传感技术及应用9光电式传感器课件

§8-1光源第八章光电式传感器热辐射光源气体放电光源电致发光器件激光器

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。§8-1光源第八章光电式传感器热辐射光源第八章光电式传感器一、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、卤钨灯第八章光电式传感器一、热辐射光源原理：热物体都会向空间发出第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生发光现象特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材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：日光灯第八章光电式传感器二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快代表：发光二极管第八章光电式传感器三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场第八章光电式传感器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件特点：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、液体激光器第八章光电式传感器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现第八章光电式传感器§8-2光电效应与光电器件一、光电效应

光电传感器的工作原理基于光电效应

光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子——光子所组成，每一个光子能量为：h——普朗克常数，6.626×10-34J.s；f——光的频率（s-1）。光电效应：当光照射物体时，物体受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，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。第八章光电式传感器§8-2光电效应与光电器件一、光电效光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。第八章光电式传感器

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：

不同材料有不同的逸出功，对某种材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，也不能激发电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λK为：m——电子质量；v0——电子逸出速度；A0——物体的表面电子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，第八章光电式传感器3、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现象。典型光电元件有光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。2、内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。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。第八章光电式传感器3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体二、光电器件

第八章光电式传感器1、外光电效应应用器件光电管金属底层光电管光透明光电管A——阳极，K——阴极

当阴极受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→电信号二、光电器件第八章光电式传感器1、外光电效应第八章光电式传感器伏安特性入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。第八章光电式传感器伏安特性入射光的频谱及光通量一定时，阳极第八章光电式传感器光电倍增管

倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子；倍增极之间有依次增大的加速电压。二次发射系数

由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。AK第八章光电式传感器光电倍增管倍增极上的涂料在电子轰击第八章光电式传感器

倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数σi

的乘积。如果n个倍增电极的σi都一样（），则所以式中，i为光电阴极的光电流第八章光电式传感器倍增系数M等于各倍增电极的二次发射第八章光电式传感器几种光电倍增管的外形第八章光电式传感器几种光电倍增管的外形第八章光电式传感器2、内光电效应应用器件：结构暗电阻暗电流亮电阻亮电流光电流光敏电阻用半导体材料制成一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。第八章光电式传感器2、内光电效应应用器件：结构暗电阻第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光照射——光电子空穴对——光生载流子——内建电场作用——光电流——PN结反向导通应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速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。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，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。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。第八章光电式传感器光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光3、光生伏特效应应用器件：第八章光电式传感器光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——P－N结常见器件：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。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。3、光生伏特效应应用器件：第八章光电式传感器光照射——光电第八章光电式传感器太阳能电池片第八章光电式传感器太阳能电池片70年代发展起来，发展自MOS器件

MOS光敏单元阵列读出移位寄存器用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用：摄像机固态图像拾取。图像传感器第八章光电式传感器4、电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，简称CCD）70年代发展起来，发展自MOS器件图像传感器第八章光电式传第八章光电式传感器1）MOS光敏单元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型衬底SiO2电极

施加正电压于电极上——P型区形成势阱——产生电子和空穴——势阱俘获电子（与光强成正比）——形成MOS光敏元（象素）光第八章光电式传感器1）MOS光敏单元V1=5VV2=10V第八章光电式传感器2）CCD时钟电压与电荷传输关系132遮光层氧化物P型硅金属读出移位寄存器123tt1t2t3t4读出移位寄存器是电荷图像输出电路第八章光电式传感器2）CCD时钟电压与电荷传输关系13第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器3）线阵与面阵CCD单通道线阵转移栅光积分单元不透光输出移位寄存器感光区：一列光敏单元组成；传输区：由转移栅及一系列移位寄存器组成。原理：光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。第八章光电式传感器3）线阵与面阵CCD单通道线阵转移栅光积光积分区输出转移栅双通道线阵第八章光电式传感器A寄存器B寄存器原理：有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的电荷转移到B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。光积分区输出转移栅双通道线阵第八章光电式传感器A寄存器B寄光照输出面阵：光敏元排列成矩阵第八章光电式传感器光敏元面阵、存储器面阵、读出移位寄存器线阵。光照输出面阵：光敏元排列成矩阵第八章光电式传感器光敏元面阵第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器5、位置敏感器件

