光電式傳感器

光電式傳感器第一頁，共八十二頁，2022年，8月28日第八章光電式傳感器技術(shù)8.1光電效應(yīng)與光電傳感器8.2光纖傳感器8.3激光傳感器8.4激光傳感器8.5圖像傳感器第二頁，共八十二頁，2022年，8月28日光電傳感器是采用光電元件做為檢測元件的傳感器。光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件，它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便，而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。被測量的變化引起的光信號的變化可以是光源的變化、也可以是光學通路的變化、或者是光電元件的變化。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此在檢測和控制領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛應(yīng)用。第三頁，共八十二頁，2022年，8月28日第一節(jié)光電效應(yīng)與光電傳感器第四頁，共八十二頁，2022年，8月28日一、光電效應(yīng)

1．光電效應(yīng)原理根據(jù)光的波粒二象性，我們可以認為光是一種以光速運動的“粒子流”，這種粒子稱為光子。每個光子具有的能量為：

E=h·υ

對不同頻率的光，其光子能量是不相同的，光波頻率越高，光子能量越大。用光照射某一物體，可以看做是一連串能量為hγ的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產(chǎn)生相應(yīng)的電效應(yīng)，我們把這種物體材料吸收光子能量而發(fā)生相應(yīng)電效應(yīng)的物理現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。υ—光波頻率；h—普朗克常數(shù)，h＝6.63*10-34J/Hz第五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光電效應(yīng)的分類

通常把光電效應(yīng)分為三類：外光電效應(yīng)：光照射于某一物體上，使電子從這些物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，也稱光電發(fā)射。逸出來的電子稱為光電子。基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管。內(nèi)光電效應(yīng)：光照射于某一物體上，使其導電能力發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，也稱光電導效應(yīng)?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏晶體管等。光生伏特效應(yīng)：在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，即阻擋層光電效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。第六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．光電效應(yīng)的特性光照特性：當光電元件上加上一定電壓時，光電流I與光電元件上光照度E之間的對應(yīng)關(guān)系光譜特性：光敏元件上加上一定的電壓，這時如有一單色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光電流會隨入射光波長的不同而變化。伏安特性：在一定照度下，光電流I與光敏元件兩端電壓V的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。伏安特性可以幫助我們確定光敏元件的負載電阻，設(shè)計應(yīng)用電路。頻率特性：在相同的電壓和同樣幅值的光照下，當入射光以不同頻率的正弦頻率調(diào)制時，光敏元件輸出的光電流I和靈敏度S會隨調(diào)制頻率f而變化，稱為頻率特性。溫度特性：光電元件的溫度特性是指其輸出與溫度的關(guān)系。部分光電元件輸出受溫度影響較大，應(yīng)采取相應(yīng)措施進行溫度補償。響應(yīng)時間：不同光敏器件的響應(yīng)時間有所不同。光敏電阻較慢，約為（10-1~10-3）s，一般不能用于要求快速響應(yīng)的場合。工業(yè)用的硅光敏二極管的響應(yīng)時間為（10-5~10-7）s左右，光敏三極管的響應(yīng)時間比二極管約慢一個數(shù)量級，在要求快速響應(yīng)或入射光、調(diào)制光頻率較高時應(yīng)選用硅光敏二極管。第七頁，共八十二頁，2022年，8月28日二、光電元件1．光電管和光電倍增管

（a）光電管結(jié)構(gòu)外形（b）光電管工作電路第八頁，共八十二頁，2022年，8月28日（1）光電管1）光電管的結(jié)構(gòu)(如圖)2）光電管的原理光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，在入射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。電流和電阻R0上的電壓降就和光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。即：UL=F（Φ）3）光電管的性質(zhì)適用于不同的光譜范圍同一種光電管對不同頻率的入射光靈敏度并不相同。第九頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）光電倍增管光電倍增管結(jié)構(gòu)光電倍增管基本電路光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。多用于微光測量。第十頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）光電管的特性1）暗電流光電管接上工作電壓后，在沒有光照的情況下陽極仍會有一個很小的電流輸出，此電流即稱為暗電流。暗電流的存在決定了光電管可測量光信號的最小值。所以要求其暗電流小并且穩(wěn)定。2）光譜響應(yīng)特征在給定波長的單位輻射功率照射下所產(chǎn)生的陽極電流大小稱為光電管的絕對光譜響應(yīng)率，表示為：3）光電管的伏安特性在一定照度下，光電流與光電管兩端電壓的對應(yīng)關(guān)系，稱為伏安特性。第十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光敏電阻

