第七章+光电式传感器.ppt

1,(1)零件的识别与定位,领域：工业、农业、航天、军事等,1、工业检测,例：双目立体视觉检测系统简单视觉的机器人系统,自动连接引线、对准芯片和封装；,自动安装部件，自动焊接或自动切割加工、自动浇注系统等。,第七章光电式与光导式传感器,应用,2,(2)零件尺寸的在线测量,(3)零件外观及内部缺陷检测,芯片定位,芯片管脚检测,钢板厚度的在线测量,(4)产品分类、分组,(5)产品标识、编码识别,苹果分级、分色、配色,商品条码、印鉴、标签,3,“手-眼”定位：两个摄像机-两幅平面图像-三维场景信息,用于：目标识别、道路识别、障碍物判断、主动导航、自动视觉导航无人驾驶汽车、无人驾驶飞机、无人战车、探测机器人,实例：美国Sojourner系列和Rocky系列火星探测移动机器人,2、机器人导航,4,“机遇”号火星车拍摄火星土壤的显微照片,“勇气”号火星车发回的彩色照片,美国勇气号和机遇号火星探测移动机器人,5,3、生物医学图像分析,（1）医学临床诊断：X射线、B超、CT、核磁共振（MRI）,医学影像融合分析,细胞个数统计,CT图像,自动检测：染色体切片、癌细胞切片、超声波图象,6,三维人体扫描,7,（2）生物图像分析：形状、组织切片、染色体配对、细菌、病毒、病原体外形尺寸检测、颜色识别、表面损伤检测以及组织分析,叶片细胞显微放大图片,转基因大豆孢子,例：水果分类；发芽土豆；杂草识别,8,4、遥感图像分析：,卫星遥感图像-气象卫星（红外成象-云图-气象状况）资源卫星（多光谱成象-地质、矿藏、森林、灾害）海洋卫星（合成孔径雷达成象-海洋、海浪、海滩）,航空摄影图像-（多目成象-大地测量、测绘）,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：,5、监控、安防、交通管理：,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,7、办公与家电：,办公设备-数码复印机、扫描仪、传真机、绘图仪家用电器-数码摄像机、数码照相机、可视电话、可视门铃,9,第一节光电效应与光电器件,一、外光电效应,特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。需足够光能-光子能量表面溢出功A0,原理：光物体表面光电子发射,光电传感器的物理基础就是光电效应，光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。,爱因斯坦光电效应方程,1、不同物质具有不同的逸出功，即每一无题都有一个对应的光频阀值，称为红限频率或波长限。,2、入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强度成正比。光强越大，入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,3、光电子逸出物体表面具有初始动能，因此即使没有外加电压，也会有光电流产生。,10,二、内光电效应,原理：,光电导效应：,器件：光敏电阻,原理：光电子-空穴对导电性电阻,光生伏特效应:,原理（1）结光电效应：光PN结（无偏置）光生电子空穴对电子N,空穴P电动势,器件：光电池、光敏二极管、光敏三极管,光半导体电子吸收光子能量跃迁电子-空穴对,当光照射到物体上，使物体的电阻率发生变化或者产生光生电动势的现象。,光子能量禁带宽度（本征激发）,（2）测向光电效应,11,三、外光电效应器件,利用外光电效应制成的器件一般都是真空的或者充气的光电器件。,原理：光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f(I),1、光电管,特点：简单，灵敏度低（充入惰性气体灵敏度增加，但同时带来一系列缺点。）,由阴极和阳极组成，并密封在一个真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，上面涂有光电发射材料。阳极用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管中央。,充气光电管使在真空光电管内充入少量的惰性气体。光电子在由阴极飞往阳极的途中，与惰性气体相碰撞而使气体电离，产生更多的电子，增大了光电流。