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1、2023/2/81第第8章章 光电式传感器光电式传感器内容：光电器件内容：光电器件 CCD传感器传感器 光纤传感器光纤传感器以光电器件作为转换元件的传感器以光电器件作为转换元件的传感器优点：响应快、性能稳、非接触。优点：响应快、性能稳、非接触。2023/2/82 物质受到光照会发生某些电学特性的变化，物质受到光照会发生某些电学特性的变化，这一现象称为光电效应。这一现象称为光电效应。光电效应：光电效应：光电子发射效应光电子发射效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应三种类型三种类型发生在物体内部发生在物体内部发生在物体表面发生在物体表面半导体半导体金属金属8.1 光电器件光电器件2023
2、/2/83 当物质受到光照射时，电子得到了足够的光当物质受到光照射时，电子得到了足够的光能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子能会从物质表面上放射出来的现象，称为光电子发射。发射。普通光电管和光电倍增管就是利用这种原理普通光电管和光电倍增管就是利用这种原理制成的。制成的。光电子发射效应（外光电效应）光电子发射效应（外光电效应）当物质受到光的照射时，载流子的浓度增当物质受到光的照射时，载流子的浓度增加，电导率增大的现象，称为光电导效应。加，电导率增大的现象，称为光电导效应。光敏电阻就是利用这种效应制成的。光敏电阻就是利用这种效应制成的。光电导效应光电导效应 （内光电效应）（内光电效应）光电式
3、传感器光电式传感器2023/2/84 当物质受到光的照射时，两种材料的界面上当物质受到光的照射时，两种材料的界面上产生电动势的效应，称为光生伏特效应。产生电动势的效应，称为光生伏特效应。光电池就是利用这种效应制成的。光电池就是利用这种效应制成的。光生伏特效应（内光电效应）光生伏特效应（内光电效应）光电式传感器光电式传感器2023/2/851、光电发射型器件、光电发射型器件非电量非电量转换转换光亮变化光亮变化光子光子光电光电器件器件光电效应光电效应电流电流（电子）（电子）1905年德国物理学家爱因斯坦年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得效应
4、，并为此而获得1921年诺年诺贝尔物理学奖。贝尔物理学奖。1905年年物理学年鉴物理学年鉴发表的三篇发表的三篇重要论文：重要论文：1、数学方法研究布朗运动、数学方法研究布朗运动 2、光量子学说、光量子学说 3、侠义相对论、侠义相对论2023/2/86光电式传感器光电式传感器光电效应方程：光电效应方程：光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子光是一粒一粒运动着的粒子流，即光子每个光子的能量为每个光子的能量为hf光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换光子打在光电材料上，光子与电子进行能量交换能量转换为：能量转换为：电子电子逸出功逸出功+初始动能初始动能h普朗克常数普朗克常数hf光子的能量光子的能量f
5、 光的频率光的频率m电子质量电子质量v电子初速度电子初速度 A电子逸出功电子逸出功爱因斯坦假说：爱因斯坦假说：2023/2/87光电式传感器光电式传感器红限频率红限频率:产生光电子发射的最低产生光电子发射的最低当入射光的频率当入射光的频率fE Eg g，PN结内产生电结内产生电子子-空穴对，空穴对，PN结两端产生电动势，直接将光能结两端产生电动势，直接将光能转变成电能。转变成电能。光生电子光生电子-空穴对空穴对+P+PN -N -光电式传感器光电式传感器光电器件：光电器件：光电池光电池2023/2/816E照度（照度（lx）1、光照特性、光照特性当光电器件电极上的电压一定时，当光电器件电极上的
