《传感器原理及应用》课件-第9章+光电式传感器

第9章光电式传感器传感器原理与应用

传感器原理及应用主要内容：

9.1电荷耦合器件（CCD）9.2光纤传感器

9.3光栅式传感器第9章

光电式传感器

传感器原理及应用第9章光电式传感器新型光电传感器包括：

固态光电传感器:象限探测器

光敏器件阵列光电位置敏感器件（PSD）自扫描光电二极管阵列（SSPD）电荷耦合器件（CCD）光纤传感器概述

传感器原理及应用第9章光电式传感器概述

指纹锁指纹门禁光纤四象限探测器用于太阳自动跟踪微调

传感器原理及应用电荷耦合器件，又称CCD图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换，信息存储、转移传输、处理以及电子快门等功能。特点：高集成度、尺寸小、电压低（DC-7～12V）、功耗小;线阵分辨能力几μm，空间分辨率高，面阵分辨率在1000电视线以上；光电灵敏度高，可达0.01lx；信噪比60～70dB；动态范围大;可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。9.1电荷耦合器件第9章光电式传感器CCD（Charge—CoupledDevices

）

传感器原理及应用CCD技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化;应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。9.1电荷耦合器件第9章光电式传感器

数字摄像机数字照相机平板扫描仪

指纹机等基于CCD电荷耦合器件设备

传感器原理及应用图象传感器发展趋势高性能小容量廉价高容量专用显示系统控制器在线动态分析医学仪器低功耗空间设备汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别9.1电荷耦合器件第9章光电式传感器

传感器原理及应用CCD结构示意图

9.1.1CCD基本结构和工作原理第9章光电式传感器1.结构电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元（MOS金属氧化物半导体）一个光敏元又称一个像素；光敏元按线阵或面阵有规则地排列。显微镜下的MOS元表面微透镜滤色器光电二极管

传感器原理及应用265×180133×9066×4533×22

相同面积上的光敏元不同时分辨率（像素）不同第9章光电式传感器

图象比较1.结构

传感器原理及应用CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列

读出移位寄存器9.1.1CCD基本结构和工作原理第9章光电式传感器1.结构读出移位寄存器一个MOS光敏元结构

传感器原理及应用一个MOS光敏元（金属—氧化物—半导体）当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下形成耗尽区。对电子而言是一势能很低的区域，称“势阱”。有光线入射到硅片上时，产生光生电子-空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱俘获，此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。势井深度与电极电压有关

第9章光电式传感器2.电荷存储原理一个MOS光敏元结构

传感器原理及应用把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包；CCD器件内是在硅片上制作成百上千个相互独立的MOS元，金属电极下形成成百上千的势阱，产生成百上千的电荷包；如果照射在硅片上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度有关的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。第9章光电式传感器2.电荷存储原理

传感器原理及应用CCD电荷耦合器件是以电荷为信号，而不是电压电流作信号输出的。光敏元上的电荷还需经输出电路输出，这个输出过程由读出移位寄存器完成.读出移位寄存器也是MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与光敏元MOS的区别在于，半导体底部覆盖一层遮光层，不接收光信号并防止外来光线干扰。读出移位寄存器结构由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加脉冲波Φ1Φ2Φ3，称三相时钟脉冲（还有两相、四相）。

第9章光电式传感器3.电荷转移原理（读出移位寄存器）

传感器原理及应用t=t1时刻，Φ1电极下出现势阱存入光电荷t=t2时刻，Φ1Φ2下两个势阱形成大势阱存入电荷t=t3时刻，Φ2中电荷向Φ3势阱转移读出移位寄存器三相时钟脉冲

第9章光电式传感器

电荷转移过程

三相时钟脉冲频率相同，相位差120°；

传感器原理及应用读出移位寄存器三相时钟脉冲控制电荷转移过程

电荷转移过程第9章光电式传感器不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下，电荷从寄存器的一端转移到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。

传感器原理及应用CCD信号电荷的输出的方式主要有：电流输出、电压输出两种以电压输出型为例，根据(工艺结构)电压输出型有：浮置扩散放大器（FDA）(集成)

浮置栅放大器（FGA）

第9章光电式传感器浮置扩散放大器浮置栅放大器1.输出电路结构9.1.2电荷耦合器信号输出方式

传感器原理及应用第9章光电式传感器浮置扩散放大器浮置栅极放大器1.输出电路结构

传感器原理及应用在CCD阵列的末端制作（扩散）一个N+区，形成反向偏置二极管，二极管反偏形成一个深势阱，收集信号电荷控制A点电位变化；当转移栅φ3电极下的电荷包越过输出栅OG流入势阱中时，在输出极形成输出电流I0，输出电流在负载电阻RL

