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1、传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.1 9.1 新型固态光电器件新型固态光电器件 9.1.1普通光敏器件阵列普通光敏器件阵列（1）象限探测器）象限探测器当当被被测测体体位位置置发发生生变变化化时时，来来自自目目标标的的辐辐射射量量使使象象限限间间产产生生差差异异，这这种种差差异异会会引引起起象象限限间间信信号号输输出出变变化化，从从而而确确定定目目标标方方位位，同同时时可可起起制制导、跟踪、搜索、定位等作用。导、跟踪、搜索、定位等作用。(2)光敏管阵列光敏管阵列n将将光光敏敏二二极极管管以以线线列列或或面面阵阵形形
2、式式集集合合在在一一起起，用用来来同同时时探探测测被被测测物物体体各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。各部位提供的不同光信息，并将这些信息转换为电信号的器件。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.1 9.1 新型固态光电器件新型固态光电器件 9.1.2PSD光电位置传感器光电位置传感器PSD用于测量光斑的位置或位置的移动量光束入射光敏层,在入射位置产生与入射辐射成正比的信号电荷,该电荷形成的光电流(I1 , I2)由信号电极1和2输出，为公共电极X: 位置信号I0 = I1 + I2 L光LxAI
3、1I2I0层i 层层传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器电荷耦合器件，又称电荷耦合器件，又称CCDCCD图象传感器，是一种大图象传感器，是一种大规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有规模集成电路光电器件；电荷耦合器件具有光电转换光电转换，信息存储信息存储、转移传输转移传输、处理以及电子快门处理以及电子快门等功能。等功能。特点：特点： 1.1.集成度高、尺寸小、电压低（集成度高、尺寸小、电压低（DC7DC712V12V）功耗小。）功耗小。 2.2.空间分辨率高，线阵分辨能力可达空间分辨率高，线阵分辨能力可达7m7m，面阵分
4、辨率在，面阵分辨率在10001000电视线以上；电视线以上； 3.3.光电灵敏度高，好的器件可达光电灵敏度高，好的器件可达0.01lx0.01lx；动态范围大，；动态范围大，106106：1 1；信噪比；信噪比60-70dB60-70dB； 4.4.可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。可选模拟、数字不同输出形式，便于和计算机连机。 9.2 9.2 电荷耦合器件（电荷耦合器件（CCDCCD） Charge Coupled DevicesCharge Coupled Devices传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感
5、器 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件该技术的发展促进该技术的发展促进了各种视频装置的了各种视频装置的普及和微型化，应普及和微型化，应用遍及航天、遥感、用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、天文、通讯、工业、农业、军用等各个农业、军用等各个领域。领域。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器基于基于CCDCCD光电耦器件的输入光电耦器件的输入设备：数字摄像机、数字相设备：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机机、平板扫描仪、指纹机 9.29.2电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9
6、9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 CCDCCD基本结构分两部分：基本结构分两部分：MOSMOS光敏元光敏元阵列；阵列； MOSMOS（金属（金属氧化物氧化物半导体）半导体） 读出读出移位寄存器移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上电荷耦合器件是在半导体硅片上 制作成百上千（万）个光敏元，制作成百上千（万）个光敏元， 一个光敏元又称一个像素，在半一个光敏元又称一个像素，在半 导体硅平面上光敏元按线阵或面导体硅平面上光敏元按线阵或面 阵有规则地排列。阵有规则地排列。CCDCCD结构示意图结构示意图显微镜下的MOS元表面CCDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理 9
7、.29.2电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 一个一个MOSMOS光敏元光敏元当金属电极上加正电当金属电极上加正电压时，由于电场作用，电极下压时，由于电场作用，电极下P P型硅区里型硅区里空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，空穴被排斥入地成耗尽区。对电子而言，是一势能很低的区域，称是一势能很低的区域，称“势阱势阱”。 有光线入射到硅片上时，光子作用下有光线入射到硅片上时，光子作用下产生电子产生电子空穴对，空穴被电场作用排斥空穴对，空穴被电场作用排斥出耗尽区，而光电子被附近势阱（俘获），出耗尽区，
