1、第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光光 電信號電信號 81 光電效應(yīng)光電效應(yīng)82 光電器件光電器件83 光源及光學(xué)元件光源及光學(xué)元件84 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用85 光纖傳感器光纖傳感器86 紅外傳感器紅外傳感器87 圖像傳感器簡介圖像傳感器簡介8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1.1 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：外光電效應(yīng)：當(dāng)光線照射在某些物體上，使物體內(nèi)的電子逸當(dāng)光線照射在某些物體上，使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射，逸出的出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射，逸出的電子稱為光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有：電子稱為光電子。基于

2、外光電效應(yīng)的光電器件有：光電管光電管和和光光電倍增管電倍增管。 光子能量：光子能量： E=h 式中，式中，h=普朗克常數(shù)普朗克常數(shù)； 光的頻率（光的頻率（s-1）。）。 Einstein光電方程：光電方程： h =mv02/2+A0 式中，式中，m電子質(zhì)量；電子質(zhì)量；v0逸出電子的初速度；逸出電子的初速度；A0物體的逸物體的逸出功（或物體表面束縛能）。出功（或物體表面束縛能）?；疽?guī)律：基本規(guī)律： 紅限頻率紅限頻率 0（又稱光譜域值）：剛好從物體表面（又稱光譜域值）：剛好從物體表面打出光電子的入射光波頻率，隨物體表面束縛能的不打出光電子的入射光波頻率，隨物體表面束縛能的不同而不同，與之對應(yīng)的光

3、波波長同而不同，與之對應(yīng)的光波波長 0（紅限波長）為（紅限波長）為 0 =hc/ A0 （8-3）式中，式中，h=普朗克常數(shù)；普朗克常數(shù)；c光速；光速；A0物體的逸出功。物體的逸出功。 當(dāng)入射光頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子（或光當(dāng)入射光頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子（或光電流）與光強(qiáng)成正比。電流）與光強(qiáng)成正比。 逸出光電子具有初始動能逸出光電子具有初始動能Ek=mv02/2，故外光電器，故外光電器件即使沒有加陽極電壓，也會產(chǎn)生光電流，為了使光件即使沒有加陽極電壓，也會產(chǎn)生光電流，為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。8.1 8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1 光電效應(yīng)光

4、電效應(yīng)8.1.2 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 當(dāng)光照射在物體上。使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生當(dāng)光照射在物體上。使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。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)。導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。8.1.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，材料內(nèi)電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過在光線作用下，材料內(nèi)電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻

5、。入射光能導(dǎo)出光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長入射光能導(dǎo)出光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長 0為為 0=hc/Eg (8-4)式中，式中，h=普朗克常數(shù)；普朗克常數(shù)；c光速；光速；Eg半導(dǎo)體材料禁帶寬半導(dǎo)體材料禁帶寬度。度。8.1 光電效應(yīng)光電效應(yīng)8.1.2.2 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為為光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電器件有光電池和?；诠馍匦?yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。光敏晶體管。 1勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)）勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時

6、，若結(jié)中，當(dāng)光線照射其接觸區(qū)域時，若光子能量大于其禁帶寬度光子能量大于其禁帶寬度Eg，使價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生，使價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子電子空穴對，由于阻擋層內(nèi)電場的作用，形成光電動勢的空穴對，由于阻擋層內(nèi)電場的作用，形成光電動勢的現(xiàn)象稱為結(jié)光電效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為結(jié)光電效應(yīng)。 2側(cè)向光電效應(yīng)側(cè)向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由于載流子（光照當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由于載流子（光照產(chǎn)生的電子產(chǎn)生的電子空穴對）濃度梯度的存在將會產(chǎn)生側(cè)向光電效空穴對）濃度梯度的存在將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。光照強(qiáng)的部分帶正電，光照弱的部分帶負(fù)電。應(yīng)。光照強(qiáng)的部分帶正電，光照弱的部分帶負(fù)電。8.2

7、 8.2 光電器件光電器件8.2.1 光電管光電管8.2.1.1 光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：真空（或充氣）玻璃泡內(nèi)裝兩個電極：光電陰極結(jié)構(gòu)：真空（或充氣）玻璃泡內(nèi)裝兩個電極：光電陰極和陽極，陽極加正電位。如圖和陽極，陽極加正電位。如圖8-1所示。所示。 原理：當(dāng)光電陰極受到適當(dāng)波長的光線照社時發(fā)射光電原理：當(dāng)光電陰極受到適當(dāng)波長的光線照社時發(fā)射光電子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電子在光電管內(nèi)形成子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電子在光電管內(nèi)形成電子流，在外電路中便產(chǎn)生光電流電子流，在外電路中便產(chǎn)生光電流I。光電陰極陽極圖圖8-1 光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電管的結(jié)構(gòu)和

8、工作原理 8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.1.2 光電管的特性光電管的特性 1伏伏安特性安特性 當(dāng)入射光的頻譜和光通量一定時，陽極電壓與與陽極電當(dāng)入射光的頻譜和光通量一定時，陽極電壓與與陽極電流流之間的關(guān)系稱為伏之間的關(guān)系稱為伏安特性。如圖安特性。如圖8-2（a）、（）、（b）所示。）所示。 圖圖8-2 光電管的特性光電管的特性（a）真空光電管伏安特性；（）真空光電管伏安特性；（b）充氣光電管伏安特性；（）充氣光電管伏安特性；（c）光電管的光電特性）光電管的光電特性8.2 8.2 光電器件光電器件2光電特性光電特性 當(dāng)光電管的陽極與陰極間所加電壓和入射光譜一定時，當(dāng)光電管的陽極與陰極間

9、所加電壓和入射光譜一定時，陽極電流陽極電流I與入射光在光電陰極上的光通量與入射光在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。之間的關(guān)系。如圖解如圖解8-2（c）所示。）所示。3光譜特性光譜特性 同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光電管的光譜特性光譜特性。 光譜特性用光譜特性用量子效率量子效率表示。對一定波長入射光的一個表示。對一定波長入射光的一個光子射到物體表面上，該表面所發(fā)射的光電子平均數(shù)，光子射到物體表面上，該表面所發(fā)射的光電子平均數(shù)，稱為量子效率，用百分?jǐn)?shù)表示，它直接反映物體對這種稱為量子效率，用百分?jǐn)?shù)表示，它直接反映物體對這種波長的