6、电压一定时，光电流光电流I与光照度与光照度(或光通量或光通量)关系关系IF（E）真空光电管真空光电管光照特性呈现近似线性关系光照特性呈现近似线性关系光电式传感器光电式传感器 光通量（光通量（lm）IF（）二、光电器件的基本特性二、光电器件的基本特性2023/2/817光电倍增管光电倍增管灵敏度高，线性范围大灵敏度高，线性范围大光敏电阻光敏电阻非线性，作为开关元件非线性，作为开关元件光电式传感器光电式传感器2023/2/818硅光电池硅光电池开路电压呈非线性开路电压呈非线性短路电流呈线性短路电流呈线性光敏二极管光敏二极管线性特性好，用于检测线性特性好，用于检测光电式传感器光电式传感器开路电压开路
7、电压短路电流短路电流2023/2/819光敏三极管光敏三极管线性特性好，用于弱光检测线性特性好，用于弱光检测光电式传感器光电式传感器2023/2/820真空管真空管光电倍增管光电倍增管光敏电阻光敏电阻硫化镉硫化铊硫化铅锑钾铯光电式传感器光电式传感器2、光谱特性、光谱特性I=F()入射光波长入射光波长2023/2/821硅硅光光电电池池光光敏敏晶晶体体管管硒硅硅锗光电式传感器光电式传感器2023/2/822n光谱特性与制造器件的材料有关，也与制造工光谱特性与制造器件的材料有关，也与制造工艺有关。艺有关。n不同材料对应不同的红线频率。不同材料对应不同的红线频率。n各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一
8、样。各种敏感材料对不同的波长灵敏度不一样。n每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高。每一种材料只对某一种波长的灵敏度最高。2023/2/8233、伏安特性、伏安特性当光通量或照度一定，当光通量或照度一定，I=F（U）光敏电阻光敏电阻真空管真空管光电倍增管光电倍增管光电式传感器光电式传感器2023/2/824光光电电池池光光敏敏晶晶体体管管光电式传感器光电式传感器2023/2/825I=F1（f）或或 SF2（f）电压、光强相同电压、光强相同4、频率特性、频率特性S灵敏度灵敏度 f 光调制频率光调制频率 真真空空管管硫化铅硫化铅硫化铊硫化铊光光敏敏电电阻阻光电式传感器光电式传感器2023/2/82
9、6硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池光光电电池池RL=1k光光敏敏三三极极管管光电式传感器光电式传感器2023/2/827短路电流短路电流开路电压开路电压硅硅光光电电池池光光敏敏三三极极管管暗电流暗电流光电流光电流光敏电阻光敏电阻光电式传感器光电式传感器5、温度特性、温度特性温度变化对元件特性的影响温度变化对元件特性的影响2023/2/828三、三、光电式传感器的基本组成和类型光电式传感器的基本组成和类型光源光源光学光学通路通路光电光电器件器件测量测量电路电路12IX1被测量被测量X2被测量被测量把光电器件输出电信号把光电器件输出电信号转换成电路的可用信号转换成电路的可用信号1、基本组成、基本组
10、成光电式传感器光电式传感器2023/2/8292、基本类型、基本类型（1）透射式透射式p0 A A被测对象被测对象A所吸收的光通量所吸收的光通量 P光敏元件所接收的光通量光敏元件所接收的光通量 0光源发出一定的光通量光源发出一定的光通量IF(P)F(A)测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。测量液体、气体和固体的透明度和混浊度。AA光敏光敏元件元件pI被测对象被测对象0光电式传感器光电式传感器2023/2/830(2)反射式反射式测量表面粗糙度测量表面粗糙度p0 AA被测对象损失光通量被测对象损失光通量(3)辐射式辐射式IF(P)F(0)F(T)如光电高温计、和炉子燃烧监视装置如光电高温计、和
11、炉子燃烧监视装置p0光电式传感器光电式传感器2023/2/831(4)遮挡式遮挡式IF（P）F（A）光敏光敏元件元件(5)开关式开关式，光路，光路“通通”与与“不通不通”用于开关，计数，编码等。用于开关，计数，编码等。光电式传感器光电式传感器2023/2/8328.2 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CHARGE COUPLE DEVICECHARGE COUPLE DEVICE）优点：优点：n寿命长。寿命长。CCDCCD摄像管的寿命约摄像管的寿命约2020一一3030年。年。n成本低。用成本低。用CCDCCD摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附摄像管构成的摄像机没有电子枪及其附属设备，体积小，成本
