第九章光电式传感器.ppt

1、第9章 光电式传感器,9.1光电器件 9.2光纤传感器 9.3光栅式传感器 9.4电荷耦合器件 9.5位置敏感器件,光 谱 光 波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。,光的基本物理特性和常用光源,光的特性 光具有波粒二重性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性。 光的粒子说可知，光是由具有一定能量、动量和能量的粒子所组成，这种粒子

2、称为光子。每个光子都具有一定的能量，其大小与它的频率成正比，即 E=hf=hc/ 式中h为普朗克常数，h=6.62610-34（J.S）； f为光子的频率（S-1）； C为光速，C=3108（m/S）； 为光的波长（m）。,常用光源及特性,1、热辐射光源。 热辐射光源输出功率大，但电源的响应速度慢，调制频率一 般低于1KHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。 2、气体放电光源。 气体放电光源发出的热量少，对检测对象和光电探测器件 温度影响小，对电压恒定要求也比白炽灯低。 3、电致发光器件。 具有体积小、功耗低、寿命长（106109h）、工作电压低 （12V）、响应速度快（几个纳秒至几十纳秒），便

3、于与集 成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。 4、激光器。 按工作物质来分：（1）固体激光器； （2）气体激光器； （3）半导体激光器；（4）液体激光器 。,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,光电传感器的定义及组成,光照射物体时，物体受到一连串具有一定能量光子的轰击，物体中的电子吸收了光子的能量，导致物体的电学性质发生了改变，这种现象称为光电效应。 光电效应分为： 1、外光电效应(光电发射效应)； 2、内光电效应（光电导效应和光生伏特效应）； 光电传感器是基于光电效应的转换原理,把光信号转换成电信号的传感器。 光电传感器由四

4、部分组成：光源、光通路、光电元件和测量电路。如图,光电效应的实验规律为： （1）光电流的大小与入射光的强度成正比； （2）光电子的初动能只与入射光的频率有关，而与入射光的强度无关； （3）当入射光的频率低于某一极限频率时，不论光的强弱，照射时间的长短，均无光电流产生； （4）从光照开始到光电子被释放出来。整个过程所需的时间小于10-9S。,光电器件,9.1.1光电管和光电倍增管,在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，又称光电发射效应。它是在1887年由德国科学家赫兹发现的。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,A0逸出功也称功函数，是一个电子从金属或

5、半导体表面逸出时克服表面势垒所需作的功，其值与材料有关，还和材料的表面状态有关。,式中 m电子质量；v0电子逸出速度。,基本定律： 1.光电流的大小与入射光的强度成正比 2.爱因斯坦光电效应方程式,由爱因斯坦光电效应方程式知：,当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。,光电子能量大于该物体的表面电子逸出功A0，才能产生光电子。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。光线频率低于红限频率，光子能量不足以使物体内的电子逸出，因而小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射；反之

6、，入射光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。,光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2 ，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。,1、 光电管,光电管是一种具有悠久历史的光传感器，是一个装有光电阴极K和阳极A的真空玻璃管，有很多种，图中左边的一种，光电阴极是在玻璃管内壁涂上阴极涂料构成的；右边的一种，光电阴极是在玻璃管内装入涂有阴极涂料的柱面形极板构成的。,工作原理： 工作时阴极K接电源负极，阳极A通过负载电阻接电源正极。 当一定波长的光线透过玻璃窗照射到光电管的光电阴极时

7、，电子从阴极发射到真空中，在电场的加速作用下，电子向阳极运动，形成空间电子流称为光电流。 对于真空的光电管，形成的空间电流光电阴极的光亮度。,当光通量一定时，电压与光电流的关系，叫光电管的伏安特性曲线, 当入射光比较弱时，由于光电子较少,只用较低的阳极电压就能收集到所有的光电子，而且输出电流很快就可以达到饱和；当入射光比较强时，使输出电流达到饱和，则需要较高的阳极电压。 光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域内。由于这部分动态阻抗(dU/dI)非常大，以致可以看作恒定电流源，能通过大的负载阻抗取出输出电压。,充气（氩，氖）光电管 在充气光电管中，光照产生的光电子在电场加速下向阳极运

