传感器七光电式传感器

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1、传感器结构原理与设计 机械工程学院仪器系 李云雷 Tel:2786982 办公室：新实验楼427 第七章 光电式传感器 l 工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； l 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件； l 工作过程： l被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调 整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频 谱分布； l光电器件将光信号转换为电信号； l电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。 l 特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积 小、重量轻、造价低等。 辐射源光电器件光学通路输出 被测量被测量 图71 光电式传感器原理图 第一节 光源

2、n 光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布 、相干性、体积、造价、功率等。 n 光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发 光器件等。 n 光谱（附加知识点） 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm， 波长300380nm称为近紫外线 波长200300nm称为远紫外线 波长10200nm称为极远紫外线， 红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3m 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 远紫外 近紫外 可见光近红外远红外极远紫外 0.010.1110 0.050.55 波长

3、/m 一、热辐射光源 n 定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种 原理的光源称为热辐射光源。 n 实例：白炽灯、卤钨灯 ； n 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15% 左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约 11.5m，因此可用作近红外光源。 二、气体放电光源 n 定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制 成的光源称为气体放电光源。 n 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类 及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和 放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射 源。 n 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器 中常用的光

4、源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波 长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作 光电检测仪器的单色光源。 n 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高 效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可 以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。 三、电致发光器件发光二极管 n 定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为 电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这 种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、 半导体激光器和电致发光屏等。 n 发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延 生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。 当PN结接正向

5、电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴 结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带 和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发 光频谱。 四、激光器 n 激光产生的过程： 某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如 特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激 吸收）； 如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就 形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能 粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率 相同的光子（受激发射）； 由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因 此上述现象称为光的受激辐射放大。 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。 n 激光器的

6、优点：单色性好、方向性好和亮度高。 n 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类 固体激光器（如红宝石激光器） 气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器 ） 半导体激光器（如砷化镓激光器） 液体激光器。 1、固体激光器 l 固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发 明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工 作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用 强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒 子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）； l Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固 体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低， 可

7、见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的 波长为1.06m的红外光。 l 固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸 收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜 ，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量 。 2、气体激光器 n 特点： 气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离 子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足， 气体激光器的体积一般都比较大。 气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循 环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。 由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用 光泵作激励，更多的是采用电作激励。 n 种类：氦氖激光器、氩离子激光器

8、、氪离子激光器，以 及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了 从紫外到远红外的频谱区域。 （1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出 激光的能力。它能够输出从红外的3.3m到可见光等一 系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广 ，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于 1mW，可以满足很多光电传感器的要求。 （2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子 发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和 514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1752.5nm）。 （3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出 波长为10.6m。 （

9、4）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式 下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能 够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供 从353nm到193nm的激光输出。 3、半导体激光器 l 半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体 积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其 简单，使之在很多科技领域得到了广泛应用。 l 半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、 Nd:YAG和其它固体激光器相比，半导体的能级宽得多， 更类似于发光二极管，但谱线却比发光二极管窄得多。 半导体激光器的特征是通过掺加一定的杂质改变半导体 的性质，杂质能够增加导带的电子数目

10、或者增加价带的 空穴数目，当半导体接正向电压时，载流子很容易通过 PN结，多余的载流子参加复合过程，能量被释放发出激 光。目前半导体激光器可以选择的波长主要局限在红光 和红外。 第二节 光电器件 n 光电器件的作用：光信号电信号。 n 光电器件的种类： 热探测型：将光信号的能量变为自身的温度变化，然后 再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应 的电信号，探测器对波长没有选择性，只与接收到的总 能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应用价值， 尤其是远红外区域； 光子探测型：基于光电效应原理，即利用光子本身能量 激发载流子，这类探测器有一定的截止波长，只能探测 短于这一波长的光线，但它们

11、响应速度快，灵敏度高， 使用最为广泛。 一、热探测器 n 原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成 的传感器，它的突出优点是能够接收超低能量的光子， 具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外的探测。 n 种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器 。 1、测辐射热电偶 与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸 收涂层，当有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之 升高，造成温差电势。 2、测辐射热敏电阻 用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首 先引起温度的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的 变化。 二、光子探测器 n 光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应。

12、 n 光能是由分离的能团光子组成，光子的能量E和频 率f的关系 E=hf h普朗克常数，h=6.626l0-34（J s）。 n 光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为 E的光子轰击物体,如果光子的能量足够大，物质内部电 子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子 ，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部 的导电过程，这种现象称为光电效应。 n 光电效应的种类： l外光电效应：在光线的作用下，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 电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电 管、光电倍增管等。 l内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻

13、率 发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应 ，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光 电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。 n 注意事项：光子探测器一般都有一定的截止波长，当光 的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电 电子。 （一）光电发射探测器 n 利用外光电效应制成的光电器件称为光电发射探测器。 光电发射探测器主要有真空光电管和光电倍增管等。 n 激发出电子的条件： 要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须 大于该物质表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的 逸出功； 因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频 率低于此频率限时；不论光强多大，也不能激发

14、电子 ，反之，被照射的物质便能激发出电子，此频率限称 为“红限”； 其临界波长K为 K =hc/A0 1、光电管 l 结构组成：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内 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（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做 成，其感光面对准光的照射孔。 光电管的结构示意图 阳极 光电阴极 光窗 l 工作原理：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。外电路串入一适当 阻值的电阻，在该电阻上的电压降或电路中的电流大小 都与光强成函数关系，从而实现了光电转换。 2、光电倍增管

15、 l 结构组成：光电阴极、光电倍增极、阳极。倍增极上涂 有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高。 l 工作原理：当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高 速射到倍增极上，引起二次电子发射。这样，在阴极和 阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数 量迅速递增。典型的倍增管一般有10个左右的倍增极， 相邻极之间加有200400V的电压，阴极和阳极间的总 电压差可达几千伏，电流增益为105左右。 入射光 光电阴极 第一倍增极 阳极 第三倍增极 3、光电管的基本特性 l 光电特性：光电管两端所加电压不变时，光通量 与 光电流 I间的关系。如图所示，对于氧铯阴极的光电管 ，I与呈线性

16、关系，但对于锑铯阴极的光电管，当光 通量较大时，I与呈非线性关系。光照特性曲线的斜 率称为光电管的灵敏度。 光电管的光电特性 l 伏安特性：入射光的频率及光通量一定时，阳极电流与 阳极电压之间的关系。阳极电压较低时，阴极发射的部 分电子到达阳极，其余返回阴极（光电子负电场作用） ；阳极电压增高，电流增大，阴极发射的电子全部到达 阳极时，电流稳定，处于饱和状态。 光电管的伏安特性 光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明， 也叫明亮度。 1流明就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通40瓦的 白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10lm，因此可以发出400lm的光。 l 光谱特性：光电阴极材料对光谱有选择性，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 与光波波长之间的关系称为光电管的光谱特性。 （二）光电导探测器 n 基于光电导效应的光电器件称为光敏电阻（半导体材