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1、第8章 光电式传感器,8.1 光电器件,1,8.2 光纤传感器,8.3 红外传感器,3,2,概述,光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电效应。由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了广泛的应用。,8.1 光电器件,光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。图8-1 光
2、电式传感器的工作原理,8.1 光电器件,8.1.1 光电效应光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类。1外光电效应在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能力由下式确定：,式中：h普朗克常数，6.62610（Js）；光的频率（s）。,8.1 光电器件,若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量h必须超出逸出功A0，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即（8-2）式中：m电子质量；v0电
3、子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。,8.1 光电器件,由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值，成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光，光强再大也不会产生光电子发射。当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件，如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。,8.1 光电器件,2内光电效应受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。光电导效应：在光线作用
4、下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。,8.1 光电器件,当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：,图8-2 电子能级示意图,从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即：,8.1 光电器件,光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。势垒效应（结光电效应）接触的半导体和PN
5、结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。,8.1 光电器件,8.1.2 光电管1结构与工作原理 光电管是外光电效应的器件，有真空光电管和充气光电管两类。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光 图8-3 光电管的结构的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。,8.1 光电器件,2主要性能（1）光电管的伏安特性在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的电流之间
6、的关系称为光电管的伏安特性。真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。,图8-4 光电管的伏安特性,8.1 光电器件,（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间的关系为光电管的光照特性。光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比称为光电管的灵敏度。,8.1 光电器件,（3）光电管光谱特性一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0，并且强度相同，随着入射光频率的
7、不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。,8.1 光电器件,8.1.3 光电倍增管1结构与原理 光电倍增管也是基于外光电效应的器件。由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如图8-5所示。图8-5 光电倍增管的外型和工作原理,8.1 光电器件,2主要参数（1）倍增系数M倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子i的乘积。如果n个倍增电极的i都一样，则M=i，因此，阳极电流I为：M与所加电压有关，一般在10 10 之间。如果电压有波动，倍增系数也要波动
8、，因此M具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极的电压为1000V2500V，两个相邻的倍增电极的电压差为50V100V。,8.1 光电器件,（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图8-6所示。极间 电压越高，灵敏度越高；但 极间电压也不能太高，太高 反而会使阳极电流不稳。另 外，由于光电倍增管的灵敏 度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损坏。,图8-6 光电倍增管的特性曲线,8.1 光电器件,（3）光谱特性光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似
9、。（4）暗电流及本底电流当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子，这时的电流称为暗电流，。如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。,8.1 光电器件,8.1.4 光敏电阻1光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管，是内光电效应器件，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻器以硫化隔制成，所以简称为CDS。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电