8、而光电子被附近势阱（俘获），此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。此时势阱内吸的光子数与光强度成正比。一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件v 电荷存储原理：电荷存储原理：CCDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v电荷存储原理：电荷存储原理：一个一个MOSMOS光敏元结构光敏元结构 一个一个MOSMOS结构元为结构元为MOSMOS光敏元光敏元或一个或一个像素像素，把一个势阱所收集的光生电子称为一个把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷电
9、荷包；包；CCDCCD器件内是在硅片上制作成百上千的器件内是在硅片上制作成百上千的MOSMOS元，每个金元，每个金属电极加电压就形成成百上属电极加电压就形成成百上千个势阱，产生成百上千的电荷包；千个势阱，产生成百上千的电荷包； 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光的图象，那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合照度响应的光生电荷图象。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。器件的光电物理效应基本原理。 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件CCDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理传
10、感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器2651801339066453322分辨率（像素）不同的图象比较 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而光敏元上的电荷还需经输出电路输出，而CCDCCD电荷耦合电荷耦合器件是以器件是以电荷电荷为信号而不是电压电流作信号输出的。为信号而不是电压电流作信号输出的。 读出移位寄存器也是读出移位寄存器也是MOSMOS结构，由金属电极、氧化物、结构
11、，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。它与半导体三部分组成。它与MOSMOS光敏元的区别在于，半导体底光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。读出移位寄存器结构读出移位寄存器结构 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件由三个十分邻近的电由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元；极组成一个耦合单元；在三个电极上分别施加在三个电极上分别施加脉冲波脉冲波123123，称，称三相时钟脉冲。三相时钟脉冲。 v 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）CCDCCD基本结构和工作原理基本结构和工作原理传感器原理及应用传感器原理
12、及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器t = t1t = t1时刻，时刻，11电极下出现势阱存入光电荷电极下出现势阱存入光电荷t = t2t = t2时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷时刻，两个势阱形成大势阱存入电荷t = t3t = t3时刻，时刻，11中电荷全部转移至中电荷全部转移至22。t = t4t = t4时刻，时刻，22中电荷向中电荷向33势阱转移。势阱转移。t = t5t = t5时刻，时刻，33电荷向下一个电荷向下一个11势阱转移势阱转移 读出移位寄存器三相时钟脉冲读出移位寄存器三相时钟脉冲 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件v
13、 电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时不同时刻势阱深度变化，使电荷按设计好的方向，在时钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。这样一个钟脉冲控制下从寄存器的一端转移到另一端。这样一个传输过程，实际上是一个传输过程，实际上是一个电荷耦合过程电荷耦合过程，所以称电荷耦，所以称电荷耦合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。合器件，担任电荷传输的单元称移位寄存器。 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件v 电荷转移原理（
14、读出移位寄存器）电荷转移原理（读出移位寄存器）电荷信息转移原理电荷信息转移原理传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器u输出结构：输出结构： 在在CCDCCD阵列的末端制作（扩散）一个阵列的末端制作（扩散）一个N+N+区，形成反区，形成反向偏置二极管，收集信号电荷控制向偏置二极管，收集信号电荷控制A A点电位变化，二极点电位变化，二极管反偏形成一个深势阱，转移管反偏形成一个深势阱，转移3 3电极下的电荷包越过电极下的电荷包越过输出栅输出栅OGOG，电荷包流入势阱中，在负载电阻电荷包流入势阱中，在负载电阻RLRL形成输形成输出
