中南大學傳感與檢測ch光電光纖和紅外傳感器

12.1光電式傳感器12.1.1概述光電式傳感器：它是將光信號轉換成電信號的器件或裝置，可用于檢測直接引起光強變化的非電量，如光強、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其他非電量，如零件線度、表面粗糙度、位移、速度、加速度等。光電式傳感器具有響應快、性能可靠、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，因而在檢測和控制領域獲得廣泛應用。光敏元件(光電器件)：各種光電傳感器和檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉換的關鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉變成為電信號的器件。當前1頁，總共77頁。12.1光電式傳感器12.1.1概述1）光譜光波：波長為10~106nm的電磁波可見光：波長380~780nm紫外線：波長10~380nm，波長300~380nm稱為近紫外線波長200~300nm稱為遠紫外線波長10~200nm稱為極遠紫外線，紅外線：波長780~106nm

波長3m（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3m的紅外線稱為遠紅外線。光譜分布如下圖所示。當前2頁，總共77頁。12.1.1概述1）光譜遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/m光子能量/eV1001015050.5頻率/Hz10155×101410145×10135×101510163×1018

光的波長與頻率的關系由光速確定，真空中的光速c=2.99793×1010cm/s，通常c≈3×1010cm/s。光的波長和頻率的關系為：v=3×1010cm/s,v-單位為Hz，-單位為cm。

12.1光電式傳感器當前3頁，總共77頁。12.1.1概述2）光源（發(fā)光器件）(1)鎢絲白熾燈特點：輻射光譜是連續(xù)的，除可見光外有大量紅外線和紫外線，任何光敏元件都能和它配合接收到光信號，對接收光敏元件的光譜特性要求不高。但壽命短、發(fā)熱大、效率低、動態(tài)特性差。(2)氣體放電燈利用電流通過氣體產生發(fā)光現(xiàn)象制成的燈。特點：光譜不連續(xù)，與氣體種類及放電條件有關。消耗的能量僅為白熾燈1/2~1/3。光譜儀器中常用光源:低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈輻射波長為589nm，它們常用作光電檢測儀器的單色光源。12.1光電式傳感器當前4頁，總共77頁。12.1.1概述2）光源(3)發(fā)光二極管(LED，LightEmittingDiode)特點：由半導體PN結構成，工作電壓低、響應快、壽命長、體積小、重量輕。伏安特性與普通二極管相似，但隨材料禁帶寬度不同，其開啟（點亮）電壓略有差異。紅色的砷磷化鎵LED開啟電壓約為1.7V，綠色的約2.2V。LED的典型光譜特性：如圖，GaAsP的曲線有兩根，其材質成分差異導致不同峰值波長(p)。p決定發(fā)光顏色，峰寬()決定光的色彩純度，越小，光色越純。/nm.2.4.6.81.06007008009001000GaAsPp=670nmp=655nmGaAsPp=565nmGaPp=950nmGaAs相對靈敏度12.1光電式傳感器當前5頁，總共77頁。12.1.1概述2)

