光电传感技术.ppt

第第2 2章章 光电式传感器光电式传感器 将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用 光电传感器的工作基础是光电效应光辐射测量方法光辐射测量方法人眼人眼照片照片胶片胶片光电探测器光电探测器光探测器光探测器2.1 光电传感器的物理效应光电传感器的物理效应•因光照而引起物体电学特性的改变统称为光电效应–1905年爱因斯坦发表的相对论而闻名于世–1925年他获得诺贝尔奖是因发现光电效应光光电电传传感感器器光热效应光热效应光子效应光子效应外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 光电发射效应光电发射效应 光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管光电导光电导光敏电阻、光导管光敏电阻、光导管 光生伏特光生伏特 光电池、光电二极管光电池、光电二极管 测辐射热测辐射热 热敏电阻、测辐射热计热敏电阻、测辐射热计 温差电温差电 热电，热电堆热电，热电堆 热释电热释电 热释电探测器热释电探测器 金属或半导体受光照时，如果入射的光子能金属或半导体受光照时，如果入射的光子能量量hν足够大，它和物质中的电子相互作用，足够大，它和物质中的电子相互作用，使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光使电子从材料表面逸出的现象，也称为外光电效应电效应 当光照射到物体上使物体向真空中发射当光照射到物体上使物体向真空中发射电子电子 当光照物体时，光当光照物体时，光电子不逸出体外的电子不逸出体外的光电效应称为内光光电效应称为内光电效应电效应光照使材料的电导率发生变化光照使材料的电导率发生变化 光照使材料产生产生光生电动势光照使材料产生产生光生电动势 单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应单个光子直接对产生光电子起作用的光电效应探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状探测元件吸收光辐射能量后，并不直接引起内部电子状态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探态的改变，而把吸收的光能转变为晶格热运动，引起探测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化测元件温度上升；温升使探测元件的电学性质发生变化外光电效应外光电效应 一一束束光光是是由由一一束束以以光光速速运运动动的的粒粒子子流流组组成成的的，，这这些些粒粒子子称称为为光光子。

子 光子具有能量，每个光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：光子具有的能量由下式确定： E=hυ （2-1） 式中：式中： h——普朗克常数普朗克常数=6.626×10-34(J·s) υ——光的频率（光的频率（s-1）          所所以以光光的的波波长长越越短短，，即即频频率率越越高高，，其其光光子子的的能能量量也也越越大大；； 反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小 在在光光线线作作用用下下，，物物体体内内的的电电子子逸逸出出物物体体表表面面向向外外发发射射的的现现象象称称为为外外光光电电效效应应向向外外发发射射的的电电子子叫叫光光电电子子基基于于外外光光电电效效应的光电器件有光电管、应的光电器件有光电管、 光电倍增管等光电倍增管等 光光照照射射物物体体，，可可以以看看成成一一连连串串具具有有一一定定能能量量的的光光子子轰轰击击物物体体，，物物体体中中电电子子吸吸收收的的入入射射光光子子能能量量超超过过逸逸出出功功A0时时，，电电子子就就会会逸逸出出物物体体表表面面，，产产生生光光电电子子发发射射，，超超过过部部分分的的能能量量表表现现为为逸逸出电子的动能。

根据能量守恒定理出电子的动能根据能量守恒定理 E=hυ （2-2） 式中：式中：m——电子质量；电子质量； v0——电子逸出速度电子逸出速度          式（式（2-2）为）为爱因斯坦光电效应方程式爱因斯坦光电效应方程式, 由式可知：由式可知： Ø 光子能量必须超过逸出功光子能量必须超过逸出功A0，，才能产生光电子；才能产生光电子；Ø 入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；Ø 光电子逸出物体表面时具有初始动能光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，，因因此此对对于于外外光光电电效效应应器器件件，，即即使使不不加加初初始始阳阳极极电电压压，，也也会会有有光光电电流流产产生生，，为为使光电流为零，使光电流为零， 必须加负的截止电压必须加负的截止电压         2. 内光电效应内光电效应        在在光光线线作作用用下下，，物物体体的的导导电电性性能能发发生生变变化化或或产产生生光光生生电电动动势的效应称为内光电效应势的效应称为内光电效应内光电效应又可分为以下两类：内光电效应又可分为以下两类：        （（1）） 光光电电导导效效应应 在在光光线线作作用用下下，，对对于于半半导导体体材材料料吸吸收收了了入入射射光光子子能能量量，，若若光光子子能能量量大大于于或或等等于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，， 就就激激发发出出电电子子-空空穴穴对对，，使使载载流流子子浓浓度度增增加加，，半半导导体体的的导导电电性性增增加加，，阻阻值值减减低低，，这这种种现现象象称称为为光光电电导导效效应应。

光光敏敏电电阻阻就就是是基基于于这种效应的光电器件这种效应的光电器件       导带导带禁带禁带价带价带半导体能带图半导体能带图优异的光电发射材料应满足：优异的光电发射材料应满足：（（1）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激）对光的吸收系数大，以便体内有较多的电子受到激发；发；（（2）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动）受激电子最好是发生在表面附近，这样向表面运动过程中损失的能量少；过程中损失的能量少；（（3）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比）材料的逸出功要小，使到达真空界面的电子能够比较容易地逸出；较容易地逸出；（（4）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，）另外，作为光电阴极，其材料还要有一定的电导率，以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子以便能够通过外电源来补充因光电发射所失去的电子常规光电阴极常规光电阴极 用于常用真空光电器件中根据国际电子工业协会规定，按其用于常用真空光电器件中根据国际电子工业协会规定，按其出现的先后顺序，以出现的先后顺序，以S为字头排成序号为字头排成序号光谱响应编号光电发射材料窗材料工作方式半透为T反射为R峰值波长mm积分灵敏度mAlm-1max处辐射响应度max处量子效率%25˚C下暗电流fA mm-2S-1Ag-O-Cs石灰玻璃T,R0.800302.80.43900S-3Ag-O-Rb石灰玻璃R0.426.51.80.53~S-4Cs-Sb石灰玻璃R0.40404012.40.2S-5Cs-Sb9741玻璃R0.34406018.20.3(2)光生伏特效应光生伏特效应        在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。

基于该效应的光电器件有光现象称为光生伏特效应基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管电池、光敏二极管、光敏三极管•光子照射光子照射PN结产生了电压（光生电动势），当两端短结产生了电压（光生电动势），当两端短接时所产生短路电流接时所产生短路电流•（内光电效应，（内光电效应， photovoltage PV））•光伏效应是基于光伏效应是基于p－－S、、 n－－S两种材料相接触时形成两种材料相接触时形成的内建势垒的内建势垒内建电场内建电场扫向势垒两边扫向势垒两边产生载流子产生载流子形成光生电动势形成光生电动势光辐射光辐射（（2）） 光伏效应光伏效应 pn结形成过程结形成过程•p－－S、、 n－－S两种材料相接触两种材料相接触•→两边存在载流子的浓度差两边存在载流子的浓度差•→产生扩散运动产生扩散运动•→产生空间电荷区产生空间电荷区•→产生内建电场产生内建电场•→阻止扩散、产生漂移阻止扩散、产生漂移•→当扩散电流当扩散电流=漂移电流漂移电流•→形成平衡形成平衡pn结（势垒区），结（势垒区），流过流过pn结的净电流为零结的净电流为零 （（2）） 光伏效应光伏效应pn结特性结特性•当将当将p区区n区用导线短接，电流表读数为零。

区用导线短接，电流表读数为零•当给当给pn结加正向偏置电压时（结加正向偏置电压时（p正正n负），随负），随正偏电压的增加，正向电流呈指数上升正偏电压的增加，正向电流呈指数上升•当给当给pn结加反向偏置电压时（结加反向偏置电压时（p负负n正），有正），有很小反向电流流过很小反向电流流过pn结；结；该电流为无光照时该电流为无光照时的的pn结电流，称为暗电流结电流，称为暗电流（（2）） 光伏效应光伏效应在零偏压，光照下在零偏压，光照下•光照光照p区（区（p区极薄），当光波长区极薄），当光波长•激发光生电子激发光生电子——空穴对空穴对•光生电子向光生电子向p区体内扩散，区体内扩散，p区极薄小于电子扩区极薄小于电子扩散长度，散长度，•内建电场将光生电子扫向内建电场将光生电子扫向n区，空穴留在区，空穴留在p区，区，•此时，此时，pn结两端有电压，称为开路电压结两端有电压，称为开路电压uoc•当将当将p区区n区用导线短接，电流表读数不为零；区用导线短接，电流表读数不为零；此电流称为短路电流此电流称为短路电流isc(2) 光伏效应光伏效应5. 光伏效应的传感器光伏效应的传感器•光电池光电池——光照零偏光照零偏pn结结•光敏二极管光敏二极管——光照反偏光照反偏pn结结1.  结构和原理结构和原理       光敏二极管的结构与一般二极管相似。

它装在透明玻光敏二极管的结构与一般二极管相似它装在透明玻璃外壳中，其璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射结装在管的顶部，可以直接受到光照射 光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在暗电流，当光照射在PN结上，光子打在结上，光子打在PN结附近，使结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流光的照度越大，光电场作用下作定向运动，形成光电流光的照度越大，光电流越大因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，流越大因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态受光照射时处于导通状态2.2 光敏二极管光敏二极管 2. 基本特性基本特性 光光敏敏二二极极管管的的基基本本特特性性包包括括光光谱谱特特性性、、伏伏安安特特性性、、光光照照特性、温度特性好响应特性特性、温度特性好响应特性。

       (1) 光光谱谱特特性性 光光敏敏管管的的光光谱谱特特性性是是指指在在一一定定照照度度时时，， 输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系 一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感一种光敏二极管只对一定波长的入射光敏感光敏二极(晶体)管的光谱特性硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图所示从曲硅和锗光敏二（晶体）极管的光谱特性曲线如图所示从曲线可以看出，硅的峰值波长约为线可以看出，硅的峰值波长约为1.1μm，锗的峰值波长约为，锗的峰值波长约为1.8 μm，， 此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短此时灵敏度最大，而当入射光的波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降一般来讲，时，相对灵敏度都会下降一般来讲， 锗管的暗电流较大，锗管的暗电流较大，因此性能较差，因此性能较差， 故在可见光或探测赤热状态物体时，一般故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管但对红外光的探测，都用硅管但对红外光的探测， 用锗管较为适宜用锗管较为适宜       右右图图为为硅硅光光敏敏二二极极管管的的伏伏安安特特性性，，横横坐坐标标表表示示所所加加的的反反向向偏偏压压。

当当光光照照时时，，反反向向电电流流随随着着光光照照强强度度的的增增大大而而增增大大，，在在不不同同的的照照度度下下，，伏伏安安特特性性曲曲线线几几乎乎平平行行，，所所以以只只要要没没达达到到饱饱和和值值，，它它的的输输出出实实际际上上不不受受偏压大小的影响偏压大小的影响        (2) 伏安特性伏安特性  指在一定照度下的电流电压特性指在一定照度下的电流电压特性3 3）光照特性）光照特性指在外加电压恒定时，指在外加电压恒定时，光敏二极管的光电流与光敏二极管的光电流与照度之间的关系照度之间的关系如图光照特性近于线性，如图光照特性近于线性，即输出电流随光照线性即输出电流随光照线性增加说明光敏二极管增加说明光敏二极管适合作检测元件适合作检测元件      （（3）） 频频率率特特性性 光光敏敏管管的的频频率率特特性性是是指指在在同同样样的的电电压压和和同同样样幅幅值值的的光光强强度度下下，，当当入入射射光光强强度度以以不不同同的的正正弦弦交交变变频频率率调调制制时时，，光光敏敏管管输输出出的的光光电电流流（（或或相相对对灵灵敏敏度度））随随调调制制频频率率变变化化的的关关系系光光敏敏二二极极管管的的频频率率特特性性是是半半导导体体光光电电器器件件中中最最好好的的一一种种，，普普通通光光敏敏二二极极管管频频率率响响应应时时间间达达10μs。

因因此此特特别别适适合快速变化的光信号探测合快速变化的光信号探测        (4) 温温度度特特性性 光光敏敏管管的的温温度度特特性性是是指指光光敏敏管管的的暗暗电电流流及及光光电电流流与与温温度度的的关关系系光光敏敏晶晶体体管管的的温温度度特特性性曲曲线线如如图图所所示示从从特特性性曲曲线线可可以以看看出出，，温温度度变变化化对对光光电电流流影影响响很很小小(图图(b))，，而而对对暗暗电电流流影影响响很很大大(图图(a))，， 所所以以在在电电子子线线路路中中应应该该对对暗暗电电流流进进行温度补偿，否则将会导致行温度补偿，否则将会导致输出误差输出误差 表表 2-1 2CU型硅光敏二极管的型硅光敏二极管的基本参数基本参数 3.光敏二极管的应用光敏二极管的应用1 1）光电路灯控制电路）光电路灯控制电路­在无光照时，光敏二极管（反在无光照时，光敏二极管（反向）截止，电阻向）截止，电阻R1上的压降很上的压降很小，则晶体管小，则晶体管T1截止，截止，T2截止，截止，继电器继电器J不动作，路灯保持亮不动作，路灯保持亮有光照时，光敏管产生光电流有光照时，光敏管产生光电流IL，，R1电压上升，光强达到某一电压上升，光强达到某一值时值时T1导通，导通，T2导通，导通，J动作常动作常闭端打开，使路灯灭。

即白天闭端打开，使路灯灭即白天灯灭，晚上灯亮，起到了自动灯灭，晚上灯亮，起到了自动控制的作用控制的作用2）光强测量电路）光强测量电路这是一个由稳压管，光敏二极管和电桥组成的测量电路无光照时，这是一个由稳压管，光敏二极管和电桥组成的测量电路无光照时，VA很很大，大，FET导通，调整导通，调整RW，使电桥平衡，即指针为，使电桥平衡，即指针为0有光照时，光敏管产有光照时，光敏管产生生IL，，A点电位点电位VA下降，下降，R2上电流下降，上电流下降，VB减小，光照不同，减小，光照不同，IL不同，不同，VA不同，不同，R2上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来上压降不同，光强可以通过电流计读数显示出来 2.3 光敏三级管光敏三级管光电三极管有两个光电三极管有两个PNPN结，从而可以获得电流增益比具有相同结，从而可以获得电流增益比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但响应速度较二极管差，既频率特性较差较二极管差，既频率特性较差1.1.工作原理与结构工作原理与结构基基极极开开路路，，集集电电极极与与发发射射极极之之间间加加正正电电压压。

当当光光照照射射在在集集电电结结上上时时, , 在在结结附附近近产产生生电电子子- -空空穴穴对对, ,电电子子受受集集电电结结电电场场的的吸吸引引流流向向集集电电区区，，基基区区中中留留下下的的空空穴穴构构成成“纯纯正正电电荷荷”，，使使基基区区电电压压提提高高，，致致使使电电子子从从发发射射区区流流向向基基区区，，由由于于基基区区很很薄薄，，所所以以，，只只有有一一小小部部分分从从发发射射区区来来的的电电子子与与基基区区的的空空穴穴结结合合，，而而大大部部分分电电子子穿穿过过基基区区流流向向集集电电区区，，这这一一段段过过程程与与普普通通三三极极管管的的电电流流放放大大作用相似集电极电流作用相似集电极电流IcIc是原始光电流的是原始光电流的ß ß倍倍2、光敏三极管的主要特性：、光敏三极管的主要特性：光敏三极管存在一个最佳灵敏度的峰值波长当入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降因为光子能量太小，不足以激发电子空穴对当入射光的波长缩短时，相对灵敏度也下降，这是由于光子在半导体表面附近就被吸收，并且在表面激发的电子空穴对不能到达PN结，因而使相对灵敏度下降1 1）光谱特性）光谱特性相对灵敏度/%硅锗入射光λ/Å40008000120001600010080604020 0硅的峰值波长为9000Å，锗的峰值波长为15000Å。

由于锗管的暗电流比硅管大，因此锗管的性能较差故在可见光或探测赤热状态物体时，一般选用硅管；但对红外线进行探测时,则采用锗管较合适2.光敏三极管的基本特性光敏三极管的基本特性 （（2 2））伏安特性伏安特性     光敏三极管的伏安特性曲线如图光敏三极管的伏安特性曲线如图所示光敏三极管在不同的照度所示光敏三极管在不同的照度下的伏安特性，就像一般晶体管下的伏安特性，就像一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性在不同的基极电流时的输出特性一样因此，只要将入射光照在一样因此，只要将入射光照在PN结附近，所产生的光电流看结附近，所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏三极管作基极电流，就可将光敏三极管看作一般的晶体管光敏三极管看作一般的晶体管光敏三极管能把光信号变成电信号，而且输能把光信号变成电信号，而且输出的电信号较大出的电信号较大光敏晶体管的光照特性I / μAL/lx200400600800100001.02.03.0（（3 3）光照特性）光照特性    光敏三极管的光照特性如图所示它给出了光敏三极管的输出电流 I 和照度之间的关系它们之间呈现了近似线性关系当光照足够大(几klx)时，会出现饱和现象，从而使光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。

