第9章-光学传感器

1、第9章 光学传感器,第9章 光学传感器,光学传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。用这种传感器测量其它非电量（如转速、浊度）时，只要将这些非电量转换为光信号的变化即可。 测量方法具有：结构简单、精度高、反应快、非接触等优点。,第一节 光电传感器,光电传感器，也称为光敏传感器。是以光为媒介、以光电效应为物理基础的一种能量转换器件，是利用光敏材料的光学效应制作的光敏器件。 常见的光电传感器有光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管以及光电耦合器件。,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=h,式中： h普

2、朗克常数=6.62610-34(Js) 光的频率（s-1）。,一、光电效应,光照射到物体上，可以看作一连串能量为E的光子轰击到物体上，光电效应就是由于物体吸收了光子的能量而产生的电效应。光电效应常分为内、外光电效应两大类。,一、外光电效应(external photo electric effect) 当光照射某种物质时，若入射的光子能量hv足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这种现象称为光电子发射效应或外光电效应。,外光电效应电子能量的转换公式为：,公式表明，入射光子的能量必须大于逸出功，才能使电子有足够的动能逸出表面。逸出的电子数越多，产生的光电流也越大。 基于外光电效

3、应的光电变换器件有光电管、光电倍增管等。,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,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，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,二、内光电效应(internal photo electric effect) 当半导体材料受光照射时，由于对光子的吸收，会

4、在半导体材料内部激发电子-空穴对，即载流子，使物体的电导率发生变化或产生光电动势的现象称为内光电效应。内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。,1光电导效应(photo conductive effect) 光电导体受光线作用时，其电导率(电阻)发生变化的现象称为光电导效应。 基于此原理的光电器件有光敏电阻、光导管。,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。,导带,价带,禁带,自由电子所占能带,不存在电子所占能带,价电子所占能带,Eg,2光生伏特效应 某

5、些半导体或电介质材料，在光线作用下，产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。,在N型材料中，电子浓度大而空穴浓度小；在P型材料中，电子浓度小而空穴浓度大，在结区导致空穴从P区到N区，电子从N区到P区扩散运动，从而形成内电场，方向N区指向P区。,基于此原理的器件主要有光电池、光电二极管、光电三极管等等。,二、 光电器件的特性参数,1、灵敏度(响应度)k 光电器件输出电压Vs与入射光功率Ps之比，称为灵敏度度k。即: k = Vs/Ps = Vs/(HAd) 式中, Vs是器件的输出电压；Ps为入射光敏面的辐射功率 Ad是器件受光面积；H为光敏面的辐射照度。 k的单位为(V/W)。 灵敏度k是

6、表征光电器件输出信号能力的特征量。,2.光谱特性 光电器件的响应度与入射波长关系。 通常用直角坐标的横轴表示入射光的波长(),而纵轴表示归一化的响应度。曲线描述不同波长的入射光所产生器件响应度的曲线。峰值对应的波长称为峰值波长,表征该器件对这一波长最灵敏。响应度下降到一半时所对应的波长称为截止波长。光谱特性曲线给出光电器件的工作波长范围。,3.等效噪声功率和探测度D 当光辐射强度减小到某一值后，再继续减小光辐射强度，其输出信号也不会再减小，这时的输出信号电压为噪声电压。 由于噪声的存在，对任何一个光电器件来说，在检测信号时都具有一个阈值，低于这个阈值的辐射信号时无法检测到的。 入射到光电器件光

7、敏面上的辐射功率所产生的响应电压，恰好等于该器件的噪声电压值，那么这个辐射功率称为等效噪声功率，常用NEP表示。,4.响应时间 响应时间是描述光电器件对入射光辐射响应快慢的参数,也称为时间常数 5线性度 线性度是指光电器件输出光电流(或电压)与输入光功率成线性比例的程度和范围。 6温度特性 温度的变化，将会引起光电器件光、电性质的改变，是引起测量系统灵敏度不稳定的一个重要因素。,光电管和光电倍增管都是基于外光电效应的光电器件。其内部的金属感光材料在受到光照后向外发射电子，单位时间内发射的电子数量与光照强度有关，发射电流反映了光照的强度。,一、光电管(phototube),1. 结构与工作原理,

