任課教師：2015－2016學年第一學期第四章光電式傳感器原理與應用2本章教學:一、教學要求：了解光學的基本知識，光柵傳感器的原理、光學系統的構成、測量方法；理解光電傳感器利用的各種效應的機理；掌握常用光電器件的結構、特性、測量電路、應用方法；ＣＣＤ的原理與應用；光纖傳感器的原理、特點與應用；3光電器件或者光電元件是一種能夠將光量轉換為電量的器件。光電傳感器就是以光電器件為檢測元件的傳感器，它先將被測非電量轉換成光量的變化，然后通過光電器件將相應的光量轉換成電量。本章介紹光電效應、光電器件、電荷耦合器件、光纖傳感器及光柵傳感器。4原理首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后通過光電器件變換成電信號。輻射源光學通路光電器件輸出被測量被測量特性

頻譜寬、非接觸測量、體積小、重量輕等5二、教學時間安排：6學時

三、主要內容：光電效應和光電器件電荷耦合器件光纖傳感器光柵傳感器本章重點：光電效應和光電器件、光纖傳感器的原理、特點與應用；本章難點：電荷耦合攝像器件（ＣＣＤ）的原理。四、教學過程：本章教學:6熱輻射光源氣體放電光源電致發光器件激光器光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數光電傳感器都離不開光源。7一、熱輻射光源原理：熱物體都會向空間發出一定的光輻射特點：物體溫度越高，輻射能量越大代表：白熾燈、鹵鎢燈8一、熱輻射光源9二、氣體放電光源原理：電流通過氣體會產生發光現象特點：改變氣體成分、壓力、電流、陰極材料和放電電流的大小，可以得到不同光譜范圍的輻射源體代表：日光燈10二、氣體放電光源11三、電致發光器件原理：固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光特點：體積小、壽命長、工作電壓低、響應速度快代表：發光二極管12四、激光器定義：能夠產生光受激輻射放大現象的器件特點：單色性好、方向性好、亮度高分類：固體激光器、氣體激光器、半導體激光器、液體激光器13第一節光電效應和光電器件光電傳感器的工作原理基于光電效應光可以被看作是由一連串具有一定能量的粒子——光子所組成，每一個光子能量為：h——普朗克常數，6.626×10-34J.s；f——光的頻率（s-1）。光電效應：當光照射物體時，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發生相應的效應（如發射電子、電導率變化或產生電動勢）。光電效應？14第一節光電效應和光電器件1）外光電效應：在光照作用下，物體內電子逸出物體表面，形成光電流。光子能量被電子吸收后，能量轉化為電子逸出功A0和動能，即：不同材料有不同的逸出功，對某種材料而言有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，也不能激發電子，此頻率限成為“紅限”，其臨界波長λK為：m——電子質量；v0——電子逸出速度；A0——物體的表面電子逸出功。c——光在真空中的速度。逸出物體表面電子具有的動能光電效應按原理又分為以下3種：外光電效應典型元件有光電管、光電倍增管等。15第一節光電效應和光電器件光電效應按原理又分為以下3種：2）內光電效應：又稱光導電效應，在光照作用下，物體導電性能（如電阻率發生變化）發生改變的現象。典型的光電元件有光敏電阻等。16第一節光電效應和光電器件光電效應按原理又分為以下3種：3）光生伏特效應：在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象。典型光電元件有光電池、光敏（電）二極管、光敏（電）三極管等。171、光電管（光電發射型）第一節光電效應和光電器件光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替目前光電管主要用途：光電比色計等分析儀器、各種光學自動裝置光電倍增管用在光學測量儀器和光譜分析儀器中。