 暗电流/mA光电流/mA10  20 30 40 50 60 70T /ºC25 050100  02003004001020 30 4050 60 70 80T/ºC光敏晶体管的温度特性（（4 4）温度特性）温度特性      光敏三极管的温度特性曲线反映的是光敏三极管的暗电流及光电流与温度的关系从特性曲线可以看出，温度变化对光电流的影响很小，而对暗电流的影响很大．所以电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差（（5 5）光敏三极管的频率特性）光敏三极管的频率特性   光敏三极管的频率特性曲线如图所示光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应一般来说，光敏三极管的频率响应比光敏二极管差对于锗管，入射光的调制频率要求在5kHz以下硅管的频率响应要比锗管好0100100050050001000020406010080RL=1kΩRL=10kΩRL=100kΩ入射光调制频率 / HZ相对灵敏度/%图4.3-15光敏晶体管的频率特性表表2-2 3DU型硅光敏晶体管型硅光敏晶体管的基本参数的基本参数 3.光敏三极管的应用光敏三极管的应用1）脉冲编码器）脉冲编码器•Vi为24V电源电压，VO为输出电压，N为光栅转盘上总的光栅辐条数，R1和R2为限流电阻器，A和B分别是发光二极管的发射端和光敏三极管的接收端。

当转轴受外部因素的影响而以某一转速n转动时，光栅转盘也随着以同样的速度转动所以，在转轴转动一圈的时间内，接收端将接收到N个光信号，从而在其输出端输出N个电脉冲信号由此可知，脉冲编码器输出的电信号VO的频率f是由转轴的转速n确定的•所以：      f=nN•上式决定了脉冲编码器输出信号的频率f与转轴的转速之间的关系 工作原理工作原理:报警器带孔报警器带孔的罩子内装有发光二极管的罩子内装有发光二极管LED、光电三极管和不透、光电三极管和不透明的挡板明的挡板.平时平时,光电三极光电三极管收不到管收不到LED发出的光发出的光,呈现高电阻状态．呈现高电阻状态．烟雾进入罩内后对光有散烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上，射作用，使部分光线照射到光电三极管上，其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这其电阻变小．与传感器连接的电路检测出这种变化，就会发出警报．种变化，就会发出警报． 3））烟雾散射式烟雾散射式火灾报警器火灾报警器2.4 光敏电阻光敏电阻         1. 光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻的结构与工作原理       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）急剧减小，电路中电流迅速增大 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好， 此时光敏电阻的灵敏度高实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级， 亮电阻值在几千欧以下  光光敏敏电电阻阻的的结结构构很很简简单单，，图图（（a））为为金金属属封封装装的的硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的结结构构图图在在玻玻璃璃底底板板上上均均匀匀地地涂涂上上一一层层薄薄薄薄的的半半导导体体物物质质，，称称为为光光导导层层半半导导体体的的两两端端装装有有金金属属电电极极，，金金属属电电极极与与引引出出线线端端相相连连接接，，光光敏敏电电阻阻就就通通过过引引出出线线端端接接入入电电路路为为了了防防止止周周围围介介质质的的影影响响，，在在半半导导体体光光敏敏层层上上覆覆盖盖了了一一层层漆漆膜膜，，漆漆膜膜的的成成分分应应使使它它在在光光敏敏层层最最敏敏感感的的波波长长范范围围内内透透射射率率最最大大为为了了提提高高灵灵敏敏度度，，光光敏敏电电阻阻的的电电极极一一般般采采用用梳梳状状图图案案，，如如图图（（b））所所示示。

图图（（c））为为光光敏敏电电阻的接线图阻的接线图  2. 光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数         光敏电阻的主要参数有：光敏电阻的主要参数有： (1) 暗暗电电阻阻 光光敏敏电电阻阻在在不不受受光光照照射射时时的的阻阻值值称称为为暗暗电电阻阻，， 此时流过的电流称为暗电流此时流过的电流称为暗电流 (2) 亮亮电电流流 光光敏敏电电阻阻在在受受光光照照射射时时的的电电阻阻称称为为亮亮电电阻阻，，此此时流过的电流称为亮电流时流过的电流称为亮电流 (3) 光电流光电流 亮电流与暗电流之差称为光电流亮电流与暗电流之差称为光电流  3. 光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性        (1) 伏安特性   在在一一定定照照度度下下，，流流过过光光敏敏电电阻阻的的电电流流与与光光敏敏电电阻阻两两端端的的电电压压的的关关系系称称为为光光敏敏电电阻阻的的伏伏安安特特性性图图为为硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的伏伏安安特特性性曲曲线线由由图图可可见见，，光光敏敏电电阻阻在在一一定定的的电电压压范范围围内内，，其其I-U曲曲线线为为直直线线。

说说明明其其阻阻值值与与入入射射光光量量有有关关，，而而与与电电压压电电流流无无关关但但是是电电压压不不能能无无限限地地增增大大，，因因为为任任何何光光敏敏电电阻阻都都受受额额定定功功率率、、最最高高工工作作电电压压和和额额定定电电流流的的限限制制超超过过最最高高工工作作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏   硫化镉光敏电阻的光照特性 （（2）光照特性）光照特性 光敏电阻的光照特性是描述光电流光敏电阻的光照特性是描述光电流I和光照强度和光照强度（光通量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多（光通量）之间的关系，不同材料的光照特性是不同的，绝大多数光敏电阻光照特性是数光敏电阻光照特性是非线性非线性的故光敏电阻不宜作定量检测元的故光敏电阻不宜作定量检测元件，而常在自动控制中作光电开关件，而常在自动控制中作光电开关        (3) 光光谱谱特特性性 光光敏敏电电阻阻对对入入射射光光的的光光谱谱具具有有选选择择作作用用，，即即光光敏敏电电阻阻对对不不同同波波长长的的入入射射光光有有不不同同的的灵灵敏敏度度光光敏敏电电阻阻的的相相对对光光敏敏灵灵敏敏度度与与入入射射波波长长的的关关系系称称为为光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性，，亦亦称称为为光光谱谱响响应应。

图图为为几几种种不不同同材材料料光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱特特性性 对对应应于于不不同同波波长长，，光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的，，而而且且不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻光光谱谱响响应应曲曲线线也也不不同同应应根根据据光光源源的的性性质质，，选选择择合合适适的的光光电电元元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度从从图图中中可可见见硫硫化化镉镉光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应的的峰峰值值在在可可见见光光区区域域，，常常被被用用作作光光度度量量测测量量（（照照度度计计））的的探探头头而而硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻响响应应于于近近红红外外和和中中红红外外区区，， 常常用做火焰探测器的探头用做火焰探测器的探头      （（4）） 频频率率特特性性 实实验验证证明明，，光光敏敏电电阻阻的的光光电电流流不不能能随随着着光光强强改改变变而而立立刻刻变变化化，，即即光光敏敏电电阻阻产产生生的的光光电电流流有有一一定定的的惰惰性性，，这这种种惰惰性性通通常常用用时时间间常常数数表表示示 大大多多数数的的光光敏敏电电阻阻时时间间常常数数都都较较大大，， 这这是是它它的的缺缺点点之之一一。

不不同同材材料料的的光光敏敏电电阻阻具具有有不不同同的的时时间间常常数数（（毫毫秒秒数数量量级级）），， 因因而而它它们们的的频频率率特特性性也也就就各各不不相相同同图图为为硫硫化化镉镉和和硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的频频率率特特性性，，相相比比较较，，硫硫化化铅铅的的使使用用频率范围较大频率范围较大  (5) 温温度度特特性性 光光敏敏电电阻阻和和其其它它半半导导体体器器件件一一样样，，受受温温度度影影响响较较大大温温度度变变化化时时，，影影响响光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱响响应应，，同同时时光光敏敏电电阻阻的的灵灵敏敏度度和和暗暗电电阻阻也也随随之之改改变变，，尤尤其其是是响响应应于于红红外外区区的的硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻受受温温度度影影响响更更大大图图为为硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻的的光光谱谱温温度度特特性性曲曲线线，，它它的的峰峰值值随随着着温温度度上上升升向向波波长长短短的的方方向向移移动动因因此此，，硫硫化化铅铅光光敏敏电电阻阻要要在在低低温温、、恒恒温温的的条条件件下下使使用用对对于于可可见见光光的的光光敏敏电电阻阻，， 其其温温度影响要小一些。

度影响要小一些          硫化铅光敏电阻的光谱温度特性（6）稳定性       图中曲线1、2分别表示两种型号CdS光敏电阻的稳定性初制成的光敏电阻，由于体体内内机机构构工工作作不不稳稳定定，以及电电阻阻体体与与其其介介质质的的作作用用还还没没有有达达到到平平衡衡，所以性能是不够稳定的但在人为地加温、光照及加负载情况下，经一至二周的老化，性能可达稳定光敏电阻在开始一段时间的老化过程中，有些样品阻值上I / %408012016021T/h0400 800 1200 1600升，有些样品阻值下降，但最后达到一个稳定值后就不再变了这就是光敏电阻的主要优点        光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下，几乎是无限长无限长的           光敏电阻具有光谱特性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛此外许多光敏电阻对红外线敏感，适宜于红外线光谱区工作光敏电阻的缺点是型号相同的光敏电阻参数参差不齐，并且由于光照特性的非线性，不适宜于测量要求线性的场合，常用作开关式光电信号的传感元件 几种光敏电阻的特性参数几种光敏电阻的特性参数 5.光敏电阻的应用光敏电阻的应用1）光照度计光照度计 农作物日照时数测定。

农作物日照时数测定 输出接单片机的输出接单片机的I/OI/O口，口，每每2 2分钟对此口查询分钟对此口查询1 1次，次，为高电平，计数一次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数为低电平，不计数1 1天天查询查询720720次 无光照无光照V0=VL V0=VL 有光照V0=VHV0=VH2）环境照度监视器）环境照度监视器2.5 光电池光电池        光光电电池池是是一一种种直直接接将将光光能能转转换换为为电电能能的的光光电电器器件件光光电电池池在在有有光光线线作作用用时时实实质质就就是是电电源源，，电电路路中中有有了了这这种种器器件件就就不不需需要要外加电源外加电源 光光电电池池的的工工作作原原理理是是基基于于“光光生生伏伏特特效效应应”它它实实质质上上是是一一个个大大面面积积的的PN结结，，当当光光照照射射到到PN结结的的一一个个面面，，例例如如P型型面面时时，， 若若光光子子能能量量大大于于半半导导体体材材料料的的禁禁带带宽宽度度，，那那么么P型型区区每每吸吸收收一一个个光光子子就就产产生生一一对对自自由由电电子子和和空空穴穴，， 电电子子-空空穴穴对对从从表表面面向向内内迅迅速速扩扩散散，， 在在结结电电场场的的作作用用下下，，最最后后建建立立一一个个与与光光照照强强度度有有关关的的电动势。

电动势硅光电池原理图 (a) 结构示意图； (b) 等效电路        光电池基本特性有以下几种：光电池基本特性有以下几种： (1) 光光谱谱特特性性 光光电电池池对对不不同同波波长长的的光光的的灵灵敏敏度度是是不不同同的的 图图为为硅硅光光电电池池和和硒硒光光电电池池的的光光谱谱特特性性曲曲线线从从图图中中可可知知，， 不不同同材材料料的的光光电电池池，，光光谱谱响响应应峰峰值值所所对对应应的的入入射射光光波波长长是是不不同同的的，，硅硅光光电电池池波波长长在在0.8μm附附近近，，硒硒光光电电池池在在0.5μm附附近近硅硅光光电电池池的的 光光 谱谱 响响 应应 波波 长长 范范 围围 为为 0.4~1.2μm，， 而而 硒硒 光光 电电 池池 只只 能能 为为0.38~0.75μm可可见见，，硅硅光光电电池池可可以以在在很很宽宽的的波波长长范范围围内内得得到到应应用         (2) 光光照照特特性性 光光电电池池在在不不同同光光照照度度下下，， 其其光光电电流流和和光光生生电电动动势势是是不不同同的的，，它它们们之之间间的的关关系系就就是是光光照照特特性性。

图图为为硅硅光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流与与光光照照的的关关系系曲曲线线从从图图中中看看出出，， 短短路路电电流流在在很很大大范范围围内内与与光光照照强强度度呈呈线线性性关关系系，，开开路路电电压压（（即即负负载载电电阻阻RL无无限限大大时时））与与光光照照度度的的关关系系是是非非线线性性的的，，并并且且当当照照度度在在2000 lx时时就就趋趋于于饱饱和和了了因因此此用用光光电电池池作作为为测测量量元元件件时时，， 应应把把它当作电流源的形式来使用，它当作电流源的形式来使用， 不宜用作电压源不宜用作电压源        （3） 频率特性 图7-18分别给出硅光电池和硒光电池的频率特性，横坐标表示光的调制频率由图可见，硅光电池有较好的频率响应  图7-18 硅光电池的频率特性         (4) 温温度度特特性性 光光电电池池的的温温度度特特性性是是描描述述光光电电池池的的开开路路电电压压和和短短路路电电流流随随温温度度变变化化的的情情况况由由于于它它关关系系到到应应用用光光电电池池的的仪仪器器或或设设备备的的温温度度漂漂移移，，影影响响到到测测量量精精度度或或控控制制精精度度等等重重要要指指标标，， 因因此此温温度度特特性性是是光光电电池池的的重重要要特特性性之之一一。

光光电电池池的的温温度度特特性性如如图图所所示示从从图图中中看看出出，，开开路路电电压压随随温温度度升升高高而而下下降降的的速速度度较较快快，，而而短短路路电电流流随随温温度度升升高高而而缓缓慢慢增增加加由由于于温温度度对对光光电电池池的的工工作作有有很很大大影影响响，，因因此此把把它它作作为为测测量量元元件件使使用用时时，，最最好好能能保保证证温温度度恒恒定定或或采采取取温温度度补补偿措施 三、光电池应用         光电池主要有两大类型的应用：§ 将将光光电电池池作作光光伏伏器器件件使使用用，，利利用用光光伏伏作作用用直直接接将将大大阳阳能能转转换换成成电电能能，，即即太太阳阳能能电电池池这这是是全全世世界界范范围围内内人人们们所所追追求求、、探探索索新新能能源源的的一一个个重重要要研研究究课课题题太太阳阳能能电电池池已已在在宇宇宙宙开开发发、、航航空空、、通通信信设设施施、、太太阳阳电电池池地地面面发发电电站站、、日日常常生生活活和和交交通通事事业业中中得得到到广广泛泛应应用用目目前前太太阳阳电电池池发发电电成成本本尚尚不不能能与与常常规规能能源源竞竞争争，，但但是是随随着着太太阳阳电电池池技技术术不不断断发发展展，，成成本本会会逐逐渐渐下下降降，，太太阳阳电电池池定定将将获获得得更更广广泛的应用。

泛的应用§ 将将光光电电池池作作光光电电转转换换器器件件应应用用，，需需要要光光电电池池具具有有灵灵敏敏度度高高、、响响应应时时间间短短等等特特性性，，但但不不必必需需要要像像太太阳阳电电池池那那样样的的光光电电转转换换效效率率这这一一类类光光电电池池需需要要特特殊殊的的制制造造工工艺艺，，主主要要用用于于光光电电检检测测和和自自动动控控制系统中制系统中 光电池应用举例如下：光电池应用举例如下： 1 1．太阳电池电源．太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成如果还需要向交流负载供电，则加一个直流－交流变换器，太阳电池电源系统框图如图 调节控制器逆变器 交流负载太阳电池方阵 直流负载太阳能电池电源系统阻塞二极管•一般太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制器一般太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制器和阻塞二极管组成如果还需要向交流负载供电，则可加一个直流和阻塞二极管组成如果还需要向交流负载供电，则可加一个直流—交流变换器其中，太阳电池方阵是按输出功率和电压的要求，选用交流变换器其中，太阳电池方阵是按输出功率和电压的要求，选用若干片性能相近的单体光电池，经串联、并联连接后封装成一个可以若干片性能相近的单体光电池，经串联、并联连接后封装成一个可以单独作电源使用的太阳电池组件。

单独作电源使用的太阳电池组件•有光照射时，太阳电池方阵发电并对负载供电，同时，也对蓄电池组有光照射时，太阳电池方阵发电并对负载供电，同时，也对蓄电池组充电，以存储能量，供无太阳光照射时使用充电，以存储能量，供无太阳光照射时使用•无光照时，蓄电池组给负载供电，阻塞二极管反偏防止给光电池供电，无光照时，蓄电池组给负载供电，阻塞二极管反偏防止给光电池供电，即二极管逆流造成浪费（放电）即二极管逆流造成浪费（放电）•调节控制器是将太阳电池方阵、蓄电池组和负载连接起来，实现充、调节控制器是将太阳电池方阵、蓄电池组和负载连接起来，实现充、放电自动控制的中间控制器当蓄电池电压低于下限值时，能自动切放电自动控制的中间控制器当蓄电池电压低于下限值时，能自动切断输出电路因此，调节控制器不仅能使蓄电池供电电压保持在一定断输出电路因此，调节控制器不仅能使蓄电池供电电压保持在一定范围，而且，能防止蓄电池因充电电压过高或过低而损伤逆变器是范围，而且，能防止蓄电池因充电电压过高或过低而损伤逆变器是将直流电转换为交流电的装置将直流电转换为交流电的装置 2 2．光电池在光电检测和自动控制方面的应用．光电池在光电检测和自动控制方面的应用        光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。

