第 2章 光电式传感器
将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光
电元件。光电式传感器的工作原理是：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。光电传感器的工
作基础是光电效应。
2.1 光电效应概述
光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。
一, 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。
基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。
我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的
能力由下式确定。
)s
s)(J106, 6 2 6h
-1
34-
光的频率（－
为普朗克常数式中：
?
?
???
? hE
若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸
出功 A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发
射。故要使一个电子逸出，则光子能量 hν必须
超出逸出功 A0,超过部分的能量，表现为逸出
电子的动能。即
电子逸出速度。
电子质量式中：
-u
-m
0
0
2
0
2
1
Amuh ???
二,内光电效应
受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电
动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分
为以下两大类。
1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子
能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料
电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于
这种效应的器件有光敏电阻等。
2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产
生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基
于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。
一, 普通光电管
在一个真空泡内装有两个电
极：光电阴极和光电阳极。
光电阴极通常是用逸出功小
的光敏材料徐敷在玻璃泡内
壁上做成，其感光面对准光
的照射孔。当光线照射到光
敏材料上，便有电子逸出，
这些电子被具有正电位的阳
极所吸引，在光电管内形成
空间电子流，在外电路就产
生电流。
2.2 光电管
二, 光电倍增管
1.结构与
原理
由于真空
光电管的
灵敏度较
低，因此
人们便研
制了光电
倍增管，
其工作原
理如图。
2.主要参数
1） 倍增系数 M
n
iM ??
电流放大倍数
n
ii
I ?? ??
M与所加电压有关，一般在 105－ 108之间。一般阳极
和阴极的电压为 1000V－ 2500V，两个相邻的倍增电
极的电压差为 50V－ 100V。
2）阴极灵敏度和总灵敏度
一个光子在阴极上
能够打出的平均电子
数焦作光电阴极的灵
敏度。而一个光子在
阳极上产生的平均电
子数焦灼光电倍增管
的总灵敏度。
光电倍增管的放大
倍数或总灵敏度如图
所示。
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 。 光电
池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需
要外加电源 。
一,结构与工作原理
光电池的工作原理是基于, 光生伏特效应, 。 它实质上
是一个大面积的 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,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有
关的电动势 。
2.3 光电池
二, 光电池的基本特性
1.光谱特性
硒光电池和硅光电池
的光谱特性如左图
不同的光电池，光
谱峰值的位臵不同。
例如，硅光电池在
8000A附近，硒光电
池在 5400A附近。
2,光照特性
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒
克斯。 Lx (W/m2)
反映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于
短路电流状态，可做检测元件。
开路电压（负载电阻 RL无限大时）与光照度的关系是非线性
的,并且当照度在 2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开
路电压状态，可做开关元件。
3.温度特性
温度特性主要
描述开路电压
与短路电流随
温度变化的情
况。如图所示,
把光电池作为
测量器件应用
时,应保证温
度恒定或采取
温度补偿措施。
J
M
J1
12V
2A
51K
L
39K470uf
～
三,光电池的应用
1.自动干手器
手放入干手器时，
手遮住灯泡发出的
光，光电池不受光
照，晶体管基极正
偏而导通，继电器
吸合。风机和电热
丝通电，热风吹出
烘手。手干抽出后，
灯泡发出光直接照
射到光电池上，产
生光生电动势，使
三极管基射极反偏
而截止，继电器释
放，从而切断风机
和电热丝的电源。
2.路灯控制器
2.4 光敏电阻
为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了
一层漆膜,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。
1.光敏电阻的结构
它是涂于玻璃底板上的一
薄层半导体物质,半导体
的两端装有金属电极,金
属电极与引出线端相连接,
光敏电阻就通过引出线端
接入电路。
2,光敏电阻的工作原理
光敏电阻又称光导管,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,使用时既可加直流电压,
也可以加交流电压。
无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路
中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定
波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧
减少,电路中电流迅速增大。 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。 实际光敏电阻的暗电阻值一般
在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
3．
１ ） 暗电阻
光敏电阻在不受光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
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 。
4,光敏电阻的基本特性
1） 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
①一定光照,R一定,I正
比于 U。
②一定电压,I随着光照 E
增强而增大。
E↑→R↓→I↑ 。
2) 光照特性（ I～ E）
光敏电阻的光
照特性为非线
性，不宜作检
测元件，主要
用于自动控制
中。
3） 光谱特性 （ Kr %）
光敏电阻的相对光敏灵敏度
与入射波长的关系称为光谱
特性 。 亦称为光谱响应 。
%100%
m a x0
0 ??
I
IK
r
① 不同材料，其峰值波长不同。
②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，
响应电流不同。
应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电
元件得到较高得相对灵敏度。
4） 温度特性
温度变化影响光敏电阻的
光谱响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温
度特性曲线,它的峰值随
着温度上升向波长短的方
向移动 。 因此,硫化铅光
敏电阻要在低温, 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 。
5.光敏电阻的应用
1.光照度计
农作物日照时数测定。
输出接单片机的 I/O口，
每 2分钟对此口查询 1次，
为高电平，计数一次，
为低电平，不计数。 1天
查询 720次。
无光照 V0=VL 。有光照
V0=VH。
wR
9013
CR
GR
A 0
V
)(247 2 0 hNH ??
