第七章光电式与光导式传感器

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。第七章光电式与光导式传感器可见光谱在电磁波谱中的位置光电传感器的构成：光源、光学通路、光电元件。应用：1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。特点：非接触、响应快、性能可靠。被测量的变化光信号的变化电信号的变化光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光电元件上，因此又称之为吸收式

遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与被测物体在光路位置有关。反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再从被测物体表面反射后投射到光电元件上光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面；光子与物体之间的联接体是电子。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应可分成外光电效应和内光电效应两类一、外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象叫做外光电效应。第一节光电效应与光电器件爱因斯坦光电效应方程： 1.光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。各种不同的材料具有不同的逸出功A，因此对某特定材料而言，将有一个频率限νo(或波长限λo)，称为“红限”。当入射光的频率低于νo时(或波长大于λo)，不论入射光有多强，也不能激发电子；当入射频率高于νo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。红限波长可用下式求得：

2.当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。3.光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2

，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。基于外光电效应的光电器件有：光电管、光电倍增管二、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。分为光电导效应和光生伏特效应

1．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度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。

自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带禁带导带价带Eg电子能量Eh≧Eg过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：基于这种效应的光电器件有光敏电阻。２．光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管。

①势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若h≧Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。PN②侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，光照部分产生电子空穴对，载流子浓度比未受光照部分的大，出现了载流子浓度梯度，引起载流子扩散，如果电子比空穴扩散得快，导致光照部分带正电，未照部分带负电，从而产生电动势，即为侧向光电效应光敏电阻光敏二极管光敏三极管光电池光电耦合器光电管光电倍增管光敏晶闸管光电传感器的外观光电池一、光电管及其基本特性１．结构与工作原理三、外光电效应器件——光电管和光电倍增管２．主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性真空光电管充气光电管光通量:光源每秒钟所发出光的量之总和，用于表示灯管射出的光的量，即发光量。通用符号ф表示，单位为流明(Lm)发光强度：光源在某一给定方向的单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度，简称光强，常用I来表示，单位为坎德拉（cd）。光照度:光照度是光源照射在被照物体单位面积上的光通量。常用E来表示，单位为勒克斯(lx)或流明平方米(lm/m2)1勒克斯(lx)相当于每平方米被照面上光通量为1流明(lm)时的照度。夏季阳光强烈的中午地面照度约5000lx，冬天晴天时地面照度约2000lx，晴朗的月夜地面照度约0.2lx（2）光电管的光照特性当光电管的阴极和阳极之间所加的电压一定时，光通量与光电流之间的关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度图7-5光电管的光照特性255075100200.51.52.0光通量/1mIA/μA1.02.511-银氧铯阴极2-锑铯阴极(3)光电管的光谱特性一般光电阴极材料不同的光电管有不同的红限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。另外，同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同。以GD-4型光电管为例，阴极是用锑铯材料制成，其红限λc=700nm，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。国产光电管的技术参数由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。使用时在各个倍增电极上均加上电压，阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。2、光电倍增管及其基本特性由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放大光电流能力的光电倍增管。光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成，并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。K当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是бn，因此，光电倍增管有极高的灵敏度。K如果n个倍增电极二次发射电子的数目相同,则Ｍ＝δin，因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,光电倍增管的电流放大倍数为：M与所加的电压有关。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。主要参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子数δi

