傳感器與檢測技術(shù)光電式傳感器解讀

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1、第七章 光電式傳感器 組成 光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路、光電器 件組成。 工作原理 首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然 后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號。 被測量通過對輻射源或者光學(xué)通路的影響將待 測信息調(diào)制到光波上，通過改變光波的強(qiáng)度、 相位、空間分布和頻譜分布等，由光電器件 將光信號轉(zhuǎn)化為電信號。電信號經(jīng)后續(xù)電路 解調(diào)分離出被測量信息，實現(xiàn)測量。 特點 頻譜寬 不受電磁干擾的影響 非接觸測量 高精度、高分辨力、高可靠性 反應(yīng)快 應(yīng)用 檢測、控制領(lǐng)域 第一節(jié) 光源 光源是光電式傳感器的重要組成部分。 選擇光源要考慮哪些因素？ 波長 譜分布 相干性 體積 造價 功率 常見的光源有哪幾

2、類？ 自然光源太陽光 天空光 人工光源熱輻射光源 氣體放電光源 激光器 電致發(fā)光器件 一、熱輻射光源 什么是熱輻射光源？ 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。 哪些光源屬于熱輻射光源？ 白熾燈 鹵鎢燈 熱輻射光源的峰值波長與什么有關(guān)？ 物體溫度越高，輻射能量越大，波長越短。 熱輻射光源有哪些特點？ 輸出功率大 響應(yīng)速度慢，調(diào)制頻率低于 1kHz， 不能用 于快速的正弦和脈沖調(diào)制。 白熾燈為可見光源，峰值波長在近紅外區(qū) 域，可用作近紅外光源。 二、氣體放電光源 什么是氣體放電光源？ 電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種 原理制成的光源稱為氣體放電光源。 氣體放電

3、光源的光譜與什么有關(guān)？ 其光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類及 放電條件有關(guān)。 哪些光源屬于氣體放電光源？ 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈統(tǒng)稱 為光譜燈，常用作單色光源。還有氙燈。 三、電致發(fā)光器件發(fā)光二極管 什么是電致發(fā)光器件？ 固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn) 象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換 成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器 件稱為電致發(fā)光器件。 哪些器件屬于電致發(fā)光器件？ 主要有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、電致 發(fā)光屏等。 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比， 這個電流約在幾十毫安之內(nèi)，太大會引 起輸出光強(qiáng)飽和，甚至損壞器件，使用 時常串連一電阻。 電極 控制層

4、N型半導(dǎo)體 電極 絕緣層 P型半導(dǎo)體 發(fā)光二極管有哪些優(yōu)點？ 體積小 壽命長 工作電壓低 響應(yīng)速度快 發(fā)熱小 四、激光器 激光器 laser， 是“光受激輻射放大”的 縮寫，即 light amplification by stimulated emission of radiation. 某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能 量，從低能級躍遷到高能級上，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。由于單位時間受激發(fā)射光 子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)象稱為光 的受激輻射放大

5、。具有這種功能的器件稱為激 光器。 激光器有哪些優(yōu)點？ 單色性好、方向性好、亮度高、相干性好 激光器有哪幾種？ 固體激光器（紅寶石） 氣體激光器 （ He-Ne） ,（ CO2， 遠(yuǎn)紅外光源） 半導(dǎo)體激光器（ 體積小，能量高，電源簡單） 液體激光器 第二節(jié) 光電器件 光電器件的 作用 是將光信號變?yōu)殡娦盘枴?不同種類的光電傳感器，對光電器件在 靈敏度 、 動態(tài)特性 、 頻譜接收能力 等方 面的要求也不相同。 光電器件按探測原理可 分為 ： 熱探測型 和 光子探測型 。 一、熱探測器 熱探測型器件首先將光信號的能量變?yōu)樽陨淼?溫度變化，再利用器件某種溫度敏感特性將溫 度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號。

6、它是基于光輻射 與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的傳感器 。 探測 器對波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有 關(guān)，尤其適用于紅外探測。 種類 有：測輻射的熱電偶、測輻射的熱敏電阻、 熱釋電探測器等。 熱釋電傳感器可用于防火、防盜裝置，光譜儀， 紅外測溫儀 ，熱象儀，紅外遙感技術(shù)等中。 二、光子探測器 光子探測型器件基于 光電效應(yīng) 原理，即利用光 子本身能量激發(fā)載流子。這類器件有一定的截 止波長，但響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為 廣泛。 什么是光電效應(yīng)？ 光是由光子組成的，其能量和頻率關(guān)系為 E=hf 光照在物體上可看成是一連串具有能量為 E的光 子轟擊物體，如果光子能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部 電子在吸收光