（PositionSensitiveDetector-PSD）

分类：一维、二维。PNI123I1I2I0LLx入射光原理见教材P137第八章光电式传感器5、位置敏感器件

（Position第八章光电式传感器优点：高灵敏度、高分辨力、响应速度快、配置电路简单等应用范围：位置精确测量、兵器制导和跟踪、工业自动控制等第八章光电式传感器优点：高灵敏度、高分辨力、响应速度快、配第八章光电式传感器产品第八章光电式传感器产品第八章光电式传感器棱镜系统或光栅光源汇聚光组CCD面阵步进系统XY驱动控制系统信号采集系统信号处理系统计算机系统测量系统信号采集处理系统例1仿形加工中的测量技术第八章光电式传感器棱镜系统或光栅光源汇聚光组CCD面阵步进驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23例2：邮政编码识别系统第八章光电式传感器驱动电路分类机构计算机细化二值化传送带CCD透镜1分类箱23RFIDTag汽车车牌RFIDReaderCCD後端資料庫後端電腦触发存取資料收发信号拍照通过API传送传回信号第八章光电式传感器例3：汽车信息无线传送系统RFIDTag汽车车牌RFIDReaderCCD後端資料一、概述

脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数进行加或减，从而记录了旋转的位移量。绝对式：它可以在任意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。§8-3光电码盘第八章光电式传感器一、概述脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出第八章光电式传感器

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。下图是工作原理示意图。1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-元件。二、工作原理

由光源1发出的光线经柱面镜2变成平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按照一定规律排列的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线镜狭缝4后，形成一束很窄的光束照射到光电元件5上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。第八章光电式传感器光学码盘式传感器是用1、增量式编码器结构及原理第八章光电式传感器1、增量式编码器结构及原理第八章光电式传感器2、绝对式编码器原理第八章光电式传感器

绝对式光电编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。绝对式光电编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。2、绝对式编码器原理第八章光电式传感器绝对式光电编码器1、下图所示是一个6位的二进制码盘。三、码盘和码制第八章光电式传感器黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个六位光电码盘上，有四六圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为26=64个。1、下图所示是一个6位的二进制码盘。三、码盘和码制第八2、误差问题

1）编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率则决定于码道的数目。

措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道（对工艺提出很高要求）

2）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前或延后，会造成读码误差。

解决措施：a、编码技术；b、扫描技术

第八章光电式传感器2、误差问题第八章光电式传感器3、循环码盘

右图为6位循环码码盘。（1）n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有一位变化。第八章光电式传感器3、循环码盘第八章光电式传感器十进制数、直接二进制码和循环码对照表DBGDBG十进制二进制循环码十进制二进制循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困难：循环码变为十进制数电路复杂第八章光电式传感器十进制数、直接二进制码和循环码对照表DBGDBG十进制二进四、应用光学码盘测角原理光放大鉴幅整形纠错当量变换寄存显示译码

光源聚光镜码盘狭缝光电元件

光源1通过大孔径聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。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5输出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后译码显示。纠错电路和寄存电路在需要时采用。第八章光电式传感器四、应用光学码盘测角原理光放大鉴幅整形纠错当量变换寄存显五、产品第八章光电式传感器五、产品第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器？思考题为什么BCD码制的码盘会产生误差？循环码的特点。一个10码道的循环码码盘，其最小分辨力为多少？第八章光电式传感器？思考题为什么BCD码制的码盘会产生误差？第八章光电式传感第八章光电式传感器§8-4光纤传感器

光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。第八章光电式传感器§8-4光纤传感器光(导)纤(维特点：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……第八章光电式传感器特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 第八章光电式传感器一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构

注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯包层外套第八章光电式传感器一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构2.光纤的分类1）按折射率分布折射率变化规律分类阶跃型梯度型

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。第八章光电式传感器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，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，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，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。2.光纤的分类折射率变化规律阶跃型梯度型采用梯度型光2）按传输模式

光纤传输模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，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。第八章光电式传感器

在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。2）按传输模式光纤传输模式是指光波

一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤。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、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大（50~100μm），传输模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异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。第八章光电式传感器一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一3.光纤的导光原理第八章光电式传感器光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。3.光纤的导光原理第八章光电式传感器光是一种电磁波,一般斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2时，2

