1、ps：极化强度，单位面积上极化电荷，C/cm2；ps/dT：铁电晶体的热释电系数；dT/dt：与红外线强度成正比，所以输出信号 正 比红外线强度；,热释电传感器的结构与工作原理结构：,双元型红外线传感器主要有：敏感元件、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗等。敏感元件：2个极性相反热释电单元，可以抵抗可见光、大部分红外线干扰，只对运动人体敏感场效应管和高阻抗变换管：用于阻抗变换和信号放大滤光窗：在一块玻璃上镀的多层滤光薄膜，对阳光、电 灯光抗干扰，仅对人体发出的红外线（7-14微米）最敏感 自然界任何高于0K的物体都将产生红外光谱，温度不同对应的红外线波长也不同。人体都有恒定的体温，一般为37度，发
2、出10微米左右的特定波长红外线。,菲涅尔透镜：增大热释电传感器的探测距离，是一组透镜，每个只有一个不大的视场，且相邻视场不连续都相隔一个盲区。当人体在具有此透镜的传感器监控范围内移动时，形成一个不断交替变化的盲区和亮区使敏感单元的温度不断变化,在热释电红外传感器中有两个关键性的元件，一个是热释电红外敏感单元（PIR），它能将波长为8一12um之间的红外信号变化转变为电信号，并能对自然界中的白光信号具有抑制作用，在探测器的警戒区内，当无人体移动时，热释电红外感应器感应到的只是背景温度，当人体进人警戒区，通过菲涅尔透镜，热释电红外感应器感应到的是人体温度与背景温度的差异信号，红外探测器的红外探测的
3、基本概念就是感应移动物体与背景物体的温度的差异。另外一个元件是菲涅尔透镜，有折射式和反射式，作用有两个：一是聚焦作用，即将红外信号折射（反射）在PIR上，二是将警戒区内分为若干个明区和暗区，使进入警戒区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化的电信号。,PIR：Pyroelectric Infrared，热电红外,感应开关的主要元件是一片新型热释电红外探测模块HN911L和一只MOS管。HN911L内电路包括高灵敏度红外传感器、放大器、信号处理电路、输出电路等。热释电红外传感器遥测移动人体发出的微热红外线信号，送入HN911L，在输出端得到放大后的电信
4、号。MOS场效应管输入阻抗极高，接在栅源间的电容充电后，电容电压可保持很长时间，在此期间，MOS管导通。利用这一特点，可实现延时功能。,本开关电路原理如附图所示。Cl对220V市电降压，VSl、VS2对负半波旁路，对正半波削波稳压，经VDl整流、C2滤波后得到12V直流电压。12V电压除为三极管Vl供电外，经R2降压、VS3稳压、C3滤波后得到6V电压作为ICl电源。当ICl未探测到红外信号时，输出端第脚为高电平。V1无基极偏置而截止，V2亦截止，灯泡EL不亮。,有人进入楼道口时，移动人体发出的红外线被红外传感器接收，经ICl处理后，第脚输出低电平，V1导通。12V直流电压经Vl、VD3给电容
5、C4充电，V2迅速饱和导通，灯泡EL点亮。人走过后，ICl的第脚恢复高电平。V1截止。这时，C4放电期间仍维持V2继续导通。随着C2上电压的下降，V2由饱和区进入放大直至截止区，EL亦相应地由亮逐渐变暗直至熄灭。,电路中，BPl为ICl的增益调节电阻，RP2为照明延时时间调整电位器。CdS为光敏电阻，白天受光照射，电阻极小，使ICl增益极低，其第脚不输出电平，夜晚CdS阻值很大，ICl恢复工作。CdS可暴露于灯光下，因为V2一旦导通，即使V1立即截止，V2仍可由C4放电来维持工作。,光子探测器 光子探测器的工作机理是：利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，
6、引起各种电学现象这种现象称为光子效应。根据所产生的不同电学现象，可制成各种不同的光子探测器。光子探测器有内光电和外光电探测器两种，后者又分为光电导、光生伏特和光磁电探测器等三种。光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,红外光传感器的应用1、红外测温仪 利用热辐射体在红外波段的辐射通量来测量温度的。当物体的温度低于1000时，它向外辐射的不再是可见光而是红外光了，可用红外探测器检测其温度。常见的红外测温仪方框图。图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统，滤光片一般采用只允许814 m的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测
7、的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。,目前已有一种带单片机的智能红外测温器，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。,2.3 CCD图象传感器 光固态图象传感器主要有CCD和MOS。CCD是一中以电荷的形式存贮和传递信息的半导体表面器件，是在MOS结构电荷存贮器的基础上发展起来的。CCD（电荷耦合器件）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
