传感器与检测技术光电式传感器.ppt

光电式传感器,7 光电式传感器,光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。光电式传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动控制等各个领域中。工业生产和现实生活中光电传感器的应用非常广泛，现举几个常见的实例。,7 光电式传感器,照相机自动测光工业测光,7 光电式传感器,光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移,7 光电式传感器,7 光电式传感器,7.1 光电效应及光电器件,光照射在物体上可以看成是一连串的具有一定能量的光子轰击这些物体的表面。所谓光电效应是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应一般分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应三类。后两类又称为内光电效应，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(或称光敏元件)。,7 光电式传感器,1905年德国物理学家爱因斯坦用光量子学说解释了光电发射效应，并为此而获得1921年诺贝尔物理学奖。,7 光电式传感器,7.1.1.外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。其中，向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。,根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。因此要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量E 大于该物体的表面逸出功A0。,h_普朗克常数 f_光的频率;,每个光子具有的能量：,光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。,7 光电式传感器,1当光子能量大于逸出功时，才会有光电子发射出来，才会产生外光电效应。各种不同的材料具有不同的逸出功A0，因此对某特定材料而言，将有一个频率限f0(或波长限0)，称为“红限”。显然，如果入射光的频率低与于红限频率，不论入射光的强度有多大，也不会使物质发射光电子。当入射频率高于fo时，不管它多么微弱也会使被照射的物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。,2当入射光的频谱成分不变时，光电流与入射光的强度成正比。3由于电子逸出时具有一定的初动能可以形成光电流，为使光电流为零需加反向电压才能使其截止。,也就是单个光子把全部能量传给物体中的一个自由电子。使自由电子的能量增加hf。这些能量一部分用作电子逸出物体表面的逸出功A0，另一部分变电子的初动能EK。即,7 光电式传感器,7.1.2.内光电效应在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电阻率发生变化的效应称为内光电效应。内光电效应分为：光电导效应、光生伏特效应,光生电子-空穴对,1.光电导效应：半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻和光敏二、三极管。,7 光电式传感器,7.1.3.光生伏特效应：半导体材料受到光照后，在PN结上产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应。光生伏特效应型器件是自发电式的，是有源器件。常用的光生伏特器件有光电池。,7 光电式传感器,7.2 光电器件及其特性,光电管与光电倍增管光敏电阻光敏二极管和光敏三极管光电池半导体光电元件的特性,7 光电式传感器,基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。,1.光电管,光电管受光照发射电子,光电管的阴极K受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻RL上产生的电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极K上的光成函数关系。如果在玻璃管内充入惰性气体(如氩、氖等)即构成充气光电管。由于光电子流对惰性气体进行轰击，使其电离，产生更多的自由电子，从而提高光电变换的灵敏度。,图7-2(a)光电管结构示意图,图(b)光电管电路,7.2.1 光电管与光电倍增管,7 光电式传感器,紫外光电管外形,当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。,紫外线,7 光电式传感器,2.光电倍增管,当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，不易检测，这时常用光电倍增管对光电流放大以提高灵敏度。如下图所示。在光电管的阴极与阳极之间安装若干个倍增极D1、D2、Dn，就构成了光电倍增管。,光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础之上。工作时倍增极电位是逐级增高的，当入射光照射光电阴极K时，立刻有电子逸出，逸出的电子受到第一倍增极D1正电位作用，使之加速打在D1倍增极上，产生二次电子发射。,7 光电式传感器,同理D1发射的电子在D2更高正电位作用下，再次被加速打在D2极上，D2又会产生二次电子发射，这样逐级前进，直到电子被阳极A收集为止。通常光电倍增管的阳极与阴极间的电压为10002500V，两个相邻倍增电极的电位差为50 100V，其灵敏度比普通真空光电管高几万到几百万倍，因此在很微弱的光照下也能产生很大的光电流。,7 光电式传感器,光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。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。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，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。,7 光电式传感器,(1)光电管,（2）光电倍增管,7 光电式传感器,1.光电管的光电特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流I之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如图所示。