光电传感技术课件

第2章光电式传感器1第2章光电式传感技术第2章光电式传感器2第2章光电式传感技术2.1光电传感器的工作原理2.2光敏二极管2.3光敏三极管2.4光敏电阻2.5光电池2.6高速光电二极管2.7光电倍增管2.8色敏光电传感器2.9光位置传感器2.10红外光传感器2.11光固态CCD图像传感器2.12光纤传感器2.13激光传感器2.14核辐射（光）传感器2.15典型应用举例第2章光电式传感器3本章目的和要求掌握各种光电式传感器：结构工作原理基本特性使用注意事项及应用第2章光电式传感器5光电效应有以下3类：外光电效应、光电导效应、光生伏特效应（1）外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象。光电元件：光电管、光电倍增管等。光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能量由下式确定。第2章光电式传感器6光电效应方程：式中：m——电子质量；

v0——电子逸出速度。

A0——物体的表面电子逸出功若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一个电子逸出，则光子能量hν必须超出逸出功A0

，超过部分的能量，表现为逸出电子的动能。第2章光电式传感器7第2章光电式传感器9过程：当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图，使材料中导带内的电子和价带内的空穴浓度增加，从而使电导率变大。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg内光电效应光电池电子能级示意图第2章光电式传感器10材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限λ0，只有波长小于λ0的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度Eg，即第2章光电式传感器11光谱

光波：波长为10—106nm的电磁波紫外线：波长10—380nm，可见光：波长380—780nm红外线：波长780—106nm第2章光电式传感器13

没有光照射时，处于反向偏置的光敏二极管，工作于截止状态,这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层，形成微小的反向电流即暗电流。这时反向电阻很大。当光照射在PN结上时,光子打在PN结附近,PN结附近产生电子-空穴对，它们在反向外加电压和内电场的作用下参与导电,从而使通过PN结的反向电流大为增加，形成光电流。这时二极管处于导通状态。光的照度越大,光电流越大。第2章光电式传感器142.2.2光敏二极管的基本特性1）光谱特性在入射光照度一定时，输出的光电流（或相对灵敏度）随光波波长的变化而变化。

一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感。硅管：（峰值波长1.1μm）探测可见光和炽热物体。锗管：（峰值波长1.8μm）探测红外光。第2章光电式传感器152）伏安特性（一定照度下的电流电压特性）当光照时，反向电流随着光照强度的增大而增大；在不同照度下，伏安特性曲线几乎平行，所以只要没有达到饱和值，它的输出实际上不受偏压大小的影响。

无偏压时，光敏二极管仍有光电流输出，这是由光敏二极管的光电效应性质所决定的。光的颜色会随着温度的升高而变化，这种光源的温度就叫该光源的色温（单位：开尔文）。Lx------照度单位：勒克斯第2章光电式传感器174）温度特性温度变化对光敏二极管输出光电流影响较小,但对暗电流的影响却十分显著.解决措施：选硅管、温度补偿电路、交流放大和隔直电容低照度高照度第2章光电式传感器185）响应特性

上升时间短tr<5ns，响应速度快，则适用于快速响应或入射光调制频率较高的场合。第2章光电式传感器192.2.3光敏二极管的型号参数见书P14表2.1和表2.2第2章光电式传感器21部分2CU型光敏二极管主要参数第2章光电式传感器22部分2CU型光敏二极管主要参数用于可见光和近红外光的接收，也可用于自动控制仪器和电气设备的光电转换系统。第2章光电式传感器23部分2CU79、2CU80光敏二极管主要参数2CU80型为低照度宽光谱光敏二极管，可用于多段亮度计和地物光谱仪及微弱光的探测仪。第2章光电式传感器252.2.4光敏二极管的应用1）光电路灯控制电路分析：1.无光照时：2.有光照时：IlVA第2章光电式传感器262）光强测量电路IlVA分析：1.无光照时：2.有光照时：电桥第2章光电式传感器292.3.2光敏三极管的基本特性2）伏安特性a）无偏压时有光电流b）比光敏二极管的光电流大β倍c）可把光敏三极管看成普通三极管（把入射光的光照变化看成基极电流的变化）1）光谱特性

光谱特性与二极管相同光敏二极管

第2章光电式传感器303）光照特性

其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和

4）温度特性

温度特性与光敏二极管相同

5）响应特性

上升时间tr<=3μs

比二极管的响应速度（ns）慢得多光敏二极管

第2章光电式传感器312.3.3光敏三极管的型号参数见书P18表2.3，表2.3续（一），表2.3续（二），表2.4第2章光电式传感器32型号允许功耗mW最高工作电压UCEM/V暗电流ID/μA光电流mA峰值响应波长μm测试条件ICE=IDUCE=UCEM1000IX

UCE=10V3DU1170≥10≤0.30.5~10.883DU1250≥303DU13100≥503DU14100≥100≤0.20.5~13DU2130≥10≤0.31~23DU2250≥303DU23100≥503DU3170≥10≤0.3≥23DU3250≥303DU33100≥503DU5130≥10≤0.2≥0.5部分国产光敏三极管参数：3DU系列硅光敏三极管适用于近红外光探测器、光耦合、编码器、译码器、过程控制等方面。第2章光电式传感器332.3.4.光敏三极管的应用1.脉冲编码器