由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等(a) 光电追踪电路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2    图 (a)为光电地构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光电开关       图 (b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的(c) 光电池触发电路R1R2R3R4R5R6BG1BG2BG3BG4C1C2C3+12VW      图 (c)为光电池触发电路当光电池受光照射时，使单稳态或双稳态电路的状态翻转，改变其工作状态或触发器件(如可控硅)导通。

+12V5G23(d) 光电池放大电路C3-12VWR1R2R3R4R5C1C218765432图(d)为光电池放大电路在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录      在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的220VC1路灯CJD-108V200μF200μFC2C3100μFR1R3R5R7R4R6R7R2J470kΩ200kΩ10kΩ4.3kΩBG1280kΩ25kΩ57kΩ10kΩ路灯自动控制器路灯自动控制器BG2BG3BG42CR2.6 2.6 高速光电二极管高速光电二极管 (1) PIN(1) PIN管结光电二极管管结光电二极管       PIN管是光电二极管中的一种它的结构特点是，在P型半导体和N型半导体之间夹着一层（相对）很厚的本征半导体这样，PN结的内电场就基本上全集中于 I 层中，从而使PN结双电层的间距加宽，结电容变小     由式τ = CjRL与 f = 1/2πτ知，Cj小，τ则小，频带将变宽。

PIN管结构示意图2、、PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理PIN 光电二极管工作原理光电二极管工作原理 当光从P区一侧入射，则光能量在被吸收的同时仍继续向 N区一侧延伸吸收，在经过耗尽层时，由于吸收光子能量，电子从价带被激励到导带而产生电子空穴对（即光生载流子），并且在耗尽层空间电场作用下，分别向N型区和P型区相互逆方向作漂移运动，并在外部电路形成光电流       然而，在耗尽层以外的区域因为没有电场作用，所以由光电效应产生的电子空穴对，在扩散运动中相遇发生复合，从而消失 由于扩散运动与漂移运动相比是一慢过程，因而由扩散运动产生的光电流不能快速响应输入光强的变化，减少了光电二极管的频率响应 最大特点：最大特点：频带宽频带宽，可达，可达10GHz另一个特点是，因为另一个特点是，因为I层很层很厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，厚，在反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围线性输出范围宽宽由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会由耗尽层宽度与外加电压的关系可知，增加反向偏压会使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度使耗尽层宽度增加，从而结电容要进一步减小，使频带宽度变宽。

变宽不足：不足：I层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微层电阻很大，管子的输出电流小，一般多为零点几微安至数微安目前有将安至数微安目前有将PIN管与前置运算放大器集成在同一硅管与前置运算放大器集成在同一硅片上并封装于一个管壳内的商品出售片上并封装于一个管壳内的商品出售PIN光电二极管在光通信、光雷达和快速光电自动控制领域有光电二极管在光通信、光雷达和快速光电自动控制领域有着广泛的应用着广泛的应用 （（2）） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)                  雪崩光电二极管(APD)的的结构与PIN不同表现在增加了一个附加层，以实现碰撞电离产生二次电子—空穴对，在反向时夹在I 层和N层间的P层中存在高电场，该层称为倍增区或增益区雪崩区),耗尽层仍为I层，起产生一次电子-空穴对的作用吸收区与雪崩倍增区相互分离的APD管的四层结构工作过程2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(APD)的工作原理的工作原理         当外加的反向偏压(约100V-150V)比PIN情况下高得多时，这个电压几乎都降到PN结上特别是在高阻的PN结附近，电场强度可高达 ，已经高出碰撞电离的电场。

SAM-APD管在外加的反向偏压(约50V-150V)下的场分布如图所示 2 雪崩光电二极管雪崩光电二极管( APD )的工作原理的工作原理         此时若光从 P 区照射，则和 PIN 一样，大部分光子将在较厚的 I 层被吸收，因而产生电子、空穴对        入射光功率产生的电子空穴对经过高场区时不断被加速而获得很高的能量，这些高能量的电子或空穴在运动过程中与价带中的束缚电子碰撞，使晶格中的原子电离，产生新的电子-空穴对        新新的的电电子子空空穴穴对对受受到到同同样样加加速速运运动动，，又又与与原原子子碰碰撞撞电电离离，，产产生生电电子子空空穴穴对对，，称称为为二二次次电电子子空空穴穴对对如如此此重重复复，，使使强强电电场场区区域域中中的的电电子子和和空空穴穴成成倍倍的的增增加加，，载载流流子子和和反反向向光光生生电电流流迅迅速速增增大大，，产产生生雪雪崩崩现现象象, , 这这个物理过程称为雪崩倍增效应个物理过程称为雪崩倍增效应 雪雪崩崩过过程程倍倍增增了了一一次次光光生生电电流流，，因因此此，，在在雪雪崩崩光光电电二二极极管管内内部部就就产产生生了了放放大大作作用用。

雪雪崩崩光光电电二二极极管管就就是这样是这样既可以检测光信号既可以检测光信号，，又能放大光信号电流又能放大光信号电流2.7  外光电效应器件外光电效应器件 利用物质在光照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管一、光电管及其基本特性光电管的结构示意图光电管的结构示意图1. 结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管两类两者结构相似，如图它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央 光电器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光谱特性、响应时间、峰值探测率和温度特性来描述2. 主要性能（1） 光电管的伏安特性光光电电流流的的大大小小有有入入射射到到光光电电阴阴极极的的光光通通量量决决定定当当光光通通量量一一定定时时，，阳阳极极电电压压与与电电流流的的关关系系曲曲线线称称为为光光电电管管的的伏伏安安特特性性曲曲线线当当光光通通量量一一定定时时，，随随着着阳阳极极电电压压增增大大，，光光电电流流趋趋于于一一定定值值此此时时光光通通量量与与阳阳极极输输出出电电流流之之间间就就有有良良好好的的线线性性关关系系，，光电管的工作就选在该区域内光电管的工作就选在该区域内        当入射光比较微弱时，光当入射光比较微弱时，光电管能产生的光电流就很小，电管能产生的光电流就很小，信噪比也很小，因此往往采用信噪比也很小，因此往往采用倍增管。

倍增管光电管的伏安特性光电管的伏安特性阳极与末级倍增极间的电压阳极与末级倍增极间的电压/V5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012IA/ μA（2） 光电管的光照特性        通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性其特性曲线如图所示曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流I与光通量成线性关系曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度 光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0Φ/1mIA/ μA1.02.51•    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• 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有很大差异，因而在测量技术中，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。

一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多二、光电倍增管及其基本特性二、光电倍增管及其基本特性 当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA，不容易探测，需要用光电倍增管对电流进行放大1.光电倍增管结构和工作原理由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成光阴极是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而形成的，次阴极多的可达30级；阳极是最后用来收集电子的，收集到的电子数是阴极发射电子数的105~106倍即光电倍增管的放大倍数可达几万到几百万倍因此在很微弱的光照时，它就能产生很大的光电流原理：光原理：光 → → 阴极阴极 → → 光电倍增极光电倍增极→ → 阳极阳极 → → 电流电流 在工作时在工作时, ,这些电极的电位是逐级增高的这些电极的电位是逐级增高的 光线光线→→光电阴极光电阴极( (D D1 1正电位作用正电位作用)→)→加速并打在第一倍加速并打在第一倍增极增极D D1 1上上, ,使其放出的电子增多，称为二次电子，从而产生使其放出的电子增多，称为二次电子，从而产生二次发射；二次发射； D D1 1的二次发射电子的二次发射电子( (D D2 2正电位作用正电位作用) →) →加速入射到电极加速入射到电极D D2 2上；上； ……这样逐级前进这样逐级前进, ,一直到达阳极一直到达阳极A A为止。

由上述的工作为止由上述的工作过程可见过程可见, ,光电流是逐级递增的光电流是逐级递增的, ,因此光电倍增管具有很高因此光电倍增管具有很高的灵敏度的灵敏度                                                                                 （1）倍增系数M 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积如果n个倍增电极的δ都相同，则M= 因此，阳极电流 I 为 I = i · i —光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数β为 β= I / i =M与所加电压有关，M在105~108之间，稳定性为1％左右，加速电压稳定性要在0.1％以内如果有波动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落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所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差 2. 主要参数 103 104 105 106255075100125极间电压极间电压/V  放大倍数放大倍数光电倍增管的特性曲线（2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。

而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度 光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏 （3）暗电流和本底脉冲 一般在使用光电倍增管时，必须把管子放在暗室里避光使用，使其只对入射光起作用；但是由于环境温度、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，这是热发射所致或场致发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除 如果光电倍增管与闪烁体放在一处，在完全蔽光情况下，出现的电流称为本底电流，其值大于暗电流增加的部分是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造成的，本底电流具有脉冲形式 光电光电倍增倍增管的管的光照光照特性特性与与直直线线最最大大偏离是偏离是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在 45mA处饱和10－1410－1010－610－2光通量光通量/1m阳阳极极电电流流/ A（4）光电倍增管的光照特性 光照特性反应了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系。

对于较好的管子，在很宽的范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于10-4lm时，有较好的线性关系光通量大，开始出现非线性，如图所示光电倍增光在闪烁计数器中的应用光电倍增光在闪烁计数器中的应用  闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器核辐射闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器核辐射源辐射的粒子能量被烁体（荧光体）吸收转换为微弱的闪源辐射的粒子能量被烁体（荧光体）吸收转换为微弱的闪光（光子），闪光传输到倍增管的光阴极转换为光电子，光（光子），闪光传输到倍增管的光阴极转换为光电子，经倍增放大后输出电脉冲信号至记录设备中，图经倍增放大后输出电脉冲信号至记录设备中，图6 6—1616为闪为闪烁计数器原理图只要探测出脉冲信号的数目及幅度，便烁计数器原理图只要探测出脉冲信号的数目及幅度，便可以测出射线的强弱与能量的大小可以测出射线的强弱与能量的大小 2.7 色敏光电传感器色敏光电传感器           半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种它也是基半导体色敏传感器是半导体光敏器件的一种它也是基于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测于半导体的内光效应，将光信号变成为电信号的光辐射探测器件。

但是不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们器件但是不管是光电导器件还是光生伏特效应器件，它们检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目检测的都是在一定波长范围内光的强度，或者说光子的数目而半导体色敏器件则可用来而半导体色敏器件则可用来直接测量从可见光到近红外波段直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长内单色辐射的波长这是近年来出现的一种新型光敏器件这是近年来出现的一种新型光敏器件           半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电二极管的半导体色敏传感器相当于两只结深不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管其结构原理及等效电路示于组合，故又称双结光电二极管其结构原理及等效电路示于图  电极1 电极2电极3P+NPSiO2123色敏光电传感器和等效电路色敏光电传感器和等效电路在图中所表示的在图中所表示的P+-N-P不是三极管，而是结深不同的两个不是三极管，而是结深不同的两个P-N结二极管浅结的二极管是结二极管浅结的二极管是P+-N结；深结的二极管是结；深结的二极管是N-P结当有入射光照射时结当有入射光照射时P+、、N、、P三个区域及其间的势垒区中三个区域及其间的势垒区中都有光子吸收，但效果不同。

如上所述，紫外光部分吸收系都有光子吸收，但效果不同如上所述，紫外光部分吸收系数大，经很短距离已基本吸收完毕因此，浅结的那只光电数大，经很短距离已基本吸收完毕因此，浅结的那只光电二极管对紫外光的灵敏度高而红外部分吸收系数较小，这二极管对紫外光的灵敏度高而红外部分吸收系数较小，这类波长的光子则主要在深结区被吸收，因此深结的那只光电类波长的光子则主要在深结区被吸收，因此深结的那只光电二极管对红外光的灵敏度高二极管对红外光的灵敏度高这就是说，这就是说，在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不在半导体中不同的区域对不同的波长分别具有不同的灵敏度同的灵敏度这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色这一特性给我们提供了将这种器件用于颜色识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长将两只结识别的可能性，即可以用来测量入射光的波长将两只结深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导深不同的光电二极管组合，就构成了可以测定波长的半导体色敏传感器体色敏传感器              在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定也就是在具体应用时，应先对该色敏器件进行标定也就是测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路测定不同波长的光照射下，该器件中两只光电二极管短路电流的比值电流的比值ＩＩSD2/ＩＩSD1。

ＩＩSD1是浅结二极管的短路电流，是浅结二极管的短路电流，它在短波区较大它在短波区较大ＩＩSD2是深结二极管的短路电流，它在长是深结二极管的短路电流，它在长波区较大因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可波区较大因而两者的比值与入射单色光波长的关系就可以确定电极1 电极2电极3P+NPSiO2123    图为不同结深二极管的光谱响应曲线图中图为不同结深二极管的光谱响应曲线图中PD1代代表浅结二极管，表浅结二极管，PD2代表深结二极管代表深结二极管半导体色敏器件特性半导体色敏器件特性（（a）） 光谱特性光谱特性; （（b）） 短路电流比短路电流比—波长特性波长特性 二、半导体色敏传感器的基本特征二、半导体色敏传感器的基本特征•半导体色敏器件的光谱特性半导体色敏器件的光谱特性     光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图给出了国产光谱特性是表示它所能检测的波长范围，图给出了国产CS-1型半导体色敏器件的光谱特性；其波长范围是型半导体色敏器件的光谱特性；其波长范围是400～～1000nm        2. 短路电流比短路电流比—波长特性波长特性        短短路路电电流流比比—波波长长特特性性是是表表征征半半导导体体色色敏敏器器件件对对波波长长的的识识别别能能力力，，是是赖赖以以确确定定被被测测波波长长的的基基本本特特性性。

图图（（b））表表示示上上述述CS—1型半导体色敏器件的短路型半导体色敏器件的短路电流比电流比—波长特性曲线波长特性曲线        3. 温度特性温度特性 由由于于半半导导体体色色敏敏器器件件测测定定的的是是两两只只光光电电二二极极管管短短路路电电流流之之比比，， 而而这这两两只只光光电电二二极极管管是是做做在在同同一一块块材材料料上上的的，，具具有有相相同同的的温温度度系系数数，， 这这种种内内部部补补偿偿作作用用使使半半导导体体色色敏敏器器件件的的短短路路电电流流比比对对温温度不十分敏感，度不十分敏感， 所以通常可不考虑温度的影响所以通常可不考虑温度的影响 应用举例应用举例彩色信号处理电路彩色信号处理电路          图图为为检检测测光光波波长长（（即即颜颜色色））处处理理电电路路它它由由色色敏敏半半导导体体传传感感器、两器、两路对数放大器电路及运算放大器路对数放大器电路及运算放大器OP3构成 色彩信号处理电路色彩信号处理电路        要要识识别别色色彩彩，，必必须须获获得得两两只只光光电电二二极极管管的的短短路路电电流流比比故故采采用用对对数数放放大大器器电电路路，，在在电电流流较较小小的的时时候候，，二二极极管管两两端端加加上上的的电电压压和和流流过过电电流流之之间间存存在在近近似似对对数数关关系系，，即即OP1、、OP2输输出出分分别别跟跟lnISD1、、lnISD2成比例，成比例， OP3取出它们的差。

输出为取出它们的差输出为  其其正正比比于于短短路路电电流流比比ISD2/ISD1的的对对数数其其中中C为为比比例例常常数数将将电电路路输输出出电电压压经经A/D变变换换、、 处处理理后后即即可可判判断断出出与与电电平平相相对对应应的的波波长（即颜色长（即颜色） 2.8 光电位置传感器（光电位置传感器（PSD)Position Sensitive Detectors      光电位置传感器是一种硅光电二极管，它对入光电位置传感器是一种硅光电二极管，它对入射到光敏面上的光点位置敏感，其输出信号与光射到光敏面上的光点位置敏感，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关点在光敏面上的位置有关 它对光斑的形状无严格要求它对光斑的形状无严格要求 ,即输出信号与光的聚焦即输出信号与光的聚焦无关，只与光的能量中心位置有关；无关，只与光的能量中心位置有关；     光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，光敏面无需分割，消除了死区，可连续测量光斑位置，位置分辨率很高，一维可以达到位置分辨率很高，一维可以达到0.2um；；     可同时检测位置和光强如机械加工中的定位装置、可同时检测位置和光强。

如机械加工中的定位装置、作为机器人的眼睛和其他位置检测作为机器人的眼睛和其他位置检测特点：特点：位置敏感器件（位置敏感器件（PSD-Positional Sensing Device）） 原理：光原理：光 → 光电二极管光电二极管 → 空穴由空穴由N向向P移动移动 空穴空穴→1端端→I1 空穴空穴→2端端→I2 比值比值：应用：位置检测应用：位置检测(一维、二维一维、二维)1. PSD器件的工作原理 设p型层的电阻是均匀的，两电极间的距离为2L，流过两电极的电流分别为I1和I2，则流过n型层上电极的电流I0为I1和I2之和 当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点的距离为xA时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过电阻p型层分别由电极1与2输出I0= I1+I2    2. 一维PSD器件  一维PSD器件主要用来测量光斑在一维方向上的位置或位置移动量的装置图3-34（a）为典型一维PSD器件S1543的结构示意图，其中1和2为信号电极，3为公共电极它的光敏面为细长的矩形条  图3-35所示，为一维PSD位置检测电路原理图，光电流I1经反向放大器A1放大后分别送给放大器A3与A4，而光电流I2经反向放大器A2放大后也分别送给放大器A3与A4，放大器A3为加法电路，完成光电流I1与I2相加的运算（放大器A5用来调整运算后信号的相位）；放大器A4用作减法电路，完成光电流I2与I1相减的运算。