18第一節光電效應和光電器件當陰極受到適當波長的光線照射時便發射電子，電子被帶正電位的陽極所吸引，在光電管內就有電子流，在外電路中便產生了電流。金屬底層光電管光透明光電管A——陽極，K——陰極1、光電管（光電發射型）19第一節光電效應和光電器件真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性入射光的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關系。充氣光電管:構造和真空光電管基本相同，優點是靈敏度高。所不同的僅僅是在玻璃泡內充以少量的惰性氣體,其靈敏度隨電壓變化的穩定性、頻率特性等都比真空光電管差

1、光電管（光電發射型）202、光電倍增管第一節光電效應和光電器件

在入射光極為微弱時，光電管能產生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽極212、光電倍增管第一節光電效應和光電器件倍增系數M等于各倍增電極的二次發射系數σi

的乘積。如果n個倍增電極的σi都一樣（），則所以式中，i為光電陰極的光電流223、光敏電阻第一節光電效應和光電器件23第一節光電效應和光電器件1)光敏電阻的工作原理及結構當無光照時，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當有光照時，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加3、光敏電阻24第一節光電效應和光電器件1)光敏電阻的工作原理及結構1.玻璃2.光電導層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導體嚴密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導體吸收光子而產生的光電效應，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。3、光敏電阻25第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性伏安特性

光照特性光譜特性響應時間和頻率特性溫度特性3、光敏電阻26第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--伏安特性

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關。在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現象。3、光敏電阻27第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--光照特性光敏電阻的光電流與光強之間的關系。由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測量元件，一般在自動控制系統中常用作開關式光電信號傳感元件。

3、光敏電阻28第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--光譜特性光敏電阻對不同波長的光，靈敏度是不同的可見光區域紅外區域3、光敏電阻29第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--響應時間光電導的弛豫現象：光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后。通常用響應時間t表示。

3、光敏電阻30第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應時間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。

3、光敏電阻31第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當溫度升高時，它的暗電阻和靈敏度都下降。

硫化鎘光敏電阻的溫度特性

溫度系數:在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率3、光敏電阻32第一節光電效應和光電器件2)光敏電阻的基本特性--溫度特性溫度對光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應峰值向短波方向移動。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對長波光的響應。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性3、光敏電阻33第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管1）工作原理結構與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中。在電路中一般是處于反向工作狀態的光敏二極管34第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管1）工作原理與一般晶體管很相似，具有兩個pn結。把光信號轉換為電信號同時，又將信號電流加以放大。光敏晶體管35第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管1）工作原理36第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性光譜特性伏安特性光照特性溫度特性頻率響應37第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性--光譜特性入射光的波長增加時，相對靈敏度要下降硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性可見光或探測赤熱狀態物體時，一般都用硅管。在紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。

38第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性--伏安特性硅光敏管的伏安特性二極管晶體管39第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性--光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好40第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性--溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關系溫度變化對光電流影響很小，而對暗電流影響很大。41第一節光電效應和光電器件4、光敏二極管和光敏晶體管2）基本特性--頻率響應具有一定頻率的調制光照射時，光敏管輸出的光電流(或負載上的電壓)隨頻率的變化關系

硅光敏晶體管的頻率響應42第一節光電效應和光電器件5、光電池有光線作用下實質上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。1.工作原理2．基本特性43第一節光電效應和光電器件5、光電池太陽能電池片44第一節光電效應和光電器件5、光電池光照射——光電子空穴對——內建電場作用——光生電子被拉向N區，光生空穴被拉向P區——光電動勢阻擋層——內建電場——P－N結當光照到PN結區時，如果光子能量足夠大，將在結區附近激發出電子-空穴對，在N區聚積負電荷，P區聚積正電荷，這樣N區和P區之間出現電位差。1）工作原理45第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性光譜特性光照特性頻率響應溫度特性穩定性46第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--光譜特性光電池對不同波長的光，靈敏度是不同的

47第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--光照特性不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的。