电源24v输出电压发光二极管光敏三极管转轴转速为n，辐条数为N限流电阻输出电信号：频率f=nN的脉冲第2章光电式传感器342.光电转速传感器第2章光电式传感器35有光照BG1时，使U0为高电位，无光照BG1时，使U0为低电位。BG3和BG4组成射极耦合触发器高T1导通，T2截止高，低T1截止，T2导通低第2章光电式传感器36

光电式烟尘浓度计：光敏三极管6和7输出电压U1和U2由远算器8算出U1和U2的比值，进一步算出浓度。第2章光电式传感器372.4光敏电阻2.4.1光敏电阻的工作原理与结构1.光敏电阻的工作原理

光敏电阻的工作原理：光电导效应

光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。

无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。第2章光电式传感器38光敏电阻演示

当光敏电阻受到光照时，光生电子—空穴对增加，阻值减小，电流增大。暗电流（越小越好）第2章光电式传感器392光敏电阻的结构它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质（称为光导层，用金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料）,半导体的两端装有金属电极,金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就

通过引出线端接

入电路。防潮措施：密封结构、防潮树脂涂层第2章光电式传感器40第2章光电式传感器412.4.2光敏电阻的主要参数和基本特性

1主要参数１）暗电阻与亮电阻暗电阻：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。亮电阻：光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,此时流过的电流称为亮电流。

光电流：亮电流与暗电流之差称为光电流。亮电阻与暗电阻之差越大,光电流越大,灵敏度越高，光敏电阻的性能越好。暗电阻——兆欧级,亮电阻——几千欧以下。2）光谱响应范围及峰值波长

对应于一定敏感程度的波长响应区间；对光谱响应最敏感的波长数值——光谱响应峰值波长

3）时间常数光敏电阻从停止光照到电流下降到原来值的63%所需要的时间（无其他负载），一般低于20ms第2章光电式传感器422．光敏电阻的基本特性1）伏安特性：在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定电压，I随着光照E增强而增大。E↑→R↓→I↑。③受额定功率限制第2章光电式传感器432)光照特性（I～E）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中作光电开关。第2章光电式传感器443）光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。①不同材料，其峰值波长不同。②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高的相对灵敏度。第2章光电式传感器454）频率特性当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，这就是光敏电阻的时延特性。由于不同材料的光敏f/Hz电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不同，如图。硫化铅的使用频率比硫化镉高得多，但多数光敏电阻的时延都比较大，所以，它不能用在要求快速响应的场合。20406080100K/%010102103104硫化铅硫化镉第2章光电式传感器465）温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应，峰值随着温度上升向波长短的方向移动。

随着温度的升高，暗电阻和灵敏度都下降。使用时，应采取降温措施。第2章光电式传感器472.4.3常用光敏电阻的性能参数见书P25表2.5。第2章光电式传感器48光敏电阻器的型号命名方法（补充）

光敏电阻器的型号命名分为三个部分，各部分的含义见表。

第一部分用字母表示主称。

第二部分用数字表示用途或特征。

第三部分用数字表示产品序号。

第2章光电式传感器49第2章光电式传感器501.环境照度监视器（100Lx）2.4.4光敏电阻的应用采光电路射极偏置差动放大复合开关音乐集成电路复合功率放大器第2章光电式传感器51（1）带材5处于正确位置（中间位置），预调电桥平衡，U1=U2输出电压UO为0。（2）带材5偏左，遮光面积减小，光照增加，R1阻值减小，U1增加，U1

>U2，输出电压UO为负。（3）带材5偏右，遮光面积增大，光照减弱，R1阻值增大，U1减少，U1

<U2，输出电压UO为正。测量元件温度补偿元件2.带材跑偏检测仪测量偏离正确位置的大小和方向第2章光电式传感器52

光电池是一种直接将光能转换为电能(电动势)的光电器件。光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件可以不需要外加电源。

2.5.1

结构与工作原理光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结,当光照射到PN结的一个面,例如p型面时,若光子能量hv大于半导体材料的禁带宽度Eg,那么p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势。2.5光电池光电效应

第2章光电式传感器53第2章光电式传感器54光电池外形光敏面第2章光电式传感器552.5.2光电池的基本特性1.光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。

1）光谱响应峰值的位置不同：例如，硅光电池在8000A（800nm）附近，硒光电池在5400A（540nm）附近。

2）光谱响应波长范围：硅光电池的为0.45~1.1μm，而硒光电池为0.34~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽的波长范围内得到应用，硒光电池适用于可见光。

3）使用：光源选光电池，

光电池选光源第2章光电式传感器562.光照特性

反映短路电流、开路电压与光照度的关系。

1）短路电流（负载电阻RL→0，相对于光电池内阻很小）：在很大范围内成线性关系,可做检测元件。

负载电阻越小越好，光电流与照度之间的线性越好，且线性范围越宽。光电池的内阻随着照度增强而减小，照度不同时选用大小不同的负载电阻。

2）开路电压（负载电阻RL→∝）：

非线性,并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。可做开关元件。3）做检测元件时,当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。\v压电生光第2章光电式传感器573.光电池的频率特性反映光的交变频率与光电池输出电流的关系。硅光电池有较好的频率响应。第2章光电式传感器584.光电池的温度特性

