光電傳感器考試必備復(fù)習(xí)材料

1、 第一章 光電傳感器光電效應(yīng)1、 外光電效應(yīng)：在光線作用下，能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象。如光電管和光電倍增管。外光電效應(yīng)器件:光電管和光電倍增管。2、 內(nèi)光電效應(yīng)： （a) 光電導(dǎo)效應(yīng):在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象。如光敏電阻。 （b)光生伏特效應(yīng)：在光線作用下使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，也稱為阻擋層光電效應(yīng)。如光電池、光敏晶體管等光電器件。 內(nèi)光電效應(yīng)器件：光敏電阻、光電池和光敏二極管和光敏晶體管三、光照射物體時(shí)，電子吸收入射光子的能量，每個(gè) 光子具有的能量是：普朗克常數(shù)(h=6.62620*10-34 爾格.秒) 光的頻率（Hz），波長(zhǎng)短，頻率高，能量大逸出后的電子動(dòng)能逸出

2、功所吸收的光子能量能量守恒定律 如果光子的能量E大于電子的逸出功A，超出的能量表現(xiàn)在電子逸出的動(dòng)能，電子逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。 能否產(chǎn)生光電效應(yīng)，取決于光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。也就是說，能否產(chǎn)生光電效應(yīng)只與光子的頻率和普朗克常量h有關(guān)，與光照強(qiáng)度無關(guān)。 紅限頻率或長(zhǎng)波限：當(dāng)光子的能量等于光子的逸出功時(shí)，即E=h=A時(shí)，就是紅限頻率或長(zhǎng)波限。 光敏電阻:1. 結(jié)構(gòu)和原理當(dāng)無光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小 當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加2 光敏電阻的特性（非線性）暗電阻和暗電流: 光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過一定時(shí)間測(cè)量的電阻

3、值，稱為暗電阻。此時(shí)流過的電流，稱為暗電流。亮電阻:光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過的電流稱為亮電流。光電流:亮電流與暗電流之差，稱為光電流。伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系1、在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；2、在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒有飽和現(xiàn)象。3、光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，4、耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。 各種效應(yīng)光電池：（1）

4、光譜特性：光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的，可見硒光電池適用于可見光，常用于照度計(jì)。故在實(shí)際應(yīng)用中，要根據(jù)光源頻率選光電池，或根據(jù)光電池選光源。(2)光照特性：不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開路電壓與光照度是非線性的光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，要求輸入量與輸出量呈線性關(guān)系，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來使用。光敏二極管和光敏晶體管： 光敏二極管的工作原理：結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態(tài)， 無光照時(shí)，反向電阻很大， 反向電流很??； 有光照時(shí)，PN結(jié)處產(chǎn)生光生 電子空穴對(duì)

5、； 在電場(chǎng)作用下形成光電流， 光照越強(qiáng)光電流越大； 光敏三極管： 與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。特性：（1） 光譜特性可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則鍺管較為適宜。（2） 伏安特性（3） 光照特性 ：光敏三極管輸出電流與照度間呈近似線性關(guān)系，故可用于測(cè)量，也可用于開關(guān)元件。光敏二極管的光照特性曲線的線性相對(duì)光敏三極管更好。 （4） 溫度特性：溫度變化對(duì)光電流影響較小，而對(duì)暗電流影響很大。 應(yīng)用中，就對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償。（5） 頻率響應(yīng)：頻率特性受負(fù)載電阻的影響較大，減小負(fù)載電阻可以提高頻率響 應(yīng)。光電位置傳

6、感器：光電位置傳感器應(yīng)用：分析下列的電路圖（只做參考） 光電開關(guān): 透射式和反射式門窗防盜報(bào)警:原理要掌握，要看懂電路圖光電器件前置放大器反饋電阻的計(jì)算設(shè)每LX的輸入，光電流IIN=5.5nA.如果取反饋電阻為180，則每LX就可以得到1mV的輸出電壓。如照度范圍為(02000LX)則輸出電壓為（02V）電容Cf作用：為了不產(chǎn)生自激振蕩，需要的去耦電容光柵式傳感器：功能：用于線位移和角位移以及轉(zhuǎn)換為長(zhǎng)度的物理量的測(cè)量。其原理簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、測(cè)量范圍廣，易于實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示和自動(dòng)化測(cè)量。光柵傳感器組成：光柵傳感器由光路系統(tǒng)、標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵。通常指示光柵比標(biāo)尺光柵短得多，但兩者刻有同樣

