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1、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 第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件第二节第二节 光纤传感器光纤传感器第7章 光电式与光导式传感器 可见光0.5极远紫外0.10.05近红外远红外150.0110波长/m光波光波：波长为波长为10106nm的电磁波的电磁波可见光：可见光：波长波长380780nm紫外线：紫外线：波长波长10380nm波长波长300380nm称为称为近紫外线近紫外线波长波长200300nm称为称为远紫外线远紫外线波长波长10200nm称为称为极远紫外线极远紫外线红外线：红外线：波长波长780106nm波长波长3m（即（即3000nm）以下的
2、称）以下的称近红外线近红外线波长超过波长超过3m的红外线称为的红外线称为远红外线远红外线第7章 光电式与光导式传感器 第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件一、一、外光电效应外光电效应 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).每个光子的能量：E=h h普朗克常数，6.62610-34Js；光的频率（s-1）=31010cm/s可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。可以看出光的波长越短，频率越高，光子能量也越大。第7章 光电式与光导式传感器 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
3、入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理 式中m电子质量；v0电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。由上式可知：n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，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。第7章 光电式与光导式传感器 n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A0。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
4、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。n光电子逸出物体表面具有初始动能mv02/2，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。第7章 光电式与光导式传感器 二、内光电效应二、内光电效应当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应。1、光电导效应在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应（光敏电阻）。第7章 光电式与光导式传感器 过程：过程：自由电子所占能带不存在电子所占
5、能带价电子所占能带导带价带禁带Eg为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即第7章 光电式与光导式传感器 2、光生伏特效应在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应（光光电电池池和光光敏敏二二极极管管、光光敏敏三三极管）极管）。势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光
6、电动势。第7章 光电式与光导式传感器 侧向光电效应当半导体光电器件受光照不均匀时，则将产生载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。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，因而载流子就要扩散。如果电子迁移率比空穴大，那么空穴的扩散不明显，则电子向未被光照部分扩散，就造成光照射的部分带正电，未被光照射部分带负电，光照部分与未被光照部分产生光电动势。基于该效应的光电器件如半导体光电位置敏感器件（PSD）。第7章 光电式与光导式传感器 三、基本概念三、基本概念1、暗电流光传感器接入电路后即使没有光照射，由于热电子发射、场致发射和晶
7、格振荡激发载流子，使电路有电流输出，此电流称为暗电流，也称随机电流。2、响应度光传感器输出的电压或电流与光通量之比。第7章 光电式与光导式传感器 3、光谱光传感器输出与输入光波长的关系曲线。4、等效噪声功率NEP即能够产生于传感器输出噪声电压或电流相等的入射光的功率大小。反映最小可探测的光的功率。第7章 光电式与光导式传感器 四、外光电效应器件四、外光电效应器件（一）、光电管及其基本特性（一）、光电管及其基本特性光1.1.结构与工作原理结构与工作原理阳极光窗光电阴极当光照射在阴当光照射在阴极上时，中央阳极极上时，中央阳极可以收集从阴极上可以收集从阴极上溢出的电子，在外溢出的电子，在外电场作用下
8、形成电电场作用下形成电流流I。第7章 光电式与光导式传感器 充气光电管内充有少量的惰性气体，如氩、氖，当充气光电管的阴极被光照射后，光电子在飞向阳极的过程中，和气体的原子发生碰撞使气体电离。因此增大了光电流，从而使灵敏度增加，但导致充气光电管的光电流与入射光强度不成比例，因而稳定性较差。第7章 光电式与光导式传感器（1 1）光电管的伏安特性光电管的伏安特性2.2.主要性能：主要性能：伏安特性、光照特性、光谱特性在一定的光照射下，对光电器件的阳极所加电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管真空光电管第7章 光电式与光导式传感器 充气光电管的电压-电流特性不具有真空光电管的