1）开路电压：T↑，下降快

2）短路电流：T↑，升高缓慢

实际使用：考虑温度漂移，进行补偿第2章光电式传感器592.5.3

光电池的型号参数1.开路电压2.短路电流3.输出电流4.转换效率：光电池最大输出电功率与输入光功率的比值（%）。5.光敏面积：面积越大，输出光电流也越大第2章光电式传感器60太阳电池方阵有光照时,太阳电池方阵对负载供电，同时对蓄电池组供电。阻塞二极管防止蓄电池经过光电池放电。１.太阳电池电源2.5.4

光电池的应用蓄电池组第2章光电式传感器61JMJ112V2A51KL39K470uF～2.自动干手器手放入干手器时：光电池：不受光照晶体管：导通继电器：吸合风机和电热丝：通电，烘手手干抽出后：光电池：受光照，产生光生电动势三极管：截止继电器：释放风机和电热丝：断电第2章光电式传感器623.路灯光电自动开关控制回路主回路第2章光电式传感器63二倍压整流电路：U0=2√2e2第2章光电式传感器64二倍压整流电路：U0=2√2e2第2章光电式传感器652.6高速光电二极管PIN

P、N间加了层很厚的高电阻率的本征半导体I。P层做的很薄。比普通的光电二极管施加较高的反偏电压。1.PIN结光电二极管主要用于光纤通信和光电自动控制的快速接收器件第2章光电式传感器66图PIN光电二极管偏压价带导带信号光信号光电极电极输出端PIN第2章光电式传感器67

2.雪崩式光电二极管（APD）在PN结的P区外增加一层掺杂浓度极高的P+层，且在其上加上高反偏压。响应时间极短，灵敏度极高。电极偏压输出端价带导带信号光信号光电极P+pN图8-29雪崩式二极管105V/cm内部加速场第2章光电式传感器68高速光电二极管的特性参数表2.9特性曲线高速光电二极管灵敏度为一般硅光二极管50倍，响应时间高出2个数量级，探测精度高出5个数量级。因此应用于高速信息处理系统领域。第2章光电式传感器69一.普通光电管两个电极：光电阴极（光敏材料涂敷）和光电阳极。外光电效应：当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。2.7光电倍增管主要用于高精度的分析仪器，原子分光光度计、浊度计等。特点：将微小光电流放大，（10-3A~10-4A）。2.7.1

结构组成第2章光电式传感器70第2章光电式传感器71作用：光电倍增管具有放大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。结构：由光阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为12~14级。

光电倍增管第2章光电式传感器72IAKD1D2D3D4AR1R2R3R4R5RLUOUT

工作原理：使用时在各个倍增电极上均加上电压，光阴极电位最低，以后依次升高，阳极最高。相邻两个倍增电极之间有电位差，因此存在加速电场。2.7.2

工作原理第2章光电式传感器73入射光光阴极K第一倍增极第二倍增极第三倍增极第四倍增极阳极A(3-6倍)(3-6倍)(3-6倍)次级电子(3-6倍)（105~106倍）第2章光电式传感器74光电倍增管的电流放大倍数为如果n个倍增电极的δi

都一样,则Ｍ＝δin

因此阳极电流为Ｉ＝i·δin,M与所加的电压有关，在105—108之间。一般阳极和阴极之间的电压为1000~2500V，两个相邻的倍增电极的电位差为50~100V。电压越稳越好。光电倍增管的主要参数：（1）倍增系数M：等于各个倍增电极的2次发射电子系数δi的乘积。2.7.3主要参数第2章光电式传感器75一个光子在阴极能够打出的平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。一个光子在阳极上产生的平均电子数叫光电倍增管的总灵敏度。(2)光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高（不能太高），M越大，不能受强光照射。

光电倍增管的特性曲线255075100125106极间电压/V倍增系数M105104103第2章光电式传感器76（3）暗电流和本底脉冲由于环境温度、热辐射和其它因素的影响，即使没有光信号输入，加上电压后阳极仍有电流，这种电流称为暗电流。宇宙射线对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增管上而形成的电流，称为本底电流（本底脉冲）具有脉冲形式。第2章光电式传感器77（4）光电倍增管的光谱特性

与相同材料的光电管的相似。光照特性第2章光电式传感器78光谱特性：对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。国产GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限λ0=7000Å，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%~30%。它适用于白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中。对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为3000~8500Å，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。第2章光电式传感器79国产光电倍增管的技术参数第2章光电式传感器802.7.4光电倍增管的应用闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器。第2章光电式传感器812.8色敏光电传感器

色敏光电传感器相当于两支结构不同的光电二极管的组合，故又称光电双结二极管用途：直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。2.8.1

结构与基本原理第2章光电式传感器82工作原理：P+-N结为浅结，P-N结为深结；半导体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度：浅结对紫外光有较高灵敏度。紫外光部分吸收系数大，经过很短距离就被吸收完毕；而对红外光部分吸收系数小;深结对红外光有较高的灵敏度。红外光部分吸收系数大，光子主要在深结处被吸收；对该色敏器件进行标定：也就是测定在不同波长光照射下，深结的短路电流ISD2与浅结的短路电流ISD1的比值ISD2/ISD1

。

ISD2在长波区较大，ISD1在短波区较大；因而ISD2/ISD1与入射单色光波长的关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。第2章光电式传感器832.8.2基本特性1）光谱特性表示它所能检测的波长范围。CS-1型色敏光电传感器，波长范围：400nm—1000nm第2章光电式传感器842）短路电流比－波长特性

