当前位置：文档之家 › 第七章光电式与光导式传感器part2

第七章光电式与光导式传感器part2

  • 格式：ppt
  • 大小：521.50 KB
  • 文档页数：30

下载文档原格式

  / 30

合集下载

第7章 光电式与光导式传感器资料

第7章 光电式与光导式传感器资料
3
• 1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射等 光电效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。
• 爱因斯坦认为，光是由一群光子组成 的，每一个光子具有的能量E正比于 光的频率v，即E=hv (h为普朗克常数)， 光子的频率越高(即波长越短)光子的 能量就越大。比如相同光通量的绿色 光的光子就比红色光的光子能量大， 而相同光通量的紫外线能量比红外线 的能量大得多，紫外线可以杀死病菌， 改变物质的结构等。爱因斯坦确立了 光的波动—粒子两重性质，并为实验 所证明。
• （2） 光生伏特效应: 在光线的作用下能够使物体产生一 定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的
光电器件有光敏晶体管、光电池。
8
7.1.2 外光电效应的光电器件
1．光电管 • 光电管有真空和充气光电管，常见的光电管外形和电路如图所
示，阳极A与阴极K封装在一个玻璃壳内，当入射光照射在阴极 上，阴极表面电子吸收光子的能量，当其自身能量足以克服阴 极束缚力的时候，就会逸出阴极表面，如果在阴极与阳极之间 加以正向电压，逸出的电子就会定向射向阳极而形成光电流。
9
• 光电管主要有以下几点特性：
(1).光电管的光谱特性 光电管的光谱特性是指光电管在工作电压不变的条件下，入射光 的波长与其绝对灵敏度（即量子效率）的关系。光电管的光谱特 性主要取决于阴极材料，常用的阴极材料有银氧铯光电阴极、锑 铯光电阴极、铋银氧铯光电阴极及多硷光电阴极等，前两种阴极 使用比较广泛，图3和图4分别给出了它们的光谱特性曲线。
7
1）外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象称为外光电效应。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

传感器(电子教案)第7章

传感器(电子教案)第7章

表示当光电管的阳级电压一定时，阳极电流I与入射在阴极上 光通量φ之间的关系。

2．伏安特性
当入射光的频谱及光通量一定时，阳极与阴极之间的电压同 光电流的关系叫伏安特性 ，如图7-4(c)所示。
3．光谱特性
由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。 保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系 叫光电管的光谱特性。光电管尚有温度特性、疲劳特性、惯 性特性、暗电流和衰老特性等，使用时应根据产品说明书和 有关手册合理选用。
第7 章
光电式传感器
光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器。 光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。
7.1光电效应 7.2光电元件及其特性 7.3光电式传感器的测量电路 7.4光电传感器及其应用 7.5光纤传感器 7.6电荷耦合器件（CCD） 7.7光栅式传感器 7.8激光式传感器 本章要点
返回 下页 图库
7.1 光电效应
由光的粒子学说可知，光可以认为是由具有一定能量的粒 子所组成，而每个光子所具有的能量E与其频率大小成正比。 光照射在物体上就可看成是一连串的具有能量为E的粒子轰击 在物体上。所谓光电效应即是由于物体吸收了能量为E的光后 产生的电效应。从传感器的角度看光电效应可分为二大类型。
返回 上页 下页 图库


7.3光电式传感器的测量电路
要使光电式传感器能很好地工作。除了合理选用光 电转换元件外，还必须配备合适的光源和测量线路。 7.3.1光源 发光二极管 图7-14 真空光电管的差接测量电路 钨丝灯泡 图7-15 光电倍增管的测量电路 电弧灯或石英灯 激光 图7-16 光敏电阻开关电路 7.3.2测量电路 图7-18 具有温度补偿的光敏二极管 光电管的测量电路 测量电路 光电倍增管的测量电路 光敏电阻的测量电路 光敏晶体管的测量电路 光电池的测量电路