10、阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。,8.1 光电器件,当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级，亮电阻在几千欧以下。图8-7为光敏电阻的原理结构。图8-7 光敏电阻结构,8.1 光电器件,2光敏电阻的主要参数（1）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。（2）亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。,8.1 光电器件,3光敏电阻的基本特性（1）
11、伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安特性。图8-8为硫化镉光敏电阻 的伏安特性曲线。由图 可见，光敏电阻在一定 的电压范围内，其I-U曲 线为直线，说明其阻值与 入射光量有关，而与电 压、电流无关。,图8-8 硫化镉光敏电阻的伏安特性,8.1 光电器件,（2）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性，亦称为光谱响应。图8-9为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同的。图8-9 光敏电阻的光谱特性,8.1 光电器件,（3）光照特性光敏电阻的光照特性是光敏电阻的光电流与光强之间的关系，如图8-10
12、所示。由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。图8-10 光敏电阻的光照特性,8.1 光电器件,（4）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。温度变化影响光敏电阻的光谱响应，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。图8-11为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线。,图8-11 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,8.1 光电器件,（5）光敏电阻的响应时间和频率特性实验证明，光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，通常用时间常数t来描述，这叫做光电导的弛豫现象。所谓时间常数即为光敏电阻自停
13、 止光照起到电流下降到原来 的63%所需的时间，因此，t 越小，响应越迅速，但大多数 光敏电阻的时间常数都较大，这是它的缺点之一。图8-12所示为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。,图8-12 光敏电阻的频率特性,8.1 光电器件,4光敏电阻基本应用电路 在图8-13所示的电路中，我们利用光敏电阻将光线的强弱变为电阻值的变化，以达到光控制电路的目的。图8-13 CDS 实验电路,8.1 光电器件,8.1.5 光敏二极管和光敏晶体管1结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，图8-14 光敏二极管的结构原理其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图814（a）。光敏二
14、极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-14（b）所示），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。,8.1 光电器件,图8-15为NPN型光敏晶体管的结构简图和基本电路。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于 图8-15 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压；当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子-空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,8.1 光电器件,2基本特性（1）光谱特性 光敏二极管和晶体管的光谱特性曲线如图
15、8-16所示。从曲线可以看出，硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，此 图8-16 光敏晶体（二极）管的光谱 特性时灵敏度最大，而当入射光的波长增加或缩短时，相对灵敏度也下降。一般来讲，锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。,8.1 光电器件,（2）伏安特性图8-17为硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线。从图中可见，光敏晶体管的光电流比相同管型的二极管大上百倍。图8-17 硅光敏管的伏安特性,8.1 光电器件,（3）温度特性 光敏晶体管的温度特性是指其暗电流及光电流与温度的关系。光敏晶体管的温度特 图8-
16、18 光敏晶体管的温度特性性曲线如图8-18所示。从特性曲线可以看出，温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大，所以在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,8.1 光电器件,8.1.6光电池光电池是在光线照射下，直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。图8-19为光电池的工作原理图。,图8-19 光电池工作原理,8.1 光电器件,1基本特性（1）光谱特性 光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。图8-20为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。从图中可知，不同材料的光电池，
17、光 图8-20 光电池的光谱特性谱 响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池在0.8m附近，硒光电池在0.5m附近。硅光电池的光谱响应波长范围为0.41.2m，而硒光电池的范围只能为0.380.75m。可见硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。,8.1 光电器件,（2）光照特性 光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性。图8-21为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。图8-21 硅光电池的光照特性,8.1 光电器件,（3）温度特性 光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，