上产生的电压与电荷成正比。扩散区收集的信号控制放大管VT2的栅极电位，即控制输出电压。第9章光电式传感器1.输出电路结构电压输出型浮置扩散放大器（FDA）A

传感器原理及应用

输出信号电压为式中为MOS管栅极与源极之间的跨导。

VT1为复位管，由φR控制，VT1导通时VT2的沟道抽走扩散区剩余电荷（CFD放电），直到下个时钟信号到来循环下去。

第9章光电式传感器

由浮置扩散区收集的信号电荷控制放大器VT2栅极电位式中为浮置扩散节点上的总电容A

传感器原理及应用光敏元曝光

——

金属电极加正向脉冲电压φp势井出现，光敏元曝光后势井吸收光生电荷，光积分时间（快门），积累很快结束；转移脉冲φT

打开转移控制栅，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器，转移栅立刻关闭.这是一并行输出过程；接着三个时钟脉冲Φ1Φ2Φ3工作，读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。单沟道CCD结构电荷读出电荷输出控制波形第9章光电式传感器2.电荷输出的控制过程（光敏元电荷→移位寄存器）

传感器原理及应用CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD：结构形式有：

如单沟道CCD、双沟道CCD、

帧转移结构CCD、行间转移结构CCD。

CCD器件9.1.3电荷耦合器件第9章光电式传感器

传感器原理及应用线阵CCD传感器由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有个转移控制栅，加转移控制信号φT

。双沟道CCD结构1.线阵CCD结构第9章光电式传感器

传感器原理及应用线阵CCD传感器只有一排光敏元，只能进行线宽测量。线阵CCD又分为:单通道、双通道，

双通道可以加速转换时间，提高分辨率第9章光电式传感器1.线阵CCD结构线阵CCD结构单通道和双通道的电荷转移过程

传感器原理及应用线型CCD传感器主要用于几何尺寸测试、传真、光学文字识别技术等。面型CCD主要用于图像采集，摄象机及测量技术，结构上是把光敏元件排列成二维矩阵形式，面型CCD根据传输的读出结构有不同类型，基本构成有：线转移方式（由扫描、感光和输出寄存器组成）帧转送方式（FrameTransferCCD）行间转送方式（InterLineTransferCCD）第9章光电式传感器2.面阵电荷耦合器（二维）

传感器原理及应用帧间转移结构：由光敏元、存储器、输出移位寄存器三部分组成，视频信号整帧输出，结构简单。第9章光电式传感器2.面阵电荷耦合器

传感器原理及应用行间转移结构：光敏单元与寄存器交替排列，光积分后一次一行地输出，在输出端得到一行行视频信号。特点：结构简单，图象清晰质量高，是目前使用最多的一种结构。第9章光电式传感器2.面阵电荷耦合器

传感器原理及应用3CCD一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换难免两全，使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很高的要求。为了解决这个问题，便出现了3CCD摄像机。一台摄像机使用了３片CCD，一片CCD接受某一种颜色并转换为电信号。而这三种颜色就是我们电视使用的三基色：红，绿，蓝三种颜色。三维CCD第9章光电式传感器2.面阵电荷耦合器

传感器原理及应用CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性,是器件理论设计的重要依据；外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标，主要包括以下内容：电荷转移效率、转移损失率、

工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。

9.1.4CCD的特性参数第9章光电式传感器CCD器件与信号同步处理

传感器原理及应用对不同型号的CCD器件而言，其工作机理是相同的。不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序，在实际使用时必须加以注意。可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料，为CCD器件的应用提供技术支持。以TCD142D型CCD为例做简单介绍，其它型号的器件大同小异。TCD142D是一种具有2048位像元的两相（双通道）线阵CCD器件，TCD142D有22个引脚（其中12个是空脚）。TCD142D引脚

TCD142D9.1.5典型的CCD器件

TCD142D第9章光电式传感器

传感器原理及应用CD142D是一种具有2048位像元的两相（双通道）线阵CCD22个引脚，其中10个是引脚分别为：

时钟端-Φ1A、Φ2A，Φ1B、Φ2B；转移栅-ΦSH；复位栅-ΦRS；

地-SS；电源-OD；信号输出-OS，补偿输出-DOS；NC-空闲。TCD142D内部引脚

TCD142D9.1.5典型的CCD器件

TCD142D第9章光电式传感器

传感器原理及应用TCD142D的外部输入电路可分为两部分：

一部分是脉冲产生电路；另一部分是驱动电路。

积分时间ΦSHΦ2ABΦRSOS哑元输出64元信号2048检验2元哑元输出12元Φ1AB0123456789101059106010619.1.5典型的CCD器件

