【正文】 波長穩(wěn)定性好 由于光柵的作用有助于使發(fā)射波長鎖定在諧振 波長上，因而波長的穩(wěn)定性得以改善 DFB激光器照片 發(fā)光二極管 (LED) ? 發(fā)光二極管 (LED)的工作原理與激光器 (LD)有所不同， LD發(fā)射的是 受激輻射光 ， LED發(fā)射的是 自發(fā)輻射光 。 光纖傳感的重要器件： 一 光源 光纖傳感器光源的要求 ? 由于光纖傳感器結構所限，要求光源的體積小，便于與光纖耦合 ? 光源要有足夠的亮度，以提高傳感器輸出的光功率 ? 光源發(fā)出的光波長合適，以減少光波在光纖中傳輸時的能量損耗 ? 光源工作時穩(wěn)定性好、噪聲小，能在室溫下連續(xù)長期工作 ? 光源要便于維護，使用方便 光源的分類 ? 非相干光源 包括白光源與發(fā)光二極管 ? 相干光源 包括各種激光器：半導體激光器、氦氖激光器、固體激光器 在大多數光纖傳感中使用相干光源 相干光源 原理 能級的躍遷： 原子中的電子可以通過和外界交換能量的方式發(fā)生量子（能級）躍遷，對于大量原子組成的體系來說，同時存在光的受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射三個狀態(tài)。 則 θ j θ i θ k θ r A B C D E F G K O O n0 n2 n1 光纖導光示意圖 θ 光纖的損耗 ?1550 nm : ~ ?1310 nm : ~ dB/Km ?850 nm : ~ dB/Km ?光纖熔接點損耗： dB(Decibel):表征相對值的值，純粹的比值，只表示兩個量的相對大小關系，沒有單位 。多用于家電、音響，以及短距的圖像傳輸。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素 (彎曲、相變 )的作用，其光學特性 (光強、相位、偏振態(tài)等 )的變化來實現“傳”和“感”的功能。 光纖傳感器的發(fā)展方向 ? 光纖傳感器的發(fā)展方向主要有以下幾個方面： ① 以傳統傳感器無法解決的問題作為光纖傳感器的主要研究對象。 ? 非侵入性。 19902022，光纖光柵（ FBG）傳感技術進入一個研究熱潮。 CCD的應用 光纖傳感技術 理論與發(fā)展 光纖傳感的關鍵器件 光纖傳感系統 ? ―有關光在纖維中的傳輸以用于光學 通信方面”取得了突破性成就 2022年 諾貝爾物理學獎 授予英國華裔科學家 高錕 ? 高錕 光纖之父 1966年，高錕發(fā)表了一篇題為 《 光頻率介質纖維表面波導 》 的論文，開創(chuàng)性地提出光導纖維在通信上應用的基本原理，描述了長路程及高信息量光通信所需絕緣性纖維的結構和材料特性。 CCD/CMOS尺寸越大，感光面積越大，成像效果越好。因此感光面積不再因為傳感器的開口面積而決定，而改由微型鏡片的表面積來決定。經由外部電路的控制，每個小電容能將其所帶的電荷轉給它相鄰的電容。博伊爾 (Willard S. Boyle) 喬治 “電疇” ? 電光效應 :光開關 \光波導 \光顯示器件 ? 聲光效應 :聲光偏轉器 ? 光折變效應 :光調制器件 \光信息存儲器件 ? 非線性光學效應 :光學倍頻 (BBO\LBO)器件 ? 壓電性 :壓電傳感器 \換能器 \SAW\馬達 ? 熱釋電效應 :非致冷紅外焦平面陣列 熱釋電效應 ? 光照鐵電晶體，吸收 產生溫度變化導致材 料自發(fā)極化變化。他將太陽光用三棱鏡分解開，在各種不同顏色的色帶位置上放置了溫度計，試圖測量各種顏色光的加熱效應。 解決方法： VFC(電壓頻率轉換 )方式 ? 光耦隔離傳輸數字量時，要考慮光耦的響應速度問題。 FET因其制造工藝簡單 ， 功耗小 ， 溫度特性好 ， 輸入電阻極高等優(yōu)點 ， 得到了廣泛應用 。 一、 1839年，法國科學家貝克雷爾發(fā)現“光伏效應” 。 光電效應傳感器 ? 外光電效應 在光照射下，某些材料中的電子逸出表面而產生光電子發(fā)射的現象稱為外光電效應，也稱為光電發(fā)射效應。 電壓型 PTAT ? 輸出電壓與溫度成 正比，由恒流源、 PTAT及晶體管組成 ? 常用的電壓型溫度傳感器為四端輸出型： 調整輸出溫度系數為 10mV/K V+， V：基準電壓 Vout：電壓輸出 表示 K Vin：偏置電壓 Vin=， Vout=0 表示 0 oC 電流型 PTAT ? 輸出電流與溫度成 正比，由恒流源、 PTAT組成 AD590 ? AD590工作電壓 430V，測溫范圍 55150度 輸出電流和熱力學溫度嚴格成正比 晶閘管 ? 晶閘管的特點是可以用弱信號控制強信號。 ? 