7、子后就會擺脫內(nèi)部力的束縛，成 為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出， 也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過程，這種現(xiàn)象稱 為光電效應(yīng)。 是不是光的強(qiáng)度越大激發(fā)的導(dǎo)電電子越 多，為什么？ 光子探測器有一定的截止波長，只能探測 短于這一波長的光，當(dāng)光的頻率低于某 一閾值時，光的強(qiáng)度再大也不能激發(fā)導(dǎo) 電電子。 目前常用的光子探測型器件有哪幾種？ 光電發(fā)射型探測器 光電導(dǎo)型探測器 光電結(jié)型探測器 光生伏特型探測器 （一）光電發(fā)射型探測器 在光線作用下能使電子逸出物體表面的 現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，用這種原理制成 的光電器件稱為光電發(fā)射型探測器。 主要有： 真空光電管和光電倍增管 概念 紅限 臨界波長 hc/A0

8、圖 7-3 真空光電管的結(jié)構(gòu)及 外接電路 a) 結(jié)構(gòu) b) 外接電路 圖 7-4 光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖 它在光電陰極和陽極之間又增加了若干個光電倍增極，這些倍增極上涂有 Sb- Cs或 Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。當(dāng)有入射光照射時，陰極發(fā)射 的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射。這樣，在陰極和陽極間 的電場作用下，逐級產(chǎn)生二次電子發(fā)射，電子數(shù)量迅速遞增。典型的倍增管 一般有 10個左右的倍增極，相鄰極之間加有 200400V的電壓， 陰極和陽極間 的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為 105左右，它的上升沿時間可達(dá) 2ns，探測 光譜為 0.21.0m m之間 。光電倍增管的

9、噪聲主要來源于陰極發(fā)射和倍增過程 中的統(tǒng)計噪聲、以及熱發(fā)射產(chǎn)生的暗電流。由于光電倍增管的高增益，它們 可用于探測單個的光子，也就是所說的光子探測模式。 光電管的特性 包括：光電特性 （ I-）、 伏安特性（ I- U）、 光譜特性（ I-） 等 圖 7-5 光電管的特性 a) 光電倍增管的光電特性 b) 光電倍增管的伏安特性 c) 光電管的光譜特性 -銫氧銀陰極 -銻化銀陰極 -人的視覺光譜特性 （二）光電導(dǎo)型探測器 半導(dǎo)體材料在光線作用下，其電阻值往 往變小，這種現(xiàn)象稱為 光導(dǎo)效應(yīng) ，基于 光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為 光敏電阻 ，也 叫 光導(dǎo)管 。 特點： 靈敏度高，體積小，重量輕，光 譜響應(yīng)范

10、圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和 振動，壽命長。純電阻元件，無源器件， 有電流通過時，會產(chǎn)生熱的問題。電路 簡單。適用于紅外探測。 （三）光電結(jié)型探測器 與光電導(dǎo)型工作原理相似，利用光子引 起的電子躍遷將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枺?只是光照射在半導(dǎo)體結(jié)上而已，。 主要有： 光電二極管和光電三極管。 圖 7-7 光敏管結(jié)構(gòu)及其符號 a) 光敏二極管 b) 光敏三極管 c) 光敏場效應(yīng)三極管 （四）光生伏特型探測器 是一種自發(fā)電式的有源器件。這種半導(dǎo)體 器件受到光照射時就產(chǎn)生一定方向的電動 勢，而不需要外部電源。這種因光照而產(chǎn) 生電動勢的現(xiàn)象稱為 光生伏特效應(yīng) 。 用可見光作光源的光電池是最常用的光生 伏特型

11、元件，如 硅光電池 。 太陽能電池 優(yōu)點 ：輕便、簡單、不會產(chǎn)生 氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。 可用于宇宙飛行器的各種儀表電源。 圖 7-8 硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號 半導(dǎo)體光電器件的特性 包括：光電特性、伏安特性、光譜特性、 頻率特性、溫度特性等 圖 7-10 半導(dǎo)體光電器件的光電特性 a） 硒光敏電阻的光電特性 b） 光敏晶體管的光電特性 c） 硅光電池的光電特性 圖 7-11 半導(dǎo)體光電器件的伏安特性 a） 光敏電阻的伏安特性 b） 鍺光敏晶體管的伏安特性 c） 硅光電池的伏安特性 圖 7-12 半導(dǎo)體光電材料的光譜特性 a） 光敏電阻的光譜特性 b） 光敏管和光電池的光譜特性 圖 7

12、-13 半導(dǎo)體光電器件的頻率特性 a） 光敏電阻和光電池的頻率特性 b） 光敏晶體管的頻率特性 圖 7-14 半導(dǎo)體光電器件的溫度特性 a） 鍺光敏晶體管的溫度特性 b） 硅光電池的溫度特性 第三節(jié) 電荷耦合器件和位置敏感器件 電荷耦合器件 （ Charge-Coupled Devices） 是 70年代發(fā)展起來的一種新型器件。它將 MOS 光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體， 構(gòu)成具有自掃描功能的圖像傳感器。 應(yīng)用領(lǐng)域：攝像機(jī)、廣播電視、可視電話、 傳真、自動檢測、控制、軍事、醫(yī)學(xué)、天文、 遙感。 車身檢測、鋼管檢測、芯片檢測、指紋檢測、 虹膜檢測、顯微鏡改造、工件尺寸及缺陷檢 測、對刀儀

