光电式传感器-电子技术实践基础

1、2020/8/6,1,光电式传感器的定义 以光电器件或传播光路为敏感元件，将被测量通过光信号的变化转换为电信号变化的传感器。 光电式传感器的物理基础和组成 物理基础：光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。 光电式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。 光电式传感器的种类 根据工作原理：内光电效应型和外光电效应型。,光电式传感器（上）,2020/8/6,2,光波：波长10106nm电磁波。 可见光波长：380780nm； 紫外线波长：10380nm； 红外线波长：780106nm。,一、光的特性,光的特性与光源,光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,光的粒子

2、性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为,光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,电磁波谱图,2020/8/6,3,一、光的特性,光的特性与光源,电磁波谱图,2020/8/6,4,二、常用光源,光的特性与光源,2020/8/6,5,二、常用光源,光的特性与光源,808 nm 大功率LD,650 nm LD,1.55 um LD模块,2020/8/6,6,2020/8/6,7,一、光电效应基本概念,光电效应,光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。,内光电效应,外光电效应,2020/8/6,8,外光电效应：物体内的电子

3、逸出物体表面向外发射的现象。 基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,二、外光电效应,（3）逸出的光电子具有动能。 （4）从光照至发射电子，时间 10-9 s。,爱因斯坦光电效应方程：,（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。 （2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。,光电效应,2020/8/6,9,内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应。 光电导效应和光生伏特效应。,三、内光电效应,基于这种效应的光电器件有光敏电阻等。,在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。 当光

4、照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,光电效应,1、光电导效应,2020/8/6,10,（1）势垒效应（结光电效应） 光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,三、内光电效应,在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。 基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。,光电效应,2、光生伏特效应,2020/8/6,11,（2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不

5、均匀时，因载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。 光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现浓度梯度，因而载流子要扩散。,三、内光电效应,（3）处于反偏的PN结 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。,光电效应,2、光生伏特效应,有光照时，光子能量足够大产生光生电子空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 器件：光敏二、三极管。,2020/8/6,12,2020/8/6,13,光电管：外光电效应器件。,一、光电管,当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量大于电子的逸出功，会有电子逸出产生电子发射。 电子被带有正

6、电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL上产生正比于电流大小的压降。,光电器件,2020/8/6,14,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。 如核仪器中闪烁探测器多使用光电倍增管做光电转换元件。,二、光电倍增管,光电倍增管工作原理：利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,光电器件,光电倍增管结构：由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达30级，通常为1214级。,2020/8/6,15,光敏电阻：内光电效应器件。,三、光敏电阻,基本结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在

7、半导体上覆盖一层漆膜。,光电器件,1、基本结构与工作原理,工作原理：光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,2020/8/6,16,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流 暗电阻：光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为暗电流。 亮电阻：在受到光照时的电阻，此时的电流称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。,光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,（2）光照特性 描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,2020/8/6,17,（3）光谱特性 光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关

8、。 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。 材料与相对灵敏度峰位波长： 硫化镉，300800nm，在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。 硫化铅，10002500nm，响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。,光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,选用时要综合考虑元件和光源,2020/8/6,18,（4）伏安特性 所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。 在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,（5）温度特性 光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温度上升向波长短的方向移动。,光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,2020/

9、8/6,19,（6） 稳定性 初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。 光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,2020/8/6,20,（1）光敏二极管 结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。 光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在PN结上，PN结附近产生光生电子

10、空穴对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。,光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,2020/8/6,21,（2）光敏三极管 与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电

11、流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,2020/8/6,22,（3）达林顿光敏管 光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,达林顿光敏管的等效电路： 一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。增加了一级电流放大，输出电流能力大大加强，甚至可不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但无光照时暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。,2020/8/6,23,（1）光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵

12、敏度表示）与入射光波长的关系。 硅和锗光敏管光谱特性曲线： 硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，此时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。 但对红外光的探测，用锗管较为适宜。,2020/8/6,24,（2）伏安特性 硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横坐标为集电极-发射极电压。 与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。 晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。

13、,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,2020/8/6,25,（3）频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。 光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。 光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,光敏晶体管的频率特性,2020/8/6,26,（4）温度特性 光敏管的温度特性是指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。 从光敏晶体管的温度特性曲线可看出：温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很

14、大。 因此，光敏晶体管作为测量元件时，在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,2020/8/6,27,（5）光照特性 光敏三极管的光照特性近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。 故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件。,光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,2020/8/6,28,光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电器件。 光电池可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。 光电池有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。 光电池有

15、硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。 目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,光电器件,五、光电池,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。 硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。 砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,2020/8/6,29,光电器件,五、光电池,2020/8/6,30,硅光电池的结构,基本结构： 光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极是一层衬底铝。,光电器件,五、

