Eg，即Eg = h=hc/则=hc/ Eg (8-8)式中，h普朗克常数；c光速；波长。8.3 光源及光学元件 若要使LED辐射可见光（近似认为0.4时，便可得到Eg 1.8eV的材料。 LED的颜色（波长）由半导体材料禁带宽度Eg决定。 8.3 光源及光学元件 LED特性： 伏安特性 如图8-28所示，与普通二极管相似。为安全起见，反向电压应小于5V。图8-28 LED的伏安特性8.3 光源及光学元件 光谱特性 如图8-29所示。图8-29 LED的光谱特性8.3 光源及光学元件 温度影响 温度升高，LED发光强度减小，且呈线性关系。 LED的发光强度与观察角度有关 透明

27、封装体前断如为平面，则出射光成发散状，适合作指示灯用；若前端有半球形透镜，则对光线有聚光作用，正前方发光强度最大，适合于光电耦合或对某个固定目标进行照射。 除以上两种光源外，还有气体放电灯、激光器等光源。8.3.2 光学元件和光路 在光电式传感器中，必须采用一定光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射镜、透镜等。8.4 光电式传感器的应用 光电式传感器=光源+光学元件+光电元件设计应用中，要特别注意光电元件与光源的光谱特性匹配。8.4.1 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，与被测量间呈单值对应关系。主要有四种基本形式，如图8

28、-30所示。 图8-30 光电元件的应用方式（a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）辐射式8.4 光电式传感器的应用8.4.2 脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态，即“通”和“断”的开关状态，称为光电元件的开关应用状态。这种形式的光电传感器主要用于光电式转速表、光电计数器、光电继电器等。8.4 光电式传感器的应用8.4.3 应用实例 1光电式带材跑偏仪 图8-31是光电式带材跑偏仪原理图，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控制装置。 图8-31 光电式边缘位置传感器原理图 图8-3

29、2 测量电路8.4 光电式传感器的应用 带材边缘位置检测选用遮光式光电传感器，如图8-33所示，光电三极管（3DU12）接在测量电桥的一个桥臂上，如图8-32所示。 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，原理如图8-3所示。图8-33 带材跑偏引起光通量变化 图8-34 角矩阵反射器原理 8.4 光电式传感器的应用 2光电式转速计 光电转速计主要有反射式和直射式两种基本类型，如图8-35所示。图8-35 光电转速计（a）反射型；（b）直射型8.4 光电式传感器的应用 2光电式转速计图8-35 利用光电断续器测量转速和圈数1-光电断续器；2-不锈钢薄圆片；3-透光缝；4-

30、旋转物转轴8.4 光电式传感器的应用 为了提高转速测量的分辨率，采用机械细分技术，使转动体每转动一周有多个（Z）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Z（或反射型转轴上的反射体数为Z），测量电路计数时间为T秒，被测转速n(r/min)，则计数值为N=nZT/60 (8-9)为了使计数值N能直接读出转速n值，一般取ZT=6010m（m=0,1,2,） 光电脉转换电路如图8-36所示。图8-36 光电脉冲转换电路8.4 光电式传感器的应用 3光电池在光电检测和自动控制方面的应用 主要利用光电池的光电特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本光电转换电路与其它电子线路组合，可

31、实现检测和自动控制的目的。如图8-37、图8-38所示。8.4 光电式传感器的应用图8-37 光电池应用的几种基本电路8.4 光电式传感器的应用图8-38 路灯自动控制器8.4 光电式传感器的应用 4光电耦合器 将发光器件与光电元件集成在一起便构成光电耦合器，如图8-39所示。图8-39 光电耦合器典型结构（a）窄缝透射式；（b）反射式；（c）、（d）全封闭式8.4 光电式传感器的应用 ST188光电反射式传感器8.5 光纤传感器8.5.1 光导纤维导光的基本原理 图8-40 光纤的基本结构 8.5 光纤传感器8.5.1 光导纤维导光的基本原理 1光导纤维的结构 光纤结构如图8-40所示。 纤

