【正文】 感器利用了雙路光纖干涉原理制成的。但由于須用第四章 光纖傳感器 31 特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，因此成本高。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器；利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器；利用 電致伸縮的電場(chǎng)、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（ Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）等。光纖耦合器可分標(biāo)準(zhǔn)耦合器 （雙分支，單位 12 ，亦即將光訊號(hào)分成兩個(gè)功率）、星狀／樹狀耦合器、以及波長多工器（ WDM，若波長屬高密度分出，即 波長間距窄，則屬於 DWDM），制作方式則有燒結(jié)（ Fuse）、微光學(xué)式（ Micro Optics）、光波導(dǎo)式（ Wave Guide）三種，而以燒結(jié)式方法生產(chǎn)占多數(shù)（約有 90％）。這些分開的光束沿不同光路傳輸之后，又重新合路并激勵(lì)光敏檢測(cè)器。 特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)上都由空氣光路和多個(gè)光學(xué)器件（分光束和 平面鏡）組合而成 。 相位調(diào)制型光纖傳感器 基本原理 基本換能機(jī)理： 在一段 單模光纖中傳輸?shù)南喔晒?，因待測(cè)能量場(chǎng)的作用，而產(chǎn)生相位調(diào)制。 圖 反射型光纖傳感器的結(jié)構(gòu) 圖 2 位移 —— 輸出信號(hào)曲線 光纖測(cè)壓傳感器 移動(dòng)光柵光纖傳感器 第四章 光纖傳感器 30 微彎光纖傳感器 以上各節(jié)要求了解。圖 所示就是反射式光纖位移傳感器的輸出特性曲線，利用這條特性曲線可以通過對(duì)光強(qiáng)的檢測(cè)得到位移量。顯然，當(dāng)光纖探頭緊貼反射片時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)為零。 原理： 光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射片，再被反射到接收光纖，最后由光 電轉(zhuǎn)換器接收，轉(zhuǎn)換器接受到的光源與反射體表面性質(zhì)、反射體到光纖探頭距離有關(guān)。 強(qiáng)度型 (振幅型 ) 光纖傳感器 反射式光纖位移傳感器 結(jié)構(gòu)： 反射式光纖位移傳感器是一種傳輸型光纖傳感器。振幅型光纖傳感器 具有結(jié)構(gòu)簡單、與多模光纖技術(shù)的相容性好、信號(hào)檢測(cè)較容易等優(yōu)點(diǎn)，但其靈敏度較低。 2﹑ 按傳播模式的多少： 單模光纖和多模光纖。 3. 傳播損耗 光從光纖一端射入， 從光纖另一端射出，光強(qiáng)發(fā)生衰減， 通常用傳播率 A來表示 傳播損耗 : 1010 lg( / )IIA dB kml?? 式中 l 為光纖長度， 1I 為輸出端光強(qiáng)， 0I 為輸入端光強(qiáng)。 光纖 V 值越大 ,則光纖所能擁有的 ,即允許傳輸?shù)哪Ｊ?(不同的離散波 )數(shù)越多。 。 CCITT 建議多模光纖的數(shù)值孔徑取值范圍為 ～ ，其對(duì)應(yīng)的光纖端面接收角 θc=10176。 定義為： 221 2 1 2,NA n n n n?? 為 纖 芯 折 射 率 ， 為 包 層 折 射 率。 光纖的幾個(gè)重要參數(shù) 第四章 光纖傳感器 28 1﹑ 數(shù)值孔徑 NA 入射到光纖端面的光并不能全部被光纖所傳輸，只是在某個(gè)角度范圍內(nèi)的入射光才可以。 臨界角θ i0 為： θ i0=arcsin(n2/n1) （ 2） 當(dāng)θ i＞θ i0 并繼續(xù)增大時(shí)，θ r＞ 90186。時(shí)，θ i 仍＜ 90186。s law)： 光由光密介質(zhì)入射到光疏介質(zhì)時(shí)發(fā)生折射，其折射角大于入射角，即 n1n2 時(shí)，θ r＞θ i。 ：尼龍或其他有機(jī)材料，提高機(jī)械強(qiáng)度，保護(hù)光纖 。 ：直徑 100－ 200um，折射率略低于纖芯 。 4. 了解各類光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和 應(yīng)用 。 