左图表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。,图4 光电管的光照特性,7 光电式传感器,图7-4 光电管的特性,7 光电式传感器,2.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的关系称为光电管的伏安特性。光电管的伏安特性如图所示。它是应用光电传感器参数的主要依据。（光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的区域内）,图3a 真空光电管的伏安特性 图3b 充气光电管的伏安特性,7 光电式传感器,3.光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的极限频率，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于极限频，并且强度相同，随着入射光频率的不同，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。,7 光电式传感器,7.2.2光敏电阻,光敏电阻是一种用光导材料制成的没有极性的光电元件，也称光导管。纯粹是一个电阻器件。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，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。根据电流值的变化，即可推算出照射光强的大小。,7 光电式传感器,如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小：,7 光电式传感器,7 光电式传感器,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,7 光电式传感器,2)光敏二极管和光敏三极管,光敏晶体管通常指光敏二极管和光敏三极管，它们的工作原理也是基于内光电效应，和光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上，PN结参与了光电转换过程。将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光照射。光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与光照成正比。,7 光电式传感器,光敏二极管的结构和普通二极管相似，只是它的PN结装在管壳顶部，光线通过透镜制成的窗口，可以集中照射在PN结上，光敏二极管在电路中通常处于反向偏置状态。处于反向偏置的PN结，在无光照时具有高阻特性，反向暗电流很小。当光照时，结区产生电子空穴对，在结电场作用下，电子向N区运动，空穴向P区运动，形成光电流，方向与反向电流一致。光的照度愈大，光电流愈大。由于无光照时的反偏电流很小，一般为纳安数量级，因此光照时的反向电流基本上与光强成正比。,光敏二极管,7 光电式传感器,7 光电式传感器,光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。其结构如图所示。,光敏三极管,多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外形与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,7 光电式传感器,光敏三极管外形,7 光电式传感器,7 光电式传感器,光电池是基于光生伏特效应制成的。由于它可以像电池那样为外电路提供能量，因此常称为光电池。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。,PN结光生伏特效应原理图,7.2.4 光电池,7 光电式传感器,也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄,从而使光线能穿透到P-N结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。,硅光电池,7 光电式传感器,光电池外形,光敏面,7 光电式传感器,能提供较大电流的大面积光电池外形,7 光电式传感器,光电池在动力方面的应用,太阳能赛车,太阳能电动机模型,太阳能硅光电池板,7 光电式传感器,光电池在动力方面的应用（续）,太阳能发电,7 光电式传感器,光电池在动力方面的应用（续）,光电池在人造卫星上的应用,7 光电式传感器,太阳能广告屏/太阳能广告牌/太阳能广告灯箱,7 光电式传感器,主要用于道路十字路口、道路变窄、路面障碍、事故易发路口等危险路段，通过LED的闪烁发光，提醒司机行车注意，控制车速行驶。工作原理是利用太阳能电池白天将太阳能转化为电能储存在可充电电池中，发光时LED将电能转化为光能，实现太阳能黄闪灯的闪烁发光，从而起到引导交通的作用。,7 光电式传感器,7.3光电式传感器的测量电路,7.3.1光电式传感器的常用光源,光源是许多光电传感器的重要组成部分，要使光电传感器很好地工作，除了合理选用光电元件外，还必须配备合适的光源。,发光二极管 发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。钨丝灯泡 这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。激光 激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。,7 光电式传感器,7.3.2测量电路,光电管的测量电路,7 光电式传感器,光电倍增管的测量电路,图7-15 光电倍增管的测量电路,7 光电式传感器,光敏电阻的测量电路,图7-16 光敏电阻开关电路,7 光电式传感器,图7-16 光敏电阻开关电路,7 光电式传感器,光敏晶体管的测量电路光电池的测量电路,同学们自己分析图7-17和图7-19的电路,7 光电式传感器,7.4 光电传感器及其应用,工作原理：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。分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲式光电传感器。,7 光电式传感器,1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。,恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。