項目八光電式和光纖式傳感器一、項目要求【知識要求】1.了解并掌握光電效應、光電器件及其特征。2.了解并掌握光電、光纖式傳感器的功能和應用。3.了解光電、光纖式傳感器的發展方向。【能力要求】1.掌握各種光電式和光纖式傳感器的工作特性和功能。2.能夠根據要求設計出合適的傳感器工作電路。二、相關知識（一）光電效應和光電器件光電器件工作的物理基礎是光電效應。在光線作用下，物體的導電性能改變的現象稱為內光電效應，如光敏電阻就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使電子退出物體表面的現象稱為外光電效應，如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。在光線作用下，能使物體產生一定方向的電動勢的現象稱為光生伏特效應，即阻擋層光電效應，如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件。二、相關知識如圖所示為光敏電阻的原理結構。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導體物質，半導體的兩端裝有金屬電極，金屬電極與引出線端相連接，光敏電阻就通過引出線端接入電路。為了防止周圍介質的影響，在半導體光敏層上覆蓋了一層漆膜，漆膜的成分應使它在光敏層最敏感的波長范圍內透射率最大。光敏電阻的原理結構二、相關知識（1）光敏電阻的主要參數①暗電阻光敏電阻在不受光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。②亮電阻光敏電阻在受光照時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。③光電流亮電流與暗電流之差稱為光電流。二、相關知識（2）光敏電阻的基本特性①伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關系稱為光敏電阻的伏安特性。如圖所示為硫化鎘光敏電阻的伏安特性曲線。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線。這說明其阻值與入射光量有關，而與電壓和電流無關。硫化鎘光敏電阻伏安特性曲線圖二、相關知識③溫度特性溫度變化影響光敏電阻的光譜響應，同時，光敏電阻的靈敏度和暗電阻都要改變，尤其是響應于紅外區的硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。如圖所示為硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線，它的峰值隨著溫度上升向波長短的方向移動。因此，硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對于可見光的光敏電阻，其溫度影響要小一些。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性二、相關知識2.光敏二極管和光敏晶體管（1）結構原理光敏二極管的結構與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結裝在管的頂部，可以直接受到光照，如圖所示。光敏二極管結構及符號二、相關知識光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態，如圖所示，在沒有光照射時，反向電阻很大，反向電流很小，這一反向電流稱為暗電流。當光照射在PN結上時，光子打在PN結附近，使PN結附近產生光生電子和光生空穴對，它們在PN結處的內電場作用下作定向運動，形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時，處于截止狀態，受光照射時，處于導通狀態。光敏二極管接線法二、相關知識光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅(Si)。在形態上，有單體型和集合型，集合型是在一塊基片上有兩個以上光敏二極管，比如將要在后面講到的CCD圖像傳感器中的光電耦合器件，就是由光敏晶體管和其他發光元件組合而成的。二、相關知識（2）基本特性①光譜特性光敏二極管和晶體管的光譜特性曲線如圖所示。從曲線上可以看出，硅的峰值波長約為0.9μm，鍺的峰值波長約為1.5μm，此時靈敏度最大，而當入射光的波長增加或縮短時，相對靈敏度也下降。一般來講，鍺管的暗電流較大，因此性能較差，故在可見光或探測熾熱狀態物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，則鍺管較為適宜。光敏二極管的光譜特性二、相關知識②伏安特性如圖所示為硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲線。