9、那种饱和特性,而是达到充气离子化电压附近时,阳极电流急速上升,如图所示。急速上升部分的特性就是气体放大特性,放大系数为510。充气光电管的优点是灵敏度高,但其灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。所以在测试中一般选用真空光电管。充气光电管充气光电管:第7章 光电式与光导式传感器（2）光电管的光照特性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照特性。225507510000.51.52.0/1mIA/A1.02.51第7章 光电式与光导式传感器（3）光电管光谱特性保保持持光光通通量量和和阴阴极极电电压压不不变变，阳阳极极电电流流与与光光波波
10、长长之之间的关系叫光电管的光谱特性。间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率0，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同同一一光光电电管管对对于于不不同同频频率率的的光光的的灵灵敏敏度度不不同同，这这就就是是光光电电管管的的光光谱谱特特性性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。第7章 光电式与光导式传感器 国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率
11、：25%30%。它适用于白白光光光光源源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红红外外光光源源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫紫外外光光源源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为30008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。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（二）、光电
12、倍增管及其基本特性1.1.结构和工作原理结构和工作原理入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极由由光光阴阴极极、次次阴阴极极(倍倍增增电电极极)以以及及阳阳极极三三部分组成。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105106倍。第7章 光电式与光导式传感器 2.2.主要参数主要参数（1）倍增系数M如果n个倍增电极的都相同，则M=因此，阳极电流I 为 I=ii 光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数为 =I/i =103104105106255075100125
13、极间电压/V放大倍数第7章 光电式与光导式传感器（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度阴极灵敏度：阴极灵敏度：一个光子在光电倍增管的阴极上能够打出的平均电子数。总灵敏度总灵敏度：一个光子在阳极上产生的平均电子数。极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。第7章 光电式与光导式传感器（3）暗电流和本底脉冲暗电流：暗电流：由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。本底电流：本底电流：如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的
14、电流称为本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的，本本底底电流电流具有脉冲形式脉冲形式。第7章 光电式与光导式传感器 光电倍增管的光照特性与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在45mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/A（4）光电倍增管的光谱特性第7章 光电式与光导式传感器 五、内光电效应器件五、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 1、光敏电阻的结构、光敏电阻的结构第7章 光电式与光导式传
15、感器 2.2.光敏电阻的主要参数和基本特性光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电阻、光电流）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（2 2）光照特性）光照特性012345I/mA L/lx10002000第7章 光电式与光导式传感器（3 3）光谱特性）光谱特性312/m204060801004080120160200240相对灵敏度1硫化镉2硒化镉3硫化铅第
16、7章 光电式与光导式传感器（4）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。5010015020012U/V02040I/A第7章 光电式与光导式传感器（5）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。20406080100I/%f/Hz010102103104硫化铅硫化镉第7章 光电式与光导式传感器（6）温度特性I/A100150200-50-1030 5010-30T/C2040608010001.02.03.04.0/mI/mA+20C-20C第7章 光电式与光导式传感