8、光电管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，其上涂有感光材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。,三、光电管和光电倍增光及其应用,不同的感光材料所敏感的光波长不同，即具有不同的光谱特性。,当光线照射到感光材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成电子流，在外电路就产生电流。,3.7.3 光电管、光电倍增管,注意：阳极接电源正极，阴极接电源负极。,光电器件的性能主要由伏安特性、光电特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。,2. 基本特性,（1） 光电管的伏安特性 照射光通量一定时，阳极与阴极之间电压

9、与光电流的关系称为光电管的伏安特性。 极间电压较小时光电流很快增加；当极间电压达到40V左右时进入饱和区。,光电管的伏安特性,50,20lm,40lm,60lm,80lm,100lm,120lm,100,150,200,0,2,4,6,8,10,12,阳极与末级倍增极间的电压/V,IA/ A,（2）光电管的光电特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光电特性。,其特性曲线如图所示。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光电特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电

10、管的灵敏度。,光电管的光电特性,25,50,75,100,2,0,0.5,1.5,2.0,/1m,IA/ A,1.0,2.5,1,（3）光电管光谱特性 光谱特性指在单位辐射通量，不同波长的光照射光管时，产生的饱和光电流和光波波长之间的关系曲线。 光谱特性主要决定于阴极材料。,若在真空光电管中充入低压惰性气体，在阴极和阳极之间供给直流电压E，阳极接电源正极，阴极接电源负极，则阴极发出的电子在向阳极运动的过程中要撞击惰性气体，使其发生电离。由电离产生的电子和光电子一起都被阳极接收，正离子却反向运动被阴极接收。使光电流增加，提高了灵敏度。这种充入低压惰性气体的光电管称为充气光电管。,3.充气光电管,

11、真空光电管的优点：在很宽的光强范围内，输入光强与输出电流成正比，测量精确度高，缺点：灵敏度低。,二、光电倍增管(PMT),当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几A，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。 1.光电倍增管结构和工作原理,由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。,光电倍增管也有一个阴极K，一个阳极A。与光电管不同的是，在它的阴极和阳极之间设置许多次发射电极D1、D2、D3，它们又称为第一倍增极、第二倍增极，相邻的电极间通常加上100伏左右的电压。,当微弱光线照射阴极K时，从阴极K上逸出的光电子被第一倍增极D1所加速，以高速轰击D1,入射光电子的能量传

12、递给D1表面的电子，使它们由D1表面逸出，这些电子称为二次电子，一个入射光电子可以产生多个二次电子。 D1发射出来的二次电子被D1、D2间的电场加速，射向D2, 并再次产生二次电子发射，得到更多的二次电子，这样逐级前进，一直到最后到达阳极A为止。若每级的二次电子发射倍增率为，共有n级（通常可达911级），则光电倍增阳极得到的光电流比普通光电管大n倍，因此，光电倍增管灵敏度极高。,（1）灵敏度 灵敏度是衡量光电倍增管探测光信号能力的一个重要参数。 指照射的每单位光通量使阳极产生的饱和光电流值，也可理解为入射一个光子后在阳极上能收集到的平均电子数。 光电倍增管对不同频率的辐射光其灵敏度是不一样的，

13、提到灵敏度应注明是何种光的灵敏度。,2. 主要参数,（2）暗电流 当光电倍增管加有一定的工作电压，但完全没有光照射时，阳极仍有电流，这种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 暗电流决定了管子可检测光通量的阈值。,（三）光电管、光电倍增管的应用,光电管多用于光信号较强的光学分析仪器。 光电倍增管广泛用于弱光线的测量,尤其是对各种射线的探测。,分光光度计的测量原理,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、光电池等。 一、光敏电阻 当光辐射于光敏电阻时，在光敏电阻的内部，由光生载流子变化会引起器件的电导率

14、发生变化，电导率发生变化会产生一个与光辐射度有光的电信号。 优点：灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小、重量轻、机械强度高，耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等。 不足：需要外部电源，有电流时会发热。,内光电效应器件,光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使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。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。 一般希望暗电阻越大越好, 亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻

15、的暗电阻值一般在兆欧级, 亮电阻在几千欧以下。,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。,光敏电阻的结构 它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质, 半导体的两端装有金属电极, 金属电极与引出线端相连接, 光敏电阻就通过引出线端接入电路。,2 光敏电阻的主要参数 ） 暗电阻 光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻, 此时流过的电流称为暗电流。 ） 亮电阻 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。 ） 光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。,3 光敏电阻的基本特性 1） 伏安特性： 在一定照射度下， 流过

16、光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。 光敏电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，与电压和电流无关。,2） 光谱特性 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。 亦称为光谱响应。,同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。 应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。,光敏电阻的光谱特性,3） 温度特性 温度变化影响光敏电阻的光谱响应。 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,向移动。因此, 硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用。 对于可见光的光敏电阻, 其温

17、度影响要小一些。,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下实质就是电源, 电路中有了这种器件就不需要外加电源。 1、定义 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。当它受到光照时不需再外加其他任何形式的能量就会产生电流输出。其输出电流与接收的光照有一定的关系，可以反映光照的强度。 光电池可分为两类：一是利用pn结的光生伏特效应效应制成的光电池，二是利用半导体与金属接触产生光生伏特效应制成的光电池。,3.7.4 光电池,二、光电池,2、工作原理,光电池的结构图,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。,光电池的工作原理示意图

18、,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。,是在一块N型(或P)硅片上，用扩散的方法掺入一些P型(或N)杂质，而形成一个大面积的PN结。当入射光照在PN结上时，PN结附近激发出电子空穴对，在结电场的作用下，电子和空穴分别向N区和P区移动，形成与光照强度有关的光电动势。,(1)光谱特性 指相对灵敏度和入射光波长之间的关系,2. 基本性能,硅光电池适用的光波长在0.41.2m范围内,最大灵敏峰在0.8m左右; 硒光电池适用的光波长在0.30.7m范围内,最大灵敏峰在0.5m左右。,L/klx,L/klx,5,4,3,2,1,0,0.1,0.2,0.3,0

19、.4,0.5,2,4,6,8,10,开路电压,Uoc /V,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.3,0.1,0,1,2,4,5,Uoc/V,Isc /mA,Isc/mA,(a) 硅光电池,(b)硒光电池,（2）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

20、强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,0,2,4,6,8,10,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,I/mA,L/klx,50,100,1000,5000,RL=0,(3) 频率特性 频率响应就是指相对输出电流与光调制频率的关系。 由图可知，硅光电池具有较高的频率响应，如曲线2，而硒光电池则较差，如曲线1。,20,40,60,80,100,0,I / %,1,2,3,4,5,1,2,f / kHz,1硒光电池 2硅光电池,（4）温度特性 光电池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。开路电压随温度增加而下降的速度较快，而短路电流随温度上升而增加的速度却很缓慢。因此，当光电池作为测

21、量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。,20,0,40,60,90,40,60,UOC/ mV,T / C,ISC,UOC,ISC / A,600,400,200,UOC开路电压,ISC 短路电流,硅光电池在1000lx照度下的温度特性曲线,基本工作原理是当光照射半导体的PN结时，在反向电压的作用下，其反向电流随光照度变化而变化，由此实现将光信号转换成电信号的功能。,三、光电二极管（光敏二极管）,1.结构与原理 光电二极管的结构与普通二极管一样，都有一个PN结，两根电极引线，装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。,没有光照射时，处于反向偏置的光电二极管，工作于截止

22、状态, 这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。 当光照射在PN结上时, 光子打在PN结附近, PN结附近产生电子-空穴对，在外电场的作用下，载流子作定向运动使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大, 光电流越大。,光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态，如图所示。,（1） PIN管光电二极管 PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。,P-Si,N-Si

23、,I-Si,PIN管结构示意图,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。,雪崩式二极管,（2） 雪崩光电二极管(APD),当光入射到PN结时， 光子被吸收而产生电子-空穴对。如果电压增加到使电场达到200 kV/cm以上，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，,3、光电二极管的特性,1）光谱特性 光电二极管具有一定的光谱响应范围。 在0.4-1.1m的范围内，硅光电二极管对不同波长的入射光的光敏