8、动，途中与气体原子发生碰撞，产生电离(汤姆生放电)，电离过程中产生的电子和光电子一起被阳极吸收，而正离子向相反方向运动而被阴极吸收。 光电子在趋向阳极的途中更多自由电子产生，从而使阳极电流急速增加(电子倍增作用)，提高了光电管的灵敏度。,充气光电管的伏安特性不具有真空光电管的那种饱和特性，而是达到充气离子化电压附近时，阳极电流急速上升，如图所示。急速上升部分的特性就是气体放大特性，放大系数为510。,比较,充气光电管的优点是灵敏度高，但其灵敏度随电压显著变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差。所以在测试中一般选用真空光电管。 真空光电管的时间响应特性很好，从光子变换为光电子只需10-12s的

9、时间，因此可以忽略不计,用光电管对微弱光进行检测时，光电管产生的光电流很小，由于放大部分所产生的噪声比决定光电管本身检测能力的光电流散粒效应噪声大得多，检测极其困难。若要解决对微弱光的检测，就要用光电倍增管。 光电倍增管是一种真空光电器件，是利用二次电子释放效应，将微弱的光输入转换成电流，并使电子流在管内部进行放大的真空器件。 所谓二次电子释放效应是指具有足够动能的电子轰击任何物体使该物体发射出电子的现象。轰击物体的电子成为一次电子，受轰击物体发射的电子称为二次电子。,2、 光电倍增管,光电倍增管结构及工作原理,由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成；

10、阳极最后收集电子。,工作时阴极和阳极之间的电压在千伏左右。电极电位从阴极逐级以100V左右升高。当入射光透过玻璃窗照射到光电阴极上，阴极受激发向外发射光电子，这些电子经过电子光学系统的静电聚焦和加速，飞向比阴极电位高100V左右的第一倍增极。倍增极受到一定能量的电子轰击时，释放出更多的电子，即二次电子发射，倍增效应产生。倍增后的电子再次加速飞向更高电位的下一倍增极，最终经过n次倍增后的电子到达阳极被收集。,倍增极的形状和位置设计得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍增极。 从阴极开始在每个倍增极间依次加上加速电压。阴极与阳极之间外接R1-n进行分压。 通常把二次发射的电子数与入射电子

11、数的比值定义为二次发射系数,设每级的倍增率为，经过n个倍增极后，光电倍增管的光电流倍增率将为 n（电流放大倍数）。 不仅与物质的种类和表面状态有关，而且随着一次电子能量以及光的入射角的不同有很大的差异。金属的 =0.5-0.81，半导体 =5-61,光电倍增管收集到的电子数是阴极发射电子数的105106倍，即放大倍数可达几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流。,3、 光电管与光电倍增管特性,I:铯氧银；II：锑化铯；III：人眼视觉特性,伏安特性：阳极输出电流与阳极电压之间的关系,光电特性 ：阳极输出电流与光电阴极上的

12、光通量之间的关系,光谱特性：光电管的峰值响应波长。选用时一定要使倍增管的光谱特性与被测光的光谱尽量接近或匹配,产生机制：在入射光作用下,电子吸收光子能量,从价带激发到导带,过渡到自由状态,同时价带也因此形成自由空穴,致使导带的电子和价带的空穴浓度增大, 引起材料电阻率减小，外电场作用下可形成光电流。为使电子从价带激发到导带,入射光子的能量E0应大于禁带宽度Eg,如图所示,即光的波长应小于某一临界波长0。,9.1.2 内光电效应,内光电效应有两种：光电导效应和光生伏特效应。,1 光电导效应 ： 光照射到绝大多数高电导率半导体材料引起该材料的电导率下降而易于导电的现象，叫光电导效应。这种效应几乎所

