【正文】 (1)光柵莫爾條紋的形式142100、 250條線條。這些特點(diǎn)是孔板、渦輪等許多傳統(tǒng)流量計所無法比擬的。 當(dāng)光纖受到外界擾動時， 0． 2％讀數(shù)值，其探頭耐溫一般可達(dá)300℃ ，加冷卻后可到 500℃ 。充分發(fā)揮光纖測溫技術(shù)的優(yōu)勢，其中有些難題可望得到解決。但是，正像其它許多新技術(shù)一樣，光纖測溫技術(shù)并不能用來全面代替?zhèn)鹘y(tǒng)方法，它僅是對傳統(tǒng)測溫方法的補(bǔ)充。這里僅介紹一種光強(qiáng)調(diào)制型的半導(dǎo)體光吸收型光纖傳感器，圖 737為這種傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖。光纖加速度傳感器結(jié)構(gòu)簡圖 傳光型 縮寫為 FF）傳感器，又稱為傳感型傳感器；另一類是光纖僅僅起傳輸光的作用，它在光纖端面或中間加裝其它敏感元件感受被測量的變化，這類傳感器稱為非功能型（ NonFunctional 振動、電場等）與光的相互作用，即研究光被外界參數(shù)的調(diào)制原理。 同樣會引起光的散射損耗。 117 當(dāng)光線射入一個端面并與圓柱的軸線成 θi角時，在端面發(fā)生折射進(jìn)入光纖后 ,纖芯和包層通常由不同摻雜的石英玻璃制成。微機(jī)可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。 104又能在瞬間有強(qiáng)光射出，以提高檢測靈敏度。當(dāng)緯線在噴氣作用下前進(jìn)時，紅外發(fā)光管 VD發(fā)出的紅外光，經(jīng)緯線反射，由光電池接收，如光電池接收不到反射信號時，說明緯線已斷。Hz以上的高頻， 根據(jù)光敏元件排列形式的不同， CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。 在 t=t2時， Φ2相也處于高電平， 電荷轉(zhuǎn)移過程 對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。 當(dāng) CCD器件受光照射時，在柵極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子 空穴對，其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底，而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中， 并且在一定的條件下，所加正電壓 Ug越大，耗盡層就越深， Si表面吸收少數(shù)載流子表面勢 (半導(dǎo)體表面對于襯底的電勢差 )也越大，這時勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。勢阱圖 （ 1） 之分即可。 光電開關(guān)是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收， 光電耦合器組合形式 67圖 65光照特性 電子 空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散， 從圖中可見，由于晶體管的放大作用，在同樣照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。此時靈敏度最大，而當(dāng)入射光的波長增長或縮短時，相對靈敏度都會下降。49 2. 基本特性 圖 710是達(dá)林頓光敏管的等效電路，它是一個光敏晶體管和一個晶體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集成器件。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)（見圖 78），在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這反向電流稱為暗電流，當(dāng)光照射在 PN結(jié)上，光子打在 PN結(jié)附近，使 PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對，它們在 PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下作定向運(yùn)動，形成光電流。(5) 這是它的缺點(diǎn)之一。 常用做火焰探測器的探頭。 暗電阻 如圖 71（ b）所示。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級， 對于每一種運(yùn)動狀態(tài)來說，原子具有確定的內(nèi)部能量值，對應(yīng)為一個能級。式（ 72）為愛因斯坦光電效應(yīng)方程式 , h—— 普朗克常數(shù) =1034(J 17（ 2）氣體激光器工作物質(zhì)是氣體。14四、激光器除峰值波長 λp決定發(fā)光顏色之外，峰的寬度（用 Δλ描述）決定光的色彩純度， Δλ越小，其光色越純。電子和空穴復(fù)合，所釋放的能量 Eg等于 PN結(jié)的禁帶寬度（即能量間隙）。8三、電致發(fā)光器件 —— 發(fā)光二極管 n 　　低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。n 　　熱輻射光源輸出功率大，但對電源的響應(yīng)速度慢，調(diào)制頻率一般低于 1kHz，不能用于快速的正弦和脈沖調(diào)制。