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第7章 光电式传感器
7.1 1.2 7.2
光电效应
光电器件及其特征
7.4
光电传感器及其应用
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光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传 感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电 效应。 光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。 光电式传感器的工作原理如图所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量 变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制 光量的检测方式。
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补充内容： 光谱
光波： 波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线
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光谱分布如图所示：
波长/μm
0.01 0.05 极远紫外 0.1 0.5 远 近 可见光 紫 紫 外 外 1 5 近红外 远红外 10
光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光 速c=2.99793×108m/s，通常c≈3×108m/s。光的波长 λ和频率f 的关系为
λf=3×108m / s
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7.1 光电效应
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，从而产生的电效应。光电传感器的 工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和 内光电效应两大类。 7.1.1 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向 外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫 光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光 电倍增管等。多发生于金属和金属氧化物，从光开 始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
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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。光子具有能量，每个光子具有的能 量由下式确定： （7-1） E=hf
式中： h-普朗克常数=6.626×10-34(J·s) f-光的频率（s-1）。
光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越 大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 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，根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受 一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出， 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部 分的能量表现为逸出电子的动能。 检测技术
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根据能量守恒定理
式中：m
——电子质量； v0——电子逸出速度。
1 2 hf mv0 A0 2
（7-2）
式（7-2）为爱因斯坦光电效应方程式.
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1 2 hf mv0 A0 2
光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功 A0 。不同的物质具有不同的逸 出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称 为红限频率。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，入射光子数目越多，逸出的电子 数也就越多。 光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2 ，因此外 光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压， 也会有光电子产生。
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7.1.2 内光电效应 光电导效应 在光线作用下，材料内部的电阻率发生变化的现 象称为内光电效应。基于这种效应的光电器件有光敏 电阻。它多发生于半导体内。 在光线作用下，对于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带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的 电导率增加，阻值减低。
导带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
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Eg
禁带 价带
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为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 电导材料的禁带宽度Eg，即
hf
hc
1.24
Eg
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电 导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小 于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间 的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
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7.1.3 光生伏特效应
在光线的作用下能够使物体产生一定方向电动势 的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有 光电池、光敏二极管和光敏三极管。 以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于 禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电 子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电 子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而 使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
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－ － － － － －
+ + + + + + + + +
+ + +
－ － － － － －
－ － － － － －
+ + +
+ + +
P
N
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7.2 光电器件及其特征
7.2.1 光电管与光电倍增管 一、光电管及其基本特性 1、结构
图 7-1 光电管结构
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2、光电管的工作原理 光电管的阴极受到适当的光线照射 后便发射电子，这些
电子被具有一定电 位的阳极吸引，在光电管内形成空间电 子流。如果在外电路中串入一适当阻值 的电阻，则在此电阻上将有正比于光电 管中空间电流的电压降，其值与照射在 光电管阴极上的光亮度成函数关系。
A K
RL E
图 7-2 测量电路
如泡内充入惰性气体，当电子在被吸向阳极的过 程中，运动的电子会对惰性气体进行轰击，并使其产 生电离，于是会有更多的自由电子产生，从而提高了 光电转换灵敏度。
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3、主要性能 （1）光电特性（光照特性） 指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光 通量与光电流之间的关系为光电管的光电特性。 曲线 1 表示银氧铯阴极光 IA/ μA 电管的光照特性，光电 100 流 I 与光通量成线性关系。 曲线 2 为锑铯阴极的光电 75 2 管光照特性，它成非线 50 1 性关系。光照特性曲线 25 的斜率（光电流与入射 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m 光光通量之间比）称为 光电管的灵敏度。 光电管的光电特性
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（2）伏安特性
IA/ μA
12 10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150 200
8
6
4
2 0
在一定的光通量下 ，对光电器件的阳极 所加电压与阴极所产 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。
极间的电压/V
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（3）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。保持光通量和阳极电压不变，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 红限频率f0，因此它们可用于不同的光谱范围。 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率f0 ， 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。
对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。
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二、光电倍增管及其基本特性
当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，只有零点 几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。 1.光电倍增管结构和工作原理 由光阴极、次阴极(倍增电极) 及阳极三部分组成。光阴 极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的 光电阴极 阳极 衬底上涂上锑铯材料而形成 的，次阴极多的可达30级； 阳极是最后用来收集电子的， 收集到的
电子数是阴极发射 电 子 数 的 105~106 倍 。 因 此 第一倍增极 第三倍增极 在很微弱的光照时，它就能 产生很大的光电流。 入射光