13、有高电阻率半导体都有。利用光导效应的材料制成的光敏器件称为光敏电阻又称光导管。,2.光生伏特效应 在光线作用下，能够使半导体在一定方向上产生电动势的现象称为光生伏特效应。利用光生伏特效应制成的光敏器件包括光敏二极管、光敏三极管和光电池。,PN结产生光生伏特效应,1. 光敏电阻,光敏电阻为纯电阻元件，阻值随光照增强而减小。 光敏电阻优点：灵敏度高，体积小、重量轻，光谱响应范围宽，可从紫外区到红外区范围内。机械强度高、耐冲击和振动，性能稳定、寿命长，价格便宜，广泛用于光电耦合，光电自动开关、通信设备及工业电子设备中。 缺点：使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。,光敏电阻,当

14、光敏电阻受到光照时， 阻值减小。,光敏电阻演示,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。,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M，甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,1）暗电阻、亮电阻、光电流,暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。 亮电阻：光敏电阻在某一光照下的阻值，为该光照下的亮电阻。 光电阻：亮电阻与暗电阻之差

15、。,2）光照特性,光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。,3）光谱特性 光谱特性与光敏电阻的材料有关。,4） 伏安特性,5）频率特性,在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。,当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这是光敏电阻的时延特性。多数光敏电阻的时延都比较大.,6）稳定性,7）温度特性：其性能(灵敏度、暗电阻)受温度的影响较大。,初制成的光敏电阻，性能不够稳定。但在人为地加温、

16、光照及加负载情况下，经1-2周的老化，性能可达稳定。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。,9.1.3 光敏二极管和光敏三极管,1、光敏二极管,可见，光敏二极管与普通二极管相似，具有一个PN结，单向导电，属于非线性器件。不同之处在于光敏二极管的PN结封装在管壳的顶端，可以接受光照，工作在反偏状态。,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,光电二极管的工作原理,大多数情况下光电二极管工作时处于负偏压状态，因此无光照时，PN结反偏，反向电阻很大，只有少数子在反向偏压作用下，形成

17、微小的反向电流，此时电流称为暗电流。 当光照射二极管时，光子打在PN结附近，使PN结的空间电荷区吸收能量产生光生电子空穴对，P区和N区的少数载流子浓度大大增加，在外加反偏电压和内电场作用下，P区的少数载流子进入N区，N区的少数载流子进入P区，从而使PN结的反向电流大大增加形成光电流。光电流与入射光照度呈线性关系。,光敏二极管外形,包含1024个InGaAs元件的线性光电二极管阵列，可用于分光镜。,红外发射、接收对管外形,红外发射管,红外接收管,PIN光电二极管,PIN光电二极管是在P区和N区之间插入一层电阻率很大的I层，从而减小了PN结的电容，提高了工作频率。响应频率可达数十兆赫，可用作各种数

18、字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、UHF 频带小信号开关、中波频带到1000MHZ之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和RF领域的高速开关等。特殊结构的PIN二极 管还可用于测量紫外线或射线等。,APD光敏二极管（雪崩光敏二极管）,硅雪崩光电二极管是可见光和近红外探测器，它具有高响应度，高信噪比，高响应速度等特点，可广泛应用于微光信号检测、长距离光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。,GD3250系列硅雪崩光电二极管的特性参数,2光敏三极管,光敏三极管的结构和工作原理,将一般晶体管的基极PN结制 成光敏二极管的结构形状，就

19、 形成光敏三极管，工作时集电极反偏，发射极正偏,基极电流由光敏二极管提供所 以一般没有基极引线。,集电极很大，而发射极很小， 扩大受光面积,把光敏二极管的光电流在三极 管上放大，获得更大的输出电 流。,3、硅光敏晶体管的特性,电磁波频谱,1）光谱特性,材料不同，峰值波长不同，可见光探测，用硅管，红外光探测用鍺管,2）光电特性：,3）伏安特性,可将光敏三极管看作一般的晶体管。光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大。,4）光照特性,输出电流 I 和照度之间呈现了近似线性关系。当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。,5）温度特性

20、,温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大。所以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。,6）光敏三极管的频率特性,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。一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差。对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下。硅管的频率响应要比锗管好。,3. 光电池,光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，结区附近产生光电子-空穴对，在PN结电场的作用下，N区的空穴被拉向P区，P区的电子被拉向N区，结果在PN结两端产生电位差，形成电压源。此时若光电池外接负载，电路