18、影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。光电池的温度特性如图8-22所示。图8-22 硅光电池的温度特性,8.1 光电器件,（4）频率特性光电池的频率特性就是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系，如图8-23所示。从曲线可以看出，硅光电池有很高的频率响应，可用在高速计数、有声电影等方面。这就是硅光电池在所以光电元件中最为突出的优点。,图8-23 光电池的频率特性,8.1 光电器件,2应用电路光电池转换电路如图8-24所示，能将光的照度转换为电压形式输出，本电路所使用的光电池，其外型是由四个相同的光电池串联而成，其开路电压约为2V，短路电流约为0.08Al x。
19、图8-24 光电池转换电路,8.1 光电器件,由光电池特性得知，光电池的开路电压Vop与入射光强度的对数成正比，成非线性关系，而短路电流Ish却是与照度成正比，所以一般转换电路大都采用短路电流做转换，而不采用开路电压。图8-24的U1为一个电流-电压转换电路，可将光电池的短路电流转换成电压。因运算放大器有虚接地的特性，且光电池接在运算放大器的正负两端相当于光电池短路。又因运算放大器的输入电流几乎为零，所以全部的Ish流到R6与R7，使U1的输出电压V1=Ish(R6+R7)。所以可调整R7的大小，使得输出电压为1mVl x，这种调整方式，称为扩展率调整(Span adjust)。,8.1 光电
20、器件,若现场含有AC110V，60Hz的交流成分存在。由R8(10K)，C1(10F)所组成的低通滤波器，可将120Hz的交流成分滤除，使得转换电路的输出电压为平均照度的电压信号。而U2为一电压跟随器（AV1），作为缓冲器。,8.1 光电器件,8.1.7 光电耦合器件光电耦合器件是由发光元件（如发光二极管）和光电接收元件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。光电耦合器中的发光元件通常是半导体的发光二极管，光电接收元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管或光可控硅等。根据其结构和用途不同，又可分为用于实现电隔离的光电耦合器和用于检测有无物体的光电开关。,8.1 光电器件,1光电耦合器光电耦合器
21、的发光和接收元件都封装在一个外壳内，一般有金属封装和塑料封装两种。耦合器常见的组合形式如图8-25所示。,图8-25 光电耦合器组合形式,8.1 光电器件,2光电开关光电开关是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。,图8-26 光电开关的结构,8.1 光电器件,图（a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样起到检测作用。图（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面
22、且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。光电开关的特点是小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。,8.1 光电器件,用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高-低”（1-0）之分即可。图8-27是基本电路的示例。（a）、（b）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，（c）表示用晶体管放大光电流的情况。,图8-27 光电开关的基本电路,光电开关广泛应用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置。,8.1 光电器件,8.1.8电荷耦合器件电荷耦合器件（Charge Coup
23、le Device，简称CCD）是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号，基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。CCD自1970年问世以来，由于其低噪声等特点而发展迅速，广泛应用于在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。,8.1 光电器件,.CCD原理构成CCD的基本单元是MOS电容器，如8-26所示。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。图8-26 MOS电容的结构,图8-28 MOS电容的结构,8.1 光电器件,如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，如图8-29所
24、示，成为蓄积电荷的场所。图8-29 势阱的形成,8.1 光电器件,图8-30为三相CCD时钟电压与电荷转移的关系。,图8-30 三相CCD信息电荷传输原理图,8.1 光电器件,CCD输出端有浮置扩散输出端和浮置栅极输出端两种形式，如图8-31所示。,图8-31 CCD的输出端形式,2CCD的应用（CCD固态图像传感器）电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。感光部分是指在同一半导体衬底上布设的若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称“像素”。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元的光学图像转换成电信号“图像”，即
25、将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，经输出放大器输出。,8.1 光电器件,根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种。（1）线型CCD图像传感器典型的线型CCD图像传感器由一列光敏元件和两列电荷转移部件组成，在它们之间设置一个转移控制栅，如图8-32所示。,图8-32 线型CCD图像传感器,8.1 光电器件,8.1 光电器件,（2）面型CCD图像传感器按一定的方式将一维线型光敏单元及移位寄存器排列成二维阵列，即可以构成面型CCD图像传感器。面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转移、帧转移和
26、隔列转移。如图8-33。图8-33 线转移面型CCD的结构图,8.1 光电器件,图8-33 帧转移面型CCD的结构图 图8-33 隔离转移型 CCD的结构图,8.1 光电器件,8.1.9光电传感器的应用1基于光敏传感器的便携式照度计 1)简单照度计设计光敏二极管的输出电流与照度成正比。所谓照度，就是单位感光面积上的光通量的大小，单位是1m/m。因此，照度计是光敏二极管的最基本电路。除此之外的测光方法虽然还有很多，但都是首先将它们变换成感光面的照度进行测量的。,8.1 光电器件,作为照度计使用的光敏二极管必须具备的条件包括：分光灵敏度必须符合标准的相对可见度曲线;角度特性必须符合照度的余弦法则;