光敏電阻是采用半導體材料制做，利用內(nèi)光電效應(yīng)工作的光電元件。它在光線的作用下其阻值往往變小，這種現(xiàn)象稱為光導效應(yīng)，因此，光敏電阻又稱光導管。（1）工作原理光敏電阻沒有極性，純粹是一個電阻器件，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。敏度高光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級，亮電阻在幾千歐以下。第十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的原理結(jié)構(gòu)圖光敏電阻內(nèi)部構(gòu)造圖1.玻璃；2.光電導層；3.電極；4.絕緣襯底5.金屬殼；6.黑色絕緣玻璃；7.引線第十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）光敏電阻的主要參數(shù)

暗電阻和暗電流：光敏電阻在室溫和全暗條條件下，經(jīng)過一定時間測得的穩(wěn)定電阻值，稱為暗電阻，或暗阻。此時流過的電流，稱為暗電流。亮電阻和亮電流：光敏電阻在室溫和一定光照條件下測得的穩(wěn)定電阻值，稱為該光照下的亮電阻，或亮阻。此時流過的電流，稱為亮電流。光電流：亮電流與暗電流之差，稱為光電流。顯然，光敏電阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是說暗電流要小，亮電流要大。這樣光敏電阻的靈敏度就高。第十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日（4）光敏電阻的基本特性

1）伏安特性（I-U曲線）可見：在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；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。光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積及散熱條件等因素有關(guān)。電阻在一定的電壓范圍內(nèi)，其I-U曲線為直線，說明其阻值與入射光量有關(guān)，而與電壓、電流無關(guān)。第十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2）光照特性（光電特性）

3）光譜特性光敏電阻的光電特性呈非線性。因此不適宜做連續(xù)量的檢測元件

光敏電阻的光電特性圖光敏電阻的光譜特性第十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日4)光敏電阻的頻率特性

光電導的弛豫現(xiàn)象:光電流的變化對于光的變化，在時間上有一個滯后，光敏電阻有時延特性光敏電阻的響應(yīng)時間特性

光敏電阻的頻率特性第十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日5）溫度特性

①溫度特性曲線：溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)的特性。②溫度系數(shù)：③溫度對光譜特性影響：隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動。

硫化鎘光敏電阻的溫度特性硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性第十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日3.光敏二極管和光敏晶體管

（1）光敏二極管

（2）光敏晶體管

（3）基本特性

1）光譜特性２）伏安特性

3）光照特性

4）溫度特性

5）頻率響應(yīng)第十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日（1）光敏二極管定義：是一種利用PN結(jié)單向?qū)щ娦缘慕Y(jié)型光電器件。結(jié)構(gòu)：原理：不受光照射時，處于截止狀態(tài)，受光照射時，處于導通狀態(tài)。

光敏二極管的結(jié)構(gòu)與原理電路第二十頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）光敏晶體管結(jié)構(gòu)：一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴大光的照射面積。原理：光照射在集電結(jié)上時，形成光電流，相當于三極管的基極電流。因而集電極電流是光生電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏晶體管的結(jié)構(gòu)與原理電路第二十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）基本特性

1）光譜特性應(yīng)用：光或探測赤熱狀態(tài)物體時，一般都用硅管。但對紅外光進行探測時，鍺管較為適宜。第二十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日２）伏安特性結(jié)論：光敏晶體管的光電流比相同管型二極管大上百倍。第二十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3）光照特性4）溫度特性結(jié)論：光敏二極管的光照特性曲線的線性較好。結(jié)論：在電子線路中應(yīng)該對暗電流進行溫度補償，否則將會導致輸出誤差。

第二十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流（或負載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。

硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)第二十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日4．光電池（1）工作原理能量轉(zhuǎn)換關(guān)系：光能轉(zhuǎn)換為電能，電路中有了這種器件就不需要外加電源。原理：種類：有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等優(yōu)點：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價格便宜等。左：光電池工作原理圖第二十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）基本特性1）光譜特性2）光照特性3）頻率特性：指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。用于高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換。4）溫度特性:作為測量器件應(yīng)用時，最好能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。5）穩(wěn)定性:硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。光譜特性曲線第二十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日三、光電傳感器1．光電傳感器的組成2．光電傳感器的應(yīng)用形式按其輸出量性質(zhì)可分為：模擬輸出型光電傳感器和數(shù)字輸出型光電傳感器兩大類。第二十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日光電傳感器的測量形式1一被測量；2一光電元件；3一恒光源光電式傳感器的測量應(yīng)用可分為以下四基本種形式。第二十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．光電轉(zhuǎn)換電路（1）光敏電阻測量電路（2）光敏二極管測量電路光敏電阻測量電路光敏晶體管測量電路第三十頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）光電池測量電路（4）光電元件集成運放電路使用運放的光敏元件放大電路第三十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日四、光電傳感器的應(yīng)用1．光電式帶材跑偏檢測器帶材跑偏檢測器用來檢測帶型材料在加工中偏離正確位置的大小及方向，從而為糾偏控制電路提供糾偏信號。主要用于印染、送紙、膠片、磁帶生產(chǎn)過程中。帶材跑偏檢測器工作原理測量電路第三十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．煙塵源監(jiān)測系統(tǒng)煙道里的煙塵濁度是通過光在煙道在傳輸過程中的變化大小來檢測的。光檢測器輸出信號的強弱便可反映煙道濁度的變化。吸收式煙塵濁度監(jiān)測系統(tǒng)組成框圖第三十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．包裝充填物高度檢測利用光電檢測技術(shù)控制充填高度第三十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日五、光電耦合器件1．光電耦合器（1）耦合器的組合形式（2）耦合器的結(jié)構(gòu)形式第三十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日（3）耦合器常見的特性對于光電耦合器的特性，應(yīng)注意以下各項參數(shù)。1）電流傳輸比2）輸入輸出間的絕緣電阻3）輸入輸出間的耐壓4）輸入輸出間的寄生電容5）最高工作頻率6）脈沖上升時間和下降時間第三十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光電開關(guān)

（1）典型的光電開關(guān)結(jié)構(gòu)

（2）光電開關(guān)的應(yīng)用第三十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日第二節(jié)光纖傳感器第三十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日光纖傳感器FOS（FiberOpticalSensor)用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學測量的特點。與傳統(tǒng)的各類傳感器相比其優(yōu)點：不受電磁干擾，體積小，重量輕，可撓曲，靈敏度高，耐腐蝕，傳輸頻帶寬，絕緣性能好，耐水抗腐蝕性好，防爆性好，易與微機連接，便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、流量、振動、電壓、電流、磁場、核輻射、聲和PH值等各種物理量的測量，具有極為廣泛的應(yīng)用前景。第三十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日一、光纖的結(jié)構(gòu)和傳輸原理

1．光纖的結(jié)構(gòu)多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)：1）纖芯：石英玻璃，直徑5～75μm，材料以二氧化硅為主，摻雜微量元素；2）包層：直徑100～200μm，折射率略低于纖芯；3）涂敷層：硅酮或丙烯酸鹽，隔離雜光；4）護套：尼龍或其他有機材料，提高機械強度，保護光纖。第四十頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光纖的傳輸原理由于纖芯與包層的折射率不等（即n1>n2），光線的一部分光被反射（反射角為θk），成為反射光回到纖芯K’；另一部分光被折射（折射角為θr）成為折射光K。θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。θk大，故而將無損地通過光纖纖芯傳播。直到端面。第四十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．光纖的主要參數(shù)（1）數(shù)值孔徑：將θi的正弦定義為光纖的數(shù)值孔徑（NA），決定了能被傳播的光束的半孔徑角的最大值，反映了光纖的集光能力（2）光纖模式：就是光波沿光纖傳輸?shù)耐緩胶头绞健ＯＭＪ綌?shù)量越少越好，盡可能在單模方式下工作，即單模光纖。（3）傳播損耗：第四十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日4．光纖的主要類型按折射率變化分按傳輸模式多少分階躍型光纖

漸變型光纖

單模光纖

多模光纖

第四十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日二、光纖傳感器及其分類

1．光纖傳感器的組成原理光纖傳感器則是一種把被測量的狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y的光信號的裝置。結(jié)構(gòu)：原理：由光發(fā)送器發(fā)出的光經(jīng)源光纖引導至敏感元件。這時，光的某一性質(zhì)受到被測量的調(diào)制，已調(diào)光經(jīng)接收光纖耦合到光接收器，使光信號變?yōu)殡娦盘?，最后?jīng)信號處理得到所期待的被測量光調(diào)制就是把某一被測信息加載到傳輸光波上

第四十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用分按照光受被測對象的調(diào)制方法

功能型（傳感型、物性型）傳感器

非功能型（傳光型、結(jié)構(gòu)型）拾光型光纖傳感器

強度調(diào)制相位調(diào)制

頻率調(diào)制偏振調(diào)制第四十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。第四十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日三、光纖傳感器的應(yīng)用

