光電式傳感器剖析課件

1、第8章 光電式傳感器光 電信號 81 光電效應(yīng)82 光電器件83 光源及光學(xué)元件84 光電式傳感器的應(yīng)用85 光纖傳感器86 紅外傳感器87 圖像傳感器簡介8.1 光電效應(yīng)8.1.1 外光電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：當光線照射在某些物體上，使物體內(nèi)的電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱為光電發(fā)射，逸出的電子稱為光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有：光電管和光電倍增管。 光子能量： E=h Js 式中，h=普朗克常數(shù)，h=6.62610-34 Js；光的頻率（s-1）。 Einstein光電方程： h=mv02/2+A0 式中，m電子質(zhì)量；v0逸出電子的初速度；A0物體的逸出功（或物體表面束縛能）。

2、基本規(guī)律： 紅限頻率0（又稱光譜域值）：剛好從物體表面打出光電子的入射光波頻率，隨物體表面束縛能的不同而不同，與之對應(yīng)的光波波長0（紅限波長）為 0 =hc/ A0 （8-3）式中，h=普朗克常數(shù)；c光速；A0物體的逸出功。 當入射光頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電子（或光電流）與光強成正比。 逸出光電子具有初始動能Ek=mv02/2，故外光電器件即使沒有加陽極電壓，也會產(chǎn)生光電流，為了使光電流為零，必須加負的截止電壓。8.1 光電效應(yīng)8.1 光電效應(yīng)8.1.2 內(nèi)光電效應(yīng) 當光照射在物體上。使物體的電阻率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。8.

3、1.2.1 光電導(dǎo)效應(yīng) 在光線作用下，材料內(nèi)電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。入射光能導(dǎo)出光電導(dǎo)效應(yīng)的臨界波長0為0=hc/Eg (8-4) 式中，h=普朗克常數(shù)；c光速；Eg半導(dǎo)體材料禁帶寬度。8.1 光電效應(yīng)8.1.2.2 光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；诠馍匦?yīng)的光電器件有光電池和光敏晶體管。 1勢壘效應(yīng)（結(jié)光電效應(yīng)） 接觸的半導(dǎo)體和PN結(jié)中，當光線照射其接觸區(qū)域時，若光子能量大于其禁帶寬度Eg，使價帶電子躍遷到導(dǎo)帶，產(chǎn)生電子空穴對，由于阻擋層內(nèi)電場

4、的作用，形成光電動勢的現(xiàn)象稱為結(jié)光電效應(yīng)。 2側(cè)向光電效應(yīng) 當半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，由于載流子（光照產(chǎn)生的電子空穴對）濃度梯度的存在將會產(chǎn)生側(cè)向光電效應(yīng)。光照強的部分帶正電，光照弱的部分帶負電。8.2 光電器件8.2.1 光電管8.2.1.1 光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：真空（或充氣）玻璃泡內(nèi)裝兩個電極：光電陰極和陽極，陽極加正電位。如圖8-1所示。 原理：當光電陰極受到適當波長的光線照社時發(fā)射光電子，在中央帶正電的陽極吸引下，光電子在光電管內(nèi)形成電子流，在外電路中便產(chǎn)生光電流I。圖8-1 光電管的結(jié)構(gòu)和工作原理 8.2 光電器件8.2.1.2 光電管的特性 1伏安特性 當入射光的頻

5、譜和光通量一定時，陽極電壓與與陽極電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。如圖8-2（a）、（b）所示。 2光電特性 當光電管的陽極與陰極間所加電壓和入射光譜一定時，陽極電流I與入射光在光電陰極上的光通量之間的關(guān)系。如圖解8-2（c）所示。圖8-2 光電管的特性（a）真空光電管伏安特性；（b）充氣光電管伏安特性；（c）光電管的光電特性8.2 光電器件 3光譜特性 同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。 銻銫（Cs3Sb）材料陰極，紅限波長0=0.7 m ，對可見光的靈敏度較高，轉(zhuǎn)換效率可達20%30%； 銀-氧-銫光電陰極，構(gòu)成紅外探測器，其紅限波長0=1.2m，在近紅外區(qū)（0.

6、750.80m）的靈敏度有極大值，靈敏度較低，但對紅外較敏感； 銻鉀鈉銫陰極光譜范圍較寬（0.30.85 m ）靈敏度也較高，與人眼的光譜特性很接近，是一種新型光電陰極； 對紫外光源，常采用銻銫陰極和鎂鎘陰極。 光譜特性用量子效率表示。對一定波長入射光的光子射到物體表面上，該表面所發(fā)射的光電子平均數(shù)，稱為量子效率，用百分數(shù)表示，它直接反映物體對這種波長的光的光電效應(yīng)的靈敏度。8.2 光電器件 8.2.2 光電倍增管8.2.2.1 光電倍增管的結(jié)構(gòu)和工作原理 結(jié)構(gòu)：由光電陰極、若干倍增極和陽極組成，如圖8-3。 原理：光電倍增管工作時，各倍增極（D1、D2、D3）和陽極均加上電壓，并依次升高，陰

7、極K電位最低，陽極A電位最高。入射光照射在陰極上，打出光電子，經(jīng)倍增極加速后，在各倍增極上打出更多的“二次電子”。如果一個電子在一個倍增極上一次能打出個二次電子，那么一個光電子經(jīng)n個倍增極后，最后在陽極會收集到n個電子而在外電路形成電流。一般=36，n為10左右，所以，光電倍增管的放大倍數(shù)很高。 光電倍增管工作的直流電源電壓在7003000V之間，相鄰倍增極間電壓為50100V。8.2 光電器件 圖8-3 光電倍增管(a)結(jié)構(gòu)圖；(b)原理圖；(c)供電電路8.2 光電器件8.2.2.2 光電倍增管的主要參數(shù) 1.倍增系數(shù)M 當各倍增極二次電子發(fā)射系數(shù) i=時，M=n，則陽極電流為I=i n

8、(8-5)式中，i光電陰極的光電流。 光電倍增管的電流放大倍數(shù)為=I/i= n (8-6)M一般在105108之間，M與所加電壓有關(guān)。8.2 光電器件 2.光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度 一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)稱為光電陰極的靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)稱為光電倍增管的總靈敏度。靈敏度曲線見圖8-4。 注意:光電倍增管的靈敏度很高，切忌強光源照射。 圖8-4 光電倍增管特性曲線8.2 光電器件 3暗電流和本底脈沖 在無光照射（暗室）情況下，光電倍增管加上工作電壓后形成的電流稱為暗電流。 在光電倍增管陰極前面放一塊閃爍體，便構(gòu)成閃爍計數(shù)器。當閃爍體受到人眼看不見的宇