＞1

。(a)光的折射示意图

可见，入射角1增大时，折射角2也随之增大，且始终2

＞1

。n1、n2、2

、1之间的数学关系为n1sin1=n2sin2

n1n212第八章光电式传感器斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（第八章光电式传感器当2=90º时，1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态（1→

10

）。这时有n1n2(b)临界状态示意图2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2

＝sin90º＝1临界角n1n2(c)光全反射示意图12当1

＞i0并继续增大时，2

＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)

，其出射光不再折射而全部反射回来。第八章光电式传感器当2=90º时，1仍＜90º，此时n1n2n0阶跃型光纤传光示意图011？习题：

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？第八章光电式传感器n1n2n0阶跃型光纤传光示意图011？习题：第八章4.光纤特性1）数值孔径

数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数。2）损耗：光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数第八章光电式传感器入射端光功率出射端光功率4.光纤特性1）数值孔径2）损耗：第八章光电式传感器入射吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料损耗。散射损耗，是由于材料密度及浓度不均匀引起的。光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。第八章光电式传感器吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料二、光纤传感器的结构及特性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、结构型、强度型、混合型(光纤只作为传光介质)光纤传感器可测参量电流磁场、电压电场；温度速度振动、压力射线图像第八章光电式传感器二、光纤传感器的结构及特性光纤传感器分类功能型传感器：传感型第八章光电式传感器

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线第八章光电式传感器以电为基础的传统传感器是

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作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决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、信号处理系统以及光纤等组成。由光源发出的光通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，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。

第八章光电式传感器在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，(1)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大类。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”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因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器第八章光电式传感器(1)根据光纤在传感器中的作用信号处理光受信器光纤敏感元件第八章光电式传感器

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。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，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤

3）拾光型光纤传感器

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式光纤温度传感器等。

信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象第八章光电式传感器2）非功能型（或称传光型）光纤传感光纤传感器的基本结构测量对象测量对象测量对象测量对象功能型传光型传光型传光（拾光）型第八章光电式传感器光纤传感器的基本结构测量对象测量对象测量对象测量对象功能型传

（2）根据光受被测对象的调制形式形式：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

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感测量的传感器。有利用光纤的微弯损耗；各物质的吸收特性；振动膜或液晶的反射光强度的变化；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；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、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点：结构简单、容易实现，成本低。缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。第八章光电式传感器（2）根据光受被测对象的调制形式第八章光电式

2）偏振调制光纤传感器

是一种利用光偏振态变化来传递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。这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。

3）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频率发生变化来进行监测的传感器。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、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测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。

第八章光电式传感器2）偏振调制光纤传感器第八章光电式传感器

4）相位调制传感器

其基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，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，通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、磁场传感器；利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用光纤赛格纳克（Sagnac）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很高。但由于须用特殊光纤及高精度检测系统，因此成本高。

第八章光电式传感器4）相位调制传感器第八章光电式传感器

光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉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、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非

干

涉

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：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制三、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；偏振态调制；波长调制

微弯效应：光纤在微弯时引起纤芯中传输的光部分投入包层（全反射条件受到一定破坏），造成传输损耗，微弯程度不同，泄漏光波的强度也不同，从而达到光强度调制的目的。第八章光电式传感器三、光纤传感器举例

基1008060402000.51.01.52.0透射光强%外力N第八章光电式传感器1008060402000.51.01.52.0透射光强%外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光接受器信号处理输出电流导线第八章光电式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非功能型光纤传感器测温应用GaAs半导体光吸收片E1E2输出温度测量范围：-20~300C；误差3C第八章光电式传感器非功能型光纤传感器测温应用GaAs半导体光吸收片E1E2输出第八章光电式传感器测量原理：利用多数半导体的能带随温度的升高而减小的特性。材料吸收波长随温度增加而向长波方向移动，可以使透射过半导体材料的光强随温度而改变，达到测温的目的。第八章光电式传感器测量原理：利用多数半导体的能带随温度的升第八章光电式传感器第八章光电式传感器光纤液位传感器原理：基于全内反射理论