12、低。属设备，体积小，成本低。n机械性能好，耐震、耐撞，不怕强光照射。机械性能好，耐震、耐撞，不怕强光照射。n重合精度高。摄像管与镜头固定牢固，匹配精确。重合精度高。摄像管与镜头固定牢固，匹配精确。n暂留特性好，适于拍摄运动图像。暂留特性好，适于拍摄运动图像。2023/2/833CCD的基本工作原理CCD的电荷存储的电荷存储 构成CCD的基本单元是MOS电容器，由金属、氧化物、半导体材料构成。2023/2/834原理 工作原理是依靠MOS电容与其电子势阱的存储电荷作用，以及改变栅压高低可以使势阱内电荷包逐个势阱转移的效应。2023/2/835n当当MOSMOS电容栅压增高时，在半导体内部被排电容
13、栅压增高时，在半导体内部被排斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导斥的电荷数也增加，耗尽层厚度增加，半导体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，体内电势越低，电子则向耗尽层移动、存储，象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子象对电子的陷阱一样，称为电子势阱。电子势阱可以用来存放电子。其特点是：当栅压势阱可以用来存放电子。其特点是：当栅压增加，势阱变深；当栅压减小，势阱变浅，增加，势阱变深；当栅压减小，势阱变浅，电子向势阱深处移动。电子向势阱深处移动。2023/2/8362023/2/8372023/2/8382023/2/8392023/2/840 在一定的条件下，所加在一定的条件下，所加V V
14、G G越大，耗尽层越越大，耗尽层越深，深，MOSMOS电容器所容纳的少数载流子电荷量就电容器所容纳的少数载流子电荷量就越大。越大。2023/2/8412023/2/8422023/2/8432023/2/844 CCD信号电荷产生有两种方式：光信号注入和信号电荷产生有两种方式：光信号注入和电压信号注入。电压信号注入。用做图像传感器时，由光注入电荷信号。用做图像传感器时，由光注入电荷信号。势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发势阱内的电荷包是由光敏材料受光照射后激发产生电产生电子空穴对子空穴对 在栅极电压的作用下，空穴被排斥进入衬底在栅极电压的作用下，空穴被排斥进入衬底 而电子被收集在势阱里，
15、成为信号电荷而电子被收集在势阱里，成为信号电荷 存储电荷的多少正比于照射光强存储电荷的多少正比于照射光强 这就是这就是CCDCCD摄像器件的光电变换过程。摄像器件的光电变换过程。光信号注入与电荷产生光信号注入与电荷产生2023/2/845光注入方式有：n正面照射：电极用透明导电材料（氧化锡、氧化钛等）正面照射：电极用透明导电材料（氧化锡、氧化钛等）制作。制作。n背面照射：需将衬底减薄背面照射：需将衬底减薄n直接照射：在每个光敏单元的电极下开一个很小的孔，直接照射：在每个光敏单元的电极下开一个很小的孔，光线直接照射到硅片表面光线直接照射到硅片表面 这时，如果把一个景物的图像投射到这时，如果把一个
16、景物的图像投射到CCDCCD面阵上时，面阵上时，由由CCDCCD上形成由积累电荷描绘的电子图像。上形成由积累电荷描绘的电子图像。2023/2/846电荷转移电荷转移nCCDCCD的最基本结构是彼此非常靠近的一系列的最基本结构是彼此非常靠近的一系列MOSMOS电容器，耗尽区能够在控制下相通，这是保证电容器，耗尽区能够在控制下相通，这是保证相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。相邻的势阱耦合和电荷转移的基本条件。n任何可移动的电荷信号总是力图向表面势大的任何可移动的电荷信号总是力图向表面势大的位置移动，位置移动，相邻势阱间的电荷转移。相邻势阱间的电荷转移。n实现电荷转移的驱动脉冲有二相，三相、四相。