光源(4)激光器激光具有高方向性、高單色性和高亮度三個重要特性，其波長從0.24m到遠紅外整個光頻波段范圍。按工作物質分類：固體激光器(如紅寶石激光器)：小而堅固、功率高氣體激光器(如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器):能連續(xù)工作，單色性好。波長覆蓋從紫外到遠紅外的頻譜區(qū)域。半導體(LED)激光器(如砷化鎵激光器):效率高、體積小、重量輕、結構簡單。液體激光器：波長可在一定范圍調節(jié)，且效率不會降低。12.1光電式傳感器當前6頁，總共77頁。12.1.2光電效應物體吸收光能后轉換為該物體中某些電子的能量，從而產生的電效應稱為光電效應。光電效應是光敏元實現(xiàn)光電轉換的物理基礎，光電式傳感器的工作原理基于某些物質的光電效應。光電效應可分為外光電效應、內光電效應。1）外光電效應在光照射下，物體內的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應，也叫光電發(fā)射效應。其中，向外發(fā)射的電子稱為光電子，能產生光電效應的物質稱為光電材料?；谕夤怆娦墓怆娖骷泄怆姽堋⒐怆姳对龉艿?。光子是具有能量的粒子，每個光子的能量E=h，其中，h=6.626×10-34J·s，是普朗克常數(shù)；是光的頻率(s-1)。12.1光電式傳感器當前7頁，總共77頁。12.1.2光電效應1）外光電效應根據(jù)愛因斯坦假設，一個電子只能接受一個光子的能量，要使一個電子從物體表面逸出，光子能量必須大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。光電子的產生取決于其能量是否大于物體的表面電子逸出功。不同物質有不同的逸出功，即每種物質都有其對應的光頻閾值，稱為“紅限”頻率或波長限。光頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不產生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光微弱，也有光電子射出。入射光的頻譜成分不變時，產生的光電流與光強成正比。光強愈大，則光子數(shù)目越多，逸出子數(shù)也就越多。12.1光電式傳感器當前8頁，總共77頁。12.1.2光電效應2）內光電效應在光照射下，物體內的電子不能逸出物體表面，而使物體的電導率發(fā)生變化或產生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內光電效應。此現(xiàn)象多發(fā)生于半導體內。內光電效應又可分為光電導效應和光生伏特效應。(1)光電導效應在光作用下，電子吸收光子能量后從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，引起材料電導率變化的現(xiàn)象稱光電導效應。為實現(xiàn)能級的躍遷，入射光能量必須大于光電導材料的禁帶寬度Eg。對于一種光電導材料，只有波長小于波長限0的光照射，才能產生電子能級的躍進，從而使電導率增加。自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶導帶價帶禁帶Eg12.1光電式傳感器當前9頁，總共77頁。12.1.2光電效應2）內光電效應(2)光生伏特效應光作用下使物體產生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。情況1：半導體器件的光敏面受光照不均勻時，光照部分吸收光子能量產生光電子，使其電子濃度高于未照部分，出現(xiàn)濃度梯度，形成載流子的擴散運動。由于電子的遷移率高于空穴，電子首先流向未光照部分，使光照部分帶負電，未照部分帶正電，形成光電動勢。(丹培效應)情況2：光照射半導體PN結的結區(qū)使兩端產生電動勢。入射到PN結勢壘區(qū)的光子激發(fā)產生的自由電子和價帶的自由空穴在結內電場作用下運動，電子被推向N區(qū)，空穴被推向P區(qū)，從而使P區(qū)帶正電、N區(qū)帶負電。光電子在N區(qū)積累，空穴在P區(qū)積累，使PN結兩端形成電位差，從而產生光生電動勢。若用導線連接P區(qū)和N區(qū)，電路中有光電流流過。(勢磊效應)12.1光電式傳感器當前10頁，總共77頁。12.1.3光電器件1）外光電效應器件(1)光電管的結構及原理

光電管由—個涂有光電材料的陰極和一個陽極構成，并且密封在一只真空玻璃管內。陰極通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡內壁上做成，陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形置于玻璃管的中央。真空光電管的結構如圖所示。(2)光電倍增管的結構及原理

光電倍增管由光陰極、次陰極(倍增電極)以及陽極三部分組成。它利用二次電子釋放效應將光電信號進行放大。12.1光電式傳感器當前11頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件-光電導器件(1)光敏電阻光敏電阻是基于光電導效應工作原理制成的光電器件。光敏電阻又稱為光導管。光敏電阻幾乎都是用半導體材料制成，其結構較簡單，如圖所示。工作原理：當無光照時，光敏電阻的阻值很高；當其受到一定波長范圍的光照射時，光子的能量大于材料的禁帶寬度，價帶中的電子吸收光子能量后躍遷到導帶，激發(fā)出導電的電子—空穴對，使電阻降低；光愈強，激發(fā)出的電子—空穴對越多，電阻值越低；光照停止，自由電子與空穴復合，導電性能下降，電阻恢復原值。A光導電材料絕緣襯低引線電極引線光電導體12.1光電式傳感器當前12頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件(1)光電導器件-光敏電阻因濕度影響光敏電阻的靈敏度，需要將光電導體密封在玻殼中。典型的結構和符號及電路如圖所示。參數(shù)：暗電阻、暗電流：光敏電阻在室溫條件下，全暗(無光照射)后經過一定時間測量的電阻值稱暗電阻，此時在給定電壓下流過的電流稱暗電流。亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值稱為該光照下的亮電阻。此時流過的電流為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差。暗電阻越大、亮電阻越小，也即暗電流越小，光電流越大，性能越好。RG1234567(a)結構(b)電極(c)符號RGRLEI12.1光電式傳感器當前13頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件(2)光電池的結構及原理光照下，光電池直接將光轉變?yōu)殡妱觿?，實質是電壓源.

硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散法摻入一些P型雜質(例如硼)形成PN結，如下左圖所示。光照射在PN結上時，若光子能量大于半導體材料禁帶寬度，則在PN結內產生電子—空穴對，在內電場的作用下，空穴移向P區(qū)，電子移向N區(qū)，使P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負電，因而PN結產生電勢。當光照到PN結上時，若在兩級間串接負載，電路中產生電流，如下中圖所示。其符號、電路如下右圖所示。IU(a)(b)12.1光電式傳感器當前14頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件(3)光敏二極管和光電池一樣，光敏二極管的基本結構是一個PN結，與光電池不同的是其結面積小，因此其頻率特性好。

工作于光伏模式的光敏二極管的光生電勢與光電池的相同，但輸出電流比光電池的小，一般為幾A到幾十A。光敏二極管的結構與普通半導體二極管類似的，裝在透明玻殼中，PN結裝在管頂，接受光照射。右圖是光敏二極管的結構圖。12.1光電式傳感器當前15頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件(3)光敏二極管光敏二極管符號如下左圖所示。