從圖中可見，光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管大上百倍。硅光敏管的伏安特性二、相關知識型號或名稱光譜范圍/μm峰值波長/μm靈敏度/μA·(μW)-1響應時間/s2DU0.4~1.10.9>0.410－72CU0.4~1.10.9>0.510－72DUL0.4~1.11.06>0.65×10－9硅復合二極管0.4~1.10.9>0.5≤10－9硅雪崩光電二極管0.4~1.10.8~0.86>3010－9鍺光電二極管0.4~1.11.5>0.510－7CaAs光電二極管0.3~0.950.8510－7HgCdTe光電二極管1~12由Cd的組分決定10－7PbSnTe光電二極管1~1.6由Sn的組分決定10－7InSb光電二極管0.4~5.510－7硅光電二極管的特性參數二、相關知識3.光電池（1）光電池工作原理光電池是一種直接將光能轉換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實質就是電源，電路中有了這種器件就不需要外加電源了。二、相關知識光電池的工作原理是基于“光生伏特效應”。它實質上是一個大面積的PN結，當光照射到PN結的一個面上，例如P型面時，若光子能量大于半導體材料的禁帶寬度，那么P型區每吸收一個光子就會產生一對自由電子空穴對，電子空穴對從表面向內迅速擴散，在結電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關的電動勢，工作原理圖如圖所示。光電池工作原理二、相關知識（2）光電池的基本特性①光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。圖為硅光電池和硒光電池的光譜特性曲線。從圖中可知，不同材料的光電池，光譜響應峰值所對應的入射光波長是不同的，硅光電池在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應波長范圍從0.4~1.2μm，而硒光電池只能在0.38~0.75μm。可見硅光電池可以在很寬的波長范圍內得到應用。光電池的光譜特性二、相關知識②光照特性光電池在不同光照度下，光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關系就是光照特性。如圖所示為硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度的關系曲線。硅光電池的光照特性二、相關知識③溫度特性光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。由于它關系到應用光電池的儀器或設備的溫度漂移，影響到測量精度或控制精度等重要指標，因此溫度特性是光電池的重要特性之一。光電池的溫度特性如圖所示。光電池的溫度特性二、相關知識1．CCD原理構成CCD的基本單元是MOS電容器，如(a)所示。與其他電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導體是P型硅，當在金屬電極上施加一個正電壓時，在其電極下形成所謂耗盡層，由于電子在那里勢能較低，即形成了電子的勢阱，如圖(b)所示，成為蓄積電荷的場所。電荷耦合器件MOS電容器二、相關知識

圖為三相CCD時鐘電壓與電荷轉移關系。當電壓從1相移到2相時，1相電極下勢阱消失，2相電極下形成勢阱。這樣儲存于1相電極下勢阱中的電荷移到鄰近的2相電極下勢阱中，實現電荷的耦合與轉移。三相CCD時鐘電壓與電荷轉移關系CCD的信號是電荷，那么信號電荷是怎樣產生呢?CCD的信號電荷產生有兩種方式，即光信號注入和電信號注入。CCD用做固態圖像傳感器時，接收的是光信號，即光信號注入法。當光信號照射到CCD硅片表面時，在柵極附近的半導體內產生電子空穴對，其多數載流子(空穴)被排斥進入襯底，而少數載流子(電子)則被收集在勢阱中，形成信號電荷，并存儲起來。存儲電荷的多少正比于照射的光強。所謂電信號注入就是CCD通過輸入結構對信號電壓或電流進行采樣，將信號電壓或電流轉換為信號電荷。二、相關知識二、相關知識2．CCD的應用電荷耦合器件用于固態圖像傳感器中，作為攝像或像敏的器件。CCD固態圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。感光部分是指在同一半導體襯底上布設的若干光敏單元組成的陣列元件，光敏單元簡稱“像素”。固態圖像傳感器利用光敏單元的光電轉換功能將投射到光敏單元上的光學圖像轉換成電信號“圖像”，即將光強的空間分布轉換為與光強成比例的、大小不等的電荷空間分布，然后利用移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”轉送，經輸出放大器輸出。二、相關知識根據光敏元件排列形式的不同，CCD固態圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器結構如圖所示。