第五章(1)光传感器

第五章

光传感器教学目的与要求：要求学生了解光敏传感器的性能参数;理解光电效应的原理；掌握常用光电器件的特性及应用。

教学重点：内光电效应器件的工作电路、特性及应用教学难点：光电效应

光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。第五章

光传感器

具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光敏器件种类很多，如：光电管、光敏二极管、光电倍增管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电耦合器、光纤等等。在计算机、自动检测、控制系统应用非常广泛。

光学变换电路处理变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换存储显示控制电信号处理门禁光电鼠标料位自动控制电动扶梯自动启停光电开关光栅光纤光电管光敏电阻照明和能源应用卫星和飞船靠太阳能电池提供电力南台科技大学太阳能电动车

采用太阳能供电的楼房。由于采用了聚光式的结构，使用很小面积的高效太阳能电池也可以达到大面积采光的效果，但可以明显降低成本。一、光谱光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm

紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm远紫外近紫外光就是一种电磁现象频率与波长的关系:C—真空中的光速

光源（发光器件）1、钨丝白炽灯发光范围：可见光、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。光谱范围：0.4~3μm

发光效率：10lm/W色温2856K白炽钨丝灯是可见光和近红外区光电探测器积分灵敏度测试标准光源2、气体放电灯

利用电流通过气体产生发光现象制成的灯。光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。它们经常用作光电检测仪器的单色光源。

卤钨灯是填充气体内含有部分卤族元素或卤化物的充气白炽灯。在普通白炽灯中，灯丝的高温造成钨的蒸发，蒸发的钨沉淀在玻壳上，产生灯泡玻壳发黑的现象。卤钨灯，用卤钨循环的原理消除了这一发黑的现象。辐射光谱约0.25～3.5μm。色温可达3200K，发光效率30lm/W，更广泛地用作仪器的白光源。如荧光灯（低压汞灯）

光源（发光器件）3、发光二极管LED（LightEmittingDiode）由半导体PN结构成，其工作电压低、响应速度快、寿命长、体积小、重量轻，因此获得了广泛的应用。

LED屏幕

北京奥运开幕现场最令人吃惊之处，在地上那副转轴不断转动的画面，这就是LED屏幕所做出的效果，这个屏幕长147m、宽36m，上面有4万4千颗LED灯，藉由电脑动画，幻化出各种不断流动的图案，该屏幕经过测试，完全经得起表演人员踩踏及水淹考验。4、激光器激光具有高方向性、高单色性、高亮度和高相干性四个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。激光器按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。1、外光电效应

在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。

由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应。二、光电效应2、内光电效应

当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。

光电导效应

在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。

基于这种效应的光电器件有光敏电阻。光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。光电管的结构示意图

光阳极光电阴极光窗

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。第二节外光电效应器件

利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。一、光电管

当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（E＞A），会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻R上产生正比于电流大小的压降。因此

用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。

光电管灵敏度低、体积大、易破损。目前光电管主要用途：光电比色计等分析仪器、各种光学自动装置。光电管

二、光电倍增管

光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器都使用的是光电倍增管做光电转换元件。

光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。

当光照射到光阴极时，光阴极向真空中激发出光电子。这些光电子按聚焦极电场进入倍增系统，并通过进一步的二次发射得到倍增放大。然后把放大后的电子用阳极收集作为信号输出。一般经十次以上倍增，放大倍数可达到108～1010。

因为采用了二次发射倍增系统，所以光电倍增管在探测紫外、可见和近红外区的辐射能量的光电探测器中，具有极高的灵敏度和极低的噪声。另外，光电倍增管还具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点。

在天体光度测量和天体分光光度测量中广泛使用。测量精度高，可以测量比较暗弱的天体，还可以测量天体光度的快速变化。

广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化分析仪等仪器设备中。

利用物质在光的照射下电导性能改变或产生电动势的光电器件称内光电效应器件。常见的有光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。一、光敏电阻光敏电阻又称光导管，为纯电阻元件，其工作原理是基于光电导效应，其阻值随光照增强而减小。第三节内光电效应器件