10、光的光電效應(yīng)的靈敏度。波長的光的光電效應(yīng)的靈敏度。8.2 8.2 光電器件光電器件 銻銫（銻銫（Cs3Sb）材料）材料作為陰極，紅限波長作為陰極，紅限波長0=0.7 m ，對可，對可見光的靈敏度較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)見光的靈敏度較高，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)20%30%； 銀銀-氧氧-銫銫光電作為陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長光電作為陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長0=1.2 m，在近紅外區(qū)（，在近紅外區(qū)（0.750.80 m）的靈敏度有極大值，）的靈敏度有極大值，靈敏度較低，但對紅外較敏感；靈敏度較低，但對紅外較敏感； 銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（0.30.85 m ）靈敏度也較）

11、靈敏度也較高，與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極；高，與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極； 對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.2 光電倍增管光電倍增管8.2.2.1 光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：由光電陰極、若干倍增極和陽極組成，如圖由光電陰極、若干倍增極和陽極組成，如圖8-3示。示。 原理：原理：光電倍增管工作時，各倍增極（光電倍增管工作時，各倍增極（D1、D2、D3）和）和陽極均加上電壓，并依次升高，陰極陽極均加上電壓，并依次升高，陰極K電位最低，陽極電位

12、最低，陽極A電位電位最高。入射光照射在陰極上，打出光電子，經(jīng)倍增極加速后，最高。入射光照射在陰極上，打出光電子，經(jīng)倍增極加速后，在各倍增極上打出更多的在各倍增極上打出更多的“二次電子二次電子”。如果一個電子在一。如果一個電子在一個倍個倍增極上一次能打出增極上一次能打出 個二次電子，那么一個光電子經(jīng)個二次電子，那么一個光電子經(jīng)n個倍增個倍增極后，最后在陽極會收集到極后，最后在陽極會收集到 n個電子而在外電路形成電流。個電子而在外電路形成電流。一一般般 =36，n為為10左右，所以，光電倍增管的放大倍數(shù)很高。左右，所以，光電倍增管的放大倍數(shù)很高。 光電倍增管工作的直流電源電壓在光電倍增管工作的直流

13、電源電壓在7003000V之間，相鄰倍之間，相鄰倍增極間電壓為增極間電壓為50100V。8.2 8.2 光電器件光電器件 圖圖8-3 光電倍增管光電倍增管(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)原理圖；(c)供電電路8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.2.2 光電倍增管的主要參數(shù)光電倍增管的主要參數(shù) 1.倍增系數(shù)倍增系數(shù)M 當(dāng)各倍增極二次電子發(fā)射系數(shù)當(dāng)各倍增極二次電子發(fā)射系數(shù) i=時，時，M= n，則陽，則陽極電流為極電流為I=i n (8-5)式中，式中，i光電陰極的光電流。光電陰極的光電流。 光電倍增管的電流放大倍數(shù)光電倍增管的電流放大倍數(shù)為為=I/i= n (8-6)M一般在一般在105108之間，之間

14、，M與所加電壓有關(guān)。與所加電壓有關(guān)。8.2 8.2 光電器件光電器件 2.光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為光電陰極的光電陰極的靈敏度靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為光電倍光電倍增管的總靈敏度增管的總靈敏度。靈敏度曲線見圖。靈敏度曲線見圖8-4。 注意注意:光電倍增管的靈敏度很高，切忌強(qiáng)光源照射。光電倍增管的靈敏度很高，切忌強(qiáng)光源照射。 極間電壓放大倍數(shù)圖圖8-4 光電倍增管特性曲線光電倍增管特性曲線8.2 8.2 光電器件光

15、電器件 3暗電流和本底脈沖暗電流和本底脈沖 在無光照射（暗室）情況下，光電倍增管加上工作電在無光照射（暗室）情況下，光電倍增管加上工作電壓后形成的電流稱為壓后形成的電流稱為暗電流暗電流。 在光電倍增管陰極前面放一塊閃爍體，便構(gòu)成閃爍計在光電倍增管陰極前面放一塊閃爍體，便構(gòu)成閃爍計數(shù)器。當(dāng)閃爍體受到人眼看不見的宇宙射線照射后，光數(shù)器。當(dāng)閃爍體受到人眼看不見的宇宙射線照射后，光電倍增管就有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器電倍增管就有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗電流，一般稱為的暗電流，一般稱為本底脈沖本底脈沖。 4光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性 光電倍增管的光譜特性與同材料

16、陰極的光電管的光譜光電倍增管的光譜特性與同材料陰極的光電管的光譜特性相似。特性相似。8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.3 光敏電阻光敏電阻8.2.3.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏電阻由梳狀電極和均質(zhì)半導(dǎo)體材料制成，基于內(nèi)光光敏電阻由梳狀電極和均質(zhì)半導(dǎo)體材料制成，基于內(nèi)光電效應(yīng)，其電阻值隨光照而變化。電效應(yīng)，其電阻值隨光照而變化。圖圖8-5 CdS光敏電阻結(jié)構(gòu)和工作原理光敏電阻結(jié)構(gòu)和工作原理1-玻璃；玻璃；2-光電導(dǎo)層；光電導(dǎo)層；3-電極；電極；4-絕緣襯底；絕緣襯底；5-金屬殼；金屬殼；6-黑色絕緣玻璃；黑色絕緣玻璃；7-引線引線 光敏電阻是純電阻器件，具有

17、很高的光電靈敏度，常作為光敏電阻是純電阻器件，具有很高的光電靈敏度，常作為光電控制用。光電控制用。梳狀電極光電導(dǎo)透光窗口外殼絕緣基體玻璃支柱引腳AA8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.3.2 光敏電阻的主要特性參數(shù)光敏電阻的主要特性參數(shù) 1暗電阻、亮電阻和光電流暗電阻、亮電阻和光電流 暗電阻：暗電阻：光敏電阻在室條件下，無光照時具有的電阻光敏電阻在室條件下，無光照時具有的電阻值，稱為暗電阻（值，稱為暗電阻（1M）。此時流過的電流稱為）。此時流過的電流稱為暗電流暗電流。 亮電阻：亮電阻：光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在該光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在該光照下的亮電阻（光照下

