第6章光敏传感器及工程应用

1、第6章 光敏传感器及工程应用第第6章章 光敏传感器及工程应用光敏传感器及工程应用6.1 6.1 光光的基本知识的基本知识6.2 6.2 常见光电元件常见光电元件6.3 6.3 光电传感器光电传感器6.4 6.4 光光纤传感器纤传感器6.5 6.5 光敏传感器工程应用案例光敏传感器工程应用案例返回主目录第6章 光敏传感器及工程应用6.1 光的基本知识光的基本知识6.1.1 光的光的基本特性基本特性 由光学知识可知，光具有波粒二象性。因而它不但具有波的特性，而且还具有颗粒特性。光有可见和不可见之分。其可见光的波长在380780nm之间。波长在10380nm之间的称作紫外线，在780106nm之间的

2、称作红外线。根据光的量子理论，光又是一种以光速运动的粒子流。这些粒子称作光子，光子具有能量，每个光子的能量E为 式中，h为普朗克常数；为光的频率。 由此可知，不同频率的光子具有不同的能量。 hE (6-1)第6章 光敏传感器及工程应用 光照度是衡量被照射物体表面明亮程度的一个参数，它表示被照射物体表面单位面积上受到的光通量，单位是勒克斯（lx），光通量是指人眼所能感觉到的辐射功率，它等于单位时间内某一波段的辐射能量和该波段的相对视见率的乘积。光通量的单位是流明（lm），它们之间的关系是 1(lx) = 1(lm/m2) 为了测量光照的强弱，就需要光检测传感器。所谓光检测传感器，实际是将光信号转

3、变成电信号的一种器件，通常人们把它称作光电转换器件，简称为光电器件。第6章 光敏传感器及工程应用6.1.2 光电效应光电效应 在光的照射下，物体吸收了光的能量而产生的电现象，称作光电效应。光电效应又分为外光电效应和内光电效应两大类。 1. 外光电效应外光电效应 当物体内的电子在光的照射下逸出物体表面向外发射的现象就称作外光电效应。向外发射的电子称作光电子。 2. 内光电效应内光电效应 在光的照射下，物体的电阻率发生变化或产生光生电动势的现象称作内光电效应。内光电效应又可分为光电导效应和光生伏特效应两种。第6章 光敏传感器及工程应用1) 光电导效应当物体的电阻率在光的照射下发生改变的现象称作光电

4、导效应。2) 光生伏特效应当物体在光的照射下产生一定方向电动势的现象称作光生伏特效应。 基于不同的光电效应就得到不同的光电元器件。下面就介绍几种常见的光电器件。第6章 光敏传感器及工程应用光电管的结构如图6-1所示，它是在一个真空玻璃泡内装有两个电极的器件。一个是光电阴极，有的贴在玻璃泡内壁，有的是涂在半圆筒形的金属片上。另一个是阳极，通常是装在光电阴极前面的一根金属丝或金属环。6.2 常见光电元件常见光电元件6.2.1 光电管光电管1. 光电管的结构及工作原理光电管的结构及工作原理第6章 光敏传感器及工程应用 它的工作原理是基于外光电效应：即当阴极受到适当波长的光线照射时便向外发射电子，电子

5、被带正电位的阳极所吸引，在管内就产生光电子流，在外电路中便产生电流。 2. 光电管的伏安特性光电管的伏安特性 实验证明，光电管产生的光电子流大小与光通量有关，当光通量一定时，阳极电压U与阳极电流 I 的关系曲线如图6-2所示。第6章 光敏传感器及工程应用6.2.2 光电倍增管光电倍增管 1. 光电倍增管的结构及工作原理光电倍增管的结构及工作原理 在光线比较弱的时候，光电管能产生的光电流很小，为了克服这个缺点，人们又设计了光电倍增管。它主要由一个光电阴极、若干个倍增极和一个阳极等部分构成。倍增极个数在414个之间。四倍增极的光电倍增管结构如图6-2所示。其中K为光电阴极，电位最低，D1D4为倍增

6、极，电位逐次升高，即UD1UD2UD3n2，则当角增加时，角也增加。当角增加到某一角度时，可使=90，此时，折射光完全消失，只剩下反射光。继续增大入射角，仍然如此。这种现象称作全反射。使折射角=90 的入射角叫做临界角，记作c。则结论：当光线从折射率大的介质射入折射率小的介质时，如果入射角大于或等于临界角，即： 就发生全反射现象。c12arcsinnnc 1sinsin12即nn(6 4)第6章 光敏传感器及工程应用3. 光纤的传光原理光纤的传光原理设有一段圆柱形光纤如图6-32所示。当一束光以入射角从光纤芯的一个端面射入时，将会在端面发生折射角为的光线射入光纤芯，并照射到纤芯与包层的交界面上