17、实现电荷转移的驱动脉冲有二相，三相、四相。2023/2/8471 2 3 4 5 6 t=t1时，电极时，电极1、4在在V1的作用下形成势阱，并存有电荷的作用下形成势阱，并存有电荷。2023/2/8481 2 3 4 5 6 t=t2时，电极时，电极2、5在在V2的作用下形成势阱，电极的作用下形成势阱，电极1、4下下面的势阱变浅，所存电荷开始向面的势阱变浅，所存电荷开始向2、5转移转移。2023/2/8491 2 3 4 5 6 t=t3时，电极时，电极1、4下面的势阱消失，电荷完全转到电极下面的势阱消失，电荷完全转到电极2、5下下面。面。2023/2/8501 2 3 4 5 6 t=t4时
18、，电极时，电极3、6在在V3的作用下形成势阱，电极的作用下形成势阱，电极2、5下下面的势阱变浅，所存电荷开始向面的势阱变浅，所存电荷开始向3、6转移。转移。2023/2/8511 2 3 4 5 6 t=t4时，电极时，电极2、5下面的势阱消失，电荷完全转到电极下面的势阱消失，电荷完全转到电极3、6下下面。面。2023/2/852t=t+T时，原电极时，原电极1下面的电荷全部转到电极下面的电荷全部转到电极4下面。下面。1 2 3 4 5 6 2023/2/8532023/2/8542023/2/8552023/2/856CCD的信号输出n每个象素下面势阱内的电荷包通过转移后，顺序每个象素下面势
19、阱内的电荷包通过转移后，顺序向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，向外电路输出，并转换成信号电流或电压的形式，由外电路放大和处理。由外电路放大和处理。n常用的电路结构是反偏二极管常用的电路结构是反偏二极管CCDCCD输出方式。在输出方式。在一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极一个作为负载的电容上可得到相应的离散的负极性脉冲电压，形成负极性图象信号。性脉冲电压，形成负极性图象信号。2023/2/8572023/2/8582023/2/8592023/2/8602023/2/8612023/2/8622023/2/8632023/2/864CCDCCD摄像器件摄像器件n线阵线阵CCDC
20、CD n面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件2023/2/8651.光积蓄式光积蓄式线阵线阵CCDCCDn光敏元件与电荷移位寄存器合二为一光敏元件与电荷移位寄存器合二为一 优点：简单优点：简单 缺点：易产生缺点：易产生“拖影拖影”，须用机械式快门，须用机械式快门因此不实用！因此不实用！CCD放大器光机械快门2023/2/8662.分离式单通道分离式单通道线阵线阵CCDCCDn光敏单元与电荷移位寄存器互为分离，当转移光敏单元与电荷移位寄存器互为分离，当转移控制栅开启时，信号电荷同时平行读入电荷移控制栅开启时，信号电荷同时平行读入电荷移位寄存器，然后再转移出去。位寄存器，然后再转移出去。2023/
21、2/8672023/2/8682023/2/8692023/2/8702023/2/8713.双通道双通道线阵线阵CCDCCD转移寄存器分别配置在光敏线列两侧转移寄存器分别配置在光敏线列两侧 2023/2/8722023/2/8732023/2/8742023/2/875双通道双通道线阵线阵CCDCCD优点：优点：与长度相同的分离式相比，两倍分辨率。与长度相同的分离式相比，两倍分辨率。转移寄存器的级数小，电荷转移损失小。转移寄存器的级数小，电荷转移损失小。尺寸小尺寸小双通道式已经发展成为线型固态图像传感器的主双通道式已经发展成为线型固态图像传感器的主要构成。要构成。2023/2/876线型CC
22、D的主要用途n组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自组成测试仪器，可以测量物位、尺寸、工件损伤、自动焦点等。动焦点等。n用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。用作光学信息处理装置的输入环节，例如传真技术。光学文字识别技术光学文字识别技术(OCR)(OCR)与图像识别技术、光谱测量与图像识别技术、光谱测量及空间遥感技术、机器人视觉技术等。及空间遥感技术、机器人视觉技术等。n作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机作为自动化流水线装置中的敏感器件，例如可用于机床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。床、自动售货机、自动搬运车及自动监视装置等。举例说明在测量上的应用2023
