第4章光电信息技术应用-3

4.2光电控制§4.2.1光电继电器§4.2.2光电遥控§4.2.3光纤开关由光电信息转换器件控制通与断开的继电器称为光电继电器。

§4.2.1光电继电器§4.2.1光电继电器

一．继电器原理继电器是低压电路控制高压电器通与不通的联接器件。继电器结构及工作原理如图4.2.1－1所示。继电器的电路符号如图4.2.1－2所示。

一．原理光电继电器是用光控制继电器工作，从原理上讲，可归纳为亮通和暗通电路两类。

1．亮通光电控制电路当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作，这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。最简单的亮通电路如图4.2.1－3所示。

如果光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗通控制电路。

另一种方法是在亮通电路的基础上加一级倒相器，也可完成暗通电路的作用。要说明的是，亮通和暗通是相对而言的，以上分析都是假定继电器高压开关工作在常开状态，如工作在常闭状态，则亮通和暗通也就反过来了。2．暗通光电控制电路电子开关的种类很多，但一般的电子开关都适合在低压区工作，如晶体三极管、场效应管、光电耦合器和门电路等；适合高压区工作的电子开关有单向可控硅、双向可控硅和高压场效应管等。二．用电子开关替代继电器

电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合器和双向可控硅。二．用电子开关替代继电器二．用电子开关替代继电器1．

双向可控硅基本结构三．双向可控硅触发电路

双向可控硅基本结构如图所示。有两个主电极T1、T2（T2是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普通可控硅晶体管。图中(a)为基本结构，(b)为双向可控硅的符号，(c)为双向可控硅型号的部颁标准。2.双向可控硅特性曲线工作在第一象限有二种触发方式1＋和1－；工作在第三象限有二种触发方式3＋和3－。双向可控硅特性曲线如图所示。从图中可知，高压的正电压和反电压都能使可控硅导通，只要G对T2加触发电压，正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通，但导通时可控硅两端有压降存在，导通电流越大，压降越大，显然，消耗的功率也大，这时，一定要采取散热措施。

1＋1－3＋3－2.双向可控硅特性曲线双向可控硅有四种触发方式，1＋触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；1－触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；3＋触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；3－触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；3．双向可控硅的触发方式双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合。4．

双向可控硅触发电路说明：(a)S合上时，可控硅导通，触发方式是1+-3-(b)S打向1，电路关断；S打向2，R2上得半波电压；S打向3，可控硅全波导通。触发方式是1+-3-(c)直流电触发，触发方式是1--3-(d)P1.1=1时，可控硅导通；触发方式是1--3-(e)P1.1=1时，可控硅导通；触发方式是是1+-3+

1．

路灯、霓虹灯的自动控制电路(a)光照→光敏电阻阻值变小→继电器J动作→常闭点J1断开→灯GY熄灭；

如要求路灯控制灵敏，可采用图4.2.1－8(b)的电路。

(b)光照→光敏三极管阻值变小→晶体管BG1基极电位升高→BG1截止→BG2导通→继电器J动作→常闭点J1断开→接触器线圈JC无电→常开触点JC1断开→灯GY熄灭；四.光电继电器应用防止闪电等短时干扰的路灯控制电路

光照硒光电池GG→BG1饱和→BG2截止→BG3导通→BG4导通→继电器J动作→常闭点J1断开→接触器线圈JC无电→常开触点JC1断开→灯GY熄灭；反之，路灯GY亮。印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷，待整理好纸张后，再开始工作。2．

印刷机纸张监控器光电管透过纸张感受灯泡D发出的光→光电管在强光下电阻为数千欧，弱光下为数兆欧单、双张纸透光率为1：2。单张纸时，调整电位器W，使a点电位高于转换电压→F1输出为低电位、F2输出为高电位→三极管饱和导通→继电器J0吸合、常闭点J0-1断开→不报警。双张纸时，a点电位低于转换电压→F1输出为高电位、F2输出为低电位→三极管截止→继电器J0不吸合、常闭点J0-1闭合→产生报警。工作原理要点3．

光控电焊眼罩液晶屏P代替防护玻璃，提高工作效率。光敏电阻RD1、RD2。当没有光照射到RD2时→RD2电压高于基准电压→比较器输出低电平→三极管BG截止→液晶屏P是透明的；

当有光照射到RD2时→RD2电压低于基准电压→比较器输出高电平→三极管BG饱和导通→液晶屏P在电压作用下液晶发生偏转→透光度大大减小→保护眼睛。RD1的作用是在不同的光强下稳定RD2两端的电压值。工作原理要点4.汽车车灯全自动控制器强、弱光等自动控制。根据检测到的光强度，自动完成车灯开启或关闭、车灯的强弱档控制、远近光控制等。§4.2.2光电遥控器一．光电遥控原理一个手握的光电遥控发射机可发射一束较宽的光束，这光束里含有控制功能的编码信号；此编码信号被远置的光电遥控接收机检测并被译码，从而实现光电遥控的目的。二．光电遥控框图键盘编码器产生指令信号；编码波形发生器的载波约为30kHz。输出级驱动LED完成电-光转换。光敏二极管完成光-电转换；译码器完成指令译码。

此图描绘了一个基本的六比特多通道系统。信号波形是由一个宽度为8ms的重复性的数据帧组成；每个比特调制在大约30kHz的频率上。3．光电遥控中的编码波形

4．光电遥控装置举例

490/922光电遥控系统。采用SL490集成芯片的光电发射机电路如图4.2.2－5所示采用SL486集成芯片的光电接收机电路如图4.2.2－6所示

采用ML922集成芯片的接收机译码电路如图4.2.2－7所示。

光纤：是光学纤维的简称。光学纤维是一种带涂料的透明细丝，通常由芯料（玻璃）加涂层（玻璃）组成。光纤开关：在光纤中间设置障碍或破坏光纤的全反射条件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而控制电子开关，实现对各类电器的控制。