9、宙射線照射后，光電倍增管就有電流信號輸出，這種電流稱為閃爍計數(shù)器的暗電流，一般稱為本底脈沖。 4光電倍增管的光譜特性 光電倍增管的光譜特性與同材料陰極的光電管的光譜特性相似。8.2 光電器件8.2.3 光敏電阻8.2.3.1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理 光敏電阻由梳狀電極和均質(zhì)半導(dǎo)體材料制成，基于內(nèi)光電效應(yīng)，其電阻值隨光照而變化。圖8-5示出其結(jié)構(gòu)、原理。圖8-5 CdS光敏電阻結(jié)構(gòu)和工作原理1-玻璃；2-光電導(dǎo)層；3-電極；4-絕緣襯底；5-金屬殼；6-黑色絕緣玻璃；7-引線 光敏電阻是純電阻器件，具有很高的光電靈敏度，常作為光電控制用。8.2 光電器件8.2.3.2 光敏電阻的主要特性參數(shù)

10、1暗電阻、亮電阻和光電流 暗電阻：光敏電阻在室條件下，無光照時具有的電阻值，稱為暗電阻（1M）。此時流過的電流稱為暗電流。 亮電阻：光敏電阻在一定光照下所具有的電阻稱其為在該光照下的亮電阻（1k）。此時流過的電流稱為亮電流。 光電流=亮電流暗電流。 8.2 光電器件 2伏安特性 在一定光照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與其光電流之的關(guān)系，成為伏安特性。圖8-6是CdS光敏電阻的伏安特性曲線。它是線性電阻，服從歐姆定律，但不同照度下具有不同的斜率。注意光敏電阻的功耗，使用時保持適當?shù)墓ぷ麟妷汉凸ぷ麟娏?。圖8-6 CdS光敏電阻的伏安特性 8.2 光電器件 3光照特性 在一定的偏壓下，光敏電阻的光電

11、流與照射光強之間的關(guān)系，稱為光敏電阻的光照特性。圖8-7示出CdS光敏電阻的光照特性曲線，呈非線性，故其不宜作測量元件，一般在自動控制系統(tǒng)中作開關(guān)式光電信號傳感元件。圖8-7 光敏電阻的光照特性 8.2 光電器件 4光譜特性 光譜特性表征光敏電阻對不同波長的光其靈敏度不同的性質(zhì)。光敏電阻的光譜特性如圖8-8所示。圖8-8 光敏電阻的光譜踏特性曲線 8.2 光電器件 5響應(yīng)時間和頻率特性 光敏電阻在照射光強變化時，由于光電導(dǎo)的馳豫現(xiàn)象，其電阻的變化在時間上有一定的滯后，通常用響應(yīng)時間表示。響應(yīng)時間又分為上升時間t1和下降時間t2，如圖8-9所示。 光敏電阻上升和下降時間的長短，表示其對動態(tài)光信號

12、響應(yīng)的快慢，即頻率特性，如圖8-10所示。光敏電阻的頻率特性不僅與元件的材料有關(guān)，而且還與光照的強弱有關(guān)。 圖8-10 光敏電阻的頻率特性 圖8-9 光敏電阻的時間響應(yīng)曲線 8.2 光電器件 6溫度特性 在光照一定的條件下，光敏電阻的阻值隨溫度的升高而下降，即溫度特性，用溫度系數(shù)來表示。 (8-7)式中，R1在一定光照下，溫度為T1時的阻值；R2在一定光照下，溫度為T2時的阻值。 圖8-11 CdS光敏電阻的溫度特性曲線（光照一定） 8.2 光電器件 溫度不僅影響光敏電阻的靈敏度，而且還影響其光譜特性，溫度升高，光譜特性向短波方向移動，如圖8-12所示。7穩(wěn)定性 光敏電阻在制作時經(jīng)加溫、光照和

13、加負載條件下一至二周的老化處理后，其穩(wěn)定性很好，使用壽命相當長，合理使用，幾乎無限。 圖8-12 PbS光敏電阻的光譜溫度特性8.2 光電器件8.2.4 光敏二極管和光敏三極管8.2.4.1 光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理 1光敏二極管 光敏二極管的基本結(jié)構(gòu)就是具有光敏特性的PN結(jié)，如圖8-13（a）所示。光敏二極管在電路中處于反向工作狀態(tài)，如8-13（b）所示。圖8-13 光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路（a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b）基本工作電路8.2 光電器件無光照時，反向電阻很大，電路中僅有反向飽和漏電流，一般為10-810-9A，稱為暗電流，相當于光敏二極管截止；當有光照射在PN結(jié)上時，由于內(nèi)光電

14、效應(yīng)，產(chǎn)生光生電子-空穴對，使少數(shù)載流子濃度大大增加，因此，通過PN結(jié)的反向電流也隨之增加，形成光電流，相當于光敏二極管導(dǎo)通；入射光照度變化，光電流也變化?？梢?，光敏二極管具有光電轉(zhuǎn)換功能，故又稱為光電二極管。8.2 光電器件 2光敏三極管 光敏三極管與光敏二極管的結(jié)構(gòu)相似，內(nèi)部具有兩個PN結(jié)，通常只有兩個引出電極。光敏三極管在電路中與普通三極管接法相同，管基極開路，集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏。如圖8-14所示。圖8-14 NPN型光敏二極管結(jié)構(gòu)模型和基本工作電路（a）結(jié)構(gòu)簡化模型；（b）基本工作電路8.2 光電器件當無光照時，管集電結(jié)因反偏，集電極與基極間有反向飽和電流Icbo，該電流流入發(fā)射結(jié)

15、放大，使集電極與發(fā)射極之間有穿透電流Iceo=(1+)Icbo，此即光敏三極管的暗電流。當有光照射光敏三極管集電結(jié)附近基區(qū)時，產(chǎn)生光生電子-空穴對，使其集電結(jié)反向飽和電流大大增加，此即為光敏三極管集電結(jié)的光電流；該電流流入發(fā)射結(jié)進行放大成為集電極與發(fā)射極間電流，即為光敏三極管的光電流，它將光敏二極管的光電流放大(1+)倍，所以它比光敏二極管具有更高的光電轉(zhuǎn)換靈敏度。 由于光敏三極管中對光敏感的部分是光敏二極管，所以，它們的特性基本相同，只是反應(yīng)程度即靈敏度差(1+)倍。8.2 光電器件8.2.4.2 光敏管(光敏二極管和光敏三極管)的基本特性 1光譜特性 光敏管在恒定電壓作用和恒定光通量照射下

