光纤传感器的发展课件

第8章 光电式传感器 第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件8.2 光纤传感器光纤传感器 光电传感器是将被测量的变化转换成光信号的变化，再通过光电器件把光信号的变化转换成电信号的一种传感器。第8章 光电式传感器 8.1 光电器件 光电传第8章 光电式传感器 8.1 光电器件光电器件 光光子子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=h（8-1）h普朗克常数=6.62610-34(Js)光的频率（s-1）。所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。1.外光电效应外光电效应 光电器件是将光信号的变化转换为电信号的一种传感器，是光电传感器的核心部件。光电效应分为外光电效应和内光电效应。8.1 光电器件 光子:一束光是由一束以光速运动的粒子流组第8章 光电式传感器 外外光光电电效效应应:在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为。向外发射的电子叫光电子光电子。光电管、光电管、光电倍增管光电倍增管基于外光电效应的光电器件。基于外光电效应的光电器件。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应:在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的第8章 光电式传感器（8-2）m电子质量；v0电子逸出速度。光电子逸出物体表面时具有初始动能，因此对于外外光光电电效效应应器器件件，即即使使不不加加初初始始阳阳极极电电压压，也也会会有有光电流产生，为使光电流为零，光电流产生，为使光电流为零，必须加负的必须加负的截止电压截止电压。根据能量守恒定理爱因斯坦光电效应方程式光子能量必须超过逸出功光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；（8-2）m电子质量；光电子逸出物第8章 光电式传感器 2.内光电效应内光电效应内内光光电电效效应应:在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势光生电动势的效应称为。内光电效应分类：内光电效应分类：（1）光光电电导导效效应应:在光线作用下，当半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁禁带带宽宽度度就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加半导体的导电性增加，阻值减低，这种现象称为。光光敏敏电电阻阻就就是是基基于于这这种种效效应应的的光光电电器器件件。光光敏敏二二极极管管，光敏晶体管也是基于内光电效应的。光敏晶体管也是基于内光电效应的。（2）光光生生伏伏特特效效应应:在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为。基基于于该该效效应应的的光光电电器件有光电池。器件有光电池。2.内光电效应第8章 光电式传感器 8.1.1 光敏电阻光敏电阻 1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻（光导管）光敏电阻（光导管）:用半导体材料制成的光电器件。原理原理,特点特点:无极性，纯电阻器件，可加交、直流电压。无光照时，电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。在一定波长范围的光照时，阻值（亮电阻）急剧减小电路中电流（亮电流）迅速增大。对对光光敏敏电电阻阻的的要要求求: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。实际暗电阻值在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。8.1.1 光敏电阻第8章 光电式传感器 结构结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。光导层光导层在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为。金金属属电电极极装装于于半半导导体体的的两两端端，金金属属电电极极与与引引出出线线端端相相连连接接，光光敏敏电电阻阻就通过引出线端接入电路。就通过引出线端接入电路。漆漆膜膜为为了了防防止止周周围围介介质质的的影影响响，在在半半导导体体光光敏敏层层上上覆覆盖盖了了一一层层漆漆膜膜，漆漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。光敏电阻的电极一般采用梳状图案光敏电阻的电极一般采用梳状图案以提高灵敏度，以提高灵敏度，。图图 8-1 光敏电阻结构光敏电阻结构 光敏电阻结构光敏电阻结构梳状电极梳状电极接线图接线图结构:金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。图 8-1 光敏电阻第8章 光电式传感器 2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数 (1)暗暗电电阻阻与与暗暗电电流流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。(2)亮亮电电阻阻与与亮亮电电流流 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)光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流。2.光敏电阻的主要参数第8章 光电式传感器 3.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性 (1)伏伏安安特特性性 在在一一定定照照度度下下，流流过过光光敏敏电电阻阻的的电电流流与与光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压的的关关系系称称为为。由图图 8-2可见，光光敏敏电电阻阻在在一一定定的的电电压压范范围围内内，其其I-U曲曲线线为为直直线线。说说明明其其阻阻值值与与入入射射光光量量有有关关，而而与与电电压压电电流流无无关。关。