第五讲 光学类传感器原理及应用ppt课件

四、光纤特性
• 数值孔径：
1 2 N A sin c n12 n2 0.57 n0
• 损耗：费涅尔反射损耗、光吸收损耗、全反射损耗以 及弯曲损耗等。定义损耗系数

10 Pi lg ， L 光纤长度 L Po
• 色散：输入光脉冲在光纤传输中由于光波的群速度不 同而出现的脉冲展宽现象。表征传输带宽。 • 容量；拉抗强度；集光本领等。
例题参考答案
解： 由Snell法则可求得1的全反射临界角为 n2 sin 1 n1 而光从空气进入光纤的折射角 n0 sin 0 n1 sin 1 n1 cos 1 (1 1 / 2) 又由于 sin 2 1 cos2 1 1, 所以
2Leabharlann Baidu n12 n2 0 arcsin n0
第一节 光纤传感器基础知识
一、光纤的结构
包层 纤芯 外套
二、光纤的种类
阶跃型 按从纤芯到包层折 射率变化规律分类
梯度型
多模光纤与单模光纤
• 按光的传输模式分类，可以将光纤分为多模光 纤和单模光纤。阶跃型和梯度型光纤一般为多 模光纤 • 模的概念：只有能形成驻波的那些以特定角度 射入光纤的光才能在光纤内传播，这些光波称 为模。V=d(n12-n22)1/2/
测 量 对 象
测 量 对 象
透射光强% 100 80 60 40 20 0 0.5 1.0 1.5 2.0
光纤传感器举例：基于微弯效应测压力
F
外力N
光强调制；相位调制；偏振态调制；波长调制
H
I 2R
偏振态调制型光纤电流传感器
VLI 2R V 维德常数，V 3.7 10 4 ( rad/A ) 法拉第偏转 VLH 信号处理输出 I I2 VLI p 1 sin 2VNI I1 I 2 R 即： I p 2VN
光子探测光传感器 光电导光传感器 光生伏特光传感器 光电导结光传感器 光电磁光传感器 热电堆光传感器 辐射热计光传感器 热释电光传感器 Golay光传感器
热探测光传感器
二、光学传感器的特性参数
• 表征器件工作特性的参数，以便对各类器件的 性能进行分析、评价和比较。
1. 灵敏度：描述光传感器对光辐射的敏感程度。 用S()或S(T, ,f)表示 2. 响应度：针对以内光电效应工作的光传感器， 定义为传感器输出量 U( 电压或电流幅值 ) 与给 定入射光通量(或功率P)之比：R=U/P
三、光纤的传光原理
• 全反射 n2<n1 n1
1 2
n1 sin 1 n2 sin 2
• 全反射临界角c 1 n2 n1 sin c n2 sin 90 n2 c sin n1
阶跃型光纤传光示意图
n2
0
1
1
n1
?若空气的光折射率为n0，要使光纤的入射光在 光纤纤芯内全反射，则0至多为多少？
第一节 光学传感器基础
光谱范围：10~106nm 波长(nm)
10
102 103
名称
远紫外区域 紫外区域 可见光区域，近红外区域 红外区域
104
105 106
远红外区域
一、光学传感器类型
• 对光学波段的入射电磁辐射产生输出的传感器，称为 光学传感器，或光学探测器。 • 按探测机理分为两大类型：光子（量子）探测光传感 器和热探测光传感器
3. 噪声等效照度NEI：噪声归一化至单位带宽时， 提供比值为1的信噪比所需的最小辐射通量密 度
第二节 光学传感器用光源
偏压引线
光源的分类和基本要求 激光光源
• 分类：非相干光源和 P型掺杂 相干光源。前者包括 产生激光的三个条件： 1、 白炽灯、发光二极管； N型掺杂 要产生足够的粒子数反 后者包括各种激光器。 转分布；2、要有合适的 • 光谐振腔，形成激光振 基本要求：功率、信 荡； 3、满足一定的阈值 噪比、光谱特性和相 条件，使总增益大于总 干性
损耗。
PN结
激光束
第二节 光学传感器用光源
光源的分类和基本要求 激光光源 发光二极管 普通光源 同 LD相比， LED单色性、 方向性和亮度差很多； 但驱动电路简单，无须 反馈控制，寿命长。是 •白炽灯 光纤通讯、光纤传感的 • 气体导电灯 重要光源。
第三节 光敏晶体管
入射光 基极电极 发射极 保护膜 (SiO2) N Ic=Ib 基极 极电极 Ic
彩色组合等级：色 调、色值和色度
传统测色系统原理
光
分 光 计
探 测 器
信 号 处 理 系 统
PD1
半导体色敏器件的结构 I
SC1
电极1
电极2
PD2
ISC2 电极 3 输入光 短波 长波
电极1
电极2 SiO2
P N P
电极3
双结硅光敏二极管应用电路
入射光
PD1
V
PD2
色敏传感器系统的V-f 特性曲线
P
Ib N N+
Ccb
Cbe
发射极
集电极
集电极
达林顿光敏三极管等效电路
发射极 100
光敏三极管典型光谱特性
80 60 40 20 400 600 800 1000 (nm)
第四节 半导体色敏传感
• 颜色：不同波长的电磁辐射作用于人的视觉器 官所产生的视觉感受。 • 颜色分类：
黑色、白色、过渡 的灰度
输出电压V0(V)
3 2 1
可见光
红外光
600
0
-1 -2 -3 -4 -5
波长(nm)
800 1000
400
第五节 光纤传感器
• 特点：极高的灵敏度和准确度、固有的安全性、 良好的抗电磁干扰能力、高绝缘强度、耐高温、 耐腐蚀、轻质、柔韧、宽频带。 • 应用：机械、电子仪器仪表、航空航天、通讯、 生物医学、环保、食品、化工… … • 测量对象：电流磁场、电压电场、温度、速度、 振动、压力、射线、图像… …
浸油
显微镜 起偏器
激光器
I1
显微镜 起偏器
电流 导线
I2
I1 I 2 I1 I 2
五、光纤传感器的结构及特性
• 光纤传感器分类
1. 电流磁场、电压电场； 1. 2. 功能型传感器：传感 温度 型、探测型 3. 速度 4. 2. 5. 振动、压力 非功能型传感器：传 射线 光型、结构型、强度 6. 型、混合型 图像
• 光纤传感器可测参量
光纤传感器的基本结构
测 量 对 象
测 量 对 象