2.环境照度监视器
3.带材跑偏检测仪
2.5 光敏二极管与三极管
一, 光敏二极管
1.工作原理与结构
光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个 PN结，两
根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不
同之处在于光敏二极管的 PN结状在管壳的顶部，可直接受
到光的照射，其结构和电路如图所示。
没有光照射时, 处于反向偏臵的光敏二极管,工作于截止状态,
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。这时反向电阻很大。
当光照射在 PN结上时,光子打在 PN结附近,PN结附近产生
光生电子和光生空穴对。从而使 P区和 N区的少数载流子浓度大
大增加，因此在反向外加电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，形成光电流。这时
二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。
2.光敏二极管的基本特性
1）光谱特性
在入射度一定时，
输出的光电流
（或相对灵敏度）
随光波波长的变
化而变化。一种
光敏二极管只对
一定波长的入射
光敏感，这就是
它的光谱特性。
如图所示。
2）伏安特性
3）光照特性
4）温度特性
温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响
却十分显著,
3.光敏二极管的应用
1）光电路灯控制电路
2）光强测量电路
二, 光敏三级管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电
流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
1.工作原理与结构
基极开路, 集电极与发射极之间加正电压 。 当光照射在集电
结上时,在结附近产生电子 -空穴对,电子在结电场的作用
下, 由 P区向 N区运动, 形成基极电流, 放大 β 倍形成集电极
电流 （ 光电流 ）,所以光电三极管有放大作用 。
2.光敏三极管的基本特性
1） 光谱特性与伏安特性
光谱特性与二极管相同，
伏安特性如图。
2）温度特性与光照特性
温度特性与光敏二极管
相同，光照特性如图
3.光敏三极管的应用
1.脉冲编码器
2.转速传感器
2.6光电耦合器件
一．
光电耦合器的发光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。发光元件为发光二极管，
受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实
现输入电信号耦合到输出端。
特点,①强弱电隔离。
输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达 2000V以上。
能避免输出端对输入端地线等的干扰。
② 对系统内部噪声有很强的抑制作用。
发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，
对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）
光电耦合器的组合形式
应用于自动控制电路中的强弱电隔离。
二, 光电开关
光电开关在制造业自动化包装线及安全装臵中
作光控制和光探测装臵 。 可实现限位控制, 产品计
数,料位检测, 越限安全报警及计算机输入接口等
用途 。
1.光电开关结构
透射式和反射式的光电开关 。
利用输出电平的状态判断有无被测物 。
2,基本电路（透射式）
如图（ a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
2.7 色敏光电传感器
1.结构与基本原理
色敏光电传感器相
当于两支结构不同
的光电二极管的组
合，故又称光电双
结二极管
2.基本特性
1）光谱特性
2）短路电流比－波长特性
短路电流比－波
长特性是表征半
导体色敏器件对
波长的识别能力，
是赖以确定被测
波长的基本特性。
3.色敏光电传感器的应用
色彩信号处理电路
2.8 红外光传感器
一,红外辐射
红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可
见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大
致在 0.76-1000μm,红外线在电磁波谱中的位臵如下图。
二,红外光传感器的工作原理与结构
红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电
型两大类。
光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外
光敏电阻和红外 PN结型光生伏特器件，用于遥感
成像方面。
热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升
高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成
了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。
1.热释电效应
对于某些材料 (如锆钛
酸铅系陶瓷以及钽酸锂、
硫酸三甘肽等 )，具有
自发极化的特征。自发
极化与温度有很大关系。
若温度因吸收红外光而
升高，则极化强度减少，
使单位面积上极化电荷
减少，释放一定量的吸
附电荷；若与一个电阻
连成回路，会形成电流，
如图所示。
由实验证实，电阻上压降的变化为
）温度（
热释电系数
电极面积式中
K-T
)KcmC( 1 0-
-S,
-12-8-
??
?????
?
?