線型CCD圖像傳感器結構二、相關知識根據光敏元件排列形式的不同，CCD固態圖像傳感器可分為線型和面型兩種。（1）線型CCD圖像傳感器線型CCD圖像傳感器結構如圖所示。線型CCD圖像傳感器結構二、相關知識(2)面型CCD圖像傳感器按一定的方式將一維線型光敏單元及移位寄存器排列成二維陣列，即可以構成面型CCD圖像傳感器。面型CCD圖像傳感器有三種基本類型：線轉移、幀轉移和隔離轉移。面型CCD圖像傳感器結構二、相關知識(三)紅外輻射傳感器1.紅外輻射電磁波譜圖二、相關知識2.紅外探測器（1）紅外探測器的一般組成紅外探測器一般由光學系統、敏感元件、前置放大器和信號調制器組成，光學系統是紅外探測器的重要組成部分。根據光學系統的結構分為反射式光學系統的紅外探測器和透射式光學系統的紅外探測器兩種。二、相關知識反射式紅外探測器的結構示意圖1—浸沒透鏡；2—敏感元件；3—前置放大器；4—聚乙烯薄膜；5—次反射鏡；6—主反射鏡透射式紅外探測器的結構示意圖1—光管；2—保護窗；3—光柵；4—透鏡；5—浸沒透鏡；6—敏感元件；7—前置放大器二、相關知識二、相關知識（2）熱探測器熱探測器是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫度升高，進而使有關物理參數發生相應變化，通過測量物理參數的變化，便可確定探測器所吸收的紅外輻射。熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型。而熱釋電型探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應最寬，所以這種探測器備受重視，發展很快，這里主要介紹熱釋電型探測器。二、相關知識（3）光子探測器光子探測器是利用入射紅外輻射的光子流與探測器材料中的電子相互作用，從而改變電子的能量狀態，引起各種電學現象，稱光子效應。通過測量材料電子性質的變化，可以知道紅外輻射的強弱。利用光子效應制成的紅外探測器，統稱光子探測器。光子探測器有內光電和外光電探測器兩種，后者又分為光電導、光生伏特和光磁電探測器等三種。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應速度快，具有較高的響應頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。二、相關知識(四)光纖式傳感器1.概述光纖式傳感器是20世紀70年代中期發展起來的一門新技術，它是伴隨著光纖及光通信技術的發展而逐步形成的。光纖式傳感器與傳統的各類傳感器相比有一系列優點，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好，易與微機連接，便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和pH值等各種物理量的測量，具有極為廣泛的應用前景。二、相關知識光纖式傳感器可以分為兩大類：一類是功能型(傳感型)傳感器；另一類是非功能型(傳光型)傳感器。功能型傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內傳輸的光進行調制，使傳輸的光的強度、相位、頻率或偏振態等特性發生變化，再通過對被調制過的信號進行解調，從而得出被測信號。非功能型傳感器是利用其他敏感元件感受被測量的變化，光纖僅作為信息的傳輸介質。二、相關知識光纖傳感器所用光纖有單模光纖和多模光纖。單模光纖的纖芯直徑通常為2~12μm，很細的纖芯半徑接近于光源波長的長度，僅能維持一種模式傳播，一般相位調制型和偏振調制型的光纖傳感器采用單模光纖；光強度調制型或傳光型光纖傳感器多采用多模光纖。為了滿足特殊要求，出現了保偏光纖、低雙折射光纖、高雙折射光纖等。所以采用新材料研制特殊結構的專用光纖是光纖傳感技術發展的方向。二、相關知識2.光纖的結構和傳輸原理（1）光纖的結構光導纖維簡稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結構如圖所示。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞纖芯的圓形外層叫做包層，纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成，纖芯的折射率略大于包層的折射率，在包層外面還常有一層保護套，多為尼龍材料。光纖的導光能力取決于纖芯和包層的性質，而光纖的機械強度由保護套維持。光纖的結構二、相關知識（2）光纖的傳輸原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠的距離，光纖的傳輸是基于光的全內反射（又稱全反射，是一種光學現象）。二、相關知識當光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學的方法來說明光在光纖內的傳播。