,12,2、光电倍增管,原理：光阴极光电倍增极阳极电流,3、应用：开关测量光电开关，计数,特点：光电流大，灵敏度高倍增率=n,-单极倍增率（36）n-倍增极数（414）,结构：阴极、阳极、倍增极（次阴极）倍增极多的可达30级，通常为1214级,各个电极上都加有电压。阴极电位最低，各个倍增极的电位依次升高，阳极电位最高。因此在相邻两个电极之间存在电位差，从而使电子加速。同时倍增极由次级发射材料制成，在电子轰击下，能产生更多的“次级电子”,13,1、光敏电阻：,原理：电阻器件，加直流偏压，无极性无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻)有光照-电子-空穴对增多-导电性增强,特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜材料：金属硫化物、硒化物、碲化物。,结构：金属或者塑料封装-防潮,四、内光电效应器件,（1）结构和原理,14,（2）光敏电阻的特性,暗电阻、亮电阻与光电流,伏安特性,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。,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。,15,光照特性,光谱特性,光敏电阻的光照特性,用于描述光电流和光照强度（光通量）之间的关系。不同光敏电阻的光照特性不同。绝大多数光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作测量元件，一般用作开关式光电转换器。,光谱特性,不同波长的光，光敏电阻的灵敏度不同，因而在选用光敏电阻时应结合光源的种类选择。硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域。,16,动态特性,光敏电阻的响应时间和频率特性,响应时间：光电流不能立即随着光照的变化而变化，存在一个惰性，用时间常数来描述，即响应时间。大多数光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。频率特性：又称为动态特性。光敏电阻的灵敏度随调制频率变化的关系。由图可知，硫化铅的频率特性较好。,温度特性:,温度升高，暗电阻和灵敏度都下降温度升高，光谱特性曲线向短波方向移动,17,连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出-(b),2、光电池,原理：光PN结电子N,空穴P电动势光电能光电池（硅光电池、硒光电池）,特点：有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅）工作于可见光波段-太阳能电池,18,特性：光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高且在2000lx时就趋于饱和短路电流输出：线性好(电流-光强)，灵敏度低所以作测量元件使用时应做电流源来使用。光谱特性-硅电池：0.51.2m(红-红外)，峰值0.8m(近红外)硒电池：0.30.7m(紫-红)，峰值0.5m(绿)可见光,2、光电池,19,光电池的频率特性：,硅光电池的频率特性非常好（动态响应快）。这是硅光电池在所有光电元件中最突出的优点。可用于高速计数和有声电影。,光电池的温度特性：,短路电流和开路电压随温度变化：温度升高时，开来电压较快下降，而短路电流缓慢增加。,应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器)-开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）,20,3、光敏二极管和光敏三极管,原理：半导体PN结-无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A；光照时-电子N,空穴P光电流光照愈强-光电流愈大即：无光照时，光敏二极管截止；有光照时，光敏二极管导通光电流与照度之间呈线性关系。,应用：线性转换元件，开关元件，,光照特性,光谱特性,（1）一般光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diode）,21,（2）高速光电二极管,PIN结光电二极管：它与一般光敏二极管的区别在于P区和N区之间增加了一层很厚的高电阻率的本征半导体（I）。同时将P层做得很薄。