,7 光电式传感器,被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。,被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。,7 光电式传感器,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式四种基本形式。,7 光电式传感器,遮光式,7 光电式传感器,反射式,7 光电式传感器,透射式光电开关示意图,7 光电式传感器,透射式光电开关原理,透射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,7 光电式传感器,光电开关在 流水线上的应用,7 光电式传感器,光幕,接收器,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,7 光电式传感器,光幕应用,光线被遮断（报警）,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,7 光电式传感器,光幕应用（续）,产品高度测量,7 光电式传感器,光幕应用（续）,7 光电式传感器,光幕应用（续）,木材外形截面积检测,7 光电式传感器,光幕应用（续）,7 光电式传感器,光幕用于自动收费系统的车辆检测,红外线车辆分离器:专为公路自动收费系统的车辆分离检测和分类检测而设计；用于判断车辆的结束从而计算整车重量；完全消除跟车现象，将半挂车、全挂车、单车可靠分离，保证检测数据与车辆的一一对应关系。,光幕应用（续）,7 光电式传感器,光幕应用（续）,锻压机床的安全区域设置 及入侵报警,7 光电式传感器,光幕应用（续）,安全区示警,7 光电式传感器,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。,7 光电式传感器,定区域反射式光电开关原理,定区域式光电开关有一个非常确定的检测区域，不经过该区域的被测物体不会引起光电开关产生开关信号。,检测距离,检测距离,7 光电式传感器,反射型光电开关及反射镜外形,三角反射镜,集发射、接收器于一身,7 光电式传感器,反射镜反射型光电开关工作原理,反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。,7 光电式传感器,被测物漫反射型光电开关原理,漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。,被检测物体,7 光电式传感器,漫反射型光电开关的应用,7 光电式传感器,反射型光电开关外形,7 光电式传感器,反射型光电开关外形（续）,7 光电式传感器,光电开关应用,透明度测量、控制,质量检测,7 光电式传感器,光电开关应用（续）,加工控制,7 光电式传感器,光电开关应用（续）,机械手定位,7 光电式传感器,光电开关应用（续）,商标方向检测,7 光电式传感器,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。可在自控系统中用作物体检测、产品计数、料位检测、尺寸控制、安全报警及计算机输入接口等用途。,7.5 常见光电传感器及应用,1：光电测速模型,原理：在被测转速的电机上固定一个调制盘，将光源发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。光线每照射到光电器件上一次，光电器件就产生一个电信号脉冲，经放大器整形后记录。,7 光电式传感器,光电测速模型的两种形式,7 光电式传感器,光电式转速表,n=60(f/z),光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,7 光电式传感器,水泵转速测量,7 光电式传感器,2.透射式光电传感器及在烟尘浊度监测上的应用,透射式光电传感器是将发光管和光敏三极管等，以相对的方向装在中间带槽的支架上。当槽内无物体时，发光管发出的光直接照在光敏三极管的窗口上，从而产生大的电流输出，当有物体经过槽内时则挡住光线，光敏管无输出，以此可识别物体的有无。适用于光电控制、光电计量等电路中，可检测物体的有无、运动方向、转速等方面。,透射型BYD3M.TDT光电传感器使用示意图,7 光电式传感器,防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加，光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少。因此光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,吸收式烟尘浊度监测系统组成框图,7 光电式传感器,光电式浊度计和含沙量测量,将装有浊水的试管插入仪器中,7 光电式传感器,3.光电式带材跑偏检测器,带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向,从而为纠偏控制电路提供纠偏信号,主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。光电式带材跑偏检测器原理如图所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束,投向透镜2,随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中,有部分光线受到被测带材的遮挡,使传到光敏电阻的光通量减少。,带材跑偏检测器工作原理,7 光电式传感器,带材纠偏系统,带材走偏时，边缘经常与传送机械发生碰撞，易出现卷边，造成废品。当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压Uo为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。,7 光电式传感器,当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，为正值。输出信号一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。,左图为测量电路简图。1、2是同型号的光敏电阻。1作为测量元件装在带材下方，2用遮光罩罩住,起温度补偿作用。当带材处于正确位置(中间位)时，由1、2、3、4组成的电桥平衡，使放大器输出电压为0。,7 光电式传感器,用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量，不符合充填高度的成品将不许出厂。下图为借助光电检测技术控制充填高度的原理。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。