结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。

光敏电阻结构及符号

在黑暗的环境下,它的阻值很高,当受到光照并且光辐射能量足够大时，使其导带的电子和价带的空穴增加,电阻率变小。

光敏电阻主要参数暗电阻——无光照时的电阻；暗电流——无光照时的电流；亮电阻、亮电流——受光照时的阻值、电流；光电流——亮电流与暗电流之差。

光敏电阻在受到光的照射时，由于内光电效应使其导电性能增强，电阻RG值下降，所以流过负载电阻RL的电流及其两端电压也随之变化。光线越强，电流越大。当光照停止时，光电效应消失，电阻恢复原值，因而可将光信号转换为电信号。光敏电阻的光谱特性使用不同材料制成的光敏电阻，有着不同的光谱特性。

对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。因此在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果。

光敏电阻的光照特性具有非线性。

光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。光敏电阻主要用于相机自动测光、室内光线控制、工业及光电控制、光控开关、光控灯以及电动玩具等。

因此不适宜做检测元件，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。

012345I/mAL/lx10002000光敏电阻的光电特性

在一定电压作用下，光敏电阻的光电流I与照射光通量Φ(单位lm:流明）的关系称为光电特性。光敏电阻开关电路照相机曝光自动控制电路（电子快门）电路由光敏电阻R、开关K和电容C1构成的充电电路，时间检出电路(电压比较器)，三极管T构成的驱动放大电路，电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。在初始状态，开关K处于如图所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为R1与RW1分电源电压Ubb所得的阈值电压Vth（一般为1~1.5V），而电压比较器的负输入端的电位VR近似为电源电位Ubb，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁不吸合，开门叶片闭合。

电子快门中测光器件常采用与人眼光谱响应接近的硫化镉(CdS)光敏电阻。当按动快门按钮时，开关K与光敏电阻R及RW2构成的测光与充电电路接通，这时，电容C两端的电压UC为0，由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管T导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门打开的同时，电源Ubb通过电位器RW2与光敏电阻R向电容C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到。VR的变化规律可由电容C的充电规律得到。T—电路的时间常数

T=（RW2+R）C

当电容C两端的电压UC充电到一定的电位（VR≥Vth）时，电压比较器的输出电压将由高变低，三极管T截止而使电磁铁断电，快门叶片又重新关闭。

光敏电阻的阻值R与入射的光照度EV有关快门的开启时间

光敏管工作原理主要基于光生伏特效应。光敏管是重要的光敏器件，与光敏电阻相比有许多优点，尤其是光敏二极管，响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高，广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。二、光敏二极管和光敏三极管：光敏二极管光敏二极管又称光电二极管，它与普通半导体二极管在结构上是类似的。硅光敏二极管结构

工作原理：

光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。

光敏二极管基本电路

光照特性

右图是硅光敏二极管在小负载电阻下的光照特性。

光电流与照度（单位lx：勒克斯）成线性关系。所以适合检测等方面的应用。

光谱特性

当入射波长＞900nm时，响应下降;当入射波长＜900nm时，响应也逐渐下降.硅光敏二极管光照特性

与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极—集电极结作为光敏二极管，集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光敏三极管光敏晶极管结构

光敏三极管是把光敏二极管产生的光电流进一步放大，它是具有更高灵敏度和响应速度的光敏传感器。

光敏三极管

光敏三极管有PNP型和NPN型两种。

光敏三极管的光谱特性光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长。

光敏三极管的光照特性

光敏三极管的输出电流I和照度之间的关系。它们之间呈近似线性关系。当光照足够大（几千勒克斯）时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关转换元件。

光敏二极管、光敏三极管主要用于光电检测、光电控制方面，如光电耦合器等。应用举例光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路。

光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。绝缘玻璃发光二极管透明绝缘体光敏三极管塑料发光二极管光敏三极管透明树脂采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏三极管对准，以此来提高灵敏度。(a)金属密封型(b)塑料密封型采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。光电耦合器(P239)光电耦合器的组合形式有多种(a)(b)(c)(d)该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。光电开关P240图5-43

输入信号经光电耦合器送至中央运算、处理部分的TTL电路，TTL电路的输出又通过光电耦合器送到抗干扰能力高的HTL电路，光电耦合器成了TTL和HTL两种电路的媒介。同时使得高低电压信号分开！用于逻辑门电路图中为两个光电耦合器组成的与门电路，如果在输入端Ui1和Ui2同时输入高电平“1”，则两个发光二极管GD1和GD2都发光，两个光敏三极管TD1和TD2都导通，输出端就呈现高电平“1”。