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，而返回到光电二极管；当测头接触液面，由于液体与空气折射率不相同，所以全内反射被破坏，将有部分光线投入液体，使返回光电二极管的光强变弱。返回光强是液体折射率的函数。返回光强发生突变时，测头已接触到液位。第八章光电式传感器光纤液位传感器原理：基于全内反射理论第八章光电式传感器圆锥测头U型测头

同时可以测定不同折射率的液体和同一种溶液的不同浓度。第八章光电式传感器圆锥测头U型测头同时可以测定不同折射率的液体和同一种溶反射光强调制型光纤传感应用P+－放大滤波2040608010020406080100膜片振动m反射光强%第八章光电式传感器反射光强调制型光纤传感应用P+－放大滤波204060801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。通过对这些变量的测量，就可以得到加速度数值。第八章光电式传感器光纤速度、加速度传感器原理：一定质量的物体在加速度作光纤传感器优缺点优点：功能强，且光纤本身是敏感器件；抗电磁干扰，安全。缺点：技术难度大、结构复杂、调整困难。第八章光电式传感器光纤传感器优缺点优点：功能强，且光纤本身是敏感器件；第八章四、产品压力应力温度第八章光电式传感器四、产品压力应力温度第八章光电式传感器温度、应变仪分析仪网络分析仪第八章光电式传感器温度、应变仪分析仪网络分析仪第八章光电式传感器光栅定义：在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。特点：1）精度高；2）大量程测量兼有高分辨力；3）可实现动态测量；4）具有较强的抗干扰能力。测量领域：主要是几何量（线位移和角位移）测量。其它包括振动、速度、应力、应变等。（如数控机床上的线位移和角位移量，用来进行自动控制）§8-4光栅式传感器第八章光电式传感器光栅定义：在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，第八章光电式传感器一、光栅的类型和结构

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。计量光栅按形状又可分为长光栅和圆光栅。

第八章光电式传感器一、光栅的类型和结构计量光栅可尺身尺身安装孔

反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装孔可移动电缆光栅的外形及结构防尘保护罩的内部为长磁栅第八章光电式传感器尺身尺身安装孔反射式扫描头扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续）第八章光电式传感器扫描头（与移动部件固定）光栅尺可移动电缆光栅的外形及结构（续反射式光栅第八章光电式传感器反射式光栅第八章光电式传感器透射式光栅第八章光电式传感器透射式光栅第八章光电式传感器透射式圆光栅固定第八章光电式传感器透射式圆光栅固定第八章光电式传感器1、定义

二、莫尔条纹θBaabbW第八章光电式传感器

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起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。1、定义二、莫尔条纹θBaabbW第八章光电式传感器2、亮带与暗带之间的距离B第八章光电式传感器横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定2、亮带与暗带之间的距离B第八章光电式传感器横向莫尔条莫尔条纹演示第八章光电式传感器莫尔条纹演示第八章光电式传感器3、莫尔条纹的特点光学放大作用：由上式可知，虽然光栅常数W很小，但只要调整夹角θ，即可得到很大的莫尔条纹的宽度B，起了放大作用。

放大倍数：光学概念上的每毫米刻线要刻很多条，由于栅距很小，不易观察，但形成的莫尔条纹却清晰可见。？某光栅每毫米刻线100条，光学放大倍数为1000，当光栅移动一个栅距时，就移动一个莫尔条纹，问产生的莫尔条纹有多宽？第八章光电式传感器10mm答案3、莫尔条纹的特点光学放大作用：由上式可知，虽然光栅常数W很均衡误差作用

由大量栅线共同形成的莫尔条纹对光栅栅线的刻线误差有均衡作用，提高了测量精度。连续变倍作用

光栅的栅距是固定的，不同的倾斜角θ将可获得相应宽度的莫尔条纹，当θ连续变化时，考虑到光学放大作用，莫尔条纹的宽度也是连续变倍地变化。因此，可用改变θ的大小来选择任意粗细的莫尔条纹。第八章光电式传感器均衡误差作用第八章光电式传感器莫尔条纹光学放大作用举例题

有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角=1.8，则：分辨力=栅距W=1mm/50=0.02mm=20m（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）莫尔条纹的宽度约是栅距的32倍：

B≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。第八章光电式传感器莫尔条纹光学放大作用举例题有一直线光栅，每毫三、光栅传感器测量位移的原理