§4.2.3光纤开关一．光纤开关原理光纤开关：在光纤中间设置障碍或破坏光纤的全反射条件，使光纤出射端输出的光能量衰减。从而控制电子开关，实现对各类电器的控制。

图（a）中，当手按下开关按钮时，光路被阻断，光线不通，当手离开按钮时，光路又接通，这样，输出端就可检测到信号的变化，从而发出控制信号。图（b）中是光纤双向拨动开关，当开关拨向A时，光纤就与1号光纤接通，当开关拨向B时，光纤就与2号线接通。

二．光纤开关的类型

1．

直接型光纤开关这种开关的光纤是连续的，只是改变其光在传播途中的全反射条件，使光纤输出端的输出能量有所改变；输出端的光电接收装置只要测出所接收能量的变化，并加以比较判别，最后送出控制信号。

2．间接型光纤开关光纤开关寿命长，安全可靠，抗干扰强，尤其适合于潮湿、高温、强电磁干扰等应用场合；开关可以完全浸在液体中也能工作，也可安装到远离控制系统的地方。开关成本较高。三．光纤开关的特点

§4.3.1光纤通信原理及构成

§4.3.2光纤通信系统

§4.3.3光纤网络系统

§4.3光纤通信

光纤通信系统的基本组成如图4.3.1-1所示，主要由3部分构成：光发送机，光纤传输线及光接收机。

光发送机电发送机电接收机光接收机中继器§4.3.1光纤通信原理及构成图4.3.1-1光纤通信系统的基本组成光纤（Opticalfiber）是由纯石英拉制而成的高度透明的玻璃丝。光纤基本由3部分组成：1、折射率略高的纤芯；2、折射率略低的包层；3、表面涂层。

ab纤芯包层涂层图4.3.1-2光纤的横截面示意图一、光纤

根据纤芯折射率径向分布的不同，光纤可分为阶跃折射率分布光纤和渐变折射率分布光纤，如图4.3.1-3所示。

(a)阶跃折射率分布光纤

(b)渐变折射率分布光纤

图4.3.1-3纤芯折射率径向分布2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r光纤的导光原理可用射线理论与导波理论两种方法进行分析。这里，仅对阶跃折射率分布光纤的射线理论分析方法进行介绍。图4.3.1-4表示光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径。

图4.3.1-4光波在阶跃折射率分布光纤中的传播路径

n2n1n0θiθrφ一束光线以与光纤轴线成的角度入射到芯区中心，在光纤——空气界面发生折射，折射光与光纤轴线的夹角由斯涅耳定律决定

4.3.1-1折射光到达纤芯——包层界面时，若入射角大于临界角时，将发生全反射，若包层折射率为，则定义为

4.3.1-2式中，和分别为空气和纤芯的折射率。

所有的光线都将被限制在光纤芯中，这就是光纤导光的基本原理。光纤有两个重要的特性，一个是损耗特性，一个是色散特性，决定了光纤通信系统的容量。

（1）光纤的损耗

用衰减系数表示光纤的衰减特性，定义为

4.3.1-5dB/km图4.3.1-5单模光纤的损耗谱特性

色散对通信容量（比特率·距离积）的限制。设发送信号的比特率为B，相应比特间隔为

在多模光纤中，由不同模式携带的光的传播常数不同，即在光纤中的传播速度不同。这样，一个窄的脉冲经过一段光纤传输后，将被展宽，产生码间干扰，这种现象称为光纤的色散。对于单模光纤，用色散参数来描述色散的程度，代表两个波长间隔1nm的光波在光纤中传输1km距离后的时迟差。

，光纤长度为

如果光源发射波长范围为

则时迟差为（2）光纤的色散

，则应有

对容量的限制为

光发送机的功能是将来自电发送机的电脉冲信号变换成光脉冲信号，并以数字光纤通信系统传输性能所要求的光脉冲信号波形耦合到光源组件的尾纤中。

二、光发送机输入接口线路编码调制电路控制电路光源电信号输入光信号输出在数字光纤通信系统中，普遍采用二进制二电平码，有光脉冲表示“1”码，无光脉冲表示“0”码。对来自电端机的信号进行线路编码，主要目的是：

(1)限制信号带宽，减小功率谱中的高低频分量。

(2)尽可能减少连“1”

码和“0”码的数目，使“1”

码和“0”码均匀分布，保证定时提取。(3)具有检错及纠错能力，则需要在编码中加入冗余码，但要占用一定的频带。数字光纤通信系统常用的线路码型有扰码、mBnB码、插入码等。

1、线路编码目前的光纤通信系统采用半导体激光器（LD）作为光源，在低通信容量系统中，也可选用LED做光源。电信号转换为光信号的调制方式有直接调制与间接调制。在低速率系统中，可以采取直接调制方式，即用电信号直接调制半导体光源的驱动电流，如图4.3.1-7所示，输出光功率随驱动电流而变化。

在高速系统中，要采用专用的外调制器。2、光源与调制电路

(a)LED数字调制

(b)LD数字调制图4.3.1-7直接光强数字调制原理IP输入电信号输出光信号IP输入电信号输出光信号Ith

Ib光接收机作用：将来自光纤的光信号转换成电信号，恢复光载波所携带的原信号。

101011主放大器峰值检波均衡器判决再生高压直流变换器前置放大AGC定时提取APD光信号电信号三、光接收机1、光电检测器

作用：光信号转换成电信号。类型：PIN光电二极管和APD雪崩光电二极管；PIN管没有增益，APD有10-200倍增益；2、前置放大器

作用：信号预放大。类型：低噪声、宽带放大器；3、主放大器

作用：信号放大到判决器所需要的电平，一般1-3V。均衡器的作用：对主放大器输出的失真的数字脉冲信号进行整形，使之成为最有利于判决、码间干扰最小的波形，通常为升余弦波，其表达式为：为滚降因子。式中，t为时间变量，为一个码元所占的时间——时隙，

