光电式传感器

第7章光电式传感器7.1光源7.2光电器件7.3光纤传感器7.4光栅式传感器17.1光源〔发光器件〕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。光电式传感器对光源的选择要思索很多要素，例如波长、谱分布、相关性、体积、造价、功率等。常用的光源可分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。2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越3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如下图。3远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm波数/cm-1频率/Hz光子能量/eV1061051041035×1055×1045×10310155×101410145×10131001015050.55×101510163×1018光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波长λ和频率ν的关系为ν的单位为Hz，λ的单位为cm。νλ=3×1010cm/s4一、热辐射光源

热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。钨丝密封在玻璃泡内，泡内充以惰性气体或者坚持真空，钨丝被电加热到白炽形状而发光。白炽灯的寿命取决于很多要素，包括供电电压等，在经济本钱下寿命可以到达几千小时。卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制造，可以耐3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，卤素元素可以与堆积在灯泡内壁上的钨发生化学反响，构成卤化钨，卤化钨分散到钨丝附近，由于温度高而分解，钨原子重新堆积到钨丝上，这样弥补了灯丝的蒸发，大大延伸了灯泡的寿命，同时也处理了灯泡因钨的堆积而发黑的问题，光通量在整个寿命期中一直可以坚持相对稳定。白炽灯为可见光源，但它的能量只需15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1~1.5mm，因此可用作近红外光源。对于更远的红外区域，可选用其他热辐射光源，例如硅碳棒或者能斯脱灯等，它们任务在较低的温度下，峰值波长更长。热辐射光源输出功率大，但对电源的呼应速度慢，调制频率普通低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。5

钨丝白炽灯：用钨丝通电加热作为光辐射源最为普通，普通白炽灯的辐射光谱是延续的。发光范围：可见光外、大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接纳到光信号。特点：寿命短而且发热大、效率低、动态特性差，但对接纳光敏元件的光谱特性要求不高，是可取之处。在普通白炽灯根底上制造的发光器件有溴钨灯和碘钨灯，其体积较小，光效高，寿命也较长。6二、气体放电光源

电流经过气领会产生发光景象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不延续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改动气体的成分、压力、阴极资料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。假设光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层资料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，经过对荧光剂的选择可以使气体放电灯发出某一特定波长或者某一范围的波长，照明日光灯就是一个典型的例子。在需求线光源或面光源的情况下，在同样的光通量下，气体放电光源耗费的能量仅为白炽灯1/2～1/3。气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件的温度影响小，对电压恒定的要求也比白炽灯低。假设利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。短弧氙灯的电弧长几毫米，是高亮度的点光源。但氙灯的电源系统复杂，需用高电压触发放电。7气体放电灯：定义：利用电流经过气体产生发光景象制成的灯。气体放电灯的光谱是不延续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。改动气体的成分、压力、阴极资料和放电电流大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。假设光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层资料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，目前荧光剂的选择范围很广，经过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如，照明日光灯。气体放电灯耗费的能量仅为白炽灯1/2—1/3。8三、电致发光器件——发光二极管LED〔LightEmittingDiode〕固体发光资料在电场激发下产生的发光景象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种景象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。由半导体PN构呵斥，其任务电压低、呼应速度快、寿命长、体积小、分量轻，因此获得了广泛的运用。在半导体PN结中，P区的空穴由于分散而挪动到N区，N区的电子那么分散到P区，在PN结处构成势垒，从而抑制了空穴和电子的继续分散。当PN结上加有正向电压时，势垒降低，电子由N区注入到P区，空穴那么由P区注入到N区，称为少数载流子注入。所注入到P区里的电子和P区里的空穴复合，注入到N区里的空穴和N区里的电子复合，这种复合同时伴随着以光子方式放出能量，因此有发光景象。9电子和空穴复合，所释放的能量Eg等于PN结的禁带宽度〔即能量间隙〕。所放出的光子能量用hν表示，h为普朗克常数，ν为光的频率。那么普朗克常数h=6.6╳10-34J.s；光速c=3╳108m/s；Eg的单位为电子伏〔eV〕，1eV=1.6╳10-19J。hc=19.8×10-26m•W•s=12.4×10-7m•eV。可见光的波长λ近似地以为在7×10-7m以下，所以制造发光二极管的资料，其禁带宽度至少应大于hc/λ=1.8eV普通二极管是用锗或硅制造的，这两种资料的禁带宽度Eg分别为0.67eV和1.12eV，显然不能运用。10通常用的砷化镓和磷化镓两种资料固溶体，写作GaAs1-xPx，x代表磷化镓的比例，当x＞0.35时，可得到Eg≥1.8eV的资料。改动x值还可以决议发光波长，使λ在550～900nm间变化，它曾经进入红外区。与此类似的可供制造发光二极管的资料见下表。资料波长/nm资料波长/nmZnS340CuSe-ZnSe400～630SiC480ZnxCd1-xTe590～830GaP565,680GaAs1-xPx550～900GaAs900InPxAs1-x910～3150InP920InxGa1-xAs850～0表4.1-1LED资料11发光二极管的伏安特性与普通二极管类似，但随资料禁带宽度的不同，开启〔点燃〕电压略有差别。图为砷磷化镓发光二极管的伏安曲线，红色约为1.7V开启，绿色约为2.2V。U/VI/mA留意，图上的横坐标正负值刻度比例不同。普通而言，发光二极管的反向击穿电压大于5V，为了平安起见，运用时反向电压应在5V以下。-10-5012GaAsP(红)GaAsP(绿)12发光二极管的光谱特性如下图。