《光电传感技术》课件

第2章光电式传感技术1光电式传感器2章光电式传感器第2章光电式传感技术ppt课件2章光电式传感器2原理光敏二极管光敏三极管光敏电阻光电池高速光电二极管光电倍增管2.1

光电传感器的工作

2.8

色敏光电传感器光位置传感器红外光传感器光固态CCD图像传感器光纤传感器激光传感器核辐射（光）传感器典型应用举例本章目的和要求ppt课件2章光电式传感器3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概述ppt课件2章光电式传感器4光电式传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器。

光电式传感技术特点：用于检测非电量，具有结构简单、非接触、可靠性高、精度高和反应快等特点。广泛用于空间位置测定、图像控制、辐射检测、工业监测、病情初期诊断等检测技术领域。2.1

光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理：光电效应。光电效应：当光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体中的电子吸收入射光子的能量，而发生相应的效应（如发射电子、电导率变化或产生电动势等），这种现象称为光电效应。光电计数器光电效应有以下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。ppt课件2章光电式传感器5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。ppt课件2章光电式传感器6ppt课件2章光电式传感器7内光电效应包括：光电导效应和光生伏特效应光电导效应：在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。光电元件：光敏电阻等。光生伏特效应：在光线作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。光电元件：光电池、光敏二极管、光敏三极管等。ppt课件2章光电式传感器8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。导带禁带价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9ppt课件2章光电式传感器式中ν、λ分别为入射光的频率和波长。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。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ppt课件2章光电式传感器10光谱ppt课件2章光电式传感器11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—106nm2.2

光敏二极管光敏二极管与普通半导体二极管的不同之处：光敏二极管

的PN结装在管壳的顶部，可以直接受到光的照射。光敏二极管在电路中一般是处于反向偏置状态。光敏二极管的光照特性是线性的，适合检测等方面的应用。ppt课件2章光电式传感器122.2.1

光敏二极管的结构和工作原理没有光照射时，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。ppt课件2章光电式传感器132.2.2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。ppt课件2章光电式传感器142）伏安特性（一定照度下的电流电压特性）ppt课件2章光电式传感器15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3）光照特性ppt课件2章光电式传感器16光敏二极管光照特性的线性好。4）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ppt课件2章光电式传感器175）响应特性ppt课件2章光电式传感器18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。2.2.3

光敏二极管的型号参数ppt课件2章光电式传感器19见书P14

表2.1和表2.2①最高反向工作电压VRM

:是指光敏二极管在无光照的条件下，反向漏电流不大于0.1μA时所能承受的最高反向电压值。VRM越大，管子性能越稳定。②暗电流ID:是指光敏二极管在无光照及最高反向工作电压条件下的漏电流。暗电流越小，光敏二极管的性能越稳定，检测弱光的能力越强。③光电流IL:是指光敏二极管在受到一定光照时，在最高反向工作电压下产生的电流。其测量的一般条件是:2856K钨丝光源，照度为1000lx。④光电灵敏度Sn:它是反映光敏二极管对光敏感程度的一个参数，用在每微瓦的入射光能量下所产生的光电流来表示，单位为μA/μW。即指输入给定波长的单位功率时，光敏二极管能输出的光电流值。⑤响应时间:光敏二极管将光信号转化为电信号所需要的时间。响应时间越短，说明光敏二极管的工作频率越高。⑥正向压降VF:是指光敏二极管中通过一定的正向电流时，它两端产生的压降。⑦结电容Cj:指光敏二极管PN结的电容。Cj是影响光电响应速度的主要因索。结面积越小，结电容Cj也就越小，则工作频率越高。ppt课件2章光电式传感器20光敏二极管主要参数部分2CU型光敏二极管主要参数ppt课件2章光电式传感器21部分2CU型光敏二极管主要参数ppt课件2章光电式传感器22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。部分2CU79、2CU80

光敏二极管主要参数ppt课件2章光电式传感器232CU80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。部分2DU

型光敏二极管主要参数ppt课件2章光电式传感器24主要用于可见光和近红外光探测器，也可用于光电转换的自动控制仪器、触发器、光电耦合、编码器

、特性识别、过程控制和激光接收等方面。2.2.4

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：IlVAppt课件2章光电式传感器252）光强测量电路IlVAppt课件2章光电式传感器26分析：1.无光照时：2.有光照时：电桥3）便携式照度计电路ppt课件2章光电式传感器27输出电压：V0