短路電流與光照度成線性關系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測量元件使用時，應把它當作電流源的形式來使用48第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--光照特性負載越小，光電流與照度之間的線性關系越好，而且線性范圍越寬49第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--頻率響應指輸出電流隨調制光頻率變化的關系硅光電池具有較高的頻率響應,用于高速計數的光電轉換50第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--溫度特性開路電壓和短路電流隨溫度變化的關系。關系到應用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標。硅光電池的溫度特性(照度1000lx)51第一節光電效應和光電器件5、光電池2）基本特性--穩定性當光電池密封良好、電極引線可靠、應用合理時，光電池的性能是相當穩定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環境條件52第一節光電效應和光電器件6、光電式傳感器的應用模擬式傳感器脈沖式傳感器53第一節光電效應和光電器件6、光電式傳感器的應用1）模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發生變化，是光通量的函數。 對于光通量的任意一個選定值，對應的光電流就有一個確定的值，而光通量又隨被測非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測非電量的函數。這類傳感器將被測量轉換成連續變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線性，而且光源的光照均勻恒定。

54第一節光電效應和光電器件6、光電式傳感器的應用1）模擬式光電傳感器--光電比色高溫計1－物鏡；2－平面玻璃；3－光闌；4－光導棒；5－分光鏡；6－濾光片；7－硅光電池；8－濾光片；9－硅光電池；10－瞄準反射鏡；11－圓柱反射鏡；12－目鏡；13－多夫棱鏡14、15－硅光電池負載電阻；16－可逆電機；17－電子電位差計55第一節光電效應和光電器件6、光電式傳感器的應用2）脈沖式光電傳感器光電器件的輸出僅有兩個穩定狀態，也就是“通”與“斷”的開關狀態。光電器件受光照時，有電信號輸出，光電器件不受光照時，無電信號輸出。屬于這一類的大多是作繼電器和脈沖發生器應用的光電傳感器，如測量線位移、線速度、角位移、角速度(轉速)的光電脈沖傳感器等等。為此，要求光電元件靈敏度高，而對光照特性的線性要求不高。56第一節光電效應和光電器件6、光電式傳感器的應用2）脈沖式光電傳感器--光電式數字轉速表57精彩圖片欣賞（1）58精彩圖片欣賞（2）59精彩圖片欣賞（3）60精彩圖片欣賞（4）61精彩圖片欣賞（5）62精彩圖片欣賞（6）63精彩圖片欣賞（7）64精彩圖片欣賞（8）是誰將美麗留駐？65第二節電荷耦合器件70年代發展起來，發展自MOS器件

功能：以電荷為信號，具有光電信號轉換、存儲、轉移及輸出信號電荷的功能。用途：廣泛用于圖像識別、傳輸；典型應用：攝像機固態圖像拾取。（Charge-CoupledDevice，簡稱CCD）是一種大規模金屬氧化物半導體集成電路器件66第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--結構

電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD）是按照一定規律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器，在MOS電容器陣列加上輸入、輸出端，便構成了CCD。可以實現光電轉換、信號儲存、轉移(傳輸)、輸出、處理以及電子快門等一系列功能。金屬SiO2p-SiVG67第二節電荷耦合器件具有以下一些特點：一般特性：體積小、重量輕、功耗低、可靠性高、壽命長。分辨率高：線陣7000Pixel、分辨能力7m，面陣4096×4096，

整機分辨能力1000線以上。兼容性：任選模擬、數字輸出形式，與同步信號、I/O接

口及微機兼容，組成高性能系統。分類：線陣和面陣器件。光電特性：靈敏度高、動態范圍大。靈敏度0.01Lx，動態范圍106：1，信噪比60～70dB。1、電荷耦合器件--結構68第二節電荷耦合器件MOS電容的結構1．金屬2．絕緣層SiO21、電荷耦合器件--結構69第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理—電荷存儲V1=5VV2=10VV3=15VV1=5VP型或N型襯底SiO2電極

施加正電壓于電極上——P型區形成勢阱——產生電子和空穴——勢阱俘獲電子（與光強成正比）——形成MOS光敏元（象素）光70當MOS電容器柵壓大于開啟電壓UG，周圍電子迅速地聚集到電極下的半導體表面處，形成對于電子的勢阱。