21、中会有电流流过。,光电池外形,光敏面,能提供较大电流的大面积光电池外形,其他光电池及在照度测量中的应用,柔光罩下面为圆形光电池,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能 硅光电池板,光电池在动力方面的应用,太阳能发电,光电池在动力方面的应用,光电池在人造卫星上的应用,1）光照特性,基本特性,开路电压与辐照度呈非线性关系，且很快随辐照度增加进入饱和。 短路电流在很大的光辐照度范围内与辐照度成正比。 所以光电池一般应利用其短路电流的特性，采用较小的负载电阻值，近似满足短路条件。,负载RL越小，光电流与强度的线性关系越好，且线性范围越宽。,2）负载特性,3) 光谱特性,光电池的光

22、谱特性决定于材料。从曲线可看出，硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，恰好与人的视觉灵敏度相适应，适宜测可见光，用于许多分析测量仪器。硅光电池应用的范围400nm1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。,光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。由于光电池PN结面积较大，极间电容大，故频率特性较差。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池则较差。,4) 频率特性,5）温度特性,开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标，因此，当光电池作为测量元件时，最好能保持温度

23、恒定，或采取温度补偿措施。,9.1.4 光电传感器及其应用,一、 模拟式光电传感器,二、 脉冲式光电传感器,三、光电传感器的实际应用,1、红外线辐射温度计,市售的红外辐射温度计的温度范围：-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,激光仅用于瞄准,用于食品温度测量,非接触体温测量中的应用,耳温仪,用于人体额温测量,在非接触温度测量中的应用,集成IC 温度测量,非接触温度测量中的应用,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,在非接触温度测量中的应用,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度 采集系统,2.热释电传感器在人体检测、报警中的应用,它可用于能

24、产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电元件外形,热释电传感器的内部电路和原理,两块反向串联的热释电晶片,场效应管,热释电晶片表面必须罩上一块由一组平行的棱柱型透镜所组成菲涅尔透镜，每一透镜单元都只有一个不大的视场角，当人体在透镜的监视视野范围中运动时，顺次地进入第一、第二单元透镜的视场，晶片上的两个反向串联的热释电单元将输出一串交变脉冲信号。当然，如果人体静止不动地站在热释电元件前面，它是“视而不见”的。,热释电报警器,菲涅尔透镜,设定按钮,高分贝喇叭,菲涅尔透镜, 5mm接插件,热释电传感器应用,热释电传感器用于自动亮灯，也可以用于防盗。,热释电传感器的

25、感应范围,热释电感应灯,热释电传感器,自动感应灯（参考施特朗公司资料）,热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,3、光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,光电式浊度计工作原理,1恒流源 2半导体激光器 3半反半透镜 4反射镜 5被测水样 6、9光电池 7、10电流/电压转换器 8标准水样,参比通道,4、烟雾报警器,1）无烟雾时，光敏元件接收到LED发射的

26、恒定红外光。,报警,2）在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,无线烟雾报警器内部结构,可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器,反射式烟雾报警器,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。,当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,5、光电式转速表,光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,n =60( f /z ),水泵转速测量,光电转速

27、传感器,6、色标传感器,色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。通过检测色标对光束的反射或吸收量与周围材料相比的不同而实现检测的。所以，颜色的识别要严格与照射在目标上的光谱成分相对应。,色饱和图,各种色标传感器外形,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,用多个色标传感器测量薄板的颜色,产品包装色彩检测、分选,7、光电式带材跑偏检测器,光电传感器,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。,当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电

28、压反映了带材跑偏的方向及大小。,带材纠偏系统,8、光电开关在流水线上的应用,送料器,落料口,遮断式光电开关（计数）,光幕,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。,接收器,发射器,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）,光幕应用,产品高度测量,光幕应用,光幕应用,木材外形截面积检测,光幕应用,光幕应用（续）,光幕用于 自动收费系统的车辆检测,光幕应用,锻压机床的 安全区域设置 及入侵报警,光幕应用,安全区示警,声控光敏延时开关电路,条形码 扫描笔,光电传感器在输液