dt
dT
RSU
由于 dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，
可得出输出电压正比与红外线强度的变化。
2.单元件热释电传感器的结构和等效电路
3,双元件（双元型）红外传感器
此传感器专门用来检测人
体辐射的红外线能量。市
场上常见有国产的 SD02、
PH5324，日本的 SCA02-1，
美国的 P2288等。
SD02由敏感单元、场效应
管、高阻抗变换管、滤光
窗等组成，并在氦气环境
下封装而成。
三, 红外光传感器的应用
1.无线报警系统
2.卫生间节水控制器
3.红外测温仪
4.红外气体分析仪
2.9 固态 CCD图像传感器
固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦
合器件（简称 CCD）,MOS图像传感器（简称
SSPA）和电荷注入器件（简称 CID）。
目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与
识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、
复印机和机器人的眼睛等。
在本节中仅说明 CCD图像传感器的工作原理与
特性
一, 电荷耦合器件 (CCD)
电荷耦合器件（ Charge Couple Device，
简称 CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄
存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象
传感器。是一种金属氧化物半导体（ MOS）集成
电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进
行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 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 。
1,MOS光敏单元的结构及原理
CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光
像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基
本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转
移输出功能。 CCD器件的基本单元结构是 MOS（金
属 —氧化物 —半导体）结构。即在 P型硅衬底上生
长一层 SiO2 (120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝
构成 MOS结构，它是 CCD器件的最小工作单元。
A、势阱的产生
MOS的金属电极加正压，电极下的 P型硅区
域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其
中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的
势阱。势阱的深浅取决于 U的大小。
B、电荷的存储
势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收
的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成
正比。
CCD器件将物体的光像形成对应的电像
时，就是 CCD器件中上千个相互独立的 MOS
单元势阱中存储与光像对应的电荷量。
2,读出移位寄存器
是电荷图像的输出电路
研究如何实现势阱下的电荷从一个 MOS
元位置转移到另一个 MOS元位置，并依
次转移并传输出来。
A、电荷的定向转移
当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电
荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻 MOS电
容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。
要求：
多个 MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。
金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。
B、三相 CCD电极的结构
MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极
接在一起。由 3个相位差 120° 时钟脉冲驱动。
1 2 31 4 7 2 5 8 3 6 9? ? ?驱动（，，） 驱动（,，） （驱动,，）
1 1 2 3 100 1t ? ? ?时刻,为（ ），组电极下形成深势阱，
势阱中存储电荷形成电荷包。
2 3 1 2
12
12
tt ??时刻至 时刻,电压线性减小,为高电平，
组电极下的势阱变浅，组电极下形成深势阱，
电荷从 组电极下逐渐转移到 组电极下。
向右移，直至输出。、、、依此类推，电荷由
势阱中。电荷逐渐全部移入至
N
tt
?4321
243 ?
C、电荷的输出
在输出端 P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管
加反压，在 PN结形成耗尽层。输出栅 OG加压使电荷转
移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成
反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，
通过负载变为电压输出。
3? 1? 2? 3? OG
n
iU
LR
0U
SiP
0I
输出二极管电流法
二,CCD图像传感器
1,线阵电荷耦合器件
线阵 CCD结构原理图
（ 1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二
极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的
MOS势阱中，光像变为电像 —电荷包。（光积
分）
（ 2）积分周期结束，控制信号使转移栅
打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄
存器中，通过移位寄存器并行输出。
（ 3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一
行图像信号积分采集。
图 7-12 各脉冲的波形和相位
2.面阵型 CCD图像传感器
面阵型 CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测
二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输
和行间传输三种。下面主要介绍前两种。
1）行传输（ LT）面阵 CCD
2） 帧传输（ FT）面阵 CCD
光敏区和存储区分开，
光敏区在积分时间内，产生
与光像对应的电荷包，在积
分周期结束后，利用时钟脉
冲将整帧信号转移到读出寄
存器。然后，整帧信号再向
下移，进入水平读出移位寄
存器，串行输出。（一帧对
应光敏区 MOS的数量）
光
敏
区
存
储
区
读出寄存器
三, CCD图像传感器的特性参数
1.转移效率
当 CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若 Q1
为转移一次后的电荷量,Q0为原始电荷，则转移效率
定义为
0
1
Q
Q??
若转移损耗定义为
?? ?? 1
则电荷进行 N次转移时，总转移效率为
NNN
Q
Q )1(
0
?? ???
要求转移效率必须达到 99.99％－ 99.999%
2.分辨率
CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数 MTF
表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器
上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调
制转移函数 MTF。
根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最
高分辨率 fm等于它的空间采样频率 f0的一半，
即
02
1 ff
m ?
3.暗电流
暗电流起因于热激发产生的电子－空穴
对，是缺陷产生的主要原因。 CCD器件
暗电流越小越好。
4.灵敏度
图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单
位时间、单位面积发射的电量，即
WmA q
t N
A
H
s
／为电数，单位为
子数时间内上能收集的载流为
为单位面积
为光像的发射照度式中：
H A t
qN
S
s
?
四, CCD
1,线阵 CCD器件检测工件尺寸
( 2 )L N d d M?? L—— 工件尺寸，
N—— 覆盖的光敏单元
d—— 相邻光敏单元中心距离
M—— 光学系统放大率
2d为图象末端两个光
敏单元之间可能的最
大误差。根据目前产
品情况 d＝ 0,013～
0,03mm。
2.线列 CCD摄像系统
3.文字图像识别系统
邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在
传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的
运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到
光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描
的方式把数字依次读出。
读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储
的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字
码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分
类箱中。
驱动电路
分类机构
计算机细化二值化 处理
传送带
CCD
透镜
1
分类箱
2 3
邮政编码识别系统
2.10 光纤传感器
一, 光纤的传光原理
1,光纤结构
由纤芯和包层组成 （ 石英玻璃 5—100um)（ n1>n2)。
外层一层尼龙保护套 。
2、传光原理
光的全内反射是光纤传输光的基础。
（ 1）光的全反射条件
光由纤芯到包层表面, 由光的折射定律可知：
。时，光在纤芯中全反射当
为临界角
此时全反射时，
C
CC
C
n
n
nn
??