TCD142D第9章光电式传感器

传感器原理及应用脉冲电路产生ΦHS、Φ1、Φ2、ΦRS四路脉冲，由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz方波；经JK触发器分频，得到频率为2MHz的方波，将4MHz与2MHz脉冲相与，形成ΦRS脉冲。9.1.5典型的CCD器件

TCD142D第9章光电式传感器将ΦRS经JK触发器分频，产生频率为1MHz的Φ1脉冲，Φ1脉冲送入分频器；经译码电路产生转移脉冲ΦSH并且使ΦSH周期TSH＞1061μs（双通道）；将ΦSH和Φ1相与产生Φ2，Φ1=-Φ2，至此就产生了四路脉冲；

传感器原理及应用将这四路脉冲经反相器反相，再经阻容加速电路送至H0026驱动器，放大至一定量以后用以驱动TCD142D。9.1.5典型的CCD器件

TCD142D第9章光电式传感器

传感器原理及应用利用CCD测量几何量CCD诞生后首先在工业检测中制成测量长度的传感器；物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像，CCD输出的脉冲数表征测量工件的尺寸。9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器线阵CCD进行工件尺寸测量CCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种有效的非接触检测方法；如测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、轴类或杆类的直径等。

传感器原理及应用这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管在CCD上成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚成像。玻璃管CCD视频信号CCD传感器应用实例：第9章光电式传感器

传感器原理及应用测量原理:在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影在CCD光敏像元阵列面上。视频信号经二值化处理后输出。视频信号二值化时钟信号计数（像元个数）第9章光电式传感器

传感器原理及应用上壁厚下壁厚外径第9章光电式传感器

玻璃管的平均外径φ12mm；壁厚1.2mm；要求测量精度为外径±0.1mm；壁厚±0.05mm。利用CCD配合适当的光学系统，对玻璃管尺寸进行监测；

实际尺寸：上壁厚d1、下壁厚d2、外径Dβ为成像物镜的放大倍率；

t为CCD像元尺寸；上壁、下壁、外径的像元个数（即脉冲数）分别为：

n1（上壁）、n2（下壁）、N（外径）

传感器原理及应用

根据已知条件（玻璃管外径φ12mm），选择光学系统的放大率β为0.8倍，玻璃管的像大小为9.6mm；产品的测量精度要求反映在像面上的外径（0.1mm

）为±0.08mm，壁厚（±0.05mm

）为0.04mm；根据CCD测量精度要求，最小尺寸0.04mm，必须要大于两个CCD光敏元空间尺寸。第9章光电式传感器给定线阵TCD132D（1024位）光敏元间距尺寸为14μm，器件像元总宽度为1024×0.014mm=14.3mm，大于成像外径。最小尺寸为0.04mm>0.014mm×2=0.028mm，满足要求

。TCD132D光敏元空间尺寸（14μm×2）

<40μm

传感器原理及应用9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器工件尺寸测量CCD测试设备CCD测试与绘图设备

传感器原理及应用9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器双镜面直接检测产品晶片尺寸测量

传感器原理及应用CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学（电子束扫描）扫描系统；与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压。9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器CCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合使用。

装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。

传感器原理及应用9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器监视器可进行生产现场、科学实验过程的观察。

传感器原理及应用例如用CCD识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；自动流水线装置，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机;作为机器人视觉系统。CCD器件被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器数字显微镜CCD检测仪

用于传真技术，文字、图象识别

传感器原理及应用

条码读取器条码读取器主要分为激光型和CCD型两大类CCD条码识别器结构原理CCD型的工作原理

LED的光射到条码的整个区域；

CCD图像传感器将扩散反射光作为图像接收；通过图像数据读取条码9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器CCD-83Series条码识别器1.0米高度的检测，660nmRedLEDArray（波长）Intel80C31，2048PIXEL(像素)KeyboardWedge，RS-232；

传感器原理及应用由发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，6小时后排除体外，可拍摄2万多张图片，信号发射到存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。