23、/2/877L=np/M=np(a/f-1)M倍率倍率n传感器像素数传感器像素数p像素间距像素间距f透镜焦距透镜焦距2023/2/8782023/2/8792023/2/880文字图像识别系统文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与
24、计算机中存储读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。类箱中。2023/2/881驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统邮政编码识别系统2023/2/882面阵面阵CCDCCD摄像器件摄像器件 n行间转移式（行间转移式（ITIT）n帧间转移式（帧间转移式（FTFT）n行帧间转移式（行帧间转移式（FITFIT）2023/2/883行间转移式（IT）nITIT式式CCDCCD中一列列感光单元与
25、一列列垂直移位寄存器中一列列感光单元与一列列垂直移位寄存器相间的排列，最下面是一个水平移位寄存器。相间的排列，最下面是一个水平移位寄存器。n场消隐期间电荷包从各个感光单元转移到垂直移存器，场消隐期间电荷包从各个感光单元转移到垂直移存器，场正程期间感光单元重新积累电荷包，同时场正程内场正程期间感光单元重新积累电荷包，同时场正程内的行逆程期间垂直移存器将电荷包向下转移一个单元，的行逆程期间垂直移存器将电荷包向下转移一个单元，最下一行电荷包进入水平移存器，而场正程内的行正最下一行电荷包进入水平移存器，而场正程内的行正程期间水平移存器将一行的电荷包顺序移至输出端，程期间水平移存器将一行的电荷包顺序移至
26、输出端，形成一行图象信号。形成一行图象信号。2023/2/8842023/2/8852023/2/8862023/2/8872023/2/888帧间转移式（FT）nFTFT式式CCDCCD有一个成像部分和一个与之大小相同有一个成像部分和一个与之大小相同和单元数目相同的存储部分，以及一个水平移和单元数目相同的存储部分，以及一个水平移存器。存器。n场消隐期间成像部分中各个电荷包一一对应的场消隐期间成像部分中各个电荷包一一对应的移入存储部分各势阱内，然后，场正程期间电移入存储部分各势阱内，然后，场正程期间电荷包的转移和输出象荷包的转移和输出象ITCCDITCCD一样。一样。2023/2/889202
27、3/2/8902023/2/8912023/2/8922023/2/893行帧间转移式（FIT）nITIT式式CCDCCD的一个缺点是高亮点景象会在重现图的一个缺点是高亮点景象会在重现图象上出现垂直拖影，象上出现垂直拖影，FTFT的缺点是需要在成像部的缺点是需要在成像部分前加装一个与场频同步的旋转遮光片式机械分前加装一个与场频同步的旋转遮光片式机械快门。结合二者，制作快门。结合二者，制作FIT CCDFIT CCD，其工作原理，其工作原理是两者之和，但是电荷包从垂直方向转移的速是两者之和，但是电荷包从垂直方向转移的速度比度比ITIT式快上千倍。式快上千倍。2023/2/8942023/2/89
28、52023/2/8962023/2/8972023/2/8982023/2/899电子快门电子快门 nCCDCCD摄像器件有附加摄像器件有附加电子快门的工作原电子快门的工作原理是将一场内积累理是将一场内积累电荷包的时间分为电荷包的时间分为两段，前一段积累两段，前一段积累的电荷包用溢流沟的电荷包用溢流沟道吸收后舍弃掉，道吸收后舍弃掉，后一段积累的电荷后一段积累的电荷包正式用于读出。包正式用于读出。后一段时期越短，后一段时期越短，相当于电子快门速相当于电子快门速度越快。度越快。2023/2/81008.3 光纤传感器光纤传感器灵敏度高，电绝缘性能好，耐腐蚀，抗灵敏度高，电绝缘性能好，耐腐蚀，抗电磁
