第四章光电式传感器

第四章光电式传感器第一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电式传感器第二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五应用:蜂窝电话第三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

以光电器件作为转换元件的传感器。非接触响应快性能可靠定义特点光电式传感器第四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

用于检测直接引起光量变化的非电量如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；

用来检测能转换成光量变化的其他非电量如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。功能光电式传感器第五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电式传感器通常由四部分组成，如图.图中X1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；X2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。

光电式传感器组成第六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源（Lamp-house）光的特性光源与光辐射体第八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一.光的特性不同波长光的分布第九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一.光的特性

光是电磁波谱中的一员;这些光的频率(波长)各不相同;

都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。不同波长光的分布第十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

由光的粒子说可知，

光是以光速运动着的粒子(光子)流，一种频率ν的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量

式中h——普郎克常数，h=6.626×10－34J·s结论:光的频率愈高(即波长愈短)，光子的能量愈大。一.光的特性第十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源（Lamp-house）光源与光辐射体光的特性第十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.光源与光辐射体

一.白炽光源

（IncandescenceLamp-house）

二.气体放电光源最常用的是钨丝灯，它的光谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。

气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发过程。第十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.光源与光辐射体三.发光二极管发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。

四.激光（Laser）器

激光是新颖的高亮度光，是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它有单色性和方向性，能量高度集中。

第十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五五、红外辐射能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。二.光源与光辐射体第十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五1、热辐射体的分类二.光源与光辐射体三类辐射体的光谱发射率和光谱辐射出射度第十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五2、热辐射的基本规律二.光源与光辐射体1234普朗克公式维思位移定律在折射率为n的介质中的黑体辐射斯蒂芬-玻尔兹曼定律5红外辐射与分子能级第十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.光源与光辐射体不同温度的光谱辐射分布曲线第十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五物质分子吸收红外辐射的条件是：①分子在振动、转动运动中存在着偶极矩的周期性变化，②偶极矩周期性变化的频率（即振动频率、转动频率）与外来光子的频率一致。二.光源与光辐射体第十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五六、光源特性

光源的辐射特性（例如白炽灯辐射为非相干的朗勃光源，激光器是相干光源）、光谱特性（辐射的中心波长λ和谱宽△λ）、光电转换特性（光源的电偏置与光源幅射的光学特性之间的关系）以及光源的环境特性（热系数、长时间漂移和老化等）是光源的重要参量。二.光源与光辐射体第二十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第二十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电效应(photoelectriceffect)第二十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电效应(photoelectriceffect)光电效应实验装置图第二十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电效应(photoelectriceffect)

可制作位移，振动，转速传感器传感器。

外光电效应内光电效应

物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应,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。释放的电子称为光电子，光电子在外电场中运动电流称为光电流。定义应用分类第二十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电效应及器件外光电效应内光电效应第二十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一．外光电效应(externalphotoelectriceffect)外光电效应--Externalphotoelectriceffect外光电效应是指在光的照射下，物体内的光电子逸出金属表面的现象。1887年由德国人赫兹发现。定义应用分类

面效应--surfaceeffect物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面形成。体效应--bulkeffect物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面较深处形成。可制作光电管、光电倍增管传感器第二十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

根据爱因斯坦假设:

一个电子只能接受一个光子的能量.

要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量ε大于该物体的表面逸出功A。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”:

一．外光电效应(externalphotoelectriceffect)第二十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一．外光电效应(externalphotoelectriceffect)红限波长可用下式求得：

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。

式中c——光速第二十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一．外光电效应基于外光电效应原理工作的光电器件有:光电倍增管光电管(externalphotoelectriceffect)第二十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

光电管

光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管，结构如图所示。

一.光电管结构第三十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

光电管受光照发射电子

阳极通过RL与电源连接在管内形成电场。光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。

一.光电管原理第三十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。

光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为δn。

二.光电倍增管第三十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电效应及器件外光电效应内光电效应热探测器第三十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五内光电效应--(Internalphotoelectriceffect)