4、均衡器图4.3.1-9波峰处码间干扰为零TBt当均衡器输出为升余弦波形时，发送机发送的基带数字脉冲信号，只要是按时隙发送码元，则在均衡器输出信号的波峰处不会发生前后码元的干扰。均衡器输出的由升余弦波所组成的数字脉冲信号送到判决再生电路进行“判决”和“再生”。判决即是用一判决电平与均衡器输出信号进行比较，以确定某时隙码元为“1”还是为“0”。如判断为“1”码，则由再生电路重新产生一个矩形“1”脉冲，若判断为“0”码，则输出一个“0”。判决再生电路的输出端得到一个由矩形脉冲组成的数字脉冲序列，它和发送端发出的数字脉冲信号基本是一致的。

5、判决再生与定时提取AGC放大器是自动增益控制电路的一个组成部分。作用：控制主放大器的增益，从而使均衡器输出幅度稳定的升余弦波，保证码元判决的正确性。6、峰值检波器与AGC放大器1、

误码率

误码率（biterrorratio，BER）是数字光接收机的性能标准，是指判决再生电路输出码元出现错误的概率。

TB1TB2TB3V0sVdV1sV(t)V1(t)V0(t)V0(t)t数字光接收机的指标：2、灵敏度数字光接收机的灵敏度定义为：在保证一定误码率的条件下，光接收机所需接收的最小光功率。通信系统可分为模拟通信系统和数字通信系统。数字通信采用再生的方法，可以消除噪声累积，传输距离比较长。取样、量化、编码的过程称为脉冲编码调制，简称PCM，由脉冲编码进行通信称为脉冲编码通信，这是目前数字通信的主要方式。光纤具有很宽的频带资源，可传送高速大容量信息，但传送音频信号仅需64kbit/s的速率，很不经济。可以通过复用的方法同时传送多路信号。在单根光纤中可以用3种复用方法方法提高通信容量，即时分复用、波分复用及频分复用。

时分复用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是将不同信道的信号在时间上交替排列组合成复合比特流。§4.3.2光纤通信系统一、时分复用系统例如，对于64kbit/s的单音频信道，比特间隔约为15s（=125s/8），若将其他64kbit/s比特流延迟3s插入，就可插入5个这样的信道图4.3.2-1显示了320kbit/s的复合比特流。

图4.3.2-15个64kbit/s数字音频信道的时分复用

15s3st振幅231452314523145表4.3.2-1即为按此复合方法合成的群路等级体系中4个不同群路的比特率。表4.3.2-1数字通信系统群路等级及其标准比特率

群路等级标准话路数比特率/Mbit/s

北美欧洲日本北美欧洲日本基群2430241.5442.0481.544二次群96120966.3128.4486.312三次群67248048044.73634.36832.046四次群13341920144090139.24697.728如图4.3.1-5所示，单模光纤具有非常宽的带宽。在1.3μm（1.25~1.35μm）波段和1.55μm（1.50~1.60μm）波段，都具有高达100nm的低损耗传输范围。另一方面，作为光源的半导体激光器的线宽已小于0.1nm，因此，在一根单模光纤中，可同时传输多个不同波长的信号。

波分复用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技术正是基于这种思想，通过在一根单模光纤中传输多个信道信号，来大幅度增加通信容量的。

二、波分复用系统

图4.3.2-2为一单向传输的WDM系统原理框图。

复用器解复用器光放大器光接收机1光接收机2光接收机n光发送机1光发送机2光发送机n……λ1λ2λnλ1λ1λ2λnλ1λ2…λn光纤波分复用系统的核心部件是波分复用器件，即复用器和解复用器（也称合波器与分波器）。这里介绍闪烁光栅波分复用器。图4.3.2-3闪烁光栅波分复用器λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4光纤透镜闪烁光栅

1、复用器/解复用器说明：当不同波长的入射光从同一角度照射到光栅上后，由于光栅的色散作用，不同波长的光将以不同的角度反射，然后经透镜会聚到不同的输出光纤，实现解复用的功能；反过来，可以完成光波的复用功能。闪烁光栅波分复用器具有优良的波长选择性，波长的间隔可以小于1nm，复用信道数已达120路。其隔离度也较好，当波长间隔为

1nm时可以达到

55dB。缺点是插入损耗较大，通常为3~8dB。宽带宽的光放大器可以对多信道信号同时放大，而不需要进行解复用；光放大器的问世推动了DWDM技术的快速发展。目前应用最广泛的光放大器是掺铒光纤放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)，其特点是高增益、低噪声、能放大不同速率和调制方式的信号，而且带宽很宽，能在几十纳米范围内同时放大多波长信号。

2、光放大器EDFA主要由掺铒光纤(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔离器及光滤波器组成，结构如图4.3.2-4所示。

图4.3.2-4掺铒光纤放大器结构

信号光耦合器光隔离器掺铒光纤光隔离器光滤波器输出光泵浦光说明：光耦合器的作用是将信号光和泵浦光复合在一起，注入到掺铒光纤中，一般采用波分复用器来实现。光隔离器是用来抑制光反射，防止光放大器自激，确保工作稳定。当较弱的信号光与较强的泵浦光一起输入EDF时，泵浦光激活EDF中的铒离子，跃迁到高能级态；在信号光的诱导下，铒离子受激辐射，跃迁到基态，产生与信号光相同的光子，实现光放大。须在输出端设置光滤波器，以降低自发辐射噪声。