2．掌握光纖的主要參數(shù)。當(dāng) CCD表面受到光線照射時(shí)，每個(gè)感光單位會(huì)將電荷反映在組件上，所有的感光單位所產(chǎn)生的信號(hào)加在一起，就構(gòu)成了一幅完整的畫面。 組成與結(jié)構(gòu)： 第三章 光電式傳感器 26 CCD圖像傳感器 電荷藕合器件圖像傳感器 CCD（ Charge Coupled Device），它使用一種高感光度的半導(dǎo)體材料制成，能把光線轉(zhuǎn)變成電荷，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器芯片轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)經(jīng)過壓 縮以后由相機(jī)內(nèi)部的閃速存儲(chǔ)器或內(nèi)置硬盤卡保存，因而可以輕而易舉地把數(shù)據(jù)傳輸給計(jì)算機(jī)，并借助于計(jì)算機(jī)的處理手段，根據(jù)需要和想像來修改圖像。 (b)采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光電耦合器 ,適用于較高頻率的裝置中。由于它具有單向信號(hào)傳輸功能，因此適用于數(shù)字邏輯中開關(guān)信號(hào)的傳輸和在邏輯電路中作為隔離器件及不同邏輯電路間的接口。 光電耦合器件 光電耦合器： 發(fā)光元件和光電傳感器同時(shí)封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)光電池作為測(cè)量元件時(shí)，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。 4﹑ 溫度 特性 開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由于光電池 PN 結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差。光電池的頻率特性就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。 硅光電池 應(yīng)用的范圍 400nm— 1200nm，峰值波長在 800nm 附近，因此可在很寬的范圍內(nèi)應(yīng)用。 負(fù)載電阻 RL越小，光電流與照度的線性關(guān)系越好，且線性范圍越寬 。短路電流曲線：光電流與照度之間的特性曲線。 工作原理： 當(dāng)光照到 PN 結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子 空穴對(duì)，在 N 區(qū)聚積負(fù)電荷， P 區(qū)聚積正電荷，這樣 N 區(qū)和 P 區(qū)之間出現(xiàn)電位差 —— 光生電動(dòng)勢(shì)。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池。 光電池 第三章 光電式傳感器 23 光電池是利用光生伏特效應(yīng)直接把光能轉(zhuǎn)變成電能的器件，又稱為太陽能電池。 當(dāng)極間電壓高于 50V 時(shí)，光電流開始飽和，所有的光電子都達(dá)到了陽極。對(duì)紅外光源，常用氧銫陰極。 光譜特性：對(duì)不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極 —— 光譜響應(yīng)范圍。 一般對(duì)于光電陰極材料不同的光電管，有不同的 紅限頻率 v0，對(duì)應(yīng)于不同的光譜范圍。 光電管的光照特性 光譜特性： 由于光陰極對(duì)光譜有選擇性，因此光電管對(duì)光譜也有選擇性。曲線 1 表示氧銫陰極：光照特性成線性關(guān)系曲線 2表示銻銫陰極：光照特性成非線性關(guān)系 。 光電二極管和三極管的性能主要由伏安特性、光照特性 、光譜特性、響應(yīng)時(shí)間、溫度特性和頻率特性等來描述。 光電三極管檢測(cè)： 光電三極管管腳較長的是發(fā)射極，另一管腳是集電極。如無標(biāo)記可用一塊黑布遮住其接收光線信號(hào)的 窗口，將萬用表置 R*1 K 擋測(cè)出正極和負(fù)極，同時(shí) 測(cè)得其正向電阻應(yīng)在 10K~20K 間，其反向電阻應(yīng)為無窮大，表針不動(dòng)。正、反向阻值一大一小者為光電二極管。同光電二極管一樣，光電三極管外殼也有一個(gè)透明窗口，以接收光線照射。光電三極管除具有光電轉(zhuǎn)換的功能外，還具有放大功能，在電路圖中文字符號(hào)一般為VT。 