精密測(cè)試技術(shù)課程講義-資料下載頁
2025-03-25 07:03本頁面
【正文】 ——光線在光纖端面上的折射角l 全反射損耗由于纖芯和包層之間的界面不平滑引起散射，以及包層媒質(zhì)的光吸收作用，使全反射率不可能達(dá)么百分之百。總反射次數(shù) N＝（N即光纖每單位長(zhǎng)度的反射次數(shù)乘以光纖長(zhǎng)度L）光強(qiáng)的透射系數(shù)： A——每次全么射的損耗率三種損耗綜合考慮。得總的透射率T：T＝按光纖在傳感器中的作用，通?？蓪⒐饫w傳感器分為兩種類型：l 功能型：主要使用單模光纖。光纖不僅起傳光的作用，又是敏感元件。它是利用光纖本身的傳輸特性受被測(cè)物理量作用而發(fā)生變化，使光纖中波導(dǎo)光的屬性（光強(qiáng)，相位，偏振態(tài)，波長(zhǎng)等）被調(diào)制這一特點(diǎn)。因此這一類光纖傳感器又分為光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等數(shù)種。功能型光纖傳感器典型的例子有：利用光纖在高電場(chǎng)下的泡克耳效應(yīng)的光纖電壓傳感器。利用法拉第效應(yīng)的光纖電流傳感器。利用光纖微彎效應(yīng)的光纖位移（壓力）傳感器。功能型光纖傳感器的光纖本身是敏感元件，光纖長(zhǎng)度越長(zhǎng)，靈敏度越高。l 非功能型光纖傳感器：光纖不是敏感元件，它是利用光纖的端面或在兩根光纖中間放置光學(xué)材料，機(jī)械式或光學(xué)式的敏感元件感受被測(cè)物理量的變化，使透射光或反射光強(qiáng)度隨之發(fā)生變化。這種情況光纖只是作為光的傳輸回路，所以這種傳感器也稱之為傳輸回路型光纖傳感器。非功能型光纖傳感器使用的光纖主要是數(shù)值孔徑和芯徑大的階躍型多模光纖。非功能型光纖傳感器的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠，技術(shù)上容易實(shí)現(xiàn)，便于推廣應(yīng)用，但靈敏度較低。三）功能型光纖傳感器1．相位調(diào)制型光纖傳感器 1)相位調(diào)制的原理 當(dāng)一束波長(zhǎng)為的相干光在光纖中傳播時(shí)，光波的相位角與光纖的長(zhǎng)度L，纖芯折射率 n和纖芯直徑d有關(guān)。若光纖受某些物理量的作用（如溫度，壓力，加速度，電流等），將會(huì)使這三個(gè)參數(shù)發(fā)生不用程度的變化，從而引起相位變化。一般來說，光纖長(zhǎng)度和折射率的變化引起光相位變化要比光纖直徑引起的變化大得多，因此可忽略光纖直徑引起的相位變化。 由普通物理學(xué)知道，在一段長(zhǎng)為L(zhǎng)的單模光纖中，波長(zhǎng)為的輸出光相對(duì)輸入端來說，其相位角為：＝當(dāng)光纖受到外置物理量的作用，則光波的相位量變化為L(zhǎng)——光纖長(zhǎng)度 －光纖纖芯折射率－光纖長(zhǎng)度變化量 －光纖纖芯折射率變化量－光纖軸向應(yīng)變（＝/L）由于光的頻率很高，一般光電探測(cè)器不能響應(yīng)這樣高的頻率，為了能檢測(cè)光波的相位變化，必須應(yīng)用光學(xué)干涉測(cè)量技術(shù)將相位調(diào)制轉(zhuǎn)換成振幅（強(qiáng)度）調(diào)制。光電式傳感器1. 光電效應(yīng)光是由一連串具有一定能量的光子構(gòu)成的，某些金屬或半導(dǎo)體材料在光的照射下，其表面層便受到一連串光子的轟擊，使這些物質(zhì)電子的動(dòng)能增大。光電效應(yīng)就是這質(zhì)吸收了光子能量以后產(chǎn)生的電效應(yīng)，根據(jù)光電效應(yīng)的機(jī)理不同，光電效應(yīng)可分為三類：1) 外光電效應(yīng)在光的照射下，使電子從物體表面逸出的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)，也叫光電子發(fā)射現(xiàn)象。如光電管，光電倍增管等。2) 內(nèi)光電效應(yīng)在光的照射下，使物體電阻率改變的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也叫光電導(dǎo)效應(yīng)－如光敏電阻。3) 阻擋層光電效應(yīng)在光的照射下，使物體在某一方向產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱為阻擋層光電效應(yīng)，也叫光生伏特效應(yīng)。如光電池，光敏晶體管。2. 半導(dǎo)體光電元件及其特性1) 光敏電阻1. 