32、芯，玻璃或石英，直径为几十微米，折射率n1； 包层，玻璃或塑料，=100200m , 折射率n2； 保护层，塑料，折射率n3； 其中n2n390时，光线发生全反射，ic =arcsinNA； rsinc =NA，iarcsinNA，光线散失。8.5 光纤传感器 c是入射光线在纤芯中全反射传输的临界角，只要入射角小于c，全反射条件成立。NA越大，c也越大，满足全反射条件的入射光的范围也越大。因此，NA是光纤的一个重要参数。 传感器所用光纤一般要求： 0.2NA0.4(11.5 c 23.6)；传输损耗10dB/km。 光纤的“模” 光纤中能传输的光波是其横向分量在光纤中形成驻波的光线组。这样一些

33、光线组称为“模”。通信技术上常用的光纤模式： 单模（基模）光纤：510m纤芯，只能传输一个模式（基模）的光波； 多模光纤：50150m纤芯，传输多种模式的光波。8.5 光纤传感器光在光纤中的传播 8.5 光纤传感器8.5.2 光纤传感器的结构和类型 结构：光纤传感器一般由光源、敏感元件、光纤、光敏元件（光电接收）和信号处理系统组成。 类型： 按工作原理分类： 1功能型光纤传感器 利用光纤本身的某种特性或功能制成的传感器，如图8-42（a）所示。功能型光纤传感器只能用单模光纤。 2传光型光纤传感器 光纤仅仅起传输光波的作用，必须在光纤端面加装其它敏感元件，才能构成传感器，如图8-42（b）所示。

34、传光型光纤传感器主要采用多模光纤。8.5 光纤传感器图8-42 光纤传感器类型（a）功能型；（b）传光型 8.5 光纤传感器 按对光波的调制方式分类： 1.强度调制型光纤传感器 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感测量的传感器。 2.相位调制型光纤传感器 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，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。 3.频率调制型光纤传感器 利用被测对象引起光频率的变化来进行检测的传感器。 4.偏振调制型光纤传感器 利用光的偏振状态的变化来传递被测对象信息的传感

35、器。8.5 光纤传感器8.5.3 光纤传感器的应用8.5.3.1 光纤位移传感器 1光纤开关与定位装置 利用光纤中光强度的跳变（开关）来测出各种移动物体的极端位置，输出信号是跳变信号。 8.5 光纤传感器 简单光纤开关、定位装置，如图8-43所示。 图8-43(a)：光纤计数；测位移（工件间隔均匀、已知）。 图8-43(b)：测角为移；测转速。 图8-43(c)：工件加工定位装置。 图8-43(d)：光纤液位检测、控制装置。图8-43 简单光纤开关定位装置8.5 光纤传感器 移动球镜式光纤开关传感器，如图8-44所示。 图8-44 移动球透镜位移传感器（a）原理图；（b）光强比值与位移关系8.

36、5 光纤传感器 2.传光型光纤位移传感器 由两段光纤构成，当它们之间产生相对位移时，通过它们的光强发生变化，从而达到测量位移的目的。 反射型光纤位移传感器，如图8-46所示。 图8-46 反射型光纤位移传感器（a）原理图；（b）输出电压与位移关系8.5 光纤传感器 直射型光纤位移传感器，如图8-45所示。图8-45 直射型光纤位移传感器8.5 光纤传感器 图8-45光栅式光纤水声传感器输出光纤输入光纤光栅膜片相对位移/m 相对光强8.5 光纤传感器 其它光纤位移传感器，如图8-47所示。图8-47 光纤位移传感器（a）档光型；（b）楔合型8.5 光纤传感器 3.受抑全内反射光纤位移（液面）传感