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2. 主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数 M 等于 n 个倍增电极的二次电子发射系数 δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M= n 因 i 此，阳极电流I为 i —光电阴极的光电流 I = i · in M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％ 左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。一般阳极和阴 极之间的电压为 1000~2500V ，两个相邻的倍增电极的 电位差为50~100V。所加电压越稳越好，这样可以减小 测量误差。
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（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的灵敏度
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。
（3）暗电流和本底电流 没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这 种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成 的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光 情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。 增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发， 被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。
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7.2.2 光敏电阻
1、光敏电阻的工作原理与结构
又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光 电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件。 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带 上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价 带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。
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光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝 缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。
电极
引线
引线 光导电材料 光电导体 A 绝缘衬低
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
光电导体吸收光子而产 生的光电效应，只限于 光照的表面薄层，虽然 产生的载流子也有少数 扩散到内部去，但扩散 深度有限，因此光电导 体一般都做成薄层。为 了获得高的灵敏度，光 敏电阻的电极一般采用 梳状图案。
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光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导 光电导体严密封装在玻璃壳体中。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，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性， 光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、 重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。
I RL RG E
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2、
光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻与暗电流：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) 亮电阻与亮电流：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：亮电流与暗电流之差称为光电流。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。 也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻 的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达 100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之 比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
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3、光敏电阻的基本特性 (1)光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光 电流和光通量之间的关系。不同材料的光照特性是不 同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。因此 它不宜作为测量元件，这是光敏电阻的不足之处。一 般在自动控制系统中常作开关式光电信号传感元件。
I/mA 5 4 3 2 1 0
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1000
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2000
L/lx
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(2)伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电 流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安 特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电 流也越大。
40 30 功率 10001 x 500 m W 1001 x
I / mA
20 10 0
101 x 100 U/ V 200
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(3)光谱特性：光谱特性与光敏电阻的材料有关。 从图中可知，硫化铅3光敏电阻在较宽的光谱范围内均 有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉 的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应 把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能 获得满意的效果。
相 80 对 灵 60 敏 40 度 20 100
1
2
3
1——硫化镉 2——硒化镉 3——硫化铅
0.4
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0.8
1.2
1.6
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2.0
2.4
λ/μm
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(4)频率特性：实验证明，当光敏电阻受到脉冲光照
射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停
止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时
延特性。
100
I/%
硫化铅
80 60
40
20
硫化镉
0
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10
102 103 104 f / Hz
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(5) 温度特性：其性能 ( 灵敏度、暗电阻 ) 受温度 的影响较大。随着温
度的升高，其暗电阻和灵敏度下
降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化
镉的光电流I和温度T的关系如图所示。
I / μA
200 150 100 100 80 60
I/mA
+20 º C
-20 º C
40
20
-50 -30 -10 10 30 50 T/
º C
0
1.0
2.0
3.0
4.0
λ/μm
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7.2.3 光敏二极管和光敏晶体管 1、光敏二极管
光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透
明玻璃外壳中，其 PN 结装在管的顶部，可以直接受到
光照射。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状
态。
光 光
P
P N
N
RL
光敏二极管符号
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光敏二极管接线
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当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只 有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成 微小的反向电流即暗电流； 受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而 产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度 大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P 区的少数载流子渡越阻挡层进入 N 区， N 区的少数载 流子渡越阻挡层进入 P 区，从而使通过 PN 结的反向电 流大为增加，这就形成了光电流。 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光 敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面 的应用。 检测技术
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2、光敏晶体管 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个 PN 结， 如图(a)所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大 光的照射面积。光敏晶体管接线如图 (b) 所示，大多 数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于 发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏 压。 光
c N P b (a)
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N
e
b RL
c e E
(b)
检测技术 图7-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路
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光 c N P b (a) N e b RL (b) c e E