M2A胶囊CCD在医疗诊断中的应用9.1.6CCD传感器的应用第9章光电式传感器M2A摄影胶囊（Mouthanus）

传感器原理及应用光在玻璃光纤中传输会剧烈衰减，经1公里衰减到1/100亿;高锟在1966年7月发表论文证明：玻璃光纤中离子杂质对光的衰减起决定性作用；只要光纤每公里的光衰减量小于20分贝（即保留1%），就可以用于通信；美国康宁公司1970年发明一种特殊玻璃制造工艺，首次迈过“20分贝/公里”门槛。9.2光纤传感器第9章光电式传感器2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟(光纤之父)以及两位美国科学家。获奖理由：光在纤维中的传输以用于光学通信。现在的光纤每公里衰减被控制在5%。

传感器原理及应用不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。9.2光纤传感器第9章光电式传感器光导纤维——简称光纤

光纤最早用于通讯，高锟的发明使通信高速公路得到迅猛的发展。随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术。

与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：

传感器原理及应用主要由三部分组成中心——纤芯；外层——包层；护套——尼龙塑料。

光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯折射率N1略大于包层折射率N2（N1＞N2）。光纤的光导材料基本采用石英玻璃，其中有不同掺杂。9.2.1光纤结构和传输原理第9章

新型光电传感器(1)光纤结构

传感器原理及应用光纤的传播基于光的全反射原理。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时，光线全部反射。光线全部被反射时的入射角θc称临界角;因此只要满足全反射条件即θ＜θc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。第9章光电式传感器(2)光纤的传光原理

传感器原理及应用第9章光电式传感器折射定律N为折射率法线分界面入射光L折射光反射光反射定律全反射的应用双筒望远镜

照相机(2)光纤的传光原理

传感器原理及应用第9章光电式传感器光密介质（N1）光疏介质（N2）

全反射条件入射角θ

≤θc（临界入射角）由斯乃尔（Snell）折射定律可导出，当端面外介质折射率为N0时，光射入纤芯时实现全反射的临界入射角为(2)光纤的传光原理N1＞N2

传感器原理及应用由于空气中折射率近似为可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸(直径)无关。

全反射的临界入射角可表示为第9章光电式传感器几种常用介质的折射率媒质折射率空气1.00029水1.333普通玻璃1.468冕牌玻璃1.516火石玻璃1.603重火石玻璃1.755(2)光纤的传光原理

传感器原理及应用临界入射角θc的正弦函数定义为光纤的数值孔径

空气中：9.2.2光纤的性能（几个重要参数）第9章光电式传感器

①数值孔径（NA）2θc

传感器原理及应用NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只有2θc张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。一般NA(N1>>N2)越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA石英光纤的数值孔径一般为第9章光电式传感器2θcNA=0.2～0.4

传感器原理及应用光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式；不同入射角度光线在界面上反射的次数不同，光波之间干涉产生的强度、分布也各不相同；模式值定义为：

式中：α

为纤芯半径；

为入射光波长9.2.2光纤的性能第9章光电式传感器

②光纤模式（V）

传感器原理及应用光纤模式（V）讨论：波的反射中相位变化2π整数倍的光波形成驻波—称模，驻波才能在光纤中传播，光纤只能传播一定数量的模。模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达，多个信号导致合成信号畸变。模式值V小，就是α值小（即纤芯直径小μm）传播的模式越少。只传播一种模式的光纤，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。第9章光电式传感器

传感器原理及应用

光纤模式种类：按折射率分布分为阶跃型（突变）、梯度型（渐变）；按传播模式分为多模(纤芯直径

D=50～100μm)

单模(纤芯直径D=3～10μm)单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。有特殊要求的称特殊光纤。第9章光电式传感器

传感器原理及应用9.2.2光纤的性能第9章光电式传感器

传感器原理及应用9.2.2光纤的性能第9章光电式传感器

传感器原理及应用9.2.2光纤的性能第9章光电式传感器

传感器原理及应用光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率A表示：

在一根率衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。3dB/Km相当光纤传输1Km后，光强衰减到入射时的一半；性能优良的光纤传播损耗可达0.16dB/Km。光纤的接头有光信号放大装置。9.2.2光纤的性能第9章光电式传感器

③传播损耗（A）

传感器原理及应用电参量传感器中，通常是由被测量引起电阻、电容、电感等电参量的变化，将这些电参量转换为电流、电压的变化进行检测。光纤传感器通过光调制器技术，使光的某些特性受被测量的作用，如光强、偏振方向、颜色、波长等等。9.2光纤传感器9.2.3光波调制技术第9章光电式传感器

光波的特征参数主要以光强度和光颜色两个最直观的特征

表现出来的;