的乘积。一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度.(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达10A/lm不能受强光照射。图7-7光电倍增管的特性曲线255075100125106极间电压/V倍增系数M105104103（3）暗电流和本底脉冲由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。在其受人眼看不到的宇宙射线的照射后，光电倍增管会有电流信号输出—本底脉冲。(4)光电倍增管的光谱特性与相同材料的光电管的相似国产光电倍增管的技术参数四、内光电效应器件——光敏电阻、光电池、光敏二极管与光敏三极管1光敏电阻（1）结构和原理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A电极半导体玻璃底板RLIRGEE图7-7光敏电阻的结构与电路连接如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：暗电流(越小越好)光敏电阻演示当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。光敏电阻具有很高的灵敏度、很好的光谱特性、很长的使用寿命、高度的稳定性能、小的体积及工艺简单，故应用广泛。2.光敏电阻的特性（1）暗电阻、亮电阻、与光电流光敏电阻在未受到光照时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流。在受到光照时的电阻称为亮电阻，此时的电流称为亮电流。亮电流与暗电流之差为光电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。(4)伏安特性所加的电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大0102030405050100150200250I/μAU/V图7-8光敏电阻的伏安特性（3）光敏电阻的光照特性用于描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。0.050.100.150.200.2500.20.40.60.81.0光通量/lm光电流/mA图7-9光敏电阻的光照特性（3）光敏电阻的光谱特性硫化镉的峰值在可见光区域，硫化铅的峰值在红外区域。故选用时要把元件和光源结合起来考虑。图7-10光敏电阻的光谱特性0500100015002000250020406080100硫化镉硫化铊硫化铅入射光波长/nm相对灵敏度/%（5）光敏电阻的频率特性时间常数：光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间。入射光调制频率/Hz相对灵敏度/%01010210310420406080100硫化镉硫化铅图7-11光敏电阻的频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。多数光敏电阻的时间常数都很大。(6)温度特性峰值随温度上升向波长短的方向移动。2040608010001.02.03.04.05.0λ/μm相对灵敏度（%）+20ºC-20ºC图7-12光敏电阻的光谱温度特性

2、光电池

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的光电器件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。适于宇宙飞船、卫星、太空探测器等方面应用。（1）结构原理图7-13光电池的结构图下电极梳状电极SiO2抗反射膜PN硅光电池的结构如图。它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质（如硼）形成PN结。图7-14光电池的工作原理示意图RLI---mAV+++

PN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。若将PN结两端用导线连起来，电路中就有电流流过。若将外电路断开，就可测出光生电动势。2.基本特性（１）光谱特性故硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。20406080100硒硅入射光波长λ/nm040060080010001200相对灵敏度/%图7-15光电池的光谱特性(2)光照特性①不同光照射下有不同光电流和光生电动势。②短路电流在很大范围内与光强成线性关系。图7-16光电池的光照特性开路电压0.10.30.2照度/lx020004000光生电流/mA0.20.60.4光生电压/V短路电流③开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。④光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。(3)频率特性光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。图7-17光电池的频率特性20406080100硒光电池硅光电池015003000450060007500相对光电流/%入射光调制频率/Hz(4)温度特性主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而缓慢增加。因此作测量元件时应考虑进行温补。图7-18光电池的温度特性开路电压温度/℃光生电流/mA1.82.22.0光生电压/V短路电流1002003004005000204060801003、光敏二极管和光敏三极管1.一般光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。RL

光PNPN光当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。当光照射时，光敏二极管处于导通状态。(2)高速光电二极管1.PIN结光电二极管PIN

P、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏压。入射光照射在P层上，由于P层很薄，大量的光被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；又PIN结光电二极管比PN结光电二极管施加较高的反偏置电压，使其耗尽层加宽。当P型和N型半导体结合后，在交界处形成电子和空穴的浓度差别，因此，N区的电子要向P区扩散，P区空穴向N区扩散。图7-21PIN光电二极管偏压价带导带信号光信号光电极电极输出端PINP区一边失去空穴，留下带负电的杂质离子，N区一边失去电子，留下带正电的杂质离子，在PN交界面形成空间电荷，即在交界处形成了很薄的空间电荷区，在该区域中，多数载流子已扩散到对方而复合掉，即消耗尽了，耗尽层的电阻率很高。扩散越强，耗尽层越宽，PN结内电场越强，加速了光电子的定向运动，大大减小了漂移时间，因而提高了响应速度。PIN结光电二极管仍然具有一般PN结光电二极管的线性特性。

