检测与传感第八章

上节内容复习第八章光电式传感器1.光电池：基于内光电效应原理（光生伏特效应）从光谱特性、频率特性来综合分析选用的光电池类型，半导体材料。3.电荷耦合器件（CCD）4.位置敏感器件(PSD)——坐标光电池通过测量输入输出电流，计算入射光的位置一维：设置一对信号电极，一个公共电极，求解入射光的位置二维：设置相互垂直的两对信号电极，联立求解位置2.光电耦合器件将发光元件和光电接收元件结合的器件（以光为媒质，耦合）光电隔离：发光二极管和光敏二极管、发光二极管和光敏晶体管光电开关：透射式、反射式基本单元是MOS光敏元势阱内所吸收的光电子数量与入射光强成正比的原理，感应出入射图像，主要用于图像识别技术第2页,共39页，星期六，2024年，5月上节内容复习5.光纤石英系光纤塑料系光纤（1）定义（2）分类（3）特点频带宽、损耗低、重量轻、抗干扰能力强、工作性能可靠、温度影响小、成本低光传导工具第3页,共39页，星期六，2024年，5月

光纤由纤芯、包层和保护层三层组成。二.光纤结构及其传光原理1.光纤的结构

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要大于包层的折射率n2，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。第4页,共39页，星期六，2024年，5月

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，其基本原理就是基于光的全反射。（☞只产生反射而不产生折射的现象）2.传光原理

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。（1）传输路径分析第5页,共39页，星期六，2024年，5月

光在两个界面上发生了折射，由光的折射定律可得到两个方程：（2）光的全反射条件第6页,共39页，星期六，2024年，5月当φ′=φc=90°时，有即：（为临界角）第7页,共39页，星期六，2024年，5月一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样上式可表示为

若要使光在光纤内的全反射，光入射到光纤端面的入射角θi应满足即当入射角即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。第8页,共39页，星期六，2024年，5月三.光纤的基本特性1.数值孔径NA

数值孔径是表征光纤集光（聚焦）本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2θc的光椎角内，光纤才能导光。因此，由NA即可得知有效入射光椎角的范围。光纤的NA越大，表明它的集光能力越强。一般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，光信号畸变会增大。所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔径一般为0.2~0.4。数值孔径（NA）定义为第9页,共39页，星期六，2024年，5月（1）按传输模式分：单模光纤、多模光纤2.光纤分类

对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。在光纤中传播模式太多会不利于光信号的传播，因为同一种光信号采取很多模式传播将使一部分光信号分为多个不同时间到达接收端的小信号，从而导致合成信号的畸变，因此希望光纤信号模式数量要少。光纤模式是指光波传播的途径和方式。第10页,共39页，星期六，2024年，5月只能传输一种模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、连接和耦合都比较困难。

传输模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异，但由于纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。

芯径大到50~100µm，多模芯径小到2~12µm，光纤只能传输一定波长光，单模第11页,共39页，星期六，2024年，5月第12页,共39页，星期六，2024年，5月（2）按折射率分布：阶跃型、渐变型第13页,共39页，星期六，2024年，5月

总结上述两种分类形式，实用的石英光纤（SiO2）主要有三种基本类型：

突变型多模光纤（Step-IndexFiber,SIF）渐变型多模光纤（Graded-IndexFiber,GIF）单模光纤（Single-ModeFiber,SMF）相对于单模光纤而言，突变型光纤和渐变型光纤的纤芯直径都很大，可以容纳数百个模式，所以称为多模光纤。第14页,共39页，星期六，2024年，5月三种基本类型的光纤(a)突变型多模光纤；(b)渐变型多模光纤；（c）单模光纤第15页,共39页，星期六，2024年，5月3.光纤传输损耗损耗的存在光信号幅度减小限制系统的传输距离

一般情况下，在光纤内传输的光功率随距离变化。设长度为L(km)的光纤，输入光功率为Pi，输出光功率为P0，则损耗系数α（单位dB/km）为衡量光纤的损耗可用损耗系数α表示。第16页,共39页，星期六，2024年，5月

材料密度及浓度不均匀（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佳波段，在近红外波段（1~1.7μm）有最小的传输损耗。）（1）散射损耗光纤拉制时粗细不均匀纤芯和包层界面的不光滑等瑞利散射损耗是光纤的固有损耗，它决定着光纤损耗的最低理论极限。结构缺陷（瑞利(Rayleigh)散射）

光纤传输损耗主要来源于材料散射损耗、吸收损耗和光波导弯曲损耗。第17页,共39页，星期六，2024年，5月

光波导弯曲会引起传输模式的转换，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。（3）光波导弯曲损耗

目前常用的光纤材料有石英玻璃、多成分玻璃、复合材料等。在这些材料中，由于存在杂质离子、原子的缺陷等都会吸收光，从而造成材料的吸收损耗。（由SiO2材料引起的固有吸收和由杂质引起的吸收产生的）（2）吸收损耗第18页,共39页，星期六，2024年，5月单模光纤损耗谱，示出各种损耗机理第19页,共39页，星期六，2024年，5月