13、、復(fù)雜形貌測量等。 優(yōu)點 固體化、體積小、重量輕、功耗低、可靠性 高、壽命長 圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好 光敏元之間幾何尺寸精度高，可得到較高的 定位精度和測量精度，具有較高分辨力 自掃描，具有較高的光電靈敏度和較大的動 態(tài)范圍 視頻信號便于與微機(jī)接口 它是在半導(dǎo)體基片上（如 P型硅）生長一種具有介質(zhì)作用的氧化物（如二氧化 硅），又在其上沉積一層金屬電極，形成了金屬 氧化物 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 （ MOS）。 當(dāng)在金屬電極上施加一正電壓時，在電場的作用下，電極下的 P型硅區(qū)域里的 空穴被趕盡，從而形成一個耗盡區(qū)，也就是說，對帶負(fù)電的電子而言是一個勢 能很低的區(qū)域，稱為勢阱。如果此時有光線入射到半導(dǎo)體硅

14、片上，在光子的作 用下，半導(dǎo)體硅片上就會產(chǎn)生電子和空穴，光生電子被附近的勢阱所俘獲，而 同時光生空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入 射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。人們稱這樣一個 MOS結(jié)構(gòu)元為 MOS光敏元或叫做 一個象素，把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。 （一） MOS光敏單元 圖 7-9是 MOS光敏元的結(jié) 構(gòu)原理圖。 通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個相互獨立的 MOS光敏元， 若在金屬電極上施加一正電壓時，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾 百個或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一 幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相 對

15、應(yīng)的光生電荷圖像。 （二）讀出移位寄存器 讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路。下圖是讀出移位寄 存器的結(jié)構(gòu)原理圖。它也是 MOS結(jié)構(gòu)，亦即由金屬電極、氧化物 和半導(dǎo)體三部分組成。 （二）讀出移位寄存器 （二）讀出移位寄存器 它由三組（也有二組、四組等）鄰近的電極組成一個耦合單元 （亦即傳輸單元），在這三個電極上分別施加脈沖波 1、 2、 3，如圖 7-10b所示。在 t1時刻 ,第一相時鐘 1處于高電平， 2、 3處于低電平。這時第一組電極下形成深勢阱，信息電荷存貯其 中。在 t2時刻 , 1、 2處于高電平 , 3處于低電平，電極 1、 2下 都形成勢阱。由于兩個電極靠得很近，電荷就從 1電

16、極下耦合到 2電極下。 t3時刻， 1電壓減小， 2處的電壓升高，在第一組電 極下的勢阱減小，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移。直 到 t4， 2為高壓， 1、 3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電 極下面。至此信息電荷轉(zhuǎn)移了一位。經(jīng)過同樣的過程， t5時刻， 電荷又耦合到 3電極下， t6時刻，電荷就轉(zhuǎn)移到下一位的 1電極 下，這樣，在三相脈沖的控制下，信息電荷不斷向右轉(zhuǎn)移，直到 最后位依次不斷地向外輸出。電荷的輸出，通常采用反偏壓輸出 二極管所形成的深勢阱把信息電荷收集并送入前臵放大器。根據(jù) 輸出先后可以辨別出電荷是從哪位光敏元來的，并根據(jù)輸出電荷 量，可知該光敏元受光的強(qiáng)弱。無光照處

17、則無光生電荷。 （二）面陣電荷 耦合攝像器件 圖 7-18 各脈沖波形和相位 圖 7-19 場轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件 三、 CCD應(yīng)用舉例 尺寸測量 圖 7-20工件尺寸測量系統(tǒng) 物體缺陷檢測 圖 7-21 鈔票檢查系統(tǒng)原理圖 四、位置敏感器 (PSD） 位置敏感器件（ Position Sensitive Detector） 是一種對其感光面上入射光點位置敏感的 器件，也稱為坐標(biāo)光電池。 PSD一般為 PIN結(jié)構(gòu)?；?橫向光電效應(yīng) 而工作。 圖 7-22 PSD的基本結(jié)構(gòu) 光電傳感器的應(yīng)用 一、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時 封裝在一個外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件 。 絕

18、緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光敏三極管 透明樹脂 1. 光電耦合器的結(jié)構(gòu) 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié) 構(gòu) ， 在其中部對接 ， 采用環(huán)焊 以保證發(fā)光二極管和光敏二極 管對準(zhǔn) ， 以此來提高靈敏度 。 (a)金屬密封型 (b)塑料密封型 采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié) 構(gòu) 。 管心先裝于管腳上 ， 中間再 用透明樹脂固定 ， 具有集光作用 ， 故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高 。 2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種 ， 如下圖所示 。 (a) (b) (c) (d) 光電耦合器的組合形式 該形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低，通常用 于 50kHz以下工作頻率的裝臵內(nèi)。