7、；在该界面上有一部分光返射回纤芯，还有一部分光以折射角射入包层。图图6-32 光纤的传光原理示意图光纤的传光原理示意图第6章 光敏传感器及工程应用根据斯涅耳折射定律可知，只要n1n2，并适当选择光的入射角，就能使光在纤芯与包层的交界面上发生全反射，使光在光纤内无限的传播下去，而不会有光线射入包层。下面来推导光纤的传光条件。根据斯涅耳折射定律得：式中，n0为端面外部的折射率。联立式(6-5)和(6-6)得 sinsin10nnsinsin21nn21201201010101)sin(1sin1cos)90sin(sinsinnnnnnnnnnnnn(6 5)(6 6)第6章 光敏传感器及工程应用

8、若要使光在光纤芯和包层的界面上发生全反射，必须满足 。设当 时， ，则显然，当光照射到光纤端面的入射角满足光在光纤内就发生全反射。式(6-9)又称作光纤的传光条件。一般光纤所处的环境为空气，而空气的折射率n0=1，这时传光条件(6-9)式可写成22210212011)(1sinnnnnnnnc90c90)1arcsin(22210nnnc(6 8)(6 9)arcsin(2221nnc(6-10)第6章 光敏传感器及工程应用 由上分析可知，光在光纤内是以锯齿波形状向前传播的，所以，只要光纤弯曲不大，不会破坏它的全反射条件，也就不会影响光的传播。这就是光纤可以转弯的原因。6.4.2 光纤的主要参

9、数光纤的主要参数1. 数值孔径数值孔径 由前面分析可知，c是光纤实现全反射的临界入射角，它是由组成光纤物质的折射率唯一确定的，它的大小反映了光纤的集光本领的大小。为了定量的描述光纤的这种本领，引入了数值孔径这个概念，用NA来表示，它定义为222101sinnnnNAc(6 11)第6章 光敏传感器及工程应用 其物理意义是无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c范围内的光才能在光纤内无损耗的传播下去。光纤的数值孔径越大，表明光纤对光的集光能力越强。2. 光纤的传输损耗光纤的传输损耗 光在光纤内传播，由于种种原因将会产生损耗，损耗的程度可用衰减率来衡量。假设光纤的入射光强为I0，经过1000m传

10、输后光强度下降到I1，则衰减率A定义为 其中A的单位是dB/km。10lg10IIA (6 12)第6章 光敏传感器及工程应用引起传输损耗的原因很多，但归纳起来主要有三种， 第一种为材料吸收损耗。它是由光纤材料中的金属杂质如铁、铜、铬、镍的电子能级及进入光纤芯及包层的氢氧根离子的振动能级对光能的吸收所引起的。 第二种为散射损耗。散射损耗主要包括由于光纤介质密度起伏引起的瑞利散射、由于温度引起的动态密度起伏引起的布里渊散射及由于原子振动和旋转能级的吸收和再辐射所引起的拉曼散射。 第三种为光纤弯曲损耗。它是由于在使用过程中，光纤弯曲部分不满足全反射条件而产生的一种损耗。但当弯曲半径大于10cm时，

11、此损耗可以忽略不计。第6章 光敏传感器及工程应用6.4.3 光纤的分类光纤的分类光纤的分类方法有多种，常见的有两种。一种是按光在光纤中的传播模式分类，可分为多模光纤和单模光纤两种。所谓传播模式是指光波在光纤中的传播途径和方式。在光纤的一端，以某一角度射入光纤端面，并能在光纤内传播的光线路径就称作一种传播模式，当光纤芯直径较大时，可以在光纤的受光角内允许有多个特定的角度射入，并在光纤内传播，此光纤就称作多模光纤。当光纤芯直径较小时，光纤只允许与光纤轴线方向一致的光线通过，就称作单模光纤。第6章 光敏传感器及工程应用另一种是按折射率的分布情况分类，可分为突变型光纤(反射型光纤)和渐变型光纤(折射型

12、光纤)两种。其光纤结构如图6-33所示。突变型光纤的传光原理如图6-32所示。图图6-33 光纤的断面结构与折射率分布情况光纤的断面结构与折射率分布情况第6章 光敏传感器及工程应用渐变型光纤的传光原理如图6-34所示。图图6-34 渐变型光纤的传光原理渐变型光纤的传光原理 由图6-34可知，在渐变型光纤中，由于光纤芯的折射率是连续变化的，因此光波的传输轨迹是一条条光滑的曲线。第6章 光敏传感器及工程应用6.4.4 光纤传感器的结构及工作原理光纤传感器的结构及工作原理 光纤传感器实际上是把被测量的变化转变成光信号的变化，然后再由光电器件把光信号的变化转变成电信号的变化来进行测量的一种装置。其结构