??
???
??
?
?
??
?
1
2
21
s i n
90
s i ns i n
?
（ 2）数值孔径 NA
光由空气射入光纤端面，与轴成 角。?
'
0 1 1
2
11
si n si n si n( 90 )
c os 1 si n
n n n
nn
? ? ?
??
? ? ?
? ? ?
2
2
2
10
2
2
2
12
1
2
2
10
ar cs i n1
1s i n
nnn
nn
n
n
nn
C
C
????
????
??
?
光全反射时，
即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）
传输。
。
（
。之为数值孔径反映光纤聚焦本领，称
2
2
2
1s i n
)4.02.0
s i n
nnNA
NA
NA
C
C
???
?
?
?
?
希望 NA越大越好。它表明无论光源发射功率多
大，只有 2 内的光才能被光纤接受，全反射
传输。
C?
二,光纤分类
1.按传输模式分单模光纤、多模光纤,
? 模的概念
光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成
分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向
往返依次的相位变化为 2π 的整数倍时，形成驻波。形成
驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺
寸的光纤只能传输特定模数的光波。
? 模的确定
光纤传输模数由归一化频率确定。
??? /2 NAr ?
（梯度型）（阶跃型）
光纤传输模的总数为
42
22
??
?? NN
芯径大，折射率差大（ NA大）,N大，多模。
芯径小到 6μm,折射率差小到 0.5%。 N=1光纤只能
传输一定波长光，单模。
2.按折射率分布
阶跃型光纤和梯度型光纤
三, 光纤传感器的基本原理
光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传
光型） 。
?功能型光纤传感器
用单模光纤，既传光又是敏感元件。
（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）
光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。
使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被
调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调
制型。测温度、压力、位移等。
? 非功能型光纤传感器（光通讯）
光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光
量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用 NA较
大和芯径较大的阶跃型多模光纤。
增大传输光的通量。
1.光强调制
2,相位调制
Mach-Zehnder干涉原理图
3,偏振调制
光纤电流传感器
三, 光纤传感器实例
1.光纤加速度传感器
激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考
光束,反射光作为测量光束 。 当传感器感受加速度
时,由于质量块 M对上下光纤的作用,从而使光纤
被拉伸,引起光程差的改变 。 相位改变的激光束由
单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应 。 激
光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装臵转换
为电信号,(光电探测器臵于汇合处 ） 经过处理电
路处理后便可正确地测出加速度值 。
由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化
)
4
(
4
2
2
22
2
2
2
11
11
1
d
Sa
dE
Lmn
ma
SE
Ln
LnLn
Ln
L
?
??
?
?
??
?
?
?
??
???
?
?
??
???
相位变化为
两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的
数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干
涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，
即而算出加速度。
2.光纤电流传感器
3.光纤图像传感器
4.光纤温度传感器
2.11 激光传感器
一,激光产生的机理
原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级 E1，如
无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受
到外界光子的作用，赋予原子一定的能量 E后，原子就
从低能级 E1跃迁到高能级 E2，这个过程称为光的受激吸
收。光受激后，其能量有下列关系：
E=hυ=E 2-E1
E-光子的能量
υ -光的频率
h-普朗克常数（ 6.623× 10 -23J.s)
?受激辐射,处于高能级 E2的原子在外来光的诱发下，从高能级 E2
跃迁至低能级 E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。
?受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激
发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才
能产生。
?粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，
原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分
布状态来说，称之为粒子反转。
?当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占
优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处
于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。
?增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介质外，
还有两个平行对臵的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半
透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，
就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰撞，使工作物质
受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该
辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。
二,激光的特性
激光与普通光源相比，具有如下特点。
? 方向性强能量集中
具有高平行度，发散角小，约为 0.18° 。光束扩展角小，
一般可至 10－ 3rad。能量高度集中，其亮度很高，一般比
同能量的普通光源好几百万倍
? 单色性好
普通光源中，单色性最好的是同位素氪 86（ 86Kr)灯发出的
光，其中心波长 λ ＝ 605.7nm Δλ=0.0047nm; 而氦氖激光
器 λ ＝ 632.8nm, Δλ=10 － 6nm 。
? 相干性好
所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，
并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。
时间相干
空间相干
三,激光器及其特性
要产生激光必须具备三个条件,1）必须由能形成
粒子数反转分布的工作物质（增益介质） 2）激励能
量（光源） 3）光学谐振腔。将这三者结合在一起的
装臵称为激光器。
到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。
1.固体激光器
2.液体激光器
3.气体激光器
4.半导体激光器
四,激光传感器的应用
1.激光测距
时间
光速
-t
?
?
c
ctD
2
1
2.激光测流速
将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光
电元件。光电式传感器的工作原理是：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。光电传感器的工
作基础是光电效应。
2.1 光电效应概述
光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。
一, 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。
基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。
我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的
能力由下式确定。
)s
s)(J106, 6 2 6h
-1
34-
光的频率（－
为普朗克常数式中：
?