15、电流出电流I I0 0 ，输出电流，输出电流I I0 0与电荷成正比。与电荷成正比。 电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器uCCDCCD信号电荷的输出的方式主要有信号电荷的输出的方式主要有电流输出、电压输出两种电流输出、电压输出两种, ,以以电压输出型为例：电压输出型为例： 有浮置扩散放大器（有浮置扩散放大器（FDAFDA）、浮置栅放大器（）、浮置栅放大器（FGAFGA） 由浮置扩散区收集的信号电荷来控制放大管由浮置扩散区收集的信号电荷
16、来控制放大管VT2VT2的栅极电位：的栅极电位： 电荷耦合器信号输出方式电荷耦合器信号输出方式 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 CCDCCD器件的物理性能可以用特性参数来描述器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数内部参数描述的是描述的是CCDCCD存储和转移信号电荷有关的特性存储和转移信号电荷有关的特性, ,是器件理论设计的重要依据；是器件理论设计的重要依据；外部参数外部参数描述的是与描述的是与CCDCCD应用有关的性能指标主要包括以应用有关的性能指标主要包括以下内容：电
17、荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存下内容：电荷转移效率、转移损失率、工作频率、电荷存储容量、灵敏度、分辨率。储容量、灵敏度、分辨率。 CCDCCD的特性参数的特性参数 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件 CCDCCD器件分为器件分为线阵线阵CCDCCD和和面阵面阵CCDCCD，结构上有多种不同，结构上有多种不同形式，如单沟道形式，如单沟道CCDCCD、双沟道、双沟道CCDCCD、帧转移结构、帧转移结构CCDCCD、行间、行间转移结构
18、转移结构CCDCCD。 CCDCCD器件器件线型线型线型线型CCD图像传感器图像传感器面型面型面型面型CCD图像传感器图像传感器扫描仪扫描仪扫描仪扫描仪复印机复印机复印机复印机数码相机数码相机数码相机数码相机摄像机摄像机摄像机摄像机 线型线型线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器 面型面型面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器图像传感器图像传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v 线阵线阵CCDCCD结构结构 线阵线阵CCDCCD传感器是由一列传感器是由一列MOSMOS光敏元和一列移位寄存器并
19、行构光敏元和一列移位寄存器并行构成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，成。光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅，10241024位线阵，位线阵，由由10241024个光敏元个光敏元10241024个读出移位寄存器组成。个读出移位寄存器组成。 读出移位寄存器的输出端读出移位寄存器的输出端GaGa将存储的电荷信息一位位输出。将存储的电荷信息一位位输出。单沟道单沟道CCDCCD结构结构 CCDCCD器件器件 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器电荷输出控制电荷输出控制光敏元曝光时
20、光敏元曝光时光积分，金属电极加正向脉冲电压光积分，金属电极加正向脉冲电压pp，光敏元吸收光生电荷，积累很快结束；光敏元吸收光生电荷，积累很快结束；转移控制栅加转移脉冲转移控制栅加转移脉冲TT ，转移控制栅打开，光敏元俘获的，转移控制栅打开，光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器；这是一并行输出过程，光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器；这是一并行输出过程，转移栅关闭；转移栅关闭；接着三个时钟脉冲接着三个时钟脉冲123123工作，读出移位寄存器的输出端工作，读出移位寄存器的输出端GaGa一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。一位位输出信息，这一过程是一串行输出过程。单单沟沟道道CC
21、DCCD结结构构电荷输出控制波形电荷输出控制波形 CCDCCD器件器件线阵线阵CCDCCD结构结构 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件 传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器6464位线阵位线阵CCDCCD结构结构 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v面阵电荷耦合器（二维）面阵电荷耦合器（二维） 面型面型CCDCCD是把光敏元件排列成二维矩阵形式，是把光敏元件排列成二维矩阵形式， 主要用于摄象机及测量技
22、术主要用于摄象机及测量技术 传输读出结构有不同类型，基本构成有：传输读出结构有不同类型，基本构成有： 线转移方式线转移方式 帧转送方式（帧转送方式（Frame Transfer CCDFrame Transfer CCD） 行间转送方式（行间转送方式（Inter Line Transfer CCDInter Line Transfer CCD） 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器CCDCCD传感器应用时是将不同光源与透镜、镜头、光导纤维、滤光镜及传感器应用时是将不同光源与透镜、镜
