毕业论文《光电传感器技术的新发展及应用》(6)

第四章 光纤传感器 22

4.5 光纤传感器的实际的应用

光纤传感技术是伴随着光通讯技术和半导体技术发展而衍生的一种新的传感技术，是光传感、光通讯、电子技术互相交叉、互相渗透的高科技技术，是国家“十五”重点支持发展的信息产业的重要组成部分。 4.5.1 光纤液位传感器

在我国石油化工、冶金以及国防等部门，对油品和化工产品等易燃易爆液体类物质的储存、检测和安全管理一直是个难题。长期以来，大多企业是采用人工对其进行检测和管理，劳动强度大，又有危险性，储罐爆炸事件和人员伤亡事故时有发生。光纤液位传感器某检测湘度高，使用方便、稳定可靠，特别是采用光纤光缆采集和传输信号，做到现场无电检侧，本质安全防爆，特别适于易燃易爆场所的储罐检测。即将投产的光纤液位传感器价调查和分析表明，目前全国年需求量应在1万台以上，而目前市场需求仍在快鹏长如。

4.5.2 电力工业中的应用

电力工业中的设备大多处在强电磁场中，一般电器类传感器无法使用。高压开关的在线监测，高压变压器绕组、发电机定子等地方的温度和位移等参数的实时检测都要求绝缘性能好，体积小。光纤光栅具有的抗电磁干扰和它的安全性能恰恰能满足在这种环境条件下使用。

在强电磁环境中，关键基础用电设备的安全运行是企业生产的必要保障，也是整个国民经济正常运转的基本保证。电气设备产生故障的大部分原因是设备过热引起的，主要可以分为外部热故障和内部热故障。电气设备的外部热故障主要指裸露接头由于压接不良等原因，在大电流作用下，接头温度升高，接触点氧化引起接触电阻增大，恶性循环造成隐患。此类故障占外部热故障的90%以上。统计近几年来检测到的外部热故障的几千个数据，可以发现线夹和刀闸触头的热故障占整个外部热故障的77%，它们的平均温升约在30度左右，其它外部接头的平均温升在20-25度之间。

根据对电力事故分析，电缆故障引起的火灾导致大面积电缆烧损，造成被迫停机，短时间内无法恢复生产，造成重大经济损失。通过事故的分析，引起电缆

第四章 光纤传感器 23

沟内火灾发生的直接原因是电缆中间头制作质量不良、压接头不紧、接触电阻过大，长期运行所造成的电缆头过热烧穿绝缘，最后导致电缆沟内火灾的发生。

从电缆头或变电设备的过热到事故的发生，其发展速度比较缓慢、时间较长，通过电缆/设备温度在线监测系统完全可以防止、杜绝此类事故的发生。在电力工业中，电流转换器可把电流变化转化为电压变化，电压变化可使压电陶瓷(PZT)产生形变，而利用贴于PZT上的光纤光栅的波长漂移，很容易得知其形变，进而测知电流强度。这是一种较为廉价的方法，并且不需要复杂的电隔离。另外，由大雪等对电线施加的过量的压力可能会引发危险事件，因此在线检测电线压力非常重要，特别是对于那些不易检测到的山区电线。光纤光栅传感器可测电线的载重量，其原理为把载重量的变化转化为紧贴电线的金属板所受应力的变化，这一应力变化即可被粘于金属板上的光纤光栅传感器探测到。这是利用光纤光栅传感器实现远距离恶劣环境下测量的实例，在这种情况下，相邻光栅的间距较大，故不需快速调制和解调。

第四章 光纤传感器 24

第五章 其它光电传感器 25

第五章 其它光电传感器

5.1 高速光电二极管

5.1.1 PIN结光电二极管

PIN管是光电二极管中的一种。它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体。这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小。 由式τ = CjRL与 f = 1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。 内电场较大，电子加速运动，响应时间快。

图18 PIN管结构示意图

最大特点：频带宽，可达10GHz。另一个特点是，因为I层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。

不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售。

5.1.2 雪崩光电二极管(APD)

雪崩光电二极管是利用PN结在高反向电压下产生的雪崩效应来工作的一种二极管。P区外侧增加高浓度P+层。

这种管子工作电压很高，约100～200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这种强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离

第五章 其它光电传感器 26

雪崩反应。因此，这种管子有很高的内增益，可达到几百。当电压等于反向击穿电压时，电流增益可达106，即产生所谓的雪崩。这种管子响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。

缺点：噪声大。由于雪崩反应是随机的，所以它的噪声较大，特别是工作电压接近或等于反向击穿电压时，噪声可增大到放大器的噪声水平，以至无法使用。但由于APD的响应时间极短，灵敏度很高，它在光通信中应用前景广阔。

5.2 色敏光电传感器

色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊类型。它是两只结深不同的的光电二极管组合体，其结构和工作原理的等效电路如图19所示。

图19 色敏光电传感器和等效电路

双结光电二极管的P+-N结为浅结，N-P结为深结。当光照射时，P+，N，P三个区域及其间的势垒区均有光子吸收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的组合，即可构成测定波长的半导体

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