24、响应灵敏度是不同的。 最高响应灵敏度所对应的入射光波长称为峰值波长。,2）光照特性,暗电流iD:在无光射的条件下，加有一定的反向工作电压的光电二极管的反向电流。暗电流越小越好。 光电流IL：在受到一定光照的条件下，加有一定的反向工作电压的光电二极管中所流过的电流。一般光电流越大越好。光的照度越大, 光电流越大。,3）伏安特性,对光敏二极管施加正向电压时,正向电流将几乎随电压升高而按指数规律上升。如同导通的二极管，不可用于光电测量。,光敏二极管的伏安特性曲线,施加反向电压： 无光照时,光电二极管的电压-电流特性与一般二极管一样 当入射光照加强时，反向电流随入射光照度的增强而增大,在一定的反向电压

25、范围内,反向电流的大小几乎与反向电压的高低无关,但是与光照度成比例。 结论：在入射光照度一定的条件下,反向偏置的光敏二极管相当于一个恒流源。,4）响应时间,光电二极管对入射光信号的反应速度，可用响应时间t来表示。 响应时间主要是由光电二极管的结构决定，但是外电路参数的选择，也会影响其响应时间。,RB很小，可忽略。,当负载电阻减小时，就能减小时间常数，从而减小响应时间，改善频率响应。,4、光电二极管的测量电路,光电二极管测量电路,3、光电三极管 光电三极管有PNP型和NPN型两种，如图。其结构与一般三极管很相似，只是集电结面积较大，发射结较小，以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。当集电极加上正

26、电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。,2、光电三极管的主要特性：,在一定光照功率下光灵敏度与波长之间的关系。 与二极管相同,（1）光谱特性,相对灵敏度/%,硅,锗,入射光,/,4000,8000,12000,16000,100,80,60,40,20,0,光敏晶体管的光照特性,I / A,L/lx,200,400,600,800,1000,0,1.0,2.0,3.0,（2）光照特性 光电三极管的光照特性如图所示。它给出了光电三极管的光电流 I 和光照度之间的关系。它们之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)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，也可作开关元件。,

27、0,500lx,1000lx,1500lx,2000lx,2500lx,I/mA,2,4,6,20,40,60,80,光敏晶体管的伏安特性,（3）伏安特性,在一定照度下输出电压与输出电流关系称作伏安特性（输出特性）。 光电三极管的伏安特性与一般晶体管相似，不同处是每条曲线的参变量不是基极电流是入射光照度。,U/V,暗电流/mA,光电流/mA,10,20,30,40,50,60,70,T /C,25,0,50,100,0,200,300,400,10,20,30,40,50,60,70,80,T/C,光敏晶体管的温度特性,（4）温度特性 光电三极管的温度特性曲线反映的是暗电流及光电流与温度的关系

28、。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,3、生物医学测量中的应用 光电式脉搏波传感器,原理：是利用光电信号来测量脉搏容积的变化。当血管内血容量变化时,组织对光的吸收程度相应发生变化,利用光电传感器可测出这种变化，反映出血液脉动的基本参数情况（包括频率，幅度，脉搏波形状的改变）。,(a) 透射式传感器结构示意图和应用图 (b)反射式传感器结构示意图和应用于脑血氧的应用图,光电耦合器件是由发光元件(如发光二极管)和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。 发光元件通常是半导体发光二极管；

29、接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅。 根据其结构和用途不同，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。,第二节 光电耦合器件,1. 光电耦合器 电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，发光源的管脚为输入端，光敏器件的管脚为输出端。 当输入端有信号时，发光源发光，光敏元件在光照作用下产生光电流，由输出端输出，从而实现以光为媒介的电信号的传输。 工作原理：发光器件通常采用发光二极管，其管芯由一个PN结组成，发光的强度随电流的增加而增加。输出端的光敏器件将光信号检测后变为电流输出。光电接收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。,光电耦合

30、器组合形式,如图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， 应使发光元件和接收元件的波长匹配。,光耦合器的主要优点： 信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。,2. 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收， 并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。,如图为典型的光电开关结构图。图(a)是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收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

31、接收元件接收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，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。 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。,除了太阳能辐射红外线外，自然界任何物体只要它本身具有一定温度（高于绝对零度），都能辐射红外光，而且物体温度越高，发射的红外辐射能越多。物体在向周围发射红外辐射能的同时，也吸收周围物体发射的红外辐射能。 由于各种物质内部的原子分子结构不同，它们所发射出的辐射频率也不相同，这些频