?
???
? hE
若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸
出功 A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发
射。故要使一个电子逸出，则光子能量 hν必须
超出逸出功 A0,超过部分的能量，表现为逸出
电子的动能。即
电子逸出速度。
电子质量式中：
-u
-m
0
0
2
0
2
1
Amuh ???
二,内光电效应
受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电
动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分
为以下两大类。
1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子
能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料
电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于
这种效应的器件有光敏电阻等。
2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产
生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基
于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。
一, 普通光电管
在一个真空泡内装有两个电
极：光电阴极和光电阳极。
光电阴极通常是用逸出功小
的光敏材料徐敷在玻璃泡内
壁上做成，其感光面对准光
的照射孔。当光线照射到光
敏材料上，便有电子逸出，
这些电子被具有正电位的阳
极所吸引，在光电管内形成
空间电子流，在外电路就产
生电流。
2.2 光电管
二, 光电倍增管
1.结构与
原理
由于真空
光电管的
灵敏度较
低，因此
人们便研
制了光电
倍增管，
其工作原
理如图。
2.主要参数
1） 倍增系数 M
n
iM ??
电流放大倍数
n
ii
I ?? ??
M与所加电压有关，一般在 105－ 108之间。一般阳极
和阴极的电压为 1000V－ 2500V，两个相邻的倍增电
极的电压差为 50V－ 100V。
2）阴极灵敏度和总灵敏度
一个光子在阴极上
能够打出的平均电子
数焦作光电阴极的灵
敏度。而一个光子在
阳极上产生的平均电
子数焦灼光电倍增管
的总灵敏度。
光电倍增管的放大
倍数或总灵敏度如图
所示。
光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 。 光电
池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需
要外加电源 。
一,结构与工作原理
光电池的工作原理是基于, 光生伏特效应, 。 它实质上
是一个大面积的 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,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有
关的电动势 。
2.3 光电池
二, 光电池的基本特性
1.光谱特性
硒光电池和硅光电池
的光谱特性如左图
不同的光电池，光
谱峰值的位臵不同。
例如，硅光电池在
8000A附近，硒光电
池在 5400A附近。
2,光照特性
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒
克斯。 Lx (W/m2)
反映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于
短路电流状态，可做检测元件。
开路电压（负载电阻 RL无限大时）与光照度的关系是非线性
的,并且当照度在 2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开
路电压状态，可做开关元件。
3.温度特性
温度特性主要
描述开路电压
与短路电流随
温度变化的情
况。如图所示,
把光电池作为
测量器件应用
时,应保证温
度恒定或采取
温度补偿措施。
J
M
J1
12V
2A
51K
L
39K470uf
～
三,光电池的应用
1.自动干手器
手放入干手器时，
手遮住灯泡发出的
光，光电池不受光
照，晶体管基极正
偏而导通，继电器
吸合。风机和电热
丝通电，热风吹出
烘手。手干抽出后，
灯泡发出光直接照
射到光电池上，产
生光生电动势，使
三极管基射极反偏
而截止，继电器释
放，从而切断风机
和电热丝的电源。
2.路灯控制器
2.4 光敏电阻
为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了
一层漆膜,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。
1.光敏电阻的结构
它是涂于玻璃底板上的一
薄层半导体物质,半导体
的两端装有金属电极,金
属电极与引出线端相连接,
光敏电阻就通过引出线端
接入电路。
2,光敏电阻的工作原理
光敏电阻又称光导管,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,使用时既可加直流电压,
也可以加交流电压。
无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路
中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定
波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧
减少,电路中电流迅速增大。 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。 实际光敏电阻的暗电阻值一般
在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
3．
１ ） 暗电阻
光敏电阻在不受光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
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 。
4,光敏电阻的基本特性
1） 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
①一定光照,R一定,I正
比于 U。
②一定电压,I随着光照 E
增强而增大。
E↑→R↓→I↑ 。
2) 光照特性（ I～ E）
光敏电阻的光
照特性为非线
性，不宜作检
测元件，主要
用于自动控制
中。
3） 光谱特性 （ Kr %）
光敏电阻的相对光敏灵敏度
与入射波长的关系称为光谱
特性 。 亦称为光谱响应 。
%100%
m a x0
0 ??
I
IK
r
① 不同材料，其峰值波长不同。
②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，
响应电流不同。
应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电
元件得到较高得相对灵敏度。
4） 温度特性
温度变化影响光敏电阻的
光谱响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温
度特性曲线,它的峰值随
着温度上升向波长短的方
向移动 。 因此,硫化铅光
敏电阻要在低温, 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 。
5.光敏电阻的应用
1.光照度计
农作物日照时数测定。
输出接单片机的 I/O口，
每 2分钟对此口查询 1次，
为高电平，计数一次，
为低电平，不计数。 1天
查询 720次。
无光照 V0=VL 。有光照
V0=VH。
wR
9013
CR
GR
A 0
V
)(247 2 0 hNH ??