受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应叫内光电效应。

光子能量必须大于材料的禁带宽度ΔEg才能产生内光电效应。

内光电效应的临界波长λo=1293/ΔEg(nm)。通常纯净半导体的禁带宽度为1eV左右。定义二．内光电效应(Internalphotoelectriceffect)第三十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五分类二．内光电效应物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。可制作光敏电阻（光电导管）传感器.物体（如半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感器.photo-conductiveeffectphotoproductionvoltaeffect光电导效应光生伏特效应(Internalphotoelectriceffect)第三十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五分类二．内光电效应photo-conductiveeffectphotoproductionvoltaeffect光电导效应光生伏特效应(Internalphotoelectriceffect)第三十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五photo-conductiveeffect光电导效应光敏电阻(photoresistors)光敏二极管(photodiode)光敏三极管(phototransistors)第三十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变化来标志的。

为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，光敏电阻(photoresistors)第三十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

光电二极管原理图

PN结可以光电导效应工作,也可以光生伏特效应工作。

光敏二极管与光电池第三十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光敏二极管与光电池光伏型探测器的几何模型P-N结光二极管工作简图第四十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

光敏三极管(phototransistors)第四十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五原理利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射.

最常用的有电阻温度效应（热敏电阻）、温差电效应（热电偶、热电堆）和热释电效应。热探测器第四十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五热敏电阻第四十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五直流工作的桥式辐射热测量探测器电路

辐射热测量计电路

热敏电阻第四十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五热释电探测器热释电探测器原理电路及等效电路（a）原理电路；（b）等效电路第四十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第四十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光照特性第三节光电器件的特性光谱特性峰值探测率响应时间温度特性第四十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

光电器件的灵敏度可用此光照特性来表征，它反映了光电器件输入光量和输出光电流之间的关系。

光照特性常常用响应率R来表示。对于光生电流器件，输出电流Ip和光输出功率Pi之比，称为电流响应率Ri。即

Ri=Ip/Pi对于光生伏特器件，输出电压Vp和光输出功率Pi之比，称为电压响应率Rv，即

Rv=Vp/Pi光照特性第三节光电器件的特性第四十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光敏电阻

光敏二极管

硅光电池

光照特性第四十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

由光谱特性可知，为提高光电传感器的灵敏度，对包含光源与光电器件的传感器，应根据光电器件的光谱特性选择相匹配的光源和光电器件。对于被测物体本身可以作光源的传感器，则应该按被测物体辐射的光波波长选择光电器件。光谱特性第三节光电器件的特性响应时间

光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。第五十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

峰值探测率源出于红外探测器，后来沿用到其他光电器件。无光照时，器件固有的散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声使光探测器件产生输出------常常以噪声等效功率Pne表示。

Pne定义为：产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信号噪声比为1的辐射功率值。Pne与光敏器件的有效光敏面积A和探测系统带宽f有关系，而且是平方律关系。因此探测器件的性能常用峰值探测率D‘表示，D‘值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。峰值探测率第三节光电器件的特性第五十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变化，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或者使它在恒定温度下工作。温度特性第三节光电器件的特性第五十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第五十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容探测器噪声和低噪声电子设计噪声探测器噪声的类型低噪声电子设计第五十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一.噪声噪声是指探测器、电路元件产生的随机电起伏。随机噪音的记录图第五十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

我们可以用一定时间间隔内，电压（或电流）的均方根差来表示噪声电压（或噪声电流）。

一.噪声

第五十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容探测器噪声和低噪声电子设计噪声探测器噪声的类型低噪声电子设计第五十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.探测器噪声的类型光导体中总噪声谱随频谱变化的曲线第五十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.探测器噪声的类型

Johnson噪声;

温度噪声;噪声;产生-复合噪声;散弹噪声;探测器噪声从机理上区分大致有以下几类：第五十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容探测器噪声和低噪声电子设计噪声探测器噪声的类型低噪声电子设计第六十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计A、噪声系数噪声系数也叫噪声因素，是器件或电路对于噪声的品质因素。第六十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计噪声系数是放大器引起的信噪比恶化程度的量度。如果第一级增益高时，级联网络的噪声系统主要受第一级噪声的影响。探测器信号放大电路的第一级通常为高增益的低噪声放大器，称为前置放大器，后级主放大器增益较低，对低噪声的要求也较低。B、最佳源电阻第六十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计分析如下两图