29、监测中的应用,9.2 光纤传感器,9.2.1 光导纤维的结构与种类,光导纤维的结构和原理由纤芯（折射率n1）和包层（折射率n2）组成（n1n2)。外层一层尼龙保护套（折射率n3） 。且应满足n1n3n2,光纤传感器是利用被测量对光纤内传输的光进行某种形 式的调制，使传输光的强度相位、频率或偏振状态等特性发 生改变，再对被调制过的光信号进行检测，从而测定被测量 的一种新型传感器。,按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤,2.光纤分类：,阶跃型：纤芯和包层的折射率均匀分布，纤芯到包层的折射率呈突变阶梯状变化，切纤芯内的光线沿轴线呈锯齿形轨迹传播。 渐变型（梯度型）：包层的折射率均匀分布，纤芯的折射率

30、不是常值，而是在界面处折射率最大，其值由中心向外按抛物线规律逐渐变小。到纤芯边上变为包层折射率。因此光在传播过程中会自动从折射率小的界面向中心汇聚，纤芯内的光线沿轴线类似正弦波轨迹传播。 原理：折射率呈抛物线型分布具有自聚焦性质，不同角度入射来的光线在光纤轴的平面上空间周期一定，不同角度入射来的光线都会会聚到同一点上，从而达到聚焦的效果。,按照工作原理光纤传感器分为功能型FF（全光纤型，传感型）和非功能型NFF（传光型）。 功能型光纤FF： 光纤连续，不仅作为光传播的波导，而且还利用光对外界信号的敏感能力和检测能力，使光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。使光纤中传输光的属性（相位、强度、

31、波长、偏振态）被调制来实现传和感的作用。 非功能型光纤NFF（光通讯） 光纤只作为光的传输回路，只起传光作用，又称为传光型。把光源的光通过入射光纤送入调制器，使待测信号与光相互作用，导致光的性质发生改变，成为调制光，再经出射光纤将调制光送到光探测器，经解调后获得被测信号的信息。,真空中或单一物质中光沿直线传播。设上图示圆柱形光纤的两个端面均是光滑的平面，当光以入射角1从空气中入射到光纤。再以2由纤芯到包层表面并在纤芯包层的界面上发生折射时，由光的折射斯奈尔定律：,9.2.2 光导纤维的传光原理,光的全反射,1增大，2也增大，当2增大到90时，光线在两者界面发生全反射现象。,光的全内反射是光纤传

32、输光的物理基础。 （1）光的全反射条件,当光从光密介质射向光疏介质时，且入射角大于临界角，则会发生全反射现象。 设光纤周围介质的折射率为n0，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，且n1n0，n1n2，当光线从周围介质入射到纤芯的端面，并于轴线的夹角为0时，光线在纤芯内的折射角为1，然后以1角度入射到纤芯与包层的界面。,0,1,1,光的全内反射是光纤传输光的物理基础。 （1）光的全反射条件,当入射光在纤芯与包层的界面上发生全反射的时候，光线就不会折射到包层内，而是不断地进行全反射，最终从光纤的另一端面射出，发生全反射的条件是,光的全反射实验,数值孔径NA,评价光纤的性能指标,空气n0=1， 可见

33、：凡是从空气中以入射角大于c入射的光线进入光纤，在光纤纤芯与包层界面上不会发生全反射，经折射进入包层；凡是在顶角2c的圆锥形立体角入射的光线进入纤芯后，全部在纤芯与包层界面上发生全反射。,0,1,1,NA的物理意义,NA越大，c越大，一般希望NA越大越好，它表明无论光源发射功率多大，只有2 c内的光才能被光纤接受，全反射传输。有利于耦合效率的提高。但c越大，由sinc=n1cosc，c越小。光线在传输的过程中反射的次数越多，光子轴向的视在光速就越慢。虽然以不同角度入射芯子的许多光线都能传播到另一端，但经光纤传输到出射口的波形输出与入射口的波形大不相同。c越大，离散越大，光信号畸变越严重，所以应