光电耦合器件还可以构成与非、或、或非、异或等逻辑电路。

光电池是在光线照射下，直接能将光量转变为电动势的光电元件。实质上它就是电压源。光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、硫化镉光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等。三、光电池

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。+++---PN光电池符号

目前应用较多的是硒光电池和硅光电池。

硒光电池光电转换效率低（0.02%），寿命短。因光谱特性与人眼视觉很相近，频谱较宽，故多用于曝光表及照度计。

硅光电池与其他半导体光电池相比，是目前转换效率最高的（已过17%），它是几乎接近理论极限的一种光电池。寿命高，适于接收红外光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱效应特性则与太阳光谱特性最吻合，且工作温度最高。故它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面应用最广。204060801000.40.60.81.01.20.2I/%12λ/μm光谱特性

光电池的光谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm—1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。1——硒光电池2——硅光电池L/klx

L/klx

5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc

/V0.10.20.30.4

0.50.30.1012345Uoc/VIsc

/mAIsc/mA(a)硅光电池(b)硒光电池光照特性

开路电压曲线：光生电动势与照度之间的特性曲线，当照度为2000lx时趋向饱和。

短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线开路电压短路电流短路电流

短路电流，指外接负载相对于光电池内阻而言是很小的。光电池在不同照度下，其内阻也不同，因而应选取适当的外接负载近似地满足“短路”条件。下图表示硒光电池在不同负载电阻时的光照特性。从图中可以看出，负载电阻RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx

50Ω100Ω1000Ω5000ΩRL=0

短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量元件时，应当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。小面积光电池外形光敏面能提供较大电流的大面积光电池外形光电池驱动的凉帽嫦娥一号上的光电池板3.光电池的应用二、光电池四、光电传感器的特点及应用

由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域得到了广泛的应用。按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。

模拟式光电传感器其光通量随被测量而变，光电流是被测量的函数。这类光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。

开孔圆盘旋转一周，光敏元件输出的电脉冲个数等于圆盘的开孔数。被测转速

n=f/N式中n——转速；

f——脉冲频率；

N——圆盘开孔数。

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”与“断”的开关状态。231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。亮度传感器：

通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。

灯光亮度控制器可按照环境光照强度自动调节白炽灯或荧光灯的亮度，从而使室内的照明自动保持在最佳状态，避免人们产生视觉疲劳。控制器主要由环境光照检测电桥、放大器、积分器、比较器、过零检测器、锯齿波形成电路、双向晶闸管等组成。过零检测器对50Hz市电电压的每次过零点进行检测，并控制锯齿波形成电路使其产生与市电同步的锯齿波电压，该电压加在比较器的同相输入端。

由光敏电阻与电阻组成的电桥将环境光照的变化转换成直流电压的变化，该电压经放大并由积分电路积分后加到比较器的反相输入端，其数值随环境光照的变化而缓慢地成正比例变化。

两个电压的比较结果，便可从比较器输出端得到随环境光照强度变化而脉冲宽度发生变化的控制信号，该控制信号的频率与市电频率同步，其脉冲宽度反比于环境光照，利用这个控制信号触发双向晶闸管，改变其导通角，便可使灯光的亮度随环境光照做相反的变化，从而达到自动控制环境光照不变的目的。平行光源光电探测放大显示刻度校正 报警器烟道烟尘浊度监测仪

防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少，因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。

调节控制器逆变器

交流负载太阳电池方阵

直流负载太阳能电池电源系统(P242)阻塞二极管光电池应用光电池串联，能提高电压；

并联，可以提高输出电流。每一片光电池的最大输出电压约为0.6V，每平方米，晴天的输出电流约为10A。220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器BG2BG3BG42CR

光纤传感器(FiberOpticalSensor)是20世纪70年代中期发展起来的一种基于光导纤维的新型传感器。它是光纤和光通信技术迅速发展的产物，它与以电为基础的传感器有本质区别。光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。①电绝缘性能好。②抗电磁干扰能力强。③非侵入性。④高灵敏度。⑤容易实现对被测信号的远距离监控。

光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液位、应变、压力、流量、振动、温度、电流、电压、磁场等物理量第四节光纤传感器(P245)一、光导纤维导光的基本原理