37、器 基于全内反射被破坏，而导致光纤传输特性改变的原理，可以制成位移传感器来测位移、压力温度、液位等。 受抑全内反射光纤位移传感器，如图8-48所示，直接耦合。图8-48 受抑全内反射位移传感器8.5 光纤传感器 棱镜式全内反射光纤位移传感器，如图8-49所示，棱镜耦合。 图8-49 棱镜式全内反射光纤位移传感器8.5 光纤传感器 全内反射光纤液面探测器，如图8-50所示，空气耦合。 图8-50 光纤液面探测器（a）圆锥体测头；（b）U型测头；（c）棱镜测头8.5 光纤传感器 光纤液体分界面探测器，如图8-51所示，液体耦合。 图8-51 光纤液体分界面探测器（a）原理图；（b）改进测头8.5

38、光纤传感器 4光纤干涉型位移传感器 为了提高测量精度或扩大测量范围，常使用相位调制的光纤干涉仪作为位移传感器。 迈克尔逊（Michelson）光纤干涉仪，如图8-52所示。被测量引起棱镜5位移，从而改变测量光束光程，与参考光束间产生光程差，致使干涉条纹移动。干涉条纹量反映被测位移的大小，测位移。图8-52 迈克尔逊光纤位移干涉仪8.5 光纤传感器 法布里-泊罗（Fabry-Perot）光纤干涉仪，如图8-53所示。振动模片5与光纤4端面间的多光束干涉（F-P干涉仪）受其间距的影响，可测振动模片的位移或振动。分辨率极高，能反映0.01的微小位移。 图8-52 Fabry-Perot光纤位移干涉仪

39、1-He-Ne激光光源；2-透镜；3-半反镜；4-单模光纤；5-振动模片；6-光探测器8.5 光纤传感器 5功能型光纤压力传感器 图8-54是一种功能型光纤压力传感器原理原理图。 基本原理：利用光纤微弯损耗效应，可测压力或位移。 压力（位移） 光纤微弯 传输光全反射条件受到一定破坏 光传输损耗。图8-54 功能型光纤压力传感器原理图1-He-Ne激光光源；2-固定齿板；3-光电元件；4-活动齿板；5-单模光纤8.5 光纤传感器8.5.3.2 光纤加速度传感器 1马赫-泽德干涉仪光纤加速度计 图8-55是利用马赫-泽德（Mach-Zehnder）干涉仪的光纤加速度计实验装置。 加速度a 质量块m

40、产生惯性力（ma） 圆柱顺变体变形 绕在顺变柱体上的单模光纤伸缩 产生传输光光程（相位）差 干涉条纹（信号）变化。图8-55 光纤加速度计实验装置 8.5 光纤传感器 马赫-泽德干涉仪输出电压与加速度的关系曲线如图8-55所示，线性度很好。 图8-56光纤加速度干涉仪输出电压与加速度的关系 8.5 光纤传感器 2倾斜镜式光纤加速度计 图8-57是倾斜镜式光纤加速度计原理图，基于光强度调制原理： 加速度a 质量块（含倾斜镜）m惯性力ma 悬臂梁弯曲变形 倾斜镜倾斜 反射光偏移 两接收光纤光强差异。图8-57 倾斜镜式光纤加速度计原理图 1-黄铜支撑体；2-黄铜板悬臂梁3-质量块；4-倾斜镜；5-

41、自聚焦透镜6-光纤套筒；7-输入光纤；8-输出光纤 图8-58 输入与接收 光纤排列图1-输入光纤；2、3-输出光纤4-反射镜图8-59 悬臂梁变形图8.5 光纤传感器8.5.3.3 光纤振动传感器 输出光纤输入光支架悬臂光纤质量块阻尼油8.5 光纤传感器8.5.3.3 光纤振动传感器 1相位调制光纤振动传感器 图8-60为检测垂直表面振动分量的光纤振动传感器原理图。 振动体振动 反射体位移 反射光束光程（相位）改变 信号光束与参考光束间相位差 干涉。 特性： 可测振动体垂直分量振幅和面内振动振幅，线性度好； 垂直分量振幅，106m； 表面内振动振幅，0.5107m； 可测频率范围：1kHz3