=ΦSlRL当Φ=0

lx当Φ=1

lx当Φ=5000

lx则V0

=ΦSlRL

=0mV则V0

=ΦSlRL

=1mV则V0

=ΦSlRL

=5V将光敏二极管与放大器Rf集成在一起，输出为线性，灵敏度为5μΑ/lx

。光电传感器Sl

=

5μΑ/

lx R

L=200Ω2.3

光敏三极管光敏三极管比具有相同有效面积的光敏二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差。2.3.1

光敏三极管的结构和工作原理基极开路，集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P

区向N

区运动，形成基极电流，空穴在基区积累，提高发射结正向偏置，发射区多子电子穿过基区向集电区移动，在外电场作用下形成集电极电流Ic，结果表现为

基极电流放大

β

倍形成集电极电流（光电流）

,

所以光电三极管有大作用。ppt课件2章光电式传感器282.3.2光敏三极管的基本特性2）伏安特性

a）无偏压时有光电流比光敏二极管的光电流大β倍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ppt课件2章光电式传感器29光敏二极管光照特性其线性没二极管好、低照度小、高照度饱和温度特性温度特性与光敏二极管相同响应特性上升时间tr<=3μs比二极管的响应速度（ns）慢得多光敏二极管ppt课件2章光电式传感器302.3.3

光敏三极管的型号参数ppt课件2章光电式传感器31见书P18表2.3，表2.3续（一），表2.3续（二），表2.4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=UCEM1000IXUCE=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≥0.5ppt课件2章光电式传感器32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。2.3.4.光敏三极管的应用1.脉冲编码器电源24vppt课件2章光电式传感器33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2.光电转速传感器ppt课件2章光电式传感器34有光照BG1时，使U0为高电位，无光照BG1时，使U0为低电位。ppt课件2章光电式传感器35BG3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。ppt课件2章光电式传感器362.4

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。ppt课件2章光电式传感器37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）38ppt课件2章光电式传感器2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ppt课件2章光电式传感器39ppt课件2章光电式传感器402.4.2

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。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20msppt课件2章光电式传感器412．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ppt课件2章光电式传感器422)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。ppt课件2章光电式传感器433）

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。ppt课件2章光电式传感器444）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。8060100K/

%4020010102

103

104f/

Hz硫化铅硫化镉45ppt课件2章光电式传感器5）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。ppt课件2章光电式传感器462.4.3

常用光敏电阻的性能参数ppt课件2章光电式传感器47见书P25表2.5。光敏电阻器的型号命名方法（补充）ppt课件2章光电式传感器48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。ppt课件2章光电式传感器492.4.4

光敏电阻的应用1.环境照度监视器（100Lx）采光电路射极偏置差动复合开关音乐集成电路复合功率放大器50ppt课件2章光电式传感器放大测量元件温度补偿元件2.带材跑偏检测仪51测量偏离正确位置的大小和方向带材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。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。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ppt课正件2。章光电式传感器光电池是一种直接将光能转换为电能(电动势)的光电器件。电路中有了这种器件可光电池在有光线作用下实质就是电源

,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”。一个大面积的PN

结,

当光照射到PN

结的一个面,若

光子能量

hv

大于半导体材料的禁带宽度

Eg

,它实质上是

例如p

型面时那么

p

型区每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52ppt课件2章光电式传感器ppt课件2章光电式传感器53光电池外形光敏面ppt课件2章光电式传感器542.5.2

光电池的基本特性光谱特性：光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。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。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：光源光电池选光电池，选光源ppt课件2章光电式传感器552.光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系。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。开路电压（负载电阻RL

→∝）：非线性,并且当照度在2000

lx时就趋于饱和了。可做开关元件。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ppt课件2章光电式传感器563.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。ppt课件2章光电式传感器574.光电池的温度特性开路电压：T↑，下降快短路电流：T↑，升高缓慢实际使用：考虑温度漂移，进行补偿ppt课件2章光电式传感器582.5.3

光电池的型号参数ppt课件2章光电式传感器59开路电压短路电流输出电流转换效率：光电池最大输出电功率与输入光功率的比值（%）。光敏面积：面积越大，输出光电流也越大太阳电池方阵ppt课件2章光电式传感器60１.太阳电池电源有光照时,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。2.5.4

光电池的应用蓄电池组JMJ1ppt课件2章光电式传感器6112V2A51KL39K470uF～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3.路灯光电自动开关控制回路主回路ppt课件2章光电式传感器62二倍压整流电路：U0=2√2

e2ppt课件2章光电式传感器632.6

高速光电二极管ppt课件2章光电式传感器65PINP、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。主要用于光纤通信和光电自动控制的快速接收器件1.