短路电流比－波长特性是表征半导体色敏器件对波长的识别能力，是赖以确定被测波长的基本特性。3）温度特性

不考虑温度影响第2章光电式传感器852.8.3.色敏光电传感器的应用U0=C(lnISD2―

lnISD1)=Cln(ISD2/

ISD1)第2章光电式传感器862.9光位置传感器光位置传感器是一种硅光电二极管，它利用光线来检测位置。光位置传感器的主要用途：常用于机械加工的定位装置，也可以作为机器人的眼睛或用于其他位置检测。第2章光电式传感器87光位置传感器工作原理：当电阻层均匀分布时：则：第2章光电式传感器88PSD位置传感器

组成：PSD是一种新型光电检测器件，由P衬底、PIN光电二极管及表面电阻组成。工作原理：基于半导体的“横向光电效应”，对达到器件入射光或粒子位置的敏感。即利用PSD的光电流可测量入射到感光区域的光斑能量中心的位置（一维），将光敏面上光点位置转化为电信号。

第2章光电式传感器89PSD位置传感器的测量电路：取PSD中心为坐标原点，L表示二电极之间的距离，I0=I1+I2表示总电流,xA为入射光到坐标原点之间的距离，则利用PSD位置传感器工作原理有：则输出电压值与光强能量中心位置xA值成正比。

可见电极输出光电流之差与xA成正比，通过测量减法器输出电压值即可得到光照能量中心位置xA值。第2章光电式传感器902.10红外光传感器红外光传感器的应用：红外辐射计：用于辐射和光谱辐射测量搜索和跟踪系统：确定位置对其运动进行跟踪热成像系统：产生目标红外辐射的分布图红外测距和通信系统混合系统第2章光电式传感器912.10红外光传感器红外辐射俗称红外线，它是一种不可见光，由于是位于可见光中红色光以外的光线，故称红外线。它的波长范围大致在0.76-1000μm。红外线所占据的波段分为4部分，即近红外，中红外，远红外和极远红外。2.10.1红外辐射基础第2章光电式传感器921)红外辐射的物理本质：热辐射温度辐射红外线2)红外辐射以波的形式在空间直线传播的。它在大气中传播时，大气层对不同波长的红外线存在不同的吸收带。空气中对称的双原子气体，如N2、O2、H2等不吸收红外线。红外线在通过大气层时，有3个波段透过率高，它们是2m～2.6m，3m～5m和8m～14m，统称它们为“大气窗口”。因此红外探测器一般都工作在这3个波段（大气窗口）之内。第2章光电式传感器93

红外光传感器按工作原理可分为光量子型和热电型两大类。

光量子型：可直接把红外光转换成电能。如，红外光敏电阻和红外PN结型光生伏特器件，用于遥感成像方面。

热电型：吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性能发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。如红外光敏热释电效应器件。2.10.2红外光传感器的工作原理与结构第2章光电式传感器941.热释电效应及器件1）材料：具有自发极化的特征—铁电晶体。(如锆钛酸铅系陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘肽等)。温度升高，则极化强度减少。2）热释电效应：若温度因吸收红外光而升高，则极化强度减小，使单位面积上极化电荷减少，释放一定量的吸附电荷；若与一个电阻连成回路，会形成电流，电阻上产生一定的压降，这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。3）只能探测辐射的变化第2章光电式传感器95由实验证实，电阻上压降的变化为由于dT/dt与红外线强度的变化成正比，结合上式，可得出输出电压正比于红外线强度的变化。第2章光电式传感器962.热释电传感器的结构和等效电路R绝缘体第2章光电式传感器973.双元件（双元型）红外传感器

此传感器专门用来检测人体辐射的红外线能量。市场上常见有国产的SD02、PH5324，日本的SCA02-1，美国的P2288等。

SD02由敏感单元、场效应管、高阻抗变换管、滤光窗、菲涅尔透镜等组成，并在氦气环境下封装而成。渡多层滤光层薄膜7~14μm第2章光电式传感器982.10.3红外光传感器的应用1．红外测温仪

红外测温仪是利用热辐射在红外波段的辐射通量来测量温度的。物体辐射红外光红外探测器测温。采用滤光片，可使其工作在任意红外波段。第2章光电式传感器99红外测温仪方框图

8m～14m（钽酸锂）第2章光电式传感器1003.红外气体分析仪

红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同。

4.652.784.26>13第2章光电式传感器101图

红外线气体分析仪结构原理图该分析仪由红外线辐射光源、气室、红外探测器及电路等部分组成。

光源由镍铬丝通电加热发出红外线，切光片将连续的红外线调制成脉冲状的红外线。测量气室中通入被分析气体，参比气室中封入不吸收红外线的气体（如N2等）。滤波气室通入干扰气体。如检测CO(4.65μm)时，干扰气体CO2（4.26μm）。红外探测器是薄膜电容型，它有两个吸收气室，充以被测气体，当两吸收气室吸收的红外辐射能量不同时，气体温度升高不同，导致室内压力增大不同，薄膜移动，电容量变化。如被测气体的浓度愈大，两束光强的差值也愈大，则电容的变化量也愈大，因此电容变化量反映了被分析气体中被测气体的浓度。3-10μmN22第2章光电式传感器1022.11光固态CCD图像传感器光固态图像传感器是高度集成的半导体光敏传感器，以电荷转移为核心，可以完成光电信号转换、信号存储和传输处理的集成光敏传感器，具有体积小、重量轻、功耗小、成本低等优点，可探测可见光、紫外线、x射线、红外光、微光和电子轰击等。固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。第2章光电式传感器1032.11.1电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。是在MOS结构电荷存储器的基础上发展起来的，被称为“排列起来的MOS电容阵列”。第2章光电式传感器104