42、0MHz。图8-60 垂直表面振动分量光纤振动传感器原理图8.5 光纤传感器 2光弹效应光纤振动传感器 光弹效应 透明的各向同性介质在机械应力作用下，显示出光学上的各向异性而产生双折射现象称为光弹性效应。 应力 双折射现象 线偏振光 o光、e光（相互正交） neno=kp 其中，p应力，p=F/S，S为正受力F处的面积；ne、no分别为e光、o光的折射率，k非晶体E应变光学系数。 两束光（e光、o光）穿过厚度为d的物体后，产生的相位差为 相互正交、具有一定相位差的e光、o光，经偏振器N后，又变成同一振动方向、具有相位差的两束相干光，在屏幕上产生干涉现象（偏振光干涉）图8-61 观察应力双折射现

43、象8.5 光纤传感器 图8-62就是利用光弹效应制成的光纤振动传感器原理示意图。质量块受振动作用产生惯性力作用在光弹元件4上，使其成为以振荡方向为光轴的双折射晶体。起偏器3和检偏器7的偏振化方向均与振荡方向成45角。光源1发出的光经光纤投射到起偏器3变为线偏振光，通过光弹元件4后变成振幅相等、具有一定相位差的e光、o光，再经检偏器7的作用而产生干涉现象，由光电探测器2检测干涉光强的变化，从而达到测压力或振动的目的。图8-62 光纤振动传感器结构示意图8.5 光纤传感器8.5.3.4 光纤温度传感器 1传光型光纤温度传感器 图8-63为半导体吸光型光纤温度传感器示意图。 测温原理：半导体感温元件

44、的吸光性与温度有关，从而达到检测温度的目的。半导体材料的光透过率与温度的特性曲线如图8-64所示。图8-63 半导体吸光型光纤温度传感器 图8-64 半导体的光透过率特性曲线（a）装置简图；（b）感温探头 1-光源光谱分布；2-透过率曲线8.5 光纤传感器 2相位调制型光纤温度传感器 图8-65是Mach-Zehnrer光纤温度传感器原理图。 测量臂光纤受到温度场的作用时，传输光产生相应的相位变化，与参考臂光纤传输的光之间产生一定的相位差，从而引起干涉条蚊的移动。光探测器接收干涉移动的变化信息反映被测温度的变化。 图8-65 Mach-Zehnrer光纤温度传感器8.5 光纤传感器8.5.3.

45、5 光纤流速、流量传感器 1激光多普勒（Doppler）测速传感器 图8-66是光纤激光多普勒测速传感器示意图，把光纤探头以与管中心线夹角的方向插入管道中，由光纤梢端发出的激光被运动流体中微粒散射，产生多普勒频移的散射光信号，再由同一光纤耦合回传，并与原信号光重叠产生差拍。 多普勒频移 式中，n运动微粒折射率；v微粒运动速度；激光波长。图8-66 光纤激光测速系统原理图8.5 光纤传感器 2光纤旋涡流量计 涡街现象：流体通过障碍物，在障碍物后会形成两列旋涡，呈交替平行状，犹如“街灯”，故称“涡街”，或“卡曼（Kamrman）涡街”，如图8-67所示。障碍物在涡街作用下，产生横向振动，其振动频率

46、为 （8-32）式中，v流体流速；d光纤（障碍物）直径；St斯特劳哈尔常数。 图8-67 卡曼涡街形成原理8.5 光纤传感器从式（8-32）可见f 与v长正比。测得流速v后便可测流体的流量Q=Sv（S为流管截面积）。图8-68为光纤旋涡流量计结构示意图。图8-68 光纤旋涡流量计8.6 红外传感器8.6.1 红外辐射基本知识 红外辐射即红外线。红外辐射范围：0.761000 m ；红外传感器中主要应用波长0.840m的红外线。 8.6 红外传感器 图8-69示出黑体的发射本领按波长和温度的分布曲线。一般物体热辐射特性与此相似。 图8-69 黑体发射本领按波长和温度的分布8.6 红外传感器 1基