第7章光电式传感器和光纤传感器

第7章光电式传感器和光纤传感器

3 1 2 3 OG I 0
U0
n
RL
P Si
Ui
输出二极管电流法
二.CCD图像传感器
1. 线阵电荷耦合器件
线阵CCD结构原理图
（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二 极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的 MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。（光 积分）
（2）积分周期结束，控制信号使转移栅 打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄 存器中，通过移位寄存器并行输出。
在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现 象称为外光电效应。 基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由 下式确定。
Eh
式 中h：6 .6 261 0-34(Js )为 普 朗 克 常 数
－光 的 频 率 s-1)（
2. 读出移位寄存器
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。
式 中 ：H为 光 像 的 发 射 照 度 A为 单 位 面 积 Ns为t 时间内上能收集的载子流数 q为 电 数 ， 单 位 为mA／W
四. CCD 1、线阵CCD器件检测工件尺寸
L(Nd2d)M
2d为图象末端两个光 敏单元之间可能的最 大误差。根据目前产 品情况d＝0．013～ 0．03mm。
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。

《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器

《传感器技术与应用》课件第七章光电式传感器

3 医疗器械
应用于手术导航、血糖监 测和无创血压测量等医疗 设备中的距离和位置检测。
光电式传感器的优势和局限性
优势
• 高精度的测量和检测能力 • 快速响应时间和高反应速度 • 抗干扰性强，适应复杂环境
局限性
• 对环境光和颜色敏感 • 受到物体表面的反射率和透过率影响 • 距离和角度限制影响测量精度
反射式光电传感器
通过发射器发射光并接收反 射光信号，适用于距离控制、 物体检测等场景。
遮挡式光电传感器
由一个发射器和一个接收器 组成，通过物体在两者之间 遮挡来实现检测和计数功能。
光电式传感器的应用领域
1 工业自动化
用于物体检测、位置控制 和自动化生产线中的流水 线运输系统。
2 机器人技术
在机器人导航、抓取和视 觉识别中，光电式传感器 提供了重要的感知能力。
光电式传感器的选型和布线
1
光电式传感器的选型
根据应用需求选择适当类型和规格的光
光电式传感器的布线
2
电式传感器，考虑工作距离、响应速度 和环境条件等因素。
合理安装光源和接收器，注意避免光源
和光电式传感器的常见问题和解决方案
误触发或漏触发
调整传感器的灵敏度、工作距离和反射光线等参数，解决误触发和漏触发的问题。
光源过早老化
定期检查光源的工作状态，及时更换老化的光源，以保证传感器的正常工作。
灰尘或脏污造成干扰
定期清洁传感器的光源和接收器，避免因灰尘或脏污造成的误判和干扰。
总结
光电式传感器基于光电效应实现物体检测和测量，广泛应用于工业自动化、机器人技术和医疗器械等领域。
《传感器技术与应用》课 件第七章光电式传感器
本章介绍光电式传感器的基本原理、分类、应用领域、优势和局限性，以及 选型、布线、常见问题和解决方案。