基于光電導效應工作的光敏二極管在電路中處于反向偏置電壓狀態(tài)，其電路如下右圖所示。光敏二極管無光照時反向電阻很大、反向電流即暗電流很小，有光照時的工作原理與光電池的相似。其光電流與光照度之間呈線性關系，適合用于模擬量檢測等應用。PN光光敏二極管符號RL

光PN光敏二極管接線12.1光電式傳感器當前16頁，總共77頁。12.1.3光電器件2）內光電效應器件(4)光敏三極管的結構及原理光敏三極管有PNP型和NPN型兩種，其結構與一般三極管相似，有電流增益，只是其發(fā)射極一邊很大，以擴大光照射面積，一般不接基極引線，也有帶基極引線的。當集電極加正電壓,基極開路時，集電極處反偏狀態(tài)。當光照射在集電極的結區(qū)時產生電子-空穴對，在內電場作用下，光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高，大量電子流向集電極,形成輸出電流，集電極電流為光電流的β倍。PPNNNPeb

bcRLEec12.1光電式傳感器當前17頁，總共77頁。12.1.3光電器件3）光電器件的主要特性*光電器件的主要特性參數(shù)反映了其工作性能。(1)光照特性反映器件的輸入光量與輸出光電流(光電壓)之間的關系;靈敏度可用光照特性表征。光照特性常用響應率R描述。對光生電流器件，輸出電流I與光輸入功率Pi之比稱為電流響應率Ri；對光生伏特器件，輸出電壓Up與光輸入功率Pi之比稱為電壓響應率Ru。典型器件的光照特性的非線性比較與適用范圍。12.1光電式傳感器當前18頁，總共77頁。12.1.3光電器件3）光電器件的主要特性*(2)光譜特性光譜特性指光電器件的相對靈敏度與入射光波長的關系，又稱光譜響應。材料不同，器件的響應峰值波長不同。為提高光電傳感器靈敏度，對包含光源與光電器件的傳感器，應根據(jù)器件的光譜特性合理選配光源和光電器件；對被測體本身作光源的傳感器，則應按被測體的輻射光波長選擇光電器件。下圖給出典型器件的光普特性，不同器件的特點不同。12.1光電式傳感器當前19頁，總共77頁。12.1.3光電器件3）光電器件的主要特性*(3)響應時間響應時間反映器件的動態(tài)特性。響應時間短則動態(tài)特性好。采用調制光的傳感器，調制頻率上限受器件響應時間限制。如圖所示，光敏電阻響應時間一般為10-1～10-5s，光敏三極管約20s。光敏二極管的響應速度比光敏三極管高一數(shù)量級，硅管比鍺管高一數(shù)量級。響應時間與負載有關，負載小的響應快。應根據(jù)性能需求與器件的響應時間來選擇光敏器件…12.1光電式傳感器當前20頁，總共77頁。12.1.3光電器件3）光電器件的主要特性*(4)溫度特性溫度變化既影響光電器件的靈敏度，也影響光譜特性。下圖為硫化鉛（PbS）的光譜溫度特性。可見，光譜響應峰值隨溫度升高而向短波方向移動。降溫是提高光敏電阻對長波長響應的有效措施。在室溫下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時，有必要進行溫度補償或在恒溫下工作。根據(jù)應用環(huán)境與性能要求選擇適當方法補償溫度影響。12.1光電式傳感器當前21頁，總共77頁。12.1.3光電器件3）光電器件的主要特性*(4)伏安特性在一定的光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關系稱為伏安特性。它是傳感器設計時選擇工作狀態(tài)的電參數(shù)的依據(jù)。使用時應注意不要超過器件最大允許的功耗。由圖可見，光敏電阻在一定的電壓范圍內，其I-U曲線為直線。硫化鎘光敏電阻的伏安特性硅光敏二極管;硅光敏晶體管12.1光電式傳感器當前22頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件1）光電耦合器件光電耦合器(光電隔離器)是利用發(fā)光元件與光敏元件封裝為一體而構成的電-光-電轉換器件。加到發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號，接收器件輸出的信號為耦合器的輸出信號。有信號電壓加到光電耦合器的輸入端時，發(fā)光器件發(fā)光，光敏管受光照而產生光電流，使輸出端產生相應的電信號，從而實現(xiàn)了電-光-電的傳輸和轉換。根據(jù)結構與用途不同，光電耦合器可分為光電隔離器和光電開關兩類。光電隔離器主要用于實現(xiàn)電路間的電氣隔離和消除噪聲影響；光電開關主要用于物位檢測等場合。(1)光電隔離器光電隔離器由發(fā)光二極管和光敏晶體管封裝在同一個管殼內組成，在裝配上要使LED輻射能量能有效地耦合到光敏晶體管上。