47、尔霍夫（Kirechhoff）定律 物体在一定温度下，与外界处于热平衡时，单位时间内从单位面积发射出的辐射能（即发射本领）ER为ER =E0 （8-33）式中，物体的吸收系数； E0常数，绝对黑体在相同条件下的发射本领。8.6 红外传感器 2斯忒藩波尔兹曼（Stefan-Boltzmann）定律 物体温度越高，向外辐射的能量越多。在单位时间内，物体单位面积辐射的总能量ER为ER =T4 （8-34）式中，T物体的绝对温度（K）；Stefan-Boltzmann常数，=5.6710-8W/(m2K4)；比辐射率，黑体的=1，一般物体的1。 3维恩（Wien）位移定律 红外辐射的电磁波中包含各种波

48、长，其辐射能谱峰值波长m与物体自身的温度T成反比，即m=2898/T (m) (8-35)由上式可见，随着温度T的升高，其能谱峰值波长m向短波方向移动。 8.6 红外传感器8.6.2 红外探测器红外线 电信号8.6.2.1 热探测器 利用红外线的热效应，采用热敏器件将红外线转换为电信号。 红外线 热（温度） 电信号 热敏器件 8.6 红外传感器 1热敏电阻型探测器 热敏电阻红外探测器如图8-70所示。图8-70 热敏电阻红外探测器（a）结构；（b）桥式测量电路8.6 红外传感器 2热电偶型探测器（热电堆光敏器件） 用多个微型热电偶串联起来，将其工作端密集地排列在很小的面积上，使入射红外线照射在

49、工作端上，参考端则处于掩蔽场所，可以获得一定的热电势。对波长无选择性，响应频率范围宽；时间常数大，不能测快速变化的红外辐射。 利用薄膜技术制作微型热电偶；适当选择窗口材料，便可得到所需的光谱范围。8.6 红外传感器 3高莱气动型探测器 利用气体吸收红外线后温度升高、体积增大的特性，来反映红外辐射的强弱。其结构原理如图8-71所示。灵敏度高，性能稳定；但响应时间长，结构复杂。图8-71 气动红外探测器机构8.6 红外传感器 4热释电型探测器 热释电效应：若使某些强电介质的表面温度发生变化，在这些物质表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。 热释电传感器： 红外辐射 热（温度） 电荷8.

50、6 红外传感器 热释电红外传感器结构如图8-72所示。图8-72 热释电红外传感器（a）外形；（b）内部结构；（c）电路8.6 红外传感器 热释电红外光敏元件材料，主要是压电陶瓷和陶瓷氧化物，如LiTaO3，锆钛酸铅 (PZT) 等。 热释电红外光敏元件只能测动态信号，不能测静态信号，入射光必须调制成脉冲光进行检测。 热释电红外光敏元件内阻极高（可达1013），输出电压极其微弱，则须进行阻抗变换和信号放大才能应用，测量电路图8-72（c）所示。 热释电红外光敏元件光谱响应范围宽（0.220m），采用不同材料的滤光片作为窗口，使其光谱响应范围宽变窄，以适应不同的用途。如人体（36）红外辐射峰值波

51、长m=9.4m，则人体热释电红外传感器的滤光片选取7.514m波段为好。8.6 红外传感器8.6.2.2 光子探测器 光子探测器就是利用某些半导体材料在入射光照射下，产生光子效应，使材料电学性质发生变化，通过测量其电学性质的变化，达到测量红外辐射强弱的目的。 特点：灵敏度高；响应快；探测波段窄；需在低温下工作。 分类： 外光电探测器（PE器件），利用外光电效应的光电管和光电倍增管； 内光电探测器，光电导探测器（PC器件），光生伏特探测器（PU器件），光磁电探测器（PEM器件）。8.6 红外传感器 1.光电导探测器（PC器件） 利用光电导效应制成的探测器，称为光电导探测器，如图8-73所示。光敏