七章节光电式传感器

七章节光电式传感器

7.1 光电效应
（1）结光电效应。 以PN结为例，当光照射PN结时，若光子能量大于半
导体材料的禁带宽度Eg，则使价带的电子跃迁到导带，产生 自由电子—空穴对。在PN结阻挡层内电场的作用下，被激发 的电子移向N区的外侧，被激发的空穴移向P区的外侧，从而 使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
基于结光电效应的光电元件有光电池和光电晶体管等。
7.2光电元件
.
图7-8 光电倍增管的光电特性
7.2光电元件
（4）光电倍增管的暗电流
光电倍增管暗电流的定义和产生的原因与光电管一 样，只是多了倍增极二次发射的影响。光电倍增管中光电 阴极和各倍增极都有热电子发射，由于光电倍增管中电流 是逐级倍增的，所以在热电子发射中，光电阴极和第一倍 增极的热电子发射是主要的。为了减少由管座各极之间漏 电流形成的暗电流，有时将阳极单独引出来，此外，管内 电子将残余气体和铯原子电离，正离子将奔向阴极并轰击 产生二次电子发射，这些电子再经倍增极放大输出，增加 了暗电流。
7.2光电元件
.
图7-4 光电管的光照特性
7.2光电元件
7.2.2光电倍增管 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只
有零点几个微安，造成的测量误差将很大，甚至无法检测。 为了提高光电管的灵敏度，在光电管的阴极和阳极之间安装 一些倍增极，就构成了光电倍增管。光电倍增管实际上是光 电阴极和二次电子倍增器的结合。当电子或光子以足够大的 速度轰击金属表面而使内部的电子逸出金属表面时，这种逸 出金属表面的电子叫做二次电子。二次电子的数目不仅取决 于入射光粒子的数目，还与入射光粒子的速度、金属的性质 等有关。
与各倍增极之间电压保持恒定条件下，阳极电流IA（光电 流）与最后一级倍增极和阳极间电压UAD的关系，典型光 电倍增管伏安特性如图7-7所示。它是在不同光通量下的 一组曲线族。象光电管一样，光电倍增管的伏安特性曲线 也有饱和区，照射在光电阴极上的光通量越大，饱和阳极 电压越高，当阳极电压非常大时，由于阳极电位过高，使 倒数第二级倍增极发出的电子直接奔向阳极，造成最后一 级倍增极的入射电子数减少，影响了光电倍增管的倍增系 数，因此，伏安特性曲线过饱和区段后略有降。

第7章 光电式与光导式传感器

第7章 光电式与光导式传感器

• 几个世纪以来，关于光的本质，一直是物理学界争论 的一个课题。两千多年前，人类已了解到光的直线传 播特性，但对光的本质并不了解。1860年，英国物理 学家麦克斯韦建立了电磁理论，认识到光是一种电磁 波。光的波动学说很好地说明了光的反射、折射、干 涉、衍射、偏振等现象，但是仍然不能解释物质对光 的吸收、散射和光电子发射等现象。1900年德国物理 学家普朗克提出了量子学说，认为任何物质发射或吸 收的能量是一个最小能量单位(称为量子)的整数倍。
5
• 光电传感器具有结构简单、精度高、响应速度快、非接触 等优点。光传感器是目前产量最多、应用最广的传感器之 一，它在自动控制和非电量电测技术中占有非常重要的地 位。
• 因此,利用各种光电元件制成的光电传感器广泛用于转速、 位移、温度、浓度、浊度、距离等参数的测量，还可用于 产品的计数、机床的保护装置等。随着电子工业的发展， 新光源、新光电元件(如光导纤维、电荷耦合摄像、光电位 置敏感元件)的出现，使光电传感器应用范围日趋扩大，不 仅能测量一维量而且能够测量二维量，直接获得图形符号。 光电传感器是一种很有发展前途的传感器。 • 本章介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性， 着重介绍光电传感器的各种应用。
②伏安特性：在一定的照度下， 加在光敏电阻两端的电压和光 电流之间的关系曲线，如图所示。
19
③光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光电流与 光通量之间的关系曲线如图所示。由图可见，该曲线 是非线性的。因此光敏电阻不宜做定量检测元件，而 常在自动控制中用做光电开关。 ④光电灵敏度：指单位光通量由入射时能输出的光电流 的变化，即
10
(2).光电管的伏安特性 光电管的伏安特性是指在一定光通量照射下，光电管阳极与阴极之间的电 压UA与光电流IΦ之间的关系。光电管在一定光通量照射下，光电管阴极在单 位时间内发射一定量的光电子，这些光电子分散在阳极与阴极之间的空间， 若在光电管阳极上施加电压UA，则光电子被阳极吸引收集，形成回路中的光 电流IΦ。当阳极电压升高，阳极发射的光电子指引一部分被阳极收集，其余 部分仍返回阴极。随着阳极电压的升高，阳极在单位时间内收集到的光电子 数增多，光电流IΦ也增加。如果阳极电压升高到一定数值时，阴极在单位时 间内发射的光电子全部被阳极收集，称为饱和状态，以后阳极电压升高，光 电流IΦ也不会增加 。