当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。 由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的 β 倍，所以光敏晶体管有放大作用。
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7.2.4 光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能 的器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路 中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。
硼扩散层 SiO2 膜 P型 电 极 I I A
N型 硅 片
PN 结 电极 (a )
A
(b )
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7.4 光电传感器及其应用
按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式 可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大
类。 7.4.1 模拟式光电传感器 基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光 通量的函数。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有 一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而 变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。
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吸收式：被测物放在光学通路中， 光源的部分光通量由被测物吸收， 剩余的投射到光电元件上，被吸收 的光通量与被测物的透明度有关。 所以常用来作混浊度计等。 反射式：恒定光源发射的光通量 投射到被测物上，由被测物表面反 射后再投射到光电元件上。反射光 的强弱取决于被测物表面的性质和 状态，因此可用于测量工件表面粗 糙度。
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遮光式：从恒定光源发射出的光 通量在到达光电元件的途中受到被 测物的遮挡，使投射到光电元件上 的光通量减弱，光电元件的输出反 映了被测物的尺寸或位置。这种传 感器可用于工件尺寸测量、振动测 量等场合。 辐射式：光源本身是被测物，它 发出的光投射到光电元件上，光电 元件的输出反映了光源的某些物理 参数。这种型式的光电传感器可用 于照度计。
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7.4.2 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通 ”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不 受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是 作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测 量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光
电脉冲传感器等。
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应用举例： 一、烟尘浊度监测仪 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 的烟尘浊度是用通过光在烟道里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， 因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变 化。
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平行 光源 烟道
光电 探测
放大
显示
报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图
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2、光电转速传感器
下图是光电数字式转速表的工作原理图。图是在待 测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由 白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成 的光电转换器上，转换成相应
的电脉冲信号，经过放大 整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。
2
3
1
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7.5 光 纤 传 感 器
光纤传感器是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种 新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步 形成的。 光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点， 如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度 高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输 于一体等。 光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速 度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测 量，具有极为广泛的应用潜力和发展前景。
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7.5.1
一、光纤结构及其传光原理
光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤 维，用光透射率高的电介质 ( 如石英、玻璃、塑料等 ) 构成的光通路。结构如图7-16所示。
保护层 包层 n2 纤芯 n1
图7-16 光纤的基本结构
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光纤传光原理： 在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤 能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。 设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的 平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成 θi角时， 在端面发生折射进入光纤后, 又以φi 角入射至纤芯与包 层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤 芯。 包层
n0 2 c
i
纤芯
n2
i
n1
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依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有
n1 sin i n2 sin '
当φi角逐渐增大，直至φi=θc时，透射入包层的折射光
也逐渐折向界面，直至沿界面传播(φ’=90°)。对应于
φ’=90°时的入射角φi称为临界角θc；由上式则有
sin c
可见，当φi＞θc时，光线将不再折射入包层，而在 介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面 射出。这就是光纤传光的工作基础。
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n2 n1
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包层 n0 2 c
i
纤芯
n2
i
n1
根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图可得
n0 sin i n1 sin ' n1 sin i n2 sin '
式中，n0为光纤外界介质的折射率。
（7-4）
（7-5）
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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φc=90°，即φ’≥ φc=90°。 而
n1 sin ' n1 sin i n1 cos i n1 1 sin i2 2 n2 n1 1 n sin ' 1
当φ’=φc=90 °时，有
2
(7-6)
n1 sin ' n n
2 1
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2 2
(7-7)
检测技术
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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θi应满足
1 2 2 i c arcsin n n1 n2 0
（7-8）
一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（7-8）可 表示为
2 i c arcsin n12 n2
（7-9）
实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条 件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实 际上是由光的全反射所形成的。
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数值孔径（NA）定义为：
1 2 NA sin c n12 n2 n0
数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数， 即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发 射功率有多大，只有入射角处于 2θc 的光椎角内，光 纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产 生漏光。光纤的 NA 越大，表明它的集光能力越强。 所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔
径一般为0.2~0.4。
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二、光纤的种类
按折射率分有阶跃型和渐变型二种。阶跃型光 纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面 处折射率有突变。渐变型光纤纤芯的折射率沿径向由 中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率 一致。因此，这类光纤有聚焦作用。
光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来 分，可分为多模光纤和单模光纤二类。 检测技术
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根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程, 考虑到光纤圆 柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时只存在波动方 程的特定(离散)的解。每一个允许传播的波称为模式。