16、光电池,1、基本结构和工作原理,工作原理： 当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。 一般可产生0.20.6V电压50mA电流。,2020/8/6,31,（1）光谱特性 对不同波长的光，光电池的灵敏度是不同的。 从硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在800nm附近，硒光电池在500nm附近。,光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的光谱特性,硅光电池的光谱响应波长范围为4001200nm，而硒光电池只能为380750nm。硅光电池可在很宽的波长范围内应用。,2020

17、/8/6,32,（2）光照特性 不同光照射下有不同光电流和光生电动势。 短路电流在很大范围内与光强成线性关系。 开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。,光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池作为测量元件时，应作为电流源来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,2020/8/6,33,（3）频率特性 光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。 从硅光电池和硒光电池的频率特性曲线可知，硒光电池的频率响应较差，而硅光电池的较好。 硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的频率特性,2020/8/6,

18、34,（4）温度特性 光电池温度特性，描述光电池的开路电压和短路电流随温度的变化。 温度漂移影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。 从硅光电池温度特性可知，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。 因此光电池作为测量元件时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿。,光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的温度特性,2020/8/6,35,发电装置：单体太阳能电池太阳电池组件阵列 调节控制器：充放电自动控制 阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电,光电器件,五、光电池,3、光电池应用：太阳能电池电源系统,2020/8/6,36,2020/

19、8/6,37,光电耦合器件又称光电隔离器。由发光元件和接收光敏元件集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电两次转换进行输入输出耦合。为了保证高灵敏度，发光元件和接收元件的波长应匹配。,光电器件,六、光电耦合器件,1、基本结构,黑色树脂封装,金属壳封装,2020/8/6,38,实现以光为媒介的传输，输入和输出端的电阻很高；输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗。 具有传输单向性，即从发光光源至受光器件，不会反馈；有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。 发光光源为砷化镓发光二极管，具有低阻抗的特点。 响应速度快，可用于高频电路。 结

20、构简单，体积小，寿命长。,光电器件,六、光电耦合器件,2、基本特性,特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,2020/8/6,39,光电器件,六、光电耦合器件,3、特点, 具有电隔离的功能：输入、输出信号间无电路的联系，所以输入和输出回路的电子零位可以任意选择。绝缘电阻高达1010l012，击穿电压高达10025kV，耦合电容小于1PF。, 信号传输方式：信号传输是单向性的，不论脉冲、直流都可以使用。适用于模拟信号和数字信号。, 具有抗干扰和噪声的能力：它作为继电器和变压器使用时，可以使线路板上看不到磁性元件。它不受外界电磁干扰、电源干扰和杂光影

21、响。,2020/8/6,40,光电器件,六、光电耦合器件,3、特点, 响应速度快：一般可达微秒数量级，甚至纳秒数量级。它可传输的信号频率在直流至10MHz之间。, 实用性强：具有一般固体器件的可靠性，体积小(一般66mm)，重量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在55+l00之间。, 即具有耦合特性又具有隔离特性：它能很容易地把不同电位的两组电路互连起来，圆满地完成电平匹配、电平转移等功能；,2020/8/6,41,光电器件,六、光电耦合器件,4、应用,光电耦合器的电平转换,光电耦合器构成逻辑电路,2020/8/6,42,光电器件,六、光电耦合器件,光电耦合器用于电路隔

22、离、信号耦合,2020/8/6,43,光电器件,六、光电耦合器件,光耦可控硅大功率负载控制电路,2020/8/6,44,光电开关：利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。,光电器件,六、光电耦合器件,透射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体经过时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，起到了检测作用。 反射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。,

23、光电开关的特点：小型、高速、非接触，与TTL、 MOS等电路容易结合。,2020/8/6,45,应用1：光电式太阳能自动跟踪控制器,B1、B3安装在控制电路外壳的同一侧，B2、B4安装在另一侧。 B1、B3受光照：3电位增大，K1工作，3、1闭合；5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转。B2、B4受光照：M反转。 面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止。,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,46,应用2：光电式心率测量装置,脉搏跳动生物组织血液量变化传输光的性能变化变化速率心率,手指光反射强度变化的测量,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,47,应用3：光电

24、式条形码扫描笔,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,48,应用4：光电式烟雾报警器,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,49,应用5：光电式浊度计,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,50,应用6：光电式高低电压隔离数据传输通道,光电器件,六、光电耦合器件,2020/8/6,51,2020/8/6,52,美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯1969年共同发明了CCD图像传感器。2009年被授予诺贝尔物理学奖，获1/2奖金。 CCD图像传感器：数码照相机的电子眼，通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像，摄影技术彻底革新；这一发明也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、