7、密度的紋線，測(cè)位移時(shí)，指示柵固定不動(dòng)，標(biāo)尺光柵移動(dòng)。莫爾條紋：相鄰的兩明暗條紋之間的距離B稱為莫爾條間距。橫向莫爾條紋重要特性:莫爾條紋運(yùn)動(dòng)與光柵運(yùn)動(dòng)具有對(duì)應(yīng)關(guān)系，條紋的移動(dòng)反映標(biāo)尺光柵與指示光柵相對(duì)移動(dòng)的大小和方向。標(biāo)尺移動(dòng)一個(gè)柵距W,莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距BH，莫爾條紋的光強(qiáng)度按正弦規(guī)律變化。莫爾條紋具有位移放大作用 莫爾條紋具有平均光柵誤差作用：所產(chǎn)生的條紋由所有刻線產(chǎn)生而不是一條刻線產(chǎn)生，故起到平均誤差的作用辨向原理 ：物體正向移動(dòng)時(shí)，并將得到的脈沖數(shù)累加，而物體反向移動(dòng)時(shí)就從已累加的脈沖數(shù)中減去反向移動(dòng)所得的脈沖數(shù)。第二章 幾何光學(xué)費(fèi)馬原理：光從一點(diǎn)傳播到另一點(diǎn)是沿著光程為極值（極

8、大、極小、常量）的路徑傳播的。光程：光線在介質(zhì)中傳播的距離與該介質(zhì)折射率的乘積。折射率：是光在某種介質(zhì)中被阻擋的程度。組成光學(xué)系統(tǒng)的各個(gè)光學(xué)元件的表面曲率中心同在一條直線上，則稱為共軸光學(xué)系統(tǒng)，該直線叫作光軸。完善成像條件：由物點(diǎn)發(fā)出的通過光學(xué)系統(tǒng)到達(dá)像點(diǎn)的任意光路的光程相等。軸向放大率 ：它表示光軸上一對(duì)共軛點(diǎn)沿軸向移動(dòng)量之間的關(guān)系。角放大率:定義為折射光線的孔徑角和它對(duì)應(yīng)的入射光線的孔徑角的比值。角放大率表示折射球面將光束變寬或變細(xì)的能力，角放大率只與共軛點(diǎn)的位置有關(guān)，而與光線的孔徑角無關(guān)系。、三者之間的關(guān)系：·=成像放大率：J越大，光學(xué)系統(tǒng)的性能越高。平面反射鏡的轉(zhuǎn)動(dòng)：光學(xué)杠桿

9、雙平面反射鏡的成像(角鏡成像)入射角與出射角的夾角=2，只與雙平面反射鏡的夾角有關(guān)，與入射角的角度無關(guān)入射光線經(jīng)過角鏡后方向的改變，只與角鏡的頂角有關(guān)。如果保持角鏡的頂角不變，在入射光線方向不變的情況下，如果角鏡繞垂直于圖平面的軸旋轉(zhuǎn)，它的出射光線方向始終不會(huì)改變。理想光學(xué)系統(tǒng)的放大率及其相互間的關(guān)系（1） 垂軸放大率：（2） 軸向放大率：（3） 角放大率：、三者之間的關(guān)系：·=像、物方焦點(diǎn)、焦平面注意：物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)不是一對(duì)共軛點(diǎn)！注意：物方主面和像方主面是一對(duì)共軛面！景像平面（是光組的焦距，是光組的焦距，f是總焦距，d是兩光組的距離）光學(xué)系統(tǒng)的孔徑光闌、入射光瞳和出射光瞳是限

10、制和決定系統(tǒng)的有效光束大小的，即決定從軸上物點(diǎn)到達(dá)共軛像點(diǎn)的光線數(shù)目，它就是孔徑光闌（有效光闌）。（照相機(jī)調(diào)光圈就是調(diào)節(jié)孔徑光闌的大?。┛讖焦怅@通過它前方的光學(xué)系統(tǒng)所成的像（即孔徑光闌在整個(gè)系統(tǒng)物空間的像），稱為“入射光瞳”?？讖焦怅@通過它后方的光學(xué)系統(tǒng)所成的像（即孔徑光闌在整個(gè)系統(tǒng)像空間的像），稱為“出射光瞳”?？讖焦怅@、入射光瞳、出射光瞳三者相互共軛。 物面上各點(diǎn)發(fā)出的光進(jìn)入系統(tǒng)參與成像的公共入口就是入瞳，公共出口就是出瞳。第4章 物理光學(xué)光的干涉光程差與相位差的關(guān)系相鄰兩個(gè)亮條紋或暗條紋間的距離為條紋間距可利用此公式求波長(zhǎng)任何兩條相鄰的明（或暗）條紋所對(duì)應(yīng)的光程差之差一定等于一個(gè)波長(zhǎng)值。

11、當(dāng)某一參量引起光程差的改變，則相應(yīng)的干涉條紋就會(huì)發(fā)生移動(dòng)。例1、求光波的波長(zhǎng)在楊氏雙縫干涉實(shí)驗(yàn)中，已知雙縫間距為0.60mm，縫和屏相距1.50m，測(cè)得條紋寬度為1.50mm，求入射光的波長(zhǎng)。解：由楊氏雙縫干涉條紋間距公式 e=D/d可以得到光波的波長(zhǎng)為 =e·d/D代入數(shù)據(jù)，得=1.50×10-3×0.60×10-3/1.50 =6.00×10-7m =600nm例2、根據(jù)條紋移動(dòng)求縫后所放介質(zhì)片的厚度當(dāng)雙縫干涉裝置的一條狹縫S1后面蓋上折射率為n=1.58的云母片時(shí)，觀察到屏幕上干涉條紋移動(dòng)了9個(gè)條紋間距，已知波長(zhǎng)=5500A0，求云母片的