19、 該形式采用高速開關(guān)管構(gòu)成的高速光 電耦合器 ,適用于較高頻率的裝臵中。 該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的 高傳輸效率的光電耦合器，適用于直 接驅(qū)動和較低頻率的裝臵中。 該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高 傳輸效率的光電耦合器。 平行 光源 光電 探測 放大 顯示 刻度 校正 報警器 吸收式煙塵濁度檢測系統(tǒng)原理圖 煙道 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖 (a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)臵盤， 在調(diào)臵盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá) 光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖 信

20、號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由 該脈沖頻率決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固 定一個涂上黑白相間 條紋的圓盤，它們具 有不同的反射率。當(dāng) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與 不反光交替出現(xiàn)，光 電敏感器件間斷地接 收光的反射信號，轉(zhuǎn) 換為電脈沖信號。 三、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用： 將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將大陽能 轉(zhuǎn)換成電能 ， 即太陽能電池 。 這是全世界范圍內(nèi)人們所 追求 、 探索新能源的一個重要研究課題 。 太陽能電池已在宇宙開發(fā) 、 航空 、 通信設(shè)施 、 太陽電池 地面發(fā)電站 、 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。 目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競

21、爭 ， 但是隨 著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展 ， 成本會逐漸下降 ， 太陽電池 定將獲得更廣泛的應(yīng)用 。 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏 度高、響應(yīng)時間短等特性，但不必需要像太陽電池那 樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢 測和自動控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 1太陽電池電源 太陽電池電源系統(tǒng)主要由太陽電池方陣、蓄電池組、 調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載 供電，則加一個直流交流變換器，太陽電池電源系 統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器 逆 變 器 交 流 負(fù) 載 太陽 電池 方陣 直 流 負(fù) 載 太陽能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2光電池在光電

22、檢測和自動控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測使用時 ， 其基本原理 與光敏二極管相同 ， 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造 工藝不完全相同 。 由于光電池工作時不需要外 加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率 特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、 光電耦合 、 光柵測距 、 激光準(zhǔn)直 、 電影還音 、 紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝臵等 。 (a) 光電追蹤電路 +12V R4 R3 R6 R5 R2 R1 W BG1 BG2 圖 (a)為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路 ， 用兩只性 能相似的同類光電池作為光電接收器件 。 當(dāng)入射光通 量相同時 ， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行

23、跟蹤 。 當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時 ， 電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu) 進(jìn)行糾正 ， 以此達(dá)到跟蹤的目的 。 光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (b) 光電開關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開關(guān) ， 多用于自動控制系 統(tǒng)中 。 無光照時 ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷 態(tài) 。 當(dāng)光電池受光照射時 ， 產(chǎn)生較高的電動勢 ， 只要光 強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值 ， 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) ， 達(dá)到開 關(guān)目的 。 +12V 5G23 (c) 光電池放大電路 C3 -12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 (c

24、)為光電池放大電路 。 在測量溶液濃度 、 物體色度 、 紙張的灰度等場合 ， 可用該電路作前臵級 ， 把微弱 光電信號進(jìn)行線性放大 ， 然后帶動指示機(jī)構(gòu)或二次儀 表進(jìn)行讀數(shù)或記錄 。 在實際應(yīng) 用中 ， 主要利用 光電池的光照特 性 、 光譜特性 、 頻率特性和溫度 特性等 ， 通過基 本電路與其它電 子線路的組合可 實現(xiàn)或自動控制 的目的 。 第三節(jié) 光纖傳感器 光纖傳感器是七十年代發(fā)展起來的新型傳感技術(shù)， 與常規(guī)傳感器相比，有很多優(yōu)點： 抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由電絕緣材料做 成，工作時利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場 干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很 難進(jìn)入光纖。 光纖直徑

25、只有幾微米到幾百微米。而且光纖柔 軟性好，可深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等 常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測。 光纖集傳感與信號傳輸于一體，利用它很容易 構(gòu)成分布式傳感測量。 光纖傳感器的優(yōu)點突出，發(fā)展極快。自 1977年以 來，已研制出多種光纖傳感器，被測量遍及位移、 速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、振動、 水聲、溫度、電流、電壓、磁場和化學(xué)物質(zhì)等。 新的傳感原理及應(yīng)用正在不斷涌現(xiàn)和擴(kuò)大。 光纖傳感器在易燃易爆場合的應(yīng)用 控 制 室 光 纖 各類油罐 參數(shù)檢測 壓力容器 參數(shù)檢測 核工業(yè)環(huán)境 參數(shù)檢測 煤礦中 CH4 等參數(shù)檢測 光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場干擾場合的 應(yīng)用 控 制 室