16、，光電流（用相對值或相對靈敏度）與入射光波長的關(guān)系，稱為光敏管的光譜特性，如圖8-15所示。圖中可見： Si光敏管，光譜響應(yīng)波段4001300nm，峰值響應(yīng)波長約為900nm； Ge光敏管，光譜響應(yīng)波段5001800nm，峰值響應(yīng)波長約為1500nm。 圖8-15 硅和鍺光敏管的光譜特性 8.2 光電器件 2伏安特性 光敏管在一定光照下，其端電壓與器件中電流的關(guān)系，稱為光敏管的伏安特性。圖8-16是Si光敏管在不同光照下的伏安特性。圖8-16 硅光敏管的伏安特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管8.2 光電器件 3光照特性 在端電壓一定條件下，光敏管的光電流與光照度的關(guān)系，稱為光敏管的光照

17、特性。Si光敏管的光照特性如圖8-17所示。圖8-17 硅光敏管的光電特性（a）硅光敏二極管；（b）硅光敏三極管8.2 光電器件 4溫度特性 在端電壓和光照度一定條件下，光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系，稱為光敏管的溫度特性。如圖8-18所示。圖8-18 光敏管的溫度特性8.2 光電器件 5頻率響應(yīng) 光敏管的頻率響應(yīng)是指具有一定頻率的調(diào)制光照射光敏管時，光敏管輸出的光電流（或負載上的電壓）隨調(diào)制頻率的變化關(guān)系。圖8-19為硅光敏三極管的頻率響應(yīng)曲線。 一般情況下，鍺管的頻率響應(yīng)低于5000Hz，硅管的頻率響應(yīng)優(yōu)于鍺管。圖8-19 硅光敏管的頻率響應(yīng)曲線8.2 光電器件8.2.5 光電池 光電

18、池是利用光生伏特效應(yīng)將光能直接轉(zhuǎn)變成電能的器件，它廣泛用于將太陽能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?，因此又稱為太陽能電池。光電池的種類很多，應(yīng)用最廣的是硅光電池和硒光電池等。8.2 光電器件8.2.5.1 光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理 光電池的結(jié)構(gòu)如圖8-20所示，它實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)。當光照射到PN結(jié)上時，便在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電動勢（P區(qū)為正，N區(qū)為負）形成電源。圖8-20 硅光電池（a）結(jié)構(gòu)簡圖；（b）工作原理示意圖8.2 光電器件光電池機理： P型半導(dǎo)體與N型半導(dǎo)體結(jié)合在一起時，由于載流子的擴散作用，在其交界處形成一過渡區(qū)，即PN結(jié)，并在PN結(jié)形成一內(nèi)建電場，電場方向由N區(qū)指向P區(qū)，阻止載流子的繼續(xù)擴散。

19、當光照射到PN結(jié)上時，在其附近激發(fā)電子-空穴對，在PN結(jié)電場作用下，N區(qū)的光生空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)，結(jié)果在N區(qū)聚集了電子，帶負電；P區(qū)聚集了空穴，帶正電。這樣N區(qū)和P區(qū)間出現(xiàn)了電位差，若用導(dǎo)線連接PN結(jié)兩端，則電路中便有電流流過 ，電流方向由P區(qū)經(jīng)外電路至N區(qū)；若將電路斷開，便可測出光生電動勢。8.2 光電器件8.2.5.2 光電池的基本特性 1光譜特性 光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的，即光譜特性，如圖8-21所示。 硅光電池：光譜響應(yīng)范圍4001200nm，光譜響應(yīng)峰值波長在800nm附近； 硒光電池：光譜響應(yīng)范圍380750nm，光譜響應(yīng)峰值波長在500

20、nm附近。圖8-21 光電池的光譜特性 8.2 光電器件 2光照特性 光電池在不同照度下，其光電流和光生電動勢是不同的。硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度的關(guān)系曲線如圖8-22所示。 開路電壓與光照度關(guān)系是非線性的，而且在光照度為1000lx時出現(xiàn)飽和，故其不宜作為檢測信號； 短路電流（負載電阻很小時的電流）與光照度關(guān)系在很大范圍是線性的，負載電阻越小，線性度約好（見圖8-23），因此，將光電池作為檢測元件時，是利用其短路電流，作為電流源的形式來使用。 圖8-22 硅光電池的開路電壓和短路電流與光照度關(guān)系 圖8-23 硅光電池在不同負載下的光照特性 8.2 光電器件 3頻率特性 光電池的頻率

21、特性是指其輸出電流隨照射光調(diào)制頻率變化的關(guān)系，如圖8-24所示。 硅光電池響應(yīng)頻率較高，高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池； 硒光電池響應(yīng)頻率較低，不宜用做快速光電轉(zhuǎn)換。 圖8-24 光電池的頻率特性 8.2 光電器件 4溫度特性 光電池的溫度特性是指其開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。圖8-25是硅光電池在1000lx照度下的溫度特性曲線。由圖可見： 開路電壓隨溫度升高下降很快，約3mV/； 短路電流隨溫度升高而緩慢增加，約210-6A/。 5穩(wěn)定性 光電池的穩(wěn)定性很好，使用壽命很長。但要防高溫和強光照射，保存光電池時切忌短路。 圖8-25 硅光電池的溫度特性（照度1000lx）8.2

22、光電器件8.2.6 光控晶閘管 光控晶閘管是利用光信號控制電路通斷的開關(guān)元件，屬三端四層結(jié)構(gòu)，有三個PN結(jié)J1、J2、J3，如圖8-26所示。其特點在于控制極G上不一定由電信號觸發(fā)，可以由光照起觸發(fā)作用。經(jīng)觸發(fā)后，A、K間處于導(dǎo)通狀態(tài)，直至電壓下降或交流過零時關(guān)斷。圖8-26 光控晶閘管結(jié)構(gòu)及其等效電路8.2 光電器件工作原理： 四層結(jié)構(gòu)可視為兩個三極管，如圖8-26（b）所示。光敏區(qū)為J2結(jié)。若入射光照射在光敏區(qū)，產(chǎn)生的光電流通過J2結(jié)，當光電流大于某一閾值時，晶閘管便由斷開狀態(tài)迅速變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。 考慮光敏區(qū)的作用，其等效電路如圖8-26（c）所示。無光照時，光敏二極管VD無光電流，三極管T