PIN结光电二极管图

PIN光电二极管导带价带信号光电极电极信号光输出端偏压P

I

Nppt课件2章光电式传感器662.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ppt课件2章光电式传感器67信号光电极信号光P+pN图8-29105V/cm内部加速场导带价带雪崩式二极管高速光电二极管的特性参数ppt课件2章光电式传感器68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。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。ppt课件2章光电式传感器69ppt课件2章光电式传感器70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。ppt课件2章光电式传感器71光电倍增管IAppt课件2章光电式传感器72KAD1

D2

D3

D4R1R2R3

R4

R5RL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。UOUT2.7.2

工作原理光阴极K第二倍增极第四倍增极)(3-6倍)(3-6倍)第第入射光—倍增极(3-6倍)次级电子三倍增极(3-6倍（105~106倍）阳极A73ppt课件2章光电式传感器如果n个倍增电极的iδ

都一样,则Ｍ＝δiin因此阳极电流为iinＩ＝i

·δ

,光电倍增管的电流放大倍数为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。ppt课件2章光电式传感器74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(2)

光电阴极灵敏度和光电管的总灵敏度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。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。25

50

75

100

125光电倍增管的特性曲线ppt课件2章光电式传感器75极/V极间电压/V倍增系数M106105104103（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。ppt课件2章光电式传感器76（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ppt课件2章光电式传感器77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。ppt课件2章光电式传感器78国产光电倍增管的技术参数ppt课件2章光电式传感器792.7.4

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。ppt课件2章光电式传感器802.8

色敏光电传感器用途：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ppt课件2章光电式传感器81工作原理：ppt课件2章光电式传感器82P+-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。2.8.2

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—1000nmppt课件2章光电式传感器832）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ppt课件2章光电式传感器842.8.3.色敏光电传感器的应用ln

ISD1)=C

ln

(ISD2

/ppt课件2章光电式传感器85U0=C(ln

ISD2

―ISD1)2.9

光位置传感器ppt课件2章光电式传感器86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。光位置传感器工作原理：当电阻层均匀分布时：则：ppt课件2章光电式传感器87PSD

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。ppt课件2章光电式传感器88PSD

位置传感器的测量电路：0

1

2PSD中心为坐标原点，L表示二电极之间的距离，I

=I

+I

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：则可见电极输出光电流之差与xA成正比，通过测量减法器输取出电压值即可得到光照能量中心位置xA值。89输出电压值与光强能量中心位置xA值成正比。ppt课件2章光电式传感器2.10

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ppt课件2章光电式传感器902.10

红外光传感器2.10.1

红外辐射基础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。ppt课件2章光电式传感器911)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2μm～2.6μm，3μm～5μm和8μm～14μm，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。ppt课件2章光电式传感器92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。ppt课件2章光电式传感器932.10.2

红外光传感器的工作原理与结构1.热释电效应及器件材料：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。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。只能探测辐射的变化ppt课件2章光电式传感器94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。ppt课件2章光电式传感器952.热释电传感器的结构和等效电路R绝缘体ppt课件2章光电式传感器963.

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7~14μmppt课件2章光电式传感器972.10.3

红外光传感器的应用ppt课件2章光电式传感器981．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。红外测温仪方框图8

m～14

mppt课件2章光电式传感器99（钽酸锂）3.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。4.65ppt课件2章光电式传感器1002.78

4.26>13图 红外线气体分析仪结构原理图ppt课件2章光电式传感器101该分析仪由红外线辐射光源、光气源室由、镍红铬外丝探通测电加器热及发电出路红等外部线分，组切成光。气体。如检测

CO(4.65μm)时，干扰气体CO2（4.26μm）。片红将外连探续测的器红是外薄线膜调电制容

型成，脉它冲有状两的个红吸外收线气。室，充以被测测量气气体室，中当通两入吸被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，如被测气体的浓度愈大，两分束析光气体强，的参差比值气也室愈中大，封则入电不容吸的收变化红量外也线愈的大气，因体此（如电容N2变等化）量。反映了电被容分量析滤变气波化体气。中室被通测入气干体扰的浓度。3-10μmN22.11

光固态CCD图像传感器ppt课件2章光电式传感器102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。2.11.1

电荷耦合器件(CCD)ppt课件2章光电式传感器103电荷耦合器件（Charge

Couple

Device，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”。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。ppt课件2章光电式传感器104CCD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ppt课件2章光电式传感器105（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。ppt课件2章光电式传感器106A、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-q

Φ（<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。+

+ppt课件2章光电式传感器107B、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。ppt课件2章光电式传感器108（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。ppt课件2章光电式传感器109A、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。ppt课件2章光电式传感器110（三）CCD的工作原理B、三相CCD电极的结构以三相脉冲控制把MOS光敏元极分成三，在其上面分施加三个形状相同、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）ppt课件2章光电式传感器1111ppt课件2章光电式传感器11223456（四）CCD图像传感器（分类）ppt课件2章光电式传感器114从结构上分：线列型CCD图像传感器面阵型CCD图像传感器行传输（LT）面阵型CCD帧传输（FT）面阵型CCD行间传输（ILT