26、 光 纖 高壓 變壓器 高壓 電動機(jī) 強(qiáng)電磁干擾 電氣設(shè)備 微波 設(shè)備 一、光纖傳感器的基本知識 光纖是一種傳輸光的細(xì)絲，它能夠?qū)⑦M(jìn)入光纖一端的光線傳到光 纖的另一端。通常光纖由兩層光學(xué)性質(zhì)不同的材料組成，如圖所 示。光纖的中間部分是導(dǎo)光的纖芯，纖芯的周圍是包層。包層的 折射率 n2略小于纖芯的折射率 n1，它們的相對折射率差 （ =1- n2/n1）通常為 0.005 0.140。 光纖傳光的基礎(chǔ)是光的 全內(nèi)反射。當(dāng)光線以入 射角 進(jìn)入光纖的端面 時，在端面出發(fā)生折射， 設(shè)折射角為 ，然后光 線以 角入射至纖芯與 包層的界面。 當(dāng) 角大于纖芯與包層間的臨界角 c時 , 即 c=arcsin(

27、n2/n1) 則射入的光線在光纖的界面上發(fā)生全反射，并在光纖內(nèi)部以同樣 的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。 實際工作時光纖可能彎曲，只要仍滿足全反射定律， 光線仍繼續(xù)前進(jìn)。由于光纖具有一定柔軟性，很容易 使光線“轉(zhuǎn)彎”，這給傳感器的設(shè)計帶來了極大的方 便 。 斯乃爾定理 （ Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì) (折射率大 )入射至光疏物質(zhì)時發(fā)生折射， 如圖 (a)，其折射角大于入射角，即 n1 n2時， r i。 n1 n2 r i (a)光的折射示意圖 可見 ， 入射角 i增大時 ， 折射角 r也隨之 增大 ， 且始終 r i。 n1、 n2、 r、 i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sin

28、i=n2sinr 根據(jù)斯乃爾折射定律， n0sin=n1sin=n1cos =n1(1-sin2 )1/2 設(shè)當(dāng) 達(dá)到臨界角 c時， 由 c=arcsin(n2/n1) 及 n0sin=n1sin=n1cos =n1(1-sin2 )1/2 可得 ： n0sinc=(n12-n22)1/2 可得 ： n0sinc=(n12-n22)1/2 式中 n0sinc是為光纖的數(shù)值孔徑，用 NA表示。 它表示當(dāng)入射光從折射率為 n0 的外部介質(zhì)進(jìn)入光纖時， 只有入射角小于 c的光才能在光纖中傳播。否則，光線 會從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。 NA是光纖的一個重要參數(shù)， NA值越大，光源到光纖的耦合效率越高。

29、從構(gòu)成光纖的材料來看，除了玻璃光纖外還有塑料光纖， 也有玻璃塑料混合光纖。 光纖按其傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文９饫w和多模光纖兩類。 光在纖芯中傳播就是電場和磁場在光纖中向前傳輸，可 分解為沿軸向和徑向傳播的平面波，沿徑向傳播的平面 波在纖芯和包層的界面上產(chǎn)生反射。如果此波在一個往 復(fù)（相臨兩次反射）中相位變化為 2 的整數(shù)倍，就能形 成駐波。只有形成駐波的光才能在光纖中傳播，一個駐 波就是一個模。在光纖中只能傳輸有限個模。 例如，纖芯直徑為 5m時只能傳輸一個模，稱為單模光 纖；纖芯直徑為 50m時就能傳輸多個模，稱為多模光纖。 光纖按其中的折射率分布可分為階躍型光纖和梯度型光纖。 階躍型是指纖芯和包

30、層 的折射率不連續(xù)的光纖， 如圖 7-16a所示。 梯度型光纖如圖 7-16b所 示，在中心軸上折射率 最大，沿徑向逐漸變小， 界面處 n1=n2。 n1的分布 大多按拋物線規(guī)律，其 關(guān)系式 n1=n(1-Ar2/2) 采用梯度型光纖時，光射入光纖后會自動地從界面向軸心會聚， 故也稱為自聚焦光纖。這種光纖頻帶寬、信號畸變小，工作時極 易達(dá)到全反射，但制造較難。 二、光纖傳感器 按工作原理光纖傳感器分為功能型和非功能型兩大類。 （一）功能型（或稱物性型、傳感型）光纖傳感器 光纖在這類傳感器中不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測 量的功能。因為光纖既是電光材料又是磁光材料，所以 可以利用邁克爾效應(yīng)、法拉

31、第效應(yīng)等，制成測量強(qiáng)電流、 高電壓等傳感器； 其次可利用光纖的傳輸特性把輸入量變?yōu)檎{(diào)制的光信號。 因為表征光波特性的參量，如振幅（光強(qiáng)）、相位、和 偏振態(tài)會隨著光纖的環(huán)境（如應(yīng)變、壓力、溫度、電場、 射線等）而改變，故利用這些特性便可實現(xiàn)傳感測量。 1光強(qiáng)度調(diào)制型 光強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最基本的調(diào)制形式。被測量 通過影響光纖的全內(nèi)反射實現(xiàn)對輸出光強(qiáng)度的調(diào)制。 從幾何光學(xué)的角度講，調(diào)制的條件是 arcsin(n2/n1) 式中 : 光線從纖芯到包層的入射角； n1 、 n2: 分別為纖芯和包層的折射率。 調(diào)制的具體途徑又可分為兩大類： 改變光纖的幾何形狀，從而改變光線的傳播入射角 ； 改變光纖纖