2.雪崩式光电二极管（APD）在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管偏压输出端价带导带信号光信号光电极电极P+IN图7-22雪崩式二极管这种管子工作电压很高，约100～200kV，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，初始电子（一次电子）在高电场区获得足够能量而加速运动。高速运动的电子和晶格原子相碰撞，使晶格原子电离，产生新的电子-空穴对。新产生的二次电子再次和原子碰撞。如此多次碰撞，产生连锁反应，致使载流子雪崩式倍增因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。噪声大是这种管子目前的一个主要缺点。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。2.光敏三极管集电结一边做得很大，以扩大光的照射面积，且基极一般不接引线。PPN

becNNPe

bc当集电极加上正电压，基极开路时，集电结处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区时，产生电子、空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，相当于给发射结加了正向偏压，使电子大量流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的ß倍。基本工作线路：cbeRL3.光敏晶体管的主要特性(1)光谱特性存在一个最佳灵敏度波长2040608010040080012001600入射光波长/nm锗硅相对灵敏度（%）0硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差。故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适。(2)伏安特性01234

5外加电压（V）20406080I（mA)2500Lx2000Lx1500Lx1000Lx500Lx与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光电流看作基极电流即可。(3)光照特性1.02.03.02004006008001000Lx0I(μA)故光敏三极管既可做线性转换元件，也可做开关元件近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。(4)温度特性暗电流（mA)1030507002550ºC200400100300

500光电流（μA)103050700ºC温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行温度补偿。(5)频率特性减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响应频率比锗管的好。0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率/HZ相对灵敏度/%门窗防盗控制自动扶梯自动启停对射式光电开关汽车通过检测汽车喷涂控制围墙监护警戒远距对射式光电开关库房卫士安全警戒扩散反射式光电开关料位控制烟雾报警带材对中控制缺料检测斜度检测扩散反射式光电开关裂缝检测镜面反射式光电开关透明玻璃瓶检测长度控制限距式光电开关产品计数液位检测气流量监测检测有无盖限距式光电开关料径控制行程控制转速监测超速或滞速判别光电开关式标志传感器透明薄膜上标志检测电度表转速检测仪表指针位置检测标志检测光幕传感器自动装配机的侵入检测机器人工作区安全检测车库门车辆通过检测上料机和卸料机的侵入检测220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器BG2BG3BG42CR天黑：BG1导通，J动作，路灯亮；天亮：光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。例2：光电转距测量仪光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹无转矩作用：光栅盘1的透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，与转矩成正比例3：太阳能电池电源系统调节控制器太阳电池方阵直流负载逆变器交流负载发电装置：单体太阳能电池——太阳电池组件——阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电例：测量心率脉搏跳动-生物组织血液量变化-传输光的性能变化变化速率-心率手指光反射强度变化的测量例：戒烟缸弹烟灰：显示“吸烟有害健康”例：大米分选机大米及杂质在光照下，发出不同光信号例：可逆计数器运动方向出入场人数统计一、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。平行光源光电探测放大显示刻度校正 报警器吸收式烟尘浊度检测系统原理图烟道二、光电转速传感器231231(a)(b)光电数字式转速表工作原理图下图是光电数字式转速表的工作原理图。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。三、光电池应用光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用举例如下：1．太阳电池电源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。太阳能电池电源系统

调节控制器逆变器交流负载太阳电池方阵直流负载阻塞二极管2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。(a)光电追踪电路

光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2图(a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的(b)光电开关图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。BG2BG1+12VC

J

R1

R2(c)光电池触发电路图(c)为光电池触发电路。当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW+12V5G23(d)光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。

