传感器技术第8章光电式传感器

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1、传感器技术任课教师：刘佳Tel：13951754608Email：liujia@nuist.edu.cn8光电式传感器光电式传感器(PhotoelectricSensor)是以光为测量媒介，以光电器件为转换元件的传感器将光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号特性：非接触、灵敏度高、精度高、测量范围宽、响应快、体积小、重量轻、寿命长、性能可靠2信息与控制学院仪器系8光电式传感器8.1概述8.2光源8.4光电式传感器8.3常用光电器件3信息与控制学院仪器系8.1概述光电传感器的组成形式光源光通路光电元件测量电路被测量x1被测量x2输出量y

2、光光电电被测量的形式：被测量直接引起光源的变化，改变了光源的强弱或有无被测量对光通路产生作用，影响到达光电器件的光的强弱或有无4信息与控制学院仪器系8.2光源对光源的要求必须具有足够的强度应保证均匀、无遮挡或阴影照射方式应符合传感器的测量要求发热量应尽可能小发出的光必须具有合适的光谱光电传感器主要使用的光的波长范围处在______________5信息与控制学院仪器系8.2光源6信息与控制学院仪器系8.2光源常用光源1.热辐射光源发光方式：通过将一些物体加热后产生热辐射来实现照明的。温度越高，光越亮。特点：光源谱线丰富，主要涵盖可见光和红外光

3、，适用于大部分光电传感器发光效率低，一般仅有15%的光谱在可见光区发热量大，超过80%的能量转化成热能寿命短易碎，电压高，使用有一定的危险7信息与控制学院仪器系2.气体放电灯发光方式：利用电流通过气体产生发光现象制成的灯气体放电灯的光谱是不连续的，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大小，可得到主要在某一光谱范围的辐射。特点：效率高、省电、功率大；有些气体发电光源还有丰富的紫外线和频谱；有的其废弃物含有汞，容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。8.2光源8信息与控制学院仪器系3.发光二极管LED发光原理

4、：电致发光特点：体积小，可平面封装，耐振动无辐射、无污染功耗低寿命长响应快供电电压低，易于数字控制，与电路和计算机系统连接方便8.2光源9信息与控制学院仪器系4.激光器发光原理：受激辐射放大产生的光特点：激光的方向性好，发散角很小亮度高，能量高度集中单色性好，光谱范围极小相干性好，在光的传播方向、振动方向、频率、相位等参数的一致性极好8.2光源10信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件光电器件是基于光电效应工作的。光电效应：物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应外光电效应内光电效应11信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件

5、1.外光电效应在光的照射下，电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象称为外光电效应。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：12信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件根据爱因斯坦假设：一个电子只能接受一个光子的能量。光子把它的全部能量交给自由电子。要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功A，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。该方程称为爱因斯坦光电效应方程13信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频

6、率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率”。14信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件在入射光的频谱成分不变时，产生的光电流正比于光强。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多?光电子的初动能决定于光的频率，与频率成线性关系，与入射光强度无关电子吸收光子能量不需积累能量的时间，在光照射物质后，立刻有光电子发射，据测该时间不超过10-9ｓ基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。1

7、5信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件光电器件的特性光照特性：表征了光电器件的灵敏度，反映了光电器件输入光亮与输出光电流（光电压）之间的关系光谱特性：相对灵敏度K与入射光波长λ之间的关系响应时间：反映了动态特性，越小越好峰值探测率(D*):值越大，噪声等效功率小，光电器件性能好温度特性：影响光电器件的灵敏度和光谱特性伏安特性:在一定的光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系16信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件光电管光电管有真空光电管和充气光电管。结构：由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其

8、上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。17信息与控制学院仪器系8.3常用光电器件工作原理：光电管的阴极受到适当的照射后便发射光电子