23、头、光导纤维、滤光镜及反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工反射镜等各种光学元件结合，主要用来装配轻型摄像机、摄像头、工业监视器。业监视器。CCDCCD应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非应用技术是光、机、电和计算机相结合的高新技术，作为一种非常有效的非接触检测方法，常有效的非接触检测方法，CCDCCD被广泛用于在线检测尺寸、位移、速被广泛用于在线检测尺寸、位移、速度、定位和自动调焦等方面。度、定位和自动调焦等方面。CCDCCD诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过诞生后，首先在工业检测中制成测量长度的光电传感器，物体通过物镜在物镜
24、在CCDCCD光敏元上造成影像，利用光敏元上造成影像，利用CCDCCD测量几何量，测量几何量，CCDCCD输出的脉冲表输出的脉冲表征测量工件的尺寸或缺陷；征测量工件的尺寸或缺陷；例如用例如用CCDCCD识别集识别集成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；成电路焊点图案，代替光点穿孔机的作用；用于传真用于传真技术，文字、图象识别。技术，文字、图象识别。自动流水线，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机。自动流水线，机床、自动售货机、自动监视装置、指纹机。 CCDCCD传感器的应用传感器的应用 9.2 9.2 电荷耦合器件电荷耦合器件传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电
25、式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器线阵CCD进行工件尺寸测量实例实例1 1：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。或杆类的直径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻玻璃璃管管C CC CD D视视频频信信号号 实例实例2 2：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器测量原理测量原理: :在
26、荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测在荧光灯的玻璃管生产过程中，总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生量玻璃管的外圆直径及壁厚，并根据监测结果对生产过程进行调整，以便提高产品质量。产过程进行调整，以便提高产品质量。玻璃管的平均外径玻璃管的平均外径12mm,12mm,壁厚壁厚1.2mm,1.2mm,要求测量要求测量精度为外径精度为外径0.1mm,0.1mm,壁厚壁厚0.05mm0.05mm。利用。利用CCDCCD配合配合适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测，适当的光学系统，对玻璃管相关尺寸进行实时监测， 用平行光照射玻璃管，成像物镜将尺寸影像投影用平行光照射玻璃管
27、，成像物镜将尺寸影像投影在在CCDCCD光敏像元阵列面上。光敏像元阵列面上。实例实例2 2：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚成像。壁厚成像。成像物镜的放大倍率为成像物镜的放大倍率为，CCDCCD相元尺寸为相元尺寸为t t，上壁厚、下壁厚分别为上壁厚、下壁厚分别为
28、n1n1、n2 n2 ，外径尺寸的脉冲，外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为数（即像元个数）为N N，测量结果有：测量结果有： 分别为上壁厚、分别为上壁厚、下壁厚，外径尺寸。下壁厚，外径尺寸。 实例实例2 2：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器CCDCCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学固态图像传感器作为摄像机或像敏器件，取代摄像装置的光学扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、扫描系统（电子束扫描），与其它摄像器件相比，尺寸小、价廉、工作电压低、功耗小，且不需要高压工作电压低、功耗
29、小，且不需要高压; ;作为机器人视觉系统；作为机器人视觉系统； M2AM2A摄影胶囊（摄影胶囊（Mouth Mouth anusanus）由发光二极管做光源，）由发光二极管做光源，CCDCCD做摄像机，每秒钟两次快做摄像机，每秒钟两次快门，门，6 6小时后排除体外，可拍小时后排除体外，可拍摄摄2 2万多张图片，信号发射到万多张图片，信号发射到存储器，存储器取下后接入计存储器，存储器取下后接入计算机将图像进行下载。算机将图像进行下载。 M2AM2A胶囊胶囊 CCDCCD在医疗诊断中的应用在医疗诊断中的应用 CCDCCD传感器的应用传感器的应用传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9
30、章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光导纤维光导纤维简称简称光纤光纤 光纤传感器是光纤传感器是2020世纪世纪7070年代中期发展起来的一门新技术，年代中期发展起来的一门新技术，光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感光纤最早用于通讯，随着光纤技术的发展，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器得到进一步发展。与其它传感器相比较，光纤传感器有如下特点：器有如下特点：不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；不受电磁干扰，防爆性能好，不会漏电打火；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可根据需要做成各种形状，可以弯曲；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。可