在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器，它是1970年贝尔实验室的W·S·Boyle(威拉德·博伊尔)和G·E·Smith(乔治·史密斯)发明的，它与光敏二极管阵列集成为一体，构成具有自扫描功能的CCD图象传感器。它不仅作为高质量固体化的摄象器件成功地应用于广播电视、可视电话和无线电传真，而且在生产过程自动检测和控制等领域已显示出广阔的前景和巨大的潜力。第二节固态图像传感器固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD（ChargeTransferDevice），最常用的是电荷耦合器件CCD（ChargeCoupledDevice）。由于它具有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，以及集成度高、功耗低的优点，因此被广泛地应用。1.CCD的结构和基本原理CCD是一种半导体器件，由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型(或N型)硅衬底上生长一层厚约120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积金属或掺杂多晶硅电极而构成金属-氧化物-半导体的电容式转移器。其中，“金属”为SiO2层上沉积的金属或掺杂多晶硅电极，称为“栅极”；半导体硅作为底电极，俗称“衬底”；“氧化物”为两电极之间夹的绝缘体SiO2。

MOS光敏单元的结构及原理

CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。A、势阱的产生

MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于U的大小。B、电荷的存储势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移并传输出来。A、电荷的定向转移当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、三相CCD电极的结构

MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法P型Si耗尽区电荷转移方向Ф1Ф2Ф3输出栅输入栅输入二极管输出二极管

SiO2

CCD的MOS结构当向SiO2表面的电极加正偏压时，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中Ф1极下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下图以三相控制方式为例说明控制电荷定向转移的过程。

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

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P2

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P3

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P3

P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30

P1

P1

P2

P2P3

P3

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P3

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P2

P2

P3

P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30三相控制是在线阵列的每一个像素上有三个金属电极P1,P2,P3,依次在其上施加三个相位不同的控制脉冲Φ1，Φ2，Φ3，见图（b）。CCD电荷的注入通常有光注入、电注入和热注入等方式。图(b)采用电注入方式。当P1极施加高电压时，在P1下方产生电荷包（t=t0）；当P2极加上同样的电压时，由于两电势下面势阱间的耦合，原来在P1下的电荷将在P1、P2两电极下分布（t=t1）；

P1

P1

P2

P2P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3

P1

P1

P2

P2

P3

P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30当P1回到低电位时，电荷包全部流入P2下的势阱中（t=t2）。然后，p3的电位升高，P2回到低电位，电荷包从P2下转到P3下的势阱（t=t3），以此控制，使P1下的电荷转移到P3下。随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。2．线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器由一行列光敏元件与一行CCD并行且对应的构成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一个P型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时,光敏元件聚集光电荷,进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高(平时低电压),与CCD对应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电荷从CCD中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出,从而读出电荷图形。实用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，就形成了原来光敏信号电荷的顺序。转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积分区输出转移栅(a)(b)输出线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。3．面型CCD图像传感器面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部分组成。目前存在三种基本类型：线转移型、帧转移型和行间转移型。

二相驱动视频输出

行扫描发生器输出寄存器检波二极管二相驱动感光区图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器，输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出,输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种转移方式具有有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等特点，但电路比较复杂，易引起图像模糊(a)线转移型析像单元(b)帧转移型沟阻P1

P2P3P1

P2P3P1

P2P3感光区存储区视频输出输出栅串行读出图（b）增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动(c)行间转移型图(c)是将图(b)中感光元件与存储元件相隔排列，即一列感光单元，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。目前，面型CCD图像传感器使用得越来越多，所能生产的产品的单元数也越来越多，最多已达1024×1024像元。我国也能生产512×320像元的面型CCD图像传感器，面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。四、CCD应用举例——CCD特异细胞自动显微系统