第七章光电式与光导式传感器

第七章光电式与光导式传感器

五、内光电效应器件
（一）、光敏电阻 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。 1、光敏电阻的结构
金属电极 半导体 R L 电源 玻璃底板 E R a I
检流计 (a) (b) (c)
第7章 光电式与光导式传感器
2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射） 后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在 给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照 下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。
第7章 光电式与光导式传感器
第七章 光电式与光导式传感器
第一节 光电效应与光电器件 第二节 光纤传感器
第7章 光电式与光导式传感器
0.01
波长/μ m
0.05 极远紫外
0.1
0.5
可见光
1 近红外
5
10
远红外
第7章 光电式与光导式传感器
第一节 光电效应与光电器件 一、 外光电效应
定义：在光照射下 , 电子逸出物体表面向外发射的 现象称为外光电效应,亦称光电发射效应(光电管、光电 倍培管 ).
第7章 光电式与光导式传感器
第7章 光电式与光导式传感器
（二）、光电倍增管及其基本特性 1. 结构和工作原理
光电阴极 阳极

第一倍增极 入射光
第三倍增极
由光阴极、次阴极 ( 倍增电极 ) 以及阳极三 部分组成。 光阴极是由半导体光 电材料锑铯做成；次阴 极是在镍或铜-铍的衬底 上涂上锑铯材料而形成 的，次阴极多的可达 30 级；阳极是最后用来收 集电子的，收集到的电 子数是阴极发射电子数 的105~106倍。

传感器技术与应用第2版-部分习题答案

传感器技术与应用第2版-部分习题答案

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。

因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。

传感器课件第7章光电式

传感器课件第7章光电式
一、光电效应
光电器件主要利用各种光电效应 光电效应可分为： 光电效应可分为： 外光电效应 内光电效应 光电导效应 光生伏特效应
1、外光电效应
在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 在光线作用下，电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。 外光电效应
每个光子具有的能量是： 每个光子具有的能量是：
光敏电阻主要参数 • 暗电阻 —— 无光照时的电阻； 无光照时的电阻；
• 暗电流 —— 无光照时的电流； 无光照时的电流； • 亮电阻、亮电流 —— 受光照时的阻值、电流； 亮电阻、 受光照时的阻值、电流； • 光电流 —— 亮电流与暗电流之差称光电流 。
基本特性
伏安特性 给定偏压 光照越大光电流越大； 光照越大光电流越大； 给定光照度 电压越大光电流越大； 电压越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性 曲线不弯曲、无饱和， 曲线不弯曲、无饱和， 但受最大功耗限制。 但受最大功耗限制。 光照度 流明） Lx = lm （流明）/s 单位面积的光通量
光电传感器
概述
指纹门禁
指纹锁
光 电 鼠 标
概述 光电开关
料 位 自 动 控 制
概述
光纤 光电管
光敏电阻
光栅
7.1 光源
成功选择光源是设计光电传感器的前提条件。选择时要考虑诸多因素 （波长、谱分布、相干性、造价、体积等）。 光源分为自然光源和人造光源两类，后者按工作原理分为： 一、热辐射光源 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源，（白炽灯等） 二、气体放电光源 电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光，利用这种 原理制成的光源（光谱灯等） 电致发光器件－－ －－发光二极管 三、电致发光器件－－发光二极管 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件（发光二极管，半导体激光器等） 四、激光器 1.气体激光器 2.固体激光器 3.半导体激光器