12、厚度。光程差增加一個(gè)波長(zhǎng)，干涉條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距解：沒有蓋云母片時(shí)，零級(jí)明條紋在O點(diǎn)； 當(dāng)S1縫后蓋上云母片后，光線1的光程增大。 由于零級(jí)明條紋所對(duì)應(yīng)的光程差為零，所以這時(shí)零級(jí)明條紋只有上移才能使光程差為零。 依題意，S1縫蓋上云母片后，零級(jí)明條紋由O點(diǎn)移動(dòng)原來的第九級(jí)明條紋位置P點(diǎn)， 當(dāng)x<<D時(shí)，S1發(fā)出的光可以近似看作垂直通過云母片，光程增加為(n-1)b，從而有 (n-1)b=k所以 b=k/(n-1)=9×5500×10-10/(1.58-1) =8.53×10-6m例3 一雙縫裝置的一個(gè)縫為折射率1.40的薄玻璃片遮蓋，另一個(gè)縫為折射率

13、1.70的薄玻璃片遮蓋，在玻璃片插入以后，屏上原來的中央極大所在點(diǎn)，現(xiàn)在為原來的第五級(jí)明紋所占據(jù)。假定=480nm，且兩玻璃片厚度均為t，求t值。解：兩縫分別為薄玻璃片遮蓋后，兩束相干光到達(dá)O點(diǎn)處的光程差的改變?yōu)槔?楊氏雙縫實(shí)驗(yàn)中，P為屏上第五級(jí)亮紋所在位置?，F(xiàn)將一玻璃片插入光源發(fā)出的光束途中，則P點(diǎn)變?yōu)橹醒肓翖l紋的位置，求玻璃片的厚度。平行平板產(chǎn)生的等傾干涉在一均勻透明介質(zhì)n中放入上下表面平行，厚度為h 的均勻介質(zhì)n楔形平板產(chǎn)生的等厚干涉等厚干涉：平行光入射非均勻薄膜，i相同，對(duì)于不同的薄膜厚度e產(chǎn)生不同的干涉條紋， 這種干涉叫等厚干涉 。兩個(gè)不平行平面的分振幅干涉，稱為楔形平板的干涉。從以

14、上亮紋或暗紋公式易導(dǎo)出，從一個(gè)條紋過渡到另一個(gè)條紋，平板的厚度變化為e為條紋的間距，則，得條紋的間距對(duì)應(yīng)光程差變化為 ，楔板的楔角，劈尖的應(yīng)用：測(cè)波長(zhǎng)，測(cè)折射率，測(cè)細(xì)小直徑、厚度微小變化和測(cè)表面不平度。(2) .測(cè)量微小物體的厚度將微小物體夾在兩薄玻璃片間，形成劈尖，用單色平行光照射。 ，由得 例如用波長(zhǎng)為589.3nm的鈉黃光垂直照射長(zhǎng) L=20mm 的空氣劈尖，測(cè)得條紋間距為，求物體厚度例題 在檢測(cè)某工件表面平整度時(shí),在工件上放一標(biāo)準(zhǔn)平面玻璃,使其間形成一空氣劈尖，并觀察到彎曲的干涉條紋，如圖所示。求紋路深度H。解 若工件表面是平的,等厚條紋應(yīng)為平行于棱邊的直線條紋。由于一條條紋對(duì)應(yīng)一個(gè)厚

15、度，由圖的紋路彎曲情況可知，工件表面的紋路是凹下去的。所以紋路深度，。這個(gè)非常重要因?yàn)槭抢蠋熀髞硖砩系钠鹌髯匀还馔ㄟ^偏振片后成為線偏振光，線偏振光的振動(dòng)方向與偏振片的偏振化方向一致。檢偏器用來檢驗(yàn)?zāi)骋皇馐欠衿窆狻７椒ǎ恨D(zhuǎn)動(dòng)偏振片，觀察透射光強(qiáng)度的變化。自然光：透射光強(qiáng)度不發(fā)生變化若以光傳播方向?yàn)檩S，慢慢旋轉(zhuǎn)檢偏片，觀察透過偏振片的光光強(qiáng)無變化的是自然光光強(qiáng)有變化，但最小值不為零的是部分偏振光光強(qiáng)有變化，但最小值為零(消光)的是線偏振光物性型光纖傳感器原理光纖既是敏感元件又是傳光元件。（如溫度、壓力、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等等改變時(shí)，引起光纖傳光特性，如相位、光強(qiáng)、偏振角發(fā)生變化。）1. 相位調(diào)制原理（光纖即做敏感元件又做傳光元