工学光电式传感器.pptxVIP

输出辐射源光学通路光电器件被测量被测量 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；光电式传感器原理图 第七章 光电式传感器工作过程：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；光电器件将光信号转换为电信号；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。7.1 光源波长光波：波长10~106nm电磁波。可见光波长：380~780nm；红外线波长：780~106nm；紫外线波长：10~380nm；波长300~380nm称为近紫外线波长200~300nm称为远紫外线波长10~200nm称为极远紫外线频率电磁波谱图0.010.11100.050.55波长/mm极远紫外可见光近红外远红外7.1 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。远紫外近紫外7.1 光源电磁波谱图7.1 光源光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。　光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。7.1 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光源分类：热辐射光源气体放电光源激光器电致发光器件等7.1.1 热辐射光源定义：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。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7.1.2 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。7.1.2 气体放电光源实例：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。 P型半导体绝缘层电极N型半导体控制层电极7.1.3 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。 发光二极管的结构：7.1.3 电致发光器件－发光二极管发光二极管的发光原理：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。 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。P型半导体绝缘层电极N型半导体控制层电极7.1.3 电致发光器件－发光二极管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。7.1.4 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（受激发射）；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。 7.1.4 激光器激光器的优点：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。(一) 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