18、的亮電阻（1k）。此時流過的電流稱為）。此時流過的電流稱為亮電流亮電流。 光電流光電流=亮電流亮電流 暗電流。暗電流。 8.2 8.2 光電器件光電器件 2伏安特性伏安特性 在在一定光照度一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電流下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電流之間的關(guān)系，稱為伏安特性。它是線性電阻，服從歐姆定之間的關(guān)系，稱為伏安特性。它是線性電阻，服從歐姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏電阻的功律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏電阻的功耗，使用時保持適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏?。耗，使用時保持適當(dāng)?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏?。圖圖8-6 CdS光敏電阻的伏安特性光敏電阻的伏安特性

19、 8.2 8.2 光電器件光電器件 3光照特性光照特性 在在一定的偏壓一定的偏壓下，光敏電阻的光電流與照射光強(qiáng)之間的下，光敏電阻的光電流與照射光強(qiáng)之間的關(guān)關(guān)系，稱為光敏電阻的光照特性。圖系，稱為光敏電阻的光照特性。圖8-7示出示出CdS光敏電阻的光敏電阻的光照特性曲線，呈非線性，故其不宜作測量元件，一般在光照特性曲線，呈非線性，故其不宜作測量元件，一般在自自動控制系統(tǒng)中作開關(guān)式光電信號傳感元件。動控制系統(tǒng)中作開關(guān)式光電信號傳感元件。圖圖8-7 光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性 8.2 8.2 光電器件光電器件 4光譜特性光譜特性 光譜特性表征光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的光譜特性表征

20、光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的性質(zhì)。光敏電阻的光譜特性如圖性質(zhì)。光敏電阻的光譜特性如圖8-8所示。所示。圖圖8-8 光敏電阻的光譜踏特性曲線光敏電阻的光譜踏特性曲線 8.2 8.2 光電器件光電器件 5響應(yīng)時間和頻率特性響應(yīng)時間和頻率特性 光敏電阻在照射光強(qiáng)變化時，由于光電導(dǎo)的光敏電阻在照射光強(qiáng)變化時，由于光電導(dǎo)的馳豫馳豫現(xiàn)象，其現(xiàn)象，其電阻的變化在時間上有一定的滯后，通常用電阻的變化在時間上有一定的滯后，通常用響應(yīng)時間響應(yīng)時間表示。表示。響應(yīng)時間又分為上升時間響應(yīng)時間又分為上升時間t1和下降時間和下降時間t2，如圖，如圖8-9所示。所示。 光敏電阻上升和下降時間的長短，表示其對動態(tài)光信

21、號響光敏電阻上升和下降時間的長短，表示其對動態(tài)光信號響應(yīng)的快慢，即應(yīng)的快慢，即頻率特性頻率特性，如圖，如圖8-10所示。光敏電阻的頻率特所示。光敏電阻的頻率特性不僅與元件的材料有關(guān)，而且還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)。性不僅與元件的材料有關(guān)，而且還與光照的強(qiáng)弱有關(guān)。 圖圖8-10 光敏電阻的頻率特性光敏電阻的頻率特性 圖圖8-9 光敏電阻的時間響應(yīng)曲線光敏電阻的時間響應(yīng)曲線 8.2 8.2 光電器件光電器件 6溫度特性溫度特性 在光照一定的條件下，光敏電阻的阻值隨溫度的升高而下在光照一定的條件下，光敏電阻的阻值隨溫度的升高而下降，即降，即溫度特性溫度特性，用溫度系數(shù)，用溫度系數(shù) 來表示。來表示。 (8-7

22、)式中，式中，R1在一定光照下，溫度為在一定光照下，溫度為T1時的阻值；時的阻值；R2在一定在一定光照下，溫度為光照下，溫度為T2時的阻值。時的阻值。 溫度不僅影響光敏電阻的靈敏度，而且還影響其光譜特溫度不僅影響光敏電阻的靈敏度，而且還影響其光譜特性，溫度升高，光譜特性向短波方向移動，如圖性，溫度升高，光譜特性向短波方向移動，如圖8-12所示。所示。CRTTRR%100212128.2 8.2 光電器件光電器件 7穩(wěn)定性穩(wěn)定性 光敏電阻在制作時經(jīng)加溫、光照和加負(fù)載條件下一至二光敏電阻在制作時經(jīng)加溫、光照和加負(fù)載條件下一至二周的老化處理后，其穩(wěn)定性很好，使用壽命相當(dāng)長，合理周的老化處理后，其穩(wěn)定

23、性很好，使用壽命相當(dāng)長，合理使用，幾乎無限。使用，幾乎無限。 圖圖8-11 CdS光敏電阻的溫度特性曲線（光照一定）光敏電阻的溫度特性曲線（光照一定） 圖圖8-12 PbS光敏電阻的光譜溫度特性光敏電阻的光譜溫度特性8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.4 光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管8.2.4.1 光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1光敏二極管光敏二極管 光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)就是具有光敏特性的光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)就是具有光敏特性的PN結(jié)，如圖結(jié)，如圖8-13（a）所示。光敏二極管在電路中處于）所示。光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)反向工作狀態(tài)，如如8-13（b

24、）所示。）所示。圖圖8-13 光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路（a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b）基本工作電路）基本工作電路入射光玻璃透鏡管殼引腳管芯8.2 8.2 光電器件光電器件n無光照時，反向電阻很大，電路中僅有反向飽和無光照時，反向電阻很大，電路中僅有反向飽和漏電流，一般為漏電流，一般為10-810-9A，稱為，稱為暗電流暗電流，相當(dāng)于，相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照射在光敏二極管截止；當(dāng)有光照射在PN結(jié)上時，由于結(jié)上時，由于內(nèi)光電效應(yīng)，產(chǎn)生光生內(nèi)光電效應(yīng)，產(chǎn)生光生電子電子-空穴對空穴對，使少數(shù)載流，使少數(shù)載流子濃度大大增加，因此，通過子濃度大大