32、芯或者包層的折射率。 圖 7-27a為光纖彎曲時傳光特性示意圖?？梢姡诶w芯中 傳輸?shù)墓庥幸徊糠竹詈系桨鼘又?，原來光束以大于臨界 角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在彎曲處，光束 以小于臨界角 arcsin (n2/n1)的角度入射到界面，部分光逸 出散射到包層。這種檢測原理可以實現(xiàn)對力、位移和壓 強(qiáng)等物理量的測量。 改變光纖折射率實現(xiàn)調(diào)制的方法也很常用，對于不同的 測量對象可以采用不同的材料作包層，例如電光材料、 磁光材料、光彈材料等，圖 7-27b所示為光纖中光強(qiáng)被 油滴所調(diào)制的情況。有一種光纖溫度傳感器就是利用纖 芯和包層折射率的溫度系數(shù)不一致，實現(xiàn)對溫度的測量。 2光相位調(diào)制型 光纖相

33、位調(diào)制是光纖比較容易實現(xiàn)的調(diào)制形式，所有能 夠影響光纖長度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力的被測量都會引起 相位變化， 例如壓力、應(yīng)變、溫度和磁場等。相位調(diào)制型光纖傳感 器比強(qiáng)度型復(fù)雜一些，一般采用干涉儀檢測相位的變化， 因此，這類傳感器靈敏度非常高。常用的干涉儀有四種： 邁克爾遜（ Mich1son）、馬赫 -琴特（ Mach-Zehnder）、 薩古納克（ Sagnac）、法布里 -珀羅（ Fabry-perot）。 它們的共同點是：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束 的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起， 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 圖 7-28表示馬赫 -琴特干涉儀原理圖。 立方棱鏡把激光束一分為二，

34、一束經(jīng)參考臂用布拉格調(diào)制器產(chǎn)生 頻移或用光纖延伸器和集成光學(xué)相移器來調(diào)制相位，另一束用暴 露于被測場中的信號光纖（或叫傳感光纖）來傳輸，兩束光在棱 鏡處重新匯合，為光電器件接收。 當(dāng)信號光纖周圍的溫度發(fā)生變化時，信號光纖會產(chǎn)生 一定量的相移 ，相移 的大小與信號光纖的長度 L、 折射率 n和橫截面的變化有關(guān)，由于光纖直徑受溫度變 化影響很小，可忽略。相移可以表示為： / L/L+n/n (7-14 ) ;)/(n ;)/( TTnTTLL 式中： 對于玻璃光纖， ;/10)/( ;/105)/( 0507 CTnCTL 可見在此， n起主要作用 ； （二）非功能型（或稱結(jié)構(gòu)型、傳光型）光纖傳感

35、器 光纖在非功能型光纖傳感器中只作為傳光的介質(zhì)，還需 加上其它敏感器件才能組成傳感器。非功能型傳感器的 特點是結(jié)構(gòu)比較簡單，能夠充分利用其它敏感器件和光 纖本身的優(yōu)點，因此發(fā)展很快。 1光纖位移傳感器 圖 7-30a為反射式光纖位移傳感器原理圖。 從發(fā)射光纖出射的光經(jīng)被測物表面直接或間接反射后，由接收光 纖傳到光電器件上，光量隨反射面相對光纖端面的位移 (x)而變 化，其關(guān)系如圖 7-30b所示。當(dāng) (x) 很小時，反射到接收光纖的光 量很少、因為這時兩光纖的光錐角重疊部分很小。隨著 (x) 的增 加接收光量增大并達(dá)到最大值，這段曲線靈敏度高、線性好，其 線性段適于測微小位移，峰值處適于測表面

36、粗糙度等。 (x) 繼續(xù) 加大，曲線從峰值開始下降。 實際上，這種光纖傳感器是由許多根光纖組成的光纜。發(fā)射和接 收光纖的 常見的組合方式有混合式、對半分式、共軸內(nèi)發(fā)射分布 三種?；旌鲜降撵`敏最高，而對半分式測量范圍最大。 另一種非常有價值的多模光纖位移傳感器如圖 7-31a所示 兩光纖端面斜切，端面對光纖軸線有相同的角度，斜切面拋光， 以便光線在接收光纖頭內(nèi)形成全反射。當(dāng)兩光纖距離較遠(yuǎn)時，沒 有光透過斜切面耦合到接收光纖。但是，當(dāng)兩斜切面非常接近時， 情況將發(fā)生變化。 由于光是一種電磁波，全內(nèi) 反射時雖然沒有光能進(jìn)入相 鄰介質(zhì)，但是電磁波卻能進(jìn) 入相鄰介質(zhì)一定深度，這個 深度大約為波長量級，進(jìn)