32、率所覆盖的范围也即称为红外光谱。由实验可知，物体辐射的电磁波中，其峰值幅射波长m与物体自身的绝对温度T成反比，即有：,m=2897/T (m),红外检测的物理基础,第三节 红外传感器,探测器的基本类型,热探测器的工作机理是：利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量相关物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。 根据吸收红外辐射能后探测器物理参数的变化，可以将热探测器分为四类：热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型。其中，热释电型探测器探测率最高，频率响应最宽，也是目前用得最广的红外传感器。,热探测器,1,探测器的基本类型,利用光

33、电效应制成的红外探测器称为光子探测器。常见的光子效应有外光电效应、光生伏特效应、光电磁效应、光电导效应。相应的，光探测器主要包括，利用外光电效应而制成的光电子发射探测器；利用内光电效应制成的光电导探测器；利用阻挡层光电效应制成的光生伏特探测器；利用光磁电效应制成的光磁探测器。,光探测器,2,热探测器不需要冷却,热探测器对各种波长都能响应,热探测器响应时间比光子探测器长,热探测器性能与器件尺寸、形状、工艺等有关,热探测器的特点,光导纤维传感器（简称光纤传感器） 是20世纪七十年代迅速发展起来的一种新型传感器。光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。 与其它传感器相比较，光

34、纤传感器有如下特点： 1.不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火； 2.可根据需要做成各种形状，可以弯曲； 3.可以用于高温、高压,绝缘性好,耐腐蚀.,第四节 光纤传感器,光纤的结构,光纤呈圆柱形，它由玻璃纤维芯(纤芯)和玻璃包皮(覆盖层)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。纤芯折射率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。,光导纤维导光的基本原理,1、斯乃尔定理（Snells Law） 当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。 n1、n2、r、i 之间的数学关

35、系为,光的折射示意图,可见，入射角i 增大时，折射角r 也随之增大，且始终rci。,当r =90时，i 仍90，此时，出射光线沿界面传播如图，称为临界状态。这时有,临界状态示意图,若认为空气n01，则,1、数值孔径,sin0为临界入射角；n1、n2分别为纤维芯和覆盖层的折射率,光纤的主要参数,数值孔径NA反映了光纤对入射光的吸收能力。NA越大，说明光纤能够使光线全反射的入射角范围大，即接收能力越强。,2、传输损耗,由于光纤纤芯材料的吸收、散射、光纤弯曲处的辐射损耗等的影响，光信号在光纤中的传播不可避免地要有损耗，光纤的传输损耗A可用下式表示,式中 I0光纤入射光强 I距离光纤入射端1km处的光

36、强,光纤的分类,1、按输出模数分类,可分为多模光纤和单模光纤两类。 单模光纤的纤芯直径很小, 在给定的工作波长上只能以单一模式传输，传输频带宽，传输容量大。 多模光纤是在给定的工作波长上，能以多个模式同时传输的光纤。 与单模光纤相比，多模光纤的传输性能较差。,2、按作用分类,分为功能型（物性型）和非功能型（结构型）两大类。 功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件, 被测量对光纤内传输的光进行调制, 使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化。一般使用单膜光纤。 光纤在其中不仅起到传光作用，而且也是敏感元件。 非功能型传感器中，光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。 非功能型传

37、感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化, 光纤仅作为信息的传输介质。一般使用多膜光纤。,3、按材料分类,分为高纯度石英玻璃纤维、多组分玻璃光纤和塑料光纤。 高纯度石英(SiO2)玻璃纤维。这种材料的光损耗较小,在=1.2m的波长时,最低损耗为0.47dB/km。 多组分玻璃光纤。用常规玻璃制成，损耗也很低。 塑料光纤。用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但制造成本低廉，相对来说芯径较大，与光源的耦合效率高，耦合进光纤的光功率大，使用方便。,在光纤中传输的光波可用如下形式的方程描述：,光纤传感器的基本原理,E0：光波振幅 ：角频率 ：初相角,上式包含5个参数：强度E02、频率、波长、相位、偏振态。 工作原理：用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使之发生变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。,光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为 强度调制光