图中砷磷化镓的曲线有两根，这是由于其材质成分稍有差别而得到不同的峰值波长λp。除峰值波长λp决议发光颜色之外，峰的宽度〔用Δλ描画〕决议光的颜色纯度，Δλ越小，其光色越纯。0.20.40.60.81.006007008009001000GaAsPλp=670nmλp=655nmGaAsPλp=565nmGaPλp=950nmGaAs发光二极管的光谱特性λ/nm相对灵敏度13发光二极管的发光效率很大程度上取决于有多少光可以逸出二极管外表，由于大多数半导体资料折射率较高，到达二极管外表的光线大部分将被反射回去。发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流范围约在几十毫安之内，进一步添加会引起发光二极管输出光强饱和直至损坏器件，运用时常串联电阻使发光二极管的电流不会超越允许值。发光二极管具有体积小、寿命长〔106~109h〕、任务电压低〔1~2V〕、呼应速度快〔几个纳秒至几十纳秒〕的优点，在实际中得到了广泛的运用。14四、激光器激光器是“光受激辐射放大〞的缩写。某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量〔如特定频率的辐射〕，从低能级跃迁到高能级上〔受激吸收〕，假设处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就构成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率一样的光子〔受激发射〕。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述景象称为光的受激辐射放大。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。激光器的突出优点是单色性好、方向性好和亮度高，不同激光器在这些特点上又各有不同的偏重。激光是20世纪60年代出现的最艰苦科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。15激光器种类繁多，按任务物质分类：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。16〔1〕固体激光器典型实例是红宝石激光器，是1960年人类发明的第一台激光器。它的任务物质是固体。种类：红宝石激光器、掺钕的钇铝榴石激光器〔简称YAG激光器〕和钕玻璃激光器等。特点：小而巩固、功率高，钕玻璃激光器是目前脉冲输出功率最高的器件，已到达几十太瓦。固体激光器在光谱吸收丈量方面有一些运用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾胜利地用于地球到月球的间隔丈量。17〔2〕气体激光器任务物质是气体。种类：各种原子、离子、金属蒸汽、气体分子激光器。常用的有氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器等，其外形像普通的放电管一样，能延续任务，单色性好。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。18氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有延续输出激光的才干。它可以输出从红外的3.3mm到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中运用最广，该谱线的相关性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光〔647.1~752.5nm〕，它们延续输出的功率可以到达几瓦的数量级，适用于对光源的功率要求比较大的场所，例如光纤分布式温度传感器等。二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6mm,延续输出方式功率可达几瓦，脉冲方式到达几千瓦，是远红外的重要光源。许多气体和有机物在红外区域有吸收谱线，二氧化碳激光器可用作物质分析的光源。在紫外区域气体激光器更是一枝独秀，其它类型激光器还不能任务于这一区域，比较典型的氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲任务方式下功率可到达兆瓦量级，脉冲宽度可到达纳秒量级。可以任务在紫外的还有一些准分子激光器，目前可以提供从353nm到193nm的激光输出。由于包括污染物在内的许多物质在紫外区域有独特的吸收特征，随着激光器小型化技术的开展，这类激光器在化学分析、环境维护等方面有很好的运用前景。19〔3〕半导体激光器与前两种相比出现较晚，其成熟产品是砷化镓激光器。特点：效率高、体积小、分量轻、构造简单，适宜在飞机、军舰、坦克上运用以及步兵随身携带，如在飞机上作测距仪来瞄准敌机。其缺陷是输出功率较小。目前半导体激光器可选择的波长主要局限在红光和红外区域。半导体激光器除了具有普通激光器的特点外，还具有体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得到了广泛运用。半导体激光器的输出波长和功率是供电电流和温度的函数，这给半导体激光器用于干涉丈量带来不少问题，但是改动供电电流或者温度可以实现对波长在一定范围内的调制，使之成为可调谐激光器。

20〔4〕液体激光器种类：螯合物激光器、无机液体激光器和有机染料激光器，其中较为重要的是有机染料激光器。它的最大特点是发出的激光波长可在一段范围内调理，而且效率也不会降低，因此它能起着其他激光器不能起的作用。217.2光电器件1.外光电效应一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=hυ〔7-1〕式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)υ——光的频率〔s-1〕。22所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，物体内的电子逸出物体外表向外发射的景象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超越逸出功A0时，电子就会逸出物体外表，产生光电子发射，超越部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理23〔7-2〕式中：m——电子质量；v0——电子逸出速度。式〔7-2〕为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必需超越逸出功A0，才干产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体外表时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必需加负的截止电压。24普通地说，原子内部各个电子既绕着原子核做轨道运动，同时又做自旋运动，就像地球既绕着太阳公转，同时又自转那样。但是，原子内部的电子可以经过与外界交换能量而从一种运动形状改动为另一种运动形状。对于每一种运动形状来说，原子具有确定的内部能量值，对应为一个能级。同一种元素的原子，能级的情况是一样的。习惯将能量值大的能级称为高能级，能量值小的能级称为低能级，原子的最低能级称为基态。处于高能级E2的原子是不稳定的，即使没有外界作用，也将自发地跃迁到低能级E1，发射一个频率为υ能量为hυ＝E2－El的光子，如以下图所示。大量处于高能级的原子，它们各自独立地发射一列列频率一样的光波。25处于低能级E1的原子遭到能量为hυ＝E2－El的光子作用时，吸收这一光子而跃迁到高能级E2的过程。E2E1E2E1自发辐射光hυ＝E2－ElE2E1E2E1入射光hυ＝E2－El原子吸收入射光子并跃迁到高能级26处于高能级E2的原子，受能量为hυ＝E2－El的外来光子作用而跃迁到低能级E1，并发射一个与外来一样的光子。