1．光纖壓力傳感器強度調(diào)制型：基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型：主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。第四十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日（1）膜片反射式的光纖壓力傳感器采用彈性元件的光纖壓力傳感器。彈性膜片材料是恒彈性金屬，如殷鋼、鈹青銅等。注意：要考慮溫度補償。特點：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便；但是，光源不夠穩(wěn)定或長期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影響。1-Y形光纖；2-殼體；3-膜片第四十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日（2）彈性變形式光纖壓力傳感器

結(jié)構(gòu)與原理：特點：不受電磁干擾，響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。由于沒有導電元件，特別適合于有防爆要求的場合使用。第四十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．光纖加速度傳感器激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。

第五十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．光纖溫度傳感器根據(jù)工作原理可分為相位調(diào)制型、光強調(diào)制型和偏振光型等。結(jié)構(gòu)：特點：它體積小、靈敏度高、工作可靠，廣泛應(yīng)用于高壓電力裝置中的溫度測量等特殊場合。

第五十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日第三節(jié)紅外傳感器第五十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日一、紅外線的基本知識

1．電磁波波譜與紅外線第五十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．紅外輻射的產(chǎn)生及其性質(zhì)（1）紅外輻射的產(chǎn)生紅外輻射是由于物體（固體、液體和氣體）內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動及振動而產(chǎn)生的。這類振動過程是物體受熱而引起的，只有在絕對零度（-273.16℃）時，一切物體的分子才會停止運動。（2）紅外輻射的性質(zhì)一般金屬材料基本上不能透過紅外線；大多數(shù)的半導體材料及一些塑料能透過紅外線；液體對紅外線的吸收較大溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長第五十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日二、紅外探測器1．紅外探測器的分類

（1）熱敏探測器熱探測器主要優(yōu)點是響應(yīng)波段寬，響應(yīng)范圍可擴展到整個紅外區(qū)域，可以在室溫下工作，使用方便熱探測器主要類型有熱釋電型、熱敏電阻型、熱電偶型和氣體型探測器釋電探測器在熱探測器中探測率最高，頻率響應(yīng)最寬（2）光子探測器光子探測器主要是采用光電傳感器，分為光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光生伏特元件等幾類。光子探測器的主要特點是靈敏度高，響應(yīng)速度快，具有較高的響應(yīng)頻率，但探測波段較窄，一般需在低溫下工作。第五十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．紅外探測器的組成

紅外探測器是由光學系統(tǒng)、敏感元件、前置放大器和調(diào)制器等組成?？煞譃橥干涫胶头瓷涫絻深悾海?）透射式紅外探測器

一般測700℃以上高溫用波段在0.76～3μm的近紅外區(qū)，可用一般的光學玻璃和石英等材料；測量100～700℃的中溫度時，用波段在3～5μm的中紅外區(qū)，多數(shù)采用氟化鎂、氧化鎂等熱壓光學材料；測100℃以下低溫度時，用波段在5～14μm的中、遠紅外區(qū)，多數(shù)采用鍺、硅、熱壓硫化鋅等材料。（2）反射式紅外探測器第五十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日三、紅外傳感器的應(yīng)用

①紅外輻射計，用于輻射和光譜輻射測量；②搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；③熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目標紅外輻射的分布圖像，如紅外圖像儀、多光譜掃描儀等；④紅外測距和通信系統(tǒng)；⑤混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或多個的組合。第五十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日1．紅外測溫儀

是一個包括光、機、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)，紅外探測器一般為（鉭酸鋰）熱釋電探測器，透鏡的焦點落在其光敏面上。被測目標的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探測器上，紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。電路包括前置放大，選頻放大，溫度補償，線性化，發(fā)射率（ε）調(diào)節(jié)等。第五十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．紅外線氣體分析儀第五十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日工業(yè)用紅外線氣體分析儀的結(jié)構(gòu)原理圖第六十頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．紅外無損探傷紅外無損探傷的特點是：加熱和探傷設(shè)備都比較簡單，能針對各種特殊的需要設(shè)計出合適的檢測方案，因此它的應(yīng)用范圍比較廣泛，例如金屬、陶瓷、塑料、橡膠等材料中的裂縫、孔洞、異物、氣泡、截面變形等各種缺陷的探傷，結(jié)構(gòu)的檢查，焊接質(zhì)量的鑒定以及電子器件和線路的可靠性的檢測等，都可以用紅外無損探傷來解決。第六十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日第四節(jié)激光傳感器第六十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日一、激光的形成原理激光是媒質(zhì)的粒子（原子或分子）受激輻射產(chǎn)生的，但它必須具備下述的條件才能得到。1．原子的激發(fā)與自發(fā)輻射2．原子的受激輻射3．粒子數(shù)反轉(zhuǎn)4．激光器的光振蕩放大5．激光輸出第六十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日6．激光的特點（1）高方向性（2）高亮度（3）單色性好（4）高相干性第六十四頁，共八十二頁，2022年，8月28日三、激光器種類與結(jié)構(gòu)