,在PIN结上加较高的反偏电压，使其耗尽层加宽，内电场加强。这样载流子在经过PIN结时被加速，大大减小了漂移时间，提高了响应速度。,由于P层很薄，大量的光子被较厚的I层吸收，激发较多的载流子形成光电流；,响应速度快，灵敏度高，线性好，用于光通讯，光测量,22,PN+P+APD响应速度快，灵敏度高，线性差，用于光通讯脉冲编码,雪崩式光电二极管（APD）,加高反偏电压时，以P层为中心的两侧产生极强的内电场。光照时，P+层激发的电子在高电场的作用下以高速通过P层，并在P区产生碰撞电离，形成大量新的电子空穴对，同样被加速再次碰撞电离，形成雪崩效应。,23,（3）光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）,原理：光敏二极管（bc结）+三极管,特点：灵敏度高于光敏二极管，,光谱特性,动态特性,特性：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性-单峰性动态特性-响应速度低于光敏二极管,24,说明：对于各种光电元件：（1）暗电流：无光照时输出电流热噪声（2）温度特性：温度灵敏度、光谱特性降温、恒温、温度补偿（3）器件材料：硅好于锗,25,第二节固态图像传感器,固态图像传感器由光敏元件和电荷转移器件集合而成。它的核心是电荷转移器件CTD。最常用的是电荷耦合器CCD（ChargeCoupledDevice）。于年在贝尔试验室研制成功，之后由日商进行第二阶段开发使之成熟并开始量产，其发展历程已经将近多年，从初期的多万像素已经发展至目前主流应用的万像素。又可分为线型（Linear）与面型（Area）两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。CCD应用在数码相机上已经是上个世纪90年代的事情了，1990年世界上第一台数码相机诞生在美国，被安装在卫星上，短短的10多年时间，CCD就已从最初的10多万像素发展至目前家用主流500800万像素，甚至应用于高档数码相机的千万以上像素。,26,一、CCD的单元结构和基本原理,由若干个电荷耦合单元组成，电荷耦合单元的结构如图所示。,在P型（或N型）硅衬底上生成一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2上面依次沉淀铝电极而成。它的结构仍然是金属氧化物半导体，所以称为MOS型的电容式转移器。但没有扩散漏极和源极。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。,1、结构,27,在表面电极加正偏压时（N型衬底加负偏压），P型衬底中形成耗尽层（势阱），耗尽层的深度随正偏电压升高而增大。衬底中的少数载流子电子被吸引到最深的势阱，但是没有源极提供电子，靠本身的少数载流子形成导电沟道的时间很长，需要零点几秒甚至几十秒。所以不会形成导电沟道。,28,2、电荷的储存,若P2的电位比其他相邻的两个电极都高，则电极P2下面的耗尽层要比其他电极下的耗尽层深，形成势阱。若势阱边缘两侧有负电荷存在，在电场力作用下，会落入势阱，储存起来。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。,29,3、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1、2、3（三相时钟脉冲控制）。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。然后电荷移动到P3下形成电荷包。这样电荷由CCD一端移至终端。这时在输出栅上加高电压，使输出二极管反偏收集电荷，并将电荷送至放大器。,30,二、线型CCD图像传感器基本结构,线型CCD图像传感器由一行光敏元件与一行CCD并行且对应地构成一个主体。在他们之间设有一个转移控制栅（对应CCD上的电极）。每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极（对应于输入栅），由一个P型沟阻使电气上隔开。,当光照射到光敏元件（如光敏二极管）时，且梳状电极加高电压，光敏元件聚集光电荷。光电荷与光照强度和光照时间成比例。光照结束后，转移栅上电平提高，然后降低梳状电极电压，各光敏元件中积累的光电荷并行转移到移位寄存器中（电荷的储存）。转移完毕后，转移栅电平降低，梳状电极电压升高，准备接受下一次光照信号。