第七章光电式传感器-PPT精选文档56页

第七章光电式传感器-PPT精选文档56页
输入栅加高电压，电荷通过输入二极管注入。设t0时刻，P1到达最高正电 压，其下方形成的势阱最深，电荷被吸引到P1下方形成电荷包。t1时刻P2上加 上和P1相等的高电压，则在两电极下同时形成势阱（势阱耦合），电荷在两电 极下分布。t2时刻，P1回到低电位，电荷包全部落入P2下的势阱。然后电荷移 动压到，使P3输下出形二成极电管荷反包偏。收这集样电电荷荷，由并CC将D电一荷端送移至至放终大端器。。这时在输出栅上加29高电
13
（2）光敏电阻的特性
①暗电阻、亮电阻与光电流 暗电阻：光敏电阻未受到光照射时的电阻。此时流过的电流为暗电流 亮电阻：光敏电阻受到光照射时的电阻值。———亮电流 光电流：亮电流与暗电流之差。 暗电阻越大、亮电阻越小，光敏电阻的灵敏度越高。
②伏安特性 在一定的照度下，电压越高、光电流 越大，没有饱和现象。 但是U不能太大，以免损坏光敏电阻。
航空摄影图像 --- （多目成象 --- 大地测量、测绘）
5、监控、安防、交通管理：
交通 --- 车辆识别、牌照识别、车型判断、车辆监视、交通流量检测 安全 --- 指纹判别与匹配、面孔与眼底识别、安全检查（飞机、海关） 监视 --- 超市、商店防盗、银行监控，停车场、电梯闭路电视
6、军事与国防：
超低空雷达、超视距雷达、导弹制导、导弹导航、地形匹配、 单兵作战系统、战场遥测、夜视仪、声纳成象
因为衬底本身的少数载流子自由电子不能马上填满势阱，而数字系统的 时钟脉冲周期远小于十分之几秒，因此在时钟脉冲控制下，势阱中的电荷只 与是否有电荷注入（输入信息），而与衬底本身无关。
28
3、电荷的定向转移
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控 制脉冲Φ 1、Φ 2、Φ3（三相时钟脉冲控制）。

第七章光电式和光导式

第七章光电式和光导式

硫化铅
硫化镉
102
103
104 f / Hz
⑥光敏电阻的温度特性 光敏电阻的性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。 随着温度的升高，其暗电阻和灵敏度下降，光谱特性 曲线的峰值向波长短的方向移动。
为了提高灵敏度或为了能够接收较长波段的辐射，将 元件降温使用。
2.光电池
光电池是利用光生伏特效应直接把光能转变成电能的 器件，又称为太阳能电池。
②光敏电阻的伏安特性
在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系 称为伏安特性。
在给定电压下，光照度越 强，光电流越大。 在一定的光照度下，所加 的电压越高，光电流越大， 而且无饱和现象。 注意：电压不能无限地增 大，因为任何光敏电阻都受 额定功率、最高工作电压和 额定电流的限制。


原因：热电子发射、极间漏电流、场致发射等。 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光 使用，使其只对入射光起作用； 暗电流对于测量微弱光强和精确测量的影响很大，通常 可以用补偿电路加以消除。
④光电倍增管的光谱特性：与光电管的光谱特性相似—
—取决于光电阴极的材料性能。
四、内光电效应器件
光电倍增管的灵敏度比普通光电管高几万倍到几百万 倍。因此在很微弱的光照时，可产生很大的光电流。
常见的几种光电倍增管结构图
主要参数 ① 倍增系数:等于各倍增电极的二次电子发射系数的乘积。

倍增系数与所加电压有关，若电压波动，则倍增系数也波动。
② 光电阴极灵敏度：一个光子
在阴极能打出的平均电子数。
106
（2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生 浓度梯度而产生光电势，称这种现象为侧向光电 效应。 当光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴 对时，光照部分载流子浓度比未受光照部分的载 流子浓度大，就出现了载流子浓度梯度，因而载 流子要扩散。 如果电子迁移率比空穴大，那么空穴扩散不明 显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射 的部分带正电，未被光照部分带负电，光照部分 与未被光照部分产生光电势。