12.1光電式傳感器當前23頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件1）光電耦合器件如圖所示為光電耦合器的幾種基本組合。選用哪種形式的光電隔離器要根據(jù)使用要求和目的確定。

光電隔離器的主要應用方面：(1)將輸入與輸出端兩部分電路的地線分隔開，并各自使用一套電源供電，如右圖所示。12.1光電式傳感器當前24頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件1）光電耦合器件光電隔離器的主要應用方面：(2)實現(xiàn)電平轉換。如圖所示(3)提高驅動能力。

12.1光電式傳感器當前25頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件2）光電開關光電開關是通過把光的強度變化轉變?yōu)殡娦盘栕兓⒁源藖韺崿F(xiàn)控制的一種電子開關。光電開關按結構和工作方式的不同，可分為溝式、對射式、反光板反射式、擴散反射式、聚焦式、光纖式等類型。對射式開關是將發(fā)光元件與接收元件分離，加大了檢測距離，圖a所示為對射式的工作原理圖。反光式開關將發(fā)光與接收元件安裝在一起，并在光路設計上保證各自的光軸相交于對應的反光板，如圖b所示。12.1光電式傳感器當前26頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件2）光電開關如圖所示為幾種光電開關的工作示意圖。12.1光電式傳感器當前27頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)是一種在20世紀70年代初問世的新型半導體器件。利用CCD作為轉換器件的傳感器，稱為CCD傳感器，或稱CCD圖像傳感器。

CCD器件有兩個特點：一是它在半導體硅片上制有成百上千個(甚至數(shù)百萬個)光敏元，它們按線陣或面陣有規(guī)則地排列。二是它具有自掃描能力，亦即將光敏元上產生的光生電荷依次有規(guī)則地串行輸出，輸出的幅值與對應的光敏元上的電荷量成正比。(1)電荷耦合器件結構與原理

電荷耦合器件分為線陣器件和面陣器件兩種，其基本組成部分是MOS光敏元列陣和讀出移位寄存器。12.1光電式傳感器當前28頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結構與原理結構：電荷耦合單元是組成CCD的基本單元，這種基本單元實際是MOS電容器。以P型（或N型）半導體為襯底，上面覆蓋一層厚度約120nm的SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極構成MOS電容轉移器件。一個MOS結構稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結構就構成CCD器件。下圖為MOS(MetalOxideSemiconductor)光敏元的結構及勢阱圖。12.1光電式傳感器當前29頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結構與原理工作原理：MOS電容器存儲電荷，若半導體是P型硅，在金屬電極上加正電壓Ug時，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受排斥，少數(shù)載流子(電子)吸引到P-SiO界面處，在界面附近形成一帶負電的耗盡區(qū)，稱表面勢阱。光照產生電子-空穴對，光生電子被附近的勢阱吸收，且吸收的光生電子數(shù)與入射到該勢阱附近的光強成正比。勢阱存儲了電荷，同時產生的空穴被排斥出耗盡區(qū)。一定條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層越深，Si表面吸收少數(shù)載流子，表面勢(半導體表面對于襯底的電勢差)也越大，勢阱容納的少數(shù)載流子電荷量越大。

12.1光電式傳感器當前30頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）（1）電荷耦合器件結構與原理

讀出移位寄存器工作原理：MOS電容器用同一半導體襯底制成，襯底上涂覆一層氧化層，并在其上制作許多相互絕緣的金屬電極，相鄰電極之間僅隔極小距離。對于可移動的電荷信號都將力圖向表面勢大的位置移動。為保證信號電荷按確定方向和路線轉移，在各電極上所加的電壓嚴格滿足相位要求，如下圖所示為以三相配線連接的讀出移位寄存器的結構及控制時鐘波形。以此為例可說明電荷定向轉移的過程。12.1光電式傳感器當前31頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(2)線型CCD圖像傳感器一列光敏元與一列移位寄存器并行且對應構成。兩者之間有一轉移控制柵，各光敏元都有一梳狀公共電極，由一個P型溝阻隔離。光敏元陣列有光照且梳狀電極加高電壓時，光敏元進行光積分。積分結束時轉移柵的電壓提高(平時為低)，與移位寄存器對應的電極同時處于高電壓。然后降低梳狀電極電壓，各光敏元中所積光電荷并行轉移到移位寄存器中。轉移完畢，轉移柵電壓降低，梳妝電極電壓回復原高電壓狀態(tài)，準備下一次光積分。同時，給移位寄存器加時鐘脈沖，將存儲電荷從寄存器轉移至輸出端。重復該過程得到相繼的行輸出，從而讀出電荷圖形。轉移柵光積分單元不透光的電荷轉移結構輸出12.1光電式傳感器當前32頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(3)面型CCD圖像傳感器這種圖像傳感器由感光區(qū)、信號存儲區(qū)和輸出轉移部分組成?，F(xiàn)有三種典型結構形式，其中行掃描型的如圖所示。圖示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區(qū)和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元信息轉移到水平方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。該結構方式的不足是易引起圖像模糊。二相驅動視頻輸出