受激辐射的光与入射光具有一样的频率、位相、偏振方向和传播方向。E2E1E2E1入射光hυ＝E2－El受激辐射光hυ＝E2－El入射光hυ＝E2－El272.内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：〔1〕光电导效应在光线作用下，对于半导体资料吸收了入射光子能量，假设光子能量大于或等于半导体资料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度添加，半导体的导电性添加，阻值减低，这种景象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。〔2〕光生伏特效应在光线的作用下可以使物体产生一定方向的电动势的景象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。287.2.1光敏电阻1.光敏电阻的构造与任务原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体资料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，运用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值〔暗电阻〕很大，电路中电流〔暗电流〕很小。当光敏电阻遭到一定波长范围的光照时，它的阻值〔亮电阻〕急剧减小，电路中电流迅速增大。普通希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此光阴敏电阻的灵敏度高。实践光敏电阻的暗电阻值普通在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。29光敏电阻的构造很简单，图7-1〔a〕为金属封装的硫化镉光敏电阻的构造图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相衔接，光敏电阻就经过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极普通采用梳状图案，如图7-1〔b〕所示。图8-1〔c〕为光敏电阻的接线图。30图7-1光敏电阻构造(a)光敏电阻构造；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图312.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数有：(1)暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。(2)亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。(3)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。323.光敏电阻的根本特性(1)伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图7-2为硫化镉光敏电阻的伏安特性曲线。由图可见，光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线。阐明其阻值与入射光量有关，而与电压电流无关。〔2〕光照特性光敏电阻的光照特性是描画光电流I和光照强度之间的关系，不同资料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。图7-3为硫化镉光敏电阻的光照特性。33图7-2硫化镉光敏电阻的伏安特性34图7-3光敏电阻的光照特性35图7-4光敏电阻的光谱特性36(3)光谱特性光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱呼应。图7-4为几种不同资料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的，而且不同资料的光敏电阻光谱呼应曲线也不同。从图中可见硫化镉光敏电阻的光谱呼应的峰值在可见光区域，常被用作光度量丈量〔照度计〕的探头。而硫化铅光敏电阻呼应于近红外和中红外区，常用做火焰探测器的探头。37图7-5光敏电阻的频率特性38〔4〕频率特性实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改动而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示。大多数的光敏电阻时间常数都较大，这是它的缺陷之一。不同资料的光敏电阻具有不同的时间常数〔毫秒数量级〕，因此它们的频率特性也就各不一样。图7-5为硫化镉和硫化铅光敏电阻的频率特性，相比较，硫化铅的运用频率范围较大。39图7-6硫化铅光敏电阻的光谱温度特性40(5)温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱呼应，同光阴敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改动，尤其是呼应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图7-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，它的峰值随着温度上升向波长短的方向挪动。因此，硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下运用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、运用寿命长、体积小等优点，所以运用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区任务。光敏电阻的缺陷是型号一样的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于丈量要求线性的场所，常用作开关式光电信号的传感元件。41表7-1几种光敏电阻的特性参数427.2.2光敏二极管和光敏晶体管1.构造原理光敏二极管的构造与普通二极管类似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接遭到光照射〔见图7-7〕。光敏二极管在电路中普通是处于反向任务形状〔见图7-8〕，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，构成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止形状，受光照射时处于导通形状。43图7-7光敏二极管构造简图和符号44图7-8光敏二极管接线图45光敏晶体管与普通晶体管很类似，具有两个PN结，如图7-9〔a〕所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩展光的照射面积。光敏晶体管接线如图7-9〔b〕所示，大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—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，这样便会有大量的电子流向集电极，构成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。46光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需求高增益或大电流输出的场所，需采用达林顿光敏管。图7-10是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极衔接方式构成的集成器件。由于添加了一级电流放大，所以输出电流才干大大加强，甚至可以不用经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适宜于开关形状或位式信号的光电变换。