同时在移位寄存器上加时钟脉冲，将存储的电荷从CCD中转移，由输出端输出。,31,线型CCD主要应用于扫描仪和传真机，下面简单介绍扫描仪的工作原理。,平板式扫描仪的外部结构,上盖主要是将要扫描的原稿压紧，以防止扫描灯光线泄露。,原稿台主要是用来放置扫描原稿的地方，其四周设有标尺线以方便原稿放置,32,平板式扫描仪的内部结构（反射型）,扫描头的光源一般采用冷阴极辉光放电灯管，灯管两端没有灯丝，只有一根电极,反光镜将原稿的信息反射到镜头上，由镜头将扫描信息传送到CCD感光器件，最后由CCD将照射到的光信号转换为电信号。,扫描精度即是指扫描仪的光学分辨率，主要是由镜头的质量和CCD的数量决定。由于受制造工艺的限制，目前普通扫描头的最高分辨率为20000像素,33,扫描仪对图像画面进行扫描时，线性CCD将扫描图像分割成线状，每条线的宽度大约为10m。光源将光线照射到待扫描的图像原稿上，产生反射光(反射稿所产生的)或透射光(透射稿所产生的)，然后经反光镜组反射到线性CCD中。CCD图像传感器根据反射光线强弱的不同转换成不同大小的电荷或电流，经AD转换处理，将电信号转换成数字信号，即产生一行图像数据。同时，机械传动机构在控制电路的控制下，步进电机旋转带动驱动皮带，从而驱动光学系统和CCD扫描装置在传动导轨上与待扫原稿做相对平行移动，将待扫图像原稿一条线一条线的扫入，最终完成全部原稿图像的扫描。如下图所示。,多数平板式扫描仪使用光电耦合器(CCD)为光电转换元件，它在图像扫描设备中最具代表性。,34,如图所示为线性CCD。CCD图像传感器是平板式扫描仪的核心，其主要作用就是将照射到其上的光图像转换成电信号。将CCD图像传感器放大，可以发现在10m的间隔上并行排列着数千个CCD图像单元，这些图像单元规则地排成一线，当光线照射到图像传感器的感光面上时，每个CCD图像单元都接受照射其上的光线，并根据感应到的光线强弱，产生相应的电荷。然后，若干电荷以并行的顺序进行传输。,35,扫描仪的简单工作过程就是利用光电元件将检测到的光信号转换成电信号，再将电信号通过模拟数字转换器转化为数字信号传输到计算机中。无论何种类型的扫描仪，它们的工作过程都是将光信号转变为电信号。所以，光电转换是它们的核心工作原理。,扫描仪的工作过程,36,(1)CCD的种类：,CCD摄像机,按成象器件分类：线阵CCD、面阵CCD,按颜色分类：黑白摄像机、彩色摄像机,按输出信号分类：模拟式、数字式,黑白摄像机：信息量小，时间、空间少彩色摄像机：信息量大，时间、空间多,线阵CCD：一行，扫描；体积小，价格低；面阵CCD:整幅图像；直观；价格高，体积大；,按扫描方式分类：逐行扫描、隔行扫描,逐行扫描：高速运动，避免边缘模糊,数字摄像机-电子快门,曝光时间:1/50s、1/125s、1/250s、1/500s、1/1000s、1/2000s、1/4000s、1/8000s、1/16000s、1/32000s,按形状分类：长形、短形、方块形、半球形、单板形,37,在移动终端的应用固体图像传感器最有市场前景的应用领域是移动电视电话、笔记本电脑等移动终端的移动图像商品群、电视摄像机、数码相机等。这些个人仪器的市场规模很大。另一方面，随着通信网络传送线路的带宽的不断扩展，这种大容量通信线路有可能从家庭和个人向世界进行动态图像传送。,在安保领域的应用在IT化进展以后，个人方便进行信息发送和电子商务也成了问题。为了在网络上安全进行电子商务，人们开发了叫做生物计量安全技术的个人认证技术，不仅能把口令而且能把个人一生中普遍具有的脸部特征、声音、虹彩图样等作为认证手段的技术。在这些应用中，为了避免外来光的影响，提高识别精度，往往采用近红外线摄像。图像传感器可用作近红外图像识别图像输入装置。,38,在基础交通设施中的应用世界各国都在开发交通方面的ITS（智能交通系统）。这可以理解为包括汽车在内的交通信息网络，是大规模进行交通管理和控制能量消费的系统。现在正在进行许多摄像机应用仪器的开发，例如高速公路交通量的监视、隧道内的监视、交叉点的监视、收费站的自动化等。从车辆方面来看，有车辆驾驶状态监视器（脱离行车路线监视）、驾驶员打瞌睡监视、为自动驾驶的行车线和障物识别、实时记录事故状况的记录仪等等。估计每一辆汽车需使用5台6台摄像机。,在其他方面的应用在ITS方面开发的摄像机都要直接满足监视摄像机的规格。虽然监视摄像机要由人来观察摄像装置的图像信号，但也可以成为与图像处理装置相结合的机器视觉装置。