目前光电器件只能测量光的强度和颜色，其他物理量是通

过这两个量间接测量的。

传感器原理及应用光是一种电磁波，沿某一方向传播的光波可用平面波动方程表示光的电矢量：⑴光的性质第9章光电式传感器振动面E—光的电矢量；A—强度；

x—偏振态（方向）φ—相位；f—频率（颜色）k=2π/λλ=υ/f—波长

传感器原理及应用通过位移等改变光纤中的光强度，由光强的变化测量被测信息。根据传感器探头结构形式可分为：透射、反射、折射。

透射式强度调制光纤端面为平面，入射光纤不动；出射光纤可横向、纵向、转动，出射光强受位移信号的调制。接收光强与两圆的交叠面积有关。对单模光纤，颈项位移X与光功率耦合系数T之间关系为高斯型曲线：⑵光的强度调制为了获得线性和灵敏度，工作点应选择在A点AXTS入射出射X第9章光电式传感器

下面分别讨论对光的强度、偏振态、相位、频率的调制方法。光探测器

传感器原理及应用

透射式开关调制入射、接收光纤固定不动，当光纤端面有物体运动时，出射光纤的光强变化。遮光屏物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。⑵光的强度调制入射光源S出射透镜接收D弹性薄膜P光调制实现气压测量第9章光电式传感器透镜

传感器原理及应用⑵光的强度调制

透射式光栅调制一个固定一个移动，光栅作相对运动时，通过光栅间的光强会发生变化设栅距、栅宽5μm，当动栅相对位移10μm时，光强变化一个周期，位移2.5μm、7.5μm处灵敏度最大。静光栅动%相对强度X相对位移2.557.5光栅调制实现压力测量第9章光电式传感器μm

传感器原理及应用第9章光电式传感器⑵光的强度调制

传感器原理及应用反射式强度调制由多根光纤束组成入射、接收光纤，被测物体将光束反射回光纤，经反向传输后由光敏器件接收。光强的大小随被测物体的特征不同而不同。特征包括：被测物体与光纤端面的距离；被测物体表面的光洁度（反射率）；相对倾角。特点：非接触、探头小、线性度好、频响高、测量范围在100μm以内。⑵光的强度调制X入射光源S出射透镜接收D被测物体液面测量

折射率调制（略）第9章光电式传感器

传感器原理及应用法拉第磁光效应(又称磁致旋光效应)

当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（矢量振动方向）将发生偏转，偏转的角度θ与磁感应强度B以及介质的长度L成正比：Θ=KBLK-为物质常数。⑶偏振态调制透明介质BL偏振态调制主要基于人为旋光现象如：法拉第磁光效应、克尔电光效应、弹光效应等实现的。第9章光电式传感器θ

传感器原理及应用

法拉第磁光效应如稀土玻璃的常数K=0.13～0.27/（GS.cm）；

1T(特斯拉）=104GS处于0.1T磁场下，长10cm的稀土玻璃棒，可使偏振光的光矢量偏转22°～45°，利用这种原理可制成光纤电流传感器。导体上绕N匝光纤，光矢量旋转的角度与导线电流有关（B∝I）B=μI/2πα

θ=VdNI

，Vd为常数⑶偏振态调制第9章光电式传感器光纤SD检偏器导体电流

传感器原理及应用第9章光电式传感器⑶偏振态调制

传感器原理及应用一般压力、张力、温度可以改变光纤的长度（几何尺寸）；

同时由于光弹效应，光纤折射率n也会由于应变而改变，这些物理量可以使光纤输出端产生相位变化。借助干涉仪将相位变化转换为光强的变化。干涉系统的种类很多⑷相位调制马赫——泽德干涉仪原理第9章光电式传感器常见的马赫——泽德（Mach-Zehnde)

传感器原理及应用⑷相位调制固定平面镜静止，移动平面镜随被测体运动；分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。当移动镜面位移时合成光的干涉强度发生变化。这种干涉仪灵敏度高，可精确到10-13nm

。马赫——泽德干涉仪原理第9章光电式传感器

常见的马赫——泽德（Mach-Zehnde)干涉仪原理

传感器原理及应用虽然空气光路系统有大的动态范围，但实现非常困难，通常只能限制在实验室工作条件。光纤干涉传感器如果干涉系统的空气光路用光纤代替，用光纤耦合器取代分束器；几公里光路对光纤是容易实现的，可取消对光路长度限制，不存在光路中尘埃污染。⑷相位调制光纤分路器在光源和检测器之间，干涉仪只含光纤元件，换能器把被测量转换成光束的相位变化。第9章光电式传感器光纤干涉仪原理