（2）光光照照特特性性 描描述述光光电电流流I和和光光照照强强度度之之间间的的关关系系，不不同同材材料料的的光光照照特特性性是是不不同同的的，绝绝大大多多数数光光敏敏电电阻阻光光照照特特性性是是非非线线性性的的。图图8-3为为硫硫化化镉光敏电阻的光照特性。镉光敏电阻的光照特性。图图 8-2 硫化镉光敏电阻的伏安特性硫化镉光敏电阻的伏安特性 图图8-3硫化镉光敏电阻的光照特性硫化镉光敏电阻的光照特性 3.光敏电阻的基本特性图 8-2 硫化第8章 光电式传感器 (3)光光谱谱特特性性（光光谱谱响响应应）-光光敏敏电电阻阻对对入入射射光光的的光光谱谱具具有有选选择择作作用用，即即光光敏敏电电阻阻对对不不同同波波长长的的入入射射光光有有不不同同的的灵灵敏敏度度。光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系称为光敏电阻的光谱特性。系称为光敏电阻的光谱特性。图图8-4 为为几几种种不不同同材材料料光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性。对对应应于于不不同同波波长长，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的，而而且且不不同同材材料料的的光敏电阻光谱响应曲线也不同。光敏电阻光谱响应曲线也不同。从从图图中中可可见见硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应的的峰峰值值在在可可见见光光区区域域，常常被被用用作作光光度度量量测测量量（照照度度计计）的的探探头头。而而硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻响响应应于于近近红红外外和和中中红外区，红外区，常用做火焰探测器的探头。常用做火焰探测器的探头。图8-4 光敏电阻的光谱特性 (3)光谱特性（光谱响应）-光敏电阻对入第8章 光电式传感器 （4）频率特性频率特性 时时间间常常数数:实验证明，光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光光敏敏电电阻阻产产生生的的光光电电流流有有一一定定的的惰惰性性，这这种种惰惰性通常用时间常数表示。性通常用时间常数表示。大大多多数数的的光光敏敏电电阻阻时时间间常常数数都都较较大，大，这是它的缺点之一。这是它的缺点之一。不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻具具有有不不同同的的时时间间常常数数（毫毫秒秒数数量量级级），因因而而它它们们的频率特性也就各不相同。的频率特性也就各不相同。图图8-5为为硫硫化化镉镉和和硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的频频率率特特性性，相相比比较较，硫硫化化铅铅的的使使用用频率范围较大。频率范围较大。图8-5 光敏电阻的频率特性 （4）频率特性 图8-5 光敏电阻的频率特性第8章 光电式传感器 图 8-6 硫化铅光敏电阻的光谱温度特性(5)温度特性温度特性 光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，随之改变，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8-6为硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线峰值随着温度上升向波峰值随着温度上升向波长短的方向移动。长短的方向移动。因此，硫化铅光敏电阻要在低硫化铅光敏电阻要在低温、恒温的条件下使用温、恒温的条件下使用。对于可见光的光敏电阻，其温度影响要小一些。图 8-6 硫化铅光敏电(5)温度特性 光敏电阻和其它半导第8章 光电式传感器 光光敏敏电电阻阻的的优优点点:具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作。光光敏敏电电阻阻的的缺缺点点:是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件常用作开关式光电信号的传感元件。第8章 光电式传感器 表表 8-1 几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数 表 8-1 几种光敏电阻的特性参数 第8章 光电式传感器 1.光敏二极管结构原理光敏二极管结构原理结结构构:与与一一般般二二极极管管相相似似。装装在在透透明明玻玻璃璃外外壳壳中中，其其PN结结装装在在管管的的顶顶部部，可可以以直直接接受受到到光光照照射射（图图8-7）。在在电电路路中中一一般是处于反向工作状态般是处于反向工作状态（图（图8-8）原理原理:无光照射时，反向电阻很大，反向电流（暗无光照射时，反向电阻很大，反向电流（暗电流）很小电流）很小;当光照射在当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近结附近PN结附近产生结附近产生光生电子和光生空穴对光生电子和光生空穴对，它们在，它们在PN结处结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态截止状态，受光照射时处于导通状态。图图 8-7 光敏二极管结光敏二极管结构简图和符号构简图和符号 图图 8-8 光敏二极管接线图光敏二极管接线图 8.1.2 光敏二极管和光敏晶体管光敏二极管和光敏晶体管1.光敏二极管结构原理原理:无光照射时，反向电阻很大，反向第8章 光电式传感器 2.光敏晶体管结构原理光敏晶体管结构原理结结构构:光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结（图8-9（a）,发射极一边做得很大扩大光的照射面积。原理原理:接线（图8-9（b），大多数光敏晶体管的基极无引出线大多数光敏晶体管的基极无引出线.当当集集电电极极加加上上相相对对于于发发射射极极为为正正的的电电压压而而不不接接基基极极时时,集集电电结结就就是是反反向向偏偏压压，当当光光照照射射在在集集电电结结时时结结附附近近产产生生电电子子空空穴穴对对，光光生生电电子子被被拉拉到到集集电电极极，基基区区留留下下空空穴穴使使基基极极与与发发射射极极间间的的电电压压升升高高有有大大量量的的电电子子流流向向集集电电极极，形形成成输输出出电电流流，且集集电电极极电电流流为为光光电电流流的的倍倍，所所以以光光敏敏晶晶体体管有放大作用。管有放大作用。