在

EDFA的应用中，需要解决两个问题。

增益的平坦化。

增益的自动控制。当光纤中信道数由于故障等原因突然减少时，光放大器的增益会突然增加，形成“浪涌”，使信号强度突然提高，接收机码元判决时会出现错误。EDFA可以提供10~30dB的增益，输出光功率可达10mW~100mW，带宽超过40nm，是DWDM系统理想的光放大器。

从拓扑结构看，通信网可分为三类，即点到点、点到多点及网络，如图4.3.3-1所示，分别将结点连接起来传送信息。

(a)点到点(b)点到多点(c)网络图4.3.3-1通信网的三种基本拓扑结构

12123N12345§4.3.3光纤网络系统根据网络的规模，可将网络分为三类：

1、局域网，是在一个局部地理范围（如一所学校、一个机关）内将计算机、外部设备数据库等连接起来组成的网络，简称LAN.2、城域网，是在一个城市范围内所建立的计算机通信网，简称MAN。

MAN的一个重要用途是作骨干网

.3、广域网，是在一个广泛的地理范围内所建立的计算机通信网，简称WAN。WAN用于通信的传输装置，一般由公司或电信部门提供。互连主要采用公用网络和专用网络两种。

1、总线形网络图4.3.3-2总线形网络拓扑结构

所有参加联网的通信结点，都通过光纤定向耦合器接在一条光纤数据总线上，构成总线形网络。发送信息时，由发送端（T）将光信号通过耦合器耦合到光纤总线中；在各接收端（R），通过耦合器将总线中的光信号功率耦合出一部分。

TRAEC数据总线FDB光传播方向定向耦合器说明：如果结点A想将信息传送给结点B，它只须将信息输送到各通信结点共享的数据总线上，此时包括结点B在内的其他各结点均处于“监听”状态，监听总线上是否正在传送信息；如果B结点发现信息是传送给自己的，就将它接收下来，其他结点对该信息不予理睬。如果结点A向结点B传送信息的同时，结点C也将信息送到共享的数据总线上，欲传送给结点D，于是在总线上这两个信息将发生碰撞。为了避免发生碰撞，各结点在发送信息之前必须监听一下总线上是否有信息在传送。如果没有，则可以将信息送到总线上；如果总线上有信息正在传送，则必须等正在传送的信息传送完之后，方可传送，这个过程称为“载波监听（Carriersense）”。还有一种可能出现的情形是，当结点A正在向结点B传送信息，此时结点C与结点E分别想将信息传送给结点D与结点F，根据“载波监听”法，此时结点C与结点E都不能传送信息。一旦结点A信息传送完毕，结点C与结点E都可将信息输送到总线上，显然结点C与结点E的信息将发生碰撞。因此，结点C与结点E都必须一边传送，一边监听总线上有没有发生信息碰撞，这个方法称为“碰撞检测（Collisiondetection）”。总线形网络的优点是：网络的控制设备简单，无须设置全网的控制中心系统；网络中任一通信结点发生故障，都不会影响整个网络的正常运行。环形网络的拓扑结构如图4.3.3-3所示，它是目前用得较多的一种网络形式。其特点是网络中每个通信结点都有两个相邻的结点，每个结点都具有再生中继的功能，都要执行路由的任务。各结点用光纤线路连成环状，可以相互通信。终端机ABCDEF间接中继器光纤环路光纤图4.3.3-3环形网络拓扑结构

2、环形网络说明：在环形网络中，信息是按照一个指定方向传输的，信息由一个结点传给下一个相邻的结点。当信息传送到某个结点时，该结点首先要判断一下，该信息是不是传送给本结点的。如果是，就将信息接收下来；如果不是，就将它再生后，由中继器传送给下一个结点。

为避免环路上发生碰撞，采用了令牌(token)传送方法。令牌按一个已定的方向沿环形网传送，由一个结点传送到下一个结点。只有当某一个结点有信息要传送时，该结点才接受令牌；令牌到达某一个结点时，才允许该结点发送信息。否则，不改变访问控制域内容而往下一个结点传送。总之，在环形网络中的各结点上，首先传送令牌，而后传送信息，而后再传送令牌，以避免发生信息碰撞。其特点是有一个中心结点。全网的监控系统就设在中心结点，用来调整整个网络中的信息传输和管理网络的运行情况。网络中任何一个通信结点必须经过中心结点，才可以将信息传输给其他结点。各结点通过一根双向传输的光纤线路或两根单向传输的光纤线路与中心结点相连。星形网络可采用“载波监听多次访问/碰撞检测”方法，避免信号发生碰撞。

图4.3.3-4星形网络拓扑结构

终端机ABCDEF结点中心结点光纤3、星形网络

§4.4.1元件型光纤传感器

§4.4.2传输型光纤传感器§4.4光纤传感器基于微弯损耗机理的强度调制型传感器的结构如图4.4.1-1所示。由光纤中光功率的数值可得到诸如压力、位移等被测量的大小。图4.4.1-1微弯损耗光纤传感器原理光输入光输出变形器多模光纤LΛ§4.4.1元件型光纤传感器