勢阱：深耗盡條件下的表面勢。勢阱填滿：電子在半導體表面堆積后使平面勢下降。第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理--電荷存儲71第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理--電荷轉移CCD的基本功能是存儲與轉移信息電荷為實現信號電荷的轉換：1、必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。2、控制相鄰MOC電容柵極電壓高低來調節勢阱深淺，使信號電荷由勢阱淺的地方流向勢阱深處3、在CCD中電荷的轉移必須按照確定的方向。72第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理--電荷轉移定向轉移的實現在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的無限循環結構。每一單元稱為一位，將每一位中對應位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。 一位CCD中含的電容個數即為CCD的相數。每相電極連接的電容個數一般來說即為CCD的位數。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結構，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當這種時序脈沖加到CCD的無限循環結構上時，將實現信號電荷的定向轉移。 73第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理--電荷轉移定向轉移的實現三相CCD信息電荷傳輸原理圖74第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理--電荷轉移定向轉移的實現132遮光層氧化物P型硅金屬讀出移位寄存器123tt1t2t3t4CCD時鐘電壓與電荷傳輸關系讀出移位寄存器是電荷圖像輸出電路75第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理—電荷的產生及注入方式電壓信號注入

CCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。光信號注入

CCD在用作圖像傳感時，信號電荷由光生載流子得到，即光注入。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強度和照射時間。76第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理—電荷的產生及注入方式（a）背面光注入（b）電壓信號注入電荷注入方法77第二節電荷耦合器件1、電荷耦合器件--工作原理—電荷的輸出電流輸出方式浮置擴散放大器輸出方式浮置柵放大器輸出方式78第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉移成了電信號“圖像”。由于CCD能實現低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的一致性，因此，對圖像的傳感具有優越的性能。線列和面陣79第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器1)CCD線列圖像器件1－CCD轉移寄存器2－轉移控制柵3－積蓄控制電極4—PD陣列SH—轉移控制柵輸入端RS—復位控制VOD—漏極輸出OS—圖像信號輸出OG—輸出控制柵線型圖像傳感器結構80第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器1)CCD線列圖像器件單通道線陣轉移柵光積分單元不透光輸出移位寄存器感光區：一列光敏單元組成；傳輸區：由轉移柵及一系列移位寄存器組成。原理：光照產生的信號電荷存貯于感光區的光敏單元中，接通轉移柵后，信號電荷流入傳輸區。傳輸區是遮光的，以防因光生噪聲電荷干擾導致圖像模糊。81第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器1)CCD線列圖像器件光積分區輸出轉移柵雙通道線陣A寄存器B寄存器原理：有兩個移位寄存器平行地配置在感光區的兩側。當光生信號電荷積累后，時鐘脈沖接通轉移柵，信號電荷轉移到移位寄存器，奇數光敏單元的電荷轉移到A寄存器，偶數光敏單元的電荷轉移到B寄存器。雙通道線陣總的轉移效率比單通道高。82第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器2)面型固態圖像傳感器(a)x-y選址(b)行選址(c)幀場傳輸式(d)行間傳輸式83第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器2)面型固態圖像傳感器光照輸出面陣：光敏元排列成矩陣光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器線陣。84第二節電荷耦合器件2、CCD圖像傳感器2)面型固態圖像傳感器85第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用1．尺寸測量2．用于光學文字識別裝置86第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用--尺寸測量被測對象長度Ll1