预计组装进特定处理电路的摄像机和与谁都会使用的无线技术相结合的摄像机将会形成新的市场。,像素-CCD每一个元素，像素越多，图像越清晰,39,固体图像传感器还有一种重要类型为CMOS。,互补金属氧化物半导体（CMOS）图像传感器与电荷耦合器件（CCD）图像传感器的研究几乎是同时起步，但由于受当时工艺水平的限制，CMOS图像传感器图像质量差、分辨率低、噪声降不下来和光照灵敏度不够，因而没有得到重视和发展。而CCD器件因为有光照灵敏度高、噪音低、像素少等优点一直主宰着图像传感器市场。由于集成电路设计技术和工艺水平的提高，CMOS图像传感器过去存在的缺点，现在都可以找到办法克服，而且它固有的优点更是CCD器件所无法比拟的，因而它再次成为研究的热点。,CMOS器件具有集成度高、体积小、重量轻、功耗低、兼容性好、成品率高，制造成本低等一系列优点。如耗电量不到的1/10，售价也比便宜1/3。,几年时间，以万像素至万像素为界，之上的应用领域中，将仍以主流，之下的产品中，将开始以传感器为主流。CCD占据市场的是日商，目前占据市场主要地位的是北美厂商,40,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,1.光电耦合器的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,光电耦合器光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,41,光电转速传感器,下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,42,220V,C1,路灯,CJD-10,8V,200F,200F,C2,C3,100F,R1,R3,R5,R7,R4,R6,R7,R2,J,470k,200k,10k,4.3k,BG1,280k,25k,57k,10k,路灯自动控制器,BG2,BG3,BG4,2CR,43,第三节光导式（光纤）传感器,1870年，英国皇家科学院一位名叫廷德尔的先生，当众表演了一个实验：他用光照亮盛水器内壁小孔，让水从孔内流出，使大家看到光不再直线前进，而是顺着水流弯曲传送。,100年后，人们根据英籍华人高锟和德国人霍克曼的研究成果，从石英中提炼出高纯度的玻璃纤维，同样可使光线弯曲传送。这被认为是现代光导纤维的诞生日，高锟与霍克曼因而被誉为世界“光纤之父”。1976年，赵梓森在武汉邮电科学研究院“拉”出中国第一根光纤。1978年，我国在上海武汉间首次进行光缆试验。,在信息传输中，每秒通过的信息量用兆/秒来代表。光纤的带宽可以达到30M/秒以上，是普通宽带的30倍.,44,光纤是上世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成了新的光学技术，创造了光电子学的新天地。光纤的出现产生了光通信技术，它为人类21世纪的通信基础信息高速公里奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语音、图形和动态图像）通信提供了实现的必需条件。,以Internet接入技术为例：,网络可分为Internet骨干网和Internet接入网：骨干网：国家批准的可以直接和国外直接连接的城市级高速互联网。它由所有用户共享、负责传输大范围的骨干数据流。国内各种用户想接入到国外都得通过这些骨干网。骨干网基于光纤。,接入网：负责将用户的局域网或计算机连接到骨干网。它是用户与Internet连接的最后一步，因此又称为最后一千米。接入网根据使用的通信媒体可分为：有线接入网和无线接入网。有线接入网又可分为铜线接入网、光纤接入网和光纤同轴电缆混合接入网等。无线接入分为固定接入和移动接入。,45,Internet接入技术有很多种。总体上分为窄带接入和宽带接入。宽带是指用户接入数据速率达到2Mbps及以上，可以提供24小时在线的网络基础设备和服务。电话拨号是个人用户接入Internet最早使用的方式之一，截至2004年6月30日，中国8700万上网用户中，使用拨号上网的用户仍有5155万人，占59.3。电话拨号接入非常简单，只需一个调制解调器（modem)、一根电话线即可，但速度很慢，理论上只能提供33.6Kbps的上行（从用户到网络）速度和56K的下行（从网络到用户）速度。,目前采用的宽带技术主要是xDSL（DigitalSubscriberLine）.即数字用户线路。