17、器 当当光光照照到到PN结结区区时时，如如果果光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，在在N区区聚聚积积负负电电荷荷，P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N区区和和P区区之之间间出出现现电电位位差差。若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。I光P N1、光电池的结构和工作原理（二）、光电池（二）、光电池第7章 光电式与光导式传感器 IU光电池的表示符号基本电路第7章 光电式与光导式传感器（1 1）光照特性）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2
18、000lx时趋向饱和。短路电流曲线：光电流与照度之间的特性曲线2.基本特性L/klx5432100.10.20.30.40.5246810开路电压Uoc/VIsc/mA(a)硅光电池短路电流L/klx0.10.20.30.40.50.30.1012345Uoc/VIsc/mA(b)硒光电池开路电压短路电流第7章 光电式与光导式传感器 02468100.10.20.30.40.5I/mAL/klx5010010005000RL=0第7章 光电式与光导式传感器 204060801000.40.60.81.01.20.2I /%12/m(2)(2)光谱特性光谱特性1硒光电池2硅光电池第7章 光电式与
19、光导式传感器（3 3）温度特性）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。2004060904060UOC/mVT/CISCUOCISC/A600400200UOC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第7章 光电式与光导式传感器 1.光敏二极管光敏二极管的结构与一般二极管相似、它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般是处于反反向向工工作作状状态态，如图所示。PN光光敏二极管符号光敏二极管接线RL 光PN（三）、光敏二极管和光敏三极管（三）、光敏二极管和光敏三极管第7章 光电式与光导式传感器 2.光敏三极管
20、当光线照射在集电结的基区时,会产生电子-空穴对,在内电场的作用下,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,这样便有大量的电子流向集电极,形成输出电流,且集电极电流为光电流的倍。NNPe bc RL EPPN bec第7章 光电式与光导式传感器（1 1）光谱特性）光谱特性硅锗相对灵敏度/%入射光/400080001200016000100806040200第7章 光电式与光导式传感器（2 2）伏安特性）伏安特性500lx1000lx1500lx2000lx2500lxI/mA024620406080光敏晶体管的伏安特性U/V第7章 光电式与光导式传感器 光敏晶体管的光照特
21、性I/AL/lx200400600800100001.02.03.0（3 3）光照特性）光照特性第7章 光电式与光导式传感器 暗电流/mA102030 4050 6070T/C25050光电流/mA100020030040010 20 30 40 50 60 70 80T/C（4 4）温度特性）温度特性第7章 光电式与光导式传感器（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性0100100050050001000020406010080RL=1kRL=10kRL=100k入射光调制频率入射光调制频率/HZ相相对对灵灵敏敏度度/%光敏晶体管的频率特性第7章 光电式与光导式传感器（四）光电耦
22、合器件（四）光电耦合器件1.光电耦合器光电耦合器光电耦合器的发光元件和接收元件都封装在一个外壳内，一般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，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。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。第7章 光电式与光导式传感器 2.光电开关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。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 1、烟尘浊度监测仪六、光电传感器
23、的应用举例六、光电传感器的应用举例平行平行光源光源光电光电探测探测放大放大显示显示刻度刻度校正校正报警器报警器烟道烟道第7章 光电式与光导式传感器 2、光电转速传感器231231第7章 光电式与光导式传感器 3、光电池应用、光电池应用光电池主要有两大类型的应用：光电池主要有两大类型的应用：将将光光电电池池作作光光伏伏器器件件使使用用，利利用用光光伏伏作作用用直直接接将将大大阳阳能能转转换换成成电电能能，即即太太阳阳能能电电池池。这这是是全全世世界界范范围围内内人人们们所所追追求求、探探索索新新能能源源的的一一个个重重要要研研究究课课题题。太太阳阳能能电电池池已已在在宇宇宙宙开开发发、航航空空、
24、通通信信设设施施、太太阳阳电电池池地地面面发发电电站站、日日常常生生活活和和交交通通事事业业中中得得到到广广泛泛应应用用。目目前前太太阳阳电电池池发发电电成成本本尚尚不不能能与与常常规规能能源源竞竞争争，但但是是随随着着太太阳阳电电池池技技术术不不断断发发展展，成成本本会会逐逐渐渐下下降降，太太阳阳电电池池定定将将获获得得更更广广泛泛的应用。的应用。将将光光电电池池作作光光电电转转换换器器件件应应用用，需需要要光光电电池池具具有有灵灵敏敏度度高高、响响应应时时间间短短等等特特性性，但但不不必必需需要要像像太太阳阳电电池池那那样样的的光光电电转转换换效效率率。这这一一类类光光电电池池需需要要特特