8、）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。,CCD：电荷藕合器件图像传感器CCD（Charge Coupled Device），它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号
9、加在一起，就构成了一幅完整的画面。,CMOS：互补性氧化金属半导体CMOS（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点,这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。,一、MOS光敏单元,CCD器件完成对物体的成像
10、，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。,MOS是在P型硅衬底上生长一层S iO2，再在 S iO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,P-Si,A、势阱的产生 MOS的金属电极加正压U，电极下的P型硅区域内空穴被排斥而赶走，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
11、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。,二、读出移位寄存器 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。,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
12、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。,输出二极管电流法,三、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,四、面阵电荷耦合器件,光敏区和存储区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对
13、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）。,CCD图像传感器应用 1、线阵CCD器件检测工件尺寸,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d0013003mm。,2、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
14、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。,2.4 光纤传感器,一、光纤传感器的基本知识1、光纤结构由纤芯和包层组成（石英玻璃5100um）（n1n2）。外层一层尼龙保护套。,2、传输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。,（2）数值孔径NA光由空气射入光纤端面，与轴成 角。,即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。,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。,光纤分类：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
15、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2 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。,芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯径小到6m,折射率差小到0.5%。N=1光纤只能传输一定波长光，单模。,按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤,二、光纤传感器功能型（传感型）和非功能型（传光型）。1、功能型光纤用单模光纤，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
16、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。,2、非功能型光纤（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。,光纤传感器 应用,光强调制,相位调制,Mach-Zehnder干涉原理图,偏振调制,光纤电流传感器,三、光纤传感器 应用 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