29、干扰，耐高温、体积小、重量轻电磁干扰，耐高温、体积小、重量轻用途用途优点优点测量位移、速度、加速度、压力、温度测量位移、速度、加速度、压力、温度液压、流量、水声、电流、磁场、放射液压、流量、水声、电流、磁场、放射性射线等性射线等2023/2/8101一、光导纤维的结构和传光原理一、光导纤维的结构和传光原理纤芯：光的传输通道，直径纤芯：光的传输通道，直径5m-75m5m-75m包层：直径包层：直径100m-200m100m-200m外套：增强机械强度，直径外套：增强机械强度，直径1mm1mm1.1.结构结构光纤传感器光纤传感器2023/2/81021 1）按传输方式分：）按传输方式分：2.2.种
30、类种类 玻璃和塑料玻璃和塑料单模：纤芯直径只有波长的单模：纤芯直径只有波长的几几倍倍，纤芯细，包，纤芯细，包 层厚，传输性能好，制造困难层厚，传输性能好，制造困难光纤传感器光纤传感器 单模光纤的纤芯直径通常为单模光纤的纤芯直径通常为2 212m,12m,很很细的纤芯半径接近于光源波长的长度细的纤芯半径接近于光源波长的长度,仅能维仅能维持一种模式传播持一种模式传播,一般相位调制型和偏振调制一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤。型的光纤传感器采用单模光纤。2023/2/8103多模：纤芯直径比波长大多模：纤芯直径比波长大很多倍很多倍，纤芯粗，包层薄，纤芯粗，包层薄，制造制造容易。容易
31、。光强度调制型或传光型光纤传光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。感器多采用多模光纤。光纤传感器光纤传感器2023/2/81042 2）按折射率分为阶跃型和缓变型）按折射率分为阶跃型和缓变型 阶跃型：纤芯的折射率沿径向为定值阶跃型：纤芯的折射率沿径向为定值 缓变型：在中心轴上最大，沿径向逐渐变小缓变型：在中心轴上最大，沿径向逐渐变小光纤传感器光纤传感器2023/2/81053 3）按光纤在传感器中的作用）按光纤在传感器中的作用 功能性：光纤自身作为敏感元件功能性：光纤自身作为敏感元件 非功能性：光纤只是作为传播光的介质非功能性：光纤只是作为传播光的介质光纤传感器光纤传感器2023/2/
32、8106光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/81073.3.传光原理传光原理入射角入射角1 1 光光密密介质介质n n1 1光光疏疏介质介质n n2 2，n n1 1 n n2 2以以2 2折射到介质折射到介质2 a”2 a”以以1 1反射回介质反射回介质1 a1 a n n1 1sinsin1 1 n n2 2sinsin2 2 n1n2 n1n2，1 1 C C时，光不再产生折射，称为时，光不再产生折射，称为全反射全反射即即光纤传感器光纤传感器1bb介质介质2（n2）介质介质1（n1）2023/2/8110 由于光纤的折射率（由于光纤的折射率（n n1 1）大于大于包层的折射率包层
33、的折射率（n n2 2），只要满足上述全反射的条件，光在光纤的），只要满足上述全反射的条件，光在光纤的传播呈传播呈“Z Z”字形向前传播。字形向前传播。光纤的可弯曲光纤的可弯曲,必须：必须：R R 4d4d通常通常d d为几十微米为几十微米注意注意光纤传感器光纤传感器2023/2/8111光纤端面的入射角光纤端面的入射角0 00 0进入光纤进入光纤1 1折射折射1=sin(90-1)入射到界面入射到界面若欲满足全反射条件，若欲满足全反射条件，则有则有即：即：2c1100n0n1n2包层包层光纤传感器光纤传感器2023/2/8112 能在光纤内产生全反射的端面入射角能在光纤内产生全反射的端面入射
34、角0的最的最大允许值，即光纤的数值孔径大允许值，即光纤的数值孔径 只有当入射光处于只有当入射光处于2C夹角内，进夹角内，进入光纤后才能满足全反射条件。入光纤后才能满足全反射条件。结论结论光纤传感器光纤传感器2023/2/8113二、光纤传感器的基本原理二、光纤传感器的基本原理 被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光被测量对光纤传输的光进行调制，使传输光的强度（振幅）相位、频率或偏振态随的强度（振幅）相位、频率或偏振态随被测量被测量变变化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测化而变化，再通过对被调制过的光信号进行检测与解调，从而获得被测参数。与解调，从而获得被测参数。三、传输光的调制方式三、传