25、增加，因此，通過PN結(jié)的反向電流也結(jié)的反向電流也隨之增加，形成光電流，相當(dāng)于光敏二極管導(dǎo)通；隨之增加，形成光電流，相當(dāng)于光敏二極管導(dǎo)通；入射光照度變化，光電流也變化?？梢姡饷舳O入射光照度變化，光電流也變化?？梢姡饷舳O管具有光電轉(zhuǎn)換功能，故又稱為光電二極管。管具有光電轉(zhuǎn)換功能，故又稱為光電二極管。8.2 8.2 光電器件光電器件 2光敏三極管光敏三極管 光敏三極管與光敏二極管的結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部具有兩個光敏三極管與光敏二極管的結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部具有兩個PN結(jié)，通常只有兩個引出電極。光敏三極管在電路中與普通結(jié)，通常只有兩個引出電極。光敏三極管在電路中與普通三三極管接法相同，管基極開路，集電結(jié)反偏，

26、發(fā)射結(jié)正偏。極管接法相同，管基極開路，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。如如圖圖8-14所示。所示。圖圖8-14 NPN8-14 NPN型光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路型光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路（a a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b b）基本工作電路）基本工作電路8.2 8.2 光電器件光電器件n當(dāng)當(dāng)無光照無光照時，管集電結(jié)因反偏，集電極與基極間有反向時，管集電結(jié)因反偏，集電極與基極間有反向飽和電流飽和電流Icbo，該電流流入發(fā)射結(jié)放大，使集電極與發(fā)射極，該電流流入發(fā)射結(jié)放大，使集電極與發(fā)射極之間有穿透電流之間有穿透電流Iceo=（1+）Icbo，此即光敏三極管的，此即光敏三極管的暗電

27、暗電流流。當(dāng)。當(dāng)有光照射有光照射光敏三極管集電結(jié)附近基區(qū)時，產(chǎn)生光生光敏三極管集電結(jié)附近基區(qū)時，產(chǎn)生光生電電子子空穴對，使其集電結(jié)反向飽和電流大大增加，此即為空穴對，使其集電結(jié)反向飽和電流大大增加，此即為光光敏三極管敏三極管集電結(jié)的光電流集電結(jié)的光電流；該電流流入發(fā)射結(jié)進(jìn)行放大成；該電流流入發(fā)射結(jié)進(jìn)行放大成為為集電極與發(fā)射極間電流，即為集電極與發(fā)射極間電流，即為光敏三極管的光電流光敏三極管的光電流，它將，它將光光敏二極管的光電流放大（敏二極管的光電流放大（1+）倍，所以它比光敏二極管具）倍，所以它比光敏二極管具有更高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度。有更高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度。 n由于光敏三極管中對光敏感的部分是

28、光敏二極管，所由于光敏三極管中對光敏感的部分是光敏二極管，所以，它們的特性基本相同，只是反應(yīng)程度即靈敏度差以，它們的特性基本相同，只是反應(yīng)程度即靈敏度差（1+）倍。）倍。PNNecPNN2SiO入射光8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.4.2 光敏管光敏管(光敏二極管和光敏三極管光敏二極管和光敏三極管)的基本特性的基本特性 1光譜特性光譜特性 光敏管在光敏管在恒定電壓恒定電壓作用和恒定光通量照射下，光電流（用相對值或相對作用和恒定光通量照射下，光電流（用相對值或相對靈敏度）與入射光波長的關(guān)系，稱為光敏管的光譜特性，如圖靈敏度）與入射光波長的關(guān)系，稱為光敏管的光譜特性，如圖8-15所示。圖所

29、示。圖中可見：中可見： Si光敏管，光譜響應(yīng)波段光敏管，光譜響應(yīng)波段4001300nm，峰值響應(yīng)波長約為，峰值響應(yīng)波長約為900nm； Ge光敏管，光譜響應(yīng)波段光敏管，光譜響應(yīng)波段5001800nm，峰值響應(yīng)波長約為，峰值響應(yīng)波長約為1500nm。 圖圖8-15 8-15 硅和鍺光敏管的光譜特性硅和鍺光敏管的光譜特性 8.2 8.2 光電器件光電器件 2伏安特性伏安特性 光敏管在光敏管在一定光照一定光照下，其端電壓與器件中電流的關(guān)系，下，其端電壓與器件中電流的關(guān)系，稱為光敏管的伏安特性。圖稱為光敏管的伏安特性。圖8-16是是Si光敏管在不同光照下的光敏管在不同光照下的伏安特性。伏安特性。圖圖8

30、-16 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管8.2 8.2 光電器件光電器件 3光照特性光照特性 在在端電壓一定端電壓一定條件下，光敏管的光電流與光照度的關(guān)條件下，光敏管的光電流與光照度的關(guān)系，稱為光敏管的光照特性。系，稱為光敏管的光照特性。Si光敏管的光照特性如圖光敏管的光照特性如圖8-17所示。所示。光電流光電流圖圖8-17 硅光敏管的光電特性硅光敏管的光電特性（a）硅光敏二極管；（）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管）硅光敏三極管8.2 8.2 光電器件光電器件 4溫度特性溫度特性 在在端電壓端電壓和和光照度光照度一定條件下，光敏管的暗電流及光電一定條

31、件下，光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系，稱為光敏管的溫度特性。如圖流與溫度的關(guān)系，稱為光敏管的溫度特性。如圖8-18所示。所示。喑電流光電流圖圖8-18 光敏管的溫度特性光敏管的溫度特性8.2 8.2 光電器件光電器件 5頻率響應(yīng)頻率響應(yīng) 光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時，光敏管輸出的光電流（或負(fù)載上的電壓）隨調(diào)制頻管時，光敏管輸出的光電流（或負(fù)載上的電壓）隨調(diào)制頻率率的變化關(guān)系。圖的變化關(guān)系。圖8-19為硅光敏三極管的頻率響應(yīng)曲線。為硅光敏三極管的頻率響應(yīng)曲線。 一般情況下，鍺管的頻率響應(yīng)低于一般情況下，鍺管的頻率響應(yīng)低于