31、以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 （1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤结构：光纤结构：主要由三部分组成主要由三部分组成 中心中心纤芯；纤芯； 外层外层包层；包层； 护套护套尼龙料。尼龙料。 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率纤芯折射率N1N1略大于包层折射率略大于包层折射率N2N2（N1N1N2N2）。）。基本采用石英玻璃，
32、有不同掺杂基本采用石英玻璃，有不同掺杂根据纤芯到包层的折射率的变化规律分：阶跃型光纤：梯度型光纤：按传输模式分按传输模式分：单模光纤：只能传播一种模式，单模光纤性能最好，畸变单模光纤：只能传播一种模式，单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。多模光纤：纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带多模光纤：纤芯直径较大，传播模式较多，性能较差，带宽较窄，制造容易，耦合容易。宽较窄，制造容易，耦合容易。按纤芯材料分：按纤芯材料分：玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低；玻璃光纤：用常规玻璃制成，损耗很低；塑料光纤：用人工合成导光
33、塑料制成，其损耗较大，但塑料光纤：用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但 重量轻，成本低，柔软性好；重量轻，成本低，柔软性好；石英光纤：光损耗比较小。石英光纤：光损耗比较小。沿光纤传输的光可以分解为沿光纤传输的光可以分解为沿轴向沿轴向和和沿截面沿截面的的两个平面波成分；两个平面波成分；如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全如果沿截面传输的波在纤芯和包层之间产生全反射，且每一往复传输的相位变化是反射，且每一往复传输的相位变化是22的正的正数倍，就会形成数倍，就会形成驻波驻波；只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的只有能形成驻波的那些以特定角度射入光纤的光波才能在光纤中传播，这些光波称为光波才
34、能在光纤中传播，这些光波称为模模。模模的概念的概念斯乃尔定理（斯乃尔定理（Snells LawSnells Law） 当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时，入射至光疏物质时，界面处光的传输满足折射定理：界面处光的传输满足折射定理：n1n2 (a)(a)光的折射示意图光的折射示意图参考轴参考轴n1n2(b)临界状态示意图临界状态示意图参考轴参考轴n1n2(c)(c)光全反射示意图光全反射示意图参考轴参考轴全反射时的临界角满足：全反射时的临界角满足：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器v光
35、纤的传播基于光的光纤的传播基于光的全反射全反射原理。当光线以不同角度入原理。当光线以不同角度入射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；射到光纤端面时，在端面发生折射后进入光纤；v光线在光纤端面入射角光线在光纤端面入射角减小到某一角度减小到某一角度cc时，光线时，光线全部反射。全部反射。v光线全部被反射时的入射角光线全部被反射时的入射角cc称称临界角临界角，只要，只要cc，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最，光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播，最后从另一端面射出。后从另一端面射出。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 （1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理
36、光纤的传光原理：光纤的传光原理：产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：产生全反射的最大入射角由斯乃尔定理得：n1n201参考轴参考轴参考轴参考轴传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器为保证全反射，必须满足全反射条件（即为保证全反射，必须满足全反射条件（即cc）由斯乃尔（由斯乃尔（SnellSnell）折射定律可导出，外介质折射率为）折射定律可导出，外介质折射率为n n0 0射入纤芯时实现全反射的临界入射角为：射入纤芯时实现全反射的临界入射角为：空气中空气中v 可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质可见，光纤临界入射角