CCD特异细胞自动显微系统是以线阵CCD作光电探测器，由微机控制的生物细胞图像自动处理的一种具有自动调焦、视场筛选、自动测光和自动拍摄细胞图像的系统。

1、工作原理由光学-机械混合式CCD扫描机械输出的显微镜图像，经放大和A/D转换后变换成数字化图像，存人计算机内存。对图像信息分析后，当需要对涂片进行调焦时，微机启动步进电机驱动载物平台，使之沿垂直方向上下移动，进行调焦。当需要变换视场时，步进电机驱动载物平台作平面内x，y两方向移动即可。当图像处理结果表明需要记录下某个视场时，微机可进入测光和拍摄子程序，计算出光强的大小，按自动曝光方程，求解出一个合适的曝光时间T。通过控制接口电路，以实现上紧快门、卷片、开启快门、延时曝光以及快门关闭等操作。尺寸自动检测快速自动检测工件尺寸的系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图象传感器、和微处理机等。被测工件成像在CCD图象传感器的光敏阵列上，产生工件轮廓的光学边缘。时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元顺次询问，视频输出馈送到脉冲计数器，并把时钟选送入脉冲计数器，启动阵列扫描的扫描脉冲也用来把计数器复位到零。复位之后，计数器计算和显示由视频脉冲选通的总时钟脉冲数。显示数N就是工件成象覆盖的光敏元数目，根据该数目来计算工件尺寸。用CCD摄像机做三角法测量物体位移及轮廓2009年10月6日瑞典皇家科学院宣布，将2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及美国科学家威拉德·博伊尔和乔治·史密斯。

瑞典皇家科学院说，高锟在“有关光在纤维中的传输以用于光学通信方面”取得了突破性成就，他将获得今年物理学奖一半的奖金，共500万瑞典克朗（约合70万美元）；博伊尔和史密斯发明了半导体成像器件——电荷耦合器件（CCD）图像传感器，分享了2009年物理学奖另一半奖金。基本采用石英玻璃，主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护层——尼龙料。光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（n1

＞n2

）。第三节

光导式（光纤）传感器一、光纤结构100~200μm包层玻璃纤维尼龙外层涂敷层纤芯外层直径1mm光纤是一种由高度透明的石英（或其他材料）经复杂的工艺拉制而成的光波导材料。光纤的典型结构为多层同轴圆柱体，一般是由折射率较高的纤芯、折射率较低的包层以及涂敷层和护套构成，其剖面结构如图所示。纤芯和包层作为光纤结构的主体，对光波的传播起着决定性作用。涂敷层与护套的作用则是隔离杂散光、提高光纤强度、保护光纤等。在某些特殊应用场合不加涂敷层和护套的光纤称为裸光纤光纤的传光原理二、光纤的传光原理众所周知,光在空间是直线传播的。在光纤中,光的传输限制在光纤中,并随着光纤能传送很远的距离,光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图所示，它的两个端面均为光滑的平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi角时，在端面发生折射进入光纤后,又以φi角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。但当入射角θi小于临界入射角θc时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：

可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（n1、n2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。当光由光密物质射向光疏物质时，发生折射

根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图可得临界角仅与介质的折射率的比值有关若要在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角

=90°，即

而当

时，有所以，为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足一般光纤所处环境为空气，则n0=1，实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。实现全反射的临界角为：当NA＜1时．集光能力与NA的平方成正比；当NA≧1时，集光能力达到最大。从公式可知、纤芯和包层介质的折射率差值越大，数值孔径越大，光纤的集光能力超强。归一化频率f:光纤的孔径：当光线经某一子午面射入光纤时，光纤端面的临界入射角的两倍角称为光纤的孔径角。NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA。三、光纤分类光纤按纤芯和包层材料的性质分类，有玻璃光纤和塑料光纤两类；按折射率分有阶跃型和梯度型二种。光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来分，可分为多模光纤和单模光纤两类。多模光纤多用于非功能型（NonFunctionalFiber，缩写为NFF）光纤传感器；单模光纤多用于功能型（FunctionalFiber，缩写为FF）光纤传感器。功能型光纤传感器：这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。非功能型光纤传感器：传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。1．阶跃型和梯度型光纤