行掃描發(fā)生器輸出寄存器檢波二極管二相驅動感光區(qū)12.1光電式傳感器當前33頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(4)CCD傳感器的應用

CCD傳感器利用光敏元的光電轉換功能將射到光敏元件上的光學圖像轉換為電信號“圖像”，即光強的空間分布轉換為與光強成比例的、大小不等的電荷包空間分布，然后經讀出移位寄存器的移位功能將電信號“圖像”轉送，并經放大器輸出。CCD傳感器主要分為線陣、面陣兩種。在非電量的測量中，CCD傳感器的三個主要用途：I.組成測試儀器，可以測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。II.用作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于傳真技術、光學文字識別技術(OCR)與圖像識別技術、光譜測量及空間遙感技術、機器人視覺技術等方面。12.1光電式傳感器當前34頁，總共77頁。12.1.3其他典型光電器件3）電荷耦合器件（CCD）(4)CCD傳感器的應用CCD傳感器的三個主要用途：III.作為自動化流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等方面。如圖所示為用線陣CCD傳感器測量物體尺寸的基本原理。

12.1光電式傳感器當前35頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用1）光電傳感器的構成與類型除光源、光電探測器外，根據(jù)不同的光學測量原理和結構類型，光電傳感器還包括光學元件或系統(tǒng)、測量電路。光電傳感器中必須采用一定的光學元件，并按一些光學定律和原理構成各種各樣的光路。常用光學元件有各種反射鏡和透鏡。要使光電傳感器能很好地工作，除合理選用光電轉換元件，配備合適光源外，還需配備合適測量線路。測量線路主要根據(jù)所用光電器件及其工作方式選擇設計相應的基本測量電路。類型：按輸出量性質不同有模擬式和開關式光電傳感器。12.1光電式傳感器當前36頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用1）光電傳感器的構成與類型1）模擬式傳感器將被測量被轉換成連續(xù)變化光電流，要求光敏元件為線性，光源均勻恒定。其工作方式如下：(1)被測物本身是光輻射源，直接由光敏元件接收。如光電高溫計、紅外偵察、紅外遙感和天文探測等。(2)被測物體位于恒定光源與光敏元件之間，根據(jù)被測物對光的吸收程度或對其譜線的選擇來測定被測參數(shù)。如測液體、氣體的透明度、混濁度，氣體成分分析等。(3)恒定光源釋出的光投射到被測體上，再從其表面反射到光敏元件上，根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面性質和狀態(tài)。例如測零件表面缺陷、表面位移以及表面白度、露點、濕度等。12.1光電式傳感器當前37頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用1）光電傳感器的構成與類型(4)被測物位于恒定光源與光敏元件之間，根據(jù)被測物阻檔光通量的多少測定被測參數(shù)。如測長度、厚度、線位移、角位移和角速度等。這種傳感器將被測對象作為光閘，主要用于測小孔、狹縫、細絲直徑等。(5)時差測距

恒定光源的光投射于目的物，再反射至光電元件，根據(jù)發(fā)射與接收之間的時差測距離。如光電測距儀。

2）開關式光電傳感器

利用光敏元件光照或無光照時的“有”、“無”電信號輸出特性將被測量轉換成斷續(xù)變化信號。要求光敏元件靈敏度高，對光照特性線性要求不高。主要用于零件或產品自動記數(shù)、光控開關、計算機的光電輸入、光電編碼器及光電報警等。12.1光電式傳感器當前38頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用2）光電式傳感器的其它應用(1)反射式模擬光電傳感器右圖所示為反射式模擬光電傳感器用于檢測工件表面粗糙度或表面缺陷的原理圖。(2)透射式光電傳感器 如下圖所示為透射式光電傳感器用于檢測工件孔徑或狹縫寬度的原理圖。

12.1光電式傳感器當前39頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用2）光電式傳感器的其它應用(3)線紋瞄準用光電傳感器下圖所示為線紋瞄準用光電傳感器原理圖。12.1光電式傳感器當前40頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用2）光電式傳感器的其它應用(4)脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器的工作方式是使光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”與“斷”的開關狀態(tài)，所以光電元件運用在開關狀態(tài)。脈沖式光電傳感器可以用來測量物體的運動速度和轉速。工作原理如圖所示。12.1光電式傳感器當前41頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用2）光電式傳感器的其它應用(5)煙塵濁度監(jiān)測儀煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達光檢測器上的光減少，因而光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。下圖所示為吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)的組成框圖。

12.1光電式傳感器當前42頁，總共77頁。12.1.4光電傳感器的應用2）光電式傳感器的其它應用(6)燈光亮度自動控制器控制器主要由環(huán)境光照檢測電橋、放大器A、積分器、比較器、過零檢測器、鋸齒波形成電路、雙向晶閘管V等組成，電路框圖如圖所示。

