光电式传感器 PPT课件
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波长10—200nm称为极远紫外线 可见光：波长380—780nm
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。
0.01
波长/μm 极远紫外
0.05
0.1
0.5
远 近 可见光 紫 紫 外 外
1
近红外
5
远红外
10
第一节 光源 一、热辐射光源
定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，也就是利用物体升温
产生光辐射的原理制成的光源，称为热辐射光源。物体温升越高，辐
射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。加热可以借电流沿导体 流动时所释放的热量来实现。
实例：白炽灯、卤钨灯 ；
白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可 见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外
光源。
卤钨灯特点：卤钨灯灯丝温度较高，紫外线较丰富，因此可用作为 紫外光源，发光效率比白炽灯高2~3倍。
第一节 光源
白炽灯
卤钨灯
第一节 光源
二、气体放电光源
定义：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。 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。 改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一 光谱范围的辐射源。 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统 称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为 254nm ，钠灯的辐射波长约为 589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的
第一节 光源
发光二极管
第一节 光源 四、激光器
激光产生的过程：
某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐
射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； 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（受激辐射）； 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。 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
第一节 光源
激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类
—固体激光器（如红宝石激光器）
–气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器）
–液体激光器。
二氧化碳激光器
固体激光器-红宝石
液体激光器 半导体激光器
第一节 光源
1、固体激光器 固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激 光器，诞生于 1960 年。红宝石激光器的工作介质是掺 0.5% 铬的氧化铝 （即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿 光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）； Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与 红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其 光泵，这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。 固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有 一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用 于地球到月球的距离测量。
第一节 光源
光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、
造价、功率等。
光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光光源等。 光谱（附加知识点）
光波：波长为10—106nm的电磁波
紫外线：波长10—380nm 波长300—380nm称为近紫外线
波长200—300nm称为远紫外线
光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一 个光子具有一定的能量，光子的能量 E hf ，其中 h 为普朗克常数，
h 6.626 1034 Js ， f 为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能
量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应。例如
光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电 效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为 hf 的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效 应的物理现象，根据产生电效应的不同，光电效应大致可以分为三类： 外光电效应 、内光电效应 、光生伏特效应
百度文库
第七章 光电式传感器
工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件3 部分；
辐射源 光学通路 光电器件 输出
被测量
被测量 图7-1 光电式传感器原理图
第七章 光电式传感器
工作过程：
①被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到
光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布； ②光电器件将光信号转换为电信号； ③电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。 特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、 重量轻、造价低等。
光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。
第一节 光源
低压汞灯 氢灯
氦灯
钠灯
镉灯
第一节 光源 三、电致发光器件－发光二极管
定义：固体发光材料在电场激发下产生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，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 发光二极管（LED）的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长 一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压 时， N区电子向 P区运动，与 P区空穴结合时发出一定频率的光，光子 频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二 极管的发光频谱。
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件
第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件
第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
返回主目录
第七章 光电式传感器
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器 测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可 以将非电量的变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有 结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。
第一节 光源
红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。
0.01
波长/μm 极远紫外
0.05
0.1
0.5
远 近 可见光 紫 紫 外 外
1
近红外
5
远红外
10
第一节 光源 一、热辐射光源
定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，也就是利用物体升温
产生光辐射的原理制成的光源，称为热辐射光源。物体温升越高，辐
射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。加热可以借电流沿导体 流动时所释放的热量来实现。
实例：白炽灯、卤钨灯 ；
白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可 见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外
光源。
卤钨灯特点：卤钨灯灯丝温度较高，紫外线较丰富，因此可用作为 紫外光源，发光效率比白炽灯高2~3倍。
第一节 光源
白炽灯
卤钨灯
第一节 光源
二、气体放电光源
定义：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。 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。 改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一 光谱范围的辐射源。 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统 称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为 254nm ，钠灯的辐射波长约为 589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的
第一节 光源
发光二极管
第一节 光源 四、激光器
激光产生的过程：
某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐
射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）； 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（受激辐射）； 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。 具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。
第一节 光源
激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。 种类：激光器种类繁多，按工作物质分类
—固体激光器（如红宝石激光器）
–气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器） –半导体激光器（如砷化镓激光器）
–液体激光器。
二氧化碳激光器
固体激光器-红宝石
液体激光器 半导体激光器
第一节 光源
1、固体激光器 固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激 光器，诞生于 1960 年。红宝石激光器的工作介质是掺 0.5% 铬的氧化铝 （即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿 光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）； Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与 红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其 光泵，这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。 固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有 一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用 于地球到月球的距离测量。
第一节 光源
光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、
造价、功率等。
光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光光源等。 光谱（附加知识点）
光波：波长为10—106nm的电磁波
紫外线：波长10—380nm 波长300—380nm称为近紫外线
波长200—300nm称为远紫外线
光具有波粒二象性，光的粒子学说认为光是由一群光子组成的，每一 个光子具有一定的能量，光子的能量 E hf ，其中 h 为普朗克常数，
h 6.626 1034 Js ， f 为光的频率。因此，光的频率越高，光子的能
量也就越大。光照射在物体上会产生一系列的物理或化学效应。例如
光合效应、光热效应、光电效应等。光电传感器的理论基础就是光电 效应，即光照射在某一物体上，可以看作物体受到一连串能量为 hf 的光子所轰击，被照射物体的材料吸收了光子的能量而发生相应电效 应的物理现象，根据产生电效应的不同，光电效应大致可以分为三类： 外光电效应 、内光电效应 、光生伏特效应
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第七章 光电式传感器
工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件3 部分；
辐射源 光学通路 光电器件 输出
被测量
被测量 图7-1 光电式传感器原理图
第七章 光电式传感器
工作过程：
①被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到
光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布； ②光电器件将光信号转换为电信号； ③电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。 特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、 重量轻、造价低等。
光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。
第一节 光源
低压汞灯 氢灯
氦灯
钠灯
镉灯
第一节 光源 三、电致发光器件－发光二极管
定义：固体发光材料在电场激发下产生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，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。 发光二极管（LED）的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长 一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压 时， N区电子向 P区运动，与 P区空穴结合时发出一定频率的光，光子 频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二 极管的发光频谱。
第七章 光电式传感器
第一节 光源 第二节 光电器件
第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件
第四节 光纤传感器 第五节 光栅式传感器 第六节 激光式传感器
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第七章 光电式传感器
光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。利用这种传感器 测量非电量时，只需将这些非电量的变化转换成光信号的变化，就可 以将非电量的变化转换成电量的变化而进行检测。光电式传感器具有 结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反应快等特点。