原理：有些半導(dǎo)體材料（如硫化物，硒化物及銻化物等）在黑暗環(huán)境下電阻很大，但受光照射時(shí)，半導(dǎo)體內(nèi)載流子濃度增加，從而增加了導(dǎo)電性，使電阻值降低，光照停止時(shí)，電阻又恢復(fù)原來的值。這種在半導(dǎo)體內(nèi)部進(jìn)行的光電效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。暗電阻：光敏電阻在不受光照射時(shí)的電阻值稱為暗電阻，此時(shí)構(gòu)成回路時(shí)流過的電流稱為暗電流。亮電阻：受光照射時(shí)的電阻值稱為亮電阻。與上對(duì)應(yīng)些時(shí)電流稱為亮電流。亮電流－暗電流＝光電流2. 基本特性光照特性：光電流與照射光強(qiáng)度的關(guān)系，也稱為光電特性。光敏電阻的光照特性曲線是非線性，所以光敏電阻不適宜作檢測(cè)元件，一般用作開關(guān)式光電轉(zhuǎn)換器。伏安特性：光敏電阻的光電流與外加電壓之間的關(guān)系。在給定的電壓下，光電流的數(shù)值隨著照射光的增強(qiáng)而加大，照射光不變時(shí)，外加電壓V越大光電流也越大，靈敏度也隨之增大，最高電壓受光敏電阻的允許耗散功率限制。.光譜特性：表示照射光線的波長(zhǎng)與光電流的關(guān)系。不同材料光敏電阻的光譜特性不同，同一材料照射光的波長(zhǎng)不同時(shí)，其靈敏度亦不同，一般在某個(gè)波長(zhǎng)的光照射下，靈敏度為最高。故選擇光敏電阻，要與使用的光源相適應(yīng)。頻率特性：表示光敏電阻的光電流與光照射的頻率的關(guān)系光敏電阻受光照射后并不是立即產(chǎn)生光電流，同樣光線停止照射后，光電流也不是立即完全消失，存在一定的時(shí)延。這樣兩次照射的時(shí)間間隔不能太短，否則無法分辨光電流的變化情況溫度特性：表示光電流隨溫度變化的關(guān)系和其它半導(dǎo)體材料一樣，溫度對(duì)其特性影響很大，溫度升高時(shí)暗電流增大。2) 結(jié)構(gòu)由于光電導(dǎo)效應(yīng)只限于光線照射 的表層，因此光敏電阻的光電轉(zhuǎn)換元件一般都做成薄層，光敏電阻的電極常采用梳狀圖案。3) 光電池光電池是基于光生伏特效應(yīng)工作的一種光電元件，當(dāng)有光線照射時(shí)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)電源。充電池種類很多：有硒光電池，鍺、硅光電池等。其中硅光電池性能穩(wěn)定，光譜范圍廣，頻率響應(yīng)高等特點(diǎn)，應(yīng)用最廣泛。1. 基本原理N型硅片上制成一個(gè)大面積PN結(jié)，PN結(jié)內(nèi)有一個(gè)結(jié)電場(chǎng)。當(dāng)光線照射到PN結(jié)上時(shí)，若光子能量足夠大，在光子的作用下，便在PN結(jié)附近激發(fā)產(chǎn)生電子空穴對(duì)。在結(jié)電場(chǎng)作用下，光載流子便產(chǎn)生與擴(kuò)散方向相反的漂移運(yùn)動(dòng)，光生電子被推向N區(qū)，而光生空穴被推進(jìn)P區(qū)，結(jié)果P區(qū)一邊積累了大量的過?？昭ǘ鴰д姸鳱區(qū)一邊積累了大量的過剩電子而帶負(fù)電。在P,N區(qū)之間形成電勢(shì)。2. 基本特性光照特性：不同光強(qiáng)度照射下，光電池產(chǎn)生的光電流和光生電動(dòng)勢(shì)不同。光譜特性：相對(duì)靈敏度與光譜波長(zhǎng)的關(guān)系，在某一波長(zhǎng)時(shí)其靈敏度達(dá)到最大。不同材料的光電池，光譜特性不同。靈敏度最大對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)也不同。頻率特性：指照射光的交變頻率與光電流的關(guān)系，光電池作為檢測(cè)元件或計(jì)算，接收元件時(shí)，常用交變光來照射，硅光電池的頻率響應(yīng)遠(yuǎn)高于硒光電池。溫度特性：指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。思考題：1. 壓電傳感器的機(jī)理是2. 熱電偶傳感器的機(jī)理3. 霍爾傳感器的機(jī)理4. 以下為某熱電偶的部分分度表內(nèi)容, 某實(shí)驗(yàn)中將冷端至于25 度環(huán)境中, 測(cè)得熱電勢(shì)為 325mV, 則實(shí)際測(cè)得溫度為多少? No.溫 度電 勢(shì) (mV)11050220983251254301495402006502497653258703489804001090450111005501211060513120651
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