12.1光電式傳感器當前43頁，總共77頁。12.2紅外傳感器12.2.1概述1）紅外線人眼能看到的可見光按波長從長到短排列，依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。紅光的波長范圍0.62~0.76m。紅外線是一種不可見光，因位于可見光中紅色光以外(波長大于紅光波長)的光線而稱紅外線。紅外線在電磁波譜中的位置如圖所示。當前44頁，總共77頁。12.2.1概述2）紅外線的性質及特點(1)性質紅外輻射的物理本質是熱輻射，一個熾熱物體向外輻射的能量大部分是通過紅外線輻射出來的。自然界中高于0K的任何物體都能輻射紅外光。物體的溫度越高，輻射出來的紅外線越多，輻射的能量就越強。紅外光的本質與可見光或電磁波性質一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性，它在真空中也以光速傳播，并具有明顯的波粒二相性。紅外光在介質中傳播會產生衰減。其中，金屬對紅外輻射衰減非常大，多數(shù)半導體和一些塑料能透過紅外輻射；大多數(shù)液體對紅外輻射的吸收非常大；不同的氣體對其吸收程度不同。大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。12.2紅外傳感器當前45頁，總共77頁。12.2.1概述2）紅外線的性質及特點(2)主要特點①易于產生，容易接收；②采用紅外LED，結構簡單，易于小型化，且成本低；③調制簡單，依靠調制信號編碼可實現(xiàn)多路控制；④不能通過遮擋物，不會產生信號串擾等誤動作；⑤功率消耗小，反應速度快；⑥對環(huán)境無污染，對人、物無損害；⑦抗干擾能力強。12.2紅外傳感器當前46頁，總共77頁。12.2.2紅外探測器紅外傳感器一般由光學系統(tǒng)、探測器、信號調理電路及顯示單元等組成，其核心是紅外探測器。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現(xiàn)的物理效應來探測紅外輻射。按探測機理的不同，分為熱探測器和光子探測器兩大類。熱探測器其工作原理是利用紅外輻射的熱效應，探測器的敏感元件吸收輻射能后引起溫升，進而使某些物理參數(shù)發(fā)生相應變化，通過測量物理參數(shù)變化確定探測器所吸收的紅外輻射。主要類型：熱釋電型、熱敏電阻型、熱電阻型和氣體型。光子探測器其工作原理是利用入射光輻射的光子流與探測器材料中的電子互相作用，從而改變電子的能量狀態(tài)，引起各種電學現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為光子效應。12.2紅外傳感器當前47頁，總共77頁。12.2.2紅外探測器熱釋電型探測器原理*熱釋電效應：石英、酒石酸鉀鈉、鈦酸鋇等晶體受熱產生溫度變化時，其原子排列變化，晶體自然極化使兩個極化面產生電荷的現(xiàn)象。熱釋電探測器原理：基于熱釋電效應制成的“鐵電體”的極化強度（單位面積的電荷）與溫度有關。紅外線照到已極化的鐵電體薄片表面時使薄片升溫、其極化強度下降，表面電荷減少，相當于釋放部分電荷，所以稱熱釋電型器件。將負載電阻與鐵電體薄片相連，負載電阻上產生電信號輸出，信號強弱取決于薄片溫度變化快慢，從而反映入射紅外的強弱，熱釋電型探測器的電壓響應率正比于入射光輻射率變化率。

熱釋電效應示意圖

鈦酸鋇的熱釋電系數(shù)基本變化規(guī)律

當前48頁，總共77頁。12.2.2紅外探測器熱釋電紅外探測器結構*特殊問題*熱釋電效應產生的極化電荷不能永存，由于處于器件表面，如果就此擱置，必然被空氣中各種離子復合而使器件仍呈電中性。所以，一般要在器件前方加裝一個周期性遮斷被測紅外光的機械裝置，使器件接受紅外光而引起的溫度作周期性變化，使得測量過程中始終存在比例于紅外光強的極化電荷。熱釋電式紅外光敏元件構造及其構成的電路(a)樹脂成型式；(b)微透鏡式；(c)電路構成

當前49頁，總共77頁。12.2.3紅外探測的原理1）相關概念紅外光的最大特點：具有光熱效應、輻射熱量。紅外光照射到不同物體上產生的光熱效應不同。能全部吸收投射到它表面的紅外輻射的物體稱為黑體；能全部反射紅外輻射的物體稱為鏡體；能全部透過紅外輻射的物體稱為透明體；能部分反射、部分吸收紅外輻射的物體稱為灰體。自然界中并不存在理想的黑體、鏡體和透明體。12.2紅外傳感器當前50頁，總共77頁。12.2.3紅外探測的原理2）測溫原理紅外輻射的基本定律是紅外測溫的基礎。（1）基爾霍夫定律物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能，即