47图8-9NPN型光敏晶体管构造简图和根本电路48图7-10达林顿光敏管的等效电路(a)构造简化模型；(b)根本电路492.根本特性(1)光谱特性光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流〔或用相对灵敏度表示〕与入射光波长的关系。硅和锗光敏二〔晶体〕极管的光谱特性曲线如图7-11所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9μm，锗的峰值波长约为1.5μm，此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。普通来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热形状物体时，普通都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。50图7-11光敏二极(晶体)管的光谱特性51(2)伏安特性图7-12〔a〕为硅光敏二极管的伏安特性，横坐标表示所加的反向偏压。当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只需没到达饱和值，它的输出实践上不受偏压大小的影响。图7-12〔b〕为硅光敏晶体管的伏安特性。纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。从图中可见，由于晶体管的放大作用，在同样照度下，其光电流比相应的二极管大上百倍。52图7-12硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管;(b)硅光敏晶体管53图7-13光敏晶体管的频率特性54〔3〕频率特性光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流〔或相对灵敏度〕随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率呼应时间达10μs。光敏晶体管的频率特性受负载电阻的影响，图7-13为光敏晶体管频率特性，减小负载电阻可以提高频率呼应范围，但输出电压呼应也减小。55图7-14光敏晶体管的温度特性56(4)温度特性光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特性曲线如图7-14所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小(图(b))，而对暗电流影响很大(图(a))，所以在电子线路中应该对暗电流进展温度补偿，否那么将会导致输出误差。57表7-22CU型硅光敏二极管的根本参数58表7-33DU型硅光敏晶体管的根本参数597.2.3光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时本质就是电源，电路中有了这种器件就不需求外加电源。光电池的任务原理是基于“光生伏特效应〞。它本质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，假设光子能量大于半导体资料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自在电子和空穴，电子-空穴对从外表向内迅速分散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图7-15为硅光电池原理图。60图7-15硅光电池原理图(a)构造表示图；(b)等效电路61光电池根本特性有以下几种：(1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图7-16为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同资料的光电池，光谱呼应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱呼应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到运用。62(2)光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图7-17为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。从图中看出，短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压〔即负载电阻RL无限大时〕与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用光电池作为丈量元件时，应把它当作电流源的方式来运用，不宜用作电压源。63图7-16硅光电池的光谱特性64图7-17硅光电池的光照特性65〔3〕频率特性图7-18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率呼应。图7-18硅光电池的频率特性66(4)温度特性光电池的温度特性是描画光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到运用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到丈量精度或控制精度等重要目的，因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图7-19所示。从图中看出，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢添加。由于温度对光电池的任务有很大影响，因此把它作为丈量元件运用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。67图7-19硅光电池的温度特性68表7-4硅光电池2CR型特性参数69表7-4硅光电池2CR型特性参数707.2.4光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接纳元件合并运用，以光作为媒介传送信号的光电器件。根据其构造和用途不同，它又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。1.光电耦合器光电耦合器的发光元件和接纳元件都封装在一个外壳内，普通有金属封装和塑料封装两种。发光器件通常采用砷化镓发光二极管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流添加，发光二极管产生的光通量也添加。光电接纳元件可以是光敏二极管和光敏三极管，也可以是达林顿光敏管。图7-20为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，应使发光元件和接纳元件的波长匹配。71图7-20光电耦合器组合方式722.光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接纳，并进展光电转换，同时加以某种方式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开〞、“关〞信号的器件。图7-21为典型的光电开关构造图。图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接纳元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接纳元件接纳不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。