课题6 光电式传感器及其应用（课件）- 《传感器与检测技术应用》同步教学（北京理工大学版）

2024-01-05

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课题6 光电式传感器及其应用任务1 认识光电效应及光电元器件任务2 光纤传感器任务3 红外传感器任务4 光电式传感器知识扩展任务5 光电传感器项目实训—光敏二极管在路灯控制器中的应用返回任务1 认识光电效应及光电元器件 6.1.1光源与光辐射体 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6-2所示，这些光的频率(波长)各不相同，但都具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。使用光电传感器时，光照射到光电元件单位面积上的光通量(即光照度)越大，光电效应越明显。 2.光源与光辐射体光电检测中遇到的光，可以由各种发光器件产生，也可以是物体的辐射光。下面简要介绍各种发光器件及物体的红外辐射。下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件 (1)白炽光源白炽灯又称钨丝灯、灯泡，是将灯丝通电加热到白炽状态，利用热辐射发出可见光的电光源。白炽光源产生的光，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。 (2)气体放电光源气体放电光源是利用气体放电发光原理制成的。外界电场加速放电管中的电子，通过气体(包括某些金属蒸气)放电而导致原子发光的光谱，如日光灯、汞灯、钠灯、金属卤化物灯。气体放电有弧光放电和辉光放电两种，放电电压有低气压、高气压和超高气压三种。当放电电流很小时，放电处于辉光放电阶段;放电电流增大到一定程度时，气体放电呈低电压大电流放电，这就是弧光放电。上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件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。高低压水银弧灯的光色近于日光;钠弧灯发出的光呈黄色，发光效率特别高(200 lm/W );氖弧灯功率最大，光色也与日光相近。 (3)发光二极管发光二极管简称为LE D。由镓(Ga)与砷(As) ,磷(P)的化合物制成的二极管，当电子与空穴复合时能辐射出可见光，因而可以用来制成发光二极管。上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件由于它是一种电致发光的半导体器件，它与钨丝白炽灯相比具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。发光二极管可用LE D表示，它的种类很多，其发光波长见表6-1, GaAs1-xPx、GaP、SiC发出的是可见光，而GaAs、Si、Ge为红外光。 (4)激光器激光是新颖的高亮度光，它是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。在正常分布状态下，原子多处于稳定的低能级E1，如无外界的作用，原子可长期保持此状态。上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件但在外界光子作用下，赋予原子一定的能量ε，原子就从低能级E1跃迁到高能级E2，这个过程称为光的受激吸收。光子能量与原子能级跃迁的关系为处在高能级E2的原子在外来光的诱发下，跃迁至低能级E1而发光，这个过程称为光的受激辐射。受激辐射发出的光子与外来光子具有完全相同的频率、传播方向、偏振方向。一个外来光子诱发出一个光子，在激光器中得到两个光子，这两个光子又可分别诱发出两个光子，得到四个光子，这些光子进一步诱发出其他光子，这个过程称为光放大。上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件如果通过光的受激吸收，使介质中处于高能级的粒子比处于低能级的多—“粒子数反转”，则光放大作用大于光吸收作用。这时受激辐射占优势，光在这种工作物质内被增强，这种工作物质就称为增益介质。若增益介质通过提供能量的激励源装置形成粒子数反转状态，这时大量处于低能级的原子在外来能量作用下将跃迁到高能级。激光的形成必须具备三个条件:①具有能形成粒子数反转状态的工作物质—增益介质;②具有供给能量的激励源;③具有提供反复进行受激辐射场所的光学谐振腔。激光具有方向性强、亮度高、单色性好、相干性好的优点，广泛用在光电检测系统中。上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件 6.1.2光电效应及分类光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量hv正比于光的频率v(h普朗克常数)。每个光子具有的能量为式中，h为普朗克常数上一页下一页返回任务1 认识光电效应及光电元器件由此可见，对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为by的光子轰击，组成这

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