－視場l2－傳感器的長度87第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用--用于光學文字識別裝置光學文字識別裝置(OCR)原理88第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用--汽車信息無線傳送系統RFIDTag汽車車牌RFIDReaderCCD後端資料庫後端電腦觸發存取資料收發信號拍照通過API傳送傳回信號89第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用--仿形加工中的測量技術90第二節電荷耦合器件3、圖像傳感器的應用--郵政編碼識別系統驅動電路分類機構計算機細化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱2391第三節光纖傳感器光(導)纖(維)是20世紀70年代的重要發明之一，它與激光器、半導體探測器一起構成了新的光學技術，創造了光電子學的新天地(領域)。光纖傳感器始于1977年，把待測量與光纖內的導光聯系起來就形成光纖傳感器。特點：極高的靈敏度和準確度、固有的安全性、良好的抗電磁干擾能力、高絕緣強度、耐高溫、耐腐蝕、輕質、柔韌、寬頻帶。應用：機械、電子儀器儀表、航空航天、通訊、生物醫學、環保、食品、化工……測量對象：電流磁場、電壓電場、溫度、速度、振動、壓力、射線、圖像……92第三節光纖傳感器光導纖維的結構和導光原理光導纖維的主要參數光纖傳感器結構原理光纖傳感器的分類光纖傳感器的特點光纖傳感器的應用93第三節光纖傳感器1、光導纖維--結構圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率（n2<n1）。94第三節光纖傳感器1、光導纖維--結構注：不同類型的光纖材料的折射率分布有區別纖芯包層外套95第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理光是一種電磁波,一般采用波動理論來分析導光的基本原理。然而根據光學理論指出：在尺寸遠大于波長而折射率變化緩慢的空間,可以用“光線”即幾何光學的方法來分析光波的傳播現象,這對于光纖中的多模光纖是完全適用的。為此,采用幾何光學的方法來分析。96第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理斯乃爾定理（Snell'sLaw）指出：當光由光密物質（折射率大）入射至光疏物質（折射率小）時，發生折射，其折射角大于入射角。即n1＞n2時，2

＞1

。(a)光的折射示意圖

可見，入射角1增大時，折射角2也隨之增大，且始終2

＞1

。n1、n2、2

、1之間的數學關系為

n1sin1=n2sin2

n1n21297第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理當2=90o時，1仍＜90o，此時，出射光線沿界面傳播如圖（b），稱為臨界狀態（1→

10

）。這時有n1n2(b)臨界狀態示意圖2110=arcsin(n2/n1)

sin10=n2/n1sin2

＝sin90o＝1臨界角n1n2(c)光全反射示意圖12當1

＞i0并繼續增大時，2

＞90o，這時便發生全反射現象，如圖(c)

，其出射光不再折射而全部反射回來。98第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理99第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1100第三節光纖傳感器1、光導纖維--導光原理當θr=90°的臨界狀態時，定義為“數值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。101第三節光纖傳感器2、光導纖維的主要參數數值孔徑（NA）光纖模式傳播損耗102第三節光纖傳感器2、光導纖維的主要參數--數值孔徑（NA）反映纖芯接收光量的多少，標志光纖接收性能。意義：無論光源發射功率有多大，只有2θi張角之內的光功率能被光纖接受傳播。 大的數值孔徑：有利于耦合效率的提高。 但數值孔徑太大，光信號畸變也越嚴重。103第三節光纖傳感器2、光導纖維的主要參數--光纖模式按傳輸模式分為單模光纖和多模光纖。階躍型的圓筒波導內傳播的模式數量表示為