光電二極管和光電三極管 光電二極管、光電三極管是電子電路中廣泛采用的光敏器件。 7） 電阻溫度系數(shù) ：指光敏電阻器在環(huán)境溫度改變 1℃ 時(shí)，其電阻值的相對(duì)變化。 5） 暗電流 (mA)：指在無光照射時(shí)，光敏電阻器在規(guī)定的外加電壓下通過的電流。 3） 最高工作電壓 (V)：指光敏電阻器在額定功率下所允許承受的最高電壓 。 光敏電阻器的主要參數(shù) 1） 亮電阻（ kΩ ） ：指光敏電阻器受到光照射時(shí)的電阻值。 ● 紫外 光光敏電阻器：主要用于紫外線探測(cè)儀器。 光敏電阻器種類： 第三章 光電式傳感器 20 1）按制作材料分類：多晶和單晶光敏電阻器，還可分為硫化鎘（ CdS）、硒化鎘 (CdSe) 、硫化鉛 (PbS)、硒化鉛 (PbSe)、銻化銦 (InSb) 光敏電阻器等。它在無光照射時(shí)，呈高阻狀態(tài)；當(dāng)有光 照射時(shí)，其電阻值迅速減小。 光敏電阻 結(jié)構(gòu) ： 通常由光敏層、玻璃基片（或樹枝防潮膜）和電極等組成的。 因?yàn)椴捎昧硕伟l(fā)射倍增系統(tǒng)，所以光電倍增管在探測(cè)紫外、可見和近紅外區(qū)的輻射能量的光電探測(cè)器中，具有極高的靈敏度和極低的噪聲。這些光電子按聚焦極電場(chǎng)進(jìn)入倍增系統(tǒng)，并通過 進(jìn)一步的二次發(fā)射得到的倍增放大。圖 1所示為端窗型光電倍增管的剖面結(jié)構(gòu)圖。它由光電發(fā)射 陰極（光陰極）和聚焦電極、電子倍增極及電子收集極（陽極）等組成。它是一種具有極高靈敏度和超快時(shí)間響應(yīng)的光探測(cè)器件。還有 一種是電子管類型的光電管 ，它的工作原理用堿金屬（如鉀、鈉、銫等）做成一個(gè)曲面作為陰極，另一個(gè)極為陽極，兩極間加上正向電壓，這樣當(dāng)有光照射時(shí)，堿金屬產(chǎn)生電子，就會(huì)形成一束光電子電流，從而使兩極間導(dǎo)通，光照消失，光電子流也消失，使兩極間斷開。常見的半導(dǎo)體材料有硅、鍺等。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)， PN 結(jié)兩側(cè)的 P 區(qū)和 N 區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此， 光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。 光電傳感器 光電管 光電管原理是 光電效應(yīng) 。使用時(shí)應(yīng)注意不要超過器件最大允許的功耗。 伏安特性 在一定的光照下，對(duì)光電器件所加端電壓與光電流之 間的關(guān)系稱為伏安特性。 )(1)(1)( wPPPN E P ui S N RsS N Rsth ?? ??? 光譜特性 在入射光照度一定時(shí)，光電元件的相對(duì)靈敏度隨光波波長的變化而變化，一種材料只對(duì)一定波長范圍的人射光敏感，這就是光譜特性。 dtdndtdn 光電??)( wRiP inth ?定義通量閾：第三章 光電式傳感器 18 噪聲等效功率 NEP， 單位信噪比時(shí)的信號(hào)光功率。 通量閾 指探測(cè)器所能探測(cè)的最小光信號(hào)功率。 頻率靈敏度 Rf: 如果入射光是強(qiáng)度調(diào)制的，在其他條件不變下，光電流將隨調(diào)制頻率 f 的升高而下降，這時(shí)的靈敏度稱為頻率靈敏度 Rf 。 光傳感器的特性表示法 光電探測(cè)器的性能參數(shù)主要的有： 積分靈敏度 R，光譜靈敏度 Rλ ，頻率靈敏度 Rf，量子效率η，通量閾 Pth和噪聲等效功率 NEP，歸一化 探測(cè)度 D* 等。 電介質(zhì) 在外加電場(chǎng)的作用下會(huì)產(chǎn)生電極化的現(xiàn)象即會(huì)使電介質(zhì)的一個(gè) 表面帶有正電荷而另一個(gè)表面帶有負(fù)電荷 ?；?側(cè)向光電效應(yīng) 的有 反轉(zhuǎn)光敏二極管 ?；?光電導(dǎo)效應(yīng) 的有 光敏電阻 。 側(cè)向光電效應(yīng) 是當(dāng)光電器件敏第三章 光電式傳感器 17 感面受光照不均勻時(shí)，受光激發(fā)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)的濃度也不 均勻，電子向未被照射部分?jǐn)U散，引起光照部分帶正電、未被光照部分帶負(fù)電的一種現(xiàn)象。