图图 8-9 NPN型光型光敏晶体管结构简图敏晶体管结构简图和基本电路和基本电路 2.光敏晶体管结构原理图 8-9 NPN型光敏晶体管结第8章 光电式传感器 光敏晶体管的达林顿光敏管的等效电路光敏晶体管的达林顿光敏管的等效电路:光光敏敏晶晶体体管管的的光光电电灵灵敏敏度度比比光光敏敏二二极极管高得多管高得多;但但在在需需要要高高增增益益或或大大电电流流输输出出的的场场合合，需采用达林顿光敏管。需采用达林顿光敏管。图8-10是达林顿光敏管的等效电路，它是一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。由于增加了一级电流放大，所以输输出出电电流流能能力力大大大大加加强强，甚至可以不必经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但由于无光照时的暗电流也增大，因此适适合合于于开开关关状态或位式信号的光电变换状态或位式信号的光电变换。图图8-10 达林顿光敏达林顿光敏 管的等效电路管的等效电路(a)结构简化模型结构简化模型(b)基本电路基本电路 光敏晶体管的达林顿光敏管的等效电路:图8-10 达林顿光敏 第8章 光电式传感器 3.光敏管的基本特性光敏管的基本特性 (1)光光谱谱特特性性 指指在在一一定定照照度度时时，输输出出的的光光电电流流（或或用用相相对对灵灵敏敏度度表表示）与入射光波长的关系示）与入射光波长的关系。图8-11硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线。峰峰值值波波长长硅约0.9m，锗约1.5 m，此时灵敏度最大，当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。通常锗管暗电流较大性能较差在在可可见见光光或或探探测测赤赤热热状状态态物物体体时时，一一般般都都用用硅硅管管。但但对对红红外外光光的的探探测测，用锗管较为适宜。用锗管较为适宜。图图 8-11 光敏二极光敏二极(晶体晶体)管的光谱特性管的光谱特性 3.光敏管的基本特性图 8-11 光敏二极第8章 光电式传感器 横横坐坐标标所所加加反反向向偏偏压压,纵纵坐坐标标为为光光电电流流。光光照照时时，反反向向电电流流随随着着光光照照强强度度的的增增大大而而增增大大;不不同同照照度度下下曲曲线线几几乎乎平平行行所所以以只只要要没没达达到到饱饱和和值值，它它的的输输出出实实际际上上不不受受偏压大小的影响偏压大小的影响图8-12（b）。横坐标为集电横坐标为集电极极-发射极电压，纵坐标为光电发射极电压，纵坐标为光电流流。由于晶体管的放大作用，由于晶体管的放大作用，在在同样照度下，同样照度下，其光电流其光电流比相应的二极管大上百倍比相应的二极管大上百倍。图图 8-12 硅光敏管的伏安特性硅光敏管的伏安特性(a)硅光敏二极管硅光敏二极管;(b)硅光敏晶体管硅光敏晶体管 硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性硅光敏二极管的伏安特性硅光敏二极管的伏安特性(2)伏安特性（硅光敏管）伏安特性（硅光敏管）横坐标所加反向偏压,纵坐标为光电流。光照时，反向电流随着第8章 光电式传感器 （3）频频率率特特性性 指指光光敏敏管管输输出出的的光光电电流流（或或相相对对灵灵敏敏度）随频率变化的关系。度）随频率变化的关系。光光敏敏二二极极管管的的频频率率特特性性:是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光光敏敏晶晶体体管管的的频频率率特特性性:图8-13 受受负负载载电电阻阻的的影影响响，减减小小负负载载电电阻阻可可以以提提高高频频率率响响应应范范围围，但但输输出出电电压压响响应应也也减减小。小。图图8-13 光敏晶体管的频率特性光敏晶体管的频率特性 （3）频率特性 指光敏管输出的光电流（或相对灵第8章 光电式传感器(4)温度特性温度特性-指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。例例:光敏晶体管的温度特性曲线如图8-14所示。温度变化对光电流影响很小(图(b)，而对暗电流影响很大(图(a)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。图图 8-14 光敏晶体管的温度特性光敏晶体管的温度特性(4)温度特性-指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。第8章 光电式传感器 表表 8-2 2CU型硅光敏二极管的基本参数型硅光敏二极管的基本参数 表 8-2 2CU型硅光敏二极管的基本参数 第8章 光电式传感器 表表8-3 3DU型硅光敏晶体管的基本参数型硅光敏晶体管的基本参数 表8-3 3DU型硅光敏晶体管的基本参数 第8章 光电式传感器-是是一一种种直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能的的光光电电器器件件。在在有有光光线线作作用用时时实实质质就就是是电电源源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。电路中有了这种器件就不需要外加电源。工作原理工作原理:光电池的是基于光电池的是基于“光生伏特效应光生伏特效应”。实实质质一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴电子-空穴对从表面向内迅速扩散在在结结电电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图图 8-15 硅光电池原理图硅光电池原理图(a)结构示意图；结构示意图；(b)等效电路等效电路 8.1.3 光电池光电池-是一种直接将光能转换为电能的光电器件。在有光线作用时第8章 光电式传感器 光电池基本特性光电池基本特性：(1)光光谱谱特特性性不不同同光光波波长长灵灵敏度不同。敏度不同。例:图8-16 硅、硒光电池的光谱特性 光电池材料不同光电池材料不同光谱响应光谱响应峰值所对应的入射光波长不同峰值所对应的入射光波长不同:硅光电池 入射波长:0.8m附近 光谱响应波长范围0.41.2m硒光电池 入射波长:0.5m附近 光谱响应波长范围0.380.75m 可见，硅光电池可以在很硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用。宽的波长范围内得到应用。