因此，光纤总损耗α与波长λ的关系可以表示为：α=+B+CW(λ)+IR(λ)+UV(λ)式中，A为瑞利散射系数，B为结构缺陷散射产生的损耗，CW(λ)、IR(λ)和UV(λ)分别为杂质吸收、红外吸收和紫外吸收产生的损耗。第20页,共39页，星期六，2024年，5月

光纤损耗谱(a)三种实用光纤；(b)优质单模光纤多模突变型光纤(SIF)、渐变型光纤(GIF)、单模(SMF)光纤常见光纤的损耗比较图第21页,共39页，星期六，2024年，5月四.光缆

为了保证光纤具有一定的机械强度，通常是采用塑料被覆和应力筛选。光纤从高温拉制出来后，要立即用软塑料进行一次被覆和应力筛选，除去断裂光纤，并对成品光纤用硬塑料进行二次被覆。1.光缆基本要求(a)紧套；(b)松套；(c)大套管；(d)带状线

二次被覆光纤有紧套、松套、大套管和带状线光纤四种，见下图。第22页,共39页，星期六，2024年，5月

光缆一般由缆芯和护套两部分组成，有时在护套外面加有铠装。（1）缆芯缆芯通常包括被覆光纤(或称芯线)和加强件两部分。

被覆光纤是光缆的核心，决定着光缆的传输特性。

加强件起着承受光缆拉力的作用，通常处在缆芯中心，有时配置在护套中。2.光缆结构和类型第23页,共39页，星期六，2024年，5月光缆的基本型式层绞式

把松套光纤绕在中心加强件周围绞合而构成。骨架式

把被覆光纤放入中心加强件周围的螺旋形塑料骨架凹槽内而构成。

中心束管式

把被覆光纤或光纤束放入大套管中，加强件配置在套管周围而构成。根据使用条件光缆可以分为：

室内光缆、架空光缆、埋地光缆和管道光缆等。特种光缆常见的有：电力网使用的架空地线复合光缆(OPGW)，跨越海洋的海底光缆，易燃易爆环境使用的阻燃光缆以及各种不同条件下使用的军用光缆等。第24页,共39页，星期六，2024年，5月光缆类型的典型实例

(a)6芯紧套层绞式光缆(架空、管道)；(b)12芯松套层绞式光缆(直埋防蚁)；(c)12芯骨架式光缆(直埋)；(d)6~48芯束管式光缆(直埋)；(e)108芯带状光缆；(f)LXE束管式光缆(架空、管道、直埋)；(g)浅海光缆；(h)架空地线复合光缆(OPGW)第25页,共39页，星期六，2024年，5月

护套起着对缆芯的机械保护和环境保护作用，要求具有良好的抗侧压力性能及密封防潮和耐腐蚀的能力。护套通常由聚乙烯或聚氯乙烯(PE或PVC)和铝带或钢带构成。

（2）护套第26页,共39页，星期六，2024年，5月1.光纤传感器的工作原理及组成五.光纤传感器

光纤传感器原理实际上是研究外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。

外界信号可能引起光的光学性质的变化，从而形成不同的调制。强度波长频率相位偏振态第27页,共39页，星期六，2024年，5月非功能型光纤传感器（传光型）

光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率，主要用于光通讯。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤，增大传输光的通量。

用单模光纤，既传光又是敏感元件。光纤的传输特性受被测物的物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。功能型光纤传感器（传感型）光纤传感器通常可分为：

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作和应用也比较容易，所以目前非功能型传感器品种较多。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。第28页,共39页，星期六，2024年，5月（a）传感型；（b）传光型

光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如图。

由光源发出的光通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，使光的某一性质受到被测量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经信号处理得到所需要的被测量。第29页,共39页，星期六，2024年，5月（1）高温比色温度仪式中，K1，K2

为与

1、

2

有关的常数。物体在两个特定波长

1、

2

上的辐射强度、之比与该物体的温度成指数关系只要测出与之比，就可算得出物体的温度T。1.光电池的应用应用一.光电器件第30页,共39页，星期六，2024年，5月可以使用光电池制作非接触测温的高温比色温度仪。1—高温物体2—物镜3—半反半透镜4—反射镜5—目镜6—观察者的眼睛7—光阑8—光导棒9—分光镜10、12—滤光片11、13—硅光电池14、15—电流/电压转换器

测温原理：

第31页,共39页，星期六，2024年，5月比色温度计实物图第32页,共39页，星期六，2024年，5月（2）光电比色计

1——光源，2——透镜，3——滤色片，4——标准样品，5——被测样品，6、7——光电池，8——差动放大器，9——指示仪表。

利用光电池作检测器，来测量通过有色溶液后透射光的强度，从而求出被测物质含量的方法叫做光电比色法。基于此而设计的仪器叫做光电比色计。第33页,共39页，星期六，2024年，5月

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安全、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，才可以打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。

2.光电耦合器的应用（燃气器具中的脉冲点火控制器）第34页,共39页，星期六，2024年，5月

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工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增加了电路抗干扰能力。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，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，V1等不导通，燃气阀门关闭。燃气热水器的高压打火确认原理图电磁阀里有密闭的腔，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭底部的进气孔第35页,共39页，星期六，2024年，5月

3.CCD图像传感器应用（工件尺寸检测）CCD图像传感器工件尺寸检测系统根据光学几何原理，可以