当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，其折射角大于入射角，即n1＞n2时，θr＞θi。

n1n2θrθi(a)光的折射示意图

可见，入射角θi增大时，折射角θr也随之增大，且始终θr＞θi。n1、n2、θr、θi之间的数学关系为n1sinθi=n2sinθr1、斯乃尔定理（Snell'sLaw）

当θi＞θi0并继续增大时，θr＞90º，这时便发生全反射现象，其出射光不再折射而全部反射回来。式中：θi0——临界角θi0=arcsin(n2/n1)sinθi0=n2/n1sinθr＝sin90º＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意图n1n2θrθi(b)临界状态示意图

当θr=90º时，θi仍＜90º，此时，出射光线沿界面传播，称为临界状态。这时有

光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(包层)两个同心圆柱的双层结构组成。

纤芯位于光纤的中心部位，光主要在这里传输。纤心折射率n1比包层折射率n2稍大些．两层之间形成良好的光学界面，光线在这个界面上反射传播。2R2rn2n1nn2n1纤芯包层光纤结构2、光纤结构

入射光线AB与纤维轴线OO相交角为θi，入射后折射(折射角为θj)至纤芯与包层界面C点，与C点界面法线DE成θk角，并由界面折射至包层，CK与DE夹角为θr。则n0sinθi=n1sinθjn1sinθk=n2sinθrsinθi=(n1/n0)sinθj

sinθk=(n2/n1)sinθr

因θj=90º－θk所以

θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折射率，n2为包层折射率。3、光纤导光原理及数值孔径NA

上式sinθi0为“数值孔径”

NA(Numerical

Aperture)。由于n1与n2相差较小，即n1+n2≈2n1,故又可因式分解为

Δ=(n1-n2)/n1称为相对折射率差

当θr=90º的临界状态时，θi=θi0当n０=1时θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图

当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsinNA，光线消失。

arcsinNA是一临界角,凡入射角θi＞arcsinNA的那些光线进入光纤都不能传播而在包层消失；相反,只有入射角θi＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播.当θr=90º时当θr>90º时，光线发生全反射，则sinθi0=NAθi0=arcsinNAθi<θi0=arcsinNAθjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图

NA表示光纤接收和传输光的能力。通常的数值在0.14～0.5范围之内。光纤的数值孔径NA越大，光线可以越容易地被耦合到该光纤中。

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。

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。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

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。二、光纤传感器结构原理及分类

1、光纤传感器结构原理

传统传感器是以机—电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。

光是一种电磁波，其波长从极远红外的lmm到极远紫外线的10nm。它的物理作用和生物化学作用主要因其中的电场而引起。因此，讨论光的敏感测量必须考虑光的电矢量E的振动，即

A——电场E的振幅矢量；

ω——光波的振动频率；

φ——光相位；

t——光的传播时间。可见，只要使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被测量状态的变化而变化，或受被测量调制，那么，通过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进行解调，获得所需要的被测量的信息。光纤传感器分为功能型、非功能型和拾光型三大类。信号处理光接收器光纤敏感元件光发送器

（1）根据光纤在传感器中的作用1）功能型（全光纤型）光纤传感器

2、光纤传感器的分类（P250表5-4）

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。

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。信号处理光接收器敏感元件光发送器光纤

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。信号处理光接收器光发送器光纤耦合器被测对象3）拾光型光纤传感器

2）非功能型（或称传光型）光纤传感器

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。

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。（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。

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响，因此灵敏度高。

3）频率调制光纤传感器2）偏振调制光纤传感器

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。

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。4）相位调制传感器

（一）温度的检测

光纤温度传感器有功能型和传光型两种。

为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变。1234水银柱式光纤温度开关1真空2自聚焦透镜3光纤4水银1、遮光式光纤温度计三、光纤传感器的应用

下图为利用双金属热变形的遮光式光纤温度计。当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量10℃～50℃的温度。检测精度约为0.5℃。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片

当一束白光经过半导体晶体片时，低于某个特定波长λg的光将被半导体吸收,而高于该波长的光将透过半导体。这是由于半导体的本征吸收引起的,λg称为半导体的本征吸收波长。当一定波长的光照射到半导体上时,电子吸收光能从价带跃迁入导带,光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，即因λ＝c/v，则产生本征吸收条件h——普朗克常数；v——光频率