希望V小：d不能太大，n2與n1之差很小104第三節光纖傳感器2、光導纖維的主要參數--傳播損耗損耗原因：光纖纖芯材料的吸收、散射，光纖彎曲處的輻射損耗等的影響

傳播損耗（單位為dB）式中,I——光纖長度；

a——單位長度的衰減；

I0——光導纖維輸入端光強；

I——光導纖維輸出端光強。105第三節光纖傳感器2、光導纖維的主要參數--傳播損耗吸收損耗，目前常用的光纖材料有石英玻璃、多成分玻璃、復合材料等。在這些材料中，由于存在雜質離子、原子的缺陷等都會吸收光，從而造成材料損耗。散射損耗，是由于材料密度及濃度不均勻引起的。光纖拉制時粗細不均勻，造成纖維尺寸沿軸線變化，同樣會引起光的散射損耗。另外纖芯和包層界面的不光滑、污染等，也會造成嚴重的散射損耗。彎曲損耗是使用過程中可能產生的一種損耗。光纖彎曲會引起傳輸模式的轉換，激發高階模進入包層產生損耗。106第三節光纖傳感器3、光纖傳感器的結構原理以電為基礎的傳統傳感器是一種把測量的狀態轉變為可測的電信號的裝置。它的電源、敏感元件、信號接收和處理系統以及信息傳輸均用金屬導線連接，見圖(a)。光纖傳感器則是一種把被測量的狀態轉變為可測的光信號的裝置。由光發送器、敏感元件(光纖或非光纖的)、光接收器、信號處理系統以及光纖構成，見圖(b)。由光發送器發出的光經源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質受到被測量的調制，已調光經接收光纖耦合到光接收器，使光信號變為電信號，最后經信號處理得到所期待的被測量。光纖信號處理光接收器敏感元件光發送器（b）光纖傳感器信號處理電源信號接收敏感元件（a）傳統傳感器導線107第三節光纖傳感器3、光纖傳感器的結構原理光纖傳感器光學測量的基本原理光就是一種電磁波光的電矢量E被測量調制：光的強度、偏振態（矢量B的方向）、頻率和相位解調：光的強度調制、偏振調制、頻率調制或相位調制108第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類傳感器光學現象被測量光纖分類干涉型光纖傳感器相位調制干涉（磁致伸縮）干涉（電致伸縮）Sagnac效應光彈效應干涉電流、磁場電場、電壓角速度振動、壓力、加速度、位移溫度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa

非干涉型光纖傳感器強度調制遮光板斷光路半導體透射率的變化熒光輻射、黑體輻射光纖微彎損耗振動膜或液晶的反射氣體分子吸收光纖漏泄模溫度、振動、壓力、加速度、位移溫度溫度振動、壓力、加速度、位移振動、壓力、位移氣體濃度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb光纖傳感器偏振調制法拉第效應泡克爾斯效應雙折射變化光彈效應電流、磁場電場、電壓溫度振動、壓力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb光纖傳感器頻率調制多普勒效應受激喇曼散射光致發光速度、流速、振動、加速度氣體濃度溫度MMMMMMCbb109第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類按折射率分布按傳輸模式光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同110第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類按折射率分布折射率變化規律分類階躍型梯度型采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚，因此也稱為聚焦光纖。階躍光纖的纖芯與包層間的折射率階躍變化的，即纖芯內的折射率分布大體上是均勻的，包層內的折射率分布也大體均勻，均可視為常數，但是纖芯和包層的折射率不同，在界面上發生突變，如圖所示。光線的傳播，依靠光在纖芯和包層界面上發生的內全反射現象。梯度光纖纖芯內的折射率不是常量，而是從中心軸線開始沿徑向大致按拋物線形狀遞減，中心軸折射率最大。因此，光纖在纖芯中傳播時會自動地從折射率小的界面向中心會聚，光纖傳播的軌跡類似正弦波形。梯度光纖又稱為自聚焦光纖。111第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類按傳輸模式

光纖傳輸模式是指光波傳播的途徑和方式。對于不同入射角度的光線，在界面反射的次數是不同的，傳遞的光波之間的干涉所產生的橫向強度分布也是不同的，這就是傳播模式不同。在光纖中傳播模式很多不利于光信號的傳播，因為同一種光信號采取很多模式傳播將使一部分光信號分為多個不同時間到達接收端的小信號，從而導致合成信號的畸變，因此希望光纖信號模式數量要少。112