•3.二维PSD器件  如图3-36（a）所示，在正方形的PIN硅片的光敏面上设置2对电极，分别标注为Y1，Y2和X3，X4，其公共N极常接电源Ubb二维PSD器件的等效电路如图3-36（b）所示  为了减少测量误差常将二维PSD器件的光敏面进行改进，改进后的PSD光敏面如图3-37所示图形，四个引出线分别从四个对角线端引出，光敏面的形状好似正方形产生了枕形畸变这种结构的优点是光斑在边缘的测量误差被大大地减少 2.9 红外光传感器红外光传感器 红红外外辐辐射射技技术术作作为为一一门门新新兴兴技技术术科科学学，，在在科科学学研研究究、、军军事事工工程程和和医医学学方方面面起起着着极极其其重重要要的的作作用用应应用用领领域域十十分分广广阔阔，，例例如如红红外外制制导导火火箭箭、、红红外外成成像像、、红红外外遥遥感感等等红红外外辐辐射射技技术术的的核核心心是是红红外辐射传感器外辐射传感器 一、一、红外辐射的基本特点红外辐射的基本特点 红红外外辐辐射射就就是是红红外外光光，，其其波波长长从从1～～1000μm红红外外光光是是太太阳阳光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示。

光谱的一部分，其波长范围及在电磁波谱中的位置如图所示• 红外光的最大特点就是具有红外光的最大特点就是具有光热效应光热效应，辐射热量，它是光谱中最大，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区光热效应区• 红外光是一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散红外光是一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质射、干涉、吸收等性质• 红外光在真空中的传播速度为红外光在真空中的传播速度为3×108m/s• 红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外常大不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带研究分析表明，对于波长为光存在不同的吸收带研究分析表明，对于波长为2～～5μm、、 8～～14μm区域的红外光具有比较大的区域的红外光具有比较大的“透明度透明度”即这些波长的红外光能即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。

较好地穿透大气层  二、红外探测器二、红外探测器(传感器传感器) 能能将将红红外外辐辐射射量量变变化化转转换换成成电电量量变变换换的的装装置置称称为为红红外外探探测测器器(红红外外传传感感器器)，，红红外外探探测测器器是是根根据据热热电电效效应应和和光光子子效效应应制成的前者为制成的前者为热敏探测器热敏探测器，后者为，后者为光子探测器光子探测器 从从理理论论上上讲讲，，热热探探测测器器对对入入射射的的各各种种波波长长的的辐辐射射能能量量全全部部吸吸收收，，它它是是一一种种对对红红外外光光波波无无选选择择的的红红外外传传感感器器光光子子探探测测器器常常用用的的光光子子效效应应有有外外光光电电效效应应、、内内光光电电效效应应(光光生生伏伏特特效应、光电导效应效应、光电导效应)和光电磁效应和光电磁效应 热热敏敏探探测测器器对对红红外外辐辐射射的的响响应应时时间间比比光光电电探探测测器器的的响响应应时时间间要要长长得得多多前前者者的的响响应应时时间间一一般般在在ms以以上上，，而而后后者者只只有有ns量级热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。

量级热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却 这里主要介绍红外光敏热释电传感器这里主要介绍红外光敏热释电传感器热释电效应热释电效应1．热释电材料．热释电材料•极性晶类，晶体内正、极性晶类，晶体内正、负电荷中心并不重合，负电荷中心并不重合，晶体原子具有一定电矩；晶体原子具有一定电矩；也就是说晶体本身具有也就是说晶体本身具有自发极化特性自发极化特性热释电效应热释电效应2．．热释电材料单畴极化热释电材料单畴极化•对热释电材料施加直流电场自发极化矢对热释电材料施加直流电场自发极化矢量将趋向于一致排列（形成单畴极化），量将趋向于一致排列（形成单畴极化），总的电极化矢量总的电极化矢量      加大当电场去掉加大当电场去掉后，总的后，总的       仍能保持下来仍能保持下来热释电效应热释电效应2．．热释电材料单畴极化热释电材料单畴极化•由于保持下来的由于保持下来的 ，将在材料表面吸附表面电荷，，将在材料表面吸附表面电荷，其面电荷密度其面电荷密度单畴极化后的热电体，其电极化矢量单畴极化后的热电体，其电极化矢量 值是温度的值是温度的函数，温度升高使极化强度减小，释放一定量的吸附函数，温度升高使极化强度减小，释放一定量的吸附电荷。

电荷热释电效应热释电效应3．．热释电效应定义热释电效应定义•某些物质（如硫酸三甘肽、铌酸锂等）吸收光光辐射辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度温度变化将引起居里温度以下的自发自发极化强度极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷表面电荷的变化，这就是热释电效应 光辐射 T↑　　↓ σ↓光辐射→　T↑ →　面束缚电荷变化↓ → 晶体表面上出现所测量出的电荷↓ 热释电效应热释电效应4．．热释电材料最高工作温度热释电材料最高工作温度•当当T ↑ ＝＝Tc（居里温度时）　　单畴极化（居里温度时）　　单畴极化的消失的消失       ＝＝0　　热释电现象消失　　热释电现象消失•即当即当T＜＜Tc时，才有热释电现象时，才有热释电现象•居里温度居里温度Tc——评价热释电探测器的品质评价热释电探测器的品质因数，希望因数，希望Tc越高越好越高越好热释电红外传感器及其应用热释电红外传感器及其应用常见热释电红外传感器的外形 热释电红外传感器是一种被动式热释电红外传感器是一种被动式调制型温度敏感器件，利用热释电效调制型温度敏感器件，利用热释电效应工作，它是通过应工作，它是通过目标与背景的温差目标与背景的温差来探测目标的。

其响应速度虽不如光来探测目标的其响应速度虽不如光子型，但由于它可在室温下使用、光子型，但由于它可在室温下使用、光谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波谱响应宽、工作频率宽，灵敏度与波长无关，容易使用这种探测器，灵长无关，容易使用这种探测器，灵敏度高，探测面广，是一种可靠性很敏度高，探测面广，是一种可靠性很强的探测器因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、强的探测器因此广泛应用于各类入侵报警器，自动开关、非接触非接触测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、测温、火焰报警器等，目前生产有单元、双元、四元、180°等传感等传感器和带有器和带有PCB控制电路的传感器常用的热释电探测器如：硫酸三控制电路的传感器常用的热释电探测器如：硫酸三甘钛（甘钛（TGS））探测器、铌酸锶钡（探测器、铌酸锶钡（SBN））探测器、钽酸锂（探测器、钽酸锂（LiTaO3））探测器、锆钛酸铅（探测器、锆钛酸铅（PZT））探测器等探测器等 1. 热释电红外传感器的结构热释电红外传感器的结构 常见的热释电红外传感器的外形如上图所示常见的热释电红外传感器的外形如上图所示 热释电传感器的内部结构 ⑴⑴ 敏感元敏感元 敏敏感感元元用用红红外外热热释释电电材材料料 — 锆锆钛钛酸酸铅铅(PZT)制制成成，，经经极极化化处处理理后后，，其其剩剩余余极极化化强强度度随随温温度度T升升高高而而下下降降。

制制作作敏感元件时，将热释电材料制成很小敏感元件时，将热释电材料制成很小的的薄薄片片，，再再在在薄薄片片两两面面镀镀上上电电极极，，构构成成两两个个串串联联的的、、有有极极性性的的小小电电容容把把两两个个极极性性相相反反的的热热释释电电敏敏感感元元做做在在同同一一晶晶片片上上，，由由于于环环境境温温度度的的变变化化影影响响整整个个晶晶片片产产生生温温度度变变化化时时，，两两个个敏敏感感元元产产生生的的热热释释电电信信号号互互相相抵抵消消，，传感器无输出，起到补偿作用传感器无输出，起到补偿作用 热释电传感器的特点是热释电传感器的特点是它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度它只在由于外界的辐射而引起它本身的温度变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再变化时，才会给出一个相应的电信号，当温度的变化趋于稳定后，就再没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比没有信号输出，即热释电信号与它本身的温度的变化率成正比因此，因此，热释电传感器只对运动的人体或物体敏感热释电传感器只对运动的人体或物体敏感 使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通使用热释电传感器时，通常要在使用菲涅尔透镜将外来红外辐射通过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消。

过透镜会聚光于一个传感元上，它产生的信号不会被抵消热释电红外传感器传感器由敏感元、场热释电红外传感器传感器由敏感元、场效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充效应管、高阻电阻等组成，并向壳内充入氮气封装起来，内部结构如右图所示入氮气封装起来，内部结构如右图所示传感器内部接线图 ⑵⑵ 场效应管及高阻值电阻场效应管及高阻值电阻Rg 敏敏感感元元的的阻阻值值可可达达1013Ω，，因因此此需需用用场场效效应应管管进进行行阻阻抗抗变变换换才才能能应应用用场场效效应应管管常常用用2SK303V3，，2SK94X3等等型型号号，，用用来来构构成成源源极极跟跟随随器器高高阻阻值值电电阻阻Rg的的作作用用是是释释放放栅栅极极电电荷荷，，使使场场效效应应管管安安全全正正常常工工作作，，源源极极输输出出接接法法时时，，源源极极电电压压约约0.4一一1.0V如传感器内部接线图如下图所示如传感器内部接线图如下图所示 红外滤光片透射曲线 ⑶⑶ 滤光片滤光片(FT) PZT制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种制成的敏感元件是一种广谱材料，能探测各种 波长辐射。

为了波长辐射为了使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用使传感器对人体最敏感，而对太阳、电灯光等有抗干扰性，传感器采用了滤光片作窗口滤光片是在了滤光片作窗口滤光片是在Si基片上镀多层膜制成的每个物体都能基片上镀多层膜制成的每个物体都能发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维思位移定律发出红外辐射，其辐射峰值波长满足维思位移定律对于人体体温对于人体体温(约约36℃℃)，辐射的最长波长为，辐射的最长波长为 λλm=2898／／309=9.4μμm，，也就是说，人体辐也就是说，人体辐射在射在9.4μμm处最强，红外滤光片选取了处最强，红外滤光片选取了7.5～～14μμm波段，能有效地选取人波段，能有效地选取人体的红外辐射红外滤光片透射曲线如上图所示体的红外辐射红外滤光片透射曲线如上图所示 由图可见，小于由图可见，小于6.5μμm的光锐减至的光锐减至0，，6.5～～15.0μμm的辐射，其透射的辐射，其透射率达率达60％以上，因此，％以上，因此，FT可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，可以有效地防止、抑制电灯、太阳光的干扰，但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作。

但对电灯发热引起的红外辐射光有时也能产生误动作 热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等热释电传感器常用于防盗报警、自动门、自动灯等 2. 热释电红外传感器的应用热释电红外传感器的应用 ⑴⑴ 人体探测／防盗报警器人体探测／防盗报警器 ①① 菲涅尔透镜菲涅尔透镜(FRESNEL LENS) 热热释释电电传传感感器器的的前前面面要要加加菲菲涅涅尔尔透透镜镜才才能能增增加加探探测测距距离离菲菲涅涅尔尔透透镜镜是是一一种种由由塑塑料料制制成成的的特特殊殊设设计计的的透透镜镜组组，，它它上上面面的的每每个个单单元元透透镜镜一一般般都都只只有有一一个个不不大大的的视视场场，，而而相相邻邻的的两两个个单单元元透透镜镜的的视视场场既既不不连连续续，，也也不不重重叠叠，，都都相相隔隔一一个个盲盲区区它它的的外外型型如如下下图图所所示菲涅尔透镜的外形 CE-024型菲涅尔透镜的视场如下图所示当人体在这一监视范型菲涅尔透镜的视场如下图所示当人体在这一监视范围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，围内运动时，顺次地进入某一单元透镜的视场，又走出这一视场，热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会热释电传感器对运动的人体一会儿看到，一会儿看不到，再过一会又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电又看到，之后又看不到，于是人体的红外辐射不断地改变热释电菲涅尔透镜的视场的温度，使它输出一个又的温度，使它输出一个又一个相应的信号。

从图示一个相应的信号从图示的视场图可以看出，菲涅的视场图可以看出，菲涅尔透镜是有防盗盲区的，尔透镜是有防盗盲区的，安装在安装在2m高处的菲涅尔透高处的菲涅尔透镜存在着小于镜存在着小于1m的盲区，的盲区，在图示的黑影之下在图示的黑影之下 不加菲涅尔透镜，探不加菲涅尔透镜，探测距离仅为测距离仅为2m左右，加上左右，加上菲涅尔透镜后，其探测距菲涅尔透镜后，其探测距离可达离可达10米，若采用双重米，若采用双重反射型菲涅尔透镜，其探反射型菲涅尔透镜，其探测距离可达测距离可达20m以上 ②② 探测电路探测电路 人人体体进进入入探探测测范范围围内内，，传传感感器器的的输输出出信信号号频频率率大大约约为为0.1～～10Hz，，这这频频率率范范围围是是由由菲菲涅涅尔尔送送人人体体运运动动速速度度和和热热释释电电传传感感器器本本身身的的特特性性决决定定的的其其探测电路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成探测电路由检测、放大、比较电路、延时电路与驱动电路组成 ①① 检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器检测放大电路：检测放大电路由热释电传感器SD02及滤波放大器及滤波放大器A1、、A2等组成，具有等组成，具有4000多倍的放大能力。

多倍的放大能力②② 比较器电路：比较器电路：A3组成电压比较组成电压比较器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，比较器翻转器，无报警信号时输出低电平；当有人入侵时，比较器翻转LED亮，当人亮，当人体运动时则输出一串脉冲体运动时则输出一串脉冲 ③③ 延时驱动电路：延时驱动电路： 555Ⅰ，，555Ⅱ和和VT2组成延组成延时、驱动电路当时、驱动电路当A3输出一个正脉冲脉冲，输出一个正脉冲脉冲，C12充电，无脉冲充电，无脉冲C12将通过将通过R17放电；有人在报警区移动，放电；有人在报警区移动，C12不断允电，当达到一定电压时，不断允电，当达到一定电压时，VT1触触发发555Ⅰ，使，使VT 2导通，吸合继电器，使其控制报警器导通，吸合继电器，使其控制报警器 555Ⅱ组成延时电路组成延时电路避免开机瞬间的误报警避免开机瞬间的误报警 ⑵⑵ 集成红外探测报警器集成红外探测报警器 ①① 被动红外探测控制集成电路被动红外探测控制集成电路TWH9511 TWH系列系列PIR(热释电传感器热释电传感器)控控制电路采用大规模制电路采用大规模CMOS数字电路及数字电路及微型元件固化封装，具有性能指标高，微型元件固化封装，具有性能指标高，一致性好，外围电路简单，安装方便，一致性好，外围电路简单，安装方便，无需调试等特点。

无需调试等特点该电路按信号输出该电路按信号输出表表10.1.1方式可分为三方式可分为三种：交流供电种：交流供电继电器输出型继电器输出型TWH9511；；交流供电可控交流供电可控硅输出型硅输出型TWH9512；；直流供电集电直流供电集电极输出型极输出型TWH9513 TWH95系系列列控控制制电电路路内内部部设设计计有有两两个个高高阻阻抗抗输输入入低低噪噪声声运运算算放放大大器器，，其其总总增增益益限限制制在在67dB之之内内，，灵灵敏敏度度可可通通过过外外接接电电阻阻进进行行调调整整比比较较器器为为一一个个典典型型的的窗窗口口比比较较电电路路，，其其上上下下阈阈值值经经若若干干次次选选择择后后，，确确定定出出最最佳佳门门限限值值其其比比较较放放大大电电路路由由内内部部4V稳稳压压电电路路供供电电，，设设有有温温度度补补偿偿电电路路，，因因此此增增益益不不会会随随外外界界温温度度的的变变化化而而改改变变这这种种电电路路能能抑抑制制热热气气团团流流动动所所产产生生的的红红外外干干扰扰，，误误报报率率低低，，其其探探测测距距离离达达12米米以以上上TWH95系系列列电电路路，，均均有有使使能能控控制制端端RD，，该该脚脚悬悬空空时时为为自自动动状状态态，，接接入入光光控控元元件件可可使使电电路路白白天待机，晚上恢复自动工作。

天待机，晚上恢复自动工作 电路内部均有为电路内部均有为PIR预热的开机自动延时电路，延迟时间为预热的开机自动延时电路，延迟时间为45秒，秒，使使PIR预热后建立稳定的工作状态内部还设置了输出延时系统电路，预热后建立稳定的工作状态内部还设置了输出延时系统电路， ②② 电路工作原理：电路工作原理： 接通电源后，电路处于开机延时状态，接通电源后，电路处于开机延时状态，PIR传感器加电预热传感器加电预热45秒，延秒，延时结束，电路进入自动检测状态如果有人进入探测区，人体辐射的红时结束，电路进入自动检测状态如果有人进入探测区，人体辐射的红外线被外线被PIR传感器探测到，输出幅度约传感器探测到，输出幅度约1mV，，频率在频率在0.3～～7Hz(与人体移与人体移动速度及透镜型号有关动速度及透镜型号有关)的微弱信号，此信号经一组高频滤波和阻抗匹配的微弱信号，此信号经一组高频滤波和阻抗匹配网络，馈入控制电路输入端网络，馈入控制电路输入端S，，微弱信号由内部两级带通选频放大后送至微弱信号由内部两级带通选频放大后送至窗口比较器进行电压比较，输出触发电平，此触发信号通过一系列内部窗口比较器进行电压比较，输出触发电平，此触发信号通过一系列内部系统计数、延时、控制处理及驱动电路，最后推动继电器或可控硅，达系统计数、延时、控制处理及驱动电路，最后推动继电器或可控硅，达到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门、照明灯的控制。