图图8-16 硅、硒光电池硅、硒光电池的光谱特性的光谱特性 光电池基本特性：图8-16 硅、硒光电池第8章 光电式传感器 (2)光光照照特特性性 不不同同光光照照度度下下光光电电流流和和光光生生电电动动势势不不同同，它们之间的关系就是光照特性。它们之间的关系就是光照特性。图8-17为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。开开路路电电压压（即即负负载载电电阻阻RL无无限限大大时时）与与光光照照度度的的关关系系是是非非线线性性的的，并且当照度在2000 lx时就趋于饱和了。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系 因此作作为为测测量量元元件件时时把把光光电电池池当当作作电电流流源源的的形形式式来来使使用用，不宜用作电压源。不宜用作电压源。图图 8-17 硅硅光电池的光光电池的光照特性照特性 (2)光照特性 不同光照度下光电流和光第8章 光电式传感器 （3）频频率率特特性性 图8-18分别给出硅、硒光电池的频率特性，横坐标光的调制频率。由图可见，硅光电池有较好的频率响应。图8-18 硅、硒光电池的频率特性 （3）频率特性 图8-18分别给出硅、硒光电第8章 光电式传感器 (4)温温度度特特性性 描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。图8-19 由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，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。开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而下下降降的的速速度度较较快快，而而短短路路电电流随温度升高而缓慢增加。流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响作为测量元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。图 8-19 硅光电池的温度特性 (4)温度特性 描述光电池的开路电压和短路第8章 光电式传感器 表表8-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 表8-4 硅光电池2CR型特性参数 第8章 光电式传感器 表表8-4 硅光电池硅光电池2CR型特性参数型特性参数 表8-4 硅光电池2CR型特性参数 第8章 光电式传感器 8.1.4 光电耦合器件光电耦合器件 光光电电耦耦合合器器件件:是是由由发发光光元元件件(如如发发光光二二极极管管)和和光光电电接接收收元元件件合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。合并使用，以光作为媒介传递信号的光电器件。分类分类:根据结构和用途不同，分为 用于实现电隔离的用于实现电隔离的光电耦合器光电耦合器 用于检测有无物体的用于检测有无物体的光电开关光电开关。1.光电耦合器光电耦合器 结结构构:其发光元件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。发发光光器器件件通常采用砷砷化化镓镓发发光光二二极极管管，其管芯由一个PN结组成，随着正向电压的增大，正向电流增加，发光二极管产生的光通量也增加。光光电电接接收收元元件件可可以以是是光光敏敏二二极极管管和和光光敏敏三三极极管管，也也可可以以是是达林顿光敏管。达林顿光敏管。8.1.4 光电耦合器件第8章 光电式传感器 图8-20 光电耦合器组合形式 图8-20为光敏三极管和达林顿光敏管输出型的光电耦合器。为了保证光电耦合器有较高的灵敏度，应使发光元应使发光元件和接收元件的波长匹配。件和接收元件的波长匹配。光敏三极管光敏三极管达林顿光敏管达林顿光敏管图8-20 光电耦合器组合形式 图8-20为光敏三极管和达林第8章 光电式传感器 2.光电开关光电开关 光光电电开开关关一一种种利利用用感感光光元元件件对对变变化化的的入入射射光光加加以以接接收收，并并进进行行光光电电转转换换，同同时时加加以以某某种种形形式式的的放放大大和和控控制制，从从而而获获得得最最终终的的控制输出控制输出“开开”、“关关”信号的器件。信号的器件。典型结构图典型结构图透射式的光电开关透射式的光电开关:它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。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，当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。接收不到来自发光元件的光，这样就起到了检测作用。图图8-21 光电开关的结构光电开关的结构(a)透射式；透射式；(b)反射式反射式 2.光电开关典型结构图图8-21 光电开关第8章 光电式传感器 反射式的光电开关反射式的光电开关:发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，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，没有物体时则接收不到。光电开关的特点光电开关的特点:小型、高速、非接触，而且与TTL、MOS等电路容易结合。图图8-21 光电开关的结构光电开关的结构(a)透射式；透射式；(b)反射式反射式反射式的光电开关:发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一第8章 光电式传感器 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信号有“高高-低低”(1-0)之分即可。之分即可。光电开关的基本电路示例光电开关的基本电路示例。图（图（a）、（）、（b）表示负载为）表示负载为CMOS比较器等高输入阻抗电路时的情况，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。）表示用晶体管放大光电流的情况。光电开关的应用光电开关的应用广泛用于工业控制、自动化包装线及安全装置广泛用于工业控制、自动化包装线及安全装置中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，中作为光控制和光探测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计产品计数，数，料位检测，尺寸控制，料位检测，尺寸控制，安全报警及计算机输入接口等。