35、输光的调制方式 对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、对传输光的调制法：光通量、光相位、光频率、光波长、光偏振调制等。光波长、光偏振调制等。光纤传感器光纤传感器2023/2/8114 将被测对象作为将被测对象作为辐辐射能源射能源，辐辐射能的强弱与被射能的强弱与被测对象的量值有关，用光电器件接收并测量出其测对象的量值有关，用光电器件接收并测量出其辐辐射能即可射能即可测定测定量的大小，实际上，光纤只是起传输量的大小，实际上，光纤只是起传输作用。作用。入射入射光纤不动（起传输作用），被测量光纤不动（起传输作用），被测量使出射使出射光纤作横向或纵向位移或转动，出射光纤输出的光光纤作横向或纵向位移或
36、转动，出射光纤输出的光强被位移所调制。强被位移所调制。1.1.辐射光式辐射光式2.2.光纤位移式光纤位移式光纤传感器光纤传感器2023/2/8115光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8116 在入射光纤与出射光纤在入射光纤与出射光纤间间插入被测对象，入射插入被测对象，入射光纤传送一定的光通量到达被测对象，经被测参数光纤传送一定的光通量到达被测对象，经被测参数调制后由出射光纤输出，输出的调制后由出射光纤输出，输出的光通量光通量为被测参数为被测参数的函数。的函数。3.3.插入式插入式出射光纤出射光纤入射光纤入射光纤入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤透射传输透射传输反射传输反射传输光纤传感器
37、光纤传感器2023/2/8117入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤遮光传输遮光传输入射光纤入射光纤出射光纤出射光纤旋转旋转开关传输开关传输 当光纤发生弯曲，使光的当光纤发生弯曲，使光的入射角小于临界角，使一部分入射角小于临界角，使一部分光进入包层造成光进入包层造成传输损耗传输损耗，引，引起输出光通量发生变化，据此起输出光通量发生变化，据此来测量来测量微压或微位移微压或微位移。4.4.微弯损耗式：微弯损耗式：光纤光纤SDFF变形器变形器d波形板式波形板式光纤传感器光纤传感器2023/2/8118 通常用两块波形板或一串滚筒组成变形器，光通常用两块波形板或一串滚筒组成变形器，光纤从变形器纤从变形器中
38、间中间通过，当受微压或位移时，光纤发通过，当受微压或位移时，光纤发生微弯曲，引起传输光的微损耗，通过检测生微弯曲，引起传输光的微损耗，通过检测输出光输出光强度的变化即可测出位移或力的信号。强度的变化即可测出位移或力的信号。5.5.滚筒式滚筒式力力DS支点支点光纤传感器光纤传感器2023/2/8119光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8120光纤流量测量光纤流量测量光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8121频率调制频率调制光学多普勒频移原理光学多普勒频移原理SPvQ观测点观测点P与与S相对运动时，相对运动时，P点所观测到的频率点所观测到的频率f1频率为频率为f1的光通过的光通过P散射，散射，Q点观点观测到的频率为测到的频率为f2光源光源 频率频率 f运动运动物体物体2023/2/8122光纤血流计光纤血流计光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8123如果如果=0.683m,=0.683m,=60=60,血血流速流速v=1mv=1m，ff约为约为2MHz2MHz光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8124光纤血流计光纤血流计光纤传感器实例光纤传感器实例 2023/2/8125结束