23、2的基極電流僅是T1的反向飽和電流，在正常外加電壓下處于關(guān)斷狀態(tài)。一旦有光照射，光電流IP將作為T2的基極電流。如果T1、T2的放大倍數(shù)分別為1、2，則T2的集電極得到的電流是2IP。此電流實際上又是T1的基極電流，因而在T1的集電極上又將產(chǎn)生一個1 2IP的電流，這一電流又成為T2的基極電流。如此循環(huán)反復(fù)，產(chǎn)生強烈的正反饋，整個器件就變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)。 如果在G、K間接一電阻，必將分去一部分光敏二極管產(chǎn)生的光電流，這時要使晶閘管導(dǎo)通，就必須施加更強的光照?？梢?，用這種方法可以調(diào)整器件的光觸發(fā)靈敏度。 8.2 光電器件 光控晶閘管的伏安特性如圖8-27所示。圖中，E0、E1、E2代表依次增大的照度

24、，曲線01段為高阻狀態(tài)，表示器件未導(dǎo)通；12段表示由關(guān)斷到導(dǎo)通的過渡狀態(tài)；23為導(dǎo)通狀態(tài)。圖8-27 光控晶閘管伏安特性（a）單向晶閘管；（b）雙向晶閘管 光控晶閘管作為光控無觸點開關(guān)使用更方便，它與發(fā)光二極管配合可構(gòu)成固態(tài)繼電器，體積小、無火花、壽命長、動作快，并具有良好的電路隔離作用，在自動化領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 8.3 光源及光學(xué)元件8.3.1 光源 1白熾燈 白熾燈是利用電能將燈絲加熱至白熾而發(fā)光，其輻射的光譜是連續(xù)的，除可見光外，同時還有輻射大量的紅外線和少量的紫外線。 2發(fā)光二極管(電能 光能) 發(fā)光二極管(Light Emitting Diode,LED)，由半導(dǎo)體PN結(jié)構(gòu)成，能將

25、電能轉(zhuǎn)換成光能的半導(dǎo)體器件。 特點：工作電壓低（13V），工作電流小(小于40mA)，響應(yīng)快（一般為10-610-9s），體積小，重量輕，堅固耐振，壽命長，比普通光源單色性好等，廣泛用來作為微型光光源和顯示器件。8.3 光源及光學(xué)元件 LED發(fā)光機理： 由于載流子的擴散作用，在半導(dǎo)體PN結(jié)處形成勢壘，從而抑制空穴和電子的繼續(xù)擴散。當PN結(jié)上加有正向電壓時，勢壘降低，電子由N區(qū)注入到P區(qū)，空穴由P區(qū)注入到N區(qū)，稱為少數(shù)載流子注入。注入到P區(qū)的電子與P區(qū)的空穴復(fù)合，注入到N區(qū)的空穴與N區(qū)的電子復(fù)合，這種復(fù)合同時伴隨著以光子的形式釋放能量，因而在PN結(jié)有發(fā)光現(xiàn)象。電子與空穴復(fù)合，所釋放的光子能量h也

26、就是PN結(jié)禁帶寬度Eg，即Eg = h=hc/則=hc/ Eg (8-8)式中，h普朗克常數(shù)；c光速；波長。8.3 光源及光學(xué)元件 若要使LED輻射可見光（近似認為0.4時，便可得到Eg 1.8eV的材料。 LED的顏色（波長）由半導(dǎo)體材料禁帶寬度Eg決定。 8.3 光源及光學(xué)元件 LED特性： 伏安特性 如圖8-28所示，與普通二極管相似。為安全起見，反向電壓應(yīng)小于5V。圖8-28 LED的伏安特性8.3 光源及光學(xué)元件 光譜特性 如圖8-29所示。圖8-29 LED的光譜特性8.3 光源及光學(xué)元件 溫度影響 溫度升高，LED發(fā)光強度減小，且呈線性關(guān)系。 LED的發(fā)光強度與觀察角度有關(guān) 透明

27、封裝體前斷如為平面，則出射光成發(fā)散狀，適合作指示燈用；若前端有半球形透鏡，則對光線有聚光作用，正前方發(fā)光強度最大，適合于光電耦合或?qū)δ硞€固定目標進行照射。 除以上兩種光源外，還有氣體放電燈、激光器等光源。8.3.2 光學(xué)元件和光路 在光電式傳感器中，必須采用一定光學(xué)元件，并按照一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的光路。常用的光學(xué)元件有各種反射鏡、透鏡等。8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 光電式傳感器=光源+光學(xué)元件+光電元件設(shè)計應(yīng)用中，要特別注意光電元件與光源的光譜特性匹配。8.4.1 模擬式光電傳感器 模擬式光電傳感器將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的電信號，與被測量間呈單值對應(yīng)關(guān)系。主要有四種基本形式，如圖8

28、-30所示。 圖8-30 光電元件的應(yīng)用方式（a）吸收式；（b）反射式；（c）遮光式；（d）輻射式8.4 光電式傳感器的應(yīng)用8.4.2 脈沖式光電傳感器 脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài)，即“通”和“斷”的開關(guān)狀態(tài)，稱為光電元件的開關(guān)應(yīng)用狀態(tài)。這種形式的光電傳感器主要用于光電式轉(zhuǎn)速表、光電計數(shù)器、光電繼電器等。8.4 光電式傳感器的應(yīng)用8.4.3 應(yīng)用實例 1光電式帶材跑偏儀 圖8-31是光電式帶材跑偏儀原理圖，主要由邊緣位置傳感器、測量電路和放大器等組成。它是用于冷軋帶鋼生產(chǎn)過程中控制帶鋼運動途徑的一種自動控制裝置。 圖8-31 光電式邊緣位置傳感器原理圖 圖8-3

