光电式传感器

第4章光电式传感器

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

4．5．4 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

思考题

第4章 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。

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x 1表示被测量能直接引起光量变

化的检测方式；x 2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、²²²²²²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

图4-2电磁波波谱

不相同，但都具有反射、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

hv =ε （式4-1）

式中 h-普郎克常数，h ＝6.626³10－34J •s

光源 光通路 光电元件 测量放大 光量 光量 电量 电量输出

X 1 X 2

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。

表4-1 辐射度学量 名称（中英文）

符号 单位名称 单位代号 辐射能（Radiant energy ）

Q 焦耳 J 辐射通量（Radiant flux ）

Φ 瓦特 W 辐射强度（Radiant intensity ） I 瓦/球面度 W/sr 辐射度（Radiant exintence ）

M 瓦/米2 W/m 2 辐射亮度（Radiance ）

L 瓦/米2²球面度 W/m 2²sr 辐照度（Irradiane ）

E 瓦/米2 W/m 2 表4-2 光度学量

名称（中英文）

符号 单位名称 单位代号 光能量（Luminous energy ）

Q 流明²秒 lm ²s 光通量（Luminous flux ）

Φ 流明 lm 光强度（Luminous intensity ）

I 坎德拉 流明/球面度 cd lm/sr 发光度（Luminous exintence ）

M 流明/米2²球面度 lm/m 2 光亮度（Luminance ）

L 坎德拉/米2（尼特） 流明/米2²球面度 cd/m 2（nit ） lm/m 2²sr 光照度（Illuminance ） E 流明/米2（勒克斯） lm/m 2

（lx ）

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λΦ、光谱辐射出射度λM 、光谱辐射强度λI 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5.305*10³cm²面积上辐射出来的光通量为1 lm 。 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1 W=683

lm 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，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。

二、气体放电光源

气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发

过程。原子辐射光谱呈现许多分离的明线条，称为线光谱。分子辐射光谱是一段段的带，称

为带光谱。线光谱和带光谱的结构与气体成分有关。

气体放电光源目前常用的有碳弧、低压水银弧、高压水银弧、钠弧、氖弧灯等。高低压