图(b)是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接纳元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点普通即为待测物所在处。当有物体经过时，接纳元件将接纳到从物体外表反射的光，没有物体时那么接纳不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。73用光电开关检测物体时，大部分只需求其输出信号有“高-低〞(1-0)之分即可。图8-22是光电开关的根本电路例如。图〔a〕、〔b〕表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，图〔c〕表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关广泛运用于工业控制、自动化包装线及平安安装中作为光控制和光探测安装。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，平安报警及计算机输入接口等。74图7-21光电开关的构造(a)透射式；(b)反射式75图7-22光电开关的根本电路767.2.5电荷耦合器件电荷耦合器件〔ChargeCoupleDevice,缩写为CCD〕是一种大规模金属氧化物半导体〔MOS〕集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。CCD自1970年问世以来，由于其独特的性能而开展迅速，广泛运用于航天、遥感、工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处置等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。771.CCD的构造及任务原理〔1〕构造CCD是由假设干个电荷耦合单元组成的。其根本单元是MOS〔金属-氧化物-半导体〕电容器，如7-23(a)所示。它以P型〔或N型〕半导体为衬底，上面覆盖一层厚度约120nm的SiO2，再在SiO2外表依次堆积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS构造称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出构培育构成了CCD器件。78图7-23MOS电容器〔a〕MOS电容截面；〔b〕势阱图79(2)任务原理构成CCD的根本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器可以存储电荷。假设MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子〔空穴〕遭到排斥，半导体内的少数载流子〔电子〕吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近构成一个带负电荷的耗尽区，也称外表势阱，如图7-23(b)所示。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。假设有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，由此产生的光生电子就被附近的势阱所吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比，存储了电荷的势阱被称为电荷包，而同时产生的空穴被排斥出耗尽区。并且在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，Si外表吸收少数载流子外表势(半导体外表对于衬底的电势差)也越大，这时势阱所能包容的少数载流子电荷的量就越大。80CCD的信号是电荷，那么信号电荷是怎样产生的呢？CCD的信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电信号注入。CCD用作固态图像传感器时，接纳的是光信号，即光信号注入。图7-24〔a〕是反面光注入方法，假设用透明电极也可用正面光注入方法。当CCD器件受光照射时，在栅极附近的半导体内产生电子-空穴对，其多数载流子〔空穴〕被排斥进入衬底，而少数载流子〔电子〕那么被搜集在势阱中，构成信号电荷，并存储起来。存储电荷的多少正比于照射的光强，从而可以反映图像的明暗程度，实现光信号与电信号之间的转换。所谓电信号注入，就是CCD经过输入构造对信号电压或电流进展采样，将信号电压或电流转换成信号电荷。图7-24〔b〕是用输入二极管进展电注入，该二极管是在输入栅衬底上分散构成的。当输入栅IG加上宽度为Δt的正脉冲时，输入二极管PN结的少数载流子经过输入栅下的沟道注入Φ1电极下的势阱中，注入电荷量Q=IDΔt。817-24电荷注入方法〔a〕反面光注入；〔b〕电注入82CCD最根本的构造是一系列彼此非常接近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面涂覆一层氧化层，并在其上制造许多相互绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的间隔，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可挪动的电荷信号都将力图向外表势大的位置挪动。为保证信号电荷按确定方向和道路转移，在各电极上所加的电压严厉满足相位要求。下面以三相〔也有二相和四相〕时钟脉冲控制方式为例阐明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压Φ1、Φ2、Φ3，见图7-25〔b〕，控制电压Φ1、Φ2、Φ3的波形见图8-25〔a〕所示。83图7-25三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程84图7-25三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程85当t=t1时，Φ1相处于高电平，Φ2、Φ3相处于低电平，在电极1、4下面出现势阱，存储了电荷。在t=t2时，Φ2相也处于高电平，电极2、5下面出现势阱。由于相邻电极之间的间隙很小，电极1、2及4、5下面的势阱相互耦合，使电极1、4下的电荷向电极2、5下面势阱转移。随着Φ1电压下降，电极1、4下的势阱相应变浅。在t=t3时，有更多的电荷转移到电极2、5下势阱内。在t=t4时，只需Φ2处于高电平，信号电荷全部转移到电极2、5下面的势阱内。随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD的一端转移到终端，实现了电荷的耦合与转移。86图7-26是CCD输出端构造表示图。它实践上是在CCD阵列的末端衬底上制造一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所搜集，在负载RL上就构成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并经过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。87图7-26CCD输出端构造882.CCD的运用〔CCD固态图像传感器〕电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。CCD固态图像传感器由感光部分和移位存放器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由假设干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素〞。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像〞，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位存放器的移位功能将电信号“图像〞传送，经输出放大器输出。