29、2 測量電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 帶材邊緣位置檢測選用遮光式光電傳感器，如圖8-33所示，光電三極管（3DU12）接在測量電橋的一個橋臂上，如圖8-32所示。 采用角矩陣反射器能滿足安裝精度不高、工作環(huán)境有振動場合中使用，原理如圖8-3所示。圖8-33 帶材跑偏引起光通量變化 圖8-34 角矩陣反射器原理 8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 2光電式轉(zhuǎn)速計 光電轉(zhuǎn)速計主要有反射式和直射式兩種基本類型，如圖8-35所示。圖8-35 光電轉(zhuǎn)速計（a）反射型；（b）直射型8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 2光電式轉(zhuǎn)速計圖8-35 利用光電斷續(xù)器測量轉(zhuǎn)速和圈數(shù)1-光電斷續(xù)器；2-不銹鋼薄圓片；3-透光縫；4-

30、旋轉(zhuǎn)物轉(zhuǎn)軸8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 為了提高轉(zhuǎn)速測量的分辨率，采用機械細分技術(shù)，使轉(zhuǎn)動體每轉(zhuǎn)動一周有多個（Z）反射光信號或透射光信號。 若直射型調(diào)制盤上的孔（或齒）數(shù)為Z（或反射型轉(zhuǎn)軸上的反射體數(shù)為Z），測量電路計數(shù)時間為T秒，被測轉(zhuǎn)速n(r/min)，則計數(shù)值為N=nZT/60 (8-9)為了使計數(shù)值N能直接讀出轉(zhuǎn)速n值，一般取ZT=6010m（m=0,1,2,） 光電脈轉(zhuǎn)換電路如圖8-36所示。圖8-36 光電脈沖轉(zhuǎn)換電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 3光電池在光電檢測和自動控制方面的應(yīng)用 主要利用光電池的光電特性、光譜特性、頻率特性和溫度特性等，通過基本光電轉(zhuǎn)換電路與其它電子線路組合，可

31、實現(xiàn)檢測和自動控制的目的。如圖8-37、圖8-38所示。8.4 光電式傳感器的應(yīng)用圖8-37 光電池應(yīng)用的幾種基本電路8.4 光電式傳感器的應(yīng)用圖8-38 路燈自動控制器8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 4光電耦合器 將發(fā)光器件與光電元件集成在一起便構(gòu)成光電耦合器，如圖8-39所示。圖8-39 光電耦合器典型結(jié)構(gòu)（a）窄縫透射式；（b）反射式；（c）、（d）全封閉式8.4 光電式傳感器的應(yīng)用 ST188光電反射式傳感器8.5 光纖傳感器8.5.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 圖8-40 光纖的基本結(jié)構(gòu) 8.5 光纖傳感器8.5.1 光導(dǎo)纖維導(dǎo)光的基本原理 1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu) 光纖結(jié)構(gòu)如圖8-40所示。 纖

32、芯，玻璃或石英，直徑為幾十微米，折射率n1； 包層，玻璃或塑料，=100200m , 折射率n2； 保護層，塑料，折射率n3； 其中n2n390時，光線發(fā)生全反射，ic =arcsinNA； rsinc =NA，iarcsinNA，光線散失。8.5 光纖傳感器 c是入射光線在纖芯中全反射傳輸?shù)呐R界角，只要入射角小于c，全反射條件成立。NA越大，c也越大，滿足全反射條件的入射光的范圍也越大。因此，NA是光纖的一個重要參數(shù)。 傳感器所用光纖一般要求： 0.2NA0.4(11.5 c 23.6)；傳輸損耗10dB/km。 光纖的“?！?光纖中能傳輸?shù)墓獠ㄊ瞧錂M向分量在光纖中形成駐波的光線組。這樣一些

33、光線組稱為“?！?。通信技術(shù)上常用的光纖模式： 單模（基模）光纖：510m纖芯，只能傳輸一個模式（基模）的光波； 多模光纖：50150m纖芯，傳輸多種模式的光波。8.5 光纖傳感器光在光纖中的傳播 8.5 光纖傳感器8.5.2 光纖傳感器的結(jié)構(gòu)和類型 結(jié)構(gòu)：光纖傳感器一般由光源、敏感元件、光纖、光敏元件（光電接收）和信號處理系統(tǒng)組成。 類型： 按工作原理分類： 1功能型光纖傳感器 利用光纖本身的某種特性或功能制成的傳感器，如圖8-42（a）所示。功能型光纖傳感器只能用單模光纖。 2傳光型光纖傳感器 光纖僅僅起傳輸光波的作用，必須在光纖端面加裝其它敏感元件，才能構(gòu)成傳感器，如圖8-42（b）所示。

34、傳光型光纖傳感器主要采用多模光纖。8.5 光纖傳感器圖8-42 光纖傳感器類型（a）功能型；（b）傳光型 8.5 光纖傳感器 按對光波的調(diào)制方式分類： 1.強度調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。 2.相位調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。 3.頻率調(diào)制型光纖傳感器 利用被測對象引起光頻率的變化來進行檢測的傳感器。 4.偏振調(diào)制型光纖傳感器 利用光的偏振狀態(tài)的變化來傳遞被測對象信息的傳感

35、器。8.5 光纖傳感器8.5.3 光纖傳感器的應(yīng)用8.5.3.1 光纖位移傳感器 1光纖開關(guān)與定位裝置 利用光纖中光強度的跳變（開關(guān)）來測出各種移動物體的極端位置，輸出信號是跳變信號。 8.5 光纖傳感器 簡單光纖開關(guān)、定位裝置，如圖8-43所示。 圖8-43(a)：光纖計數(shù)；測位移（工件間隔均勻、已知）。 圖8-43(b)：測角為移；測轉(zhuǎn)速。 圖8-43(c)：工件加工定位裝置。 圖8-43(d)：光纖液位檢測、控制裝置。圖8-43 簡單光纖開關(guān)定位裝置8.5 光纖傳感器 移動球鏡式光纖開關(guān)傳感器，如圖8-44所示。 圖8-44 移動球透鏡位移傳感器（a）原理圖；（b）光強比值與位移關(guān)系8.