传感器原理及应用⑷相位调制①明暗计数法输出脉冲计数反映光强明暗变化，不能检测极性；②相位锁定零点检测法通过参考臂的相位调制使系统相差定在π/2处，（在π/2处灵敏度最高，光强与相差呈线性关系）。π/2π3π/2相对光强相差相位干涉仪输出波形光纤干涉传感器原理第9章光电式传感器

相位调制光纤传感器的信号检测有多种：

传感器原理及应用⑷相位调制由于3db耦合器的作用，两个光电探测器输出为：当被测信号变化时S（t）变化，相差偏离输出U3≠0；积分器将这个变化积累后输出一附加电压至参考臂上，用附加相差抵消信号臂相差，使系统回到π/2初态。光纤干涉传感器原理U3U1U2第9章

新型光电传感器

传感器原理及应用⑷相位调制滤波器滤掉环境干扰信号，通过有关信号频段。以上系统是典型的闭环运行状态，加到相位调制器的电压反映了系统相差的变化。相位调制器是将光纤绕在圆柱型PZT（压电陶瓷）上或镀有PVF2材料。PZT直径随驱动信号变化，利用压电晶体的逆压电效应，电场作用下产生形变，使绕在上面的光纤伸缩变化，使光的相位变化，实现相位的调制解调。PZT压电陶瓷环光纤附加电压第9章光电式传感器光纤干涉仪

传感器原理及应用⑸频率调制当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率fs与光源频率f不同，这种现象称光的“多普勒效应”；第9章光电式传感器波源不动,观察者相对介质以运动，声音的频率不同。人耳听到的声音的频率υ与声源的频率υs相同吗？只有波源与观察者相对静止时才相等.SDfsf

传感器原理及应用⑸频率调制设光敏器件相对光源的运动速度为υ，接收的光频率可表示为：频率调制法可以测量运动物体（流体）的速度、流量等；被测体散射光信号由透镜接收回光纤，与空气界面直接返回的光信号合成后形成频率为fp的拍频信号，送光敏探测器。第9章光电式传感器

传感器原理及应用⑸频率调制测量原理：激光光束频率ω0，由分束送两路；调制光ωR作参考光源送光敏探测器；分束器2将ω0的光束经光纤射入流体；流体速度υ，流体中微粒照亮时产生反射光，反射光通过光纤返回；多普勒效应使反射光产生频移△ω探测器分束器1分束器2参考光ωR=ω0-ω1ω0ωs=ω0±△ω激光器调制器

透镜ω1±△ω

形成的光频率为测量光:ωs=ω0±△ω，测量光与参考光在探测器混频（拍频ωp=ωs-ωR）后形成振荡信号，振荡频率为ω1±△ω，由频谱仪分析△ω频率变化，获得流体速度。υ管道流体速度θ第9章光电式传感器

传感器原理及应用光纤目前可以测量70多种物理量基本组成相似：光源、透镜、入射光纤、调制器、出射光纤、光敏器件等。光纤的类型较多大致可分为功能型和非功能型两大类。光纤传感器9.2.4光纤传感器第9章光电式传感器

传感器原理及应用第9章光电式传感器功能型和非功能型光纤传感器的基本结构类型

传感器原理及应用这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且有传感能力。在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测量信息。功能型（又称传感型）

FF

（FunctionFibreOptilSensor）9.2.4光纤传感器第9章光电式传感器

传感器原理及应用在光源和检测器之间只含光纤元件；换能器把被测量转换成光束的相位光强的变化。3db耦合器将光信号耦合输入输出，换能器利用集成和光电技术可把所有元件装入一个很小装置内与光纤对接耦合。光纤干涉传感器原理各种光纤耦合器

9.2.4光纤传感器第9章光电式传感器

传感器原理及应用各种光纤耦合器

9.2.4光纤传感器第9章光电式传感器光纤接头盒

传感器原理及应用传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介；待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的；光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。(2)非功能型（称传光型）

NFF（Non-FunctionFibreOptilSensor）第9章光电式传感器

传感器原理及应用利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制。温度T升高，半导体禁带宽度Eg变化，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。一般测温范围在-100～300℃。(3)应用第9章光电式传感器

光纤温度传感器

传感器原理及应用第9章光电式传感器光纤温度传感器

传感器原理及应用第9章光电式传感器光纤温度传感器

传感器原理及应用相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器

传感器原理及应用利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。

反射式光纤位移传感器第9章光电式传感器(3)应用被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上的光通量发生变化。通过光电传感器检测出距离的变化。