安全报警及计算机输入接口等。图8-22 光电开关的基本电路 用光电开关检测物体时，大部分只要求其输出信第8章 光电式传感器 8.1.5 电荷耦合器件电荷耦合器件 电电荷荷耦耦合合器器件件（Charge Couple Device,缩缩写写为为CCD）:一一种种大大规规模模金金属属氧氧化化物物半半导导体体（MOS）集集成成电电路路光光电电器器件件。它它以以电电荷荷为为信信号号，具具有有光光电电信信号号转转换换、存储、存储、转移并读出信号电荷的功能。转移并读出信号电荷的功能。CCD自自1970年年问问世世以以来来，由由于于其其独独特特的的性性能能而而发发展展迅迅速速，广广泛泛应应用用于于航航天天、遥遥感感、工工业业、农农业业、天天文文及及通通讯讯等等军军用用及及民民用用领领域域信信息息存存储储及及信信息息处处理理等等方方面面，尤尤其其适适用用以以上上领领域域中中的的图图像像识识别技术。别技术。8.1.5 电荷耦合器件第8章 光电式传感器 1.CCD的结构及工作原理的结构及工作原理 （1）结构结构:CCD由若干个电荷耦合单元组成的由若干个电荷耦合单元组成的。基基本本单单元元:MOS（金金属属-氧氧化化物物-半半导导体体）电电容容器器，如如8-23(a)所所示示。它它以以P型型（或或N型型）半半导导体体为为衬衬底底，上上面面覆覆盖盖一一层层厚厚度度约约120 nm的的SiO2，再再在在SiO2表表面面依依次次沉沉积积一一层层金金属属电电极极而而构构成成MOS电电容容转转移移器器件件。这这样样一一个个MOS结结构称为一个光敏元或一个像素。构称为一个光敏元或一个像素。输入、输入、输出结构输出结构:将将MOS阵列加上输入、阵列加上输入、输出结构就构成了输出结构就构成了CCD器件器件。图图8-23 MOS电容器电容器（a）MOS电容截面；电容截面；（b）势阱图势阱图 1.CCD的结构及工作原理图8-23 MOS电容器第8章 光电式传感器 (2)工工作作原原理理 构构成成CCD的的基基本本单单元元是是MOS电电容容器器。与与其其它它电电容容器器一一样样，MOS电电容容器器能能够够存存储储电电荷荷。如如果果MOS电电容容器器中中的的半半导导体体是是P型型硅硅，当当在在金金属属电电极极上上施施加加一一个个正正电电压压Ug时时，P型型硅硅中中的的多多数数载载流流子子（空空穴穴）受受到到排排斥斥，半半导导体体内内的的少少数数载载流流子子（电电子子）吸吸引引到到P-Si界界面面处处来来，从从而而在在界界面面附附近近形形成成一一个个带带负负电电荷荷的的耗耗尽尽区区（也也称称表表面面势势阱阱），如如图图8-23(b)所所示示。对带负电的电子来说，对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。耗尽区是个势能很低的区域。当当光光照照射射在在硅硅片片上上，在在光光子子作作用用下下半半导导体体硅硅产产生生了了电电子子-空空穴穴对对产产生生的的光光生生电电子子就就被被附附近近的的势势阱阱所所吸吸收收，势势阱阱内内所所吸吸收收的的光光生生电电子子数数量量与与入入射射到到该该势势阱阱附附近近的的光光强强成成正正比比，存存储储了了电电荷荷的的势势阱阱被被称称为为电电荷荷包包，而而同同时时产产生生的空穴被排斥出耗尽区。的空穴被排斥出耗尽区。在在一一定定的的条条件件下下，所所加加正正电电压压Ug越越大大，耗耗尽尽层层就就越越深深，Si表表面面吸吸收收少少数数载载流流子子表表面面势势(半半导导体体表表面面对对于于衬衬底底的的电电势势差差)也也越越大大，这这时时势势阱阱所所能能容容纳纳的的少数载流子电荷的量就越大。少数载流子电荷的量就越大。(2)工作原理 构成CCD的基本单元是MOS第8章 光电式传感器 CCD的信号（的信号（电荷）电荷产生方式）电荷产生方式:光信号注入和电信号注入光信号注入和电信号注入光光信信号号注注入入:CCD用用作作固固态态图图像像传传感感器器时时，接接收收的的是是光光信信号号，即即。图图8-24（a）是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。）是背面光注入方法，如果用透明电极也可用正面光注入方法。当当CCD器器件件受受光光照照射射时时栅栅极极附附近近的的半半导导体体内内产产生生电电子子-空空穴穴对对，其其多多数数载载流流子子（空空穴穴）被被排排斥斥进进入入衬衬底底，而而少少数数载载流流子子（电电子子）则则被被收收集在势阱中，集在势阱中，形成信号电荷，形成信号电荷，并存储起来。并存储起来。存存储储电电荷荷的的多多少少正正比比于于照照射射的的光光强强反反映映图图像像的的明明暗暗程程度，度，实现光信号与电信号之间的转换。实现光信号与电信号之间的转换。8-24 电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入背面光注入;（b）电注入电注入 CCD的信号（电荷）电荷产生方式:光信号注入和电信号注入 8第8章 光电式传感器 8-24 电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入；背面光注入；（b）电注入电注入 电电信信号号注注入入:即即CCD通通过过输输入入结结构构对对信信号号电电压压或或电电流流进进行行采采样样，将信号电压或电流转换成信号电荷。将信号电压或电流转换成信号电荷。图图8-24（b）用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散）用输入二极管进行电注入，该二极管是在输入栅衬底上扩散形成的。当输入栅形成的。当输入栅IG加上宽度为加上宽度为t的正脉冲时，输入二极管的正脉冲时，输入二极管PN结的少数结的少数载流子通过输入栅下的沟道注入载流子通过输入栅下的沟道注入1电极下的势阱中，注入电荷量电极下的势阱中，注入电荷量Q=IDt。8-24 电荷注入方法电信号注入:即CCD通过输入结构对信第8章 光电式传感器 自自学学：CCD最最基基本本的的结结构构:是一系列彼此非常靠近的MOS电容器，这些电容器用同一半导体衬底（上面涂覆一层氧化层）制成，衬底上制作许多互相绝缘的金属电极，相邻电极之间仅隔极小的距离，保证相邻势阱耦合及电荷转移。对于可移动的电荷信号都将力图向表面势大的位置移动。为保证信号电荷按确定方向和路线转移，在各电极上所加的电压严格满足相位要求，下面以三相（也有二相和四相）时钟脉冲控制方式为例说明电荷定向转移的过程。