1、组成：光源、主光栅、指示光栅和光电器件

abcdefgxUU0Um2、工作原理：第八章光电式传感器通过光电元件，可将莫尔条纹移动时光强的变化转换为近似正弦变化的电信号，如图所示。

其电压为：三、光栅传感器测量位移的原理1、组成：光源、主光栅、指示光光电元件输出电压与光栅的位移量x成正弦函数关系式中：U0为输出信号的直流分量；

Um为输出信号幅值；W为栅距。

由上式可知，利用光栅可以测量位移量x的值。当位移量变化一个栅距W

时，其输出U变化一个周期，若对输出正弦信号整形成变化一个周期输出一个脉冲，则脉冲数与移过的栅距数是一一对应的第八章光电式传感器光电元件输出电压与光栅的位移量x成正弦函数关系式中：U0为输3、细分技术目的：精密测量中，为测量比一般栅距更小的位移量。思路1：使光栅具有很高的刻线密度。

困难：技术工艺上难以实现思路2：细分技术

在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲（一般是4个），以提高分辨率。

措施：机械细分和电子细分第八章光电式传感器3、细分技术目的：精密测量中，为测量比一般栅距更小的位移量。四、产品位移第八章光电式传感器四、产品位移第八章光电式传感器量程：70mm～2170mm精度：0.0005mm量程：50mm～2200mm精度：0.0001mm第八章光电式传感器量程：70mm～2170mm量程：50mm～2200mm第八检测小物体角位移第八章光电式传感器检测小物体角位移第八章光电式传感器第八章光电式传感器五、应用介绍光栅在机床上的安装位置（2个自由度）第八章光电式传感器五、应用介绍光栅在机床上的安装位置（2个第八章光电式传感器光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显表第八章光电式传感器光栅在机床上的安装位置（3个自由度）数显第八章光电式传感器安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部第八章光电式传感器安装有直线光栅的数控机床加工实况防护罩§8-1光源第八章光电式传感器热辐射光源气体放电光源电致发光器件激光器

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。§8-1光源第八章光电式传感器热辐射光源第八章光电式传感器一、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、卤钨灯第八章光电式传感器一、热辐射光源原理：热物体都会向空间发出第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生发光现象特点：改变气体成分、压力、电流、阴极材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：日光灯第八章光电式传感器二、气体放电光源原理：电流通过气体会产生第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光特点：体积小、寿命长、工作电压低、响应速度快代表：发光二极管第八章光电式传感器三、电致发光器件原理：固体发光材料在电场第八章光电式传感器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现象的器件特点：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、液体激光器第八章光电式传感器四、激光器定义：能够产生光受激辐射放大现第八章光电式传感器§8-2光电效应与光电器件一、光电效应

光电传感器的工作原理基于光电效应

光可以被看作是由一连串具有一定能量的粒子——光子所组成，每一个光子能量为：h——普朗克常数，6.626×10-34J.s；f——光的频率（s-1）。光电效应：当光照射物体时，物体受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，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势）。第八章光电式传感器§8-2光电效应与光电器件一、光电效光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，形成光电流。第八章光电式传感器

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：

不同材料有不同的逸出功，对某种材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，也不能激发电子，此频率限成为“红限”，其临界波长λK为：m——电子质量；v0——电子逸出速度；A0——物体的表面电子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物体表面电子具有的动能光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光照作用下，第八章光电式传感器3、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现象。典型光电元件有光电池、光敏（电）二极管、光敏（电）三极管等。2、内光电效应：又称光导电效应，在光照作用下，物体导电性能（如电阻率发生变化）发生改变的现象。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。第八章光电式传感器3、光生伏特效应：在光线作用下，能使物体二、光电器件

第八章光电式传感器1、外光电效应应用器件光电管金属底层光电管光透明光电管A——阳极，K——阴极

当阴极受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→电信号二、光电器件第八章光电式传感器1、外光电效应第八章光电式传感器伏安特性入射光的频谱及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。第八章光电式传感器伏安特性入射光的频谱及光通量一定时，阳极第八章光电式传感器光电倍增管