25、人体透视及显微外科等领域都有着广泛用途。获奖成就介绍评语,光电器件,八、电荷耦合器件,2020/8/6,53,电荷耦合器件（Charge Couple Device, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。 CCD以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。 CCD集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、功耗小。,光电器件,八、电荷耦合器件,CCD自1970年问世以来，因其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。,2020/8/6,54,

26、嫦娥二号,嫦 娥 探 月,CCD立体相机,光电器件,2020/8/6,55,（）MOS光敏元 CCD是由若干个电荷耦合单元组成。基本单元是MOS（Metal-Oxide Semiconductor）光敏元。,光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,MOS单元结构：以P或N型半导体为衬底；上面覆盖一层厚度约120nm的氧化层SiO2作为电解质；再在SiO2表面依次沉积一层金属电极为栅电极，形成金属-氧化物-半导体的MOS结构单元。,2020/8/6,56,空穴耗尽区：金属电极上施加正电压、衬底接地时，在电场作用下，靠近氧化层的P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，从而形成一个空穴

27、耗尽区。,光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,显微镜下MOS元表面,势阱：耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱。,2020/8/6,57,表面势阱：半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。,光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子就被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近光强成正比。,这样一个MOS结构元为MOS光敏元叫做一个像素，存储了电荷的势阱被称为电荷包。,2

28、020/8/6,58,在半导体硅片上有成千上万个相互独立的MOS光敏元。 一幅明暗起伏的图像照射在这些光敏元上，光敏元就感生出一幅与光照强度相对应光生电荷图像。 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。,光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,2020/8/6,59,光电器件,2、CCD传感器应用各类工件尺度测量,测量：拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径，等等。 例如：玻璃管直径与壁厚的测量。,玻璃管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像。,2020/8/6,60,光电器件,2、CCD传感器应

29、用数码相机,索尼F828数码相机,2020/8/6,61,光电器件,2、CCD传感器应用M2A摄影胶囊（Mouth anus）,以色列导弹专家20世纪90年代中期开发。发光二极管做光源，CCD做摄像机，每秒钟两次快门，信号发射到存储器（数据记录仪腰带），存储器取下后接入计算机下载图像。 用水将胶囊吞下后，随胃肠肌肉的运动沿胃十二指肠空肠与回肠结肠直肠方向运行，同时对经过的腔段连续摄像，工作时间达68小时，在吞服872小时后，随粪便排出。,2020/8/6,62,PSD一般为制作在同一硅片上的PIN结构。上面为P层，下面为N层，在P层和N层之间有一层高电阻率的本征半导体I层。,位置敏感器件（Po

30、sition Sensitive Detector, 简称PSD）： 一种敏感感光面上入射光点位置的器件，也称为坐标光电池，输出信号与光点在光敏面上的位置有关。 PSD具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，在位置坐标的精确测量、位置变化检测、位置跟踪、工业自动控制等领域得到了越来越广泛的应用。,光电器件,九、位置敏感器件,1、PSD的结构与原理,2020/8/6,63,光斑能量中心相对于器件中心位置xA，只与I1和I2电流的差值及总电流I0之间的比值有关，与入射光能的大小无关。,P层是光敏层，也是一个均匀的电阻层，在P层表面电阻层的两端各设置一输出极。,光电器件,九、位置敏感

31、器件,1、PSD的结构与原理,当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过P型电阻层分别由电极和电极输出。,设电极、距光敏面中心点的距离分别为L，光束入射点的位置距中心点的距离为xA，流过两电极的电流分别为I1和I2，则有,2020/8/6,64,PSD有两种： 一维PSD和二维PSD。,光电器件,九、位置敏感器件,2、PSD的种类与应用,一维PSD的感光面大多为细长的矩形条。主要用来测量光点在一维方向上的位置或位置移动量。,二维PSD的感光面是方形的。用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。,2020/8/6,65,2020/8/6,6

32、6,1966年，高锟就在光纤物理学上取得了突破性成果，计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输。这项成果最终促使光纤通信系统问世，正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。 高锟因在“有关光在纤维中的传输及用于光学通信方面”做出了突破性成就，获2009年诺贝尔物理学奖，1/2奖金。,光纤传感器,2020/8/6,67,光纤传感器,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。,光纤传感器特点： 不受电磁干扰，高绝缘强度，防爆性好；体积小，重量轻，可绕曲，耐腐蚀；灵敏度高，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。,光纤传感器可用于温度、压力、

33、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。,2020/8/6,68,光纤传感器,一、光纤的基本结构和传输原理,1、光纤的结构,光导纤维简称光纤，一种特殊结构的光学纤维。 光纤材料：基本为石英玻璃，有不同掺杂。,光纤导光能力取决于纤芯和包层的性质，纤芯的折射率N1略大于包层的折射率N2。,光纤主要由三部分组成： 纤芯中心的圆柱体 包层围绕着纤芯的圆形外层 护套在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。,2020/8/6,69,光纤传感器,一、光纤的基本结构和传输原理,2、光纤