熱電勢足夠大，且熱電勢溫度最好是線性或簡單函數關系，測量精度高，誤差小。 湯姆遜效應 ? 一均勻介質棒兩端溫度不同，導體的高、低溫端有溫度梯度，高溫端自由電子有較高動能向低溫端擴散，形成內建電場，內建電場的產生又使電子由低溫端向高溫端漂移，當擴散和漂移達到動態(tài)平衡時，兩端的電勢差叫湯姆遜電勢。 ? 電阻溫度系數比金屬大很多。 ? 1980年以后是以 獨立性 為特征的個人機時代。 ? 1965年以后是以 系統性 為特征的大型機時代。如鉑，銅，鐵，鎳 熱敏電阻 ? 熱敏電阻是用某種金屬氧化物為基體原料，加入一些添加劑，采用陶瓷工藝制成的具有半導體特性的電阻器。 ? 帕爾帖效應 湯姆遜效應 帕爾帖效應 ? 同溫度的兩種不同 金屬相互接觸，由于 金屬內自由電子密度 不同，在接觸面附近 產生一個穩(wěn)定電勢叫 帕爾帖電勢。 熱電偶的材料 ? 在測量范圍內，熱電性質穩(wěn)定，物理化學性質穩(wěn)定，不易氧化和腐蝕。 PTAT原理電路 ? Proportional To Absolute Temperature 優(yōu)點：輸出結果與絕對 溫度成正比，理 想的線性輸出。 ? 固態(tài)圖像傳感器 分兩大類，一類是用 CCD的光電轉換和電荷轉移功能制成CCD圖像傳感器；一類是用光敏二極管與 MOS晶體管構成的將光信號變成電荷或電流信號的 MOS圖像傳感器。 “光照產生電動勢” 光生伏特效應開路應用 光電池 光電池 ? 光電池是將光能轉換成電能的能量轉換器件，這類器件有發(fā)電機的性質，具有電動勢和內阻。 光敏三極管的應用：光控電位器 光電三極管 IV曲線 光敏場效應管 晶體管是一種電流控制元件 ， 工作時 ， 多數載流子和少數載流子都參與運行 ， 所以被稱為雙極型器件 場效應管 （ FET） 是一種電壓控制器件 ， 工作時 ，只有一種載流子參與導電 ， 因此它是單極型器件 。 三部分： “光的發(fā)射” “光的接受” “信號放大” 光耦直接用于隔離傳輸 模擬量 時，要考慮光耦的非線性問題。 繼電器：響應速度要求不高的啟停操作 ms 光耦： 響應時間要求很快的控制系統 us 紅外熱釋電光敏傳感 ? 紅外線是 太陽 光線 中眾多不可見光線中的一種，由 英國 科學家 霍胥爾 于 1800年發(fā)現，又稱為紅外熱輻射。特點是不僅具有自發(fā)極化，而且在一定溫度范圍內，自發(fā)極化偶極矩能隨外施電場的方向而改變。以電荷轉移為核心，包括光電轉換，信號存儲和傳輸、處理的集成光敏傳感器，用于圖像識別和傳輸 ? 主要分為： 電荷耦合器件 CCD 自掃描光電二極管陣列 MOS ? 2022年諾貝爾物理學獎 ： 維拉 CCD上有許多排列整齊的電容，能感應光線，并將影像轉變成數字信號。這一層“微型鏡頭”就等于在感光層前面加上一副眼鏡。 現在市面上的消費級數碼相機主要有 2/3英寸、 1/英寸、 1/、 1/。為了減低紅外線干擾，天文用 CCD常以液態(tài)氮或半導體冷卻。 19801990，開始大規(guī)模研究干涉型光纖傳感技術。 ? 光路可彎曲，對被測信號 遠距離 監(jiān)控。 ? 節(jié)約金屬材料， 有利于資源合理使用 銅、鋁、鉛的儲存量有限；而制造光纖的石英取之不盡。 全光纖型傳感器 ? 利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖 (或特殊光纖 )作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。 纖芯 包層 保護套 光纖的尺寸 ? 外徑一般為 125um(一根頭發(fā)平均 100um) ? 內徑：單模 9um 多模 50/ 125 9 50 125 125 光纖的分類 ? 按材料分類： –石英光纖：纖芯與包層都是 SiO2，損耗小，傳輸距離長，成本高； –聚合物光纖（塑料光纖）：纖芯與包層都是塑料，損耗大，傳輸距離很短，價格很低。 數值孔徑 NA 入射光線 AB與纖維軸線 OO相交角為 θ i， 入射后折射(折射角為 θ j)至纖芯與包層界面 C點 ， 與 C點界面法線 DE成 θ k角 ， 并由界面折射至包層 ， CK與 DE夾角為 θ r。km)， 和常規(guī)單模光纖相同 ， 但損耗更低 ， 可達 dB/km以下 。 只有符合反射條件的 光會得到強烈反射經 歷放大過程 DFB激光器與 FP激光器相比， 具有以下優(yōu)點： 1. 單縱模激光器 FP激光器諧振腔的長度較長，頻率間隔小 選頻困難； DFB激光器的光柵周期 Λ相當于微 型諧振腔，長度很小，因此頻率間隔大，易于 選頻，形成單頻振蕩。相當于一種光非互易傳輸耦合器，所依據的基本原理是法拉第旋光效應