传感器原理及应用第9章光电式传感器

反射式光纤位移传感器

传感器原理及应用结构：反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，端面分布形态的组合形式不同，影响位移测量范围和灵敏度。分布形态一般有四种：

R型半分式（半圆分布）

H型混合式（随机分布）

CII共轴式（内发射分布）

CDT共轴式（外发射分布）

混合式灵敏度高，半分式测量范围大。第9章光电式传感器

反射式光纤位移传感器

传感器原理及应用工作原理：由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头紧贴被测物体时，接收光敏元件无光电信号；被测物体逐渐远离光纤时接收光纤照亮的区域B2越来越大；当整个接收光纤被照亮时，输出曲线达到光峰值；被测体继续远离时部分光线被反射,输出光信号减弱，曲线下降。

反射式光纤位移传感器bdb输入光纤像2aθ第9章光电式传感器

传感器原理及应用反射式光纤位移传感器讨论：前坡区——

输出信号的强度增加快，位移输出曲线有较好的线性关系，可进行小位移测量；后坡区——

信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量；光峰区——

输出信号有最大值，值的大小决定被测表面的状态，可用于表面状态测量，如工件的光洁度或光滑度。第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器

传感器原理及应用KD-300光纤位移传感器性能指标

分辨率：0.05μm；反应频率：70kHz；信号输出：0-10V

；DC-100欧姆；仪器工作温度：10摄氏度-65摄氏度；测量不受磁场或静电影响，能对几乎所有非金属甚至漆黑表面物体进行操作；探针长度：3in.(76.2mm)探针；电缆线长度：36in.(914mm)；电源：小于3W,115/230V,50-400Hz。9.2.4光纤传感器第9章光电式传感器光纤量测位移传感器MTI-2100

超高分辨率：0.0025μm

反应频率：190kHz（特殊探针到达500kHz)

数值显示面板，LCD液晶显示

可接二组传感器,最小探针外径0.17mm

输出：电压-10Vto+10V

RS-232C数据接口

传感器原理及应用第9章光电式传感器光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道,当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。

光纤旋涡流量传感器

当流体运动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时，在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡，其旋涡的频率

f与流体的流速可表示为式中：v-流体速度，

d-截面积；

S-常数。(3)应用

传感器原理及应用第9章光电式传感器

光纤旋涡流量传感器

加速度通过一定质量的物体，在平衡力的反作用下可产生位移、形变、旋转等。干涉型光纤加速度传感器

光纤加速度传感器惯性系统，质量块质量M，顺变体质量MC，顺变体是一空心圆柱体，并且M＞MC；当系统以加速度a运动的质量块对顺变体施加轴向力F=ma

；F的作用下顺变体产生轴向应变和径向应变，应变引起光纤长度变化，应变大小为：MC质量块顺变体光纤aFd基座M第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用干涉型光纤加速度传感器顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，使光纤的长度发生变化；光纤的长度变化通过干涉系统测量出光的相位变化，并使光强度变化。SDD激光器分束器1分束器2探测器参考端第9章光电式传感器

传感器原理及应用

光纤加速度传感器第9章光电式传感器

传感器原理及应用

传感器原理及应用第9章光电式传感器

光纤加速度传感器强度调制型光纤加速度传感器惯性产生位移后，由位移表现加速度大小。无加速度时光斑位于光纤之间，光强相同，处于平衡位置；有加速度时，由两输出光纤的光强大小可得到加速度的大小和方向。1输入2输出3输出输入、输出、聚焦光纤梁质量块反光镜第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用

埋入式光纤传感器机械敏感材料和结构是光纤传感器的典型应用，在机敏材料和结构中，是将光纤埋入复合材料，用于探测复合材料的内应力、应变以及结构损伤，这已成为一种新型的无损检测技术。这种技术越来越多的应用于航空、航天、飞行器的在线动态监测，机器人的神经网络系统，建筑、桥梁、高速公路的灾害检测和报警等。如：桥梁、水坝、核电站这类可靠性要求很高的混凝土建筑结构，内部状态参数直接反映内部应力、应变变化，内部裂缝的发生与发展情况。如果在混凝土构件内埋设光纤传感器，在应力、应变、内部裂缝导致传感器机械特性变化时，使光强输出变化，就可监测结构的变化。第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用干涉型埋入式光纤传感器参考臂不受应力作用，测量臂置于主体材料内部。耦合端面引入光源并接收出射光，光纤的另一端面镀有反射层，将光源的光信号反射回去。测量臂比参考臂长L，相同段，物理作用相同没有相差变化，测量臂长出的L段（标距段）光束往返2L距离，该段的应变将引起测量臂和参考臂之间的相位差变化。