37、的大小是由光纤本身的性质（N1N1、N2N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。）决定的，与光纤的几何尺寸无关。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 （1 1）光纤的结构和传输原理）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：光纤的传光原理：传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 数值孔径（数值孔径（NANA）空气中：空气中：NANA意义讨论：意义讨论：NANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在表示光纤的集光能力，无论
38、光源的发射功率有多大，只要在2c2c张角之张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入内的入射光才能被光纤接收、传播。若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光。包层漏光。一般一般NANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NANA越大光信号越大光信号畸变越大，要选择适当。畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N只给数值孔径只给数值孔径NANA，石英光纤的数值孔径一般为：，石英光纤的数值孔径一般为：参考轴参考轴传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电
39、式传感器光电式传感器光电式传感器光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式，不同入射角度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的度光线在界面上反射的次数不同。光波之间的干涉产生的强度分布也不同，模式值定义为：强度分布也不同，模式值定义为： 式中：式中：为纤芯半径为纤芯半径；为入射波长为入射波长。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器（2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（光纤模式（V V）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器模式讨论：模
40、式讨论：模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，模式值越大，允许传播的模式值越多。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。光信号分不同时间到达多个信号，导致合成信号畸变。模式值模式值V V小，就是小，就是值小，即纤芯直径小，只能传播一种值小，即纤芯直径小，只能传播一种模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量模式，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。除单模光纤外，还有多模光纤（阶
41、跃多模、梯度多模），除单模光纤外，还有多模光纤（阶跃多模、梯度多模），单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 （2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 光纤模式（光纤模式（V V）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率A A表示：表示：
42、在一根衰减率为在一根衰减率为10dB/Km10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输的光纤中，表示当光纤传输1Km1Km后，后，光强下降到入射时的光强下降到入射时的1/101/10。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 （2 2）光纤的性能（几个重要参数）光纤的性能（几个重要参数） 传播损耗（传播损耗（A A）吸收损耗： 物质的吸收作用将使传输的光能变成热能，造成光能的损失。与组成光纤的材料的电子受激跃迁和分子共振有关。散射损耗： 由于材料密度的微观变化，成分起伏，以及在制造光纤过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起的。弯曲损耗：光纤弯曲时部分光纤内的光会因散射而损失掉，造成损耗。传播损耗分类：
43、传播损耗分类：光纤耦合器是实现光信号分路光纤耦合器是实现光信号分路/合路的功能器件。合路的功能器件。耦合分为强耦合和弱耦合两种。耦合分为强耦合和弱耦合两种。有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤耦合器。有拼接式、熔融拉锥式和腐蚀光纤耦合器。光纤强耦合光纤强耦合是光纤纤芯间形成是光纤纤芯间形成直通直通, ,传输模直接进入耦合臂。传输模直接进入耦合臂。光纤弱耦合光纤弱耦合是通过光纤的弯曲是通过光纤的弯曲, ,或使其耦合处成锥状或使其耦合处成锥状, ,于是于是, ,纤纤芯中的部分传导模变为包层模芯中的部分传导模变为包层模, ,再由包层进入耦合臂中的纤芯再由包层进入耦合臂中的纤芯, ,形成传导模。形成传导模。
44、4 4、 光纤耦合光纤耦合(a) 拼接型光纤耦合器将每根光纤埋入玻璃块的弧形槽中,在光纤侧面进行研磨抛光,使光纤耦合处的包层厚度达到一定的要求,然后将两根光纤拼接在一起.（b） 熔融拉锥型光纤耦合器将两根光纤稍加扭绞,用微火炬对耦合部位进行加热,在熔融过程中拉伸光纤,最后拉细成型。此时,在两根光纤的耦合部位形成双锥区,两根光纤包层合并在一起,纤芯变细,形成了一个新的合成光波通路,从而构成弱耦合。(C) 腐蚀光纤耦合器将要耦合的光纤的局部外套去掉,扭绞在一起,浸蚀光纤的耦合部位,腐蚀掉大部分包层,并将两根光纤的纤芯紧紧接触在一起,然后进行加固。还可通过控制扭力或张力,调节光纤间距,以达到调节光纤