传感器(第6版) PPT课件第7章

传感器(第6版) PPT课件第7章

第二节 光电器件
一、热探测器 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器， 它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应， 尤其适用于红外的探测。 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当 有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度 的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。
第一节 光源
四、激光器 激光产生的过程： ➢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）； ➢如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反 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 出与激发光子频率相同的光子（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，因此上述现象称为 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。
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
传 感 器（第6版）
哈尔滨工业大学 唐文彦 主编
普通高等教育“十一五”国家级规划教材
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
返回主目录
第七章 光电式传感器
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
第一节 光源
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。
  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光 或被其反射、散射的光。 典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器
返
回
上一页
下一页
(2) 根据光受被测对象的调制形式
(a) 强度调制型光纤传感器 (b) 偏振调制光纤传感器 (c) 频率调制光纤传感器 (d) 相位调制传感器
返
回
上一页
下一页
(a)强度调制型光纤传感器
返
回
上一页
下一页
(1) 光纤在传感器中的作用
功能型
非功能型
拾光型
返
回
上一页
下一页
(a) 功能型（全光纤型）光纤传感器 功能型（全光纤型）
光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元 件，光在光纤内受被测量调制。 优点：结构紧凑、灵敏度高。 缺点：须用特殊光纤，成本高， 典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。
光导Байду номын сангаас(光纤 光纤)传感器 第三节 光导式 光纤 传感器
光纤传感优点： 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以 制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种 不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件； 可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它 的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相 容性。 应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、 液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。
返
回
上一页
下一页
(b) 非功能型（或称传光型）光纤传感器 非功能型（或称传光型）
光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元 件上受被测量调制。 优点：无需特殊光纤及其他特殊技术， 比较容易实现，成本低。 缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。
返
回
上一页
下一页
(c) 拾光型光纤传感器
返
回
上一页
下一页
2. 光纤模式
光纤模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。在光导纤维中 传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成 信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。
阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为
光光
光光光
流流流流
或气体流经与其垂直的光纤时，光 纤受到流体涡流的作用而振动，振
填填
动的频率与流速有关。测出频率就
张张张张
可知流速。这种流量传感器结构示 意图如图所示。 光纤旋涡流量传感器示意图
当流体流动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时, 根据流体力学原理, 在某些条件下, 在非流线体的下游两侧产 生有规则的旋涡, 其旋涡的频率f近似与流体的流速成正比， 即 f≈ 式中: v——流速; d——流体中物体的横向尺寸大小; S——斯特罗哈（Strouhal）数, 它是一个无量纲的常数, 仅与雷诺数有关。 本公式是旋涡流体流量计测量流量的基本理论依据。 由 此可见, 流体流速与涡流频率呈线性关系。
利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而 导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。 应用：压力、振动、位移、气体 优点: 结构简单、容易实现、成本低。 缺点: 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
返
回
上一页
下一页
（b）偏振调制光纤传感器 ）
利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息 应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性 优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。
返
回
上一页
下一页
（c）频率调制光纤传感器 ）
被测对象引起的光频率的变化来进行监测 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速 度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓 度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。
返
回
上一页
下一页
（d）相位调制传感器 ）
被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相 位变化而得到被测对象的信息。
利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）
优点：灵敏度很高， 缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。
返
返
回
上一页
下一页
把被测量的状态转变为可测的光信号的装置
光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器， 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。 使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。
返
回
上一页
下一页
五、光纤传感器的类型
光纤在传感器中的作用 光受被测量调制的形式 光纤传感器中对光信号的检测方法不同
sv d