把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个相位不同的控制电压1、2、3，见图8-25（b），控制电压1、2、3的波形见图8-25（a）所示。自学：CCD最基本的结构:是一系列彼此非常靠第8章 光电式传感器 图8-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程 图8-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系第8章 光电式传感器 图图8-25 三相三相CCD时钟电压与电荷转移的关系时钟电压与电荷转移的关系(b)电荷转移过程电荷转移过程(a)三相时钟脉冲波形；三相时钟脉冲波形；123图8-25 三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(b)第8章 光电式传感器 当当t=t1时时，1相相处处于于高高电电平平，2、3相相处处于于低低电电平平，在在电电极极1、4下下面面出出现现势势阱阱，存存储了电荷。储了电荷。在在t=t2时时，2相相也也处处于于高高电电平平，电电极极2、5下下面面出出现现势势阱阱。由由于于相相邻邻电电极极之之间间的的间间隙隙很很小小，电电极极1、2及及4、5下下面面的的势势阱阱互互相相耦耦合合，使使电电极极1、4下下的的电电荷荷向向电电极极2、5下下面面势势阱阱转转移移。随随着着1电电压压下下降降，电极电极1、4下的势阱相应变浅。下的势阱相应变浅。在在t=t3时时，有有更更多多的的电电荷荷转移到电极转移到电极2、5下势阱内。下势阱内。在在t=t4时时，只只有有2处处于于高高电电平平，信信号号电电荷荷全全部部转转移移到到电电极极2、5下下面面的的势势阱阱内内。随随着着控控制制脉脉冲冲的的变变化化，信信号号电电荷荷便便从从CCD的的一一端端转转移移到到终终端端，实现了电荷的耦合与转移。实现了电荷的耦合与转移。123 当t=t1时，1相处于高电平，2、3相处于第8章 光电式传感器 CCD输输出出端端结结构构示示意意图图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流Io。输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压Uo输出。图图8-26 CCD输出端结构输出端结构 CCD输出端结构示意图。它实际上是在CCD阵列的末端衬底上制第8章 光电式传感器 2.CCD的应用（的应用（CCD固态图像传感器）固态图像传感器）电电荷荷耦耦合合器器件件的的应应用用:用用于于固固态态图图像像传传感感器器中中，作作为为摄摄像或像敏的器件。像或像敏的器件。CCD固态图像传感器的组成固态图像传感器的组成:感光部分和移位寄存器。感光部分和移位寄存器。感感光光部部分分:指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，光敏单元简称光敏单元简称“像素像素”。固固态态图图像像传传感感器器的的工工作作原原理理:利利用用光光敏敏单单元元的的光光电电转转换换功功能能将将投投射射到到光光敏敏单单元元上上的的光光学学图图像像转转换换成成电电信信号号“图图像像”，即即将将光光强强的的空空间间分分布布转转换换为为与与光光强强成成正正比比的的、大大小小不不等等的的电电荷荷包包空空间间分分布布，然然后后利利用用移位寄存器的移位功能将电信号移位寄存器的移位功能将电信号“图像图像”传送，传送，经输出放大器输出。经输出放大器输出。2.CCD的应用（CCD固态图像传感器）第8章 光电式传感器 CCD固固态态图图像像传传感感器器的的分分类类（按光敏元件排列形式）:线线型型和和面面型型 （1）线线型型CCD图图像像传传感感器器:由一列MOS光敏单元和一列CCD移位寄存器构成的，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅，基本结构如图8-27（a）所示。转转移移控控制制栅栅控控制制光光电电荷荷向向移移位位寄寄存存器器转转移移，一一般般使使信信号号转转移移时时间间光光积积分分时时间间。在在光光积积分分周周期期里里，各各个个光光敏敏元元中中所所积积累累的的光光电电荷荷与与该该光光敏敏元元上上所所接收的光照强度和光积分时间成正比，接收的光照强度和光积分时间成正比，光电荷存储于光敏单元的势阱中。光电荷存储于光敏单元的势阱中。当当转转移移控控制制栅栅开开启启时时，各各光光敏敏单单元元收收集集的的信信号号电电荷荷并并行行地地转转移移到到CCD移移位位寄寄存存器器的的相相应应单单元元。当当转转移移控控制制栅栅关关闭闭时时，MOS光光敏敏元元阵阵列列又又开开始始下下一一行行的的光光电电荷荷积积累累。同同时时，在在移移位位寄寄存存器器上上施施加加时时钟钟脉脉冲冲，将将已已转转移移到到CCD移移位位寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。寄存器内的上一行的信号电荷由移位寄存器串行输出，如此重复上述过程。图图8-27 线型线型CCD图像传感器图像传感器（a）单行结构；单行结构；（b）双行结构双行结构 CCD固态图像传感器的分类（按光敏元件排列形式）:线型和面型第8章 光电式传感器 图图8-27（b）为为CCD的的双双行行结结构构图图。光光敏敏元元中中的的信信号号电电荷荷分分别别转转移移到到上上下下方方的的移移位位寄寄存存器器中中，然然后后在在时时钟钟脉脉冲冲的的作作用用下下向向终终端端移移动动，在在输出端交替合并输出。输出端交替合并输出。优特点优特点:相同长度下相同长度下,分辨率比单行结构高出两倍；分辨率比单行结构高出两倍；转移次数减少一半转移次数减少一半使使CCD电荷转移损失大为减少；电荷转移损失大为减少；双行结构在获得相同效果情况下，可缩短器件尺寸。双行结构在获得相同效果情况下，可缩短器件尺寸。双行结构已发展成为线型双行结构已发展成为线型CCD图像传感器的主要结构形式。图像传感器的主要结构形式。线线型型CCD图图像像传传感感器器可可以以直直接接接接收收一一维维光光信信息息，不不能能直直接接将将二二维维图图像像转转变变为为视视频频信信号号输输出出，为为了了得得到到整整个个二二维维图图像像的的视视频频信信号号，就就必必须须用用扫扫描描的方法。的方法。线线型型CCD图图像像传传感感器器的的应应用用:主主要要用用于于测测试试、传传真真和和光光学学文文字识别技术等方面。字识别技术等方面。图图8-27 线型线型CCD图像传感器图像传感器（a）单行结构；单行结构；（b）双行结构双行结构 图8-27（b）为CCD的双行结构图。