图：利用光电检测技术控制充填高度利用光电开关还可以进行产品流水线上的产量统计、对装配件是否到位及装配质量进行检测，例如灌装时瓶盖是否压上、商标是否漏贴，以及送料机构是否断料等。,4.包装充填物高度检测,7 光电式传感器,5：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移,7 光电式传感器,7 光电式传感器,光敏电阻调光电路 下图是一种典型的光控调光电路，其工作原理是：当周围光线变弱时引起光敏电阻RG的阻值增加，使加在电容C上的分压上升，进而使可控硅的导通角增大，达到增大照明灯两端电压的目的。反之，若周围的光线变亮，则RG的阻值下降，导致可控硅的导通角变小，照明灯两端电压也同时下降，使灯光变暗，从而实现对灯光照度的控制。,参见教材：光电自动航标灯,7 光电式传感器,光敏电阻式光控开关以光敏电阻为核心元件的带继电器控制输出的光控开关电路有许多形式，如自锁亮激发、暗激发及精密亮激发、暗激发等等。左图是一种简单的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升激发VT1导通，VT2的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。右图是一种精密的暗激发继电器开关电路。其工作原理是：当照度下降到设置值时由于光敏电阻阻值上升使运放IC的反相端电位升高，其输出激发VT导通，VT的激励电流使继电器工作，常开触点闭合，常闭触点断开，实现对外电路的控制。,7 光电式传感器,7.燃气热水器中脉冲点火控制器,由于煤气是易燃、易爆气体，所以对燃气器具中的点火控制器的要求是安全、稳定、可靠。为此电路中有这样一个功能，即打火确认针产生火花，才可打开燃气阀门；否则燃气阀门关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。,7 光电式传感器,燃气热水器中的高压打火电路原理,燃气热水器中的高压打火确认电路原理如图所示。在高压打火时，火花电压可达10000多伏，这个脉冲高电压对电路工作影响极大，为了使电路正常工作，采用光电耦合器VB进行电平隔离，大大增强了电路抗干扰能力。当高压打火针对打火确认针放电时，光电耦合器中的发光二极管发光，耦合器中的光敏三极管导通，经VT1、VT2、VT3放大，驱动强吸电磁阀，将气路打开，燃气碰到火花即燃烧。若高压打火针与打火确认针之间不放电，则光电耦合器不工作，VT1等不导通，燃气阀门关闭。,7 光电式传感器,8.光电自动门,自动门光电传感器放大图,7 光电式传感器,9.光电液位控制装置,7 光电式传感器,10：条形码扫描笔,7 光电式传感器,光导纤维简称光纤 光纤传感器是20世纪70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：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；可以用于高温、高压、绝缘性能好，耐腐蚀。,7.5 光纤传感器,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤结构：,基本采用石英玻璃，有不同掺杂，主要由三部分组成中心纤芯；外层包层；护套尼龙料。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N1略大于包层折射率N2（N1N2）。,7 光电式传感器,光纤的传播基于光的全反射。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；光线在光纤端面入射角减小到某一角度c时，光线全部反射。只要c，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。,7.5 光纤传感器（1）光纤的结构和传输原理 光纤的传光原理：,7 光电式传感器,为保证全反射，必须满足全反射条件（即c）实现全反射的临界入射角为：,空气中,可见，光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质（N1、N2）决定的，与光纤的几何尺寸无关。,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器（2）光纤的性能（几个重要参数）数值孔径（NA）,临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径.,空气中：,7 光电式传感器,NA意义讨论：NA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在2c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，光线会进入包层漏光。一般NA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易。但NA越大光信号畸变越大，要选择适当。产品光纤不给出折射率N，只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为：,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器(3)光纤传感器,光纤目前可以测量70多种物理量，光纤的类型较多，大致可分为功能型和非功能型两类。光纤传感器进行产品检测动画,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器(3)光纤传感器 功能型,FF（Function Fibre Optil Sensor）又称传感型 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤不仅起到传光作用，而且在被测对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调制后的信号携带了被测信息。,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器(3)光纤传感器 马赫泽德干涉仪,分束器1把激光器的输出光束分成两部分，经上、下光路的传输后又重新合路，使其在光检测器处互相干涉。这种干涉仪灵敏度，可精确到10-13nm。但实现非常困难，限制在实验室工作。,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器(3)光纤传感器,7 光电式传感器,7.5 光纤传感器-(3)光纤传感器,相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示,