目前主要流行的有ADSL（AsymmetricDSL）和VDSL（VeryhighspeedDSL）.,ADSL即非对称数字用户线路，被欧美等发达国家誉为“现代信息高速公路上的快车”。简单地说，ADSL是利用分频的技术把普通电话线路所传输的低频信号和高频信号分离。3400Hz以下供电话使用；3400Hz以上的高频部分供上网使用，即在同一铜线上分别传送数据和语音信号，数据信号并不通过电话交换机设备。这样既可以提供高速传输：1.5Mbps8.2Mbps；而且在上网的同时不影响电话的正常使用，这也意味着使用ADSL上网时，并不需要缴付另外的电话费。(1.05.7),46,FTTH（FiberTotheHome）将是未来宽带接入网发展的最终形式。从而彻底解决“最后一千米”的瓶颈问题。速度可达到100M甚至1G。2005年4月14号，全国首家FTTH试点在武汉开通。但是由于成本及服务内容的限制，普及仍有相当的距离。目前已开通用户户，带宽达到至，用户可享受固定电话、宽带上网、传送等“三网合一”的综合业务。相关统计数据显示，截至年月，日本已有用户万户左右，计划到年底发展到万户。美国计划到年发展用户万户。，,光纤传感器落后于光通信，是近年来出现的新技术，可以用来测量多种物理量，比如声场、电场、压力、温度、角速度、加速度等，还可以完成现有测量技术难以完成的测量任务。在狭小的空间里，在强电磁干扰和高电压的环境里，光纤传感器都显示出了独特的能力。目前光纤传感器已经有70多种。,目前，我国的光纤传感器研究大多数集中于大专院校和科研单位，仍然未完成由实验室向产品化的过渡。由于光纤传感器未能跨越产品化的门槛，并未象光纤通信产业那样成指数型增长，许多与我们日常生活密切相关的传感器产品（如交通管理、警报装置等）和大量的测试仪器依然依赖于进口，亟待发展的空间非常广阔。,47,一、光纤的结构,光纤是一种多层介质结构的圆柱体。由纤芯、包层和护层组成。,光纤的体积小、重量轻，便于敷设。加塑套后的外径也小于1mm，再加上光纤材料比重小，因而制成光缆后，直径比电缆细，重量也轻很多。例如一根18芯的光缆每公里约重150kg，而18芯同轴电缆每公里约重11吨。经过表面涂敷的光纤具有很好的可挠性，便于敷设，可架空或置入管道。石英光纤的主要成分SiO2是地球最主要的成分之一。而传统通信电缆的主要材料为稀有金属铜，其资源严重紧缺，这样使用光纤作为传输媒介可以节省大量的越来越宝贵的金属材料。,纤芯材料的主体是二氧化硅（SiO2）或塑料。制成很细的圆柱体，直径在575微米内。有时掺入其他材料以提高光的折射率。包层是围绕纤芯的圆柱形套层。可以是单层，也可以是多层，直径控制在100200微米内。材料为SiO2，有时掺杂以降低光的折射率。包层外还有涂敷层，以保护光纤并增加其机械强度。护层：最外层的塑料保护管,光缆：由多根光纤组成，由光纤外的护层颜色不同区分各种光纤。,48,二、光纤的传光原理,当光线以一较小的入射角1（光线和法线之间的夹角），由折射率（n1）较大的光密物质射向折射率（n2）较小的光疏物质（即n1n2）时，则一部分入射光以折射角2折射入光疏物质，其余部分以1角度反射回光密物质。,当入射角增大至临界角c时，折射光沿着界面传播，即折射角,当入射角大于临界角时，光线不会再透过界面，而被全反射。,49,根据这一原理，只要使光线射入光纤端面时，光与光轴的夹角在一定范围内，光线就不会射出光纤的纤芯。即光线在纤芯与包层的界面不断产生全反射而向前传播，这就是光纤传光的基本原理。,光纤传输的光波，可以分解为沿纵轴向传播和沿横切向（剖面方向）传播的两种平面波成分。沿纵向传播的光波直接到达另一端。沿横向传播的光波在纤芯和包层界面上产生全反射。当往返一次相位变化为2的整数倍时，将形成驻波（光的干涉）。只有那些以特定角度入射光纤、能形成驻波的光线才能在光纤内传播，形成驻波的光线组称为模。即在光纤中被允许传播的光波称为模，是一组相位差为2n的光线。一种光纤只能传播特定模数的光。通常纤芯直径较粗（几十微米以上）的，能传播几百个以上模数。而纤芯很细的（几微米）只能传播一个模，称为单模光纤。,50,三、光纤分类,1、阶跃型和梯度型光纤,阶跃型,梯度型,这类光纤较细，适合于短距离的信息传输,这类光纤较粗，适合于长距离的信息传输,51,2、按材料分类（1）高纯度石英玻璃纤维（2）多组分玻璃光纤（3）塑料光纤,3、按传输模数分类（1）单模光纤光纤纤芯直径仅有几微米，接近波长。光纤传输的模数很少，原则上只能传送一种模数的光纤，常