光敏元第8章 光电式传感器 (2)面面型型CCD图图像像传传感感器器 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构成面型CCD图像传感器。三种类型：三种类型：线转移型、帧转移型和行间转移型（图8-28）图图8-28 面型面型CCD图像传感器结构图像传感器结构 (a)线转移型；线转移型；(b)帧转移型；帧转移型；(c)隔离转移型隔离转移型 (2)面型CCD图像传感器 按一定的方第8章 光电式传感器 图8-28（a）线转移面型线转移面型CCD的结构图的结构图。组成组成:行扫描发生器、感光区和输出寄存器等。行行扫扫描描发发生生器器将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，驱动脉冲将信号电荷一位位地按箭头方向转移，并移入输出寄存器，输出寄存器输出寄存器亦在驱动脉冲的作用下使信号电荷经输出端输出。特特点点:有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等，但电路比较复杂，易引起图像模糊。图8-28（a）线转移面型CCD的结构图。第8章 光电式传感器 图8-28（b）帧转移面型帧转移面型CCD的结构图的结构图。构成构成:光敏元面阵（感光区）、存储器面阵和输出移位寄存器。工工作作原原理理:图像成像到光敏元面阵，当光敏元的某一相电极加有适当的偏压时，光生电荷将收集到这些光敏元的势阱里，光学图像变成电电荷荷包包图图像像。当光积分周期结束时，信号电荷迅速转移到存储器面阵，经输出端输出一帧信息。当整帧视频信号自存储器面阵移出后，就开始下一帧信号的形成。特点特点:结构简单，光敏单元密度高，但增加了存储区。图8-28（b）帧转移面型CCD的结构图。第8章 光电式传感器 图8-28（c）隔隔离离转转移移型型CCD的的结结构构图图构构成成:将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。工工作作原原理理:在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后一次一行地移至输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。特点特点:感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。应用最多 面型CCD图像传感器主要用于摄像机及测试技术。图8-28（c）隔离转移型CCD的结构图构成第8章 光电式传感器 8.1.6 光电传感器的应用光电传感器的应用1.火火焰焰探探测测报报警警器器图8-29电路图（硫化铅光敏电阻为探测元件）硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻参参数数:暗电阻1 M,亮电阻0.2 M(光强度0.01 W/m下测试)，峰值响应波长为2.2 m，硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻处处于于V1管管组组成成的的恒恒压压偏偏置置电电路路偏置电压约6V,电流约6A。V1管集电极电阻两端并联68F电容,可抑制100Hz以上的高频,使其成为只有几十赫兹的窄带放大器。图图8-29 火焰探测火焰探测报警器电路图报警器电路图 8.1.6 光电传感器的应用图8-29 火焰探测报警器电第8章 光电式传感器 图8-29 火焰探测报警器电路图 V2、V3构成二级负反馈互补放大器构成二级负反馈互补放大器，火焰的闪动信号经二级放大后送给中心控制站进行报警处理。采用恒压偏置电路是为了在更换光敏电阻或长时间使用后，器件阻值的变化不至于影响输出信号的幅度，保证火焰报警器能长期稳定的工作。图8-29 火焰探测报警器电路图 V2、V3构成二级负反馈互第8章 光电式传感器 2.光光电电式式纬纬线线探探测测器器应应用用于于喷喷气气织织机机上上，判判断断纬纬线线是是否否断断线线的的一一种种探探测测器器。图8-30为光电式纬线探测器原理电路图。工工作作原原理理:当纬线在喷气作用下前进时，红红外外发发光光管管VD发出的红外光，经纬线反射，由光电池接收，如光电池接收不到反射信号时，说明纬线已断。因此利用光电池的输出信号，通过后续电路放大、脉冲整形等，控制机器正常运转还是关机报警。图图8-30 光电式纬线光电式纬线探测器原理电路图探测器原理电路图 2.光电式纬线探测器应用于喷气织机上第8章 光电式传感器 由于纬线线径很细，又是摆动着前进形成光的漫反射削弱了反射光的强度，且伴有背景杂散光要求探纬器具有高灵敏度和分辨率为此,红外发光管VD采用占空比很小的强电流脉冲供电这样既能保证发光管使用寿命,又能在瞬间有强光射出以提高检测灵敏度。通常光电池输出信号比较小需经放大、脉冲整形以提高分辨率。图图8-30 光电式纬线光电式纬线探测器原理电路图探测器原理电路图 由于纬线线径很细，又是摆动着前进形成光的漫第8章 光电式传感器 3.燃气器具中的脉冲点火控制器燃气器具中的脉冲点火控制器 由于燃气是易燃、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，即打打火火确确认认针针产产生生火火花花，才才可可以以打打开开燃燃气气阀阀门门；否否则则燃燃气气阀阀门门关闭关闭，这样就保证使用燃气器具的安全性。3.燃气器具中的脉冲点火控制器第8章 光电式传感器 图图8-31高压打火确认电路原理图。高压打火确认电路原理图。高高压压打打火火时时,火火花花电电压压可可达达1万万多多伏伏,该该脉脉冲冲高高电电压压对对电电路路工工作作影影响响极极大大采用采用光电耦合器光电耦合器VB进行电平隔离进行电平隔离,大大增加了电路抗干扰能力。大大增加了电路抗干扰能力。当当高高压压打打火火针针对对打打火火确确认认针针放放电电时时,光光电电耦耦合合器器中中的的发发光光二二极极管管发发光光，耦耦合合器器中中的的光光敏敏三三极极管管导导通通，经经V1、V2、V3放放大大，驱驱动动强强吸吸电电磁磁阀阀，将将气气路打开，路打开，燃气碰到火花即燃烧。燃气碰到火花即燃烧。若若高高压压打打火火针针与与打打火火确确认认针针之之间间不不放放电电，则则光光电电耦耦合合器器不不工工作作，V1等等不导通，不导通，燃气阀门关闭。燃气阀门关闭。图图8-31 燃气热水器的高压打火确认原理图燃气热水器的高压打火确认原理图 图8-31高压打火确认电路原理图。图8-3第8章 光电式传感器 4.CCD图像传感器应用图像传感器应用 CCD图像传感器在许多领域内获得了广泛的应用。