27、与入射光相对应的输出电流必须具有良好的直线 性好的稳定性等。所谓照度的余弦法则，就是当光源与感光面相连接的直线同感光面的法线之间构成角时，照度减少到入射光垂直照射时照度的cos倍。,8.1 光电器件,图8-34是一个照度计实验电路，使用BS500B光敏二极管，用普通的运算放大器构成电流-电压转换电路。图8-34 照度计的实验电路,8.1 光电器件,BS500B的输出电流是每100 1x为0.55uA，也就是说5.5nA/1x。因此，如果运算放大器的反馈电阻RF取为180k，那么就可以得到1mV/lx的灵敏度，对于灵敏度的分散性，可以用电位器VR1进行调整。BS500B的低照度特性由暗电流决定，
28、暗电流的最大值为10pA，这个数值会给其低照度的测量带来麻烦。因此，BS500B的低照度测量只可以从0.0025lx开始，不过其动态范围可高达112dB以上。为了实现如此宽范围的测量，通常可以使用对数放大器。这种使用对数放大器的电路如图8-35所示。,8.1 光电器件,图8-35 用对数放大器扩大动态范围的实验电路,8.1 光电器件,2)基于集成传感器的便携式照度计TFA1001W(西门子公司生产)是内含光敏二极管与放大器的集成。由于具有5uA/lx的灵敏度，因此通过连接200负载电阻的方法，可以得到5uA200=1mV/lx的输出电压。于是，在5000 lx时可以得到500mV的输出电压。图
29、8-36是照度计电路图，TFA1001W的驱动电压为2.515V，可以用干电池作为电源进行工作。,图8-36 照度计电路图,8.1 光电器件,2火焰探测报警器图8-37是采用硫化铅光敏电阻为探测元件的火焰探测器电路图。,图8-37 火焰探测报警器电路图,8.1 光电器件,3路灯自动点灭器图8-38电路为光电池转换电路所组合而成的路灯自动点灭器。灯泡代表一个路灯，当感测的亮度太暗，路灯必须亮起，但当亮度超过设定时，路灯必须熄灭，停止照明。,图8-38 路灯自动点灭器,8.1 光电器件,4CCD图像传感器应用前面介绍的CCD具有将光像转换为电荷分布，以及电荷的存储和转移等功能，所以它是构成CCD固
30、态图像传感器的主要光敏器件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。CCD图像传感器具有高分辨力和高灵敏度，具有较宽的动态范围，这些特点决定了它可以广泛用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。,8.1 光电器件,CCD图像传感器在检测物体的位置、工件尺寸的精确测量及工件缺陷的检测方面有独到之处。图8-39为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。,图8-39 CCD图像传感器工件尺寸检测系统,8.1 光电器件,物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理，整个过程由微机控制完成。根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸计算公式，即：式中：n-
31、覆盖的光敏像素数；P-像素间距；M-倍率。微机可对多次测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。任何能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线自动检测的目的。,8.2 光纤传感器,8.2.1 概述 光纤传感器可以分为两大类：一类是功能型（传感型）传感器；另一类是非功能型（传光型）传感器。功能型传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振态等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。非功能型传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为信息的传输介质。,8.2 光纤传感器,光纤传感器所用光纤有
32、单模光纤和多模光纤。单模光纤的纤芯直径通常为212 m，很细的纤芯半径接近于光源波长的长度，仅能维持一种模式传播，一般相位调制型和偏振调制型的光纤传感器采用单模光纤；光强度调制型或传光型光纤传感器多采用多模光纤。为了满足特殊要求，出现了保偏光纤、低双折射光纤、高双折射光纤等。所以采用新材料研制特殊结构的专用光纤是光纤传感技术发展的方向。,8.2 光纤传感器,8.2.2 光纤的结构和传输原理1光纤的结构 光导纤维简称为光纤，目前基本上是采用比头发丝还细的石英玻璃丝所制成的，其结构示于图8-40。图8-40 光纤的结构图,8.2 光纤传感器,2光纤的传输原理 众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤
33、中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。图8-41 光纤的传光原理当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。如图841所示。,8.2 光纤传感器,图8-42 光纤发射电路,3 光纤发射器光纤发射器包括缓冲器，驱动器和光源，本例用振荡器产生光源信号，如图8-42所示。发射光源是接近红外线的LED，其波长约为820nm。此光源人类眼睛能看到。,8.2 光纤传感器,图8-43 光纤接收电路,4光纤接收器光纤接收器含有三个单元：检测器/预放大，放大器及数字化。图8-43为光纤接收电路。,8.2 光纤传感器,8.2.3 光纤传
34、感器的调制原理光纤传感器的核心就是光被外界参数调制的原理，调制的原理就能代表光纤传感器的机理。研究光纤传感器的调制器就是研究光在调制区与外界被测参数的相互作用，外界信号可能引起光的特性（强度、波长、频率、相位、偏振态等）变化，从而构成强度、波长、频率、相位、偏振态调制原理。下面将介绍几种常用的调制原理。,8.2 光纤传感器,1强度调制光源发射的光经入射光纤传输到调制器它由可动反射器等组成，经反射器把光反射到出射光纤，通过出射 图8-44 三种强度调制原理示意图光纤传输到光电接收器。而可动反射器的动作受到被测信号的控制，因此反射器射出的光强是随被测量变化的。光电接收器接收到光强变化的信号，经解调
35、得到被测物理量的变化。当然还可采用可动透视调制器或内调制型微弯调制等。图8-44为三种强度调制原理示意图。,8.2 光纤传感器,2相位调制原理光纤相位调制是光纤比较容易实现的调制形式，所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，例如压 图8-45 马赫-琴特干涉仪原理图力、应变、温度和磁场等。相位调制型光纤传感器比强度型复杂一些，一般采用干涉仪检测相位的变化，因此，这类传感器灵敏度非常高。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊（Mich1son）、马赫-琴特（Mach-Zehnder）、萨古纳克（Sagnac）、法布里-珀罗（Fabry-perot）。图8-45表示马赫-琴特干涉仪原