45、耦合强弱的目的。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器光波调制技术强度调制相位调制频率调制光纤传感器功能型非功能型1 1）光强度调制型光纤传感器）光强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量收或反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。的传感器。2 2）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色
46、光射到被测物体上反射回来的光的频率发生是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生变化来进行监测的传感器。变化来进行监测的传感器。3 3）相位调制传感器）相位调制传感器 利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器。利用各种干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器。其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉
47、条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器光的频率调制光的频率调制 相关的物理效应：光学多普勒效应 即由于观察者和目标的相对运动，观察者接收到的光波频率要发生改变。V光源光源探测器探测器运动运动粒子粒子f0f1传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器
48、 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器 如果一束光频率为如果一束光频率为f f0 0的光入射到相对于探测器速度的光入射到相对于探测器速度为为v v的运动物体上，则从运动物体反射的光频率的运动物体上，则从运动物体反射的光频率f f1 1为：为：v v被测物体的运动速度；被测物体的运动速度；c c电磁波的传播速度；电磁波的传播速度；0 0发射信号的波长。发射信号的波长。可见：被测物体的运动速度可用多普勒频率描述。可见：被测物体的运动速度可用多普勒频率描述。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传
49、感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器激光多普勒光纤测速系统激光多普勒光纤测速系统传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器光纤目前可以测量光纤目前可以测量7070多种物理量，光纤的类型较多，多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为大致可分为功能型功能型和和非功能型非功能型两类。两类。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器这类传感器利用光纤本身这类传感器利用光纤本身对外界被测对象
50、具有敏感对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号得到调制，调制后的信号携带了被测信息。携带了被测信息。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器FFFF （Function Function FibreFibre OptilOptil Sensor Sensor） 功能型（功能型（又称传感型）又称传感型）传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电
51、式传感器光电式传感器光电式传感器 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器分束器分束器1 1把激光器的把激光器的输出光束分成两部分，输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。这检测器处互相干涉。这种干涉仪灵敏度，可精种干涉仪灵敏度，可精确到确到10-13nm 10-13nm 。但实现。但实现非常困难，限制在实验非常困难，限制在实验室工作。室工作。马赫马赫泽德干涉仪泽德干涉仪传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器9.
52、3 9.3 光纤传感器光纤传感器(3)(3)光纤传感器光纤传感器 “全光纤全光纤”干涉仪：干涉仪：在上图所示马赫在上图所示马赫泽德干涉仪中泽德干涉仪中, ,用两只用两只3dB3dB耦合器代替两只分束器。它们可以把激光器的输出光束分成相耦合器代替两只分束器。它们可以把激光器的输出光束分成相等的两束光等的两束光, ,也可以使从两个光路传来的光重新合并。这样就可以也可以使从两个光路传来的光重新合并。这样就可以直接把激光器的输出光束耦合到光纤内直接把激光器的输出光束耦合到光纤内, ,也可以相似地把光纤输出也可以相似地把光纤输出直接耦合到两个光探测器中。因此直接耦合到两个光探测器中。因此, ,在光源和检
