传感器技术实用教程吕勇军第7章节光学测量传感器

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1、实用传感器技术教程2021/7/311光电效应1.2第7章光学测量传感器概述7.17.2光敏晶体管7.4光电耦合器7.5光敏电阻1.27.3光纤传感器7.7CCD传感器7.8光电池7.62021/7/312光电式传感器是以光为测量媒介，将被测量的变化所引起的光信号的变化通过光电器件转换成电信号的一类传感器。它即可用于检测直接引起光强变化的非电量，如光强、照度、温度、气体成分分析等；也可用来检测能通过一定方式转换为光量变化的一些非电量，如物体的位移、速度、加速度、表面粗糙度等。2021/7/3137.1概述光电式传感

2、器的一般组成结构如图7-1所示：主要包括光源、光学通路、光敏元件和测量电路几个部分。2021/7/314光电式传感器常用的光源1、热辐射光源定义：物体因具有温度而向外辐射能量的现象称为热辐射。一切物体，只要其温度高于绝对零度，都会向空间发出一定波长的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。常见的热辐射光源有白炽灯，卤钨灯等。用钨丝通电加热作为光辐射源最为普遍，一般白炽灯的辐射光谱是连续的发光范围：除可见光外、还包含大量红外线和紫外线，所以任何光敏元件都能和它配合接收到光信号。2021/7/315热辐射光源特点1）

3、发光范围广：除可见光外，还包含大量的红外线和紫外线，当需要窄光带光谱时可以采用滤色片滤除不需要的光谱来实现。2）发光效率低：发光能量只有15%左右落在可见光区域，波长范围约为0.4~3μm，峰值波长在近红外区域，约1~1.5mm。3）热辐射光源输出功率大，但对电源的变化响应速度慢，因此其调制频率一般低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。4）由于用钨丝做灯丝，玻璃做泡壳，因而其具有寿命短、发热大、效率低、动态特性差，使用电压高且易碎等缺点。2021/7/316光电式传感器常用的光源2、气体放电光源定义：利用电流

4、通过气体产生发光现象的原理制成的光源称为气体放电光源。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。通过改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小等，可以得到所需光谱范围的辐射源。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，钠灯的辐射波长为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。如果光谱灯涂以荧光剂，由于光线与涂层材料的作用，荧光剂可以将气体放电谱线转化为更长的波长，通过对荧光剂的选择可以使气体放电发出某一范围的波长，如：照明日光

5、灯。气体放电灯消耗的能量仅为白炽灯1/2—1/3。2021/7/3173、发光二极管LED（LightEmittingDiode）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，其实质是将电能直接转换成光能，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。其中应用较多的是发光二极管，制作发光二极管的材料很多，材料不同，发出的光的波长不同，从而能够发出各种不同颜色的光，发光二极管常用的材料与发光波长见表7-1：2021/7/318发光二极管常用的材料与发光波长2021/7/

6、3194、激光器激光是20世纪60年代出现的最重大科技成就之一，具有高方向性、高单色性和高亮度三个重要特性。激光波长从0.24μm到远红外整个光频波段范围。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2021/7/3110所谓光电效应是指物体吸收了光能后把光能转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。光电效应按原理又分为以下3种：1、外光电效应：在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。其中，

7、向外发射的电子称为光电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。2、内光电效应：在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。7.2光电效应2021/7/3111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。光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E=hνh—普朗克常数，6.626×10-34J·s；ν—光的频率（s-1）外光电效应2021/7/3112根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的

8、能量，所以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，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过10-9s。根据能量守恒定理式中m—电子质量；v0—电子逸出速度。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。2021/7/3113光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的