一般纖芯直徑為2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。這類光纖傳輸性能好，信號畸變小，信息容量大，線性好，靈敏度高，但由于纖芯尺寸小，制造、連接和耦合都比較困難。纖芯直徑較大（50~100μm），傳輸模式較多稱為多模光纖，這類光纖的性能較差，輸出波形有較大的差異，但由于纖芯截面積大，故容易制造，連接和耦合比較方便。第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類按傳輸模式113光纖在傳感器中的作用第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類功能型非功能型拾光型

114光纖在傳感器中的作用第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類1）功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素(彎曲、相變)的作用下，其光學特性(光強、相位、偏振態等)的變化來實現“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續的。由于光纖連續，增加其長度，可提高靈敏度。信號處理光受信器光纖敏感元件光發送器115光纖在傳感器中的作用第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類

2）非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質的功能元件完成。光纖不連續。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。信號處理光受信器敏感元件光發送器光纖116光纖在傳感器中的作用第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類

3）拾光型光纖傳感器

用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號處理光受信器光發送器光纖耦合器被測對象117光纖在傳感器中的作用第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類測量對象測量對象測量對象測量對象118根據光受被測對象的調制形式第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類(a)強度調制型光纖傳感器(b)偏振調制光纖傳感器(c)頻率調制光纖傳感器(d)相位調制傳感器119根據光受被測對象的調制形式第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類1）強度調制型光纖傳感器

是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測量的傳感器。有利用光纖的微彎損耗；各物質的吸收特性；振動膜或液晶的反射光強度的變化；物質因各種粒子射線或化學、機械的激勵而發光的現象；以及物質的熒光輻射或光路的遮斷等來構成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強度調制型光纖傳感器。優點：結構簡單、容易實現，成本低。缺點：受光源強度波動和連接器損耗變化等影響較大。120根據光受被測對象的調制形式第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類2）偏振調制光纖傳感器

是一種利用光偏振態變化來傳遞被測對象信息的傳感器。有利用光在磁場中媒質內傳播的法拉第效應做成的電流、磁場傳感器；利用光在電場中的壓電晶體內傳播的泡爾效應做成的電場、電壓傳感器；利用物質的光彈效應構成的壓力、振動或聲傳感器；以及利用光纖的雙折射性構成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強度變化的影啊，因此靈敏度高。121根據光受被測對象的調制形式第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類3）頻率調制光纖傳感器

是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發生變化來進行監測的傳感器。有利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器；利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監測大氣污染的氣體傳感器；以及利用光致發光的溫度傳感器等。

122根據光受被測對象的調制形式第三節光纖傳感器4、光纖傳感器的分類

4）相位調制傳感器

其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單色光所產生的干涉條紋發生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器；利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器；利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高。但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統，因此成本高。

123第三節光纖傳感器5、光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現對被測信號的遠距離監控。

124第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用強度調制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術；相位調制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調制型： 主要是利用晶體的光彈性效應。光纖壓力傳感器125第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關系126第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用采用彈性元件的光纖壓力傳感器傳感器的固有頻率可表示為式中,ρ――膜片材料的密度；

g――重力加速度。結構簡單、體積小、使用方便，光源不夠穩定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。127第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用采用彈性元件的光纖壓力傳感器差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強之比A―常數；p―待測量壓力輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關128第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用采用彈性元件的光纖壓力傳感器差動式膜片反射型光纖壓力傳感器將上式兩邊取對數，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強比的對數呈線性關系。若將I1、I2檢出后分別經對數放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。129第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應：晶體在受壓后其折射率發生變化，從而呈現雙折射現象。1、光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡130第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光彈性式光纖壓力傳感器在光彈性元件上加上質量塊后，也可用于測量振動、加速度131第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應，即由壓力引起變形器產生位移，使光纖彎曲而調制光強度。1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4、5光纖微彎式光纖水聽器探頭132第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例--基于微彎效應測壓力F光強調制；相位調制；偏振態調制；波長調制微彎效應：光纖在微彎時引起纖芯中傳輸的光部分投入包層（全反射條件受到一定破壞），造成傳輸損耗，微彎程度不同，泄漏光波的強度也不同，從而達到光強度調制的目的。1331008060402000.51.01.52.0透射光強%外力N第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例--基于微彎效應測壓力134第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例偏振態調制型光纖電流傳感器浸油顯微鏡激光器起偏器起偏器顯微鏡I1I2光接受器信號處理輸出電流導線135第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例非功能型光纖傳感器測溫應用GaAs半導體光吸收片E1E2輸出溫度測量范圍：-20~300C；誤差3C136第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例非功能型光纖傳感器測溫應用測量原理：利用多數半導體的能帶隨溫度的升高而減小的特性。材料吸收波長隨溫度增加而向長波方向移動，可以使透射過半導體材料的光強隨溫度而改變，達到測溫的目的。137第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例非功能型光纖傳感器測溫應用138第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例--光纖液位傳感器原理：基于全內反射理論