89根据光敏元件陈列方式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。〔1〕线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器是由一列MOS光敏单元和一列CCD移位存放器构成的，光敏单元与移位存放器之间有一个转移控制栅，根本构造如图7-27〔a〕所示。转移控制栅控制光电荷向移位存放器转移，普通使信号转移时间远小于光积分时间。在光积分周期里，各个光敏元中所积累的光电荷与该光敏元上所接纳的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。当转移控制栅开启时，各光敏单元搜集的信号电荷并行地转移到CCD移位存放器的相应单元。当转移控制栅封锁时，MOS光敏元阵列又开场下一行的光电荷积累。同时，在移位存放器上施加时钟脉冲，将已转移到CCD移位存放器内的上一行的信号电荷由移位存放器串行输出，如此反复上述过程。90图7-27线型CCD图像传感器〔a〕单行构造；〔b〕双行构造91图7-27〔b〕为CCD的双行构造图。光敏元中的信号电荷分别转移到上下方的移位存放器中，然后在时钟脉冲的作用下向终端挪动，在输出端交替合并输出。这种构造与长度一样的单行构造相比较，可以获得高出两倍的分辨率；同时由于转移次数减少一半，使CCD电荷转移损失大为减少；双行构造在获得一样效果情况下，又可缩短器件尺寸。由于这些优点，双行构造已开展成为线型CCD图像传感器的主要构造方式。线型CCD图像传感器可以直接接纳一维光信息，不能直接将二维图像转变为视频信号输出，为了得到整个二维图像的视频信号，就必需用扫描的方法。92线型CCD图像传感器主要用于测试、和光学文字识别技术等方面。(2)面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位存放器陈列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。面型CCD图像传感器有三种根本类型：线转移型、帧转移型和行间转移型，如图8-28所示。93图7-28〔a〕为线转移面型CCD的构造图。它由行扫描发生器、感光区和输出存放器等组成。行扫描发生器将光敏元件内的信息转移到程度〔行〕方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出存放器，输出存放器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。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。94图7-28面型CCD图像传感器构造(a)线转移型；(b)帧转移型；(c)隔离转移型95图7-28〔b〕为帧转移面型CCD的构造图。它由光敏元面阵〔感光区〕、存储器面阵和输出移位存放器三部分构成。图像成像到光敏元面阵，当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将搜集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电荷包图像。当光积分周期终了时，信号电荷迅速转移到存储器面阵，经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后，就开场下一帧信号的构成。这种面型CCD的特点是构造简单，光敏单元密度高，但添加了存储区。96图7-28〔c〕所示构造是用得最多的一种构造方式。它将光敏单元与垂直转移存放器交替陈列。在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间终了，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移存放器中。随后，一次一行地挪动到输出移位存放器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。这种构造的感光单元面积减小，图像明晰，但单元设计复杂。面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。977.2.6光电传感器的运用1.火焰探测报警器图7-29是采用以硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。硫化铅光敏电阻的暗电阻为1MΩ,亮电阻为0.2MΩ(在光强度0.01W/m2下测试)，峰值呼应波长为2.2μm，硫化铅光敏电阻处于V1管组成的恒压偏置电路，其偏置电压约为6V，电流约为6μA。V1管集电极电阻两端并联68μF的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只需几十赫兹的窄带放大器。V2、V3构成二级负反响互补放大器，火焰的闪烁信号经二级放大后送给中心控制站进展报警处置。采用恒压偏置电路是为了在改换光敏电阻或长时间运用后，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的任务。98图7-29火焰探测报警器电路图992.光电式纬线探测器光电式纬线探测器是运用于喷气织机上，判别纬线能否断线的一种探测器。图7-30为光电式纬线探测器原理电路图。当纬线在喷气作用下前进时，红外发光管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接纳，如光电池接纳不到反射信号时，阐明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，经过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。由于纬线线径很细，又是摆动着前进，构成光的漫反射，减弱了反射光的强度，而且还伴有背景杂散光，因此要求探纬器具有高的灵敏度和分辨率。为此，红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电，这样既能保证发光管运用寿命，又能在瞬间有强光射出，以提高检测灵敏度。普通来说，光电池输出信号比较小，需经放大、脉冲整形，以提高分辨率。100图7-30光电式纬线探测器原理电路图1013.燃气器具中的脉冲点火控制器由于燃气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是平安、稳定、可靠。为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可以翻开燃气阀门；否那么燃气阀门封锁，这样就保证运用燃气器具的平安性。102图7-31为燃气器具中高压打火确认电路原理图。在高压打火时，火花电压可达1万多伏，这个脉冲高电压对电路任务影响极大，为了使电路正常任务，采用光电耦合器VB进展电平隔离，大大添加了电路抗干扰才干。当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经V1、V2、V3放大，驱动强吸电磁阀，将气路翻开，燃气碰到火花即熄灭。假设高压打火针与打火确认针之间不放电，那么光电耦合器不任务，V1等不导通，燃气阀门封锁。103图7-31燃气热水器的高压打火确认原理图1044.CCD图像传感器运用CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的运用。前面引见的电荷耦合器件(CCD)具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像安装中的光学扫描系统或电子束扫描系统。CCD图像传感器具有高分辨率和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决议了它可以广泛运用于自动控制和自动丈量，尤其适用于图像识别技术。CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的准确丈量及工件缺陷的检测方面有独到之处。