25、殊殊的的制制造造工工艺艺，主主要用于光电检测和自动控制系统中。要用于光电检测和自动控制系统中。第7章 光电式与光导式传感器（1 1）太阳电池电源）太阳电池电源调节控制器调节控制器逆逆变变器器交交流流负负载载太阳太阳电池电池方阵方阵直直流流负负载载阻塞二极管阻塞二极管第7章 光电式与光导式传感器(a)光电跟踪电路光电跟踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2（2 2）光电池在光电检测和自动控制方面的应用）光电池在光电检测和自动控制方面的应用第7章 光电式与光导式传感器(b)光电开关光电开关BG2BG1+12VCJ R1 R2第7章 光电式与光导式传感器（c）光电池触发电路）光电池触发
26、电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW第7章 光电式与光导式传感器(d)光电池放大电路光电池放大电路+12V5G23C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432第7章 光电式与光导式传感器 4.燃气器具中的脉冲点火控制器燃气器具中的脉冲点火控制器第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 第一节第一节 光电效应与光电器件光电效应与光电器件第二节第二节 光纤传感器光纤传感器第7章 光电式与光导式传感器 第二节第二节光光纤纤传传感感器器不受电磁干扰体积小重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信系统兼
27、容光纤传感器能用于温温度度、压压力力、应应变变、位位移移、速速度度、加加速速度度、磁磁、电电、声声和和PH值值等70多个物理量的测量，在自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。第7章 光电式与光导式传感器 一、一、光纤结构及其传光原理光纤结构及其传光原理1.1.光纤结构光纤结构第7章 光电式与光导式传感器 2 2、光纤导光原理、光纤导光原理n0sini=n1sinjn1sink=n2sinrsini=(n1/n0)sinjsink=(n2/n1)sinrjikrA AB BC CD DE EF FK KO On n0n n2n n1因因j=90k所以所以第
28、7章 光电式与光导式传感器“数值孔径数值孔径”NA(NumericalAperture)：NA=sini0当当r=90的临界状态时的临界状态时表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。石英光纤数值孔径一般为0.20.4。第7章 光电式与光导式传感器 3.3.光纤模式光纤模式单模光纤：纤芯直径为212m，只能传输一种模式。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。多模光纤：纤芯直径较大（50100m），传输模式较多。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。第7
29、章 光电式与光导式传感器 二、光纤传感器二、光纤传感器1.光纤传感器的工作原理光纤传感器的工作原理光光纤纤传传感感器器原原理理实实际际上上是是将将来来自自光光源源的的光光经经过过光光纤纤送送入入调调制制器器，使使待待测测参参数数与与进进入入调调制制区区的的光光相相互互作作用用后后，导导致致光光的的光光学学性性质质（光光的的强强度度、波波长长、频频率率、相相位位、偏偏振振态态等等）发发生生变变化化，成成为为被被调调制制的的信信号号光光，再再经经过过光光纤纤送送入入光光探探测测器器，经经解解调调器器解解调后，获得被测参数。调后，获得被测参数。2.光纤传感器的类型光纤传感器的类型功功能能型型（Fun
30、ctional Functional FiberFiber，缩缩写写为为FFFF）传传感感器器：利利用用光光纤纤本本身身的的某某种种敏敏感感特特性性或或功功能能制制成成的的传传感感器器，又又称称为为传传感感型型光光纤纤传传感器；感器；非非功功能能型型（Non Non Functional Functional FiberFiber，缩缩写写为为NFFNFF）传传感感器器：光光纤纤仅仅仅仅起起传传输输光光的的作作用用，它它在在光光纤纤端端面面或或中中间间加加装装其其它它敏敏感感元元件感受被测量的变化，又称为传光型光纤传感器。件感受被测量的变化，又称为传光型光纤传感器。第7章 光电式与光导式传感器
31、 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、相相变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于光光纤纤连连续续，增增加加其其长长度度，
32、可提高灵敏度。可提高灵敏度。信号处理信号处理光受信器光受信器光纤敏感元件光纤敏感元件光发送器光发送器第7章 光电式与光导式传感器 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成。光纤不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，不连续。此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏比较容易实现，成本低。但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合。
33、度要求不太高的场合。信号处理信号处理光受信器光受信器敏感元件敏感元件光发送器光发送器光纤光纤第7章 光电式与光导式传感器 3 3）拾光型光纤传感器）拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、散散射射的的光光。其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、辐射式光纤温度传感器等。辐射式光纤温度传感器等。信号信号处理处理光受光受信器信器光发送器光发送器光纤光纤耦合器耦合器被测对象被测对象第7章 光电式与光导式传感器 3 3、光纤传感器结构、光纤传感器结构由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，由光发