①多模光纤：当光纤的纤芯直径远远大于光波波长时， 光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播 模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传 输之后会产生时延，导致合成信号的畸变。 ② 单模光纤：当光纤的纤芯直径可以与光波长相比拟 时，如芯径在5～10 微米范围，光纤只允许一种模式（基 模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫 做单模光纤。
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光纤传输损耗 ： • 光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。 • 光纤传输损耗主要有： （1）材料吸收损耗（与组成光纤的材料的 中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的 振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸 收光能量，引起能量损耗）； （2）散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀 引起）； （3）辐射性损耗 （因光纤在使用中可能
发 生弯曲引起）。
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7.2.3 1、光纤传感器的工作原理及组成
光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界 信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与 光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外 界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振 态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。 光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本 身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型 传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光 纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化， 这类传感器称为非功能型传感器(传光型)。 检测技术
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在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器， 而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以 目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思 和原理往往比较巧妙，可解决一些特别辣手的问题。 但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的 输出变为电信号。 光 纤 传感 器 由 光 源 、敏 感 元件 （ 光纤 或 非光 纤 的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如 图 7-18 所示。由光源发出的光通过光纤引到敏感元件， 被测参数作用于敏感元件，使光的某一性质受到被测 量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测 器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处理测得所 需要的被测量。 检测技术
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被测对象 光源
光纤 光纤敏感元件 光探测器 (a ) 被测对象 光源 至信号处理系统
光纤 光敏感元件 光探测器 (b ) 至信号处理系统
图7-18 光纤传感器组成示意图
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2. 光纤温度传感器： 这里介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传 感器，图7-19为这种传感器的结构原理图。
半导体光吸收器 输入光纤 输出光纤
光源
探测器
不锈钢套
图7-19 半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图
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光源 输入光纤 半导体光吸收器 输出光纤 探测器
不锈钢套
传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括 光探测器在内的信号处理系统等组成的。 光纤是用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感 元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度 T 变化而变化。
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图7-20 半导体的光透过率特性
图 7-20 为半导体的光透过率特性。半导体材料的 光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，如果 适当地选定
一种在该材料工作波长范围内的光源，那么 就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测 器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。
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光纤液位传感器:
结构特点：光纤测头端有一个圆 锥体反射器。当测头置于空气中 没接触液面时，光线在圆锥体内 发生全内反射而回到光电二极管。 当测头接触液面时，由于液体折 射率与空气不同，全内反射被破 坏，有部分光线透入液体内，使 返回到光电二极管的光强变弱； 返回光强是液体折射率的线性函 数。返回光强发生突变时，表明 测头已接触到液位。
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7.1光电效应可分为哪三种？它们的概念分别是什么？ 答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的 轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电 效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现 象称为光电效应。 7.3 答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的 入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产 生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至 传递到另一端面。 优点： a具有优良的传光性能，传导损耗小 b频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好 c能在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送
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第7章 光电式传感器
7.1 1.2 7.2
光电效应
光电器件及其特征
7.4
光电传感器及其应用
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光电式传感器是将光通量转换为电量的一种传 感器，光电式传感器的基础是光电转换元件的光电 效应。 光电器件是构成光电式传感器最主要的部件。 光电式传感器的工作原理如图所示：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。图中x1表示被测量能直接引起光量 变化的检测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制 光量的检测方式。
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补充内容： 光谱
光波： 波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线 红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线
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光谱分布如图所示：
波长/μm
0.01 0.05 极远紫外 0.1 0.5 远 近 可见光 紫 紫 外 外 1 5 近红外 远红外 10
光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光 速c=2.99793×108m/s，通常c≈3×108m/s。光的波长 λ和频率f 的关系为
λf=3×108m / s
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7.1 光电效应
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，从而产生的电效应。光电传感器的 工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和 内光电效应两大类。 7.1.1 外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向 外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫 光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光 电倍增管等。多发生于金属和金属氧化物，从光开 始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。
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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。光子具有能量，每个光子具有的能 量由下式确定： （7-1） E=hf
式中： h-普朗克常数=6.626×10-34(J·s) f-光的频率（s-1）。
光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越 大； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。 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，根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受 一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出， 必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部 分的能量表现为逸出电子的动能。 检测技术
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根据能量守恒定理
式中：m
——电子质量； v0——电子逸出速度。
1 2 hf mv0 A0 2
（7-2）
式（7-2）为爱因斯坦光电效应方程式.