CCD技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化，应用遍及航天、遥感、天文、通讯、工业、农业、军用等各个领域。基于CCD光电耦合器件的输入设备有：数字摄像机、数字相机、平板扫描仪、指纹机等。第2章光电式传感器105

CCD基本结构分两部分：MOS光敏元阵列；读出移位寄存器。电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千（万）个光敏元，一个光敏元对应一个像素，在半导体硅平面上光敏元按线列或面阵有规则地排列。CCD结构示意图

显微镜下的MOS元表面第2章光电式传感器106（一）MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。

CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即

在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构（MOS电容），它是CCD器件的最小工作单元。第2章光电式传感器107A、势阱的产生

MOS的金属电极加正压（P-Si），金属电极板上充上一些正电荷，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。表面区有表面电势Φ（>0）,如衬底电位为0，则表面处电子的静电位能为-qΦ（<0),则表面处有存储电荷的能力，一旦有电子，电子就会向耗尽层的表面处运动，表面这种状态称为电子势阱（表面势阱）。势阱的深浅取决于U的大小。++第2章光电式传感器108B、电荷的存储势阱具有存储电荷的功能，光照时，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

CCD器件将图像的光信号转变成对应电荷包阵列。势阱中的电子，在停止光照一定时内也不会损失，这就实现了对光照的记忆。第2章光电式传感器109（二）电荷转移原理CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。第2章光电式传感器110A、电荷的定向转移

当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。电极的结构：按所加电压的相数分为二相、三相和四相系统。（三）CCD的工作原理第2章光电式传感器111B、三相CCD电极的结构以三相时钟脉冲控制把MOS光敏元电极分成三组，在其上面分别施加三个形状相同、相位不同（相位差1/3周期

）的驱动脉冲Φ1、Φ2、Φ3做控制电压（见图a）

第2章光电式传感器112123456第2章光电式传感器113C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法第2章光电式传感器（四）CCD图像传感器（分类）从结构上分：线列型CCD图像传感器面阵型CCD图像传感器

1）行传输（LT）面阵型CCD2）帧传输（FT）面阵型CCD3）行间传输（ILT）面阵型CCD第2章光电式传感器115（四）CCD图像传感器

1.线列型CCD图像传感器线列CCD结构原理图（1）光照光敏元，且梳状电极施加高压时，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。（光积分）（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，并行输出到移位寄存器，再通过移位寄存器串行输出。（3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。结构组成：工作原理：演示第2章光电式传感器1162.面阵型CCD图像传感器

面阵型CCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测二维平面图像。按传输和读出方式可分为行传输、帧传输和行间传输三种。1）行传输（LT）面阵CCD较少使用第2章光电式传感器1172）帧传输（FT）面阵CCD感光区和暂存区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到暂存区。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区MOS的数量）感光区暂存区读出寄存器MN第2章光电式传感器118演示优点：分辨率高、弥散性低，噪声小。缺点：由于设置暂存区，使器件面积增大。第2章光电式传感器1193）行间传输（ILT）面阵型CCD它将光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。在光积分期间，光生电荷存储在感光区光敏单元的势阱里；当光积分时间结束，转移栅的电位由低变高，信号电荷进入垂直转移寄存器中。随后，一次一行地移动到输出移位寄存器中，然后移位到输出器件，在输出端得到与光学图像对应的一行行视频信号。这种结构的感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。单元平面结构图P53演示第2章光电式传感器1203.CCD图像传感器的特性参数（1）转移效率当CCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q1为转移一次后的电荷量，Q0为原始电荷，则转移效率定义为若转移损耗定义为则电荷进行N次转移时，总转移效率为要求转移效率必须达到99.99％－99.999%第2章光电式传感器121（2）分辨率

分辨能力是指摄像器件分辨图像细节的能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离。根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的空间采样频率f0（图像传感器电极的间隔-单元数/毫米）的一半，即第2章光电式传感器122（3）暗电流

暗电流起因于热激发产生的电子－空穴对，是缺陷产生的主要原因。CCD器件暗电流越小越好。暗电流与温度密切有关，温度每降低10℃，暗电流约减小一半。暗电流与积分时间有关，光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地方，多数会出现暗电流尖峰。对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。第2章光电式传感器123（4）灵敏度

图像传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量，即第2章光电式传感器124光谱灵敏度特性第2章光电式传感器125（5）噪声噪声是图像传感器的主要参数。CCD是低噪声器件，由于其他因素产生噪声叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移产生干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输出噪声等。散粒噪声决定图像传感器的噪声极限值。第2章光电式传感器126第2章光电式传感器127（五）线列CCD摄像系统第2章光电式传感器1282.11.2MOS图像传感器参看书p54-57第2章光电式传感器129