M(T)=(T)M0(T)M0(T)為黑體(理想物)在溫度T時單位面積內的光譜輻射功率,或稱輻射出射度；(T)為物體的吸收率，黑體的(T)=1,非黑體的(T)<1；M(T)為非黑體的光譜輻射出射度。物體在溫度T時的光譜輻射出射度與同溫度的黑體的光譜輻射出射度之比ε(T)稱為物體的輻射系數(shù)或輻射率。物體的輻射率等于它的吸收率，即ε(T)=(T)。12.2紅外傳感器當前51頁，總共77頁。12.2.3紅外探測的原理2）測溫原理(2)普朗克定律（亮度溫度計：單色）一個黑體可在全波長范圍內輻射能量，但對各種波長而言，其能量的分布并非一致。在給定的波長和溫度T下，黑體的輻射出射度由普朗克定律給出，即式中，為波長；C1=3.75×10?16W?m2,為普朗克第一輻射常數(shù)；C2=1.44×10-2mK,為普朗克第二輻射常數(shù)?？芍?，同一溫度下，對應不同波長的紅外輻射出射度不同。12.2紅外傳感器當前52頁，總共77頁。12.2紅外傳感器當前53頁，總共77頁。12.2.3紅外探測的原理2）測溫原理(3)維恩位移定律（顏色溫度計：對比雙色）熱輻射的電磁波中含各種波長。黑體發(fā)生最大輻射功率的波長與其自身的熱力學溫度成反比，即：

m=2897/T，(m)

右圖給出不同溫度的光譜輻射分布曲線，虛線表示了上式描述的峰值輻射波長與溫度的關系?？芍逯递椛洳ㄩL隨溫度升高向短波方向偏移。物體輻射峰值波長與溫度關系曲線

12.2紅外傳感器當前54頁，總共77頁。12.2紅外傳感器當前55頁，總共77頁。12.2.3紅外探測的原理2）測溫原理(4)斯特藩?波爾茲曼定律（全輻射溫度計：能量吸收）物體溫度越高，紅外輻射的能量越多，總的輻射出射度為

M(T)=TT4式中，T為溫度為T時全波長范圍的物體材料的輻射率，也稱黑度系數(shù)；=5.67×10?8W?m－2?K?4

，為斯特藩?波爾茲曼常數(shù)?？芍何矬w的輻射對物體溫度的變化很敏感。當此輻射到達另一物體時，一部分輻射被吸收。若該物體為對輻射敏感的元件，則通過對該元件的檢測可實現(xiàn)對輻射體狀況的檢測。紅外探測器/傳感器的作用是將紅外輻射轉換為電信號輸出。12.2紅外傳感器當前56頁，總共77頁。12.2紅外傳感器當前57頁，總共77頁。12.2.4紅外探測器的主要性能參數(shù)紅外探測器的優(yōu)劣主要用幾個特性參數(shù)衡量。(1)響應率探測器的輸出電壓Uo與入射到探測器的輻射功率之比，即R=Uo/P，(V/W)，它描述了探測器的靈敏度。給出響應率時，要說明工作溫度和光敏面的面積，有時要說明入射的輻射功率。常用輻射源為500K黑體，R的寫法為：R（輻射源，調制頻率）。(2)光譜響應紅外探測器的響應率與入射光波長的關系。熱探測器的響應率與波長無關，光子探測器的響應率為波長的函數(shù)，響應峰值對應的波長為峰值波長，一般定義與響應峰值的一半所對應的波長為截止波長。12.2紅外傳感器當前58頁，總共77頁。12.2.4紅外探測器的主要性能參數(shù)(3)噪聲等效功率NEP：紅外光探測器的輻射功率P所產生的輸出電壓Uo正好等于探測器的噪聲電壓UN時的輻射功率；

NEP=P(Uo/UN)－1=UN/R。(4)探測率D

噪聲等效功率的倒數(shù)，D=(NEP)-1=R/UN，其中，R為靈敏度，UN為探測器的綜合噪聲電壓。探測率越高，表明其所能探測到的最小功率越小，探測器越靈敏。(5)響應時間探測器受輻射時，輸出信號上升到穩(wěn)定值的63%時所需時間。對一般探測器，加上和去掉輻射源的響應時間相等。此外，使用中還需考慮工作溫度、外加電壓或電流、檢測面積、電阻參數(shù)等。12.2紅外傳感器當前59頁，總共77頁。12.2.5紅外傳感器的應用1）紅外線紙張監(jiān)控器12.2紅外傳感器當前60頁，總共77頁。12.2.5紅外傳感器的應用2）被動式紅外報警器被動式紅外報警器主要由光學系統(tǒng)、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和報警電路等幾部分組成。其結構框圖如圖所示。3）紅外線遙控鼠標器中的傳感器4）照相機中的紅外線傳感器——夜視功能12.2紅外傳感器當前61頁，總共77頁。12.3光纖傳感器12.3.1光纖與光纖傳感器概述光纖：光通信系統(tǒng)中遠距離傳輸光波信號的載體。光纖傳感器(FiberOpticalSensor)是基于光導纖維的傳感器。傳感機理：在傳光的過程中，光纖易受外界因素如壓力、溫度、電磁場等變化影響，使光纖中光波參數(shù)如光強、相位、頻率等變化。測出光波參數(shù)的變化，可得相應的被測量。光纖中傳播的光可用方程描述為：E=E0cos(t+) 式中，E0為光波振幅；為光波頻率；為初相角。E中含5個參數(shù)信息—光強E02、頻率