32、5000Hz，硅管的頻率，硅管的頻率響應(yīng)優(yōu)于鍺管。響應(yīng)優(yōu)于鍺管。圖圖8-19 硅光敏管的頻率響應(yīng)曲線硅光敏管的頻率響應(yīng)曲線8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.5 光電池光電池 光電池是利用光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變成電光電池是利用光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件，它廣泛用于將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，能的器件，它廣泛用于將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。光電池的種類很多，應(yīng)用因此又稱為太陽能電池。光電池的種類很多，應(yīng)用最廣的是硅光電池和硒光電池等。最廣的是硅光電池和硒光電池等。8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.5.1 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電池

33、的結(jié)構(gòu)如圖光電池的結(jié)構(gòu)如圖8-20所示，它實質(zhì)上是一個大面積的所示，它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射到結(jié)。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，便在結(jié)上時，便在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢（P區(qū)為正，區(qū)為正，N區(qū)為負(fù)）形成電源。區(qū)為負(fù)）形成電源。圖圖8-20 硅光電池硅光電池（a）結(jié)構(gòu)簡圖；（）結(jié)構(gòu)簡圖；（b）工作原理示意圖）工作原理示意圖8.2 8.2 光電器件光電器件n光電池機(jī)理：光電池機(jī)理： P型半導(dǎo)體與型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于載流子的擴(kuò)型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于載流子的擴(kuò)散作用，在其交界處形成一過渡區(qū)，即散作用，在其交界處形成一過渡區(qū)，即PN結(jié)，并在結(jié)，并在PN結(jié)形結(jié)形成一

34、內(nèi)建電場，電場方向由成一內(nèi)建電場，電場方向由N區(qū)指向區(qū)指向P區(qū)，阻止載流子的繼區(qū)，阻止載流子的繼續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)光照射到續(xù)擴(kuò)散。當(dāng)光照射到PN結(jié)上時，在其附近激發(fā)電子結(jié)上時，在其附近激發(fā)電子-空穴空穴對，在對，在PN結(jié)電場作用下，結(jié)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，區(qū)，P區(qū)區(qū)的光生電子被拉向的光生電子被拉向N區(qū)，結(jié)果在區(qū)，結(jié)果在N區(qū)聚集了電子，帶負(fù)電；區(qū)聚集了電子，帶負(fù)電；P區(qū)聚集了空穴，帶正電。這樣區(qū)聚集了空穴，帶正電。這樣N區(qū)和區(qū)和P區(qū)間出現(xiàn)了電位差，區(qū)間出現(xiàn)了電位差，若用導(dǎo)線連接若用導(dǎo)線連接PN結(jié)兩端，則電路中便有電流流過結(jié)兩端，則電路中便有電流流過 ，電流方，電流方向由

35、向由P區(qū)經(jīng)外電路至區(qū)經(jīng)外電路至N區(qū)；若將電路斷開，便可測出光生電區(qū)；若將電路斷開，便可測出光生電動勢。動勢。8.2 8.2 光電器件光電器件8.2.5.2 光電池的基本特性光電池的基本特性 1光譜特性光譜特性 光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的，光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的，即光譜特性，如圖即光譜特性，如圖8-21所示。所示。 硅光電池：光譜響應(yīng)范圍硅光電池：光譜響應(yīng)范圍4001200nm，光譜響應(yīng)峰值，光譜響應(yīng)峰值波長在波長在800nm附近；附近； 硒光電池：光譜響應(yīng)范圍硒光電池：光譜響應(yīng)范圍380750nm，光譜響應(yīng)峰值波，光譜響應(yīng)峰值波長在長在500nm附近

36、。附近。圖圖8-21 光電池的光譜特性光電池的光譜特性 8.2 8.2 光電器件光電器件 2光照特性光照特性 光電池在不同照度下，其光電流和光生電動勢是不同的。硅光電池光電池在不同照度下，其光電流和光生電動勢是不同的。硅光電池的的開路電壓和短路電流與光照度的關(guān)系曲線如圖開路電壓和短路電流與光照度的關(guān)系曲線如圖8-22所示。所示。 開路電壓與光照度關(guān)系是非線性的，而且在光照度為開路電壓與光照度關(guān)系是非線性的，而且在光照度為1000Ix時出現(xiàn)時出現(xiàn)飽和，故其不宜作為檢測信號；飽和，故其不宜作為檢測信號； 短路電流（負(fù)載電阻很小時的電流）與光照度關(guān)系在很大范圍是線短路電流（負(fù)載電阻很小時的電流）與光

37、照度關(guān)系在很大范圍是線性的，負(fù)載電阻越小，線性度約好（見圖性的，負(fù)載電阻越小，線性度約好（見圖8-23），因此，將光電池作為），因此，將光電池作為檢測元件時，是利用其短路電流，作為電流源的形式來使用。檢測元件時，是利用其短路電流，作為電流源的形式來使用。光生電流光生電壓開路電壓 圖圖8-22 硅光電池的開路電壓硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系和短路電流與光照度關(guān)系 圖圖8-23 硅光電池在不同負(fù)載下的光照特性硅光電池在不同負(fù)載下的光照特性 8.2 8.2 光電器件光電器件 3頻率特性頻率特性 光電池的頻率特性是指其輸出電流隨照射光調(diào)制頻率變光電池的頻率特性是指其輸出電流隨照射光調(diào)制頻率

38、變化化的關(guān)系，如圖的關(guān)系，如圖8-24所示。所示。 硅光電池響應(yīng)頻率較高，高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采硅光電池響應(yīng)頻率較高，高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池；用硅光電池； 硒光電池響應(yīng)頻率較低，不宜用做快速光電轉(zhuǎn)換。硒光電池響應(yīng)頻率較低，不宜用做快速光電轉(zhuǎn)換。 圖圖8-24 光電池的頻率特性光電池的頻率特性 8.2 8.2 光電器件光電器件 4溫度特性溫度特性 光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。圖圖8-25是硅光電池在是硅光電池在1000Ix照度下的溫度特性曲線。由圖可見：照度下的溫度特性曲線。由圖可見： 開路