一、微弯损耗光纤传感器设光纤的微弯变形函数为正弦型

根据光纤模式理论，可得到微弯损耗系数

式中D(t)——外界信号导致的弯曲幅度；

q——空间频率；

z——变形点到光纤入射端的距离；设光纤微弯变形函数的微弯周期为，则有的近似表达式:4.4.1-2

式中——比例系数；

——光纤中光波传播常数差；——光纤中产生微弯变形的长度；说明：a与光纤弯曲幅度D(t)的平方成正比，弯曲幅度越大，模式耦合越严重，损耗就越高。a还与光纤弯曲变形的长度成正比，作用长度越长，损耗也越大。a与光纤微弯周期有关，当时产生谐振，微弯损耗最大。因此，从获得最高灵敏度的角度考虑，需要选择合适的微弯周期。光波通过长度为的光纤，其相位延迟为微分得：

式中第一项表示光纤长度变化引起的相位差（应变效应或热胀效应），第二项为光纤折射率变化引起的相位差（光弹效应或热光效应），第三项为光纤芯径变化引起的相位差（泊松效应）。二、干涉式光纤传感器用于光相位解调的干涉结构有多种，如双光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及环形干涉法等，此处主要介绍双光束干涉法。双光束光纤干涉仪有迈克尔逊(Michlson)干涉仪、马赫-陈德尔(Mach-Zehnder)干涉仪及斐索(Fizeau)干涉仪，基本结构如图4.4.1-2所示。光源探测器信号臂参考臂3dB(a)迈克尔逊干涉仪说明：光源发射光经3dB光纤耦合器，分成两路分别进入信号臂和参考臂，然后分别被反射回各自的光纤中。

信号臂光纤中传输的光波相位被调制，参考臂光纤中传输的光波相位与外界无关；被反射回来的光波在3dB光纤耦合器另一端汇合，产生干涉条纹，被探测器接收。(b)马赫-陈德尔干涉仪说明：光源发出的相干光由第一个3dB耦合器进入信号臂和参考臂，在经第二个3dB耦合器后在探测器端汇合，产生干涉条纹。

优点：克服了反馈光波对光源的影响。光源信号臂3dB探测器3dB参考臂(c)斐索干涉仪说明：光源发出的相干光经3dB耦合器进入传输光纤，在光纤出射端一部分被光纤端面反射回光纤中，一部分被光纤输出后又被一个外部的反射镜反馈回光纤中。这两部分反馈光在耦合器的另一端汇合产生干涉条纹。

优点：结构简单。光源探测器传输光纤3dBM1M2自聚焦透镜现以双光束干涉仪为例来分析干涉场。设信号光与参考光的场强分别为：两光束相干产生的干涉场分布为

相应的光强分布为

这样，可将相位变化转换为强度变化，可以获得被测信号的大小。干涉场分析光纤光栅是利用光纤的光折变效应，使纤芯折射率沿轴向产生周期性变化，在纤芯内形成空间相位光栅。光纤Bragg光栅（FiberBraggGrating，FBG）是一种反射型滤波器件，其机理是后向传播的LP01模与前向传播的LP01模之间发生耦合，根据相位匹配条件，要求光栅周期很小，一般小于1μm。FBG的传输特性如图4.4.1-3所示。λIFBG反射谱λBλI输入谱λIFBG透射谱λB三、光纤光栅传感器

FBG的反射光波中心波长为

反射率为

反射光带宽（半峰值全宽）为

由于光纤光栅的栅距是沿光纤轴向分布的，因此在外界信号如温度、压力的作用下，光纤将产生轴向应变与折射率变化，栅距也随之变化，导致反射波长变化：光纤光栅的反射波长受到被测量的调制产生偏移，解调出波长变化就可以得到被测量。解调方法有光谱法，用光谱仪直接测量反射谱或透射谱，是最简单的方法，但光谱仪的价格较高，而且不适合在线实时测量。此外还有波长扫描法、光学滤波法及干涉法。在此介绍干涉解调法。法拉第电流传感器是利用光纤的磁光效应实现电流测量的，按调制参数分类，则属于偏振调制型。磁光效应，又称法拉第（Faradag）效应，是指某些物质在外磁场的作用下，使通过它的线偏振光的偏振方向发生偏转。设法拉第材料的长度为l，沿长度方向施加的外磁场强度为H，则线偏振光通过它后偏振方向旋转的角度为四、法拉第电流传感器

光纤的磁光效应最典型的应用就是高压传输线用的电流传感器，其结构如图4.4.1-4所示。图4.4.1-4基于光纤磁光效应的电流传感器将光纤绕在被测导线上，设圈数为N，导线中通过的电流为I，由安培环路定律，距导线轴心为R处的磁场为

P2WP

探测器1探测器2I1I2光源光纤IP1I1-I2I1+I2由以上两式可得偏转角

绕在导线上的光纤长度为：，代入上式得

结论：通过光纤的光偏振面偏转角与被测电流及光纤的匝数成正比，与光纤圈半径大小无关。由于探测器不能直接检测光的偏振态，需要将光偏振态的变化转换为光强度信号。分布式光纤传感器是一种本征型的光纤传感器，所有敏感点均分布于一根传感光纤上。目前有两种方式发展比较快，一种是以光纤的后向散射光或前向散射光损耗时域检测技术为基础的光时域分布式，另一种是以光波长检测为基础的波长域分布式。时域分布式光纤传感器的物理基础是光学时域反射技术（OpticalTime-domainReflectometry），简称OTDR。其基本原理是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，当五、分布式光纤传感器光纤某一点受温度或应力作用时，该点的散射特性将发生变化，因此通过显示损耗与光纤长度的对应关系来检测外界信号分布于传感光纤上的扰动信息。图4.4.1-5给出了一种基于后向散射光检测的OTDR原理图。图4.4.1-5基于后向散射光检测的OTDR原理图脉冲激光光源后向散射回波传感光纤3dB光电检测与信号处理系统设光纤上距离始端Z处、长度为dZ的一段光纤产生的后向散射光传播至光纤始端的功率为