到人体探测防盗报警的目的或实现对自动门、照明灯的控制 采用采用TWH9511组成组成的人体探测／防盗电路如的人体探测／防盗电路如右图右图所示所示，它由交流，它由交流220V供电PIR热释电传感器热释电传感器前要加菲涅尔透镜探测前要加菲涅尔透镜探测灵敏度由灵敏度由4、、5脚的可变电脚的可变电阻调节传感器探测部分阻调节传感器探测部分进入进入TWH9511的三根引的三根引线应采用屏蔽三芯电线，线应采用屏蔽三芯电线，以防噪声影响；以防噪声影响；9与与10脚脚接继电器线圈接继电器线圈J，，线圈的线圈的直流电阻应大于或等于直流电阻应大于或等于400欧，使电流限制在欧，使电流限制在40mA以下，继电器的常以下，继电器的常开触头去控制发声或发光开触头去控制发声或发光报警装置报警装置生物机电2、热释电红外传感器的应用•热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器热释电晶体已广泛用于红线而输出电信号的传感器热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测器。

它正在被广泛的应红外激光的一种较理想的探测器它正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中除了在我们熟知的楼道用到各种自动化控制装置中除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好比如：在房间无人时会自动停机的空调用前景看好比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机电视机能判断无人观看或观众已经睡觉机、饮水机电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构开启监视器或自动门铃上的应用后自动关机的机构开启监视器或自动门铃上的应用结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等等……您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置开发出更加优秀的新产品或自动化控制装置                                                                                                                                                                      红外自动干红外自动干    制作干可参考随机延时电路和固定延时电路。

交流负载采用光电耦合式过零模块为佳注意：人感器必须隔热，出风口与感应窗口要分离 生物机电饮水机自控电路饮水机自控电路人在感应范围，饮水机加热或者制冷；人不在感应范围，人在感应范围，饮水机加热或者制冷；人不在感应范围，1515分钟后自动关机分钟后自动关机2.11  光固态图像传感器光固态图像传感器 固态图像传感器固态图像传感器(Solid State Imaging Sensor (Solid State Imaging Sensor ————缩写为缩写为SSIS)SSIS)按其结构可分为三类：按其结构可分为三类：Ø电荷耦合器件电荷耦合器件 (Charge Coupled Device(Charge Coupled Device简称简称CCDCCD））ØMOSMOS图像传感器图像传感器又称自扫描光电二极管列阵又称自扫描光电二极管列阵(Self (Self Scanned Photodiode ArrayScanned Photodiode Array，简称，简称SSPA)SSPA)Ø电荷注入器件电荷注入器件（（Charge Injection Device，，简称简称CIDCID）。

目前，前两种用得较多广泛用于图像传输与目前，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印机和机器人的眼睛等 一一. 电电荷荷耦合器件耦合器件 (CCD)• 电荷耦合器件（电荷耦合器件（Charge Couple DeviceCharge Couple Device，， 简称简称CCDCCD），是），是19701970年由美国贝尔实验室首年由美国贝尔实验室首先研制出来的新型固体器件先研制出来的新型固体器件 • CCDCCD单元部分，就是一个由金属单元部分，就是一个由金属- -氧化物氧化物- -半导半导体组成的电容器，简称体组成的电容器，简称MOSMOS（（Metal -Oxide -Metal -Oxide -SemiconductorSemiconductor）结构• 它它以电荷作为信号以电荷作为信号, , 基本功能是进行光电转基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出换电荷的存储和电荷的转移输出 • 广泛应用于自动控制和自动测量广泛应用于自动控制和自动测量, , 尤其适用尤其适用于图像识别技术。

于图像识别技术1. MOS光敏单元的结构及原理光敏单元的结构及原理CCDCCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图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形相对应的电荷分布图形这就要求它的基本单元具有有存储电荷存储电荷的功能，同时还具有的功能，同时还具有电荷转移输出电荷转移输出功能CCDCCD由一系列排得很紧密的由一系列排得很紧密的MOSMOS电容器组成电容器组成 在在P P型硅型硅衬底上生长一层衬底上生长一层SiOSiO2 2 (120nm) (120nm)介质层介质层, ,再在再在 SiOSiO2 2层上层上沉积金属铝构成沉积金属铝构成MOSMOS（（Metal -Oxide -Metal -Oxide -SemiconductorSemiconductor）结构，它是）结构，它是CCDCCD器件的最小工作单元器件的最小工作单元A A、、势阱的产生势阱的产生 MOSMOS的金属电极加正压，电极下的的金属电极加正压，电极下的P P型硅型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，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。

它是电子其中无导电的载流子，形成耗尽层它是电子的势阱势阱的深浅取决于势阱的深浅取决于U U的大小的大小B B、、电荷的存储电荷的存储 势阱具有存储电荷的功能当光照射势阱具有存储电荷的功能当光照射MOSMOS电容器时，半导体吸收光子，产生电子电容器时，半导体吸收光子，产生电子- -空穴对，少数电子会被吸收到势阱中，光强空穴对，少数电子会被吸收到势阱中，光强越大，产生电子越大，产生电子- -空穴对越多，势阱内所吸收空穴对越多，势阱内所吸收的光生电子数量就越多因此的光生电子数量就越多因此势阱中的电子势阱中的电子数目的多少可以反映光的强弱数目的多少可以反映光的强弱，说明图像的，说明图像的明暗程度明暗程度 CCDCCD器件将物体的光像形成对应的电器件将物体的光像形成对应的电像时，就是像时，就是CCDCCD器件中上千个相互独立的器件中上千个相互独立的MOSMOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量单元势阱中存储与光像对应的电荷量2. 读出移位寄存器读出移位寄存器是电荷图像的输出电路是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个研究如何实现势阱下的电荷从一个MOSMOS元位置转移到另一个元位置转移到另一个MOSMOS元位置，并依元位置，并依次转移并传输出来。

次转移并传输出来A、、电荷的定向转移电荷的定向转移 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荷量的增加而线性减少由此通过控制相邻MOSMOS电容电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅器栅极电压高低来调节势阱的深浅 要求：要求： 多个多个MOSMOS电容紧密排列且势阱相互沟通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金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求B、、三相三相CCD电极的结构电极的结构 MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起由在一起由3个相位差个相位差120°时钟脉冲驱动时钟脉冲驱动设设ΦΦ1 1ΦΦ2 2ΦΦ3 3为三个驱动脉冲，它们波形完全相同为三个驱动脉冲，它们波形完全相同      经过一个时钟周期T后，（即一个栅周期），电荷也将右移三个电极位置，因此，时钟的周期变化，可使CCD中的电荷包在电极下被转移到输出端——类似数字电路中的——移位寄存移位寄存器器。

C、、电荷的输出电荷的输出CCD输出端结构输出端结构下图是下图是CCD输出端结构示意图它实际上是在输出端结构示意图它实际上是在CCD阵列的末端阵列的末端衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，衬底上制作一个输出二极管，当输出二极管加上反向偏压时，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的管的PN结所收集，在负载结所收集，在负载RL上就形成脉冲电流上就形成脉冲电流Io输出电流的输出电流的大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻大小与信号电荷大小成正比，并通过负载电阻RL变为信号电压变为信号电压Uo输出 二二.CCD图像传感器图像传感器         CCD固态图像传感器由固态图像传感器由感光部分感光部分和和移位移位寄存器寄存器组成感光部分是指在同一半导体衬组成感光部分是指在同一半导体衬底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件，底上布设的由若干光敏单元组成的阵列元件， 光敏单元简称光敏单元简称“像素像素”           固态图像传感器利用光敏单元的光电转固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号成电信号“图像图像”，即将光强的空间分布转，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将间分布，然后利用移位寄存器的移位功能将电信号电信号“图像图像”传送，传送， 经输出放大器输出。

经输出放大器输出二二.CCD图像传感器图像传感器根据光敏元件排列形式的不同，根据光敏元件排列形式的不同，CCDCCD固态图像传感器固态图像传感器可分为可分为线型线型和和面型面型两种两种 1. 1. 线阵电荷耦合器件线阵电荷耦合器件（单沟道传输）线阵CCD结构原理图 （（1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极）光照光敏元，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，光像变为电像势阱中，光像变为电像—电荷包光积分）电荷包光积分） （（2）积分周期结束，控制信号使转移栅打）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开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器串行输出中，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）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集图像信号积分采集 线型线型CCD图像传感器主要用于测试、和图像传感器主要用于测试、和光学文字识别技术等方面光学文字识别技术等方面图7-12    各脉冲的波形和相位•对于线阵列CCD摄象器件来说，不论是三相的还是二相的，都有单沟道传输和双沟道传输两种结构形式。

•单沟道传输的特点是结构简单，但电荷包转移所经过的极板数多，传输效率低•双沟道传输的特点是结构复杂一些，但电荷包转移所经过的极板数只是单侧传输的一半，所以损耗小，传输效率高•一般光敏元位数少的片子，多采用单沟道传输结构，而位数多的片子，则多采用双沟道传输结构 2.面阵型面阵型CCD图像传感器图像传感器 面阵型面阵型CCDCCD图像器件的感光单元呈二维矩阵排列，能检测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下面主要介绍前两种和行间传输三种下面主要介绍前两种1 1）行传输（）行传输（LTLT）面阵）面阵CCDCCD           图图为为线线转转移移面面型型CCD的的结结构构图图它它由由选选址址电电路路、、感感光光区区和和输输出出寄寄存存器器等等组组成成选选址址电电路路将将光光敏敏元元件件内内的的信信息息转转移移到到水水平平（（行行））方方向向上上，，驱驱动动脉脉冲冲将将信信号号电电荷荷一一位位位位地地按按箭箭头头方方向向转转移移，，并并移移入入输输出出寄寄存存器器，， 输输出出寄寄存存器器亦亦在在驱驱动动脉脉冲冲的的作作用用下下使使信信号号电电荷荷经经输输出出端端输输出出。

这这种种转转移移方方式式具具有有有有效效光光敏敏面面积积大大，，转转移移速速度度快快，，转转移移效效率率高高等等特特点点，，但但电电路路比比较较复复杂杂，， 易易引引起起图图像模糊像模糊 故较少采用故较少采用2）） 帧传输（帧传输（FT）面阵）面阵CCD它由感光区、暂存区和输出移它由感光区、暂存区和输出移位寄存器三部分构成位寄存器三部分构成 光敏区和暂存区分开，光敏区光敏区和暂存区分开，光敏区在积分时间内，产生与光像对在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到暂存区然后，整帧信转移到暂存区然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出一帧位寄存器，串行输出一帧对应光敏区对应光敏区MOSMOS的数量）的数量）光敏区暂存区读出寄存器帧转移方式的优缺点：帧转移方式的优缺点：帧转移方式的优缺点：帧转移方式的优缺点：优点：像素单元密度高，优点：像素单元密度高，优点：像素单元密度高，优点：像素单元密度高，有较高的分辨力和灵敏度；有较高的分辨力和灵敏度；有较高的分辨力和灵敏度；有较高的分辨力和灵敏度；   缺点：缺点：缺点：缺点：①①①①   存储区与成像存储区与成像存储区与成像存储区与成像区占同样大小的芯片面积，区占同样大小的芯片面积，区占同样大小的芯片面积，区占同样大小的芯片面积，因此因此因此因此CCDCCD芯片尺寸较大；芯片尺寸较大；芯片尺寸较大；芯片尺寸较大；   ②②②②   电荷转移时受到光照电荷转移时受到光照电荷转移时受到光照电荷转移时受到光照干扰，产生垂直拖尾。

干扰，产生垂直拖尾干扰，产生垂直拖尾干扰，产生垂直拖尾•光敏元线阵与转移区相间排列，线列光敏元线阵与转移区相间排列，线列CCDCCD沿垂直方向在垂直沿垂直方向在垂直阵列的尽头设置一水平阵列的尽头设置一水平CCDCCD，水平，水平CCDCCD的每一位与垂直列的每一位与垂直列CCDCCD一一一对应，一对应，工作原理：每当水平工作原理：每当水平CCDCCD读完一行，垂直读完一行，垂直CCDCCD就向上传输一位就向上传输一位然后水平然后水平CCDCCD读完这新的读完这新的一行数据，垂直一行数据，垂直CCDCCD就又就又向上输一位向上输一位 这种结构的感光单元这种结构的感光单元面积减小，图像清晰，面积减小，图像清晰， 但单元设计复杂但单元设计复杂面型面型CCDCCD图像传感器主要图像传感器主要用于摄像机及测试技术用于摄像机及测试技术3）行间传输面阵型）行间传输面阵型CCD三三. CCD图像传感器的特性参数图像传感器的特性参数1.1.转移效率转移效率 当当CCDCCD中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若中电荷包从一个势阱转移到另一个势阱时，若Q Q1 1为转移一次后的电荷量，为转移一次后的电荷量，Q Q0 0为原始电荷，则转移效率为原始电荷，则转移效率定义为定义为若转移损耗定义为若转移损耗定义为则电荷进行则电荷进行N N次转移时，总转移效率为次转移时，总转移效率为由于由于CCD CCD 中信号电荷需要经上百次转移，要求转移效中信号电荷需要经上百次转移，要求转移效率必须达到率必须达到99.9999.99％－％－99.999%99.999%2.分辨率分辨率 是是CCD的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨的主要性能指标，它决定了显示图像的清晰程度，分辨率越高，图像细节的表现越好。

率越高，图像细节的表现越好•CCD图象传感器的分辨率用调制转移函数图象传感器的分辨率用调制转移函数MTF表征当光强以正表征当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化为调制转移函数变化为调制转移函数MTF•光像的空间频率的单位用线对光像的空间频率的单位用线对/毫米表示，一个线对是两个相邻光毫米表示，一个线对是两个相邻光强度最大值之间的间隔强度最大值之间的间隔•图像传感器电极的间隔用空间频率图像传感器电极的间隔用空间频率f0（单元数（单元数/毫米）表示毫米）表示  根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率根据奈奎斯特采样定理，定义图像传感器的最高分辨率fm等于它的等于它的空间频率空间频率f0的一半，即的一半，即分辨率主要取决于感光单元之间的距离分辨率主要取决于感光单元之间的距离4.4.灵敏度灵敏度 图象传感器的灵敏度是指单位发射照度下，单图象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，即位时间、单位面积发射的电量，即应用举例应用举例 1、线阵、线阵CCD器件检测工件尺寸器件检测工件尺寸L——工件尺寸，N——覆盖的光敏单元d——相邻光敏单元中心距离M——光学系统放大率2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。

根据目前产品情况d＝0．013～0．03mm2.线列线列CCD摄像系统摄像系统3.3.文字图像识别系统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23邮政编码识别系统邮政编码识别系统3、、CMOS有源像素图像传感器有源像素图像传感器2.12   光光 纤纤 传传 感感 器器        一、一、 概述概述        光光纤纤是是光光导导纤纤维维的的简简写写，，1966年年前前香香港港中中文文大大学学校校长长华华裔裔科科学学家家“光光纤纤之之父父”高高锟锟和和George A. Hockham 首首先先提提出出光光纤纤可可以以用用于于通通讯讯传传输输的的设设想想，，高锟因此获得高锟因此获得2009年诺贝尔物理学奖年诺贝尔物理学奖。

光光纤纤传传感感器器是是20世世纪纪70年年代代中中期期发发展展起起来来的的一一门门新新技技术术, 它它是是伴伴随随着着光光纤纤及及光光通通信信技技术术的的发发展展而而逐逐步步形形成的           光纤与敏感元件组合或利用本身的特光纤与敏感元件组合或利用本身的特性性,则可以做成各种则可以做成各种传感器传感器,  测量压力、应测量压力、应变、流量、温度、位移、速度、加速度、变、流量、温度、位移、速度、加速度、磁、电、声和磁、电、声和PH值等各种物理量值等各种物理量, 具有极具有极为广泛的应用前景为广泛的应用前景          光纤传感器与传统的各类传感器相比有光纤传感器与传统的各类传感器相比有一系列优点，如不受电磁干扰一系列优点，如不受电磁干扰, 体积小体积小, 重重量轻量轻, 可挠曲可挠曲, 灵敏度高灵敏度高, 耐腐蚀耐腐蚀,电绝缘、电绝缘、 防爆性好防爆性好, 易与微机连接易与微机连接, 便于遥测等便于遥测等基本采用石英玻璃，基本采用石英玻璃， 主要由三部分组成主要由三部分组成 中心中心——纤芯纤芯(5-75μm)；； 外层外层——包层；包层； 护套护套——尼龙料。