2 光譜光波 ：波長為 10—10 6nm的電磁波可見光： 波長 380—780nm紫外線： 波長 10—380nm ，波長 300—380nm 稱為近紫外線波長 200—300nm 稱為遠(yuǎn)紫外線波長 10—200nm 稱為極遠(yuǎn)紫外線，紅外線： 波長 780—10 6nm波長 3μm（即 3000nm）以下的稱近紅外線波長超過 3μm白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。用鎢絲通電加熱作為光輻射源最為普通，一般白熾燈的輻射光譜是 連續(xù)的。7氣體放電燈：定義：利用電流通過氣體產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。可見光的波長 λ近似地認(rèn)為在 7107m以下，所以制作發(fā)光二極管的材料，其禁帶寬度至少應(yīng)大于h c某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能量（如特定頻率的輻射），從低能級躍遷到高能級上（受激吸收），如果處于高能級的粒子數(shù)大于低能級上的粒子數(shù)，就形成了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子（受激發(fā)射）。16（ 1）固體激光器二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為 與前兩種相比出現(xiàn)較晚，其成熟產(chǎn)品是砷化鎵激光器。光電倍增管等。E2E1E2E1自發(fā)輻射光 hυ＝ E2－ ElE2E1E2E1入射光 hυ＝ E2－ El原子吸收入射光子并躍遷到高能級26n 處于高能級 E2的原子，受能量為 hυ＝ E2－ El的外來光子作用而躍遷到低能級 E1，并發(fā)射一個與外來一樣的光子。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。光敏電阻沒有極性， (a)光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光敏電阻的光譜特性，亦稱為光譜響應(yīng)。（ 4） 光敏二極管接線圖 NPN型光敏晶體管結(jié)構(gòu)簡圖和基本電路 光敏二極 (晶體 )管的光譜特性51(b) 所以在電子線路中應(yīng)該對暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會導(dǎo)致輸出誤差。結(jié)構(gòu)示意圖； 不宜用作電壓源。圖 718分別給出硅光電池和硒光電池的頻率特性，橫坐標(biāo)表示光的調(diào)制頻率。光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。發(fā)光器件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，其管芯由一個 PN結(jié)組成，隨著正向電壓的增大，正向電流增加，發(fā)光二極管產(chǎn)生的光通量也增加。2. 光電開關(guān)透射式； 縮寫為 CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（ MOS）集成電路光電器件。輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了 CCD器件。工作原理 CCD的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產(chǎn)生的呢？ CCD的信號電荷產(chǎn)生有兩種方式： 83圖 725 85隨著 Φ1電壓下降，電極 4下的勢阱相應(yīng)變淺。圖 726是 CCD輸出端結(jié)構(gòu)示意圖。 線型 CCD圖像傳感器是由一列MOS光敏單元和一列 CCD移位寄存器構(gòu)成的，光敏單元與移位寄存器之間有一個轉(zhuǎn)移控制柵， （ b） 這種轉(zhuǎn)移方式具有有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快，轉(zhuǎn)移效率高等特點(diǎn)，但電路比較復(fù)雜， 隔離轉(zhuǎn)移型 當(dāng)整幀視頻信號自存儲器面陣移出后，就開始下一幀信號的形成。隨后，一次一行地移動到輸出移位寄存器中，然后移位到輸出器件，在輸出端得到與光學(xué)圖像對應(yīng)的一行行視頻信號。97 光電傳感器的應(yīng)用 1. 火焰探測報警器峰值響應(yīng)波長為 99 2. 光電式緯線探測器為此電路中有這樣一個功能， 當(dāng)高壓打火針對打火確認(rèn)針放電時，光電耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光， 圖 732為應(yīng)用線型 CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。 高絕緣強(qiáng)度，防爆性好，集傳感與傳輸于一體，能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容等。 (77)（ 710） 靈敏度高， 3. 光纖傳輸損耗散射損耗主要是由于材料密度及濃度不均勻引起的，這種散射與波長的四次方成反比。最后經(jīng)信號處理得到所需要的被測量。 半導(dǎo)體光吸收型光纖溫度傳感器結(jié)構(gòu)原理圖 光纖輻射溫度計的光纖可以直接延伸為敏感探頭，也可以經(jīng)過耦合器，用剛性光導(dǎo)棒延伸。； ； ； 光纖旋渦流量傳感器 2）計量光柵主要利用莫爾現(xiàn)象，測量位移、速度、加速度、振動等物理量。12） 光柵讀數(shù)頭結(jié)構(gòu)示意圖 149圖 743如以電壓輸出，即 143（ 7莫爾條紋測位移具有以下三個方面的特點(diǎn)。 