53、测器之间在光源和检测器之间, ,该干涉该干涉仪只包含光纤元件。仪只包含光纤元件。传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器传光型传光型光纤传感器的光纤只光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对当作传播光的媒介，待测对象的调制功能是由其它光电象的调制功能是由其它光电转换元件实现的，光纤的状转换元件实现的，光纤的状态是不连续的，光纤只起传态是不连续的，光纤只起传光作用。光作用。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3)(3)光纤传感器光纤传感器非功能型（非功能型（又称传光型）又称传光型）NFFNFF（Non-Function
54、Non-Function FibreFibre OptilOptil Sensor Sensor）(1) 光栅式光纤水声传感器纤芯纤芯包层包层输入光输入光输出光输出光可动栅可动栅固定栅固定栅 两根光纤的端面间两根光纤的端面间相隔一微小间隙相隔一微小间隙, ,间隙间隙中放置一对光栅中放置一对光栅, ,光栅光栅由等宽的全透射和全反由等宽的全透射和全反射射( (不透光的不透光的) )交替形成交替形成的栅格构成。当这两个的栅格构成。当这两个光栅发生相对移动时光栅发生相对移动时, ,光的透射强度就随之发光的透射强度就随之发生变化。生变化。 输出光纤输出光纤输入光纤输入光纤光栅光栅膜片膜片传感器原理及应用
55、传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。敏感元件是一个半导体光吸收器，光纤用来传输信号。当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时，透过薄片的光强受温度的调制温度光强受温度的调制温度T T升高，半导体禁带宽度升高，半导体禁带宽度EgEg变化，变化，材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度材料吸收光波长向长波移动，半导体薄片透过的光强度变化。变化。 9.3 9
56、.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器v光纤温度传感器光纤温度传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤上。另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。传送到光敏元件上。被测物体与光纤间被测物体与光纤间距离变化，反射到距离变化，反射到接受光纤上，光通接受光纤上，光通量发生变化。再通
57、量发生变化。再通过光电传感器检测过光电传感器检测出距离的变化。出距离的变化。 9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器v反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器 反射式光纤位移传感器一般反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在是将发射和接收光纤捆绑组合在一起，组合的形式有不同，一起，组合的形式有不同，如：如：半分式半分式、共轴式共轴式、混合式混合式v混合式灵敏度高，混合式灵敏度高，v半分式测量范围大。半分式测量范围大。9.3 9.3 光纤传
58、感器光纤传感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器v反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器工作原理：工作原理： 由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴由于光纤有一定的数值孔径，当光纤探头端紧贴 被测物体时，接收光敏元件无光电信号；被测物体时，接收光敏元件无光电信号；被测物体逐渐远离光纤时被测物体逐渐远离光纤时 接收光纤照亮的区域接收光纤照亮的区域B2B2越越 来越大来越大 ；当整个接收光纤被照亮时，当整个接收光纤被照亮时， 输出曲线达到光峰值；输出曲线达到光峰值；被测体继续远离时
59、部分光被测体继续远离时部分光 线被反射光信号减弱，曲线被反射光信号减弱，曲 线下降。线下降。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器v反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器 反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器讨论：讨论：前坡区前坡区 输出信号的强度增加快，位移输出曲输
60、出信号的强度增加快，位移输出曲 线有较好的线性关系，可进行小位移测量；线有较好的线性关系，可进行小位移测量；后坡区后坡区 信号随探头和被测体之间的距离增加信号随探头和被测体之间的距离增加 而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量；而减弱，该区域可用于距离较远要求不高的测量；光峰区光峰区 输出信号输出信号 有最大值，值的大小有最大值，值的大小 决定被测表面的状态，决定被测表面的状态， 可用于表面状态测量，可用于表面状态测量， 如工件的光洁度或光如工件的光洁度或光 滑度。滑度。9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器(3) (3) 光纤传感器光纤传感器v反射式光纤位移传感器反射式光纤位移传感器传感器原理及应用传感器原理及应用第第第第9 9 9 9章章章章光电式传感器光电式传感器光电式传感器光电式传感器9.3 9.3 光纤传感器光纤传感器 (3) (3) 光纤传感器光纤传感器总结光电效应光电器件与应用方法电荷耦合器件（CCD）工作原理典型器件应用光纤传感器传光与传感原理光栅式传感器结构作业8.1 8.2 8.9 8.169.3 9.9