設有一段圓柱形光纖，如圖所示，它的兩個端面均為光滑的平面。當光線射入一個端面并與圓柱的軸線成θ角時，根據斯乃爾光的折射定律，在光纖內折射成θ，然后以φ角入射至纖芯與包層的界面。光纖的傳光原理二、相關知識為了滿足光在光纖內的全內反射，光入射到光纖端面的臨界入射角θc應滿足下式：而所以實際工作時需要光纖彎曲，但只要滿足全反射條件，光線仍繼續前進。可見這里的光線“轉彎”實際上是由光的全反射所形成的。二、相關知識一般光纖所處環境為空氣，則n0=1。這樣在界面上產生全反射，在光纖端面上的光線入射角為說明光纖集光本領的術語叫數值孔徑NA，即數值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是：無論光源發射功率有多大，只有入射光處于2θc的光錐內，光纖才能導光。如入射角過大，中角θr，經折射后不能滿足式φ≥φc的要求，光線便從包層選出而產生漏光。所以NA是光纖的一個重要參數。一般希望有大的數值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數值孔徑過大，會造成光信號畸變，所以要適當選擇數值孔徑的數值。三、項目實施（一）實施要求需要具備光電、光纖式傳感器及仿真實驗設備。（二）實施步驟1.識別所需類別傳感器，記錄其型號及特性數據。2.確定所做實驗系統電路無誤。3.連接仿真電路及實驗設備，檢查無誤并啟動仿真實驗。4.記錄實驗數據，驗證結果。四、拓展知識（一）燃氣熱水器中脈沖點火控制器燃氣熱水器的高壓打火確認電路原理圖四、拓展知識

（二）常用的紅外傳感器1.紅外測溫儀紅外測溫儀方框圖四、拓展知識2．紅外線氣體分析儀紅外線氣體分析儀結構原理圖1—光源；2—拋物體反射鏡；3—同步電動機；4—切光片；5—濾波氣室；6—參比氣室；7—測量氣室；8—紅外探測器；9—放大器四、拓展知識3.紅外無損探傷儀紅外無損探傷儀四、拓展知識（三）光纖傳感器光纖傳感器由于它的獨特的性能而受到廣泛的重視，它的應用正在迅速地發展。下面我們介紹幾種主要的光纖傳感器。1．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器結構簡圖四、拓展知識2．光纖溫度傳感器3.光纖旋渦流量傳感器光纖旋渦流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入流管，當液體或氣體流經與其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振動的頻率與流速有關系，測出頻率便可知流速。這種流量傳感器結構示意圖如圖所示。光纖旋渦流量傳感器五、項目實訓（一）光纖式傳感器位移特性實驗1.實驗目的了解反射光纖式傳感器的原理與應用。2.實驗儀器光纖式位移傳感器模塊、Y型光纖傳感器、測微頭、反射面、直流電源、數顯電壓表。五、項目實訓3.實驗原理反射光纖式位移傳感器是一種傳輸型光纖式傳感器。其原理如圖所示，光纖采用Ｙ型結構，兩束光纖一端合并在一起組成光纖探頭，另一端分為兩支，分別作為光源光纖和接收光纖。光從光源耦合到光源光纖，通過光纖傳輸，射向反射面，再被反射到接收光纖，最后由光電轉換器接收，轉換器接收到的光源與反射體表面的性質及反射體到光纖探頭距離有關。當反射表面位置確定后，接收到的反射光光強隨光纖探頭到反射體的距離的變化而變化。顯然，當光纖探頭緊貼反射面時，接收器接收到的光強為零。隨著光纖探頭離反射面距離的增加，接收到的光強逐漸增加，到達最大值點后又隨兩者的距離增加而減小。反射式光纖位移傳感器是一種非接觸式測量，具有探頭小，響應速度快，測量線性化（在小位移范圍內）等優點，可在小位移范圍內進行高速位移檢測。反射式光纖位移傳感器原理五、項目實訓4.實驗內容與步驟（1）光纖式位移傳感器的安裝如圖所示，將Y型光纖安裝在光纖式位移傳感器實驗模塊上。探頭對準鍍鉻反射板，調節光纖探頭端面與反射面平行，距離適中；固定測微頭。接通電源預熱數分鐘。反射式光纖位移傳感器原理五、項目實訓（2）將測微頭起始位置調到14cm處，手動使反射面與光纖探頭端面緊密接觸，固定測微頭。（3）實驗模塊從主控臺接入±15V電源，合上主控臺電源。（4）將模塊輸出“Uo”接到直流電壓表（20V擋），仔細調節電位器RW使電壓表顯示為零。五、項目實訓（5）旋動測微器，使反射面與光纖探頭端面距離增大，每隔０.1mm讀出一次輸出電壓Uo值，填入表中。5.實驗報告根據所得的實驗數據，確定光纖位移傳感器大致的線性范圍，并給出其靈敏度和非線性誤差。五、項目實訓（二）光纖式傳感器測量振動實驗1.實驗目的了解光纖式傳感器動態位移性能。2.實驗儀器光纖式位移傳感器、光纖式位移傳感器實驗模塊、振動源、低頻振蕩器、通信接口（含上位機軟件）。3.實驗原理利用光纖式位移傳感器的位移特性和其較高的頻率響應，用合適的測量電路即可測量振動。五、項目實訓4.實驗內容與步驟（1）光纖式傳感器測量振動實驗安裝如圖所示，光纖探頭對準振動平臺的反射面，并避開振動平臺中間孔。震動