.阶跃光纤：纤芯折射率是均匀阶跃分布，包层内的折射率分布也大体均匀．折射率为常数；但是，在纤芯和包层的界面上呈台阶状，如图所示。在纤芯内．中心光线沿光纤轴线传播，通过轴线的子午光线(光的射线永远在一个平面内运动．这种光线称为子午光线)呈锯齿形轨迹.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这两种光纤传输模的总数N可表示为:f大的光纤传输的模数多，称为多模光纤纤芯直径较粗（几十微米以上）的，能传播几百个以上的模，纤芯很细的(5—10um)只能传输一个模(基模)，称之为单模光纤2．按材料分类

(1)高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。这种材料的光损耗比较小,在波长λ＝1.2μm时、最低损耗约为0.47dB/km。

(2)多组分玻璃光纤用常规玻璃制成，损耗也很低。如硼硅酸钠玻璃光纤，在波长λ＝0.84μm时，最低损耗为3.4dB/km。

(3)塑料光纤。用人工合成导光塑料制成，其损耗较大。当λ＝0.63μm时，损耗高达100～200dB/km；但重量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。3．按传榆模数分类

(1)单模光纤单模光纤纤芯直径仅有几微米，接近光的波长。单模光纤通常是指跃变光纤中，内芯尺寸很小，光纤传输模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常用于光纤传感器。这类光纤传输性能好、频带很宽，具有较好的线性度；但因内芯尺寸小，难以制造和耦合

(2)多模光纤。多模光纤纤芯直径约为50μm，纤芯直径远大于光的波长。通常是指跃变光纤中，内芯尺寸较大，传输模数很多的光纤。这类光纤性能较差，带宽较窄；但由于芯子的截面积大，容易制造、连接耦合比较方便，也得到了广泛应用。4．按用途分类

(1)通信光纤。用于光通信系统，实际使用中大多使用光缆（多根光纤组成的线缆），是光通信的主要传光介质。

(2)非通信光纤。这类光纤有低双折射光纤、高双折射光纤、涂层光纤、液芯光纤和多模梯度光纤等几类。四、光纤传感器基本工作原即及类型

1．光纤传感器基本工作原理光纤传感器的基本工作原理是将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与输入调制区的光相互作用后，导致光的某些特性(如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等)发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。2．光纤传感器的类型光纤传感器按其传感器原理分为两大类：一类是传光型，也称为非功能型光纤传感器，多数使用多模光纤；另一类是传感型，或称为功能型光纤传感器，常使用单模光纤。传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质,对外界信息的“感觉”功能是依靠其它功能元件来完成的。传感器中的光纤是不连续的，其间有中断，中断的部分要接上其他介质的敏感元件。调制器可能是光谱变化的敏感元件或其他敏感元件。光纤在传感器中仅起传光作用。传光型光纤传感器主要利用已有的其他敏感材料,作为其敏感元件，这样可以利用现有的优质敏感元件来提高光纤传感器的灵敏度。传光介质是光纤，所以采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求。传光型光纤传感器占据了光纤传感器的绝大多数传感型光纤传感器是利用对外界信息具有敏感能力和检测功能的光纤(或特殊光纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。在这类传感器中，光纤不仅起传光的作用，同时利用光纤在外界因素(弯曲、相变)的作用下，使其某些光学特性发生变化，对输入的光产生某种调制作用，使在光纤内传输的光的强度、相位、偏振态等特性发生变化，从而实现传和感的功能。因此，传感器中的光纤是连续的。3．光纤传感器的特点光纤传感器有以下三大特点，因而得到广泛的应用。

(1)光纤传感器具有优良的传光性能，传光损耗小

(2)光纤传感器频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好。

(3)光纤传感器体积很小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。五、光纤传感器的调制器原理光纤传感器原理的核心是如何利用光纤的各种效应，实现对外界被测参数的“传”和“感”的功能。光纤传感器的核心就是光被外界输入参数的调制。研究光纤传感器的调制器，就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用。外界信号可能引起光的某些特性(如强度、波长、频率、相位、偏振态等)变化，从而构成强度、波长、频率、相位和偏振态等调制。1．强度调制利用被测量的作用改变光纤中光的强度，再通过光强的变化来测量被测量，称为强度调制。其原理如图所示。

