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1、特点频谱宽不受电磁干扰的影响非接触测量高精度、高分辨力、高可靠性反应快应用检测、控制领域第2页/共31页第1页/共31页第一节第一节 光源光源光源是光电式传感器的重要组成部分。选择光源要考虑哪些因素？波长谱分布相干性体积造价功率第3页/共31页第2页/共31页常见的光源有哪几类？自然光源太阳光 天空光人工光源热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件第4页/共31页第3页/共31页一、热辐射光源什么是热辐射光源？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。哪些光源属于热辐射光源？白炽灯卤钨灯热辐射光源的峰值波长与什么有关？物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。第5页
2、/共31页第4页/共31页热辐射光源有哪些特点？输出功率大响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区域，可用作近红外光源。第6页/共31页第5页/共31页二、气体放电光源什么是气体放电光源？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。气体放电光源的光谱与什么有关？其光谱是不连续的，光谱与气体的种类几放电条件有关。哪些光源属于气体放电光源？低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用作单色光源。还有氙灯。第7页/共31页第6页/共31页三、电致发光器件发光二极管什么是电致发光器件？固体发光材料在电场激发下产生
3、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。哪些器件属于电致发光器件？主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。第8页/共31页第7页/共31页发光二极管的结构发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。电极控制层N型半导体电极绝缘层P型半导体第9页/共31页第8页/共31页发光二极管有哪些优点？体积小寿命长工作电压低响应速度快发热小第10页/共31页第9页/共31页四、激光器激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写，即light amplification b
4、y stimulated emission of radiation.某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量，从低能级跃迁到高能级上，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。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。具有这种功能的器件称为激光器。第11页/共31页第10页/共31页激光器有哪些优点？单色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪几种？固体激光器（红宝石）气体激光器（He-Ne）,（CO2，远红外光源）半导体激光器（体积小，能量高，
5、电源简单）液体激光器第12页/共31页第11页/共31页第二节第二节 光电器件光电器件光电器件的作用是将光信号变为电信号。不同种类的光电传感器，对光电器件在灵敏度、动态特性、频谱接收能力等方面的要求也不相同。光电器件按探测原理可分为：热探测型和光子探测型。第13页/共31页第12页/共31页一、热探测器热探测型器件首先将光信号的能量变为自身的温度变化，再利用器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器。探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，尤其适用于红外探测。种类有：测辐射的热电偶、测辐射的热敏电阻、热释电探测器等。热释电传感器可
6、用于防火、防盗装置，光谱仪，红外测温仪，热象仪，红外遥感技术等中。（查资料）第14页/共31页第13页/共31页二、光子探测器光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。什么是光电效应？光是由光子组成的，其能量和频率关系为 E=hf光照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15页/共31页第14页/共31页是不是光的强度越大激发的导电电子越多
7、，为什么？光子探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光，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。目前常用的光子探测型器件有哪几种？光电发射型探测器光电导型探测器光电结型探测器光生伏特型探测器第16页/共31页第15页/共31页（一）光电发射型探测器在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，用这种原理制成的光电器件称为光电发射型探测器。主要有：真空光电管和光电倍增管概念红限临界波长hc/A0第17页/共31页第16页/共31页图7-3 真空光电管的结构及外接电路a)结构 b)外接电路图7-4 光电倍增管的结构原理图第18页/共31页第17页/共31页光电管的
8、特性包括：光电特性（I-）、伏安特性（I-U）、光谱特性（I-）等图7-5 光电管的特性a)光电倍增管的光电特性 b)光电倍增管的伏安特性 c)光电管的光谱特性-铯氧银阴极 -锑化银阴极 -人的视觉光谱特性第19页/共31页第18页/共31页（二）光电导型探测器半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光导效应，基于光导效应的光电器件称为光敏电阻，也叫光导管。特点：灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长。纯电阻元件，无源器件，有电流通过时，会产生热的问题。电路简单。适用于红外探测。第20页/共31页第19页/共31页（三）光电结型探测器与光电导型
9、工作原理相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变为电信号，只是光照射在半导体结上而已，。主要有：光电二极管和光电三极管。第21页/共31页第20页/共31页图7-7 光敏管结构及其符号a)光敏二极管 b)光敏三极管c)光敏场效应三极管第22页/共31页第21页/共31页（四）光生伏特型探测器是一种自发电式的有源器件。这种半导体器件受到光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件，如硅光电池。太阳能电池优点：轻便、简单、不会产生气体或热污染，易于适应环境。可用于宇宙飞行器的各种仪表电源。第23页/共
10、31页第22页/共31页图7-8 硅光电池构造原理和图示符号 第24页/共31页第23页/共31页半导体光电器件的特性包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、频率特性、温度特性等图7-10 半导体光电器件的光电特性a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性第25页/共31页第24页/共31页图7-11 半导体光电器件的伏安特性a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性 第26页/共31页第25页/共31页图7-12 半导体光电材料的光谱特性a）光敏电阻的光谱特性 b）光敏管和光电池的光谱特性 第27页/共31页第26页/共31页图7-
11、13 半导体光电器件的频率特性a）光敏电阻和光电池的频率特性b）光敏晶体管的频率特性 第28页/共31页第27页/共31页图7-14 半导体光电器件的温度特性a）锗光敏晶体管的温度特性 b）硅光电池的温度特性第29页/共31页第28页/共31页第三节第三节 电荷耦合器件和位置敏感器电荷耦合器件和位置敏感器件件电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是70年代发展起来的一种新型器件。它将MOS光敏元阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、遥感。车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检测、对刀仪、复杂形貌测量等。第29页/共31页优点固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长图像畸变小、尺寸重现性好光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的定位精度和测量精度，具有较高分辨力自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围视频信号便于与微机接口第30页/共31页感谢您的观看！第31页/共31页