2.环境照度监视器
3.带材跑偏检测仪
2.5 光敏二极管与三极管
一, 光敏二极管
1.工作原理与结构
光敏二极管的结构与普通二极管一样，都有一个 PN结，两
根电极引线，而且都是非线性器件，具有单向导电性。不
同之处在于光敏二极管的 PN结状在管壳的顶部，可直接受
到光的照射，其结构和电路如图所示。
没有光照射时, 处于反向偏臵的光敏二极管,工作于截止状态,
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。这时反向电阻很大。
当光照射在 PN结上时,光子打在 PN结附近,PN结附近产生
光生电子和光生空穴对。从而使 P区和 N区的少数载流子浓度大
大增加，因此在反向外加电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，形成光电流。这时
二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。
2.光敏二极管的基本特性
1）光谱特性
在入射度一定时，
输出的光电流
（或相对灵敏度）
随光波波长的变
化而变化。一种
光敏二极管只对
一定波长的入射
光敏感，这就是
它的光谱特性。
如图所示。
2）伏安特性
3）光照特性
4）温度特性
温度变化对光敏二极管输出电流影响较小,但对暗电流的影响
却十分显著,
3.光敏二极管的应用
1）光电路灯控制电路
2）光强测量电路
二, 光敏三级管
光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电
流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
1.工作原理与结构
基极开路, 集电极与发射极之间加正电压 。 当光照射在集电
结上时,在结附近产生电子 -空穴对,电子在结电场的作用
下, 由 P区向 N区运动, 形成基极电流, 放大 β 倍形成集电极
电流 （ 光电流 ）,所以光电三极管有放大作用 。
2.光敏三极管的基本特性
1） 光谱特性与伏安特性
光谱特性与二极管相同，
伏安特性如图。
2）温度特性与光照特性
温度特性与光敏二极管
相同，光照特性如图
3.光敏三极管的应用
1.脉冲编码器
2.转速传感器
2.6光电耦合器件
一．
光电耦合器的发光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。发光元件为发光二极管，
受光元件为光敏三极管或光敏可控硅。它以光为媒介，实
现输入电信号耦合到输出端。
特点,①强弱电隔离。
输入输出极之间绝缘电阻很高。耐压达 2000V以上。
能避免输出端对输入端地线等的干扰。
② 对系统内部噪声有很强的抑制作用。
发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，
对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）
光电耦合器的组合形式
应用于自动控制电路中的强弱电隔离。
二, 光电开关
光电开关在制造业自动化包装线及安全装臵中
作光控制和光探测装臵 。 可实现限位控制, 产品计
数,料位检测, 越限安全报警及计算机输入接口等
用途 。
1.光电开关结构
透射式和反射式的光电开关 。
利用输出电平的状态判断有无被测物 。
2,基本电路（透射式）
如图（ a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
2.7 色敏光电传感器
1.结构与基本原理
色敏光电传感器相
当于两支结构不同
的光电二极管的组
合，故又称光电双
结二极管
2.基本特性
1）光谱特性
2）短路电流比－波长特性
短路电流比－波
长特性是表征半
导体色敏器件对
波长的识别能力，
是赖以确定被测
波长的基本特性。
3.色敏光电传感器的应用
色彩信号处理电路
2.8 红外光传感器
一,红外辐射
红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可
见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大
致在 0.76-1000μm,红外线在电磁波谱中的位臵如下图。
二,红外光传感器的工作原理与结构
红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电
型两大类。
光量子型可直接把红外光转换成电能。如，红外
光敏电阻和红外 PN结型光生伏特器件，用于遥感
成像方面。
热电型吸收红外光后变为热能，使材料的温度升
高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成
了测量光辐射的器件。如红外热释电传感器。
1.热释电效应
对于某些材料 (如锆钛
酸铅系陶瓷以及钽酸锂、
硫酸三甘肽等 )，具有
自发极化的特征。自发
极化与温度有很大关系。
若温度因吸收红外光而
升高，则极化强度减少，
使单位面积上极化电荷
减少，释放一定量的吸
附电荷；若与一个电阻
连成回路，会形成电流，
如图所示。
由实验证实，电阻上压降的变化为
）温度（
热释电系数
电极面积式中
K-T
)KcmC( 1 0-
-S,
-12-8-
??
?????
?
?