39、電壓隨溫度升高下降很快，約開路電壓隨溫度升高下降很快，約3mV/； 短路電流隨溫度升高而緩慢增加，約短路電流隨溫度升高而緩慢增加，約2 10-6A/。 5穩(wěn)定性穩(wěn)定性 光電池的穩(wěn)定性很好，使用光電池的穩(wěn)定性很好，使用壽命很長。但要防高溫和強(qiáng)光壽命很長。但要防高溫和強(qiáng)光照射，保存光電池時切忌短路。照射，保存光電池時切忌短路。 圖圖8-25 硅光電池的溫度率特性（照度硅光電池的溫度率特性（照度1000Ix）8.3 光源及光學(xué)元件光源及光學(xué)元件8.3.1 光源光源 1白熾燈白熾燈 白熾燈是利用電能將燈絲加熱至白熾而發(fā)光，其輻射的白熾燈是利用電能將燈絲加熱至白熾而發(fā)光，其輻射的光光譜是連續(xù)的，除可見光

40、外，同時還有輻射大量的紅外線和譜是連續(xù)的，除可見光外，同時還有輻射大量的紅外線和少少量的紫外線。量的紫外線。 2發(fā)光二極管發(fā)光二極管(電能電能 光能光能) 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)，由半導(dǎo)體，由半導(dǎo)體PN結(jié)結(jié)構(gòu)成，能將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。構(gòu)成，能將電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。 特點：特點：工作電壓低（工作電壓低（13V），工作電流?。?，工作電流小(小于小于40mA)，響應(yīng)快（一般為響應(yīng)快（一般為10-610-9s），體積小，重量輕，堅固耐），體積小，重量輕，堅固耐振，壽命長，比普通光源單色性好等，廣泛用來作為微型振，壽命長，比普通光源單色

41、性好等，廣泛用來作為微型光光源和顯示器件光光源和顯示器件。8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 光電式傳感器光電式傳感器=光源光源+光學(xué)元件光學(xué)元件+光電元件光電元件設(shè)計應(yīng)用中，要特別注意光電元件與光源的光譜特性匹配。設(shè)計應(yīng)用中，要特別注意光電元件與光源的光譜特性匹配。8.4.1 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式，如圖與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式，如圖8-30所示。所示。 圖圖8-30 光電元件的應(yīng)用方式光電元件的應(yīng)用方式（a）吸

42、收式；（）吸收式；（b）反射式；（）反射式；（c）遮光式；（）遮光式；（d）輻射式）輻射式8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用8.4.2 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通通”和和“斷斷”的開關(guān)狀態(tài)，的開關(guān)狀態(tài)，稱稱為光電元件的開關(guān)應(yīng)用狀態(tài)。這種形式的光電傳感為光電元件的開關(guān)應(yīng)用狀態(tài)。這種形式的光電傳感器主要用于光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電繼電器主要用于光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電繼電器等。器等。8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用8.4.3 應(yīng)用

43、實例應(yīng)用實例 1光電式帶材跑偏儀光電式帶材跑偏儀 圖圖8-31是光電式帶材跑偏儀原理圖，主要由邊緣位置傳是光電式帶材跑偏儀原理圖，主要由邊緣位置傳感器、測量電路和放大器等組成。它是用于冷軋帶鋼生產(chǎn)感器、測量電路和放大器等組成。它是用于冷軋帶鋼生產(chǎn)過過程中控制帶鋼運動途徑的一種自動控制裝置。程中控制帶鋼運動途徑的一種自動控制裝置。 圖圖8-31 光電式邊緣位置傳感器原理圖光電式邊緣位置傳感器原理圖 圖圖8-32 測量電路測量電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 帶材邊緣位置檢測選用遮光式光電傳感器，如圖帶材邊緣位置檢測選用遮光式光電傳感器，如圖8-33所所示，光電三極管（示，光電三極

44、管（3DU12）接在測量電橋的一個橋臂上，如）接在測量電橋的一個橋臂上，如圖圖8-32所示。所示。 采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有振采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有振動場合中使用，原理如圖動場合中使用，原理如圖8-3所示。所示。圖圖8-33 帶材跑偏引起光通量變化帶材跑偏引起光通量變化 圖圖8-34 角矩陣反射器原理角矩陣反射器原理 8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 2光電式轉(zhuǎn)速計光電式轉(zhuǎn)速計 光電轉(zhuǎn)速計主要有反射式和直射式兩種基本類型，如圖光電轉(zhuǎn)速計主要有反射式和直射式兩種基本類型，如圖8-35所示。所示。圖圖8-35 光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計（a）反射

45、型；（）反射型；（b）直射型）直射型8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用機(jī)械細(xì)分技術(shù)機(jī)械細(xì)分技術(shù)，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動一，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動一周有多個（周有多個（Z）反射光信號或透射光信號。）反射光信號或透射光信號。 若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為Z（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù)（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù)為為Z），測量電路計數(shù)時間為），測量電路計數(shù)時間為T秒，被測轉(zhuǎn)速秒，被測轉(zhuǎn)速n(r/min)，則計數(shù)值為，則計數(shù)值為N=nZT/60 (8-9)為了使計數(shù)值為了使計數(shù)值N能直接讀出轉(zhuǎn)速能直接讀出轉(zhuǎn)速n值，

46、一般取值，一般取ZT=60 10m（m=0,1,2,） 光電脈轉(zhuǎn)換電路如圖光電脈轉(zhuǎn)換電路如圖8-36所示。所示。圖圖8-36 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路光電脈沖轉(zhuǎn)換電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 3光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 主要利用光電池的光電特性、光譜特性、頻率特性和溫主要利用光電池的光電特性、光譜特性、頻率特性和溫度度特性等，通過基本光電轉(zhuǎn)換電路與其它電子線路組合，可特性等，通過基本光電轉(zhuǎn)換電路與其它電子線路組合，可實實現(xiàn)檢測和自動控制的目的。如圖現(xiàn)檢測和自動控制的目的。如圖8-37、圖、圖8-38所示。所示。8.4 光電式傳感器的應(yīng)