放大器的噪声模型和信号源第六十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计

分析两图可知：放大器噪声系数与源电阻有关第六十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计

C、晶体管噪声

输入晶体管是影响读出电路噪声的主要因素。

用于低噪声放大的晶体管有双极晶体管（BJT）、结型场效应管(JFET)和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。MOSFET的工作温度范围、功率和噪声特性较好，许多现代读出集成电路都是由用CMOS工艺制造的MOSFET和其他组件组成。第六十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计

D、常用前置放大器的噪声

前置放大器通常采用电压放大和电流电压放大（互阻抗）两种形式。第六十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计

对于探测器、放大器组件，总的均方根噪声功率是放大器噪声、探测器噪声和光子噪声功率之和：第六十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.低噪声电子设计

E、微弱信号检测（WeakSignalDetection）技术概述1、相干检测

2、时域信号的平均处理

3、离散信号的计数处理

第六十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第六十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容新型光电检测器的类型量子阱探测器光位置传感器光电磁探测器固态图像传感器第七十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光位置传感器原理

一.光位置传感器第七十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五器件，结构

等效电路一.光位置传感器第七十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五读取电路框图

光平面位置测试器原理一.光位置传感器第七十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容新型光电检测器的类型光位置传感器量子阱探测器(QWIP)光电磁探测器固态图像传感器第七十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五量子阱探测器(QWIP)：将两种半导体材料A和B用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能阱A层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。二.量子阱探测器(QWIP)第七十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容新型光电检测器的类型光位置传感器光电磁探测器量子阱探测器(QWIP)固态图像传感器第七十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.光电磁探测器光磁电（PEM）效应

第七十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容新型光电检测器的类型光位置传感器固态图像传感器量子阱探测器(QWIP)光电磁探测器第七十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五四.固态图像传感器图像传感器是对光敏阵列元件具有自扫描功能的摄像器件，它与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具有体积小、重量轻、使用电压低（＜20V）、可靠性高和不需要强光照明等优点。因此，在军用、工业控制和民用电器中均有广泛使用。第七十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五分类固态图像传感器CCD图像传感器光敏二极管CMOS图像传感器高速光电器件第八十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五利用电荷耦合技术组成的图像传感器称为电荷耦合图像传感器，它由成排的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构成，电荷耦合图像传感器通常可分为线型传感器和面型传感器。CCD图像传感器第八十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五线型CCD图像传感器第八十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五转移控制栅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一种面型CCD图像传感器结构面型CCD图像传感器第八十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光敏二极管CMOS图像传感器CMOS的两种像素结构