尼龙料 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质， 纤芯折射率纤芯折射率n1略大于包层折射率略大于包层折射率n2（（ n1 ＞＞ n2 ） 2.12.1 2.12.1 光纤的结构与传光原光纤的结构与传光原理理1. 1. 光纤的结构光纤的结构100 ~200μm100 ~200μm100 ~200μm100 ~200μm包层包层包层包层玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维玻璃纤维尼龙外层尼龙外层尼龙外层尼龙外层涂敷层涂敷层涂敷层涂敷层纤芯纤芯纤芯纤芯外层直径外层直径外层直径外层直径1mm1mm 2. 2. 光纤的传光原理光纤的传光原理 1)1)斯乃尔定理斯乃尔定理（（Snell's LawSnell's Law））当光由光密物质当光由光密物质( (折射率大折射率大) )入射至光疏物质时入射至光疏物质时发生折射，如图发生折射，如图(a)(a)，，其折射角大于入射角，其折射角大于入射角，即即n n1 1＞＞n n2 2时，时，θθr r＞＞θθi i n1n2θrθi(a)(a)光的折射示意图光的折射示意图 可可见见，，入入射射角角θθi i增增大大时时，，折折射射角角θθr r也也随随之之增增大大，，且且始始终终θθr r＞＞θθi i。

n n1 1、、n n2 2、、θθr r、、θθi i之间的数学关系为之间的数学关系为 n n1 1sinθsinθi i=n=n2 2sinθsinθr r 当当θθi＞＞θθi0并继续增大时，并继续增大时，θθr＞＞90º º，，这时便发生全反射这时便发生全反射现象，如图现象，如图(c) ，，其出射光不再折射而全部反射回来其出射光不再折射而全部反射回来式中：式中：θθi0——临界角临界角θi0=arcsin(n2/n1) sinθi0=n2/n1 sinθθr＝＝sin90º º＝＝1n1n2θrθi(c)光全反射示意图n1n2θrθi(b)临界状态示意图 当当θθr=90º º时时，，θθi＜＜90º，，此此时时，，出出射射光光线线沿沿界界面面传传播播如如图图（（b）），，称为临界状态这时有称为临界状态这时有 3 3、光纤导光原理及数值孔径、光纤导光原理及数值孔径NANA入入射射光光线线AB与与纤纤维维轴轴线线OO相相交交角角为为θθi，，入入射射后后折折射射( (折折射射角角为为θθj) )至至纤纤芯芯与与包包层层界界面面C点点，，与与C点点界界面面法法线线DE成成θθk角，并由界面折射至包层，角，并由界面折射至包层，CK与与DE夹角为夹角为θθr。

则则n0sinθi=n1sinθj n1sinθθk=n2sinθθr sinθθi=(n1/n0)sinθθj sinθθk=(n2/n1)sinθθr 因因θθj=90º º－－θθk 所以所以 θjθiθkθrABCDEFGKOOn0n2n1光纤导光示意图光纤导光示意图n0为入射光线为入射光线AB所在空所在空间的折射率，一般为空间的折射率，一般为空气，故气，故n００≈≈1，，nl为纤为纤芯折射率，芯折射率，n2为包层折为包层折射率当n００=1时时上上式式sinθi0为为“数数值值孔孔径径” NA(Numerical　　Aperture)由于由于n1与与n2相差较小，即相差较小，即n1+n2≈≈2n1,故又可因式分解为故又可因式分解为 ΔΔ=(n1-n2)/n1称为相对折射率称为相对折射率差差 当当θr=90º的临界状态时，的临界状态时，θi=θi0当当θr<90º时，时，sinθi>NA，，θi>arcsin NA，，光线消失光线消失这这说说明明arcsinNA是是一一临临界界角角, ,凡凡入入射射角角θθi＞＞arcsinNA的的那那些些光光线线进进入入光光纤纤都都不不能能传传播播而而在在包包层层消消失失；；相相反反, ,只只有有入入射角射角θθi＜＜arcsinNA的光线才可进入光纤被全反射传播的光线才可进入光纤被全反射传播 当当θr=90º时时当当θr>90º时，光线发生全反射，则时，光线发生全反射，则sinθi0=NA θi0=arcsin NAθi<θi0=arcsin NANANA意义讨论：意义讨论： •NANA表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率表示光纤的集光能力，无论光源的发射功率有多大，只要在有多大，只要在2θ2θi i张角之内的入射光才能被张角之内的入射光才能被光纤接收、传播。

若入射角超出这一范围，光纤接收、传播若入射角超出这一范围，光线会进入包层漏光光线会进入包层漏光 •一般一般NANA越大集光能力越强，光纤与光源间耦合越大集光能力越强，光纤与光源间耦合会更容易但会更容易但NANA越大光信号畸变越大，要选越大光信号畸变越大，要选择适当 •产品光纤不给出折射率产品光纤不给出折射率N N，只给数值孔径，只给数值孔径NANA二、光纤传感器结构原理及分类二、光纤传感器结构原理及分类 1 1、光纤传感器结构原理、光纤传感器结构原理以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的电电信信号号的的装装置置它它的的电电源源、、敏敏感感元元件件、、信信号号接接收收和和处处理理系系统统以以及及信信息息传传输输均均用用金金属属导导线线连连接接，，见见图图(a)光光纤纤传传感感器器则则是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的的装装置置由由光光发发送送器器、、敏敏感感元元件件(光光纤纤或或非非光光纤纤的的)、、光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图光接收器、信号处理系统以及光纤构成，见图(b)。

光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电    源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线由光发送器发出的光源经光由光发送器发出的光源经光纤引导至敏感元件这时，纤引导至敏感元件这时，光的某一性质受到被测量的光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量得到所期待的被测量可可见见, ,光光纤纤传传感感器器与与以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器相相比比较较，，在在测测量量原原理理上上有有本本质质的的差差别别传传统统传传感感器器是是以以机机——电电测测量量为基础，而光纤传感器则以为基础，而光纤传感器则以光学测量光学测量为基础 光光是是一一种种电电磁磁波波，，其其波波长长从从极极远远红红外外的的lmm到到极极远远紫紫外外线线的的10nm它它的的物物理理作作用用和和生生物物化化学学作作用用主主要要因因其其中中的的电电场场而而引引起起因因此此，，讨讨论论光光的的敏敏感感测测量量必必须须考考虑虑光光的电矢量的电矢量E的振动，即的振动，即A——电场电场E的振幅矢量；的振幅矢量；ω——光波的振动频率；光波的振动频率；φ——光相位；光相位；t——光的传播时间。

光的传播时间可可见见，，只只要要使使光光的的强强度度、、偏偏振振态态( (矢矢量量A的的方方向向) )、、频频率率和和相相位位等等参参量量之之一一随随被被测测量量状状态态的的变变化化而而变变化化，，或或受受被被测测量量调调制制，，那那么么，，通通过过对对光光的的强强度度调调制制、、偏偏振振调调制制、、频频率率调调制制或或相相位位调调制制等等进进行行解解调调，，获获得得所所需需要要的的被被测测量量的的信信息 传感器光学现象被测量光纤分类干涉型相位调制光线传感器干涉（磁致伸缩）干涉（电致伸缩）Sagnac效应光弹效应干涉电流、磁场电场、电压角速度振动、压力、加速度、位移温度SM、PMSM、PMSM、PMSM、PMSM、PMaaaaa   非  干  涉  型 强度调制光纤温度传感器遮光板遮断光路半导体透射率的变化荧光辐射、黑体辐射光纤微弯损耗振动膜或液晶的反射气体分子吸收光纤漏泄膜温度、振动、压力、加速度、位移温度温度振动、压力、加速度、位移振动、压力、位移气体浓度液位MMMMMMSMMMMMMMbbbbbbb偏振调制光纤温度传感器法拉第效应泡克尔斯效应双折射变化光弹效应电流、磁场电场、电压、温度振动、压力、加速度、位移SMMMSMMMb,abbb频率调制光纤温度传感器多普勒效应受激喇曼散射光致发光速度、流速、振动、加速度气体浓度温度MMMMMMcbb注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c功能型、非功能型、拾光型 2 2、光纤传感器的分类、光纤传感器的分类 （（1 1）根据光纤在传感器中的作用）根据光纤在传感器中的作用光纤传感器分为光纤传感器分为功能型功能型、、非功能型非功能型和和拾光型拾光型三大类。

三大类 1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，，将将“传传”和和“感感”合合为为一一体体的的传传感感器器光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、、相相变变)的的作作用用下下，，其其光光学学特特性性(光光强强、、相相位位、、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能因因此此，，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的由由于于光光纤纤连连续续，，增增加加其其长度，可提高灵敏度长度，可提高灵敏度信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器 2 2）非功能型（或称传光型）光纤传感器）非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只光纤仅起导光作用，只“传传”不不“感感”，对外界信息的，对外界信息的“感觉感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成光纤功能依靠其他物理性质的功能元件完成光纤不连续此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，不连续。

此类光纤传感器无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低但灵敏度也较低，用于对灵敏比较容易实现，成本低但灵敏度也较低，用于对灵敏度要求不太高的场合度要求不太高的场合信号处理光受信器敏感元件光发送器光纤 3 3））拾拾光光型型光光纤纤传传感感器器 用用光光纤纤作作为为探探头头，，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光光或或被被其其反反射射、、散散射射的的光光其其典典型型例例子子如如光光纤纤激激光光多多普普勒勒速速度度计计、、辐辐射射式式光光纤温度传感器等纤温度传感器等 信号处理光受信器光发送器光纤耦合器被测对象 （（2 2）根据光受被测对象的调制形式）根据光受被测对象的调制形式形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、形式：强度调制型、偏振调制、频率调制、相位调制相位调制 1 1）强度调制型光纤传感器）强度调制型光纤传感器 是是一一种种利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件的的折折射射率率、、吸吸收收或或反射反射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。

• 有利用光纤的有利用光纤的微弯损耗微弯损耗；；• 各物质的各物质的吸收特性吸收特性；；• 振动膜或液晶的振动膜或液晶的反射光强度反射光强度的变化；的变化；• 物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；物质因各种粒子射线或化学、机械的激励而发光的现象；• 物质的荧光辐射或光路的遮断等物质的荧光辐射或光路的遮断等来来构构成成压压力力、、振振动动、、温温度度、、位位移移、、气气体体等等各各种种强强度度调调制制型型光光纤传感器纤传感器优点优点：结构简单、容易实现，成本低结构简单、容易实现，成本低缺点缺点：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大：受光源强度波动和连接器损耗变化等影响较大  2 2）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的传感器• 利利用用光光在在磁磁场场中中媒媒质质内内传传播播的的法法拉拉第第效效应应做做成成的的电电流流、、磁磁场场传感器；传感器；• 利利用用光光在在电电场场中中的的压压电电晶晶体体内内传传播播的的泡泡尔尔效效应应做做成成的的电电场场、、电压传感器；电压传感器；• 利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；利用物质的光弹效应构成的压力、振动或声传感器；• 利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器。

利用光纤的双折射性构成温度、压力、振动等传感器这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高这类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高 3 3）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光的频率发生频率发生变化变化来进行监测的传感器来进行监测的传感器• 利用运动物体反射光和散射光的利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的多普勒效应的光纤速度、光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；流速、振动、压力、加速度传感器；• 利用物质受强光照射时的利用物质受强光照射时的喇曼散射喇曼散射构成的测量气体浓度或构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；监测大气污染的气体传感器；• 利用利用光致发光光致发光的温度传感器等的温度传感器等  4 4）相位调制传感器）相位调制传感器 其其基基本本原原理理是是利利用用被被测测对对象象对对敏敏感感元元件件的的作作用用，，使使敏敏感感元元件件的的折折射射率率或或传传播播常常数数发发生生变变化化，，而而导导致致光光的的相相位位变变化化，，使使两两束束单单色色光光所所产产生生的的干干涉涉条条纹纹发发生生变变化化，，通通过过检检测测干干涉涉条条纹纹的的变变化化量量来来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。

确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息• 利用光弹效应的声、压力或振动传感器；利用光弹效应的声、压力或振动传感器；• 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；• 利利用用电电致致伸伸缩缩的的电电场场、、电电压压传传感感器器以以及及利利用用光光纤纤赛赛格格纳纳克克（（Sagnac））效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）等这这类类传传感感器器的的灵灵敏敏度度很很高高但但由由于于须须用用特特殊殊光光纤纤及及高高精精度度检检测测系系统，因此成本高统，因此成本高 三、光纤传感器的应用三、光纤传感器的应用 （一）温度的检测（一）温度的检测 光纤温度传感器有功能型和传光型两种光纤温度传感器有功能型和传光型两种 1 1、遮光式光纤温度计、遮光式光纤温度计 下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度下图为一种简单的利用水银柱升降温度的光纤温度开关可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变开关可用于对设定温度的控制，温度设定值灵活可变 1234水银柱式光纤温度开关水银柱式光纤温度开关1 浸液浸液 2 自聚焦透镜自聚焦透镜 3 光纤光纤 4 水银水银 下下图图为为利利用用双双金金属属热热变变形形的的遮遮光光式式光光纤纤温温度度计计。

当当温温度度升升高高时时，，双双金金属属片片的的变变形形量量增增大大，，带带动动遮遮光光板板在在垂垂直直方方向向产产生生位位移移从从而而使使输输出出光光强强发发生生变变化化这这种种形形式式的的光光纤纤温温度度计计能能测测量量10℃℃～～50℃℃的的温温度度检检测测精精度度约约为为0.5℃它它的的缺缺点点是是输输出出光光强强受受壳壳体体振振动动的的影影响响，，且且响响应应时间较长时间较长  光源接收热双金属式光纤温度开关121 遮光板    2 双金属片 2 2、透射型半导体光纤温度传感器、透射型半导体光纤温度传感器 当当一一束束白白光光经经过过半半导导体体晶晶体体片片时时，，低低于于某某个个特特定定波波长长λλg的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收,而而高高于于该该波波长长的的光光将将透透过过半半导导体体这这是是由由于于半半导导体体的的本本征征吸吸收收引引起起的的,λλg称称为为半半导导体体的的本本征征吸吸收收波波长长电电子子从从价价带带激激发发到到导导带带引引起起的的吸吸收收称称为为本本征征吸吸收收当当一一定定波波长长的的光光照照射射到到半半导导体体上上时时,电电子子吸吸收收光光能能从从价价带带跃跃迁迁入入导导带带,显显然然,要要发发生生本本征征吸吸收收,光子能量必须大于半导体的禁带宽度光子能量必须大于半导体的禁带宽度Eg，，即即因因λλ＝＝c/v，，则产生本征吸收条件则产生本征吸收条件h ——普朗克常数；普朗克常数；v ——光频率光频率因因此此，，对对于于波波长长大大于于λλg的的光光，，能能透透过过半半导导体体，，而而波波长长小小于于λλg的的光光将将被被半半导导体体吸吸收收。

不不同同种种类类的的半半导导体体材材料料具具有有不不同同的的本本征征吸吸收收波波长长，，图图为为在在室室温温( (20℃)℃)时时,120μμm厚厚的的GaAs材料的透射率曲线材料的透射率曲线 由由图图看看出出，，GaAs在在室室温温时时的的本本征征吸吸收收波波长长约约为为880nm左左右右，，半半导导体体的的吸吸收收光光谱谱与与Eg有有关关，，而而半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度的的不不同同而而不不同同，，Eg与与温温度度t的的关关系系可可表示为表示为式中：式中：E Eg g（（0 0））——绝对零度时半导体的禁带宽度；绝对零度时半导体的禁带宽度； α——经验常数经验常数(eVeV／／K K)；；ββ——经验常数经验常数(K)(K) 850800900 950 1000010203040t=20℃波长λ/nmGaAs的光谱透射率曲线透射率(%)对于对于GaAs材料，由实验得到材料，由实验得到α =5.8×10-4eV/K β=300K由由此此可可见见，，半半导导体体材材料料的的Eg随随温温度度上上升升而而减减小小，，亦亦即即其其本本征征吸吸收收波波长长λλg随随温温度度上上升升而而增增大大。

反反映映在在半半导导体体的的透透光光特特性性上上，，即即当当温温度度升升高高时时，，其其透透射射率率曲曲线线将将向向长长波波方方向向移移动动若若采采用用发发射射光光谱谱与与半半导导体体的的λλg(t)相相匹匹配配的的发发光光二二极极管管作作为为光光源源，，如如图图，，则透射光强度将随着温度的升高而减小则透射光强度将随着温度的升高而减小LED发光光谱半导体透射率T1

膜片间的距离发生变化，从而使输出光强受到调制 膜片反射式光纤压力传感器示意图光源接收121  Y形光纤束    2 壳片   3 膜片3P 弹弹性性膜膜片片材材料料是是恒恒弹弹性性金金属属，，如如殷殷钢钢、、铍铍青青铜铜等等但但金金属属材材料料的的弹弹性性模模量量有有一一定定的的温温度度系系数数，，因因此此要要考考虑虑温温度度补补偿偿若若选选用用石英膜片，则可减小温度的影响石英膜片，则可减小温度的影响 膜膜片片的的安安装装采采用用周周边边固固定定，，焊焊接接到到外外壳壳上上对对于于不不同同的的测测量量范范围围，，可可选选择择不不同同的的膜膜片片尺尺寸寸一一般般膜膜片片的的厚厚度度在在0.05mm～～0.2mm之之间间为为宜宜对对于于周周边边固固定定的的膜膜片片，，在在小小挠挠度度(y＜＜0.5t，，t为为膜片厚度膜片厚度)的条件下，膜片的中心挠度的条件下，膜片的中心挠度y为为R——膜片有效半径；膜片有效半径；t——膜片厚度；膜片厚度； p——外加压力；外加压力；E－－膜片材料的弹性模量；膜片材料的弹性模量；μμ——为膜片的泊松比为膜片的泊松比 可可见见，，在在一一定定范范围围内内，，膜膜片片中中心心挠挠度度与与所所加加的的压压力力呈呈线线性性关关系系。