当一恒定光源的光波Iin注入调制区，在外力场强Is的作用下，输出光波的强度被Is所调制，载有外力场信息的出射光IOUT

的包络线与Is形状相同，光（强度）探测器的输出电流ID(或电压)也反映出了作用力场。同理，可以利用其他各种对光强的调制方式，如光纤位移、光栅、反射式、微弯、模斑、斑图、辐射等来调制入射光，从而形成相应的调制器。

(1)小的线性位移和角位移调制方法这种调制方法使用两根光纤，一根为光的入射光纤，另一根为光被调制后的出射光纤，如下图所示。两根光纤的间距为2～3μm，端面为平面，两者对置。通常入射光纤固定，外界作用（如压力、张力等）使得出射光纤作横向或纵向位移或转动，于是出射光纤输出的光强被其位移所调制，利用这一调制过程可测量位移量若入射和出射光纤均采用相同性能的单模光纤，径向位移d与功率耦合系数T

之间存在下列关系：式中S0为光纤中的光斑尺寸；T和d的关系为高斯型曲线。这种调制方法可以测量10μm以内的位移量。

(2)微弯损耗光强调制根据模态理论，当光纤轴受力而发生微小弯曲时，光纤中的部分光会折射到纤芯的包层中去，不产生全折射，这样将引起纤芯中的光强发生变化。因此，可以通过对纤芯或包层中光的能量变化来测量外界作用，如应力、重量、加速度等物理量。

微弯光纤压力传感器由两块波形板或其他形状的变形器构成。其中一块活动，另一块固定。变形器一般采用有机合成材料(如尼龙、有机玻璃等)制成。一根光纤从一对变形器之间通过，当变形器的活动部分受到外力的作用时，光纤将发生周期性微弯曲，引起传播光的散射损耗，使光在芯模中重新分配一部分从纤芯耦合到包层，另一部分光反射回纤芯。当外界力增大时，泄漏到包层的散射光增大，光纤纤芯的输出光强度减小；当外界力减小时，光纤纤芯的输出光强度增强。它们之间呈线性关系，如上图所示。由于光强度受到调制，通过检测泄漏包层的散射光强或光纤纤芯中透射光强度的变化即可测出压力或位移的变化。优点：光纤微弯传感器的光功率维持在光纤内部，这样可以免除周围环境污染的影响，适宜在恶劣环境中使用。另外还有灵敏度高、结构简单、动态范围宽、线性度较好、性能稳定等优点。

(3)吸收特性的强度调制

x、γ射线等辐射会引起光纤材料的吸收损耗增加，使光纤的输出功率降低，从而可以构成强度调制器，用来测量各种辐射量，其原理如下图(a)所示。用不同材料制成的光纤对不同射线的敏感程度是不一样的，由此还可以鉴别不同的射线。

2．波长调制和频率调制

波长调制:利用被测量改变光纤中光的波长，再通过检测光波长的变化来测量各种被测量。波长调制的优点是它对引起光纤或连接器的某些器件的稳定性不敏感，因此被广泛应用于液体浓度的化学分析、磷光和荧光现象分析、黑体辐射分析及法布里-珀罗等光学滤波器上。其缺点是解调技术较复杂。但采用光学滤波或双波长检测技术后，可使解调技术简化。

频率调制:利用外界作用改变光纤中光的波长或频率，通过检测光纤中光的波长或频率的变化来测量各种物理量多普勒效应：当光源S发射出的光，经运动的物体散射后，观察者所见到的光波频率f1相对于原频率f0发生了变化，如图所示。S为光源，N为运动物体，M为观察者所处的位置，若物体N的运动速度为υ，其运动方向与NS和MN的夹角分别为和