第八十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五CMOS芯片组成框图

光敏二极管CMOS图像传感器第八十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五PIN-PD具有响应速度快、灵敏度高、线性较好等特点，适用于光通信和光测量技术。雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出线性较差，故它特别适用于光通信中脉冲编码的工作方式。高速光电器件PIN结光电二极管（PIN-PD）雪崩式光电二极管（APD）第八十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五APD的结构原理高速光电器件第八十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第八十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容激光传感技术干涉测试技术衍射测试技术激光多普勒测速技术第八十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一、干涉测试技术几种常见干涉仪及其在测试中的应用：1、迈克尔逊干涉仪第九十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一、干涉测试技术2、马赫-曾特尔干涉仪第九十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一、干涉测试技术3、萨格纳克干涉仪第九十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一、干涉测试技术4、法布里-珀罗干涉仪第九十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容激光传感技术衍射测试技术干涉测试技术激光多普勒测速技术第九十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二、衍射测试技术激光衍射测试方法的基本原理是利用了夫朗和费衍射效应。夫朗和费衍射第九十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二、衍射测试技术我们以夫朗和费单缝衍射为例来说明激光衍射测试的基本原理。夫朗和费单缝衍射测量原理第九十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二、衍射测试技术这就是衍射测试方法的基本原理，上面两式即为衍射计量的基本公式。第九十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容激光传感技术干涉测试技术激光多普勒测速技术衍射测试技术第九十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三、激光多普勒测速技术1、光学多普勒效应测速的基本原理光学多普勒效应第九十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三、激光多普勒测速技术2、光学多普勒频移的测量—光外差方法激光多普勒测速方法包括用激光作为光源，将被测运动物体散射（或反射）的具有多普勒频移的光波送入探测器进行外差检测，探测器输出的信号通过电子线路处理，最后输出多普勒频移量或直接输出运动物体的速度值。第一百页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第一百零一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光纤传感器光纤传感器基础光纤传感器中几种常用的光强调制技术光纤干涉传感器原理第一百零二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤传感器第一百零三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光纤传感器光纤传感器基础光纤传感器中几种常用的光强调制技术光纤干涉传感器原理第一百零四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光的全反射现象是光纤传光原理的基础。一.光纤传感器基础光纤波导原理第一百零五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五根据几何光学原理，当光线以较小入射角θ1由光密介质1射向光疏介质2(n1＞n2)时(见图9.2)，一部分入射光以折射角θ2折射入介质2，其余部分仍以θ1反射回介质1。依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有：一.光纤传感器基础第一百零六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五当θ1角逐渐增大直至θ1=θc时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(θ2=90°)。对应于θ2=90°时的入射角θ1称为临界角θc；由上式有一.光纤传感器基础第一百零七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五因此，当θ1＞θc时，光线将不再折射入介质2，而在介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。§9.1光纤传感器基础一.光纤传感器基础第一百零八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光线由折射率为n0的外界介质(空气n0=1)射入纤芯时实现全反射的临界角(始端最大入射角)NA定义为“数值孔径”，是衡量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多大，只有2θc0张角内的光，才能被光纤接收、传播(全反射)；NA愈大，光纤集光能力愈强。一.光纤传感器基础第一百零九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤的特性一.光纤传感器基础信号通过光纤时的主要特性损耗色散第一百一十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五设光纤入射端与出射端的光功率分别为Pi和Po，光纤长度为L(km)。则光纤的损耗a（dB/km)可用下式计算：一.光纤传感器基础损耗第一百一十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五引起光纤损耗的因素可归结为吸收损耗和散射损耗两类。物质的吸收作用使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。光导纤维的弯曲也会造成散射损耗。§9.1光纤传感器基础一.光纤传感器基础第一百一十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤的色散是表征光纤传输特征的一个重要参数，它反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和品质。光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。光纤色散分三种：

材料色散、波导色散、多模色散色散一.光纤传感器基础第一百一十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五材料色散材料的折射率随光波长λ的变化而变化，这使光信号中各波长分量的光的群速度cg不同，故又称折射率色散。波导色散由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数β随着信号角频率ω变化而引起色散，有时也称为结构色散。多模色散在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。一.光纤传感器基础第一百一十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤传感器一般分为两大类1、功能型传感器2、非功能传感器又称FF型光纤传感器，利用光纤本身特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。又称NF型光纤传感器，利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也称传光型光纤传感器。一.光纤传感器基础光纤式传感器的分类第一百一十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光纤传感器光纤传感器中几种常用的光强调制技术光纤传感器基础光纤干涉传感器原理第一百一十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术微弯效应第一百一十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反射器和遮光屏。二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术光强度的外调制第一百一十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五利用折射不同进行光强度调制的原理包括：①利用被测物理量引起传感材料折射率的变化；②利用渐逝场耦合；③利用折射率不同的介质之间的折射与反射。二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术折射率光强度调制第一百一十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五调制原理二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术普克耳（Pockels）效应法拉第磁光效应光弹效应第一百二十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术普克耳（Pockels）效应

如图所示，当压电晶体受光照射并在其正交方向上加以高电压，晶体将呈现双折射现象——普克耳效应。在晶体中，两正交的偏振光的相位变化：第一百二十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五平面偏振光通过带磁性的物体时，其偏振光面发生偏转，这种现象称为法拉第磁光效应，光矢量旋转角：§9.2光调制与解调技术法拉第磁光效应二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术第一百二十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五在垂直于光波传播方向施加应力，材料将产生双折射现象，其强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化：二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术光弹效应第一百二十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五二.光纤传感器中几种常用的光强调制技术解调原理渥拉斯顿棱镜偏振矢量示意图偏振矢量示意图偏振矢量示意图第一百二十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光纤传感器光纤干涉传感器原理光纤传感器基础光纤传感器中几种常用的光强调制技术第一百二十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.光纤干涉传感器原理（a）迈克尔逊干涉仪；（b）马赫-泽德尔干涉仪（c）赛格纳克干涉仪；（d）法布里-伯罗干涉仪第一百二十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光源与光辐射体光电效应及器件光电器件的特性探测器噪声和低噪声电子设计光电式传感器光纤传感器新型光电检测器激光传感技术第一百二十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电式传感器光电式传感器的类型激光传感技术实例光电尺寸测量举例光纤传感器实例机器人视觉传感器第一百二十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光电式传感器的类型光电式传感器的类型模拟式光电传感器开关式光电传感器第一百二十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一.模拟式光电传感器图光电传感器的工作方式