倍增极上的涂料在电子轰击下能发射更多电子；倍增极之间有依次增大的加速电压。二次发射系数

由光电阴极、若干倍增极和阳极三部分组成。AK第八章光电式传感器光电倍增管倍增极上的涂料在电子轰击第八章光电式传感器

倍增系数M等于各倍增电极的二次发射系数σi

的乘积。如果n个倍增电极的σi都一样（），则所以式中，i为光电阴极的光电流第八章光电式传感器倍增系数M等于各倍增电极的二次发射第八章光电式传感器几种光电倍增管的外形第八章光电式传感器几种光电倍增管的外形第八章光电式传感器2、内光电效应应用器件：结构暗电阻暗电流亮电阻亮电流光电流光敏电阻用半导体材料制成一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。第八章光电式传感器2、内光电效应应用器件：结构暗电阻第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光照射——光电子空穴对——光生载流子——内建电场作用——光电流——PN结反向导通应用：光亮度测量、光耦合器件、非接触测量转速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。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，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。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。第八章光电式传感器光敏晶体管（二极管、三极管），有极性：光3、光生伏特效应应用器件：第八章光电式传感器光照射——光电子空穴对——内建电场作用——光生电子被拉向N区，光生空穴被拉向P区——光电动势阻挡层——内建电场——P－N结常见器件：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。当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。3、光生伏特效应应用器件：第八章光电式传感器光照射——光电第八章光电式传感器太阳能电池片第八章光电式传感器太阳能电池片70年代发展起来，发展自MOS器件

MOS光敏单元阵列读出移位寄存器用途：广泛用于图像识别、传输；典型应用：摄像机固态图像拾取。图像传感器第八章光电式传感器4、电荷耦合器件（Charge-CoupledDevice，简称CCD）70年代发展起来，发展自MOS器件图像传感器第八章光电式传第八章光电式传感器1）MOS光敏单元V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型衬底SiO2电极

施加正电压于电极上——P型区形成势阱——产生电子和空穴——势阱俘获电子（与光强成正比）——形成MOS光敏元（象素）光第八章光电式传感器1）MOS光敏单元V1=5VV2=10V第八章光电式传感器2）CCD时钟电压与电荷传输关系132遮光层氧化物P型硅金属读出移位寄存器123tt1t2t3t4读出移位寄存器是电荷图像输出电路第八章光电式传感器2）CCD时钟电压与电荷传输关系13第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器3）线阵与面阵CCD单通道线阵转移栅光积分单元不透光输出移位寄存器感光区：一列光敏单元组成；传输区：由转移栅及一系列移位寄存器组成。原理：光照产生的信号电荷存贮于感光区的光敏单元中，接通转移栅后，信号电荷流入传输区。传输区是遮光的，以防因光生噪声电荷干扰导致图像模糊。第八章光电式传感器3）线阵与面阵CCD单通道线阵转移栅光积光积分区输出转移栅双通道线阵第八章光电式传感器A寄存器B寄存器原理：有两个移位寄存器平行地配置在感光区的两侧。当光生信号电荷积累后，时钟脉冲接通转移栅，信号电荷转移到移位寄存器，奇数光敏单元的电荷转移到A寄存器，偶数光敏单元的电荷转移到B寄存器。双通道线阵总的转移效率比单通道高。光积分区输出转移栅双通道线阵第八章光电式传感器A寄存器B寄光照输出面阵：光敏元排列成矩阵第八章光电式传感器光敏元面阵、存储器面阵、读出移位寄存器线阵。光照输出面阵：光敏元排列成矩阵第八章光电式传感器光敏元面阵第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器5、位置敏感器件

（PositionSensitiveDetector-PSD）

分类：一维、二维。PNI123I1I2I0LLx入射光原理见教材P137第八章光电式传感器5、位置敏感器件

（Position第八章光电式传感器优点：高灵敏度、高分辨力、响应速度快、配置电路简单等应用范围：位置精确测量、兵器制导和跟踪、工业自动控制等第八章光电式传感器优点：高灵敏度、高分辨力、响应速度快、配第八章光电式传感器产品第八章光电式传感器产品第八章光电式传感器棱镜系统或光栅光源汇聚光组CCD面阵步进系统XY驱动控制系统信号采集系统信号处理系统计算机系统测量系统信号采集处理系统例1仿形加工中的测量技术第八章光电式传感器棱镜系统或光栅光源汇聚光组CCD面阵步进驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23例2：邮政编码识别系统第八章光电式传感器驱动电路分类机构计算机细化二值化传送带CCD透镜1分类箱23RFIDTag汽车车牌RFIDReaderCCD後端資料庫後端電腦触发存取資料收发信号拍照通过API传送传回信号第八章光电式传感器例3：汽车信息无线传送系统RFIDTag汽车车牌RFIDReaderCCD後端資料一、概述

脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出一系列脉冲，它在计数器中对某个基数进行加或减，从而记录了旋转的位移量。绝对式：它可以在任意位置给出一个固定的与位置相对应的数字码输出。§8-3光电码盘第八章光电式传感器一、概述脉冲式：需要一个计数系统，旋转的码盘通过敏感元件给出第八章光电式传感器

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。下图是工作原理示意图。1-光源；2-柱面镜；3-码盘；4-狭缝；5-元件。二、工作原理

由光源1发出的光线经柱面镜2变成平行光或会聚光，照射到码盘3上。码盘由光学玻璃制成，上面刻有许多同心码道，每个码道上都有按照一定规律排列的若干透光和不透光部分，即亮区和暗区。通过亮区的光线镜狭缝4后，形成一束很窄的光束照射到光电元件5上。光电元件的排列与码道一一对应。当有光照射时，光电元件的各种信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘转角的大小。第八章光电式传感器光学码盘式传感器是用1、增量式编码器结构及原理第八章光电式传感器1、增量式编码器结构及原理第八章光电式传感器2、绝对式编码器原理第八章光电式传感器

绝对式光电编码器是把被测转角通过读取码盘上的图案信息直接转换成相应代码的检测元件。绝对式光电编码器是在透明材料的圆盘上精确地印制上二进制编码。2、绝对式编码器原理第八章光电式传感器绝对式光电编码器1、下图所示是一个6位的二进制码盘。三、码盘和码制第八章光电式传感器黑色不透光区和白色透光区分别代表二进制的“0”和“1”。在一个六位光电码盘上，有四六圈数字码道，每一个码道表示二进制的一位，里侧是高位，外侧是低位，在360°范围内可编数码数为26=64个。1、下图所示是一个6位的二进制码盘。三、码盘和码制第八2、误差问题

1）编码器的精度取决于码盘的精度，分辨率则决定于码道的数目。

措施：需要增大码盘的尺寸以容纳更多的码道（对工艺提出很高要求）

2）同步困难：相邻两码之间若有一个码道提前或延后，会造成读码误差。

解决措施：a、编码技术；b、扫描技术

第八章光电式传感器2、误差问题第八章光电式传感器3、循环码盘

右图为6位循环码码盘。（1）n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有一位变化。第八章光电式传感器3、循环码盘第八章光电式传感器十进制数、直接二进制码和循环码对照表DBGDBG十进制二进制循环码十进制二进制循环码012345670000000100100011010001010110011100000001001100100110011101010100891011121314151000100110101011110011011110111111001101111111101010101110011000困难：循环码变为十进制数电路复杂第八章光电式传感器十进制数、直接二进制码和循环码对照表DBGDBG十进制二进四、应用光学码盘测角原理光放大鉴幅整形纠错当量变换寄存显示译码

光源聚光镜码盘狭缝光电元件

光源1通过大孔径聚光镜2形成均匀狭长的光束照射到码盘3上。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5输出相应的电信号。该信号经过放大、鉴幅、整形后，再经当量变换，最后译码显示。纠错电路和寄存电路在需要时采用。第八章光电式传感器四、应用光学码盘测角原理光放大鉴幅整形纠错当量变换寄存显五、产品第八章光电式传感器五、产品第八章光电式传感器第八章光电式传感器第八章光电式传感器？思考题为什么BCD码制的码盘会产生误差？循环码的特点。一个10码道的循环码码盘，其最小分辨力为多少？第八章光电式传感器？思考题为什么BCD码制的码盘会产生误差？第八章光电式传感第八章光电式传感器§8-4光纤传感器

光(导)纤(维)是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地(领域)。光纤传感器始于1977年，把待测量与光纤内的导光联系起来就形成光纤传感器。第八章光电式传感器§8-4光纤传感器光(导)纤(维特点：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……第八章光电式传感器特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 第八章光电式传感器一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构