dt
dT
RSU
由于 dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，
可得出输出电压正比与红外线强度的变化。
2.单元件热释电传感器的结构和等效电路
3,双元件（双元型）红外传感器
此传感器专门用来检测人
体辐射的红外线能量。市
场上常见有国产的 SD02、
PH5324，日本的 SCA02-1，
美国的 P2288等。
SD02由敏感单元、场效应
管、高阻抗变换管、滤光
窗等组成，并在氦气环境
下封装而成。
三, 红外光传感器的应用
1.无线报警系统
2.卫生间节水控制器
3.红外测温仪
4.红外气体分析仪
2.9 固态 CCD图像传感器
固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦
合器件（简称 CCD）,MOS图像传感器（简称
SSPA）和电荷注入器件（简称 CID）。
目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与
识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、
复印机和机器人的眼睛等。
在本节中仅说明 CCD图像传感器的工作原理与
特性
一, 电荷耦合器件 (CCD)
电荷耦合器件（ Charge Couple Device，
简称 CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄
存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象
传感器。是一种金属氧化物半导体（ MOS）集成
电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进
行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 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 。
1,MOS光敏单元的结构及原理
CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光
像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基
本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转
移输出功能。 CCD器件的基本单元结构是 MOS（金
属 —氧化物 —半导体）结构。即在 P型硅衬底上生
长一层 SiO2 (120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝
构成 MOS结构，它是 CCD器件的最小工作单元。
A、势阱的产生
MOS的金属电极加正压，电极下的 P型硅区
域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其
中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的
势阱。势阱的深浅取决于 U的大小。
B、电荷的存储
势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收
的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成
正比。
CCD器件将物体的光像形成对应的电像
时，就是 CCD器件中上千个相互独立的 MOS
单元势阱中存储与光像对应的电荷量。
2,读出移位寄存器
是电荷图像的输出电路
研究如何实现势阱下的电荷从一个 MOS
元位置转移到另一个 MOS元位置，并依
次转移并传输出来。
A、电荷的定向转移
当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电
荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻 MOS电
容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。
要求：
多个 MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。
金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。
B、三相 CCD电极的结构
MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极
接在一起。由 3个相位差 120° 时钟脉冲驱动。
1 2 31 4 7 2 5 8 3 6 9? ? ?驱动（，，） 驱动（,，） （驱动,，）
1 1 2 3 100 1t ? ? ?时刻,为（ ），组电极下形成深势阱，
势阱中存储电荷形成电荷包。
2 3 1 2
12
12
tt ??时刻至 时刻,电压线性减小,为高电平，
组电极下的势阱变浅，组电极下形成深势阱，
电荷从 组电极下逐渐转移到 组电极下。
向右移，直至输出。、、、依此类推，电荷由
势阱中。电荷逐渐全部移入至
N
tt
?4321
243 ?
C、电荷的输出
在输出端 P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管
加反压，在 PN结形成耗尽层。输出栅 OG加压使电荷转
移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成
反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，
通过负载变为电压输出。
3? 1? 2? 3? OG
n
iU
LR
0U
SiP
0I
输出二极管电流法
二,CCD图像传感器
1,线阵电荷耦合器件
线阵 CCD结构原理图
（ 1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二
极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的
MOS势阱中，光像变为电像 —电荷包。（光积
分）
（ 2）积分周期结束，控制信号使转移栅
打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄
存器中，通过移位寄存器并行输出。
（ 3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一
行图像信号积分采集。
图 7-12 各脉冲的波形和相位
2.面阵型 CCD图像传感器
面阵型 CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测
二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输
和行间传输三种。下面主要介绍前两种。
1）行传输（ LT）面阵 CCD
2） 帧传输（ FT）面阵 CCD
光敏区和存储区分开，
光敏区在积分时间内，产生
与光像对应的电荷包，在积
分周期结束后，利用时钟脉
冲将整帧信号转移到读出寄
存器。然后，整帧信号再向
下移，进入水平读出移位寄
存器，串行输出。（一帧对
应光敏区 MOS的数量）
光
敏
区
存
储
区
读出寄存器
三, CCD图像传感器的特性参数
1.转移效率
当 CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若 Q1
为转移一次后的电荷量,Q0为原始电荷，则转移效率
定义为
0
1
Q
Q??
若转移损耗定义为
?? ?? 1
则电荷进行 N次转移时，总转移效率为
NNN
Q
Q )1(
0
?? ???
要求转移效率必须达到 99.99％－ 99.999%
2.分辨率
CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数 MTF
表征。当光强以正弦变化的图像作用在传感器
上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调
制转移函数 MTF。
根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最
高分辨率 fm等于它的空间采样频率 f0的一半，
即
02
1 ff
m ?
3.暗电流
暗电流起因于热激发产生的电子－空穴
对，是缺陷产生的主要原因。 CCD器件
暗电流越小越好。
4.灵敏度
图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单
位时间、单位面积发射的电量，即
WmA q
t N
A
H
s
／为电数，单位为
子数时间内上能收集的载流为
为单位面积
为光像的发射照度式中：
H A t
qN
S
s
?
四, CCD
1,线阵 CCD器件检测工件尺寸
( 2 )L N d d M?? L—— 工件尺寸，
N—— 覆盖的光敏单元
d—— 相邻光敏单元中心距离
M—— 光学系统放大率
2d为图象末端两个光
敏单元之间可能的最
大误差。根据目前产
品情况 d＝ 0,013～
0,03mm。
2.线列 CCD摄像系统
3.文字图像识别系统
邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在
传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的
运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到
光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描
的方式把数字依次读出。
读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储
的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字
码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分
类箱中。
驱动电路
分类机构
计算机细化二值化 处理
传送带
CCD
透镜
1
分类箱
2 3
邮政编码识别系统
2.10 光纤传感器
一, 光纤的传光原理
1,光纤结构
由纤芯和包层组成 （ 石英玻璃 5—100um)（ n1>n2)。
外层一层尼龙保护套 。
2、传光原理
光的全内反射是光纤传输光的基础。
（ 1）光的全反射条件
光由纤芯到包层表面, 由光的折射定律可知：
。时，光在纤芯中全反射当
为临界角
此时全反射时，
C
CC
C
n
n
nn
??
