传感器技术 教学课件 作者 陈建元 第四章 光电式传感器2.ppt

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1、第四章光电式传感器4．0光电式传感器4．1光源与光辐射体4．1．1光的特性4．1．2光源与光辐射体4．2光电效应及器件4．2．1外光电效应4．2．2内光电效应4．2．3热探测器4．3光电器件的特性4．3．1光照特性4．3．2光谱特性4．3．3响应时间4．3．4峰值探测率4．3．5温度特性4．4探测器噪声和低噪声电子设计4．4．1噪声4．4．2探测器噪声的类型4．4．3低噪声电子设计4．5新型光电检测器4．5．1光位置传感器（PSD）4．5．2量子阱探测器(QWIP)4．5．3光电磁探测器4．5．

2、4固态图像传感器4．6激光传感技术4．6．1干涉测试技术4．6．2衍射测试技术4．6．3激光多普勒测速技术4．7光纤传感器4．7．1光纤传感器基础4．7．2光纤传感器中几种常用的光强调制技术4．7．3光纤干涉传感器原理4．8光电式传感器4．8．1光电式传感器的类型4．8．2光电尺寸测量举例4．8．3激光传感技术实例4．8．4光纤传感器实例4．8．5机器人视觉传感器4.0光电式传感器光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成

3、分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和军事装置中获得广泛应用。近年来，新的光电器件不断涌现，特别是固态图像传感器的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。光源光通路光电元件测量放大光量光量电量电量输出X1X2图4-1光电式传感器的组成光电式传感器通常由四部分组成，如图4-1所示。图中x1表示被测量能直接引起光量变化的检

4、测方式；x2表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。光电元件（敏感元件）只能敏感照射其上光的功率（光的电场分量），本篇将讲述各种结构都是通过调制，例如干涉、衍射、光谱、······等原理，最终反映在单光电元件点位置处时域变化光功率，或阵列传感器上一、二维的空域上的光功率分布。这里将可见光、红外光、激光、光纤等传感器技术纳入本编一并讲解，寻求其共性规律统一讲述。4．1光源与光辐射体4．1．1光的特性光是电磁波谱中的一员，不同波长光的分布如图4-2所示，这些光的频率（波长）各不相同，但都具有反射

5、、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。由光的粒子说可知，光是以光速运动着的粒子（光子）流，一种频率的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为（式4-1）式中h-普郎克常数，h＝6.626×10－34J•s可见，光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。对于光的计量有两种描述方法：一种是测量其客观物理实质的辐射度学量，另一种是测量其对人眼生理作用的光度学量，表4-1和表4-2分别给出辐射度学量和光度学量及单位。名称（中英文）符号单位名称单位代号辐射能（Radiantenergy）Q焦耳J辐射通

6、量（Radiantflux）Φ瓦特W辐射强度(Radiantintensity)I瓦/球面度W/sr辐射度（Radiantexintence）M瓦/米2W/m2辐射亮度（Radiance）L瓦/米2·球面度W/m2·sr辐照度（Irradiane）E瓦/米2W/m2表4-1辐射度学量名称（中英文）符号单位名称单位代号光能量（Luminousenergy）Q流明·秒lm·s光通量（Luminousflux）Φ流明lm光强度（Luminousintensity）I坎德拉流明/球面度cdlm/sr发光

7、度（Luminousexintence）M流明/米2·球面度lm/m2光亮度（Luminance）L坎德拉/米2（尼特）流明/米2·球面度cd/m2（nit）lm/m2·sr光照度（Illuminance）E流明/米2（勒克斯）lm/m2（lx）表4-2光度学量在辐射度学量中当指明特定光谱条件下的辐射量（单位波长短的辐射量）时还有：光谱辐射通量、光谱辐射出射度、光谱辐射强度等等对应量。历史上曾定义1流明等于一支蜡烛从1米外投射在一平方米的表面上的光的数量。现在定义绝对黑体在铂的凝固温度下，从5.

8、305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1lm。人眼在白昼对于波长λ=555nm的绿光最敏感，在该波长辐射度学量与光度学量可建立1W=683lm数量关系，许多图像传感器商品常用光度学量标明其性能。4．1．2光源与光辐射体工程检测中遇到的光，可以由各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。众所周知，自然界中任何物体，只要其温度高于绝对零度，都能辐射红外线。本节将介绍各种发光器件及物体的红外辐射。一、白炽光源白炽光源中最常用的是钨丝灯，它产生的光，谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色