36、5 光纖傳感器 2.傳光型光纖位移傳感器 由兩段光纖構(gòu)成，當它們之間產(chǎn)生相對位移時，通過它們的光強發(fā)生變化，從而達到測量位移的目的。 反射型光纖位移傳感器，如圖8-46所示。 圖8-46 反射型光纖位移傳感器（a）原理圖；（b）輸出電壓與位移關(guān)系8.5 光纖傳感器 直射型光纖位移傳感器，如圖8-45所示。圖8-45 直射型光纖位移傳感器8.5 光纖傳感器 圖8-45光柵式光纖水聲傳感器輸出光纖輸入光纖光柵膜片相對位移/m 相對光強8.5 光纖傳感器 其它光纖位移傳感器，如圖8-47所示。圖8-47 光纖位移傳感器（a）檔光型；（b）楔合型8.5 光纖傳感器 3.受抑全內(nèi)反射光纖位移（液面）傳感

37、器 基于全內(nèi)反射被破壞，而導(dǎo)致光纖傳輸特性改變的原理，可以制成位移傳感器來測位移、壓力溫度、液位等。 受抑全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖8-48所示，直接耦合。圖8-48 受抑全內(nèi)反射位移傳感器8.5 光纖傳感器 棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器，如圖8-49所示，棱鏡耦合。 圖8-49 棱鏡式全內(nèi)反射光纖位移傳感器8.5 光纖傳感器 全內(nèi)反射光纖液面探測器，如圖8-50所示，空氣耦合。 圖8-50 光纖液面探測器（a）圓錐體測頭；（b）U型測頭；（c）棱鏡測頭8.5 光纖傳感器 光纖液體分界面探測器，如圖8-51所示，液體耦合。 圖8-51 光纖液體分界面探測器（a）原理圖；（b）改進測頭8.5

38、光纖傳感器 4光纖干涉型位移傳感器 為了提高測量精度或擴大測量范圍，常使用相位調(diào)制的光纖干涉儀作為位移傳感器。 邁克爾遜（Michelson）光纖干涉儀，如圖8-52所示。被測量引起棱鏡5位移，從而改變測量光束光程，與參考光束間產(chǎn)生光程差，致使干涉條紋移動。干涉條紋量反映被測位移的大小，測位移。圖8-52 邁克爾遜光纖位移干涉儀8.5 光纖傳感器 法布里-泊羅（Fabry-Perot）光纖干涉儀，如圖8-53所示。振動模片5與光纖4端面間的多光束干涉（F-P干涉儀）受其間距的影響，可測振動模片的位移或振動。分辨率極高，能反映0.01的微小位移。 圖8-52 Fabry-Perot光纖位移干涉儀

39、1-He-Ne激光光源；2-透鏡；3-半反鏡；4-單模光纖；5-振動模片；6-光探測器8.5 光纖傳感器 5功能型光纖壓力傳感器 圖8-54是一種功能型光纖壓力傳感器原理原理圖。 基本原理：利用光纖微彎損耗效應(yīng)，可測壓力或位移。 壓力（位移） 光纖微彎 傳輸光全反射條件受到一定破壞 光傳輸損耗。圖8-54 功能型光纖壓力傳感器原理圖1-He-Ne激光光源；2-固定齒板；3-光電元件；4-活動齒板；5-單模光纖8.5 光纖傳感器8.5.3.2 光纖加速度傳感器 1馬赫-澤德干涉儀光纖加速度計 圖8-55是利用馬赫-澤德（Mach-Zehnder）干涉儀的光纖加速度計實驗裝置。 加速度a 質(zhì)量塊m

40、產(chǎn)生慣性力（ma） 圓柱順變體變形 繞在順變柱體上的單模光纖伸縮 產(chǎn)生傳輸光光程（相位）差 干涉條紋（信號）變化。圖8-55 光纖加速度計實驗裝置 8.5 光纖傳感器 馬赫-澤德干涉儀輸出電壓與加速度的關(guān)系曲線如圖8-55所示，線性度很好。 圖8-56光纖加速度干涉儀輸出電壓與加速度的關(guān)系 8.5 光纖傳感器 2傾斜鏡式光纖加速度計 圖8-57是傾斜鏡式光纖加速度計原理圖，基于光強度調(diào)制原理： 加速度a 質(zhì)量塊（含傾斜鏡）m慣性力ma 懸臂梁彎曲變形 傾斜鏡傾斜 反射光偏移 兩接收光纖光強差異。圖8-57 傾斜鏡式光纖加速度計原理圖 1-黃銅支撐體；2-黃銅板懸臂梁3-質(zhì)量塊；4-傾斜鏡；5-

41、自聚焦透鏡6-光纖套筒；7-輸入光纖；8-輸出光纖 圖8-58 輸入與接收 光纖排列圖1-輸入光纖；2、3-輸出光纖4-反射鏡圖8-59 懸臂梁變形圖8.5 光纖傳感器8.5.3.3 光纖振動傳感器 輸出光纖輸入光支架懸臂光纖質(zhì)量塊阻尼油8.5 光纖傳感器8.5.3.3 光纖振動傳感器 1相位調(diào)制光纖振動傳感器 圖8-60為檢測垂直表面振動分量的光纖振動傳感器原理圖。 振動體振動 反射體位移 反射光束光程（相位）改變 信號光束與參考光束間相位差 干涉。 特性： 可測振動體垂直分量振幅和面內(nèi)振動振幅，線性度好； 垂直分量振幅，106m； 表面內(nèi)振動振幅，0.5107m； 可測頻率范圍：1kHz3

42、0MHz。圖8-60 垂直表面振動分量光纖振動傳感器原理圖8.5 光纖傳感器 2光彈效應(yīng)光纖振動傳感器 光彈效應(yīng) 透明的各向同性介質(zhì)在機械應(yīng)力作用下，顯示出光學(xué)上的各向異性而產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象稱為光彈性效應(yīng)。 應(yīng)力 雙折射現(xiàn)象 線偏振光 o光、e光（相互正交） neno=kp 其中，p應(yīng)力，p=F/S，S為正受力F處的面積；ne、no分別為e光、o光的折射率，k非晶體E應(yīng)變光學(xué)系數(shù)。 兩束光（e光、o光）穿過厚度為d的物體后，產(chǎn)生的相位差為 相互正交、具有一定相位差的e光、o光，經(jīng)偏振器N后，又變成同一振動方向、具有相位差的兩束相干光，在屏幕上產(chǎn)生干涉現(xiàn)象（偏振光干涉）圖8-61 觀察應(yīng)力雙折射現(xiàn)