在多模光纤中, 光以多种模式进行传输, 在光纤的输出端, 各模式的光就形成了干涉花样, 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, 当光纤受到外界扰动 时, 干涉图样的明暗相间的斑纹或斑点发生移动。 如果外界 扰动是由流体的涡流引起的,那么干涉图样的斑纹或斑点就会 随着振动的周期变化来回移动, 这时测出斑纹或斑点移动, 即 可获得对应于振动频率f的信号, 根据公式推算流体的流速。 这种流量传感器可测量液体和气体的流量, 因为传感器 没有活动部件, 测量可靠, 而且对流体流动不产生阻碍作用, 所 以压力损耗非常小。这些特点是孔板、涡轮等许多传统流量 计所无法比拟的。
2 V = πd (n12 − n 2 ) / λ。 1 2
希望V小 不能太大， 希望 小：d不能太大，n2与n1之差很小 不能太大
返
回
上一页
下一页
3. 传播损耗
损耗原因：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
I0 A = al = 101g I
传播损耗（单位为dB） 传播损耗（单位为 ）
传感器
光学现象
被测量
光纤
分类
干 涉 型
光纤传感器相位调制
干涉（磁致伸缩） 干涉（磁致伸缩） 干涉（电致伸缩） 干涉（电致伸缩） Sagnac效应 效应 光弹效应 干涉 遮光板断光路 半导体透射率的变化 荧光辐射、 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 光纤漏泄模 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 光弹效应
SM、PM 、 SM、PM 、 SM、PM 、 SM、PM 、 SM、PM 、 MM MM MM SM MM MM MM SM MM SM MM MM MM MM
a a a a a b b b b b b b b,a b b b C b b
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型 光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
光纤n 1
包包n 2
光纤的基本结构
械强度。
圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大 于包层的折射率
返
回
上一页
下一页
二、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。
回
上一页
下一页
六、光纤传感器的应用 光纤传感器的应用
（1） 光纤加速度传感器 光纤加速度传感器的组成结构如图所示。
单单单单光光 激光半 干干干
固固固
单单 探单 光光
处处处处
质单质
光纤加速度传感器结构简图
（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 泛使用的光纤传感器。
电流、 电流、磁场 电场、 电场、电压 角速度 振动、压力、加速度、 振动、压力、加速度、位移 温度 温度、振动、压力、加速度、 温度、振动、压力、加速度、位移 温度 温度 振动、压力、加速度、 振动、压力、加速度、位移 振动、压力、 振动、压力、位移 气体浓度 液位 电流、 电流、磁场 电场、 电场、电压 温度 振动、压力、加速度、 振动、压力、加速度、位移
光导纤维的主要参数
1. 数值孔径（NA） 2. 光纤模式 3. 传播损耗
返返 回回
上一页 上一页
下一页 下一页
1. 数值孔径（NA） 数值孔径（ ）
NA = sin θ c = n − n
2 1
2 2
反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内 的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。
半半流光吸吸半 光光 输输光光 输输光光 探探半
不不不不
半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图
透透透 / (%) 2 100 1 T1 T2 T3 T1＜T2＜T3 1—光光光光光光； 2—吸吸吸吸透吸透 , T ) f (λ 0
λg
λ
半导体的光透过率特性图
3. 光纤旋涡流量传感器 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
包包
n0 2θ c
ϕ′
θ′
ϕi
n2
θi
光纤
n1
光纤的传光原理图
光纤的全反射演示
为了看清光的全反射，我们取一根无色有机玻璃圆棒， 为了看清光的全反射，我们取一根无色有机玻璃圆棒，加热后弯 曲成约90 圆弧形，将其一头朝向地板， 90° 曲成约90°圆弧形，将其一头朝向地板，用手电筒照射有机玻璃棒的 上端，我们可以看到，光线顺着弯曲的有机玻璃棒传导， 上端，我们可以看到，光线顺着弯曲的有机玻璃棒传导，从棒的下端 射出，在地板上出现一个圆光斑，这就是光的全反射实验。 射出，在地板上出现一个圆光斑，这就是光的全反射实验。