2.11.3CCD器件应用

CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面：·计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。·光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。·生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。·军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查)。第2章光电式传感器130CCD器件应用

1、线列CCD器件检测工件尺寸L——工件尺寸，N——覆盖的光敏单元数d——相邻光敏单元中心距离M——光学系统放大率第2章光电式传感器1312.文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。第2章光电式传感器132驱动电路分类机构计算机细化二值化处理传送带CCD透镜1分类箱23邮政编码识别系统第2章光电式传感器1333、CCD在汽车前照灯配光测试中的应用P60图2.704、CCD传感器在光电精密测径系统中的应用P60图2.71第2章光电式传感器134光纤传感器的特点：极高的灵敏度和精度固有的安全性好，抗电磁干扰，高绝缘强度，耐腐蚀体积小、柔软集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警、军事、航空航天和生命科学等方面有广泛的应用。2.12光纤传感器第2章光电式传感器135一、光纤的传光原理1、光纤结构纤芯（SiO2掺GeO2、P2O5）：折射率n1包层（SiO2掺B2O3、SiF4）：一层或多层、折射率n2，且n1>n2。涂敷层及护套：保护、增加机械强度、区分各种光纤。涂敷层及护套第2章光电式传感器1362、斯乃尔（Snell）定理

当光由光密介质入射至光疏介质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：临界角（c）全反射：第2章光电式传感器1373、光纤传光原理

光的全反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件：光由光密介质射向光疏介质且入射角大于临界角第2章光电式传感器138光纤导光

n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1第2章光电式传感器139当θr=90°的临界状态时，arcsinNA是一个临界角，θi

>arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θi<arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。

定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）第2章光电式传感器140二、光纤的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗第2章光电式传感器1411.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。产品光纤不给出折射率N只给数值孔径NA，石英光纤的数值孔径一般为NA=0.2～0.42θc第2章光电式传感器142光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式；不同入射角度光线在界面上反射的次数不同，光波之间的干涉产生的强度、分布也各不相同；模式值定义为：

式中：α为纤芯半径；

为入射波长

2.光纤模式（V）第2章光电式传感器143光纤模式（V）讨论：模式值越大，允许传播的模式越多（多模光纤）。在信息传播中，希望模式数越少越好，若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达，多个信号导致合成信号畸变。模式值V小，就是α值小（即纤芯直径小）传播的模式越少。只传播一种模式的光纤，称单模光纤。单模光纤性能最好，畸变小、容量大、线性好、灵敏度高，但制造、连接困难。第2章光电式传感器144

光纤模式种类：按折射率分布分为阶跃型、梯度型；按传播模式分为多模(纤芯直径D=50～100μm)单模(纤芯直径D=3～10μm)单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。有特殊要求的称特殊光纤。第2章光电式传感器145第2章光电式传感器146光纤在传播时，由于材料的吸收、散射和弯曲的辐射损耗影响，不可避免的要有损耗，用衰减率α表示：

3.传播损耗（α）在一根衰减率为10dB/Km的光纤中，表示当光纤传输1Km后，光强下降到入射时的1/10。

3dB/Km相当光纤传输1Km后，光强衰减到入射时的一半,性能优良的光纤传播损耗可达0.16dB/Km。第2章光电式传感器147三、光纤传感器的原理1、按工作原理：

光纤传感器通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。

功能型光纤传感器（传感型）是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。光纤不仅起到传光作用，而且有传感能力。

用单模光纤，既传光又是敏感元件。（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）

第2章光电式传感器148

非功能型光纤传感器（传光型）光通讯是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。光纤的状态是不连续的，光纤只起传光作用。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。增大传输光的通量。第2章光电式传感器149光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型第2章光电式传感器1502、按调制类型：

光纤传感器可分为强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器波长（频率）调制光纤传感器时分调制光纤传感器偏振调制光纤传感器第2章光电式传感器1511）强度调制原理利用外界物理量改变光纤中的光强度，通过测量光强的变化测量被测信息。可分为：反射调制、透射调制、内调制—微弯调制。第2章光电式传感器152反射式强度调制由多根光纤束组成入射、接收光纤，被测物体将光束反射回光纤，经反向传输后由光敏器件接收。光强的大小随被测物体的特征不同而不同；特征包括：被测物体与光纤端面的距离；被测物体表面的光洁度（反射率）；相对倾角。特点：非接触、探头小、线性度好、频响高、测量范围在100μm以内。X入射光源S出射透镜接收D被测物体第2章光电式传感器153透射式强度调制