43、象8.5 光纖傳感器 圖8-62就是利用光彈效應(yīng)制成的光纖振動傳感器原理示意圖。質(zhì)量塊受振動作用產(chǎn)生慣性力作用在光彈元件4上，使其成為以振蕩方向為光軸的雙折射晶體。起偏器3和檢偏器7的偏振化方向均與振蕩方向成45角。光源1發(fā)出的光經(jīng)光纖投射到起偏器3變?yōu)榫€偏振光，通過光彈元件4后變成振幅相等、具有一定相位差的e光、o光，再經(jīng)檢偏器7的作用而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，由光電探測器2檢測干涉光強的變化，從而達到測壓力或振動的目的。圖8-62 光纖振動傳感器結(jié)構(gòu)示意圖8.5 光纖傳感器8.5.3.4 光纖溫度傳感器 1傳光型光纖溫度傳感器 圖8-63為半導(dǎo)體吸光型光纖溫度傳感器示意圖。 測溫原理：半導(dǎo)體感溫元件

44、的吸光性與溫度有關(guān)，從而達到檢測溫度的目的。半導(dǎo)體材料的光透過率與溫度的特性曲線如圖8-64所示。圖8-63 半導(dǎo)體吸光型光纖溫度傳感器 圖8-64 半導(dǎo)體的光透過率特性曲線（a）裝置簡圖；（b）感溫探頭 1-光源光譜分布；2-透過率曲線8.5 光纖傳感器 2相位調(diào)制型光纖溫度傳感器 圖8-65是Mach-Zehnrer光纖溫度傳感器原理圖。 測量臂光纖受到溫度場的作用時，傳輸光產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化，與參考臂光纖傳輸?shù)墓庵g產(chǎn)生一定的相位差，從而引起干涉條蚊的移動。光探測器接收干涉移動的變化信息反映被測溫度的變化。 圖8-65 Mach-Zehnrer光纖溫度傳感器8.5 光纖傳感器8.5.3.

45、5 光纖流速、流量傳感器 1激光多普勒（Doppler）測速傳感器 圖8-66是光纖激光多普勒測速傳感器示意圖，把光纖探頭以與管中心線夾角的方向插入管道中，由光纖梢端發(fā)出的激光被運動流體中微粒散射，產(chǎn)生多普勒頻移的散射光信號，再由同一光纖耦合回傳，并與原信號光重疊產(chǎn)生差拍。 多普勒頻移 式中，n運動微粒折射率；v微粒運動速度；激光波長。圖8-66 光纖激光測速系統(tǒng)原理圖8.5 光纖傳感器 2光纖旋渦流量計 渦街現(xiàn)象：流體通過障礙物，在障礙物后會形成兩列旋渦，呈交替平行狀，猶如“街燈”，故稱“渦街”，或“卡曼（Kamrman）渦街”，如圖8-67所示。障礙物在渦街作用下，產(chǎn)生橫向振動，其振動頻率

46、為 （8-32）式中，v流體流速；d光纖（障礙物）直徑；St斯特勞哈爾常數(shù)。 圖8-67 卡曼渦街形成原理8.5 光纖傳感器從式（8-32）可見f 與v長正比。測得流速v后便可測流體的流量Q=Sv（S為流管截面積）。圖8-68為光纖旋渦流量計結(jié)構(gòu)示意圖。圖8-68 光纖旋渦流量計8.6 紅外傳感器8.6.1 紅外輻射基本知識 紅外輻射即紅外線。紅外輻射范圍：0.761000 m ；紅外傳感器中主要應(yīng)用波長0.840m的紅外線。 8.6 紅外傳感器 圖8-69示出黑體的發(fā)射本領(lǐng)按波長和溫度的分布曲線。一般物體熱輻射特性與此相似。 圖8-69 黑體發(fā)射本領(lǐng)按波長和溫度的分布8.6 紅外傳感器 1基

47、爾霍夫（Kirechhoff）定律 物體在一定溫度下，與外界處于熱平衡時，單位時間內(nèi)從單位面積發(fā)射出的輻射能（即發(fā)射本領(lǐng)）ER為ER =E0 （8-33）式中，物體的吸收系數(shù)； E0常數(shù)，絕對黑體在相同條件下的發(fā)射本領(lǐng)。8.6 紅外傳感器 2斯忒藩波爾茲曼（Stefan-Boltzmann）定律 物體溫度越高，向外輻射的能量越多。在單位時間內(nèi)，物體單位面積輻射的總能量ER為ER =T4 （8-34）式中，T物體的絕對溫度（K）；Stefan-Boltzmann常數(shù)，=5.6710-8W/(m2K4)；比輻射率，黑體的=1，一般物體的1。 3維恩（Wien）位移定律 紅外輻射的電磁波中包含各種波

48、長，其輻射能譜峰值波長m與物體自身的溫度T成反比，即m=2898/T (m) (8-35)由上式可見，隨著溫度T的升高，其能譜峰值波長m向短波方向移動。 8.6 紅外傳感器8.6.2 紅外探測器紅外線 電信號8.6.2.1 熱探測器 利用紅外線的熱效應(yīng)，采用熱敏器件將紅外線轉(zhuǎn)換為電信號。 紅外線 熱（溫度） 電信號 熱敏器件 8.6 紅外傳感器 1熱敏電阻型探測器 熱敏電阻紅外探測器如圖8-70所示。圖8-70 熱敏電阻紅外探測器（a）結(jié)構(gòu)；（b）橋式測量電路8.6 紅外傳感器 2熱電偶型探測器（熱電堆光敏器件） 用多個微型熱電偶串聯(lián)起來，將其工作端密集地排列在很小的面積上，使入射紅外線照射在

49、工作端上，參考端則處于掩蔽場所，可以獲得一定的熱電勢。對波長無選擇性，響應(yīng)頻率范圍寬；時間常數(shù)大，不能測快速變化的紅外輻射。 利用薄膜技術(shù)制作微型熱電偶；適當選擇窗口材料，便可得到所需的光譜范圍。8.6 紅外傳感器 3高萊氣動型探測器 利用氣體吸收紅外線后溫度升高、體積增大的特性，來反映紅外輻射的強弱。其結(jié)構(gòu)原理如圖8-71所示。靈敏度高，性能穩(wěn)定；但響應(yīng)時間長，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。圖8-71 氣動紅外探測器機構(gòu)8.6 紅外傳感器 4熱釋電型探測器 熱釋電效應(yīng)：若使某些強電介質(zhì)的表面溫度發(fā)生變化，在這些物質(zhì)表面上就會產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱為熱釋電效應(yīng)。 熱釋電傳感器： 紅外輻射 熱（溫度） 電荷8.