13、如图6-35所示，它由光源、光纤、敏感元件(光纤或非光纤)、光电器件等组合而成。 由图可知，它的结构与光电传感器类同，所不同的是它将光的通路限制在光纤里面。其敏感元件可以是光纤本身，也可以是光纤以外的器件。图图6-35 光纤传感器结构示意图光纤传感器结构示意图第6章 光敏传感器及工程应用6.4.5 纤传感器的分类纤传感器的分类 （有两种）1. 按被调制参数分类，按被调制参数分类，可分下面可分下面4种种1）强度调制型强度调制型是指利用被测参数的变化引起光敏感元件的折射率、吸收率或反射率等参数的变化，而导致光强度的变化来实现参数测量的光纤传感器。2）相位调制型相位调制型是指利用被测对象对敏感元件的

14、作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化来实现参数测量的光纤传感器。第6章 光敏传感器及工程应用3）偏振调制型偏振调制型是指利用被测参数的变化而引起光的偏振态变化，通过测量偏振态的变化来实现参数测量的光纤传感器4）频率调制型频率调制型是指利用被测参数变化，而导致光的频率变化，通过测量频率的变化来实现参数测量的光纤传感器。2. 按光纤在传感器中起的作用分类，按光纤在传感器中起的作用分类，可分为两种可分为两种1）非功能型所谓非功能型光纤传感器是利用外加的敏感元件对光进行调制，而光纤仅仅作为传光之用，故又称为传光型光纤传感器。它的特点是对光纤要求不高，结构简单，可靠性好。缺点是

15、光调制在光纤外进行，故容易产生附加损耗。第6章 光敏传感器及工程应用2）功能型所谓功能型光纤传感器是利用光纤本身的某些特性和功能进行调制，光纤不仅用作传光，本身也是敏感器件。故又称作传感型传感器。6.4.6 常见光纤传感器及其应用常见光纤传感器及其应用1. 光纤扭矩传感器光纤扭矩传感器光纤扭矩传感器结构如图6-36(a)所示。在被测轴上装上两个圆周刻有黑白条纹的圆盘，在圆盘下方各放置一反射式光纤探头。第6章 光敏传感器及工程应用图图6-36 光纤传感器结构及输出波形光纤传感器结构及输出波形当轴转动时，从光纤探头可输出一周期脉冲信号；当转轴不受扭矩时，两个探头的输出信号经整形后相位差为零；而当转

16、轴受到扭矩时，使两个光纤探头的输出信号产生一相位差，如图6-36(b)所示。第6章 光敏传感器及工程应用2. 光纤温度传感器光纤温度传感器光纤传感器温度测量系统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。根据工作原理它可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。这里仅介绍一种光强调制型光纤传感器温度测量系统，它的结构如图6-38(a)所示。图图6-38 光强调制型光纤温度传感器结构原理图光强调制型光纤温度传感器结构原理图第6章 光敏传感器及工程应用 它是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统组成。光纤是用来传输光信号的，半导体光吸收器是光敏感元件，在一定的波长范

17、围内，它对光的吸收随温度T变化的情况如图6-38(b)。 图图6-38 光纤温度传感器特性光纤温度传感器特性 由图可知，半导体材料的光透过率特性曲线随温度的增加而向右移动，如果适当地选定一种在该材料工作波长范围内的光源，就可以使透过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。第6章 光敏传感器及工程应用 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，一般在温度为-100300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6章 光敏传感器及工程应用6.5 光检测传感器的应用案例光检测传感

18、器的应用案例6.5.1 火灾检测报警系统案例火灾检测报警系统案例 火灾检测报警系统又叫火灾探测报警器，它采用硫化铅（PbS）光敏电阻作为探测元件，其电路如图6-38所示。图图6-38 火灾探测报警器电路火灾探测报警器电路第6章 光敏传感器及工程应用光敏电阻的暗电阻为1M，亮电阻为0.2M(在光强度0.01W/m2下测试)，峰值响应波长为2.2m，硫化铅光敏电阻处于VT1管组成的恒压偏置电路中，其偏置电压约为6V，电流约为6A。VT1管集电极电阻两端并联68F的电容，可以抑制100Hz以上的高频，使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。VT2、VT3构成二级负反馈互补放大器。当火焰的闪动信号被光敏电阻检测到后，经二级放大送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火灾报警器能长期稳定的工作。第6章 光敏传感器及工程应用6.5.2 物体尺寸测量系统案例物体尺寸测量系统案例下面介绍一个利用线型CCD图像传感器进行工件尺寸检测的例子。该工件尺寸测量系统如图6-39所示。图图6-39 C