上式可变换为

由于外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化，可以通过OTDR方法独立地探测出来，而不受其他点散射信号改变的影响，因此可以采用OTDR方法实现对光纤的分布式测量。

图4.4.1-6后向散射光检测波形示意图

相对回波光功率初始脉冲作用点终端费涅尔回波长度ZOTDR的空间分辨力由W注入光脉冲的宽度决定，为，为提高空间分辨力，应使用窄的光脉冲。当波长为的低功率光脉冲注入到传感光纤时，将产生自发后向喇曼散射，包括两条谱线，一条波长为，称为斯托克斯线。另一条波长为

，称为反斯托克斯线。反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比为

4.4.1-21由上式可见，自发后向喇曼散射中反斯托克斯线光强与斯托克斯线光强之比仅是光介质所处温度的函数，随着环境温度的升高比值呈指数规律增加。一、反射式位移传感器反射式位移传感器，其基本原理如图4.4.2-1所示探测器光源被测面传输光纤接收光纤§4.4.2传输型光纤传感器

原理：光源发出的光通过光纤射向被测物体，其反射光由接收光纤收集，送到探测器，通过信号处理得到光纤端面与被测面之间距离的变化（位移）。下面分析接收光强变化与位移之间的关系，参考图4.4.2-2。图4.4.2-2光耦合示意图被测面传输光纤接收光纤传输光纤像da2r假设两根光纤均为阶跃折射率光纤，芯径为2r，数值孔径为NA，两光纤间隔为a，并定义当距离时，两光纤的光耦合为零，即没有反射光进入接受光纤；当时，两光纤的耦合最强，接收光。强达到最大值。此时输入光纤的像发出的光锥完全覆盖接收光纤端面.

在线性近似条件下，可得到交叠面积与光纤芯面积之比为

假设反射面无光吸收，两光纤的光功率耦合效率F即为交叠面积与光锥底面积之比

上述关系式提供了反射式传感器的设计依据。图4.4.2-3给出了一个设计实例，主要参数为：2r=200μm，NA=0.5，a=100μm。图4.4.2-3耦合效率与距离关系的理论曲线2004006000510F/%d/μmd=320μmF=7.2%设入射光强为出射光强为

，在经过长度为的半导体材料后，只有能量大于半导体材料的禁带宽度Eg的光子才能被吸收本征吸收时电子从导带跃迁到价带的形式有两种，即间接跃迁与直接跃迁，这由半导体材料的能带结构所决定。GaAs半导体是典型的直接跃迁材料，当光子能量hv大于材料的禁带宽度Eg时，吸收系数可以写成：二、半导体吸收温度传感器另一方面，对于GaAs材料，其禁带宽度Eg与温度具有如下关系：

上式表明GaAs材料的禁带宽度Eg

随温度的升高而降低，产生本征吸收要求的最低光频Vg减小了，即是说温度升高时，吸收曲线向短波长方向移动，相应的，透射曲线向长波长方向移动，意味着有更多的光子被吸收，如图4.4.2-4所示。透过率T01.00.5

λgλ/nm光源辐射谱T(λ,t)t1<t2t1t2图4.4.2-4半导体材料的透过率特性

图4.4.2-5为透射式传感器的结构示意图。图4.4.2-5半导体吸收温度传感器示意图光源探测器传输光纤GaAs如图4.4.2-6所示，当频率为f的激光经光纤照射到以速率v为运动的散射物体O上时，一部分散射光又进入到光纤中，其光频为

三、光纤多普勒速度传感器反射光波fd3dB光电检测与信号处理系统激光光源vθ入射光波fO

§4.5.1激光打印机和复印机

§4.5.2光盘存储

§4.5.3摄像机和数码相机

§4.5.4摄像测量§4.5光电信息技术其它应用激光打印机是光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式，它综合利用了激光器，光束调制和偏转、精密光学机械和电子计算机处理技术，是一种非常有代表性的光电子仪器。它有以下特点：

1．像素密度高，印字清晰，分辨率比机械点阵式高近百倍。

2．打印速度快，比普通打印机快6～30倍。

3．工作无撞击，打印噪声小。§4.5.1激光打印机和复印机一、激光打印机的特点激光打印机结构如图4.5.1­－1所示。激光打印机的打印原理如图4.5.1­－2所示。二、激光打印机原理

1．

吸鼓带电

对应图4.5.1­－2的1位置，在感光鼓〔也称吸鼓〕上用电极对感光体表面高压电晕放电，使感光层表面带电荷。感光鼓是在导电基体表面上涂有硒或其它光电导材料层，光电导层在光照时的电阻率下降。

2．

扫描曝光对应图4.5.1­－2的2位置，用受被打印内容调制的激光束对感光层扫描曝光，受光照区域的电阻率下降，表面电荷被中和而消失，在感光层上形成由静电荷分布构成的潜像（电荷图象）。激光扫描写入系统主要包括激光光源、光调制器、光偏转器、扫描透镜等光路元件及相应的控制电路。

3．

静电成像对应图4.5.1­－2的3位置，用含有炭精粉粒的显像剂与感光层接触，在静电场的作用下，炭精粉粒附在感光层的曝光区域上，形成可见的炭精粉图象，这过程也称显像过程。

4．着色转印对应图4.5.1­－2的4位置，打印纸与已经显像的感光体接触，同时采用电晕带电体从纸的反面加电场，这时感光体表面的显像剂转移到打印纸上完成转印。

5.热压定影对应图4.5.1­－2的5位置，用热压器加热加压使着色剂牢固粘结在打印纸上，完成了静电打印。

6．

清洗吸鼓对应图4.5.1­－2的6位置，将感光体用清洗器清除残留的色粉，准备下一张打印。1.激光器和调制器

实用的激光打印机—般采用He—Ne激光器或半导体激光器作激光光源。激光打印机中使用的光调制器早期多为声光调制器。随着半导体激光器的发展，直接电流调制的方式已逐步代替声光调制方式。2．光偏转器