50、6 紅外傳感器 熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖8-72所示。圖8-72 熱釋電紅外傳感器（a）外形；（b）內(nèi)部結(jié)構(gòu)；（c）電路8.6 紅外傳感器 熱釋電紅外光敏元件材料，主要是壓電陶瓷和陶瓷氧化物，如LiTaO3，鋯鈦酸鉛 (PZT) 等。 熱釋電紅外光敏元件只能測動態(tài)信號，不能測靜態(tài)信號，入射光必須調(diào)制成脈沖光進行檢測。 熱釋電紅外光敏元件內(nèi)阻極高（可達1013），輸出電壓極其微弱，則須進行阻抗變換和信號放大才能應(yīng)用，測量電路圖8-72（c）所示。 熱釋電紅外光敏元件光譜響應(yīng)范圍寬（0.220m），采用不同材料的濾光片作為窗口，使其光譜響應(yīng)范圍寬變窄，以適應(yīng)不同的用途。如人體（36）紅外輻射峰值波

51、長m=9.4m，則人體熱釋電紅外傳感器的濾光片選取7.514m波段為好。8.6 紅外傳感器8.6.2.2 光子探測器 光子探測器就是利用某些半導(dǎo)體材料在入射光照射下，產(chǎn)生光子效應(yīng)，使材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，通過測量其電學(xué)性質(zhì)的變化，達到測量紅外輻射強弱的目的。 特點：靈敏度高；響應(yīng)快；探測波段窄；需在低溫下工作。 分類： 外光電探測器（PE器件），利用外光電效應(yīng)的光電管和光電倍增管； 內(nèi)光電探測器，光電導(dǎo)探測器（PC器件），光生伏特探測器（PU器件），光磁電探測器（PEM器件）。8.6 紅外傳感器 1.光電導(dǎo)探測器（PC器件） 利用光電導(dǎo)效應(yīng)制成的探測器，稱為光電導(dǎo)探測器，如圖8-73所示。光敏

52、材料主要有：PbS，PbSe，InSb，HgCdTe等。圖8-73 紅外光電轉(zhuǎn)換電路及信號波形M-調(diào)制盤；R-光電導(dǎo)電阻RL-負載電阻8.6 紅外傳感器 2光生伏特探測器（PU器件） 利用光生伏特效應(yīng)制成的探測器，稱為光生伏特探測器，光敏材料主要有：InAs，InSb，HgCdTe等。 3光磁電探測器（PEM器件） 光磁電效應(yīng)：當紅外線照射到某些半導(dǎo)體材料的表面上時，材料表面的電子和空穴向內(nèi)部擴散，在擴散過程中若受到強磁場的作用，電子和空穴則各偏向一邊，因而產(chǎn)生開路電壓，這種現(xiàn)象稱為光磁電效應(yīng)。 利用光磁電效應(yīng)制成的紅外探測器稱為光磁電探測器。 特點：毋須致冷；響應(yīng)波段達7m；時間常數(shù)小，響應(yīng)

53、快；不用加偏壓；內(nèi)阻極低；噪聲??；穩(wěn)定、可靠；靈敏度低。 8.6 紅外傳感器8.6.3 紅外傳感器的應(yīng)用8.6.3.1 紅外測溫技術(shù) 特點：應(yīng)用廣，適合于遠距離和非接觸測量，特別適合于高速運動體、帶電體、高溫、高壓物體的溫度測量；響應(yīng)快；靈敏度高；準確度高（可達0.1）；測溫范圍寬（攝氏零下幾十度到零上幾千度）；等。 分類： 按測溫工作原理分：全輻射測溫；亮度測溫；比色測溫。 按量程分：低溫（100以下）；中溫(100700)，高溫（700以上）。8.6 紅外傳感器 紅外測溫儀： 紅外測溫儀基本結(jié)構(gòu)如圖8-74所示，主要由光學(xué)系統(tǒng)、調(diào)制器、探測器、放大器和指示器等組成。圖8-74 紅外測溫儀結(jié)

54、構(gòu)原理圖8.6 紅外傳感器8.6.3.2 紅外成像 紅外成像就是把物體的溫度分布轉(zhuǎn)換成圖像以直觀、形象的熱圖形式顯示出來。 不同溫度 不同的紅外輻射 不同的電信號 熱圖8.6 紅外傳感器 1紅外變像管成像 紅外變像管是直接把物體紅外圖像變成可見圖像的電真空器件，主要由光電陰極、電子光學(xué)系統(tǒng)和熒光屏三部分組成，并整體安裝在高真空密封玻璃殼內(nèi)，如圖8-75所示。圖8-75 紅外變像管示意圖1-光電陰極；2-引管；3-屏蔽環(huán)；4-聚焦加速電極；5-熒光屏8.6 紅外傳感器 2紅外攝像管 結(jié)構(gòu)：紅外攝像管是將物體的紅外輻射轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過電子系統(tǒng)放大處理，再還原為光學(xué)像的成像裝置。主要有光電導(dǎo)攝像管

55、、硅靶攝像管和熱釋電攝像管等。 熱釋電攝像管是一種較好的紅外成像器件，基本結(jié)構(gòu)如圖8-76所示。圖8-76 熱釋電攝像管結(jié)構(gòu)簡圖1-鍺透鏡；2-鍺窗口；3-柵網(wǎng)；4-聚焦線圈；5-偏轉(zhuǎn)線圈；6-電子束；7-陰極；8-柵極9-第一陽極；10-第二陽極；11-熱釋電靶；12-導(dǎo)電膜；13-斬光器8.6 紅外傳感器 工作原理： 基于熱釋電效應(yīng) 物體的紅外輻射經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)成像在用熱釋電材料薄片制作的靶面上，靶面吸收紅外輻射，溫度升高釋放出電荷。 物體表面紅外輻射分布 靶面的輻照度 靶面的溫度分布 靶面的熱釋電荷分布 掃描視頻信號 熱像圖。 特點：工作波段長；不用制冷；結(jié)構(gòu)簡單可靠；價格低廉；靜止物體成像時，必須對物體的輻射進行調(diào)制；對于運動物體成像毋須調(diào)制，適合于動態(tài)物體紅外成像，應(yīng)用廣泛。8.6 紅外傳感器8.6.3.3 紅外分析 根據(jù)物質(zhì)的紅外吸收特性制成紅外分析儀，分析物質(zhì)組成和百分比含量。根據(jù)不同目的設(shè)計出多種紅外分