传感器 第5版 教学课件 ppt 作者 唐文彦 第7章

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1、普通高等教育“十一五”国家级规划教材,传 感 器（第5版）,哈尔滨工业大学 唐文彦 主编,第一节 光源 第二节 光电器件 第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件 第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器,第七章 光电式传感器,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,返回主目录,工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件； 工作过程： 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； 光电器件将光信号转换为电信号； 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。,第七章 光

2、电式传感器,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。,图7-1 光电式传感器原理图,第七章 光电式传感器,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。 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。 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,第一节 光源,第七章 光电式传感器,红外线：波长780106nm 波长3m（即3000nm）以下的称近

3、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,第一节 光源,一、热辐射光源 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。 实例：白炽灯、卤钨灯 ； 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。,第一节 光源,二、气体放电光源 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。 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

4、辐射源。 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，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。 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。,第一节 光源,三、电致发光器件发光二极管 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。 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

5、 型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压时，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。,第一节 光源,四、激光器 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

6、受激辐射放大功能的器件称为激光器。,第一节 光源,激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 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。,第一节 光源,1、固体激光器 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）； Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激

7、光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可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。 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。,第一节 光源,2、气体激光器 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。

8、 种类：氦氖激光器、氩离子激光器、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。,第一节 光源,（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

9、的输出波长为10.6m。 （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。,第一节 光源,3、半导体激光器 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。 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

10、加导带的电子数目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。,第一节 光源,4、液体激光器 染液激光器是液体激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作为工作物质。 采用不同的燃料溶液和激光器，输出的波长范围可达0.321 m 。,第一节 光源,光电器件的作用：光信号电信号。 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

11、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，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。,第二节 光电器件,第七章 光电式传感器,一、热探测器 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。 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

12、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。,第二节 光电器件,二、光子探测器 光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应。 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 h普朗克常数，h=6.626l0-34（J s）。 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。,第二节 光电器件,光电效应的种类： 外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸

13、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。 内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，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。 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。,第二节 光电器件,（一）光电发射探测器 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。 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

14、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,第二节 光电器件,1、真空光电管 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1和光电阳极2。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。,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

15、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。,第二节 光电器件,图7-3 真空光电管的结构及外接电路 a) 结构 b) 外接电路,2、光电倍增管 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。,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。,第二节 光电器件

16、,图7-4 光电倍增管的结构原理图,3、光电管的基本特性 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。,图7-5a 光电管的光电特性,第二节 光电器件,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。,图7-5b 光电管的伏安特性,第二节 光电器件,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