注：不同类型的光纤材料的折射率分布有区别纤芯包层外套第八章光电式传感器一、光纤传感器的基本知识1.光纤的结构2.光纤的分类1）按折射率分布折射率变化规律分类阶跃型梯度型

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。第八章光电式传感器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，如图所示。光线的传播，依靠光在纤芯和包层界面上发生的内全反射现象。梯度光纤纤芯内的折射率不是常量，而是从中心轴线开始沿径向大致按抛物线形状递减，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，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。2.光纤的分类折射率变化规律阶跃型梯度型采用梯度型光2）按传输模式

光纤传输模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，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。第八章光电式传感器

在光纤中传播模式很多不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。2）按传输模式光纤传输模式是指光波

一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一种模式称为单模光纤。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、连接和耦合都比较困难。纤芯直径较大（50~100μm），传输模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异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。第八章光电式传感器一般纤芯直径为2~12μm，只能传输一3.光纤的导光原理第八章光电式传感器光是一种电磁波,一般采用波动理论来分析导光的基本原理。然而根据光学理论指出：在尺寸远大于波长而折射率变化缓慢的空间,可以用“光线”即几何光学的方法来分析光波的传播现象,这对于光纤中的多模光纤是完全适用的。为此,采用几何光学的方法来分析。3.光纤的导光原理第八章光电式传感器光是一种电磁波,一般斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（折射率大）入射至光疏物质（折射率小）时，发生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2时，2

＞1

。(a)光的折射示意图

可见，入射角1增大时，折射角2也随之增大，且始终2

＞1

。n1、n2、2

、1之间的数学关系为n1sin1=n2sin2

n1n212第八章光电式传感器斯乃尔定理（Snell'sLaw）指出：当光由光密物质（第八章光电式传感器当2=90º时，1仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播如图（b），称为临界状态（1→

10

）。这时有n1n2(b)临界状态示意图2110=arcsin(n2/n1)sin10=n2/n1sin2

＝sin90º＝1临界角n1n2(c)光全反射示意图12当1

＞i0并继续增大时，2

＞90º，这时便发生全反射现象，如图(c)

，其出射光不再折射而全部反射回来。第八章光电式传感器当2=90º时，1仍＜90º，此时n1n2n0阶跃型光纤传光示意图011？习题：

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？第八章光电式传感器n1n2n0阶跃型光纤传光示意图011？习题：第八章4.光纤特性1）数值孔径

数值孔径反映纤芯接收光量的多少，是标志光纤接收性能的一个重要参数。2）损耗：光纤吸收损耗、散射损耗以及弯曲损耗等。定义损耗系数第八章光电式传感器入射端光功率出射端光功率4.光纤特性1）数值孔径2）损耗：第八章光电式传感器入射吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料损耗。散射损耗，是由于材料密度及浓度不均匀引起的。光纤拉制时粗细不均匀，造成纤维尺寸沿轴线变化，同样会引起光的散射损耗。另外纤芯和包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。弯曲损耗是使用过程中可能产生的一种损耗。光纤弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。第八章光电式传感器吸收损耗，目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料二、光纤传感器的结构及特性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、结构型、强度型、混合型(光纤只作为传光介质)光纤传感器可测参量电流磁场、电压电场；温度速度振动、压力射线图像第八章光电式传感器二、光纤传感器的结构及特性光纤传感器分类功能型传感器：传感型第八章光电式传感器

以电为基础的传统传感器是一种把测量的状态转变为可测的电信号的装置。它的电源、敏感元件、信号接收和处理系统以及信息传输均用金属导线连接，见图(a)。光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。由光发送器、敏感元件(光纤或非光纤的)、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线第八章光电式传感器以电为基础的传统传感器是

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作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可解决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、信号处理系统以及光纤等组成。由光源发出的光通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，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。

第八章光电式传感器在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器，(1)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大类。

1）功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”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因素(弯曲、相变)的作用下，其光学特性(光强、相位、偏振态等)的变化来实现“传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器第八章光电式传感器(1)根据光纤在传感器中的作用信号处理光受信器光纤敏感元件第八章光电式传感器

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“