下面是一个利用CCD图像传感器进展工件尺寸检测的例子。105图7-32为运用线型CCD图像传感器丈量物体尺寸系统。物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处置器对输出的视频信号进展存储和数据处置，整个过程由微机控制完成。根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式，即〔7-3〕式中：n——覆盖的光敏像素数；p——像素间距；M——倍率。微机可对多次丈量求平均值，准确得到被测物体的尺寸。任何可以用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。106图7-32CCD图像传感器工件尺寸检测系统1077.3光纤传感器光纤传感器(FiberOpticalSensor，FOS)是1970年代中期开展起来的一种新技术，它是伴随着光纤及光通讯技术的开展而逐渐构成的。光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点，如不受电磁干扰，体积小，分量轻，可绕曲，灵敏度高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通讯系统兼容等。光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量的丈量，在自动控制、在线检测、缺点诊断、平安报警等方面具有极为广泛的运用潜力和开展前景。1087.3.1光纤构造及其传光原理1.光纤构造光导纤维简称光纤，它是一种特殊构造的光学纤维，构造如图7-33所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光纤的导光才干取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层维护套，多为尼龙资料，以添加机械强度。109图7-33光纤的根本构造1102.光纤传光原理众所周知，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间隔，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7-34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，呈锯齿波外形在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出，这就是光纤的传光原理。111图7-34光纤的传光原理112根据斯涅耳〔Snell〕光的折射定律，由图7-34可得〔7-4〕〔7-5〕式中，n0为光纤外界介质的折射率。113假设要在纤芯和包层的界面上发生全反射，那么界面上的光线临界折射角φc=90°，即φ′≥φc=90°。而当φ′=φc=90°时，有(7-7)(7-6)114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应满足普通光纤所处环境为空气，那么n0=1，这款式〔7-8〕可表示为实践任务时需求光纤弯曲，但只需满足全反射条件，光线依然继续前进。可见这里的光线“转弯〞实践上是由光的全反射所构成的。〔7-8〕〔7-9〕1157.3.2光纤根本特性1.数值孔径〔NA〕数值孔径〔NA〕定义为〔7-10〕数值孔径是表征光纤集光身手的一个重要参数，即反映光纤接纳光量的多少。其意义是：无论光源发射功率有多大，只需入射角处于2θc的光椎角内，光纤才干导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产生漏光。光纤的NA越大，阐明它的集光才干越强，普通希望有大的数值孔径，这有利于提高耦合效率；但数值孔径过大，会呵斥光信号畸变。所以要适中选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径普通为0.2~0.4。1162.光纤方式光纤方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，传送的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播方式不同。在光纤中传播方式很多不利于光信号的传播，由于同一种光信号采取很多方式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接纳端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号方式数量要少。普通纤芯直径为2~12μm，只能传输一种方式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，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、衔接和耦合都比较困难。纤芯直径较大〔50~100μm〕，传输方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别，但由于纤芯截面积大，故容易制造，衔接和耦合比较方便。1173.光纤传输损耗光纤传输损耗主要来源于资料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。目前常用的光纤资料有石英玻璃、多成分玻璃、复合资料等。在这些资料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而呵斥资料吸收损耗。118散射损耗主要是由于资料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。所以可见光波段并不是光纤传输的最正确波段，在近红外波段〔1~1.7μm〕有最小的传输损耗。因此长波长光纤已成为目前开展的方向。光纤拉制时粗细不均匀，呵斥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，也会呵斥严重的散射损耗。光波导弯曲损耗是运用过程中能够产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输方式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。当弯曲半径大于10cm时，损耗可忽略不计。119光纤传感器与以电为根底的传统传感器相比较，在丈量原理上有本质的差别。传统传感器是以机—电丈量为根底，而光纤传感器那么以光学丈量为根底。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，讨论光的敏感丈量必需思索光的电矢量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，只需使光的强度、偏振态(矢量A的方向)、频率和相位等参量之一随被丈量形状的变化而变化，或受被丈量调制，那么，经过对光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制等进展解调，获得所需求的被丈量的信息。7.3.3光纤传感器