按其原理和用途，它又可分為物理光柵和計量光柵。 易燃易爆物的生產(chǎn)過程與設(shè)備的溫度測量。光纖測溫技術(shù)在這些領(lǐng)域中有著絕對優(yōu)勢，因?yàn)樗葻o導(dǎo)電部分引起的附加升溫，又不受電磁場的干擾，因而能保證測量溫度的準(zhǔn)確性。 光纖溫度傳感器反射光作為測量光束。光纖傳感器由光源、敏感元件（光纖或非光纖的）、光探測器、信號處理系統(tǒng)以及光纖等組成，如圖 735所示。 光纖傳感器 1. 光纖傳感器的工作原理及組成120一般纖芯直徑為 2~12μm，只能傳輸一種模式稱為單模光纖。 但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變。當(dāng) φ′=φc=90176。（ 75） M—— 倍率。圖 731為燃?xì)馄骶咧懈邏捍蚧鸫_認(rèn)電路原理圖。穩(wěn)定、 98圖 729MΩ(在光強(qiáng)度 在光積分期間，光生電荷存儲在感光區(qū)光敏單元的勢阱里；當(dāng)光積分時間結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵的電位由低變高， 當(dāng)光積分周期結(jié)束時，信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到存儲器面陣， 行掃描發(fā)生器將光敏元件內(nèi)的信息轉(zhuǎn)移到水平（行）方向上，驅(qū)動脈沖將信號電荷一位位地按箭頭方向轉(zhuǎn)移，并移入輸出寄存器， 幀轉(zhuǎn)移型和行間轉(zhuǎn)移型， (2) 單行結(jié)構(gòu)； 5下面勢阱轉(zhuǎn)移。(b)25（ a）所示。圖 724（ b）是用輸入二極管進(jìn)行電注入，該二極管是在輸入柵襯底上擴(kuò)散形成的。這樣一個 MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。Couple74圖 721 光電耦合器的發(fā)光元件和接收元件都封裝在一個外殼內(nèi)， (4)（ 3） 因此用光電池作為測量元件時， 62硅光電池原理圖 光敏晶體管的溫度特性曲線如圖 714所示。光敏晶體管的頻率特性受負(fù)載電阻的影響，圖 713為光敏晶體管頻率特性，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響應(yīng)范圍，但輸出電壓響應(yīng)也減小。50圖 (1)94644圖 其溫度影響要小一些。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性 光譜特性 33圖 (1)71 在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 大量處于高能級的原子，它們各自獨(dú)立地發(fā)射一列列頻率相同的光波。23（ 72） 向外發(fā)射的電子叫光電子。m到可見光等一系列譜線，其中 ，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于 1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。激光波長從。一般而言，發(fā)光二極管的反向擊穿電壓大于 5V，為了安全起見，使用時反向電壓應(yīng)在 5V以下。所注入到 P區(qū)里的電子和 P區(qū)里的空穴復(fù)合，注入到 N區(qū)里的空穴和N區(qū)里的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子形式放出能量，因而有發(fā)光現(xiàn)象。短弧氙燈的電弧長幾毫米，是高亮度的點(diǎn)光源。熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。n 常用的光源可分為四大類：熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發(fā)光器件等。如果光譜燈涂以熒光劑，由于光線與涂層材料的作用，熒光劑可以將氣體放電譜線轉(zhuǎn)化為更長的波長，目前熒光劑的選擇范圍很廣，通過對熒光劑的選擇可以使氣體放電燈發(fā)出某一特定波長或者某一范圍的波長，照明日光燈就是一個典型的例子。 Emitting則普朗克常數(shù) h=╳；光速 c=3╳108m/s；Eg的單位為電子伏（ eV）， 1eV=╳1019J。材料 波長 /nm 材料 波長 /nmZnS 340 CuSeZnSe 400～ 630SiC 480 ZnxCd1xTe 590～ 830GaP 565,680 GaAs1xPx 550～ 900GaAs 900 InPxAs1x 910～ 3150InP 920 InxGa1xAs 850～ 1350表 它的工作物質(zhì)是固體。常用的有氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準(zhǔn)分子激光器等，其形狀像普通的放電管一樣，能連續(xù)工作，單色性好。 20（ 4）液體激光器習(xí)慣將能量值大的能級稱為高能級，能量值小的能級稱為低能級，原子的最低能級稱為基態(tài)。光生伏特效應(yīng) 圖 8此時流過的電流稱為暗電流。37圖 75因而它們的頻率特性也就各不相同。光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使用壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。因此光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)