36、理图。,8.2 光纤传感器,3频率调制原理单色光照射到运动物体上后，反射回来时，由于多普勒效应，其移后的频率为：（8-13）式中f为单色光频率；c为光速；v为运动物体的速度。将此频率的光与参考光共同作用于光探测器上，并产生差拍，经频谱分析器处理求出频率变化，即可推知速度。,8.2 光纤传感器,4偏振调制外界因素作用下，使光的某一方向振动比其它方向占优势。这种调制方式为偏振调制。根据电磁场理论，光波是一种横波；光振动的电场矢量E和磁场矢量H始终与传播方向垂直。当光波的电场矢量E和磁场矢量H的振动方向在传播过程中保持不变，只是它的大小随香味改变，这种光称为线偏振光。在光的传播过程中，如果E和H的大
37、小不变，而振动方向绕传播轴均匀地转动，矢量端点轨迹为一个圆，这种光称为圆偏振光。如果矢量轨迹为一个椭圆，这种光称为,8.2 光纤传感器,椭圆偏振光；如果自然光在传播过程中，受到外界的作用而造成各个振动方向上强度不等，使某一个方向上的振动比其他方向占优势，所造成的这种光称为部分偏振光；如果外界作用使自然光的振动方向只有一个，造成的光称为完全偏振光。偏振调制正是利用了光波的这些偏振性质。光纤传感器中的偏振调制器常用电光、磁光、光弹等物理效应进行调制。,8.2 光纤传感器,8.2.4光纤传感器的应用光纤微位移测量仪是光纤传感器的一个应用。光纤和光纤传感器其电绝缘性极好，抗电场和无线电波干扰，灵敏度高
38、，利用光纤作为信号传输和敏感元件来测量微小位移或距离，其分辨率可达l微米。给入射光纤输入一个稳定的光强I0，这就需要给发光器（例如灯泡或激光）一个稳定的电流或电压。将光强的变化转换成电信号的变化，即光电转换。将反射光转换成电信号用PIN光电二极管。受光照时，光电管根据光强的变化按比例地变换成电流的变化。光纤微位移测量电路如图8-46所示。,8.2 光纤传感器,图8-46 光纤微位移测量电路,8.3 红外传感器,8.3 红外传感器 红外传感器按其应用可分为以下几方面：红外辐射计，用于辐射和光谱辐射测量；搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；热成像系统，可产生
39、整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等；红外测距和通信系统；混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。,8.3 红外传感器,图8-47 电磁波谱图,8.3.1红外辐射红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.761000 m，红外线在电磁波谱中的位置如图8-47所示。,8.3 红外传感器,工程上又把红外线所占据的波段分为四部分，即近红外、中红外、远红外和极远红外。红外线的最大特点是具有光热效应，可以辐射热量，它是光谱中的最大光热效应区。一个炽热物体向外辐射的能量大部分是通过红外线辐射出来的。物体的温度越高
40、，辐射出来的红外线越多，辐射的能量就越强。而且，红外线被物体吸收时，可以显著地转变为热能。红外辐射和所有电磁波一样，是以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带，红外线气体分析器就是利用该特性工作的。,8.3 红外传感器,8.3.2红外探测器（传感器）能将红外辐射量的变化转换为电量变化的装置称为红外探测器或红外传感器。红外传感器一般由光学系统、探测器、信号调理电路及显示系统等组成。红外探测器种类很多，常见的有两大类：热探测器和光子探测器。,8.3 红外传感器,1热探测器热探测器对入射的各种波长的辐射能量全波吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。
41、探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使有关物理参数发生相应变化，通过测量物理参数的变化，便可确定探测器所吸收的红外辐射。与光子探测器相比，热探测器的探测率比光子探测器的峰值探测率低，响应时间长。但热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便，应用仍相当广泛。,8.3 红外传感器,热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器。而热释电探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽，所以这种探测器倍受重视，发展很快。这里主要介绍热释电探测器。热释电红外探测器由具有极化现象的热晶体或被称为“铁电体”是的材料制做的。“铁电体”的极化强度
42、（单位面积上的电荷）与温度有关。当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时，引起薄片温度升高，使其极化强度降低，表面电荷减少，这相当于释放一部分电荷，所以叫做热释电型传感器。,8.3 红外传感器,2光子探测器光子探测器利用入射红外辐射的光子流与探测器材料中电子的相互作用，改变电子的能量状态，引起各种电学现象。这称光子效应。通过测量材料电子性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。利用光子效应制成的红外探测器，统称光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低
43、温下工作。,8.3 红外传感器,8.3.3 红外传感器的应用红外传感器可用于设计人体检测仪。人体、动物等具有表面温度的物体都能辐射出远红外波。辐射的红外线波长跟物体有关，表面温度愈高，辐射的能量愈强。红外线的中心波长约10m。采用中心波长的双元件，如热释电红外线传感器，可检测人体发射的红外线，且与穿的衣服多少无关。采用双元件的传感器可以消除环境温度变化引起的误动作。为了提高检测距离，采用焦距为1520mm的聚光光学系统，这样可使检测距离为1012m，视角为70 左右。,人体检测电路包括传感器、放大滤波电路、比较器和驱动电路几个部分，其主体电路如图8-48（a）所示。,（a）,8.3 红外传感器,（b）图8-48 红外人体探测电路,8.3 红外传感器,习 题,1什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以 解释。2分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。3简述CCD的工作原理。4说明光纤传输的原理。5光纤传感器常用的调制原理有哪些？6红外线的最大特点是什么？什么是红外传感器？7光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管在性 能上有什么差异，它们分别在什么情况下选用最合 适？,