47、用光電式傳感器的應(yīng)用圖圖8-37 光電池應(yīng)用的幾種基本電路光電池應(yīng)用的幾種基本電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用圖圖8-38 路燈自動控制器路燈自動控制器8.4 光電式傳感器的應(yīng)用光電式傳感器的應(yīng)用 4光電耦合器光電耦合器 將發(fā)光器件與光電元件集成在一起便構(gòu)成光電耦合器，將發(fā)光器件與光電元件集成在一起便構(gòu)成光電耦合器，如圖如圖8-39所示。所示。圖圖8-39 光電耦合器典型結(jié)構(gòu)光電耦合器典型結(jié)構(gòu)（a）窄縫透射式；（）窄縫透射式；（b）反射式；（）反射式；（c）、（）、（d）全封閉式）全封閉式8.5 光纖傳感器光纖傳感器8.5.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 1光

48、導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu) 光纖光纖結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)如圖如圖8-40所示。所示。 纖芯纖芯，玻璃或石英，直徑，玻璃或石英，直徑為幾十微米，折射率為幾十微米，折射率n1； 包層包層，玻璃或塑料，玻璃或塑料，=100200 m , 折射率折射率n2； 保護(hù)層保護(hù)層，塑料，折射率，塑料，折射率n3； 其中其中n2n390 時，光線發(fā)生全反射，時，光線發(fā)生全反射， i c =arcsinNA； rsin c =NA， iarcsinNA，光線散失。，光線散失。NAnnc2221sin2sin1nNAc8.5 光纖傳感器光纖傳感器 c是入射光線在纖芯中全反射傳輸?shù)氖侨肷涔饩€在纖芯中全反射傳輸?shù)呐R界角臨界角，只要

49、入射，只要入射角小于角小于 c，全反射條件成立。，全反射條件成立。NA越大，越大， c也越大，滿足全也越大，滿足全反射條件的入射光的范圍也越大。因此，反射條件的入射光的范圍也越大。因此，NA是光纖的一個是光纖的一個重要參數(shù)。重要參數(shù)。 傳感器所用光纖一般要求：傳感器所用光纖一般要求： 0.2 NA 0.4(11.5 c 23.6 )；傳輸損耗；傳輸損耗 10dB/km。 光纖的光纖的“模?！?光纖中能傳輸?shù)墓獠ㄊ瞧錂M向分量在光光纖中能傳輸?shù)墓獠ㄊ瞧錂M向分量在光纖中纖中形成駐波的光線組。這樣一些光線組稱為形成駐波的光線組。這樣一些光線組稱為“模?！?。通信技。通信技術(shù)上術(shù)上常用的光纖模式：常用的光

50、纖模式： 單模（基模）光纖：單模（基模）光纖： 510 m纖芯，只能傳輸一個模纖芯，只能傳輸一個模式（基模）的光波；式（基模）的光波； 多模光纖：多模光纖： 50150 m纖芯，傳輸多種模式的光波。纖芯，傳輸多種模式的光波。8.5 光纖傳感器光纖傳感器8.5.2 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和類型光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和類型 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：光纖傳感器一般由光源、敏感元件、光纖、光敏光纖傳感器一般由光源、敏感元件、光纖、光敏元元件（光電接收）和信號處理系統(tǒng)組成。件（光電接收）和信號處理系統(tǒng)組成。 類型：類型： 按工作原理分類：按工作原理分類： 1功能型光纖傳感器功能型光纖傳感器 利用光纖本身的某種特性或功能利用光纖

51、本身的某種特性或功能制制成的傳感器，如圖成的傳感器，如圖8-42（a）所示。功能型光纖傳感器只能）所示。功能型光纖傳感器只能用單模光纖。用單模光纖。 2傳光型光纖傳感器傳光型光纖傳感器 光纖僅僅起傳輸光波的作用，必光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須須在光纖端面加裝其它敏感元件，才能構(gòu)成傳感器，如圖在光纖端面加裝其它敏感元件，才能構(gòu)成傳感器，如圖8-42（b）所示。傳光型光纖傳感器主要采用多模光纖。）所示。傳光型光纖傳感器主要采用多模光纖。8.5 光纖傳感器光纖傳感器圖圖8-42 光纖傳感器類型光纖傳感器類型（a）功能型；（）功能型；（b）傳光型）傳光型 8.5 光纖傳感器光纖傳感器 按對光波的調(diào)制

52、方式分類：按對光波的調(diào)制方式分類： 1.強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象的變化引起敏感利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器?；瘉韺崿F(xiàn)敏感測量的傳感器。 2.相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象對敏感元件的作利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對對象

53、的信息。象的信息。 3.頻率調(diào)制型光纖傳感器頻率調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象引起光頻率的變利用被測對象引起光頻率的變化來進(jìn)行檢測的傳感器?；瘉磉M(jìn)行檢測的傳感器。 4.偏振調(diào)制型光纖傳感器偏振調(diào)制型光纖傳感器 利用光的偏振狀態(tài)的變化來傳利用光的偏振狀態(tài)的變化來傳遞被測對象信息的傳感器。遞被測對象信息的傳感器。8.5 光纖傳感器光纖傳感器8.5.3 光纖傳感器的應(yīng)用光纖傳感器的應(yīng)用8.5.3.1 光纖位移傳感器光纖位移傳感器 1光纖開關(guān)與定位裝置光纖開關(guān)與定位裝置 利用光纖中光強(qiáng)度的跳變（開關(guān)）來測出各種移動物體利用光纖中光強(qiáng)度的跳變（開關(guān)）來測出各種移動物體的極端位置，輸出信號是跳變信號。的極