，则从S发出的光频率f0经运动物体N散射后,观察者在M处观察到的运动物体反射的频率为fl，根据多普勒效应，它们有如下关系：设激光光源频率为f0，经分束器，半反射镜和聚焦透镜进入光纤射入到被测物流体，当流体以速度υ运动时，根据多普勒效应，其向后散射光的频率为f0+Δf或f0-Δf（视流向而定），它与（f0-f1）的光在光电探测器中混频后，形成（f1±Δf）的振荡信号，通过测量Δf，可换算出血流速度

υ3.相位调制相位调制的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。

4．时分调制利用外界因素调制返回信号的基带频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化来测量各种物理量的大小和空间分布的方法，称为时分调制。时分调制系统中,光脉冲被耦合到各测量点上,通过被测量调制区返回到输入端,通过检测返回脉冲位置的变化就能知道外界的物理量，如位移、压力、温度等。这种系统就是一种串联分布阵列的离散传感器系统，称为准分系统，或称为多路系统连续分布系统，它是利用光纤中微小不均匀性产生瑞利背向散射，通过光纤时域反射计(OTDR)技术来决定外界物理量的变化，如光纤的断裂、裂纹以及不正常的损耗等，所以称为全分布传感器系统。这种系统的空间分辨率由脉宽和检测系统响应时间决定。

5．偏振调制根据电磁场理论,光波是一种横波;光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向垂直。如果光波的电场矢量E和磁场矢量H的振动方向在传播过程中保持不变,只有它的大小随相位变化,这种光称为线偏振光。线偏振光的E和H与传播方向组成的面称为线偏振光的振动面，与光的E和H振动方向垂直且包含传播方向的面称为偏振面。光在传播中，E、H的大小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为一个圆，这种光称为圆偏振光；如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为椭圆偏振光。如果自然光在传播过程中,受到外界的作用而使各个振动方向上强度不等,使某一方向的振动比其他方向占优势,这种光称为部分偏振光。如果外界作用使自然光的振动方向只有一个,这种现象称为起偏(形成完全偏振光)⑴法拉第效应（磁光效应）某些物质在磁场作用下，线偏振光通过时其振动面会发生旋转，这种现象称为法拉第效应。光的电矢量E旋转角θ与光在物质中通过的距离L和磁场强度H成正比，即式中V—物质的弗尔德常数⑵普克尔效应（一次电光效应）当压电晶体受光照射，并在与光照正交的方向上加以高压电场时，晶体将呈现双折射现象，这种现象被称为Pockels效应。这种双折射正比于所加电场的一次方，所以普克尔效应又称为线性电光效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化为n0—正常折射率；de—电光系数；U—加在晶体片上的电压λ—光波长；L—晶体长度；d—场方向晶体厚度

※关于双折射现象的说明一束光在各向同性介质（如玻璃）的表面所产生的折射光只有一束，这是一般的常识。然而，对于光学性质随方向而异的一些晶体（各向异性介质），一束入射光常有被分解为两束的现象，这就是双折射现象。请注意，这种现象不是因为不同频率的光在介质中的折射率不同而产生的，而是由于各向异性介质的折射率对不同入射角的光不是常数而产生的。通过各向异性介质折射的光，若对于任意的入射角，其入射角的正o光和e光示意图不同而变化时，这种光称为非寻常光，简称为e光。o光和e光都是线偏振光，但是，光矢量（电矢量）等振动方向不同。o光的电矢量垂直于自己的主平面，而e光的电矢量则在自己的主平面内振动，如上图所示。在光弹效应和普克尔效应中所说的相位变化，实际上是指这两种光的相位差弦与折射角的正弦值比为一常数（即通常所说的折射率）时，这种光称为寻常光，简称为o光；若其入射角的正弦与折射角的正弦值比随