52、材料主要有：PbS，PbSe，InSb，HgCdTe等。图8-73 红外光电转换电路及信号波形M-调制盘；R-光电导电阻RL-负载电阻8.6 红外传感器 2光生伏特探测器（PU器件） 利用光生伏特效应制成的探测器，称为光生伏特探测器，光敏材料主要有：InAs，InSb，HgCdTe等。 3光磁电探测器（PEM器件） 光磁电效应：当红外线照射到某些半导体材料的表面上时，材料表面的电子和空穴向内部扩散，在扩散过程中若受到强磁场的作用，电子和空穴则各偏向一边，因而产生开路电压，这种现象称为光磁电效应。 利用光磁电效应制成的红外探测器称为光磁电探测器。 特点：毋须致冷；响应波段达7m；时间常数小，响应

53、快；不用加偏压；内阻极低；噪声小；稳定、可靠；灵敏度低。 8.6 红外传感器8.6.3 红外传感器的应用8.6.3.1 红外测温技术 特点：应用广，适合于远距离和非接触测量，特别适合于高速运动体、带电体、高温、高压物体的温度测量；响应快；灵敏度高；准确度高（可达0.1）；测温范围宽（摄氏零下几十度到零上几千度）；等。 分类： 按测温工作原理分：全辐射测温；亮度测温；比色测温。 按量程分：低温（100以下）；中温(100700)，高温（700以上）。8.6 红外传感器 红外测温仪： 红外测温仪基本结构如图8-74所示，主要由光学系统、调制器、探测器、放大器和指示器等组成。图8-74 红外测温仪结

54、构原理图8.6 红外传感器8.6.3.2 红外成像 红外成像就是把物体的温度分布转换成图像以直观、形象的热图形式显示出来。 不同温度 不同的红外辐射 不同的电信号 热图8.6 红外传感器 1红外变像管成像 红外变像管是直接把物体红外图像变成可见图像的电真空器件，主要由光电阴极、电子光学系统和荧光屏三部分组成，并整体安装在高真空密封玻璃壳内，如图8-75所示。图8-75 红外变像管示意图1-光电阴极；2-引管；3-屏蔽环；4-聚焦加速电极；5-荧光屏8.6 红外传感器 2红外摄像管 结构：红外摄像管是将物体的红外辐射转换成电信号，经过电子系统放大处理，再还原为光学像的成像装置。主要有光电导摄像管

55、、硅靶摄像管和热释电摄像管等。 热释电摄像管是一种较好的红外成像器件，基本结构如图8-76所示。图8-76 热释电摄像管结构简图1-锗透镜；2-锗窗口；3-栅网；4-聚焦线圈；5-偏转线圈；6-电子束；7-阴极；8-栅极9-第一阳极；10-第二阳极；11-热释电靶；12-导电膜；13-斩光器8.6 红外传感器 工作原理： 基于热释电效应 物体的红外辐射经光学系统成像在用热释电材料薄片制作的靶面上，靶面吸收红外辐射，温度升高释放出电荷。 物体表面红外辐射分布 靶面的辐照度 靶面的温度分布 靶面的热释电荷分布 扫描视频信号 热像图。 特点：工作波段长；不用制冷；结构简单可靠；价格低廉；静止物体成像时，必须对物体的辐射进行调制；对于运动物体成像毋须调制，适合于动态物体红外成像，应用广泛。8.6 红外传感器8.6.3.3 红外分析 根据物质的红外吸收特性制成红外分析仪，分析物质组成和百分比含量。根据不同目的设计出多种红外分