54、端位置，輸出信號是跳變信號。 8.5 光纖傳感器光纖傳感器 簡單光纖開關(guān)、定位裝置簡單光纖開關(guān)、定位裝置，如圖，如圖8-43所示。所示。 圖圖8-43(a)：光纖計數(shù)；測位移（工件間隔均勻、已知）。：光纖計數(shù)；測位移（工件間隔均勻、已知）。 圖圖8-43(b)：測角為移；測轉(zhuǎn)速。：測角為移；測轉(zhuǎn)速。 圖圖8-43(c)：工件加工定位裝置。：工件加工定位裝置。 圖圖8-43(d)：光纖液位檢測、控制裝置。：光纖液位檢測、控制裝置。圖圖8-43 簡單光纖開關(guān)定位裝置簡單光纖開關(guān)定位裝置8.5 光纖傳感器光纖傳感器 移動球鏡式光纖開關(guān)傳感器移動球鏡式光纖開關(guān)傳感器，如圖，如圖8-44所所示。示。 圖

55、圖8-44 移動球透鏡位移傳感器移動球透鏡位移傳感器（a）原理圖；（）原理圖；（b）光強(qiáng)比值與位移關(guān)系）光強(qiáng)比值與位移關(guān)系8.5 光纖傳感器光纖傳感器 2.傳光型光纖位移傳感器傳光型光纖位移傳感器 由兩段光纖構(gòu)成，當(dāng)它們之間產(chǎn)生相對位移時，通過它們由兩段光纖構(gòu)成，當(dāng)它們之間產(chǎn)生相對位移時，通過它們的光強(qiáng)發(fā)生變化，從而達(dá)到測量位移的目的。的光強(qiáng)發(fā)生變化，從而達(dá)到測量位移的目的。 反射型光纖位移傳感器反射型光纖位移傳感器，如圖，如圖8-46所示。所示。 圖圖8-46 反射型光纖位移傳感器反射型光纖位移傳感器（a）原理圖；（）原理圖；（b）輸出電壓與位移關(guān)系）輸出電壓與位移關(guān)系8.5 光纖傳感器光纖

56、傳感器 直射型光纖位移傳感器直射型光纖位移傳感器，如圖，如圖8-45所示。所示。 圖圖8-45 直射型光纖位移傳感器直射型光纖位移傳感器8.5 光纖傳感器光纖傳感器 其它光纖位移傳感器，如圖其它光纖位移傳感器，如圖8-47所示。所示。圖圖8-47 光纖位移傳感器光纖位移傳感器（a）檔光型；（）檔光型；（b）楔合型）楔合型8.5 光纖傳感器光纖傳感器 3.受抑全內(nèi)反射光纖位移（液面）傳感器受抑全內(nèi)反射光纖位移（液面）傳感器 基于全內(nèi)反射被破壞，而導(dǎo)致光纖傳輸特性改變的原理，基于全內(nèi)反射被破壞，而導(dǎo)致光纖傳輸特性改變的原理，可以制成位移傳感器來測位移、壓力可以制成位移傳感器來測位移、壓力溫度、液位

57、等。溫度、液位等。 受抑全內(nèi)反射光纖位移傳感器受抑全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖，如圖8-48所示，直接耦所示，直接耦合。合。圖圖8-48 受抑全內(nèi)反射位移傳感器受抑全內(nèi)反射位移傳感器8.5 光纖傳感器光纖傳感器 棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖，如圖8-49所示，棱鏡所示，棱鏡耦合。耦合。 圖圖8-49 棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器8.5 光纖傳感器光纖傳感器 全內(nèi)反射光纖液面探測器全內(nèi)反射光纖液面探測器，如圖，如圖8-50所示，空氣耦合。所示，空氣耦合。 圖圖8-50 光纖液面探測器光纖液面探測器（a）圓錐體測頭；（）圓錐體測頭；（b

58、）U型測頭；（型測頭；（c）棱鏡測頭）棱鏡測頭8.5 光纖傳感器光纖傳感器 光纖液體分界面探測器光纖液體分界面探測器，如圖，如圖8-51所示，液體耦合。所示，液體耦合。 圖圖8-51 光纖液體分界面探測器光纖液體分界面探測器（a）原理圖；（）原理圖；（b）改進(jìn)測頭）改進(jìn)測頭8.5 光纖傳感器光纖傳感器 4光纖干涉型位移傳感器光纖干涉型位移傳感器 為了提高測量精度或擴(kuò)大測量范圍，常使用相位調(diào)制的為了提高測量精度或擴(kuò)大測量范圍，常使用相位調(diào)制的光光纖干涉儀作為位移傳感器。纖干涉儀作為位移傳感器。 邁克爾遜（邁克爾遜（Michelson）光纖干涉儀）光纖干涉儀，如圖，如圖8-52所示。被所示。被測量

59、引起棱鏡測量引起棱鏡5位移，從而改變測量光束光程，與參考光束位移，從而改變測量光束光程，與參考光束間產(chǎn)生光程差，致使干涉條紋移動。干涉條紋量反映被測間產(chǎn)生光程差，致使干涉條紋移動。干涉條紋量反映被測位位移的大小，測位移。移的大小，測位移。圖圖8-52 邁克爾遜光纖位移干涉儀邁克爾遜光纖位移干涉儀8.5 光纖傳感器光纖傳感器 法布里法布里-泊羅（泊羅（Fabry-Perot）光纖干涉儀）光纖干涉儀，如圖，如圖8-53所所示。振動模片示。振動模片5與光纖與光纖4端面間的多光束干涉（端面間的多光束干涉（F-P干涉儀）干涉儀）受其間距的影響，可測振動模片的位移或振動。分辨率極受其間距的影響，可測振動模

60、片的位移或振動。分辨率極高，能反映高，能反映0.01 的微小位移。的微小位移。 圖圖8-52 Fabry-Perot光纖位移干涉儀光纖位移干涉儀1-He-Ne激光光源；激光光源；2-透鏡；透鏡；3-半反鏡；半反鏡；4-單模光纖；單模光纖；5-振動模片；振動模片；6-光探測器光探測器8.5 光纖傳感器光纖傳感器 5功能型光纖壓力傳感器功能型光纖壓力傳感器 圖圖8-54是一種功能型光纖壓力傳感器原理原理圖。是一種功能型光纖壓力傳感器原理原理圖。 基本原理基本原理：利用光纖的：利用光纖的微彎損耗微彎損耗效應(yīng)，可以測壓力或位效應(yīng)，可以測壓力或位移。移。 壓力（位移）壓力（位移） 光纖微彎光纖微彎 傳輸