光偏转器实现激光束的扫描，大多采用旋转多面镜的方式，它是由以正多角柱体的侧面为镜面的多面反射镜和使其高速旋转的电动机组合而成。3．

激光打印机的主要技术指标激光打印机的主要技术指标是打印宽度、打印速度和清晰程度。三．激光打印机的光电技术同激光打印机相同，复印机也是利用光电技术和电子照相技术相结合的一种印字方式。复印机与激光打印机的主要区别是图象信息产生的方式不同。复印机是实物文件被反射照明后由成像镜头成像曝光在感光体上；而激光打印机则是由主计算机产生的图象数据经控制电路控制激光束的偏转和光强度扫描曝光完成打印的。四．静电复印机

一．光盘存储的类型

1、记录用光盘记录用光盘也称“写后直读型”(draw)光盘，它兼有写入和读出两种功能，并且写入后不需处理即可直接读出所记录的信息，因此可用作信息的追加记录。这类系统根据记录介质和记录方式的不同又可分为作一次写入和可擦重写两类。

2、专用再现光盘专用再现光盘也称“只读”型(readonly)。它只能用来再现由专业工厂事先复制的光盘信息，不能由用户自行追加记录．

§4.5.2光盘存储

1)存储密度高、容量大

2)写入读出率高

3)存储寿命长

4)每信息位的价格最低，易复制、寿命长。

5)有随机寻址能力，随机存取时间小于60ms。

6)光盘存储是非接触写入读出，防尘耐污染，操作方便，易与计算机联机使用。

二、光盘存储的特点

三、光盘存储的工作原理在光盘上写入信息的装置称作光盘记录系统；能从光盘上读出数据的装置是光盘重放系统。大多数光盘装置具有记录和重放的双重功能。

1、只读型将载有音频、视频或文件信息的调制激光束被聚焦透镜缩小成直径1um左右的光点。高能量密度的细束激光加热光盘的记录介质表面，使局部位置发生永久性变形，使介质表面光学特性的二值化改变。在光盘面上会形成轨迹为螺旋状的一系列微小凹坑或其它形式的信息记录点。这些信息点的不同编码方式就代表了被存储的信息数据。

在读出状态时，将照射激光束聚焦在光盘信息层上。当激光束落在光盘信息层的平坦区域时，大部分光束被反射回物镜，落在凹坑边缘的反射光因衍射作用而向两侧扩散，只有少量反射光能折回物镜。落入凹坑底部的光束由于坑深为l／4，故反射光相位与坑上反射光相位差为1／2，由干涉理论可知，当二束光相位差为1／2

时，由于干涉而形成暗条纹。由此可见，当激光束全部照在光盘信息层的平坦区域时，反射光为亮纹，而当部分激光束落到凹坑底部时，反射光为暗纹，只要用光电检测器接收反射回来的被信息点调制的光强，就可得到：“0”或“1”的信号。工作原理

2．可擦型同只读型类似，只是在激光束照射光盘时，使光盘表面的磁性膜磁化或使介质表面结晶状态发生变化。另一种光存方法采用基于光热磁效应的光磁盘装置它的基本设备也和光盘装置相类似，主要的区别在于采用的是磁性的记录介质。在细束激光的调制作用下，通过改变磁介质的磁化方向完成信息的存储。在信息读出时不是检测光的反射率，而是通过检测反射光的偏振状态检测信息点处的磁化方向。。光盘存储系统的核心装置是光盘驱动器，它是一种超精密光电子装置。主要包括：光学系统、机械系统、伺服跟踪系统和信号处理系统。

四．光盘存储系统的关键技术

1．

光学系统

(1)激光聚束光路

(2)写入光调制器

(3)循迹跟踪反射镜

(4)光电检测系统

2．

机械系统

(1)转台机构

(2)滑板机构

(3)光电头机构

3．

控制系统

(1)转台恒速控制系统

(2)滑板位移控制系统

(3)调焦控制系统

(4)循迹跟踪系统

4．

信号处理系统

(1)写入信号处理器

(2)读出信号处理器

(3)控制器1、电视图像的像素

人眼对被观察的物体相邻两点间最小分辨距离的视角的倒数称人眼的分辨率。对应于电视图像，如图4.5.3－1所示，人眼能分辨上下相邻两行像素D的视角为，观看电视的距离为L，则

＝57.360D/L=3438D/L（分）

D＝

L/3438§4.5.3摄像机和数码相机一、全电视信号设眼睛所能分辨的条纹数为Z，则Z＝H/D＝3438H/L

由于眼睛长时间看电视图像比较容易疲劳，一般取＝1.5分，而眼睛对图像的最佳垂直视角约15度左右，即最佳观看距离L＝5H，代上式得：Z＝458（线）我国用PAL制式的标准，每帧图像由二场组成，每场为312.5行。主要参数如下：场频＝50Hz场周期＝20ms

行频＝15625Hz行周期＝64s

场逆程时间＝25H＝1.6ms（H为行周期）行逆程时间＝11.8s

2．电视的2：1隔行扫描制式根据国际惯例，全电视信号由亮度信号B、复合消隐信号A和复合同步信号S组成。B信号：一般采用负极性视频信号，反映了一行中像素的明暗变化的情况，如图4.5.3－3（a）所示。A信号：分水平消隐和垂直消隐，水平消隐也叫行消隐，如图4.5.3－3（b）所示。垂直消隐也称场消隐，如图4.5.3－3（c）所示。