光纤端面为平面，入射光纤不动；出射光纤可横向、纵向、旋转移动，出射光强受位移信号的调制。图中接收光强与两圆的交叠面积有关。S入射出射X第2章光电式传感器154入射光源S出射透镜接收D弹性薄膜P开关调制入射、接收光纤固定不动，当光纤端面有物体运动时，出射光纤的光强变化。遮光屏蔽物与其它敏感元件相连，如膨胀元件。第2章光电式传感器155将光纤的光分为两束，一束相位受外界信息的调制，一束作为参考光使两束光叠加形成干涉花纹，通过检测干涉条纹的变化可确定出两束光相位的变化，从而测出使相位变化的待测物理量。待测量通过改变光纤的长度（几何尺寸），光纤折射率n可以使光纤输出端产生相位变化。2）相位调制原理演示第2章光电式传感器1563）频率调制被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；当光敏器件与光源之间有相对运动时，光敏器件接收到的光频率fs与光源频率f不同，这种现象称光的“多普勒效应”；设光敏器件相对光源的运动速度为υ，接收的光频率可表示为：被测体散射光信号由透镜接收回光纤，与空气界面直接返回的光信号合成后形成频率为fp的拍频信号，送光敏探测器，经由频谱仪分析频率变化，获得速度。第2章光电式传感器157法拉第磁光效应(又称磁致旋光效应)——磁场传感器当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时，光线的偏振面（矢量振动方向）将发生偏转，偏转的角度θ与磁感应强度B以及介质的长度L成正比θ=KBL，K为物质常数。透明介质BQL外界因素作用下，使光的某一方向振动比其他方向占优势的一种调制方式。主要基于人为旋光现象，如：法拉第磁光效应、克尔电光效应、弹光效应等实现的。5）偏振调制4）时分调制利用外界因素调制返回信号的基带频谱，通过检测基带的延迟时间、幅度大小的变化，来测量各种物理量的大小和空间分布的方法。第2章光电式传感器158光纤传感器组成

由光源、敏感元件（光纤和非光纤的）、光探测器、信号处理系统及光纤等。第2章光电式传感器159

四、光纤传感器实例

1.光纤辐射剂量传感器1）吸光型：利用光纤吸收了放射性射线后，衰减量发生变化的机理。2）发光型：利用光纤受放射性射线的辐射后其内部发光的机理。射线辐射剂量→光纤对传输光的吸收损耗→输出功率→光强指标第2章光电式传感器1602.光纤电流传感器利用相位调制I→B→镍护套磁致伸缩→n、L→相位差第2章光电式传感器1613.光纤图像传感器0.3万~10万股→图像单元图像光纤是由数目众多的光纤组成一个图像单元。投影在光纤束一端的图像被分解成许多像素，然后图像是作为一组强度与颜色不同的光点传送，并在另一端重建原图像。第2章光电式传感器162加速度通过一定质量的物体，在平衡力的反作用下可产生位移、形变、旋转等。干涉型光纤加速度传感器4.光纤加速度传感器一惯性系统，质量块质量M，顺变体质量MC，顺变体是一空心圆柱体，并且M＞MC；当系统以加速度a运动的质量块对顺变体施加轴向力F=ma,在F的作用下顺变体产生轴向应变和径向应变。MC质量块顺变体光纤aFd基座M顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，使光纤的长度发生变化，光纤的长度变化通过干涉系统测量出光的相位变化，从而实现加速度测量。第2章光电式传感器163干涉型光纤加速度传感器SDD激光器分束器1分束器2探测器参考端第2章光电式传感器1645.光纤温度传感器相位调制、光强调制型、偏振调制型敏感元件：半导体光吸收器能带随温度的升高而减小温度升高→透射率降低→光强减小；光强的变化体现温度的变化（-10~3000C）体积小、灵敏度高、工作可靠，广泛应用于高压电力装置中的温度测量。第2章光电式传感器1656.光纤漩涡流量传感器结构：将一根多模光纤垂直地装入管道工作原理：当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。流体力学原理可知，旋涡的频率

f与流体的流速可表示为:光纤输出端测出干涉图样斑纹或斑点的移动，获得振动频率f。用于气体、液体流量的测量。传感器无活动部件，测量可靠，而且对流体流动不产生阻碍作用，所以压力损耗非常小。式中：v-流体速度，d-流体中物体横向尺寸大小；

S-常数,斯特罗哈数。vfd≈S第2章光电式传感器1662.13激光传感器一.激光产生的机理

原子在正常分布状态下，总是稳定的处于低能级E1，如无外界作用，原子将长期保持这种稳定状态。一旦受到外界光子的作用，赋予原子一定的能量E后，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。光受激后，其能量有下列关系：

E=hυ=E2-E1

E-光子的能量

υ-光的频率

h-普朗克常数（6.623×10-23J.s)第2章光电式传感器167受激辐射:处于高能级E2的原子在外来光的诱发下，从高能级E2

跃迁至低能级E1而发光。这个过程叫光的受激辐射。受激辐射的条件：根据外光电效应，只有外来光的频率等于激发态原子的某一固有频率（即红限频率）时,原子的受激辐射才能产生。粒子反转：在外来光的激发下，如果受激辐射大于受激吸收，原子在某高能级的数目就多于低能级的数目，像对于原子正常分布状态来说，称之为粒子反转。当激光器内工作物质中的原子处于反转分布，这时受激辐射占优势，光在这种物质中传播时，会变得越来越强。通常把这种处于粒子反转分布状态的物质称为增益介质。增益介质放在光学谐振腔内。光学谐振腔除了有增益介质外，还有两个平行对置的反射镜，一个为全反射镜，另一个为半反半透镜。当原子发出的光焰谐振腔轴向传播时，光子碰到反射镜后，就被反射折回，在两反射镜间往返运行，不断碰撞，使工作物质受激辐射，产生雪崩似的放大，从而形成了强大的受激辐射光该辐射光称为激光。然后由半反半透镜输出。第2章光电式传感器168二.激光的特性激光与普通光源相比，具有如下特点。方向性强能量集中

具有高平行度，发散角小，约为0.18°。光束扩展角小，一般可至10－3rad。能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源好几百万倍。单色性好