37、入 相鄰介質(zhì)的電磁波稱為瞬逝 波。當(dāng)兩切面距離小于光波 波長時，將有部分光透過間 隙耦合到接收光纖，距離越 近，耦合能量越大，如圖 7- 21b所示。根據(jù)這個原理，可 以制成光纖位移傳感器。這 種傳感器的測量范圍為光波 波長量級，靈敏度可達(dá)到納 米量級。 2光纖溫度傳感器 光纖測溫技術(shù)除了前面介紹的方法外，尚有很多方法，其中一 種結(jié)構(gòu)是把半導(dǎo)體材料夾持在發(fā)射光纖和接收光纖之間，當(dāng)溫 度變化時半導(dǎo)體的透光率隨之變化，接收光纖接收到的光量也 變化。當(dāng)前常用的半導(dǎo)體材料是 GaAs，其透光率達(dá) 30以上， 厚度為 150m，工作面積約為 0.7mm2，其工作面和光纖的端面都 要拋光并相互平行。 3光

38、波長分布（顏色）傳感器 光纖光波長調(diào)制型傳感器大多是非功能型的，光纖只作導(dǎo)光用。 波長測量有兩個步驟 : 首先是實現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟ㄩL分離，這可以用多種方法來實現(xiàn)：從棱 鏡或光柵光譜儀到干涉濾光片，以及簡單的彩色玻璃濾光器。 其次是測量在這些波長上的光功率，利用光纖傳導(dǎo)、光電器件 接收可方便地實現(xiàn)對接收功率的監(jiān)測。 利用光波長調(diào)制可開發(fā)的傳感器主要有：利用指示劑溶液濃度 實現(xiàn)遙控化學(xué)分析的 pH探頭；利用磷光和熒光隨溫度變化而做 成的光纖溫度計；利用法布里 -珀羅敏感標(biāo)準(zhǔn)具做成靈敏的位移 傳感器等。 4光頻率調(diào)制型光纖傳感器 光頻率調(diào)制是基于被測物體的入射光頻率與其反射光的多普勒 效應(yīng)，所以主要用來測

39、量運動物體的速度。如果頻率為 fi的光照 射在相對速度為 v的運動物體上，則從該運動體反射光頻率 fs變 為： )/1(/1 cvfcvff iis 其中 c:光速。 根據(jù)這種原理可以組成光纖激光 多普勒測振儀，測量靈敏度 非常高。例如用 He-Ne激光器做光源， 1ms-1速度的頻移達(dá) 1.6MHz，可測范圍為 1100ms-1。 可見 ,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較 ， 在測量 原理上有本質(zhì)的差別 。 傳統(tǒng)傳感器是以機(jī) 電測量為基礎(chǔ) ， 而光 纖傳感器則以光學(xué)測量為基礎(chǔ) 。 分類 內(nèi)容 光纖傳感器 電類傳感器 調(diào)制參量 振幅：吸收 、 反射等 相位：偏振 電阻、電容、電感等 敏

40、感材料 溫 -光敏、力 -光敏、 磁 -光敏 溫 -電敏、力 -電敏、 磁 -電敏 傳輸信號 光 電 傳輸介質(zhì) 光纖、光纜 電線、電纜 第四節(jié) 光柵傳感器 隨著微型計算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號 的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時代。通常采用 模擬式傳感器獲隨著微型計算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng) 用泛應(yīng)用，信號的檢測、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化 時代。 通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號，利用 A/D轉(zhuǎn)換器 將信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，再用微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理 進(jìn)行處理，這種方法簡便易行，但系統(tǒng)的構(gòu)成也很復(fù)雜。 數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問題而出現(xiàn)的，它能把 被測模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出。 光

41、柵是常用的數(shù)字式傳感器 4.1 光柵基礎(chǔ) 4.1.1 光柵分類及結(jié)構(gòu) 1.光柵分類 光柵按其原理和用途可以分為物理光柵和計量光柵。 物理光柵主要是利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析 和光波波長測定，而在檢測技術(shù)中常用的是計量光柵。 計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象（莫爾條紋）， 常用于位移長度、角度、速度、加速度等的測量，有 很高的分辨力。 2. 光柵結(jié)構(gòu) 所謂光柵，是在刻畫及面上等間距（或不等間距）地 密集刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光，形成透 光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。 常用的光柵每毫米有 10、 25、 50、 100和 250條線。 主光柵的刻線一般比指示光柵長。若劃線寬

42、度為 a 縫隙寬度為 b，則光柵節(jié)距或柵距 W為 W a + b。 通常取 a = b W /2。 4.1.2光柵的原理 光柵通常包括一長和一短兩塊配套使用，其中長的稱 為標(biāo)尺光柵或長光柵，一般固定在移動部件上，短的 為指示光柵或短光柵，裝在固定部件上。 透射式光柵傳感器 透射式長光柵傳感器 透射式圓光柵傳感器 反射式光柵傳感器 圖 7-46 反射式長光柵傳感器 當(dāng)指示光柵上的線紋與標(biāo)尺光柵上的線紋成一小角度 放臵時，兩光柵尺上線紋互相交叉。在光源的照射下， 交叉點附近的小區(qū)域內(nèi)黑線重疊，形成黑色條紋，其 它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱為莫爾條 紋 。莫爾條紋與光柵線紋幾乎成垂直方向排