34、的传光原理,光在光纤中传播基于光的全反射。,当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后, 又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。,但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出。这就是光纤的传光原理。,2020/8/6,70,光纤传感器,三、光纤传感器,1、光纤传感器基本原理,光调制原理：在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即光被外界参数调制的原理。 外界信号可能引起光的强度、波长、

35、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。,五个基本部分：光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等。 光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，调制后的光信号经光探测器转换为电信号。,2、光纤传感器组成,2020/8/6,71,光纤传感器,三、光纤传感器,光纤传感器目前可测量70多种物理量，种类很多，一般可分为功能型和非功能型两类。,3、光纤传感器分类,功能型（Functional Fiber，缩写为FF）：利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器传感器，又称为传感型传感器。 非功能型（Non Functional Fiber，缩写

36、为NFF）：光纤仅起传输光的作用，在光纤端面或中间加装敏感元件感受被测量的变化，又称为传光型传感器。,2020/8/6,72,光纤传感器,三、光纤传感器,相位的变化,（1）功能型光纤传感器 光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤在被测对象作用下，相位、光强、偏振态等光学特性受到调制，调制后 的信号携带了被测信息。,3、光纤传感器分类, 相位调制型光纤传感器 当真空中的光入射到长度为l、折射率为n、直径为的d光纤时，当ld，入射端面为基准，则出射光的相位为,因此，应变和折射率的变化会产生相位的变化。 测量物理量：温度、压力、加速度等。,调制解调方法：常采用干涉技术。 常用干涉测量仪器

37、：马赫泽德干涉仪、迈克耳逊干涉仪、赛格纳克干涉仪等。,2020/8/6,73,光纤传感器,三、光纤传感器,3、光纤传感器分类,（2）非功能型光纤传感器 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由光电转换元件实现。,2020/8/6,74,光纤传感器应用,一、光纤加速度传感器,光纤加速度传感器是一种简谐振子的结构形式。 激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。 当传感器感受加速度时，质量块M对光纤作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变，进而反射光相位发生变化。,相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。 激光干涉仪干涉条纹的移

38、动可由光电接收装置转换为电信号， 经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。,2020/8/6,75,光纤传感器应用,二、光纤温度传感器,根据工作原理光纤温度传感器可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。光强调制半导体光吸收型光纤温度传感器的结构由半导体光吸收器、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。,半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，透射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可测量温度。,2020/8/6,76,光纤传感器应用,二、光纤温度传感器,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

39、变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2s。 特点：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。,2020/8/6,77,光纤传感器应用,三、光纤位移传感器,反射式光纤位移传感器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。 被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。,2020/8/6,78,光纤传感器应用,四、光纤式光电开关,遮断型光纤光电开关,2020/8/6,79,光纤传感器应用,四、光纤式光电开关,缺料

40、检测或计数,机械手控制,螺丝长度和有无的检测,断线监测,2020/8/6,80,2020/8/6,81,光电式传感器应用,光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等相继应用，使光电式传感器在检测和控制领域应用非常广泛。 光电式传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,2020/8/6,82,2020/8/6,83,光电式传感器（下）光电开关及光电断续器,从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结

41、构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。,2020/8/6,84,一、光电开关的结构和分类,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。 遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,2020/8/6,85,光电开关外形,2020/8/6,86,遮断型光电开关示意图,遮断报警,2020/8/6,87,遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接

42、受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,2020/8/6,88,光电开关在流水线上的应用,送料器,定区域式光电开关,咖啡罐,流水线运行方向,罐装高度检测,储料仓,落料口,遮断式光电开关（计数）,2020/8/6,89,光电式可逆计数器,出入场人数统计,光电开关应用,2020/8/6,90,光幕,接收器,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,2020/8/6,91,光幕应用,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,光线被遮断（报警）,20

43、20/8/6,92,光幕应用（续）,产品高度测量,2020/8/6,93,光幕应用（续）,三维尺寸检测,宽度 测量,长度 测量,高度 测量,2020/8/6,94,光幕应用（续）,木材外形截面积检测,2020/8/6,95,光幕应用（续）,纠偏,光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。,2020/8/6,96,光幕应用（续）,光幕用于 自动收费系统的车辆检测,2020/8/6,97,光幕应用（续）,锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警,2020/8/6,98,光幕应用（续）,安全区示警,2020/8/6,99,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种

44、情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。,2020/8/6,100,定区域反射式光电开关原理,定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。,检测距离,检测距离,2020/8/6,101,反射型光电开关及反射镜外形,三角反射镜,集发射、接收器于一身,2020/8/6,102,反射镜反射型光电开关工作原理,反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。,反射板,反射镜,被测物体,偏振光,发射光,调制型光电开关原理,光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。,2020/