普通光源中，单色性最好的是同位素氪86（86Kr)灯发出的光，其中心波长λ＝605.7nmΔλ=0.00047nm;而氦氖激光器λ＝632.8nm，Δλ=10－9nm。相干性好

所谓相干性好就使两束光在相遇区域内发出的波相叠加，并能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号。时间相干：同一光源在相干时间内的不同时刻发出的光，经不同路程相遇而产生的干涉。空间相干：同一时间由空间不同点发出的光的相干性。第2章光电式传感器169三.激光器及其特性要产生激光必须具备三个条件：1）必须由能形成粒子数反转分布的工作物质（增益介质）2）激励能量（光源）3）光学谐振腔。将这三者结合在一起的装置称为激光器。到目前为止，激光器按增益介质可分为如下四种。

1.固体激光器

2.液体激光器

3.气体激光器

4.半导体激光器第2章光电式传感器170四.应用举例1.激光测距1）原理2）t的测量：精密时间间隔测量仪单次分辨率±20ps3）精度：激光测距的精度主要取决于时间间隔测量的精度和激光的散射。D=1500kmt=10ms±1ns，测距误差±15cm；t=10ms±0.1ns，测距误差±1.5cm第2章光电式传感器1712.激光测流速应用最多：激光多普勒流速计。测量火箭燃料的流速、飞行器喷射气流的速度、风洞气流速度及化学反应中粒子的大小及会聚速度等，组成：光学系统多普勒信号处理原理：根据多普勒效应，散射光的频率相对于入射光将产生正比于流体速度的偏移。若能测得散射光的偏移量，就能得到流体的速度。平面镜分光镜光电倍增管频率跟踪器fdfd=2v/λ第2章光电式传感器1723.激光测长度1）应用于：随着机床、自动制图机、掩模制作机、集成电路制作机等工作机械大型化、精密化、数值控制化的发展，需要长尺子并以很高精度确定其位置。2）有效量程受单色性限制．最大量程

△λ是谱线宽度如普通光源：氪灯的红光（波长λ=605.7nm，△λ=4.7×10-4nm）计量，最大量程38.5cm，而激光光源，如特制氦-氖激光器输出的红光（λ=632.8nm，△λ=2×10-9nm），最大量程可达20km．

第2章光电式传感器1733）原理：利用光的干涉方法进行精密长度测量把激光器输出的激光在干涉仪中分成两束，一束在干涉仪中走过固定路程；另一束射到靶棱镜后反射回干涉仪，光靶棱镜相对于干涉仪移动时，这束光的光程发生变化．两束光会合之后发生干涉，生成干涉条纹．当靶棱镜移动半个波长时，干涉图上发生一条条纹的移动。数出通过参考点的条纹移动数目N，就可以由下面的公式得到移动的长度L：4）测量精度高（10-7m），是任何其他测量方法所无法比拟的。第2章光电式传感器1742.14核辐射（光）传感器核辐射光传感器的测量原理基于核辐射粒子的电离作用、穿透能力、物体吸收、散射和反射等物理特性，利用这些特性制成的传感器可用来测量物质的密度、厚度，分析气体成分，探测物体内部结构等，是现代检测技术的重要部分。第2章光电式传感器1752.15典型应用举例光电比色温度计是根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温的一个典型例子。根据有关的辐射定律，物体在两个特定波长λ1、λ2上的Ｉλ１、Ｉλ２之比与该物体的温度成指数关系：式中，Ｋ１、Ｋ２是与λ1、λ２及物体的黑度有关的常数。2.15.1光电式传感器的模拟量检测见P76图2.91第2章光电式传感器176光电开关及光电断续器

从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。

2.15.2光电式传感器的数字量检测第2章光电式传感器177光电开关：是一种利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、“关”信号的器件。应用：用于检测物体的靠近和通过等状态。分类：光电开关可分为遮断型和反射型两大类。器件的选择：发射管：红外发光二极管接收管：光敏三极管、光敏达林顿管和光电池第2章光电式传感器178a）是一种透射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体位于或经过它们之间时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，这样就起了检测的作用。（b）是一种反射式的光电开关，它的发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。第2章光电式传感器179遮断型光电开关外形第2章光电式传感器180反射型光电开关外形电源指示信号指示第2章光电式传感器181光电开关应用（续）透明度测量、控制质量检测第2章光电式传感器182光电开关应用（续）加工控制第2章光电式传感器183光电开关应用（续）机械手定位第2章光电式传感器184光电开关应用（续）商标方向检测第2章光电式传感器185光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）第2章光电式传感器186光电开光广泛应用于工业控制，自动化包装线、自动灌装机、装配流水线及安全装置中作为光控制和光检测装置。可在自动控制系统中用作物体检测，产品计数，料位检测，尺寸控制，检测装配件到位与否以及装配质量，安全报警及计算机输入接口等。第2章光电式传感器187２光电断续器光电断续器可分为遮断型和反射型两种。第2章光电式传感器188光电断续器外形第2章光电式传感器189光电断续器外形（续）红色光柱反射式电断续器第2章光电式传感器190

光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。演示第2章光电式传感器191３光电式转速表用于距被测物数十毫米处非接触地高转速的测量。分：反射式和透射式两种。图示转速（转/分钟）：