3．

全电视信号

S信号：分行同步信号和场同步信号，保证摄像信号与电视信号的一致，校正电视机的扫描误差。如图4.5.3－4所示。摄像机是将光图像信息转换成电信号，最后形成全电视信号。

1．光电导摄像机的组成部分

镜头：同照相机相同，对被摄物进行成像，所成的像照射在摄像管的光电导靶面上。

聚焦线圈：使摄像管阴极发射的电子束聚焦且使其垂直上靶。

偏转线圈：使电子束对光电靶面进行扫描，一对是上下偏转，一对是左右偏转。

摄像管：阴极的电子枪发射恒定的电子束，轰击光电导靶面，实现光电信息的转换。

一、光电导摄像机2．摄像管由半导体能带理论可知，当图像的光子大量入射到半导体光电导材料上时，使大量的电子吸收能量进入导带，从而使其导电性能改善，电导率增加或电阻下降，形成了电子图像信号，这就是摄像管工作的基本原理。

(1）电子枪：产生电子束，由电加热阴极，电子束在电场中加速，最后轰击光电导靶面。电子束的大小和加速度是恒定的，方向由偏转线圈控制。

（2）光电导靶面：光电导靶面是由无数个光电导像素单元组成，每个光电导像素单元可以等效为一个电阻和一个电容并联的电路，其电阻值和电容值为：光电导靶面的工作原理如下：当阴极发射的电子接通某一像素时，该像素单元的电容C0

就立即被充电到靶电源的电压，当电子束离开该像素单元时，电容便通过该单元的等效电阻R0

放电，放电时电容两端电压为：

第一种情况：无光照时。在一帧时间内电子束扫描完各个点，使这些点为地电位后，C0

充满电，由于电容放电时间＝R0C0＝0.53秒，远大于一帧的扫描时间0.04秒，故电容几乎没有放电，当第二次扫描时，无充电电流流过RS

，B点电位ET，这时无视频信号输出。

第二种情况：有光照时。当有光照射在靶面上时，R0

随光强的大小而变化，扫描后C0

放电时间变化，光越强，R0

越小，放电越快，在下一次电子束扫描该像素时所补充的电荷就越多，就会有较大的电流流过负载电阻RS而产生较大的信号电压输出，负极性视频信号反映了图像的明暗程度。

第三种情况：光照均匀时。当光照均匀无起伏时，R0

不变，输出为直流分量，直流量反映了平均照度。由此可见，只有电子束按全电视信号的要求对靶面进行扫描，就可在输出端得到视频信号，将视频信号加上消隐信号和同步信号，就形成了全电视信号，就可送入电视机进行逆过程变换，形成一幅幅电视图像，也可送入录像机用磁带保存全电视信号。

CCD摄像机是利用MOS光敏元在光照后产生电子和空穴分离的现象，电子被吸收到势阱，势阱内的光生电子数与入射到势阱附近的光强成正比，也与光照时间（曝光时间）成正比。假设一个MOS元就是一个像素，则在半导体硅片上制有上万个独立的MOS元，如照在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图像，则在光敏元上就会产生一幅与光照强度相对应的光生电荷图像，这就形成了影像信号。

三．CCD摄像机

CCD摄像机使用面阵CCD。CCD摄像机完成摄像需经历以下过程：

1．曝光

2．光生电荷平移到移位寄存器

3．移位寄存器中光生电荷串行输出，转换成电压信号

4．形成全电视信号

四．

数码相机数码相机原理同CCD摄像机，所不同的是CCD摄像机是采集连续的图像，而数码相机只采集一幅图像；摄像机将采集的连续变化的图像信号转换成全电视信号后保存在磁带中，而数码相机将一幅图像的信息转换成数字量保存在内存或软盘中。

一．摄像监视摄像监视一般采用CCD摄像头对被监视的区域成像，最后通过监视电视显示出来，也可用存储设备保存以备后用。如将摄像头与有关控制系统或报警系统相连，则可起到防盗报警、防火报警等功能。

二．摄像检测摄像检测主要用于工业和医疗系统，可实现远距测量、非接触测量和在线测量。

目前，摄像检测主要应用摄像技术和计算机数字图象处理技术对被测量进行自动检测和控制。下面举例说明。

§4.5.4摄像测量随着摄像测量技术和模式识别技术的发展，已研制出底片的摄像测量法，利用计算机对摄像的焊缝底片进行自动识别。其原理框图如图4.5.4－1所示。

三．高压容器焊缝底片缺陷的摄像测量1、焊缝底片图象的摄像输入2、图象预处理（1）灰度变换运用全域线形变换，增强缺陷与背景的反差，使图象清晰，特征明显。设p0(i,j)为原始图象的灰度，p1(i,j)为经过变换后的灰度。初始灰度级范围为(a,b)，变换后的灰度级范围为(a‘,b’),则：p1(i,j)=a+(b'-a')*[p0(i,j)-a]/(b-a)ap0(i,j)b

即将原来的(a,b)范围扩展为(a',b')范围。经灰度变换后，图象对比度增强了（见图4.5.4－3）。（2）降噪处理

降噪处理通常称为平滑或滤波。其目的在于滤除干扰，突出目标特征。对滤波处理的要求有两条：一是使图象清晰；二是不要破坏图象中的轮廓和边缘等有用信息。常用的方法分为空域法和频域法。空域法包括噪声消除法、邻域平均法、中值滤波法、掩模匹配法等。频域法有低通滤波法等。

模糊加权均值滤波器(FWA)将滤波窗内的样本看作一个模糊集A中的元素，窗内样本xi根据其