若若利利用用Y形形光光纤纤束束检检测测位位移移特特性性的的线线性性区区，，则则传传感感器器的的输输出出光功率亦与待测压力呈线性关系光功率亦与待测压力呈线性关系这这种种传传感感器器结结构构简简单单、、体体积积小小、、使使用用方方便便，，但但如如果果光光源源不不稳稳定定或或长期使用后膜片的长期使用后膜片的反射率下降反射率下降，影响其精度影响其精度  改改进进型型的的膜膜片片反反射射式式光光纤纤压压力力传传感感器器的的结结构构如如图图( (a),),这这里里采采用用了了特特殊殊结结构构的的光光纤纤束束，，光光纤纤束束的的一一端端分分成成三三束束, ,其其中中一一束束为为输输入入光光纤纤, ,两两束束为为输输出出光光纤纤三三束束光光纤纤在在另另一一端端结结合合成成一一束束, ,并并且且在在端端面面成成同同心心环环排排列列分分布布, ,如如图图( (b) )其其中中最最里里面面一一圈圈为为输输出出光光纤纤束束1, ,中中间间一一圈圈为为输输入入光光纤纤束束, ,外外面面一一圈圈为为输输出出光光纤纤束束2当当压压差差为为零零时时，，膜膜片片不不变变形形, ,反反射射到到两两束束输输出出光光纤纤的的光光强强相相等等, ,即即I1＝＝I2。

当当膜膜片片受受压压变变形形后后, ,使使得得处处于于里里面面一一圈圈的的光光纤纤束束, ,接接收收到到的的反反射射光光强强减减小小, ,而而处处于于外外面面一一圈圈的的光光纤纤束束2接接到到的反射光强增大的反射光强增大, ,形成差动输出形成差动输出 4 p>0P=0P<0(a)传感器结构 (b)探头截面结构 (c)测量原理PI2I1I02(外圈)1 (内圈)I1I0I2I1I0I2I1I0I23 (输入)可可见见，，输输出出光光强强比比I2／／Il与与膜膜片片的的反反射射率率、、光光源源强强度度等等因因素素均均无无关关，，因而可有效地消除这些因素的影响因而可有效地消除这些因素的影响 将将上上式式两两边边取取对对数数且且满满足足(Ap)2≤≤1时时,等等式式右右边边展展开开后后取取第第一一项项，，得到得到这这表表明明待待测测压压力力与与输输出出光光强强比比的的对对数数呈呈线线性性关关系系因因此此，，若若将将I1、、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出 若若选选用用的的光光纤纤束束中中每每根根光光纤纤的的芯芯径径为为70μm,包包层层厚厚度度为为3.5μm,纤纤芯芯和和包包层层折折射射率率分分别别为为1.52和和1.62,则则该该传传感感器器可可获获得得115dB的的动动态态范范围围,线线性性度度为为0.25％％。

采采用用不不同同的的尺尺寸寸、、材材料料的的膜膜片片,即即可可获获得不同的测量范围得不同的测量范围 两束输出光的光强之比为两束输出光的光强之比为A——与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；与膜片尺寸、材料及输入光纤束数值孔径等有关的常数；p——待测量压力待测量压力 2、光弹性式光纤压力传感器、光弹性式光纤压力传感器 晶晶体体在在受受压压后后其其折折射射率率发发生生变变化化，，呈呈现现双双折折射射的的现现象象称称为为光光弹性效应弹性效应利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图利用光弹性效应测量压力的原理及传感器结构如图 发发自自LED的的入入射射光光经经起起偏偏器器后后成成为为直直线线偏偏振振光光当当有有与与入入射射光光偏偏振振方方向向呈呈45º的的压压力力作作用用于于晶晶体体时时，，使使晶晶体体呈呈双双折折射射从从而而使使出出射射光光成成为为椭椭圆圆偏偏振振光光，，由由检检偏偏器器检检测测出出与与入入射射光光偏偏振振方方向向相相垂垂直直方方向向上上的的光光强强，，即即可可测测出出压压力力的的变变化化其其中中1/ /4波波长长板板用用于于提提供供一一偏置，使系统获得最大灵敏度。

偏置，使系统获得最大灵敏度 (b)传感器结构12345P(a)检测原理 P6789 10111 光源   2、8 起偏器   3、9  1/4波长板   4、10 光弹性元件5、11 检偏器    6 光纤     7 自聚焦透镜偏振光偏振光线偏振光线偏振光椭圆偏振光椭圆偏振光 为为了了提提高高传传感感器器的的精精度度和和稳稳定定性性，，下下图图为为另另一一种种检检测测方方法法的的结结构构输输出出光光用用偏偏振振分分光光镜镜分分别别检检测测出出两两个个相相互互垂垂直直方方向向的的偏偏振振分分量量；；并并将将这这两两个个分分量量经经“差差／／和和”电电路路处处理理，，即即可可得得到到与与光光源源强强度度及及光光纤纤损损耗耗无无关关的的输输出出该该传传感感器器的的测测量量范范围围为为10103 3PaPa～～10106 6PaPa，，精度为精度为±1 1％，理论上分辨力可达％，理论上分辨力可达1.4Pa1.4Pa 这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于这种结构的传感器在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度测量振动、加速度 输出前置放大前置放大I2－I1I2+I1驱动123 4 56I1I2PD1PD2光弹性式光纤压力传感器的另一种结构1 光纤   2 起偏器   3 光弹性元件   4 1/4波长板   5 偏振分光镜    6 反射镜 p （三）液位、流量、流速的检测（三）液位、流量、流速的检测1、液位的检测技术、液位的检测技术 （（1）球面光纤液位传感器）球面光纤液位传感器 12(a)探头结构 (b) )检测原理空气液体LEDPD光光由由光光纤纤的的一一端端导导入入,在在球球状状对对折折端端部部一一部部分分光光透透射射出出去去,而而另另一一部部分分光光反反射射回回来来,由由光光纤纤的的另另一一端端导导向向探探测测器器。

反反射射光光强强的的大大小小取取决决于于被被测测介介质质的的折折射射率率被被测测介介质质的的折折射射率率与与光光纤纤折折射射率率越越接接近近,反反射射光光强强度度越越小小显显然然,传传感感器器处处于于空空气气中中时时比比处处于于液液体体中中时时的的反反射射光光强强要要大大因因此此,该该传传感感器器可可用用于于液液位位报报警警若若以以探探头头在在空空气气中中时时的的反反射射光光强强度度为为基基准准，，则则当当接接触触水水时时反反射射光光强强变变化化–6dB～～–7dB,接接 触触 油油 时时 变变 化化 –25dB～～ –30dB （（2）斜端面光纤液位传感器）斜端面光纤液位传感器 下下图图为为反反射射式式斜斜端端面面光光纤纤液液位位传传感感器器的的两两种种结结构构同同样样，，当当传传感感器器接接触触液液面面时时，，将将引引起起反反射射回回另另一一根根光光纤纤的的光光强强减减小小这这种种形形式式的的探探头头在在空空气气中中和和水水中中时时，，反反射射光强度差约在光强度差约在20dB以上 斜面反射式光纤液位传感器(a)123(b)1、2  光纤     3 棱镜 （（3）单光纤液位传感器）单光纤液位传感器 单单光光纤纤液液位位传传感感器器的的结结构构如如图图，，将将光光纤纤的的端端部部抛抛光光成成45º º的的圆圆锥锥面面。

当当光光纤纤处处于于空空气气中中时时，，入入射射光光大大部部分分能能在在端端部部满满足足全全反反射射条条件件而而返返回回光光纤纤当当传传感感器器接接触触液液体体时时，，由由于于液液体体的的折折射射率率比比空空气气大大，，使使一一部部分分光光不不能能满满足足全全反反射射条条件件而而折折射射入入液液体体中中，，返返回回光光纤纤的的光光强强就就减减小小利利用用X形形耦耦合合器器即即可可构构成成具具有有两两个个探探头头的的液液位位报报警警传传感感器器同同样样，，若若在在不不同同的的高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化高度安装多个探头，则能连续监视液位的变化 单光纤液位传感器结构121 光纤     2 耦合器 上上述述探探头头在在接接触触液液面面时时能能快快速速响响应应，，但但在在探探头头离离开开液液体体时时，，由由于于有有液液滴滴附附着着在在探探头头上上，，故故不不能能立立即即响响应应为为了了克克服服这这个个缺缺点点，，可可将将探探头头的的结结构构作作一一些些改改变变，，如如图图将将光光纤纤端端部部的的尖尖顶顶略略微微磨磨平平，，并并镀镀上上反反射射膜膜这这样样，，即即使使有有液液体体附附着着在在顶顶部部，，也也不不影影响响输输出出跳跳变变。

进进一一步步的的改改进进是是在在顶顶部部镀镀反反射射膜膜外外粘粘上上一一突突出出物物，，将将附附着着的的液液体体导导引引向向突突出出物物的的下下端端这这样样，，可可以以保保证证探探头头在在离离开开液液位位时时也也能快速地响应能快速地响应 改进的光纤液位探头 2、流量、流速的检测、流量、流速的检测 （（1）光纤漩涡流量计）光纤漩涡流量计 当当一一个个非非流流线线体体置置于于流流体体中中时时，，在在某某些些条条件件下下会会在在液液流流的的下下游游产产生生有有规规律律的的旋旋涡涡这这种种旋旋涡涡将将会会在在该该非非流流线线体体的的两两边边交交替替地地离离开开当当每每个个旋旋涡涡产产生生并并泻泻下下时时，，会会在在物物体体壁壁上上产产生生一一侧侧向向力力这这样样，，周周期期产产生生的的旋旋涡涡将将使使物物体体受受到到一一个个周周期期的的压压力力若若物物体体具具有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比即有弹性，它便会产生振动，振动频率近似地与流速成正比即 式中：式中：v——流体的流速；流体的流速； d——物体相对于液流方向的横向尺寸；物体相对于液流方向的横向尺寸； s——与流体有关的无量纲常数。

与流体有关的无量纲常数 因因此此，，通通过过检检测测物物体体的的振振动动频频率率便便可可测测出出流流体体的的流流速速光光纤纤漩漩涡流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图涡流量计便是根据这个原理制成的，其结构如图 f＝＝sv／／d当光纤振动时当光纤振动时, ,输出光斑亦发生移动对于处于光斑中某个固定位输出光斑亦发生移动对于处于光斑中某个固定位置的小型探测器置的小型探测器, ,光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强光斑花纹的移动反映为探测器接收到的输出光强的变化利用频谱分析的变化利用频谱分析, ,即可测出光纤的振动频率根据上式或实即可测出光纤的振动频率根据上式或实验标定得到流速值验标定得到流速值, ,在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量在管径尺寸已知的情况下，即可计算出流量 光光纤纤漩漩涡涡流流量量计计特特点点：：可可靠靠性性好好, ,无无任任何何可可动动部部分分和和联联接接环环节节, ,对对被被测测体体流流阻阻小小, ,基基本本不不影影响响流流速速但但在在流流速速很很小小时时, ,光光纤纤振振动动会会消消失失, ,因此存在一定的测量下限因此存在一定的测量下限 在横贯流体管道的中间装有一在横贯流体管道的中间装有一根绷紧的多模光纤，当流体流动时根绷紧的多模光纤，当流体流动时, ,光纤就发生振动光纤就发生振动, ,其振动频率近似与其振动频率近似与流速成正比。

由于使用的是多模光纤流速成正比由于使用的是多模光纤, ,故当光源采用故当光源采用相干光源相干光源( (如激光器如激光器) )时时, ,其输出光斑是模式间干涉的结果其输出光斑是模式间干涉的结果 当光纤固定时当光纤固定时, ,输出光斑花纹稳定输出光斑花纹稳定1 夹具夹具2 密封胶密封胶3 液体流管液体流管4 光纤光纤5 张力载荷张力载荷光源频谱分析记录探测器12345 （（2）光纤多普勒流速计）光纤多普勒流速计 下下图图为为利利用用光光纤纤多多普普勒勒计计来来测测量量流流体体流流速速的的原原理理当当待待测测流流体体为为气气体体时时，，散散射射光光将将非非常常微微弱弱，，此此时时可可采采用用大大功功率率的的Ar激激光光器器（出射光功率为（出射光功率为2W，，λλ=514.5nm））以提高信噪比以提高信噪比特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态特点：非接触测量，不影响待测物体的流动状态 光纤多谱勒流量计结构探测器频谱分析仪He-Ne激光器123456781、、3—— 分束器；分束器；2 ——反射镜；反射镜；4—— 透镜；透镜；5 ——流体管道；流体管道；6 ——窗口；窗口；7、、8 ——光纤光纤2.13 激光传感器激光传感器 (laser transducer )激光器激光器（（ 1960年研制成功）年研制成功）•激光的出现是激光的出现是电子学频段向光频波段的延伸电子学频段向光频波段的延伸。

因而因而电子学中的振荡、放大、调制、解调、外差技术在电子学中的振荡、放大、调制、解调、外差技术在光频段也找到了对应物，开创了光电子学新领域光频段也找到了对应物，开创了光电子学新领域•激光器的使用产生了新的光电技术和测量方法，大激光器的使用产生了新的光电技术和测量方法，大大提高测量的精度并大提高测量的精度并广泛应用于国防、生产、医广泛应用于国防、生产、医学和非电测量等各方面学和非电测量等各方面•激光传感器利用激光技术进行测量的传感器它由激光传感器利用激光技术进行测量的传感器它由激光器、激光检测器和测量电路组成激光传感器激光器、激光检测器和测量电路组成激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等激光的特性：激光的特性：•单色性好单色性好  频率范围很窄，激光的单色性比普频率范围很窄，激光的单色性比普通光高通光高1010倍倍•方向性强方向性强 具有高平行度，发散角很小（约具有高平行度，发散角很小（约0.18°）在几公里之外的的光斑直径可以小于）。

在几公里之外的的光斑直径可以小于几厘米•亮度强亮度强  由于能量高度集中，其亮度很高，一由于能量高度集中，其亮度很高，一般比同能量的普通光源高几百万倍一台高能般比同能量的普通光源高几百万倍一台高能量的红宝石激光器发射的激光会聚后量的红宝石激光器发射的激光会聚后,能产生能产生几百万度的高温，可以瞬间熔化一切金属几百万度的高温，可以瞬间熔化一切金属 • 相干性好相干性好 受激辐射，传播方向受激辐射，传播方向/振动方向振动方向/频率频率/相位一致，具有优良的时间和空间相干性相位一致，具有优良的时间和空间相干性        所谓相干性好就是指两束光在相遇区域内相所谓相干性好就是指两束光在相遇区域内相互叠加后，能形成较清晰的干涉图样或能接收到互叠加后，能形成较清晰的干涉图样或能接收到稳定的拍频信号稳定的拍频信号        时间相干性是指同一光源在相干时间时间相干性是指同一光源在相干时间τ内的不内的不同时刻发出的光，经过不同路程相遇可以产生的同时刻发出的光，经过不同路程相遇可以产生的干涉现象，可以用路程差即相干长度来反映；干涉现象，可以用路程差即相干长度来反映；       空间相干性是指同一光源发出的光，在一定大空间相干性是指同一光源发出的光，在一定大小的空间区域内相遇可以产生的干涉现象，可以小的空间区域内相遇可以产生的干涉现象，可以用相干面积来度量。

用相干面积来度量2.13.1 激光产生的机理激光产生的机理(一一)光的自发辐射、受激吸收和受激辐射概念光的自发辐射、受激吸收和受激辐射概念•自发辐射自发辐射：：–处于高能态处于高能态E2上的一个原子自发地向低能态上的一个原子自发地向低能态E1跃迁，并发射一个能量为跃迁，并发射一个能量为hν的光子，这种过程的光子，这种过程称为自发跃迁过程称为自发跃迁过程— 自发跃迁与原子性质有关，与辐射场能量密度自发跃迁与原子性质有关，与辐射场能量密度无关的自发过程无关的自发过程 •受激吸收受激吸收：：–处于低能态处于低能态E1上的一个原子，在频率为上的一个原子，在频率为ν的辐射场作用下的辐射场作用下吸收一个能量为吸收一个能量为hν的光子，并跃迁至高能态的光子，并跃迁至高能态E2，这种过，这种过程称为受激吸收过程程称为受激吸收过程•受激辐射：受激辐射：–处于高能态处于高能态E2上的一个原子，在频率为上的一个原子，在频率为ν[ν= (E2-E1) /h ]的辐射场作用下的辐射场作用下, 跃迁至低能态跃迁至低能态E1，，并辐射出一个能量并辐射出一个能量为为hν且与入射光子全同光子受激辐射发出的光波称为且与入射光子全同光子。