第一百三十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五一.模拟式光电传感器直射式光电传感器反射式光电传感器第一百三十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五反射式光电传感器示意图

(a)为正反射接收型，用于检测浅小的缺陷，灵敏度较高；(b)为非正反射接收型，用于检测较大的几何缺陷；(c)是利用反射法测量工件尺寸或表面位置的示意图

一.模拟式光电传感器第一百三十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五这种传感器将被测对象作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。一.模拟式光电传感器第一百三十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五

图(a)表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉经放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图(b)为电机轴上固装一齿数为z的调制盘的工作方式。其工作原理与图(a)相同。若频率计的计数频率为f，由下式

即可测得转轴转速n(r/min)。二.开关式光电传感器第一百三十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五螺纹圆柱型

方形圆柱型系列槽形二.开关式光电传感器第一百三十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五螺纹圆柱型

方形圆柱型系列槽形二.开关式光电传感器第一百三十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电式传感器光电尺寸测量举例激光传感技术实例光电式传感器的类型光纤传感器实例机器人视觉传感器第一百三十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五尺寸测量的基本原理

二.光电尺寸测量举例第一百三十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五外径检测系统

二.光电尺寸测量举例第一百三十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电式传感器激光传感技术实例光电尺寸测量举例光电式传感器的类型光纤传感器实例机器人视觉传感器第一百四十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五三.激光传感技术实例激光位移干涉仪激光位移干涉仪通常采用经典的迈克尔逊干涉仪结构，光源的相干性和亮度均较好.在实际测量中，通常将一个反射镜固定不动，另一反射镜与被测件相连，当被测件沿测量臂光束方向移动时，即可出现干涉条纹的移动。干涉条纹移动N条时，位移为第一百四十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五采用角隅棱镜的光路

三.激光传感技术实例第一百四十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五双频激光外差干涉仪双频激光外差干涉仪光路

三.激光传感技术实例第一百四十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五激光衍射测试技术间隙计量法间隙计量法三.激光传感技术实例第一百四十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五激光衍射测试技术互补测定法

根据巴俾涅原理，互补的衍射屏产生的夫朗和费衍射图样是相同的，因此，如果用细丝或薄带代替间隙，可以得到与单缝相同的夫朗和费衍射图样，测量出衍射暗纹位置，就可以计算出细丝直径或薄带宽度。三.激光传感技术实例第一百四十五页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五参考光束型光路

参考光与信号光之间的频差:

激光多普勒测速三.激光传感技术实例第一百四十六页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五激光多普勒测速方向的判断移相法移频法三.激光传感技术实例第一百四十七页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五移相法移相法判断速度方向的光路

第一百四十八页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五移频法

频率速度关系

第一百四十九页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五主要内容光电式传感器光纤传感器实例光电尺寸测量举例光电式传感器的类型激光传感技术实例机器人视觉传感器第一百五十页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤角速度传感器又名光纤陀螺，其理论测量精度远高于机械和激光陀螺仪，它以塞格纳克效应为其物理基础。对于N匝光纤，塞格纳克相移为四.光纤传感器实例光纤角速度传感器（光纤陀螺）第一百五十一页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五转速测量的误差是由光散粒噪声决定的，输出光电流可参考激光多普勒光外差公式计算。图4-72所示为光电流与相移分强度噪声iN与相移误差却的关系，光散粒噪声可按下列公式计算光纤角速度传感器（光纤陀螺）四.光纤传感器实例第一百五十二页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤角速度传感器（光纤陀螺）

光电探测器电流与相移的关系

四.光纤传感器实例第一百五十三页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤角速度传感器（光纤陀螺）

光电探测器电流与相移的关系

四.光纤传感器实例第一百五十四页，共一百七十二页，编辑于2023年，星期五光纤电流传感器