、波長=2c/(c為光速)、相位（+）和偏振態(tài)。被測量在傳感頭（通常為調制器）內與光相互作用，改變上述5個參數(shù)之一，如改變光強，稱強度調制光纖傳感器，依次類推，有5種調制型光纖傳感器。優(yōu)點（相對其他傳感器）：靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐腐蝕、電絕緣性好和光路可彎曲等。當前62頁，總共77頁。12.3.2光纖的結構與種類1）光纖的結構如圖所示，光纖通常由纖芯、包層及外套組成。纖芯處于光纖中心部位，由玻璃、石英、塑料等材料制成，為圓柱體，直徑約5～150μm。圍繞著纖芯的一層叫包層，材料也是玻璃、塑料等材料，但其折射率小于纖芯。纖芯和包層構成一個同心圓雙層結構，能使光功率封閉在里面?zhèn)鬏敗Ｍ獗砻娴耐馓灼鸨Ｗo支撐光纖的作用。正常情況下，大部分光能沿纖芯傳輸，在包層中也有沿徑向衰減的光波存在。因此，纖芯和包層材料都必須是低損耗的。12.3光纖傳感器當前63頁，總共77頁。12.3.2光纖的結構與種類按材料分類：多組分光纖（材料多成分）、石英系列光纖、液芯光纖和塑料光纖。按纖芯折射率分布：階躍型（SIF）、漸變型（GIF）。1）階躍型光纖

纖芯和包層折射率如圖a所示。中心光線沿光纖軸線傳播，通過軸線的子午光線(只在一個包含光纖軸線的平面內不斷反射前進)呈鋸齒型軌跡。其帶寬窄，適于小容量、短距離通信。2）漸變型光纖（自聚焦光纖）

纖芯折射率漸變如圖b所示。傳播中光自動從折射率小的界面處向中心會聚，其軌跡類似正弦波曲線。其帶寬較寬，適于中容量、中距離通信。12.3光纖傳感器當前64頁，總共77頁。12.3.2光纖的結構與種類按傳輸模式數(shù)不同有單模(SMF)和多模(MMF)光纖。在光纖受光角內，以某一角度射入光纖并在纖芯與包層交界面上全反射傳向光纖另一端的光線，稱光的一個傳輸模式；若允許光以多個特定角射入光纖并在其中傳播，稱多模式。一定波長下能以多模式傳輸?shù)墓饫w稱多模光纖，其纖芯直徑較大，一般50～75m，包層直徑100～200m。多模光纖傳輸性能較差，帶寬窄，傳輸容量較小。如圖，以不同角度入射光纖的光在光纖中形成不同的傳播模式。沿光纖軸傳的叫基模，相繼還有一次模、二次模等。纖芯直徑很小，只許通過一個基模的光纖稱單模光纖。其纖芯直徑很小(4～10m)，由于只傳輸基模，其傳輸頻帶很寬，傳輸容量大，適用于大容量、長距離光纖通信。12.3光纖傳感器當前65頁，總共77頁。12.3.3光纖的傳光原理

根據(jù)幾何光學原理，如圖所示，當光以較小入射角1(小于臨界角θc)由光密介質1（纖芯）射向光疏介質2（包層）（即折射率n1>n2）時，一部分入射光以折射角2折射入介質2，其余部分以1反射回介質1。依據(jù)光折射和反射的斯涅爾（Snell）定律，有：（1）當1角逐漸增大至1=2時，透射入介質2的折射光也逐漸折向界面，直至沿界面?zhèn)鞑?2=90)。對應于2=90時的入射角1稱為臨界角c。（2）當1>c時，光線不再折射入介質2，而在介質1內產生連續(xù)向前的全反射，直至由終端面射出。12.3光纖傳感器當前66頁，總共77頁。12.3.3光纖的傳光原理實際關心光以多大角度射入光纖時，能使折射光完全在纖芯中傳播，即上圖中光線入射角0什么情況下使1>c

。設光從空氣(折射率n0)射入纖芯(折射率n1)端面，包層的折射率為n2,根據(jù)Snell定律有:n0sin0=n1sin(90?1)=n1cos1；要形成全反射，須滿足n1sin1≥n2。由上述兩個關系式可得：因此，入射角的最大值為0max=argsin()。定義sin0max為光纖的數(shù)值孔徑(NA)，則NA=空氣的折射率n0為1，光纖的NA值由材料的折射率決定。NA