17、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置转换为电信号,（光电探测器置于汇合处）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,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。,由于光纤感受温度变化时，光纤的折射率发生变化，而且因光的热胀冷缩使长度变化。使光纤的光程差及相位变化。可测温度和压力。2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）,光纤微弯对传播光的影响,当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光
18、外，一部分光透射进入包层。导致光能的损耗。输出光强度减小。光纤微弯曲传感器,2.12 激光传感器,教学目的与要求：理解激光产生的原理，掌 握激光和激光器的特性，了解激光传感 器的工作原理与应用；,重点内容：激光传感器的工作原理,难点内容：激光产生的原理,教学方法：讲授法,一、激光的工作原理,1、光的发射与光的吸收,光的发射：当原子从高能级向低能级跃迁时，两能级之差部分以光子形式发射出去的现象；光的吸收：当原子从低能级向高能级跃迁时，将吸收两能级之差部分的光子能量的现象；光的发射和吸收规律：两能级之差决定发射和吸收光子的频率,2、光发射的三种跃迁过程1）自发辐射：处在高能级的原子以一定的几率自发
19、的向低 能级跃迁，同时发出一个光子的过程，a）图；2）受激辐射过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在高能级的原子以一定的几率自发向低能级跃迁，同时发出另一个与外来光子频率相同的光子，b）图；两种辐射过程特点的比较：自发辐射过程是随机的，发出一串串光波的相位、传播方向、偏振态都彼此无关，辐射的光波为非相干光；受激辐射的光波，其频率、相位、偏振状态、传播方向均与外来的光波相同，辐射的光波是相干光。,3）受激吸收过程：在满足两能级之差的外来光子的激励下，处在低能级的原子向高能级跃迁，c）图 受激辐射与受激吸收过程同时存在：实际物质原子数很多，处在各个能级上的原子都有，在满足两能级能量之差的外
20、来光子激励时，两能级间的受激辐射和受激吸收过程同时存在。当吸收过程占优势时,光强减弱；当受激辐射占优势时，光强增强。,3、粒子数分布 当一束光通过具有能级E1和E2（假定E2E1）的介质时：1）正常分布：高能级E2上原子数N2少于低能级E1上原子数N1，N2/N11 激活介质或增益介质：能引起粒子数反转分布的介质,二、激光器的产生条件1、光学谐振腔 作用：对入射光的频率、方向选择，产生极好的 方向性和单色性、高亮度的激光束。结构：由两个反射镜和增益介质组成，这两个反 射镜可以是凸面镜、凹面镜或平面镜,下图 稳定腔：近轴光线在谐振腔内部多次来回反射 时，光线离轴的高度不会无限增大，称此 腔为稳定
21、腔。2、外部能量泵浦使粒子数反转分布3、增益介质,三、激光器的种类与结构 种类分固体激光器、气体激光器、染料激光器。固体激光器：以绝缘晶体或玻璃为工作物质。少量的过渡金属离子或稀土离子掺入晶体或玻璃，经光泵激励后产生受激辐射作用。主要有红宝石激光器、钛宝石激光器、半导体激光器。气体激光器：如He-Ne激光器、氩离子激光器、CO2激光器、N2分子激光器等。染料激光器：采用在适当的溶剂中溶入有机染料作为激光器的工作物质。半导体激光器：属于固体激光器,四、半导体激光二极管（LD）半导体激光二极管，简称半导体激光器，是通过受激辐射发光的一种阈值器件，适合用作高速、大容量、长距离光纤通信系统的光源。1
22、粒子数反转与光增益：在LD中通过向N、P层中重掺杂，当增益区载流子浓度超过一定值时，载流子的能量超过PN结正向偏置下的带隙，就实现了粒子数反转。当受激辐射速率超过受激吸收速率时，就产生了增益。增益区载流子的增加是通过注入电流（泵浦载流子）实现的。增益区载流子浓度增高对应增益增大。,2 光学谐振腔：半导体的光学谐振腔的两端的解理面起反射镜作用，反射率R由增益介质的折射率n决定，R=（n-1）/（n+1）2,这种谐振腔称为F-P腔。半导体激光器的基本结构与光学谐振腔如下图。,3 激光器的光学电学特性参数 P-I曲线：LD的发射光功率P与注入电流I的关系曲线。开始发射受激辐射时的电流Ith称阈值电流
23、。典型的P-I曲线如下图。,光输出功率（P0或Pf）：在阈值以上电流的正向电流调制时，从LD输出的光功率定义为P0，对带有尾纤的LD从光纤末端发射出的光功率定义为Pf。光输出功率的单位为mw，有时也用dBm表示，两者关系为：,阈值电流Ith：激光二极管开始振荡的正向电流。通常有三种P-I关系法测量Ith。方法一：将P-I曲线中两条直线延长线交点对应的电流作为二极管的阈值电流，图a）；方法二、输出光功率延长线与电流轴的交点作为二极管的阈值电流，图b），常用此法；方法三、将光功率对电流求二次导数，导数峰值对应的电流为二极管的阈值电流，此法的测量精度较高，图c）；,激光二极管的阈值电流与二极管的谐振腔长度有关，对应关系见下表：,束发散角：光输出功率半极值强度对应的角度。,五、激光器的应用 世界上第一台激光器诞生于1960年，我国于1961年研制出第一台激光器。激光技术已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。,