1．氣體激光器氣體激光器的工作物質(zhì)是氣體，其中有各種惰性氣體原子、金屬蒸氣、各種雙原子和多原子氣體、氣體離子等。

原理：分類：（1）氦氖激光器（2）二氧化碳激光器第六十五頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．固體激光器

固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是紅寶石（摻鉻）、釹玻璃（摻釹）、釔鋁石榴石（摻釹）。常用的各種聚光腔

固體激光器

第六十六頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．半導體激光器導體激光器的工作物質(zhì)是某些性能合適的半導體材料，如砷化鎵（GaAs）、砷磷化鎵（GaAs-P）、磷化銦（InP）等。特點是體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊。一般氣體和固體激光器的長度至少幾厘米，長的達幾米以上。砷化鎵激光器

第六十七頁，共八十二頁，2022年，8月28日三、激光與激光傳感器的應(yīng)用長度檢測

一般應(yīng)用的干涉測長儀是邁克爾遜干涉儀，其結(jié)構(gòu)如圖8-65所示。圖中L1為準直透鏡；Ms為半透半反分光鏡；M2為反射鏡；L：是聚光透鏡；PM是光電倍增管。1—脈沖氙燈；2—紅寶石棒；3—橢圓柱形聚光器；4—全反射鏡；5—部分反射鏡第六十八頁，共八十二頁，2022年，8月28日測量車速

車速測量儀采用小型半導體砷化鎵（GaAs）激光器，其發(fā)散角在15°～20°之間，發(fā)光波長為0.9μm。

發(fā)射透鏡采用Ф37mm，焦距115mm，接收透鏡采用Ф37mm，焦距65mm。測車速光路系統(tǒng)1一激光源；2一發(fā)射透鏡；3一接收透鏡；4一光敏元件激光測車速電路框圖第六十九頁，共八十二頁，2022年，8月28日第五節(jié)圖像傳感器第七十頁，共八十二頁，2022年，8月28日一、CCD圖像傳感器

CCD電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice）是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號，基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移。CCD圖像傳感器由CCD電荷耦合器件制成，是固態(tài)圖像傳感器的一種它是在MOS集成電路基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，能進行圖像信息光電轉(zhuǎn)換、存儲、延時和按順序傳送。它的集成度高、功耗小、結(jié)構(gòu)簡單、耐沖擊、壽命長、性能穩(wěn)定，因而被廣泛應(yīng)用。CCD自問世以來，由于其獨特的性能而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量，尤其適用于圖像識別技術(shù)。第七十一頁，共八十二頁，2022年，8月28日1．CCD電荷耦合器件CCD電荷耦合器件是按一定規(guī)律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列，每一個MOS電容器實際上就是一個光敏元件。面陣MOS電容器的光電轉(zhuǎn)換

第七十二頁，共八十二頁，2022年，8月28日2．CCD圖像傳感器MOS電容器實質(zhì)上是一種光敏元件與移位寄存器合而為一的結(jié)構(gòu)，稱為光積蓄式結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)最簡單。但是，圖像容易模糊不清。(a)單讀示（b）雙讀示光敏元件與移位寄存器分離式結(jié)構(gòu)線陣CCD內(nèi)部框圖

第七十三頁，共八十二頁，2022年，8月28日3．CCD圖像傳感器的應(yīng)用

（1）固態(tài)圖像傳感器特點1）與光像位置對應(yīng)的時間先后性，即能輸出時間系列信號；2）串行的各個脈沖可以表示不同信號，即能輸出模擬信號；3）能夠精確反映焦點面信息，即能輸出焦點面信號。（2）固態(tài)圖像傳感器的用途1）組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷等；2）作為光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)。例如：用于傳真技術(shù)、光學文字識別技術(shù)以及圖象識別技術(shù)、傳真、攝像等方面；3）作自動流水線裝置中的敏感器件。例如：可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以及自動監(jiān)視裝置等方面；4）作為機器人的視覺，監(jiān)控