1.光纤传感器的任务原理及组成120光纤传感器原理实践上是研讨光在调制区内，外界信号〔温度、压力、应变、位移、振动、电场等〕与光的相互作用，即研讨光被外界参数的调制原理。外界信号能够引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而构成不同的调制。光纤传感器普通分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型〔FunctionalFiber，缩写为FF〕传感器，又称为传感型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被丈量的变化，这类传感器称为非功能型〔Non-FunctionalFiber，缩写为NFF〕传感器，又称为传光型传感器。121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造和运用也比较容易，所以目前非功能型传感器种类较多。功能型传感器的构思和原理往往比较巧妙，可处理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、信号处置系统以及光纤等组成，如图7-35所示。由光源发出的光经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，使光的某一性质遭到被丈量的调制，调制后的光信号经接纳光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处置得到所需求的被丈量。122图7-35光纤传感器组成表示图〔a〕传感型；〔b〕传光型123传感器光学景象被丈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偏振坚持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型光纤传感器的分类1242.光纤传感器的运用〔1〕光纤加速度传感器光纤加速度传感器的组成构造如图7-36所示。它是一种简谐振子的构造方式。激光束经过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为丈量光束。当传感器感受加速度时，由于质量块M对光纤的作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改动。相位改动的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的挪动可由光电接纳安装转换为电信号，经过信号处置电路处置后便可以正确地测出加速度值。125图7-36光纤加速度传感器构造简图126〔2〕光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛运用的光纤传感器。根据任务原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅引见一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传感器，图7-37为这种传感器的构造原理图。传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处置系统等组成的。光纤是用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度T变化而变化。图7-38为半导体的光透过率特性。半导体资料的光透过率特性曲线随温度的添加向长波方向挪动，假设适当地选定一种在该资料任务波长范围内的光源，那么就可以使透射过半导体资料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即到达丈量温度的目的。127图7-37半导体光吸收型光纤温度传感器构造原理图128图7-38半导体的光透过率特性129这种半导体光吸收型光纤传感器的丈量范围随半导体资料和光源而变，普通在-100~300℃温度范围内进展丈量，呼应时间约为2s。它的特点是体积小、构造简单、时间呼应快、任务稳定、本钱低、便于推行运用。130光纤测温技术及其运用 光纤测温技术是在近十多年才开展起来的新技术，目前，这一技术仍处于研讨开展和逐渐推行适用的阶段。在某些传统方法难以处理的测温场所，已逐渐显显露它的某些优良特性。但是，正像其它许多新技术一样，光纤测温技术并不能用来全面替代传统方法，它仅是对传统测温方法的补充。应充分发扬它的专长，有选择地用于以下常规测温方法和普通测温仪表难以胜任的场所。① 对采用普通测温仪表能够呵斥较大丈量误差，甚至无法正常任务的强电磁场范围内的目的物体进展温度丈量。如金属的高频熔炼与橡胶的硫化、木材与织物、食品、药品等的微波加热烘烤过程的炉内温度丈量。光纤测温技术在这些领域中有着绝对优势，由于它既无导电部分引起的附加升温，又不受电磁场的干扰，因此能保证丈量温度的准确性。②高压电器的温度丈量。最典型的运用是高压变压器绕组热点的温度丈量。英国电能研讨中心从70年代中期就开场潜心研讨这一课题，起初是为了缺点诊断与预告，如今由于计算机电能管理的运用，便转入了平安过载运转，使系统处于最正确功率分配形状。另一类能够运用的场所是各种高压安装，如发电机、高压开关、过载维护安装等。

131③易燃易爆物的消费过程与设备的温度丈量。光纤传感器在本质上是防火防爆器件，它不需求采用隔爆措施，非常平安可靠。④ 高温介质的温度丈量。在冶金工业中，当温度高于l300℃或l700℃时，或者温度虽不高但运用条件恶劣时，尚存在许多测温难题。充分发扬光纤测温技术的优势，其中有些难题可望得到处理。例如，钢水和铁液在连轧和连铸过程中的延续测温问题。 当然，作为一项新技术如何降低消费制造本钱，使其产业化、规范化直至广泛实践运用其中还有许多关键技术与工艺需求人们继续努力去攻克、研讨与开发。132图7-25是某〔功能型〕光纤温度丈量系统框图。

图7-25〔功能型〕光纤温度丈量系统框图133 图7-26为(非功能型)光纤辐射温度计构造表示图。光纤辐射温度计的光纤可以直接延伸为敏感探头，也可以经过耦合器，用刚性光导棒延伸。

图7-26(非功能型)光纤辐射温度计 1.光纤头；2.耦合器；3.光纤；4.主体仪器

典型光纤辐射温度计的测温范围为200~4000℃，分辨率可达0．0l℃，在高温时准确度可优于±0．2％读数值，其探头耐温普通可达300℃，加冷却后可到500℃。134〔3〕光纤旋涡流量传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤遭到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。这种流量传感器构造表示图如图7-39所示。135图7-39光纤旋涡流量传感器136当流体运动遭到一个垂直于流动方向的非流线体妨碍时，根据流膂力学原理，在某些条件下，在非流线体的下游两侧产生有规那么的旋涡，其旋涡的频率f与流体的流速可表示为〔7-11〕式中：v——流体流速；d——流体中物体的横向尺寸大小；St——斯特罗哈尔〔Strouhal〕系数，它是一个无量纲的常数，仅与雷诺数有关。137在多模光纤中，光以多种方式进展传输，在光纤的输出端，各方式的光就构成了干涉图样，这就是光斑。一根没有外界扰动的光纤所产生的干涉图样是稳定的，当光纤遭到外界扰动时，干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生挪动。假设外界扰动是流体的涡流引起的，那么干涉图样斑纹或斑点就会随着振动的周期变化来回挪动，这时测出斑纹或斑点的挪动，即可获得对应于振动频率f的信号，根据式〔7-11〕推算流体的流速v。这种流体传感器可丈量液体和气体的流量，由于传感器没有活动部件，丈量可靠，而且对流体流动不产生妨碍作用，因此压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量计所无法比较的。1387.4光栅式传感器光栅是由许多具有等节距刻线分布的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间陈列构成的光学元件。光栅式传感器有如下特点：1.精度高。2.大量程丈量兼有高分辨力。3.可实现动态丈量。4.具有较强的抗干扰才干。按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。1〕物理光栅利用光的衍射景象，主要用于光谱分析和光波长等量的丈量。2〕计量光栅主要利用莫尔景象，丈量位移、速度、加速度、振动等物理量。本节主要引见计量光栅的原理与运用。7.4.1光栅的构造及任务原理1.光栅构造在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布