光生 伏特 效應(yīng)又可分為 勢(shì)壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 和 側(cè)向光電效應(yīng) 。能量對(duì)應(yīng)于禁帶寬度的光子的波長稱光電導(dǎo)效應(yīng)的 臨界波長 。 內(nèi)光電效應(yīng) 又分為 光電導(dǎo)效應(yīng) 和 光生 伏特 效應(yīng) 兩類。 光電效應(yīng) 光電效應(yīng) ： 它是光照射到某些物質(zhì)上，使該物質(zhì)的電特性發(fā)生變化的一種 物理 現(xiàn)象，可分為 外光電效應(yīng) 和 內(nèi)光電效應(yīng) 兩類。 光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。 ? 教學(xué)內(nèi)容 光電傳感器 是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。 4．了解熱釋電效應(yīng)的原理。 2．掌握光傳感器的特性及其表示法。 化學(xué)氣相沉積（ CVD） ： 是半導(dǎo)體技術(shù)中一種常用的薄膜生長技術(shù)，這種技術(shù)使用化學(xué)的方法來沉積薄膜。 應(yīng)變式加速度傳感器 加速度傳感器的構(gòu)成如圖： 包括了 應(yīng)變片﹑ 彈簧片﹑質(zhì)量塊﹑外殼和基座。 應(yīng)變式壓力傳感器 組成 ： 彈性 元件 ， 電阻 應(yīng)變計(jì)和外殼 及補(bǔ)償電阻 。 剪切梁式： 該類傳感器有以下特點(diǎn)：輸出信號(hào)不受稱重點(diǎn)位置變化的影響；線性好、精度高；傳感器受拉伸與壓縮時(shí)，切應(yīng)力的幅度與分布基本相同，即傳感器的拉 伸、壓縮靈敏度基本相同，所以特別適用于同時(shí)受拉和壓的測(cè)量；外形低、體積小、重量輕，易于安裝和維修；結(jié)構(gòu)簡單易于密封；抗側(cè)向力強(qiáng)。該類傳感器的特點(diǎn)如下：由于傳感器與秤體之間的連接為要求很低的間隙配合，所以安裝方便，維護(hù)簡單，重復(fù)性好。 柱式： 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，易于加工，成本費(fèi)用低，密封性能良好，對(duì)于潮濕環(huán)境很適用，可設(shè)計(jì)成壓式或拉式的，可以承受很大的載荷；其缺點(diǎn)是位移量小、靈敏度低。 應(yīng)變式測(cè)力與稱重傳感器 第二章 應(yīng)變式傳感器 14 組成 ： 彈性體，應(yīng)變計(jì)和外殼。 工作原理 當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的 作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。 彈性元件： 具有彈性應(yīng)變特性的物體 。 應(yīng)變式傳感器 基本概念 應(yīng)變：物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 。 ④ 濾波器： 濾除相敏檢波器輸出信號(hào)中的高次諧波分量，以獲得理想的輸出波形。為提高放大器的穩(wěn)定性，一般采用交流載波放大器，直流放大器僅用于超動(dòng)態(tài)應(yīng)變儀。通常電橋由正弦振蕩器供電 ,其頻率為 500 赫～ 50 千赫 ,較低頻率的被測(cè)應(yīng)變信號(hào)對(duì)較高 的頻率的電橋電壓進(jìn)行調(diào)幅，輸出一個(gè)窄頻帶的調(diào)幅波信號(hào)。采用交流電橋電路的應(yīng)變儀由電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、振蕩器和電源部分組成 。選擇分流電阻 R5 的值，可以使應(yīng)變片靈敏度下降對(duì)電橋輸出的影響得到很好的補(bǔ)償。這種方法簡便，但補(bǔ)償塊的設(shè)置受到現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境條件的限制。 R1貼在試件上，接入電橋工作臂， R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機(jī)械應(yīng)變的補(bǔ)償塊上，接入電橋相鄰臂作補(bǔ)償臂 (R R4同樣為平衡電阻 )，如圖 所示。不同的是，敏感柵是由同符號(hào)電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻 R