山东理工大学：《传感器结构原理与设计》课程教学资源（PPT课件）第七章 光电式传感器

第七章光电式传感器 工作原理：被测量光信号→电信号（借助光电器件）； 基本组成（见下图)：辐射源、光学通路、光电器件； 工作过程： ①被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调 制到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频 谱分布； ②光电器件将光信号转换为电信号； ③电信号经后续电路解调分离出被测信息， 实现测量

第七章 光电式传感器 ⚫ 工作原理：被测量光信号电信号（借助光电器件）； ⚫ 基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件； ⚫ 工作过程： ① 被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调 制到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频 谱分布； ② 光电器件将光信号转换为电信号； ③ 电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量

。特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、 重量轻、造价低等。 辐射源 光学通路 光电器件 输出 被测量 被测量 图7一1光电式传感器原理图

⚫ 特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、 重量轻、造价低等。 辐射源 光学通路 光电器件 输出 被测量 被测量 图7－1 光电式传感器原理图

第一节光源 ■ 光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、 相干性、体积、造价、功率等。 ■光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光 器件等。 ■光谱（附加知识点) 光波：波长为10一10nm的电磁波 可见光：波长380一780nm 紫外线：波长10一380nm, 波长300一380nm称为近紫外线 波长200一300nm称为远紫外线 波长10一200nm称为极远紫外线

第一节 光源 ◼ 光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、 相干性、体积、造价、功率等。 ◼ 光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光 器件等。 ◼ 光谱（附加知识点） 光波：波长为10—106nm的电磁波 可见光：波长380—780nm 紫外线：波长10—380nm， 波长300—380nm称为近紫外线 波长200—300nm称为远紫外线 波长10—200nm称为极远紫外线

红外线：波长780一10nm 波长3μm(即3000nm)以下的称近红外线 波长超过3μm的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 0.01 0.05 0.1 10 0.5 5 波长/μm 极远紫外 远 近可见光 近红外 远红外

红外线：波长780—106nm 波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线 波长超过3μm 的红外线称为远红外线。 光谱分布如图所示。 远 紫 外 近 紫 外 极远紫外 可见光 近红外 远红外 0.01 0.1 1 10 0.05 0.5 5 波长/μm

一、热辐射光源 ■定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原 理的光源称为热辐射光源。 ■实例：白炽灯、卤钨灯； ■ 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左 右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1一 1.5μm,因此可用作近红外光源。 卤钨灯特点：卤钨灯是一种特殊的白炽灯。灯泡内充卤素 (如碘)，卤素与沉积的钨形成卤化钨，高温分解后钨原 子会重新沉积到钨丝。寿命长，体积小，发光效率高于白 炽灯(2~3倍)

一、热辐射光源 ◼ 定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原 理的光源称为热辐射光源。 ◼ 实例：白炽灯、卤钨灯 ； ◼ 白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左 右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－ 1.5μm，因此可用作近红外光源。 ◼ 卤钨灯特点：卤钨灯是一种特殊的白炽灯。灯泡内充卤素 （如碘），卤素与沉积的钨形成卤化钨，高温分解后钨原 子会重新沉积到钨丝。寿命长，体积小，发光效率高于白 炽灯（2～3倍）

支架 玻璃外壳 灯丝 接电源 引线 白炽灯 卤钨灯

白炽灯 卤钨灯

二、气体放电光源 ■ 定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成 的光源称为气体放电光源。 ■ 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及 放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电 电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氨灯是光谱仪器中 常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为 254nm,钠灯的辐射波长约为589nm,它们经常用作光电检 测仪器的单色光源。 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效 率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分 为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯

二、气体放电光源 ◼ 定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成 的光源称为气体放电光源。 ◼ 特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及 放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电 电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。 ◼ 实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中 常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为 254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检 测仪器的单色光源。 ◼ 特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效 率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分 为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯

日光灯（低压汞灯) 钠灯 氙气灯

日光灯（低压汞灯） 钠灯 氙气灯

三、电致发光器件一发光二极管 ■定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电 致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体 激光器和电致发光屏等。 ■发光二极管的发光原理：在型半导体上扩散或者外延生 长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN 结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时 发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之 间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱

三、电致发光器件－发光二极管 ◼ 定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电 致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现 象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体 激光器和电致发光屏等。 ◼ 发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生 长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN 结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时 发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之 间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱

发光二极管LED) 2012.03:091日 LED灯 LED显示屏

发光二极管(LED) LED灯 LED显示屏