34、送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量。得到所期待的被测量。信号处理电源信号接收敏感元件（a）传统传感器导线光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器传统传感器是以传统传感器是以机机电测量电测量为基础为基础光纤传感器则以光纤传感器则以光学测量光学测量为基础为基础第7章 光电式与光导式传感器 光是一种电磁波，电矢量光是一种电磁波，电矢量E EA A电场电场E E的振幅矢量；的
35、振幅矢量；光波的振动频率；光波的振动频率；光相位；光相位；t t光的传播时间。光的传播时间。可可见见，只只要要使使光光的的强强度度、偏偏振振态态(矢矢量量A A的的方方向向)、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变变化化，或或受受被被测测量量调调制制，那那么么，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、偏偏振振调调制制、频频率率调调制制或或相相位位调调制制等等进进行行解解调调，获获得得所所需需要要的的被被测测量量的的信信息。息。第7章 光电式与光导式传感器 干涉型干涉型 4 4、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类光学现象光学现象被测量被测量光纤光纤分类分
36、类传感器传感器相位调相位调制光纤制光纤传感器传感器干涉（磁致伸缩）干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应效应光弹效应光弹效应干涉干涉电流、磁场电流、磁场电场、电压电场、电压角速度角速度振动、压力、加速度、位移振动、压力、加速度、位移温度温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa注：注：MM多模；多模；SM单模；单模；PM偏振保持；偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型功能型、非功能型、拾光型第7章 光电式与光导式传感器 传感器光学现象被测量光纤分类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
37、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非非干涉型干涉型传感器光学现象被测量光纤 分类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传感器光学现象被测量光纤 分类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第7章 光电式与光导式传感器 三、光纤传感器的调制器原理三、光纤传感器的调制器原理形式：形式：强度调制型强度调制型、偏
38、振调制偏振调制、频率调制频率调制、相位调制相位调制。1 1、强度调制型光纤传感器、强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、吸吸收收或或反反射射等等参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度度变变化化来来实实现现敏敏感感测测量量的的传传感感器器。有有利利用用光光纤纤的的微微弯弯损损耗耗；各各物物质质的的吸吸收收特特性性；振振动动膜膜或或液液晶晶的的反反射射光光强强度度的的变变化化；物物质质因因各各种种粒粒子子射射线线或或化化学学、机机械械的的激激励励而而发发光光的的现现象象；以以及及物物质质的的荧荧光光辐辐射射或或光光路路
39、的的遮遮断断等等来来构构成成压压力力、振振动动、温温度度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。优点优点：结构简单、容易实现，成本低。：结构简单、容易实现，成本低。缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大。第7章 光电式与光导式传感器 2 2、偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器是是一一种种利利用用光光偏偏振振态态变变化化来来传传递递被被测测对对象象信信息息的的传传感感器器。有有利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用物物
40、质质的的光光弹弹效效应应构构成成的的压压力力、振振动动或或声声传传感感器器；以以及及利利用用光光纤纤的的双双折折射射性性构构成成温温度度、压压力力、振振动动等等传传感感器器。这这类类传传感感器器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。3 3、频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生频率发生变化变化来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的来进行监测的传感器。有利用运动物体反射光和散射光的多多普勒效应普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
41、利用的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利用物质受强光照射时的物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；以及利用染的气体传感器；以及利用光致发光光致发光的温度传感器等。的温度传感器等。第7章 光电式与光导式传感器 4 4、相位调制传感器、相位调制传感器 其其基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，通