當測頭沒有接觸液面（處于空氣中）時，光線在探頭內發生全內反射，而返回到光電二極管；當測頭接觸液面，由于液體與空氣折射率不相同，所以全內反射被破壞，將有部分光線投入液體，使返回光電二極管的光強變弱。返回光強是液體折射率的函數。返回光強發生突變時，測頭已接觸到液位。139第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例--光纖液位傳感器圓錐測頭U型測頭

同時可以測定不同折射率的液體和同一種溶液的不同濃度。140第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例--光纖液位傳感器2040608010020406080100膜片振動m反射光強%141第三節光纖傳感器6、光纖傳感器的應用光纖傳感器舉例光纖速度、加速度傳感器

原理：一定質量的物體在加速度作用下產生慣性力，這種慣性力可以轉變為位移、轉角或形變等變量。通過對這些變量的測量，就可以得到加速度數值。142第三節光纖傳感器7、光纖傳感器的產品壓力應力溫度143第三節光纖傳感器7、光纖傳感器的產品溫度、應變儀分析儀網絡分析儀144第四節光柵傳感器光柵傳感器是根據莫爾條紋原理制成的一種計量光柵，多用于位移測量及與位移相關的物理量，如速度、振動、質量、表面輪廓等方面的測量。按光柵的形狀和用途分為長光柵和圓光柵，分別用于線位移和角位移的測量。按光線走向分為透射光柵和反射光柵。145第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。146第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構尺身尺身安裝孔反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝孔可移動電纜防塵保護罩的內部為長磁柵147掃描頭（與移動部件固定）光柵尺可移動電纜第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構148第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構光源鎢絲燈泡： 輸出功率較大，工作范圍較寬（-40℃到+130℃） 與光電元件相組合的轉換效率低。在機械振動和沖擊條件下工作時，使用壽命將降低。半導體發光器件:

轉換效率高，響應特征快速。 如砷化鎵發光二極管，與硅光敏三極管相結合，轉換效率最高可達30%左右。砷化鎵發光二極管的脈沖響應速度約為幾十ns，可以使光源工作在觸發狀態，從而減小功耗和熱耗散。149第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構光柵副：指示光柵＋主光柵150第四節光柵傳感器1、光柵傳感器的結構光電元件包括有光電池和光敏三極管等部分。在采用固態光源時，需要選用敏感波長與光源相接近的光敏元件，以獲得高的轉換效率。 在光敏元件的輸出端，常接有放大器，通過放大器得到足夠的信號輸出以防干擾的影響。151第四節光柵傳感器2、莫爾條紋形成的原理θBaabbW

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。152第四節光柵傳感器2、莫爾條紋形成的原理153橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數與光柵夾角決定第四節光柵傳感器2、莫爾條紋形成的原理154第四節光柵傳感器3、莫爾條紋技術的特點①光學放大作用：由上式可知，雖然光柵常數W很小，但只要調整夾角θ，即可得到很大的莫爾條紋的寬度B，起了放大作用。

放大倍數：光學概念上的