对于波长大于λg的光，能透过半导体，而波长小于λg的光将被半导体吸收。不同种类的半导体材料具有不同的本征吸收波长。2、透射型半导体光纤温度传感器

由图看出，GaAs在室温时的本征吸收波长约为880nm左右。

半导体的吸收光谱与Eg有关，而半导体材料的Eg随温度的不同而不同。Eg与温度t的关系可表示为式中：Eg（0）——绝对零度时半导体的禁带宽度；

α——经验常数(eV／K)；

β——经验常数(K)。85080095010000203040t=20℃波长λ/nm透射率(%)对于GaAs材料，由实验得到α=5.8×10-4eV/Kβ=300K室温(20℃)时,120μm厚的GaAs材料的透射率曲线90010

由此可见，半导体材料的Eg随温度上升而减小，亦即其本征吸收波长λg随温度上升而增大。反映在半导体的透光特性上，即当温度升高时，其透射率曲线将向长波方向移动。若采用发射光谱与半导体的λg(t)相匹配的发光二极管作为光源，如图，则透射光强度将随着温度的升高而减小。LED发光光谱半导体透射率T1<T2<T3T3T1T2相对发光强度半导体透射测量原理透射率波长半导体光纤温度传感器基本结构P253图5-61图5-62

种类：强度调制型、相位调制型和偏振调制型三类。膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3P（二）压力的检测

利用弹性体的受压变形，将压力信号转换成位移信号，从而对光强进行调制。因此，只要设计好合理的弹性元件及结构，就可以实现压力的检测。1、采用弹性元件的光纤压力传感器

在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。

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弹性膜片材料是恒弹性金属，对于不同的测量范围，可选择不同的膜片尺寸。一般膜片的厚度在0.05mm～0.2mm之间为宜。R—膜片有效半径；t—膜片厚度；p—外加压力；E－膜片材料的弹性模量；μ—为膜片的泊松比。

可见，在一定范围内，膜片中心挠度与所加的压力呈线性关系。若利用Y形光纤束检测位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。这种传感器结构简单、体积小、使用方便，但如果光源不稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。

对于周边固定的膜片，在小挠度(y＜0.5t，t为膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度y为

光纤束的一端分成三束,其中一束为输入光纤,两束为输出光纤。三束光纤在另一端结合成一束,并且在端面成同心环排列分布,最里面一圈为输出光纤束1,中间一圈为输入光纤束,外面一圈为输出光纤束2。当压差为零时，膜片不变形,反射到两束输出光纤的光强相等,即I1＝I2。当膜片受压变形后,使得处于里面一圈的光纤束,接收到的反射光强减小,而处于外面一圈的光纤束2接到的反射光强增大,形成差动输出。4

p>0P=0P<0(a)传感器结构

(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I02(外圈)1(内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23(输入)改进型的膜片反射式光纤压力传感器

可见，输出光强比I2／Il与膜片的反射率、光源强度等因素均无关，因而可有效地消除这些因素的影响。

将上式两边取对数且满足(Ap)2≤1时,等式右边展开后取第一项，得到两束输出光的光强之比为A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p——待测量压力。

待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。因此，若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。

晶体在受压后其折射率发生变化，呈现双折射的现象称为光弹性效应。(b)传感器结构12345P(a)检测原理

P678910111光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件

5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜偏振光线偏振光椭圆偏振光2、光弹性式光纤压力传感器

发自LED的入射光经起偏器后成为直线偏振光。当有与入射光偏振方向呈45º的压力作用于晶体时，使晶体呈双折射从而使出射光成为椭圆偏振光，由检偏器检测出与入射光偏振方向相垂直方向上的光强，即可测出压力的变化。其中1/4波长板用于提供一偏置，使系统获得最大灵敏度。

为了提高传感器的精度和稳定性，将输出光用偏振分光镜分别检测出两个相互垂直方向的偏振分量；并将这两个分量经“差／和”电路处理，即可得到与光源强度及光纤损耗无关的输出。该传感器的测量范围为103Pa～106Pa，精度为±1％，理论上分辨力可达1.4Pa。这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度。输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123456I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1光纤2起偏器3光弹性元件41/4波长板5偏振分光镜6反射镜p

（三）液位、流量、流速的检测12(a)探头结构(b)检测原理空气液体LEDPD