34、该适当选择c,各种装饰性光导纤维,发光二极管产生多种颜色的光线，通过光导纤维传导到东方明珠球体的表面。在计算机控制下，可产生动态图案。,上海东方明珠,光纤传感器外形,光缆的外形及光纤的拉制,与光纤耦合的电光与光电转换器件,实现电光转换的元件通常是发光二极管或激光二极管。,激光二极管的外形,激光二极管芯片,专用的光纤连接头及光纤插座,光纤与电光转换元件耦合时，两者的轴心必须严格对准并固定，可使用专用的连接头及光纤插座来完成。,9.2.3 光纤传感器的工作原理,1. 功能型光纤传感器,1）调幅型：光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）测量畸变的微弯光纤传感器，用于测量力、位移或者声压，原理：无压

35、力时，光源经光纤直接输出到探测器。有压力时，光纤发生微变弯曲变形。当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光外，一部分光透射进入包层，导致光能的损耗。输出光强度减小。,2） 调相型：马赫则德干涉仪，测量温度,光电元件,光信号在光纤内传播的相位随温度参数的改变而改变，该改变是由于光纤材料的尺寸和折射率随温度的变化而引起的。,：相位的变化,：自由空间光波长,：传播常数随纤芯半径的变化率,：线膨胀系数,：折射率温度系数,可见，只要测出相位的变化就可测出温度的变化,过程：来自信号光纤的光与一稳定的参考光束在仪器中混合，信号光束是已受（温度、压力或应变）参数影响的，传输的光信号相位已经发生了

36、改变。两束光发生干涉现象，用一相位检测器检测出其位移变化，即可测得1%的温度变化。,光电元件,2. 非功能型光纤传感器,当被测表面紧贴光纤探头时，发射光纤中的光线不能反射到接收光纤中，光电器件就不能产生光电流信号。当被测表面逐渐远离光纤探头时，发射光线照亮被测表面的面积A越来越大，相应的发射光锥和接收光锥重合面积B1越来越大，接收光纤端面上被照亮的区域B2也越来越大，光电器件产生的光电流也随之增加，这段曲线称为前坡区。在前坡区，输出光电流与位移X成正比，由此来测量微小位移和表面粗糙度等。 当接收光纤表面全部被照亮时，输出光电流达到最大值，即曲线的光峰点，利用光峰点检测被测表面的状态。 当被侧表

37、面继续远离光纤探头时，由于被反射照亮的面积B2大于接收光纤的截面积，有部分反射光没有进入接收光纤，接收到的光强逐渐减弱，光电器件产生的光电流也逐渐减小，进入曲线的后坡区，此时输出光电流与x2成反比，可实现远距离测量。,3、光纤传感器的实际应用,下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关。可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变,1）遮光式光纤温度计,当温度升高时，双金属片的变形量增大，带动遮光板在垂直方向产生位移从而使输出光强发生变化。这种形式的光纤温度计能测量1050的温度。检测精度约为0.5。它的缺点是输出光强受壳体振动的影响，且响应时间较长，一般需几分钟。,保护管内为高温光纤,低

38、温光纤,光纤温度传感器,2）光纤压力传感器,下图为简单的利用Y形光纤束的膜片反射型光纤压力传感器。在Y形光纤束前端放置一感压膜片，当膜片受压变形时，使光纤束与膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制。,3）光纤多普勒流速计,下图为利用光纤多普勒计来测量流体流速的原理。当待测流体为气体时，散射光将非常微弱，此时可采用大功率的Ar激光器（出射光功率为2W，=514.5nm）以提高信噪比。,4）光纤液位传感器,5）光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光