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1 2 hf mv0 A0 2
光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物 体的表面电子逸出功 A0 。不同的物质具有不同的逸 出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称 为红限频率。 当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成 正比。即光强愈大，入射光子数目越多，逸出的电子 数也就越多。 光电子逸出物体表面具有初始动能 mv02 /2 ，因此外 光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压， 也会有光电子产生。
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7.1.2 内光电效应 光电导效应 在光线作用下，材料内部的电阻率发生变化的现 象称为内光电效应。基于这种效应的光电器件有光敏 电阻。它多发生于半导体内。 在光线作用下，对于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带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的 电导率增加，阻值减低。
导带 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
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Eg
禁带 价带
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为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 电导材料的禁带宽度Eg，即
hf
hc
1.24
Eg
材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电 导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小 于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间 的跃进，从而使光电导体的电导率增加。
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7.1.3 光生伏特效应
在光线的作用下能够使物体产生一定方向电动势 的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有 光电池、光敏二极管和光敏三极管。 以PN结为例，光线照射PN结时，设光子能量大于 禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电 子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电 子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而 使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。
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－ － － － － －
+ + + + + + + + +
+ + +
－ － － － － －
－ － － － － －
+ + +
+ + +
P
N
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7.2 光电器件及其特征
7.2.1 光电管与光电倍增管 一、光电管及其基本特性 1、结构
图 7-1 光电管结构
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2、光电管的工作原理 光电管的阴极受到适当的光线照射 后便发射电子，这些
电子被具有一定电 位的阳极吸引，在光电管内形成空间电 子流。如果在外电路中串入一适当阻值 的电阻，则在此电阻上将有正比于光电 管中空间电流的电压降，其值与照射在 光电管阴极上的光亮度成函数关系。
A K
RL E
图 7-2 测量电路
如泡内充入惰性气体，当电子在被吸向阳极的过 程中，运动的电子会对惰性气体进行轰击，并使其产 生电离，于是会有更多的自由电子产生，从而提高了 光电转换灵敏度。
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3、主要性能 （1）光电特性（光照特性） 指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光 通量与光电流之间的关系为光电管的光电特性。 曲线 1 表示银氧铯阴极光 IA/ μA 电管的光照特性，光电 100 流 I 与光通量成线性关系。 曲线 2 为锑铯阴极的光电 75 2 管光照特性，它成非线 50 1 性关系。光照特性曲线 25 的斜率（光电流与入射 0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 Φ/1m 光光通量之间比）称为 光电管的灵敏度。 光电管的光电特性
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（2）伏安特性
IA/ μA
12 10 120μlm 100μlm 80μlm 60μlm 40μlm 20μlm 50 100 150 200
8
6
4
2 0
在一定的光通量下 ，对光电器件的阳极 所加电压与阴极所产 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。
极间的电压/V
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（3）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。保持光通量和阳极电压不变，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 红限频率f0，因此它们可用于不同的光谱范围。 即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率f0 ， 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。
对不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。
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二、光电倍增管及其基本特性
当入射光很微弱时，光电管产生的光电流很小，只有零点 几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大。 1.光电倍增管结构和工作原理 由光阴极、次阴极(倍增电极) 及阳极三部分组成。光阴 极是由半导体光电材料锑铯做成；次阴极是在镍或铜-铍的 光电阴极 阳极 衬底上涂上锑铯材料而形成 的，次阴极多的可达30级； 阳极是最后用来收集电子的， 收集到的
电子数是阴极发射 电 子 数 的 105~106 倍 。 因 此 第一倍增极 第三倍增极 在很微弱的光照时，它就能 产生很大的光电流。 入射光
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2. 主要参数 （1）倍增系数M 倍增系数 M 等于 n 个倍增电极的二次电子发射系数 δ的乘积。如果n个倍增电极的δ都相同，则M= n 因 i 此，阳极电流I为 i —光电阴极的光电流 I = i · in M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％ 左右，加速电压稳定性要在0.1％以内。一般阳极和阴 极之间的电压为 1000~2500V ，两个相邻的倍增电极的 电位差为50~100V。所加电压越稳越好，这样可以减小 测量误差。
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（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管的灵敏度
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。
（3）暗电流和本底电流 没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这 种电流称为暗电流，这是热发射所致或场致发射造成 的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光 情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流。 增加的部分是宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发， 被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而造成的。