电电荷荷耦耦合合器器件件(CCD)具具有有将将光光像像转转换换为为电电荷荷分分布布，以以及及电电荷荷的的存存储储和和转转移移等等功功能能，所所以以它它是是构构成成CCD固固态态图图像像传传感感器器的的主主要要光光敏敏器器件件，取代了摄像装置中的光学扫描系统或电子束扫描系统。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率和高灵敏度，较宽的动态范围等特点决定了它可以广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。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。4.CCD图像传感器应用第8章 光电式传感器 图8-32为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。原原理理: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。根据光学几何原理，可以推导被测物体尺寸的计算公式，（8-3）n覆盖的光敏像素数；覆盖的光敏像素数；p像素间距；像素间距；M倍率。倍率。微微机机可可对对多多次次测测量量求求平平均均值值，精精确确得得到到被被测测物物体体的的尺尺寸寸。任任何何能能够够用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。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。图8-32 CCD图像传感器工件尺寸检测系统 图8-32为应用线型CCD图像传感器测量物体第8章 光电式传感器 8.2 光光 纤纤 传传 感感 器器 引言：引言：光光纤纤传传感感器器的的发发展展：20世世纪纪70年年代代中中期期发发展展起起来来的的一一种种新新技技术术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。光光纤纤传传感感器器的的优优点点：和和传传统统的的各各类类传传感感器器相相比比，不不受受电电磁磁干干扰扰，体体积积小小，重重量量轻轻，可可绕绕曲曲，灵灵敏敏度度高高，耐耐腐腐蚀蚀，高高绝绝缘缘强强度度，防防爆爆性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。性好，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。光光纤纤传传感感器器的的应应用用：能能用用于于温温度度、压压力力、应应变变、位位移移、速速度度、加加速速度度、磁磁、电电、声声和和PH值值等等70多多个个物物理理量量的的测测量量，在在自自动动控控制制、在在线线检检测测、故故障障诊诊断断、安安全全报报警警等等方方面面具具有有极极为为广广泛泛的的应应用用潜潜力力和和发发展前景。展前景。8.2 光 纤 传 感 器 引言：第8章 光电式传感器 8.2.1 光纤结构及其传光原理光纤结构及其传光原理 1.光纤（光导纤维）结构光纤（光导纤维）结构 是一种特殊结构的光学纤维，结构如图8-33所示。纤芯纤芯中心的圆柱体叫，包包层层围绕着纤芯的圆形外层叫。纤芯和包层通常由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射率n1略大于包层的折射率n2，光光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。保护套保护套在包层外面，多为尼龙材料，以增加机械强度。图图8-33 光纤的基本结构光纤的基本结构8.2.1 光纤结构及其传光原理图8-33 光纤的基本结第8章 光电式传感器 2.光纤传光原理光纤传光原理 光光在在空空间间是是直直线线传传播播的的。在在光光纤纤中中，光光的的传传输输限限制制在在光光纤纤中中，并并随随着着光光纤纤能传送很远的距离，能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的光纤的传输是基于光的全内反射全内反射。传传光光原原理理设设有有一一段段圆圆柱柱形形光光纤纤，如如图图8-34所所示示，它它的的两两个个端端面面均均为为光光滑滑的的平平面面。当当光光线线射射入入一一个个端端面面并并与与圆圆柱柱的的轴轴线线成成i角角时时，在在端端面面发发生生折折射射进进入入光光纤纤后后,又又以以i角角入入射射至至纤纤芯芯与与包包层层的的界界面面，光光线线有有一一部部分分透透射射到到包包层层，一一部部分分反反射射回回纤纤芯芯。但但当当入入射射角角i小小于于临临界界入入射射角角c时时，光光线线就就不不会会透透射射界界面面，而而全全部部被被反反射射，光光在在纤纤芯芯和和包包层层的的界界面面上上反反复复逐逐次次全全反反射射，呈呈锯锯齿齿波波形形状状在在纤纤芯芯内内向向前前传传播播，最最后后从从光光纤纤的的另另一一端端面面射射出出，这这就就是是光光纤纤的传光原理。的传光原理。图8-34 光纤的传光原理 2.光纤传光原理图8-34 光纤的传光原理第8章 光电式传感器 根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图8-34可得（8-4）（8-5）n0为光纤外界介质的折射率。图8-34 光纤的传光原理根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图8-34可得（8第8章 光电式传感器 若要在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上的光线临界折射角c=90，即 c=90。而 当=c=90(对应的入射角为i=c）时,有(8-7)(8-6)若要在纤芯和包层的界面上发生全反射，则界面上第8章 光电式传感器 一般光纤所处环境为空气，n0=1，实实际际工工作作时时需需要要光光纤纤弯弯曲曲，但但只只要要满满足足全全反反射射条条件件，光光线线仍仍然然继继续续前前进进。可可见见这这里里的的光光线线“转弯转弯”实际上是由光的全反射所形成的。实际上是由光的全反射所形成的。（8-9）所以，为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的入射角i应满足（8-8）一般光纤所处环境为空气，n0=1，实际工作时第8章 光电式传感器 8.2.2 光纤基本特性光纤基本特性 1.数值孔径（数值孔径（NA）数值孔径（NA）定义为（8-10）数数值值孔孔径径是是表表征征光光纤纤集集光光本本领领的的一一个个重重要要参参数数，即即反反映映光光纤纤接接收收光光量量的的多多少少。其其