??
???
??
?
?
??
?
1
2
21
s i n
90
s i ns i n
?
（ 2）数值孔径 NA
光由空气射入光纤端面，与轴成 角。?
'
0 1 1
2
11
si n si n si n( 90 )
c os 1 si n
n n n
nn
? ? ?
??
? ? ?
? ? ?
2
2
2
10
2
2
2
12
1
2
2
10
ar cs i n1
1s i n
nnn
nn
n
n
nn
C
C
????
????
??
?
光全反射时，
即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）
传输。
。
（
。之为数值孔径反映光纤聚焦本领，称
2
2
2
1s i n
)4.02.0
s i n
nnNA
NA
NA
C
C
???
?
?
?
?
希望 NA越大越好。它表明无论光源发射功率多
大，只有 2 内的光才能被光纤接受，全反射
传输。
C?
二,光纤分类
1.按传输模式分单模光纤、多模光纤,
? 模的概念
光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成
分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向
往返依次的相位变化为 2π 的整数倍时，形成驻波。形成
驻波的光线组成为模。模是离散存在的。一定材质一定尺
寸的光纤只能传输特定模数的光波。
? 模的确定
光纤传输模数由归一化频率确定。
??? /2 NAr ?
（梯度型）（阶跃型）
光纤传输模的总数为
42
22
??
?? NN
芯径大，折射率差大（ NA大）,N大，多模。
芯径小到 6μm,折射率差小到 0.5%。 N=1光纤只能
传输一定波长光，单模。
2.按折射率分布
阶跃型光纤和梯度型光纤
三, 光纤传感器的基本原理
光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传
光型） 。
?功能型光纤传感器
用单模光纤，既传光又是敏感元件。
（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）
光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。
使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被
调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调
制型。测温度、压力、位移等。
? 非功能型光纤传感器（光通讯）
光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光
量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用 NA较
大和芯径较大的阶跃型多模光纤。
增大传输光的通量。
1.光强调制
2,相位调制
Mach-Zehnder干涉原理图
3,偏振调制
光纤电流传感器
三, 光纤传感器实例
1.光纤加速度传感器
激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考
光束,反射光作为测量光束 。 当传感器感受加速度
时,由于质量块 M对上下光纤的作用,从而使光纤
被拉伸,引起光程差的改变 。 相位改变的激光束由
单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应 。 激
光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装臵转换
为电信号,(光电探测器臵于汇合处 ） 经过处理电
路处理后便可正确地测出加速度值 。
由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化
)
4
(
4
2
2
22
2
2
2
11
11
1
d
Sa
dE
Lmn
ma
SE
Ln
LnLn
Ln
L
?
??
?
?
??
?
?
?
??
???
?
?
??
???
相位变化为
两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的
数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干
涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，
即而算出加速度。
2.光纤电流传感器
3.光纤图像传感器
4.光纤温度传感器
2.11 激光传感器
一,激光产生的机理
原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级 E1，如
无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受
到外界光子的作用，赋予原子一定的能量 E后，原子就
从低能级 E1跃迁到高能级 E2，这个过程称为光的受激吸
收。光受激后，其能量有下列关系：
E=hυ=E 2-E1
E-光子的能量
υ -光的频率
h-普朗克常数（ 6.623× 10 -23J.s)
?受激辐射,处于高能级 E2的原子在外来光的诱发下，从高能级 E2
跃迁至低能级 E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。
?受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激
发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才
能产生。
?粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，
原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分
布状态来说，称之为粒子反转。
?当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占
优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处
于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。
?增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介质外，
还有两个平行对臵的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半
透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，
就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰撞，使工作物质
受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该
辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。
二,激光的特性
激光与普通光源相比，具有如下特点。
? 方向性强能量集中
具有高平行度，发散角小，约为 0.18° 。光束扩展角小，
一般可至 10－ 3rad。能量高度集中，其亮度很高，一般比
同能量的普通光源好几百万倍
? 单色性好
普通光源中，单色性最好的是同位素氪 86（ 86Kr)灯发出的
光，其中心波长 λ ＝ 605.7nm Δλ=0.0047nm; 而氦氖激光
器 λ ＝ 632.8nm, Δλ=10 － 6nm 。
? 相干性好
所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，
并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。
时间相干
空间相干
三,激光器及其特性
要产生激光必须具备三个条件,1）必须由能形成
粒子数反转分布的工作物质（增益介质） 2）激励能
量（光源） 3）光学谐振腔。将这三者结合在一起的
装臵称为激光器。
到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。
1.固体激光器
2.液体激光器
3.气体激光器
4.半导体激光器
四,激光传感器的应用
1.激光测距
时间
光速
-t
?
?
c
ctD
2
1
2.激光测流速