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7.2.2 光敏电阻
1、光敏电阻的工作原理与结构
又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光 电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件。 当光照射到光电导体上时，若光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光导材料价带 上的电子将激发到导带上去，从而使导带的电子和价 带的空穴增加，致使光导体的电导率变大。
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光敏电阻的结构如图所示。管芯是一块安装在绝 缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。
电极
引线
引线 光导电材料 光电导体 A 绝缘衬低
金属封装的硫化镉光敏电阻结构图
光电导体吸收光子而产 生的光电效应，只限于 光照的表面薄层，虽然 产生的载流子也有少数 扩散到内部去，但扩散 深度有限，因此光电导 体一般都做成薄层。为 了获得高的灵敏度，光 敏电阻的电极一般采用 梳状图案。
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光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导 光电导体严密封装在玻璃壳体中。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，其连线电路如图所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性， 光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、 重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。
I RL RG E
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2、
光敏电阻的主要参数有： (1) 暗电阻与暗电流：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) 亮电阻与亮电流：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：亮电流与暗电流之差称为光电流。
光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。 也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻 的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达 100MΩ，而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之 比在102～106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
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3、光敏电阻的基本特性 (1)光照特性：在一定外加电压下，光敏电阻的光 电流和光通量之间的关系。不同材料的光照特性是不 同的，绝大多数光敏电阻光照特性是非线性的。因此 它不宜作为测量元件，这是光敏电阻的不足之处。一 般在自动控制系统中常作开关式光电信号传感元件。
I/mA 5 4 3 2 1 0
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1000
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2000
L/lx
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(2)伏安特性：在一定照度下，流过光敏电阻的电 流与光敏电阻两端的电压的关系称为光敏电阻的伏安 特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电 流也越大。
40 30 功率 10001 x 500 m W 1001 x
I / mA
20 10 0
101 x 100 U/ V 200
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(3)光谱特性：光谱特性与光敏电阻的材料有关。 从图中可知，硫化铅3光敏电阻在较宽的光谱范围内均 有较高的灵敏度，峰值在红外区域；硫化镉、硒化镉 的峰值在可见光区域。因此，在选用光敏电阻时，应 把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能 获得满意的效果。
相 80 对 灵 60 敏 40 度 20 100
1
2
3
1——硫化镉 2——硒化镉 3——硫化铅
0.4
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0.8
1.2
1.6
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2.0
2.4
λ/μm
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(4)频率特性：实验证明，当光敏电阻受到脉冲光照
射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停
止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时
延特性。
100
I/%
硫化铅
80 60
40
20
硫化镉
0
Date: 2013/5/3
10
102 103 104 f / Hz
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(5) 温度特性：其性能 ( 灵敏度、暗电阻 ) 受温度 的影响较大。随着温
度的升高，其暗电阻和灵敏度下
降，光谱特性曲线的峰值向波长短的方向移动。硫化
镉的光电流I和温度T的关系如图所示。
I / μA
200 150 100 100 80 60
I/mA
+20 º C
-20 º C
40
20
-50 -30 -10 10 30 50 T/
º C
0
1.0
2.0
3.0
4.0
λ/μm
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7.2.3 光敏二极管和光敏晶体管 1、光敏二极管
光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透
明玻璃外壳中，其 PN 结装在管的顶部，可以直接受到
光照射。 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状
态。
光 光
P
P N
N
RL
光敏二极管符号
Date: 2013/5/3 Page: 32
光敏二极管接线
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当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只 有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成 微小的反向电流即暗电流； 受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而 产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度 大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下， P 区的少数载流子渡越阻挡层进入 N 区， N 区的少数载 流子渡越阻挡层进入 P 区，从而使通过 PN 结的反向电 流大为增加，这就形成了光电流。 光敏二极管的光电流 I 与照度之间呈线性关系。光 敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面 的应用。 检测技术
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2、光敏晶体管 光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个 PN 结， 如图(a)所示，只是它的发射极一边做得很大，以扩大 光的照射面积。光敏晶体管接线如图 (b) 所示，大多 数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于 发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏 压。 光
c N P b (a)