42、通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确确定定光光的的相相位位变变化化量量，从从而而得得到到被被测测对对象象的的信信息息。通通常常有有利利用用光光弹弹效效应应的的声声、压压力力或或振振动动传传感感器器；利利用用磁磁致致伸伸缩缩效效应应的的电电流流、磁磁场场传传感感器器；利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（Sagnac）效效应应的的旋旋转转角角速速度度传传感感器器（光光纤纤陀陀螺螺）等等。这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高。但但由由于于须须用用特特殊殊光光纤纤及及高高精精度检测系统，因此成本高。度检测系统，因此
43、成本高。第7章 光电式与光导式传感器 四、四、光纤传感器的应用光纤传感器的应用1、光纤加速度传感器第7章 光电式与光导式传感器 2、光纤温度传感器1 1）透射型半导体光纤温度传感器）透射型半导体光纤温度传感器第7章 光电式与光导式传感器 半导体的光透过率特性这种半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2s。它的特点是体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。第7章 光电式与光导式传感器（2 2）遮光式光纤温度计）遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温
44、度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变1234水银柱式光纤温度开关1浸液2自聚焦透镜3光纤4水银第7章 光电式与光导式传感器 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。当当温温度度升升高高时时，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化。这这种种形形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量1050的的温温度度。检检测测精精度度约约为为0.5。它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体
45、体振振动动的的影影响响，且且响响应应时间较长，一般需几分钟。时间较长，一般需几分钟。光源接收热双金属式光纤温度开关121遮光板2双金属片第7章 光电式与光导式传感器 3、压力的检测膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121Y形光纤束2壳片3膜片3P第7章 光电式与光导式传感器 膜片的中心挠度膜片的中心挠度y为为R膜片有效半径；膜片有效半径；t膜片厚度；膜片厚度；p外加压力；外加压力；E膜片材料的弹性模量；膜片材料的弹性模量；为膜片的泊松比。为膜片的泊松比。可可见见，在在一一定定范范围围内内，膜膜片片中中心心挠挠度度与与所所加加的的压压力力呈呈线线性性关关系系。若若利利用用Y形形光光纤纤束束检
46、检测测位位移移特特性性的的线线性性区区，则则传传感感器器的的输输出出光光功功率率亦亦与与待待测测压压力力呈呈线线性性关关系系。这这种种传传感感器器结结构构简简单单、体体积积小小、使使用用方方便便，但但如如果果光光源源不不稳稳定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度定或长期使用后膜片的反射率下降，影响其精度。第7章 光电式与光导式传感器(a)传感器结构(b)探头截面结构(c)测量原理PI2I1I0p0P=0P0I1I0I2I1I0I2I1I0I242(外圈)1(内圈)3(输入)第7章 光电式与光导式传感器 将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(Ap)21时时,等等式式右右边边展展开开后
47、后取第一项，得到取第一项，得到这表明待测压力与输出光强比的这表明待测压力与输出光强比的对数呈线性对数呈线性关系。关系。两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A:与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；常数；P:待测量压力。待测量压力。第7章 光电式与光导式传感器 4、液位、流量检测、液位、流量检测（1）液位的检测技术）液位的检测技术（a）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器空气液体LEDPD第7章 光电式与光导式传感器（b）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器下下图图为为反反射射式式斜斜端端面面光光纤纤液液位位传传感感器器的的
48、两两种种结结构构。同同样样，当当传传感感器器接接触触液液面面时时，将将引引起起反反射射回回另另一一根根光光纤纤的的光光强强减减小小。这这种种形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在形式的探头在空气中和水中时，反射光强度差约在20dB以上。以上。23(b)(a)1第7章 光电式与光导式传感器（c）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 121光纤2耦合器第7章 光电式与光导式传感器 改进的光纤液位探头第7章 光电式与光导式传感器（2）光纤涡街流量计）光纤涡街流量计1夹具2密封胶3液体流管4光纤5张力载荷光源频谱分析记录探测器12345若物体具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比。即 fsvd式中：v:流体的流速；d:物体相对于液流方向的横向尺寸；s:与流体有关的无量纲 常数。