埋入式光纤传感器有干涉型和偏振型两种测量臂参考臂分路马赫干涉仪原理主体材料测量臂耦合端面参考臂反射层测量臂第9章光电式传感器

传感器原理及应用偏振型埋入式光纤传感器光源发出的光分为两路，一路由PIN1接收监测光源的稳定性；另一路由准直透镜、起偏器P1产生平行偏振光，透镜Q1将偏振光聚焦耦合至光纤；偏振光在光纤中传输，从另一端面出射光经透镜Q2，检偏器P2光将被调制后的光源信号送光敏器件转换成电信号；如果主体材料无应力作用，光纤中传输的光保持原有偏振方向；调节P2可使光强达到最大值；应力作用时偏振模式发生分裂，射出的偏振方向与初始方向偏转了一个角度θ，使输出光功率（光强）发生变化：主体材料检偏P2SPIN2PIN1光功率检测起偏P1Q1Q2第9章光电式传感器

传感器原理及应用偏振型结构简单、埋置方便主体材料检偏P2SPIN2PIN1光功率检测起偏P1Q1Q2第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用目前最好的地震监测方法传感器的安装钢筋混凝土是当今世界最流行的建筑材料，混凝土主要成分是砂石、水泥，如果要将光纤置入混凝土，无论从哪个方向引线都会有碎石阻拦，此外各种机械运动（灌浆、捣实）可能引起机械破坏，因此要采用正确方法。⑴将光纤放在金属管内埋入混凝土，再将金属管抽出；⑵将光纤埋在小型预置构件中再将构件作为大型构件的一部分。第9章光电式传感器

传感器原理及应用(3)应用第9章光电式传感器9.3光栅式传感器光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。光栅是光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。光栅式传感器主要用于高精度的机械位移测量以及精密测量系统的传感装置。光栅式传感器的特点：精度高；可实现动态测量；大量程测量兼有高分辨率；具有较强的抗干扰能力。

传感器原理及应用第9章光电式传感器9.3光栅式传感器计量光栅的种类长光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺（用作线值测量），圆光栅盘：

传感器原理及应用第9章光电式传感器长光栅圆光栅

传感器原理及应用第9章光电式传感器在玻璃板上设计，其中透光缝宽为b，不透光线宽为a，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即a=b。图中W=a+b，称为（光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的重要参数。

长光栅尺的设计：9.3.1莫尔条纹

传感器原理及应用W=a+b光栅栅距第9章光电式传感器形成莫尔条纹的光学原理9.3.1莫尔条纹莫尔条纹通常是由两块光栅（标尺光栅、指示光栅）叠合而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；

传感器原理及应用光线透过透光部分形成亮带；光栅不透光部分叠加，互相遮挡，形成暗带.这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。

第9章光电式传感器

——

标尺光栅常数

——

指示光栅常数

——

两光栅的夹角式中：

长光栅莫尔条纹的周期（条纹间距B）

传感器原理及应用第9章光电式传感器

长光栅莫尔条纹的周期演示

传感器原理及应用/list.php?s=20第9章光电式传感器

长光栅横向莫尔条纹莫尔条纹的重要特性：

运动对应关系：主光栅向右运动一个栅距W1时(W<0.005mm)，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B;9.3.1莫尔条纹位移放大作用：两光栅夹角很小，若W1=W2

，莫尔条纹得近似关系B≈W/θ；莫尔条纹放大倍数为1/θ。虽栅距很小但莫尔条纹清楚可见；误差平均效应：莫尔条纹的大栅线对光栅刻划误差有平均作用.

传感器原理及应用第9章光电式传感器光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。

传感器原理及应用光栅传感器构成原理：光栅式传感器又称光栅式读数头，由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。9.3.2光栅测量装置第9章光电式传感器

光栅传感器构成原理

传感器原理及应用第9章光电式传感器

光栅传感器构成原理

传感器原理及应用第9章光电式传感器9.3.2光栅测量装置1.光栅读数头光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。

传感器原理及应用第9章光电式传感器1.光栅读数头两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。

主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。式中：uo

光电元件输出的电压信号；

Uo

输出信号中的平均直流分量；Um

输出信号中正弦交流分量的幅值

传感器原理及应用第9章光电式传感器相距B/4放置四个光电元件，光栅移动时光的信号强弱变化。1.光栅读数头光栅位移与光强、输出电压的