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N
e
b RL
c e E
(b)
检测技术 图7-9 NPN型光敏晶体管结构简图和基本电路
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光 c N P b (a) N e b RL (b) c e E
当光照射在集电结上时，就会在结附近产生电子 -空穴对，从而形成光电流，相当于三极管的基极电流。 由于基极电流的增加，因此集电极电流是光生电流的 β 倍，所以光敏晶体管有放大作用。
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Date: 2013/5/3 Page: 35
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7.2.4 光电池
光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能 的器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路 中有了这种器件就不需要外加电源。 光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。
硼扩散层 SiO2 膜 P型 电 极 I I A
N型 硅 片
PN 结 电极 (a )
A
(b )
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7.4 光电传感器及其应用
按照光电传感器中光电元件输出电信号的形式 可以将光电传感器分为模拟式和脉冲式两大
类。 7.4.1 模拟式光电传感器 基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光 通量的函数。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有 一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而 变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。
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吸收式：被测物放在光学通路中， 光源的部分光通量由被测物吸收， 剩余的投射到光电元件上，被吸收 的光通量与被测物的透明度有关。 所以常用来作混浊度计等。 反射式：恒定光源发射的光通量 投射到被测物上，由被测物表面反 射后再投射到光电元件上。反射光 的强弱取决于被测物表面的性质和 状态，因此可用于测量工件表面粗 糙度。
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遮光式：从恒定光源发射出的光 通量在到达光电元件的途中受到被 测物的遮挡，使投射到光电元件上 的光通量减弱，光电元件的输出反 映了被测物的尺寸或位置。这种传 感器可用于工件尺寸测量、振动测 量等场合。 辐射式：光源本身是被测物，它 发出的光投射到光电元件上，光电 元件的输出反映了光源的某些物理 参数。这种型式的光电传感器可用 于照度计。
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7.4.2 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通 ”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不 受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是 作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测 量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光
电脉冲传感器等。
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应用举例： 一、烟尘浊度监测仪 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 的烟尘浊度是用通过光在烟道里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， 因而光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变 化。
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平行 光源 烟道
光电 探测
放大
显示
报警器
吸收式烟尘浊度检测系统原理图
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2、光电转速传感器
下图是光电数字式转速表的工作原理图。图是在待 测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由 白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成 的光电转换器上，转换成相应
的电脉冲信号，经过放大 整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。
2
3
1
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7.5 光 纤 传 感 器
光纤传感器是 20 世纪 70 年代中期发展起来的一种 新技术，它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步 形成的。 光纤传感器和传统的各类传感器相比有一定的优点， 如不受电磁干扰，体积小，重量轻，可绕曲，灵敏度 高，耐腐蚀，高绝缘强度，防爆性好，集传感与传输 于一体等。 光纤传感器能用于温度、压力、应变、位移、速 度、加速度、磁、电、 声和PH值等70多个物理量的测 量，具有极为广泛的应用潜力和发展前景。
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7.5.1
一、光纤结构及其传光原理
光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤 维，用光透射率高的电介质 ( 如石英、玻璃、塑料等 ) 构成的光通路。结构如图7-16所示。
保护层 包层 n2 纤芯 n1
图7-16 光纤的基本结构
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光纤传光原理： 在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤 能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。 设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的 平面。当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成 θi角时， 在端面发生折射进入光纤后, 又以φi 角入射至纤芯与包 层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤 芯。 包层
n0 2 c
i
纤芯
n2
i
n1
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依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有
n1 sin i n2 sin '
当φi角逐渐增大，直至φi=θc时，透射入包层的折射光
也逐渐折向界面，直至沿界面传播(φ’=90°)。对应于
φ’=90°时的入射角φi称为临界角θc；由上式则有
sin c
可见，当φi＞θc时，光线将不再折射入包层，而在 介质(纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面 射出。这就是光纤传光的工作基础。
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n2 n1
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包层 n0 2 c
i
纤芯
n2
i
n1
根据斯涅耳（Snell）光的折射定律，由图可得
n0 sin i n1 sin ' n1 sin i n2 sin '
式中，n0为光纤外界介质的折射率。
（7-4）
（7-5）
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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φc=90°，即φ’≥ φc=90°。 而
n1 sin ' n1 sin i n1 cos i n1 1 sin i2 2 n2 n1 1 n sin ' 1
当φ’=φc=90 °时，有
2
(7-6)