）面阵型CCD（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ppt课件2章光电式传感器115电光子生注电入荷对就应通的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电行荷输包出。。（光积分）各光）敏转元移中栅的关光闭敏后二，极光管敏产单生元光开生始电下子一空行穴图对，像信号积分采集。MOS势阱中，光像变为电像—构（（成1）：光照光敏元，且梳状电极施加高压时，（工3作2）原积理分：周期结束，控制信号使转移栅打开，演示2.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ppt课件2章光电式传感器1162）

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ppt课件2章光电式传感器117暂存区读出寄存器MN演示ppt课件2章光电式传感器118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。3）行间传输（ILT）面阵型CCDppt课件2章光电式传感器119它在将光光积敏分单期元间与，垂光直生转电移荷寄存存储器在交感替光排区列光。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。元平面P53演示3.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%ppt课件2章光电式传感器120（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ppt课件2章光电式传感器121（3）暗电流ppt课件2章光电式传感器122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。（4）灵敏度ppt课件2章光电式传感器123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，即光谱灵敏度特性ppt课件2章光电式传感器124（5

）噪声ppt课件2章光电式传感器125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。（五）线列CCD摄像系统ppt课件2章光电式传感器1272.11.2 MOS图像传感器ppt课件2章光电式传感器128参看书p54-572.11.3

CCD器件应用ppt课件2章光电式传感器129CCD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)。CCD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ppt课件2章光电式传感器1302.文字图像识别系统ppt课件2章光电式传感器131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。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23ppt课件2章光电式传感器132邮政编码识别系统用ppt课件2章光电式传感器1333、CCD在汽车前照灯配光测 试中的应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🖃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。ppt课件2章光电式传感器1342.12

光纤传感器一、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ppt课件2章光电式传感器1352、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：ppt课件2章光电式传感器1363、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ppt课件2章光电式传感器137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≈1ppt课件2章光电式传感器138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（Numerical

Aperture）ppt课件2章光电式传感器139二、光纤的主要参数ppt课件2章光电式传感器140数值孔径（NA）光纤模式传播损耗1.

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

=

0.2～0.42θcppt课件2章光电式传感器141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）ppt课件2章光电式传感器142☻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。ppt课件2章光电式传感器143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。ppt课件2章光电式传感器146三、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）ppt课件2章光电式传感器147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。ppt课件2章光电式传感器148光纤传感器组成示意图（a）

传感型；

（b）

传光型ppt课件2章光电式传感器1492、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ppt课件2章光电式传感器1501）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。ppt课件2章光电式传感器151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。Xppt课件2章光电式传感器152入射出射透镜光接源收S

D被测物体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Xppt课件2章光电式传感器153入射光源S透镜➓收D出射弹性薄膜Pppt课件2章光电式传感器154开关调制入射、➓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。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。ppt课件2章光电式传感器1552）相位调制原理演示3）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，➓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➓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。ppt课件2章光电式传感器156透明介质BQL应、弹光效应等实现的。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。ppt课件2章光电式传感器1574）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。5）偏振调制

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、克尔电光效光纤传感器组成ppt课件2章光电式传感器158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。四、光纤传感器实例光纤辐射剂量传感器吸光型：利用光纤吸收了放射性射线后，衰减量发生变化的机理。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ppt课件2章光电式传感器1592.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ppt课件2章光电式传感器1603.光纤图像传感器0.3万~10万股→图像单元ppt课件2章光电式传感器161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。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。MCppt课件2章光电式传感器162质量块顺变体a

F光纤基座M顺变体径向应变将作用力传递给绕在柱体上的光纤，d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。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ppt课件2章光电式传感器1635.光纤温度传感器相位调制、光强调制型、偏振调制型ppt课件2章光电式传感器164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。6.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ppt课件2章光电式传感器165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。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。df与流体的流速可表示为:

f

≈

S

v2.13

激光传感器ppt课件2章光电式传感器166一.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：2-E1E-光子的能量υ-光的频率h-普朗克常数（6.623×10

-23J.s)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ppt课件2章光电式传感器168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＝605.7nm

Δλ=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。三.激光器及其特性ppt课件2章光电式传感器169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。固体激光器液体激光器气体激光器半导体激光器四.应用举例1.激光测距1）原理t的测量：精密时间间隔测量仪 单次分辨率±20ps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±1.5cmppt课件2章光电式传感器1702.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