43、列。 嚴(yán)格地說，莫爾條紋是與兩片光柵線紋夾角的平分線 相垂直。 直線光柵的莫爾條紋 由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動了多少 個柵距，而利用莫爾條紋的實際價值就在于： 能讓光敏元件 “ 看清 ” 隨光柵刻線移動所帶來的光強(qiáng) 變化。 4.1.3 莫爾條紋特點 1. 位移的放大作用 根據(jù)右圖，莫爾條紋間距 B與柵距 W和 夾角 之間有如下關(guān)系： WWWB 2/ 2/ )2/s i n ( 2/ 越小，莫爾條紋間距 B越大 越小， B越大， 當(dāng)小于 1 以后，可使 BW， 即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。 因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線的數(shù)目要 方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移

44、的 對應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數(shù)，獲 取小于光柵柵距的微小位移量。 2. 莫爾條紋的移動與柵距的移動成比例 當(dāng)光柵尺移動一個柵距 W時，莫爾條紋也剛好移動了一 個條紋寬度 B。只要通過光電元件測出莫爾條紋的數(shù)目， 就可知道光柵移動了多少個柵距，移動的距離就可以計 算出來。若光柵移動方向相反，則莫爾條紋移動方向也 相反 3.均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同組成，例如， 200條 /mm的光柵， 10mm寬的光柵就由 2000條線紋組成， 這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵 距之間不均勻造成的誤差。 4.1.3 莫爾條紋測量位移原理 當(dāng)光電元件 Ta或 Tb接

45、收到明暗相間的正弦信號時，根據(jù) 光電轉(zhuǎn)換原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)光柵移動一個 柵距 W時，電信號則變化了一個周期 這樣光敏元件輸出波形為： w xUUU mO 2s in w xUUU mO 2s in 無論莫爾條紋上移或下移，從一固定位臵看其明暗變化 是相同的。為了確定運動方向，至少要放臵兩個光電元 件，兩者相距 1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動時，莫爾 條紋通過兩個光電元件的時間不同，所以兩個光電元件 所獲得的電信號雖然波形相同，但相位相差 90度。根據(jù) 兩光電元件輸出信號的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵 移動方向。 4.1.4 位移辨向原理 辯向邏輯電路 4.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 如果僅

46、以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫 爾條紋；倘若要讀出位移為 0.1m，勢必要求每毫米 到線 1萬條，這是目前工藝水平無法實現(xiàn)的。 如果采用柵距細(xì)分技術(shù)可以獲得更高的測量精度。常 用的細(xì)分方法有： 1.增加光柵刻線密度 2. 對電信號進(jìn)行電子插值 ，把一個周期變化的莫爾條 紋信號再細(xì)分，即增加一個周期的脈沖數(shù) 3.機(jī)械和光學(xué)細(xì)分 光電元件直接細(xì)分 在一個莫爾條紋寬度上并列放臵四個光電元件，如右 下圖 (a)所示，得到相位分別相差 /2 的四個正弦周期信 號。用適當(dāng)電路處理這些信號，使其合并得到如右下 圖 (b)所示的脈沖信號。每個脈沖分別和四個周期信號 的零點相對應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了

47、 1/4個莫爾條紋 寬度。 用計數(shù)器對這一列脈沖信號計數(shù)，就可以讀到 1/4個莫 爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。 此種方法被稱為四倍頻細(xì)分法。 莫爾條紋光學(xué)細(xì)分法 這種方法采用密光柵作為指示光柵，稀光柵作為標(biāo)尺光柵，稀光 柵的柵距是密光柵的整數(shù)倍 。 可由下式表示為： r s W W 4.1.3 莫爾條紋測量位移原理 當(dāng)光電元件 Ta或 Tb接收到明暗相間的正弦信號時，根據(jù) 光電轉(zhuǎn)換原理將光信號轉(zhuǎn)換為電信號。當(dāng)光柵移動一個 柵距 W時，電信號則變化了一個周期 這樣光敏元件輸出波形為： w xUUU mO 2s in w xUUU mO 2s in 辯向邏輯電路 由圖可知，當(dāng)莫爾條紋上移是 Ua Ub的電平變化序列 為 00 01 11 10 00 ； 當(dāng)莫爾條紋下移時， Ua Ub的電平變化序列為： 為 00 10 11 01 00； 莫爾條紋上移 上次 uaub 本次 uaub 10 00 00 01 01 11 11 10 10 00 莫爾條紋下移 上次 uaub 本次 uaub 01 00 00 10 10 11 11 01 01 00