n1 sin ' n n
2 1
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2 2
(7-7)
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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θi应满足
1 2 2 i c arcsin n n1 n2 0
（7-8）
一般光纤所处环境为空气，则n0=1，这样式（7-8）可 表示为
2 i c arcsin n12 n2
（7-9）
实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条 件，光线仍然继续前进。可见这里的光线“转弯”实 际上是由光的全反射所形成的。
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数值孔径（NA）定义为：
1 2 NA sin c n12 n2 n0
数值孔径是表征光纤集光本领的一个重要参数， 即反映光纤接收光量的多少。其意义是：无论光源发 射功率有多大，只有入射角处于 2θc 的光椎角内，光 纤才能导光。如入射角过大，光线便从包层逸出而产 生漏光。光纤的 NA 越大，表明它的集光能力越强。 所以要适当选择数值孔径的数值，如石英光纤数值孔
径一般为0.2~0.4。
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二、光纤的种类
按折射率分有阶跃型和渐变型二种。阶跃型光 纤纤芯的折射率不随半径而变；但在纤芯与包层界面 处折射率有突变。渐变型光纤纤芯的折射率沿径向由 中心向外呈抛物线由大渐小，至界面处与包层折射率 一致。因此，这类光纤有聚焦作用。
光纤的另一种分类方法是按光纤的传播模式来 分，可分为多模光纤和单模光纤二类。 检测技术
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根据电介质中电磁场的麦克斯韦方程, 考虑到光纤圆 柱波导和纤芯-包层界面处的几何边界条件时只存在波动方 程的特定(离散)的解。每一个允许传播的波称为模式。
①多模光纤：当光纤的纤芯直径远远大于光波波长时， 光纤中会存在着几十种乃至几百种传播模式。不同的传播 模式会具有不同的传播速度与相位，因此经过长距离的传 输之后会产生时延，导致合成信号的畸变。 ② 单模光纤：当光纤的纤芯直径可以与光波长相比拟 时，如芯径在5～10 微米范围，光纤只允许一种模式（基 模）在其中传播，其余的高次模全部截止，这样的光纤叫 做单模光纤。
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光纤传输损耗 ： • 光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。 • 光纤传输损耗主要有： （1）材料吸收损耗（与组成光纤的材料的 中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的 振动频率接近或相等时，会发生共振，并大量吸 收光能量，引起能量损耗）； （2）散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀 引起）； （3）辐射性损耗 （因光纤在使用中可能
发 生弯曲引起）。
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7.2.3 1、光纤传感器的工作原理及组成
光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界 信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与 光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。 外 界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振 态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。 光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本 身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型 传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光 纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化， 这类传感器称为非功能型传感器(传光型)。 检测技术
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在用途上，非功能型传感器要多于功能型传感器， 而且非功能型传感器的制作和应用也比较容易，所以 目前非功能型传感器品种较多。功能型传感器的构思 和原理往往比较巧妙，可解决一些特别辣手的问题。 但无论哪一种传感器，最终都利用光探测器将光纤的 输出变为电信号。 光 纤 传感 器 由 光 源 、敏 感 元件 （ 光纤 或 非光 纤 的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成，如 图 7-18 所示。由光源发出的光通过光纤引到敏感元件， 被测参数作用于敏感元件，使光的某一性质受到被测 量的调制，调制后的光信号经接收光纤耦合到光探测 器，将光信号转换为电信号， 最后经信号处理测得所 需要的被测量。 检测技术
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被测对象 光源
光纤 光纤敏感元件 光探测器 (a ) 被测对象 光源 至信号处理系统
光纤 光敏感元件 光探测器 (b ) 至信号处理系统
图7-18 光纤传感器组成示意图
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2. 光纤温度传感器： 这里介绍一种光强调制型的半导体光吸收型光纤传 感器，图7-19为这种传感器的结构原理图。
半导体光吸收器 输入光纤 输出光纤
光源
探测器
不锈钢套
图7-19 半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图
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光源 输入光纤 半导体光吸收器 输出光纤 探测器
不锈钢套
传感器是由半导体光吸收器、光纤、光源和包括 光探测器在内的信号处理系统等组成的。 光纤是用来传输信号，半导体光吸收器是光敏感 元件，在一定的波长范围内，它对光的吸收随温度 T 变化而变化。
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图7-20 半导体的光透过率特性
图 7-20 为半导体的光透过率特性。半导体材料的 光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，如果 适当地选定
一种在该材料工作波长范围内的光源，那么 就可以使透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测 器检测输出光强的变化即达到测量温度的目的。
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光纤液位传感器:
结构特点：光纤测头端有一个圆 锥体反射器。当测头置于空气中 没接触液面时，光线在圆锥体内 发生全内反射而回到光电二极管。 当测头接触液面时，由于液体折 射率与空气不同，全内反射被破 坏，有部分光线透入液体内，使 返回到光电二极管的光强变弱； 返回光强是液体折射率的线性函 数。返回光强发生突变时，表明 测头已接触到液位。
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7.1光电效应可分为哪三种？它们的概念分别是什么？ 答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的 轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电 效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现 象称为光电效应。 7.3 答：光导纤维工作的基础是光的全内反射，当射入的光线的 入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产 生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至 传递到另一端面。 优点： a具有优良的传光性能，传导损耗小 b频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好 c能在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送
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