39、纤,光纤式光电开关应用,遮断型光纤光电开关,出射光纤,接收光纤,光纤式光电开关应用,采用遮断型光纤光电开关对IC 芯片引脚进行检测,6）光纤的其他应用,军用光纤陀螺：将激光射入绕成线圈的光纤，当线圈的底座随运动物体旋转时，可以测得出射光的相位发生变化，它的灵敏度比机械陀螺高，无机械磨擦力。,光纤内窥镜,3.2 光电器件-电荷耦合器件,9.4 电荷耦合器件（CCD）,基于CCD光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机,9.4 电荷耦合器件（CCD）,9.4.1 CCD的结构与工作原理,(Charge Coupled Devices,简称CCD)是贝尔实验室的W.S.Boyl

40、e和G.E.Smith于1970年发明的,由于它有光电转换、信息存储、延时和将电信号按顺序传送等功能，且集成度高、功耗低，因此随后得到飞速发展，是图像采集及数字化处理必不可少的关键器件，广泛应用于科学、教育、医学、商业、工业、军事和消费领域.,CCD结构示意图,显微镜下的MOS元表面,1.基本结构,CCD基本结构分两部分： （1）MOS（金属氧化物半导体） 光敏元阵列； 电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。 （2）读出移位寄存器。,彩色CCD显微照片（放大7000倍）,CCD是一种半导体器件，在

41、N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容阵列再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片。,MOS光敏元阵列,CCD,光信息,电脉冲,脉冲只反映一个光敏元的受光情况,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱,输出脉冲的顺序可以反映一个光敏元的位置,完成图像传感,CCD的基本功能是电荷的存贮和转移，突出特点是以电荷作为工作信号，工作过程包括电荷的注入、存储、传输和检测。 1）电荷存储： MOS电容器和一般电容器不同的是，其下极板不是一般导体而是半导体。假定所用半导体是P型硅，其中多数载流子是空穴，少数载流子是电子。当金属电极上施加正

42、向电压UG时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到金属中的正电荷（空穴）排斥，少数载流子（电子）被吸引到半导体表面形成带负电荷的耗尽层，又称为表面势阱。耗尽层对电子来说势能很低，可以吸收自由电子，电子一旦进入就不能复出，栅极电压越高，耗尽层（势阱）越深，势阱能容纳的少数载流子越多。可见MOS电容器具有存储电荷的功能。存储信号电荷的势阱又称为电荷包。,CCD的工作原理,如果衬底是N型硅,则在电极上加负电压,可达到同样目的。,即信号电荷的产生，CCD中的信号电荷可通过光注入和电注入两种方式产生。当CCD用于固态图像处理时，接收的是光信号，电荷由光生载流子产生，即光注入。当光照射半导体时，若光子的能量大

43、于半导体禁带宽度，就会被半导体吸收，产生光生载流子（电子-空穴对），在栅极电压UG的作用下，电子被势阱吸收，势阱内吸收的光生电子数与入射光强成正比，实现光信号与电信号的转换。 当CCD用做信息存储或信息处理时，才用电注入方式。电注入CCD就是通过输入电路对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。,CCD的工作原理：2）电荷注入,1.t=t1时刻，1是高电平，于是在电极1下形成势阱，将少数载流子吸引至Si-SiO2界面处，而电极2、3因为加的是低电平，形象地称为垒起阱壁。 2.t=t2时刻，1 2是高电平3仍是低电平 ，电极2下面也形成势阱，电极1下面势阱中的电荷开始扩散漂移到电

44、势2下面的势阱区。电极3上低电平无变化，仍高筑势垒。势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。,CCD的工作原理：3）电荷传输和4）电荷检测,3. t=t2-t3时刻，1高电平逐渐下降， 2是高电平，3仍是低电平，电极1下面势阱中的电荷逐渐扩散漂移到电势2下面的势阱区。电极3上低电平无变化，仍高筑势垒，势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。 4.t=t3-t4时刻，1 变为低电平，2是高电平，3仍是低电平 ，电极2下面形成势阱，电极1下面势阱中的电荷全部扩散漂移到电势2下面的势阱区。电极3上低电平无变化，仍高筑势垒。势阱里的电荷不能往电极3下扩散和漂移。 这样便完成了电荷由电极1向电极2的一次转移 电荷检测就是通过输出电路将信号电荷转换为电流或电压输出。,完成一次转移的过程,CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD，结构上有多种不同形式，如单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构C