现代传感技术与系统

反射式：光→被测物→光电元件（反射） 测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动；
遮光式：光→被测物→光电元件（部分遮光）
测量物体位移、振动、速度；
辐射式：被测物→光 →光电元件，辐射强度
测量辐射温度、放射线可；编辑版
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5.1.3 光电式传感器的一般形式
2. 脉冲式光电传感器
透射式：
光源 － 码盘－光电元件 码盘转动－遮光－透光－脉冲 转速越高 － 脉冲频率越高
卤素 + 内壁钨 → 卤化钨 → 受热 分解 → 钨 → 沉积到钨丝
特点：谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区
发光效率低，15%在可见光， 发热大，>80%能量转化为热能， → 热光源
寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险
应用：可见光源 --- 宽光谱 （滤色片 → 窄带光谱，避免杂光干扰 → 仪器）
380 400 500 600 700 可编紫辑版 蓝 青 绿 黄 橙
400 435 470 525 575 605
780 nm
红
8
685
5.2.2 热辐射光源
原理：高温物体 → 光辐射，温度高 → 辐射能大 器件：白炽灯 --- 钨丝（1879年，爱迪生）
+ 惰性气体 → 提高寿命 卤钨灯 --- 钨丝+卤素（碘），
有辐射，废弃物有汞污染、易碎
频率低，对人眼有损害，
应用：强光、色温要求接近日光 可编辑版
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5.2.4 发光二极管(LED)
原理：半导体，电致发光， 特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源
功耗低（白炽灯1/8，荧光灯1/2）、发热少 寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ） 、耐振动 响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，
5.2.5 激光光源
染料激光器
离子激光器
半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性
蓝色/紫色激光
红色激光 可近编辑红版外小功率
蓝色激光器 14
5.3 光电效应及光电元件
❖ 5.3.1 外光电效应及其器件 ❖ 5.3.2 内光电效应及器件
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5.3.1 外光电效应及其器件
反射式：
转速传感器
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频闪式：
转速传感器
5.2 常用光源
❖ 5.2.1 对光源的要求 ❖ 5.2.2 热辐射光源 ❖ 5.2.3 气体放电光源 ❖ 5.2.4 发光二极管(LED) ❖ 5.2.5 激光光源
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5.2.1 对光源的要求
照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度
均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射
近红外光源 --- 红外检测 可编辑版
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5.2.3 气体放电光源
原理：气体分子激发 → 放电 → 发光 器件： 弧光灯 --- 碳弧灯 钠弧灯 氙弧灯 水银弧灯(汞灯) 金卤灯
荧光灯 --- 气体放电+荧光粉，波长更长 日光灯：光谱接近日光
节能灯：压缩荧光灯， 特点： 效率高，省电
功率大，光色接近日光，紫外线丰富
第5章 光电式传感器
❖ 5.1 光电传感器概述 ❖ 5.2 常用光源 ❖ 5.3 光电效应及光电元件 ❖ 5.4 光电编码器 ❖ 5.5 光栅传感器
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1
5.1 光电传感器概述
❖ 5.1.1 光电式传感器的组成原理 ❖ 5.1.2 特点及应用 ❖ 5.1.3 光电式传感器的一般形式
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5.1.1 光电式传感器的组成原理
工作原理：光 → 敏感元件 → 电
敏感元件：光电元件
光电效应
外光电效应 内光电效应
系统组成： 光源
光
光通路 光
电 光电元件
电
测量电路
y
测量方式： 被测量x1
被测量x2
方式：
改变光源： 改变光路：
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5.1.2 特点及应用
特点：非接触、响应快、性能可靠、精度高 应用：光 光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、
几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、
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5.1.3 光电式传感器的一般形式
1. 模拟式光电传感器
透射式：光→被测物→光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明度、 液体混浊度、气体浓度；
1. 外光电效应
原理：光 → 金属物体表面 → 电子获得光子的能量 光子能量 > 表面溢出功 → 电子逸出表面 → 光电子发射
特点：速度快 --- 从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能 --- 光子能量 > 表面溢出功 频率下限f0 --- 当 f < f0 时无激发电子 → “红限”
时间相干性、空间相干性均好
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5.2.5 激光光源
固体激光器：体积小，坚固，功率高
红外固体激光器 绿色固体激光器 红宝石固体激光器 气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小；
高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；
He-Ne激光器
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He-Cd激光器
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He-Cd激光器（制冷）
发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响
光谱要求：光波频率、波长 ： 紫外 → 可见光 → 红外
全光谱 波长：
10-14
10-12
紫外光
À nm
m
可见光
红外光
mm cm
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
1mΒιβλιοθήκη Baidu
可见光：380nm ～ 780nm 红外光：780nm ~ 1m 紫外光：1nm ~ 380nm
原理：外界光 → 光原子 → 能级跃迁 → 受激辐射 → 光放大→谐振→辐射激光
特点：方向性好---发散角很小(约0.18º)，比普通光小2~3数量
亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍
单色性好---光谱范围极小，频率单一；
（He-Ne激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm）
相干性好---受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致
器件：单色LED：红色、绿色、黄色、 橙色、蓝色 应用：指示灯、背光源
白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心 光谱丰富---（篮+黄）/（篮+绿+红）
亮度高---荧光灯5倍，白炽灯的25倍
应用：仪器光源、可室编辑内版照明、
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5.2.5 激光光源
LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光”