受激辐射发出的光波称为受激辐射受激辐射–受激辐射不仅与原子的性质有关，还与辐射场能量密度受激辐射不仅与原子的性质有关，还与辐射场能量密度成正比•受激辐射的相干性受激辐射的相干性–受激辐射与自发辐射的重要区别在于相干性受激辐射与自发辐射的重要区别在于相干性•自发辐射自发辐射是不受外界辐射场影响的自发辐射过程大量原是不受外界辐射场影响的自发辐射过程大量原子的自发辐射场的相位是无规则分布的，即自发辐射的能子的自发辐射场的相位是无规则分布的，即自发辐射的能量平均分配在腔内所有模式上量平均分配在腔内所有模式上•受激辐射受激辐射是外界辐射场控制下的发光过程量子电动力学是外界辐射场控制下的发光过程量子电动力学证明：受激辐射场与入射辐射场具有证明：受激辐射场与入射辐射场具有相同的频率、相位、相同的频率、相位、传播方向和偏振传播方向和偏振，因此，受激辐射场与入射辐射场属同一，因此，受激辐射场与入射辐射场属同一模式•受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，此时，大量粒受激辐射光子与入射光子属于同一光子态，此时，大量粒子在同一辐射场激励下，产生的受激辐射处于同一光子态，子在同一辐射场激励下，产生的受激辐射处于同一光子态，因而受激辐射是相干的。

因而受激辐射是相干的 激光器的工作原理激光器的工作原理1、组成：、组成：•激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成激光器一般是由工作物质、谐振腔和泵浦源组成•振荡器都由能源、放大器和反馈回路三部分构成振荡器都由能源、放大器和反馈回路三部分构成能源能源反馈反馈放大器放大器输出输出激光器的工作原理激光器的工作原理•典型激光器的原理结构如图示，典型激光器的原理结构如图示，工作物质和泵浦源（氙灯）工作物质和泵浦源（氙灯）分别安装在椭圆柱体聚光分别安装在椭圆柱体聚光腔的两条焦线上腔的两条焦线上氙灯、电源、聚光腔构成氙灯、电源、聚光腔构成——能源部分能源部分工作物质工作物质——放大器放大器反射镜构成的光学谐振腔反射镜构成的光学谐振腔——反馈回路反馈回路激光器的工作原理激光器的工作原理2、工作原理：、工作原理：•泵浦源将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态；泵浦源将工作物质中的粒子从低能态激发到高能态；并使高能态的粒子数并使高能态的粒子数大于大于低能态的粒子数，构成粒低能态的粒子数，构成粒子数的子数的反转分布反转分布，这是产生激光的必要条件这是产生激光的必要条件–处于粒子数反转的原子或分子称为受激原子或分子。

处于粒子数反转的原子或分子称为受激原子或分子•当当高能态粒子跃迁高能态粒子跃迁到低能态产生辐射到低能态产生辐射——经过受激经过受激原子原子感应感应产生产生同频同相的辐射同频同相的辐射——辐射波沿两平面辐射波沿两平面构成的构成的谐振腔来回传播谐振腔来回传播激发出更多的辐射激发出更多的辐射——使辐使辐射射能量放大能量放大——放大的辐射通过部分透射的平面镜放大的辐射通过部分透射的平面镜输出输出——产生产生激光激光激光器的工作原理激光器的工作原理例如：红宝石激光器的组成和工作原理例如：红宝石激光器的组成和工作原理•工作物质工作物质——粉红色的红宝石（掺有粉红色的红宝石（掺有0.05%铬铬ge粒子粒子Cr3+的的氧化铝氧化铝Al2O3单晶体）红宝石被磨成圆柱形的棒，棒的外单晶体）红宝石被磨成圆柱形的棒，棒的外表面经粗磨后，可吸收激励光棒的两个端面研磨后再抛光，表面经粗磨后，可吸收激励光棒的两个端面研磨后再抛光，使两个端面相互平行，并垂直与棒的轴线，再镀以多层介质使两个端面相互平行，并垂直与棒的轴线，再镀以多层介质膜，构成两面反射镜，其中激光输出窗口为部分反射镜（反膜，构成两面反射镜，其中激光输出窗口为部分反射镜（反射比约射比约0.9），另一个为高反射比镜面。

另一个为高反射比镜面•激励激励源源——脉冲氙灯脉冲氙灯•谐振腔谐振腔——表面镀铝的椭圆柱体工作物质和激励源分别位表面镀铝的椭圆柱体工作物质和激励源分别位于椭圆柱体内的两个焦点上于椭圆柱体内的两个焦点上激光器的工作原理激光器的工作原理•红宝石激光器工作原理红宝石激光器工作原理•脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜脉冲氙灯的瞬时强烈闪光，借助于聚光镜腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光腔体会聚到红宝石棒上，这样红宝石激光器就输出波长为器就输出波长为694.3nm的脉冲红光激光的脉冲红光激光器的工作是单次脉冲式，脉冲宽度为几毫器的工作是单次脉冲式，脉冲宽度为几毫秒量级，输出能量可达秒量级，输出能量可达1~100焦耳激光器的工作原理激光器的工作原理3、产生激光的充分必要条件、产生激光的充分必要条件(1)、必须有能形成粒子数分布反转的工作、必须有能形成粒子数分布反转的工作物质（增益介质）物质（增益介质）2)、工作物质置于由两个反射镜组成的谐、工作物质置于由两个反射镜组成的谐振腔内，腔镜的作用是提供反馈振腔内，腔镜的作用是提供反馈3)、激励能量（光源）、激励能量（光源） 激光器的类型激光器的类型按工作物质激光器分为按工作物质激光器分为固体激光器气体激光器液体激光器半导体激光器激光器的输出波长——从近紫外到远红外激光器的辐射功率——从几毫瓦至上万瓦激光器的类型激光器的类型1、固体激光器、固体激光器•固体激光器通常是指以固体激光器通常是指以绝缘晶体或玻璃绝缘晶体或玻璃为工作物质的激光为工作物质的激光器。

在工作物质中掺人少量的过渡金属离子或稀土离子，器在工作物质中掺人少量的过渡金属离子或稀土离子，经光泵激励后产生受激辐射作用经光泵激励后产生受激辐射作用•参与受激辐射作用的离子密度一般为参与受激辐射作用的离子密度一般为(1025—1026)m-3，，比比气体工作物质高出气体工作物质高出3个量级，激光上能级寿命比较长个量级，激光上能级寿命比较长(10-4s—10-3s)，，因此易于获得大能量输出因此易于获得大能量输出固体激光器固体激光器红宝石激光器红宝石激光器——掺铬离子（掺铬离子（Cr+3）的氧化铝）的氧化铝(AL2O3)的单的单晶体晶体钕（女）玻璃激光器钕（女）玻璃激光器——掺掺Nd2O3在玻璃基质中在玻璃基质中钇铝石榴石激光器钇铝石榴石激光器——Nd:YAG激光器的类型激光器的类型2、、气体激光器气体激光器特点：特点：1）气体激光器）气体激光器工作物质工作物质为为气体或金属蒸汽气体或金属蒸汽2）气态物质光学均匀性好，谱线宽度远小于固）气态物质光学均匀性好，谱线宽度远小于固体，气体激光器体，气体激光器方向性好、单色性好方向性好、单色性好3）气体激活粒子密度远小于固体，为获得同样）气体激活粒子密度远小于固体，为获得同样输出功率需工作物质体积大，所以气体激光器输出功率需工作物质体积大，所以气体激光器体积庞大、功率较固体激光器小体积庞大、功率较固体激光器小。

4）工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光泵浦，）工作物质吸收谱线宽度小，不宜采用光泵浦，采用采用气体放电泵浦方式气体放电泵浦方式激光器的类型激光器的类型气体激光器种类气体激光器种类氦氦—氖激光器（原子激光器）氖激光器（原子激光器）氩离子激光器氩离子激光器二氧化碳激光器二氧化碳激光器激光器的类型激光器的类型1、氦、氦—氖激光器氖激光器 (He-Ne) •工作物质工作物质：氦气：氦气—氖气氖气——原子气体激光器原子气体激光器•在激光器电极（阳极与阴极之间）上施加几在激光器电极（阳极与阴极之间）上施加几千伏电压使千伏电压使气体放电气体放电，在适当的条件下氦氖，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质氦原子用来提高泵浦气体成为激活的介质氦原子用来提高泵浦效率，氖原子能级间发生激光跃迁效率，氖原子能级间发生激光跃迁•如果在激光管的轴线上安装高反射比的多层如果在激光管的轴线上安装高反射比的多层介质膜反射镜作为介质膜反射镜作为谐振腔谐振腔，则可获得激光输，则可获得激光输出激光器的类型激光器的类型氦氦—氖激光器氖激光器 (He-Ne)特点：特点：•输出波长：输出波长：632.8nm (输出最大输出最大)  1150nm  3390nm•三条激光谱线，哪一条起振取决于谐振腔介质膜反三条激光谱线，哪一条起振取决于谐振腔介质膜反射镜的波长选择。

对输出波长为射镜的波长选择对输出波长为632.8nm的激光器，的激光器，为获得较强的为获得较强的632.8nm激光输出，激光输出，•除介质膜反射镜，对除介质膜反射镜，对632.8nm有较高反射率有较高反射率•还可借助腔内棱镜色散，使还可借助腔内棱镜色散，使3.39μm激光不能起振，激光不能起振，•在腔内插入对在腔内插入对3.39μm波长的光吸收元件，如甲烷吸波长的光吸收元件，如甲烷吸收盒•输出功率为：输出功率为：1mW-几十几十mW激光器的类型激光器的类型2、氩离子激光器、氩离子激光器  •工作物质：•氩气——离子激光器激光器的类型激光器的类型•低气压大电流下工作低气压大电流下工作由于连续的氩离子激光在由于连续的氩离子激光在大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子大电流的条件下运转，放电管需承受高温和离子的轰击，放电管常用耐高温的石英、石墨、陶瓷的轰击，放电管常用耐高温的石英、石墨、陶瓷做成所以放电管外部做成所以放电管外部常用水冷却常用水冷却，降低工作温，降低工作温度•输出波长有：输出波长有：452.9nm 476.5nm 496.5nm 488.0nm 514.5nm（（输出最大）输出最大） 激光器的类型激光器的类型•3、二氧化碳激光器、二氧化碳激光器 •工作物质工作物质：二氧化碳，掺入少量的：二氧化碳，掺入少量的N2和和He等气体等气体——分子气体激光器。

分子气体激光器•激光器电极上施加几千伏电压使激光器电极上施加几千伏电压使气体放电气体放电，，在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质在适当的条件下氦氖气体成为激活的介质激光器的类型激光器的类型CO2激光器特点：激光器特点：•①①它既能它既能连续连续工作，又能工作，又能脉冲脉冲工作•②②输出功率大，连续输出达万瓦级输出功率大，连续输出达万瓦级，脉冲输出达，脉冲输出达万焦耳；万焦耳；转换效率高转换效率高（高达（高达20%~25%）•③③输出输出波长波长（（10.6μm））正好处于正好处于大气窗口大气窗口，，•④④对人眼的危害比可见光和对人眼的危害比可见光和1.06μm的红外光小得的红外光小得多•如果在激光管的轴线上安装高反射比的多层介质如果在激光管的轴线上安装高反射比的多层介质膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出膜反射镜作为谐振腔，则可获得激光输出•输出波长有：输出波长有：9000nm-11000nm 的红外区域的红外区域 典型典型波长为波长为10600nm激光器的类型激光器的类型3、、液体激光器液体激光器   它的工作物质是液体液体激光器最大特点是它发出它的工作物质是液体液体激光器最大特点是它发出的激光波长可在一定的波段内连续可调，可连续工的激光波长可在一定的波段内连续可调，可连续工作而不降低效率。

液体激光器可分为作而不降低效率液体激光器可分为有机液体染料有机液体染料激光器激光器、、无机液体激光器无机液体激光器和和聚合物激光器聚合物激光器等较为重要的是有机染料激光器重要的是有机染料激光器染料激光器染料激光器•工作物质是有机染料溶液染料溶解在某种有机溶液中，在特定波长光的激发下，能发射一定带宽的荧光激光器的类型激光器的类型染料激光器特点染料激光器特点•激光波长可连续调节（范围）激光波长可连续调节（范围）•激光脉宽很窄，脉宽可达飞秒级激光脉宽很窄，脉宽可达飞秒级10-15S•输出功率大，可与固体激光器比拟；但价格便宜，输出功率大，可与固体激光器比拟；但价格便宜，是固体激光器的千分之一是固体激光器的千分之一•为使输出激光波长可调谐，需要一个带有波长选择为使输出激光波长可调谐，需要一个带有波长选择装置的谐振腔常用的波长选择装置有光栅、棱镜、装置的谐振腔常用的波长选择装置有光栅、棱镜、双折射滤光片、电控调谐元件等双折射滤光片、电控调谐元件等•若采用不同染料溶液和激励光输出波长：范围达若采用不同染料溶液和激励光输出波长：范围达320 nm -1000 nm•染料激光器染料激光器 连续工作方式连续工作方式 输出功率输出功率 > 1W 脉冲工作方式脉冲工作方式 脉冲输出能量：脉冲输出能量：120mJ。

激光器的类型激光器的类型3、半导体激光器、半导体激光器•工作物质工作物质——半导体材料，半导体材料，pn结是激活介质，结是激活介质，•根据材料和结构的不同，输出波长有：根据材料和结构的不同，输出波长有：330nm-44000nm 的红外区域的红外区域 典型波长为典型波长为10600nm•输出功率为：几十输出功率为：几十μW – 几几mW•半导体激光器体积小、重量轻、效率高寿命可半导体激光器体积小、重量轻、效率高寿命可超过一万小时，因此广泛应用于光通信、超过一万小时，因此广泛应用于光通信、光存光存储、光陀螺、激光打印、激光测距储、光陀螺、激光打印、激光测距、自动控制、自动控制等方面•工作电压与集成电路兼容，因此可与集成电路工作电压与集成电路兼容，因此可与集成电路单片集成单片集成2.13.4 应用举例应用举例           激光技术有着非常广泛的应用，如激光精密机械加工、激光通信、激光技术有着非常广泛的应用，如激光精密机械加工、激光通信、激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等激光检测具有测量精激光音响、激光影视、激光武器和激光检测等激光检测具有测量精度高、范围大，检测时间短及非接触式测量等优点，主要用来测量长度高、范围大，检测时间短及非接触式测量等优点，主要用来测量长度、位移、速度、振动等参数。

度、位移、速度、振动等参数1.激光测距激光测距    激光测距是激光最早的应用之一这是由于激光具有方向激光测距是激光最早的应用之一这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点性强、亮度高、单色性好等许多优点1960年首次观察到年首次观察到激光现象后，只经过半年多时间，美国休斯公司就研制出激光现象后，只经过半年多时间，美国休斯公司就研制出了世界上第一台激光测距机了世界上第一台激光测距机 1965年前苏联利用激光测年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（地球和月球之间距离（380´103km）误差只有）误差只有250m1969年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之距，误差只有之距，误差只有15cm再如飞机测量其前方目标的距离，再如飞机测量其前方目标的距离，激光潜艇定位等激光潜艇定位等    　激光测距原理激光测距原理 ：：   　　目前，激光测距机的种类繁多　　目前，激光测距机的种类繁多,功能千差万别，但从工作方式上看不功能千差万别，但从工作方式上看不外两种：脉冲激光测距和连续波激光测距外两种：脉冲激光测距和连续波激光测距  　　　　 (1) 脉冲激光测距脉冲激光测距    　　脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲　　脉冲激光测距原理是，用脉冲激光器向目标发射一列很窄的光脉冲(脉冲宽度小于脉冲宽度小于50ns)，光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉，光达到目标表面后部分被反射，通过测量光脉冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离。

假冲从发射到返回接收机的时间，可算出测距机与目标之间的距离假设所测距离为设所测距离为D，光脉冲往返时间为，光脉冲往返时间为t，光在空中的的传播速度为，光在空中的的传播速度为c，，则：则：   　　　　　　                      D=ct/2    　　脉冲激光测距机能发出很强的激光　　脉冲激光测距机能发出很强的激光.测距能力较强测距能力较强,即使对非合作目即使对非合作目标标,最大测距也能达到最大测距也能达到30000m以上其测距精度一般为以上其测距精度一般为5米，最高的米，最高的可达可达0.15m脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的脉冲激光测距机既可在军事上用于对各种非合作目标的测距测距,也可在气象上用于测定能见度和云层高度也可在气象上用于测定能见度和云层高度.以及应用在对人造卫以及应用在对人造卫星的精密距离测量等领域星的精密距离测量等领域    时时间间间间隔隔t可可利利用用精精密密时时间间间间隔隔测测量量仪仪测测量量目目前前，，国国产产时时间间间间隔隔测测量量仪仪的的单单次次分分辨辨率率达达±20ps由由于于激激光光方方向向性性强强, 功功率率大大, 单单色色性性好好，，这这些些对对于于测测量量远远距距离离，，判判别别目目标标方方位位，，提提高高接接收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用。

收系统的信噪比和保证测量的精确性等起着很重要的作用 激激光光测测距距的的精精度度主主要要取取决决于于时时间间间间隔隔测测量量的的精精度度和和激激光光的的散散射射例例如如，，D＝＝1500km，，激激光光往往返返一一次次所所需需要要的的时时间间间间隔隔t为为10ms±1ns，，±1ns为为测测时时误误差差若若忽忽略略激激光光散散射射，，则则测测距距误误差差为为±15cm；；若若测测时时精精度度为为±0.1ns，，则则测测距距误误差差可可达达±1.5cm若若采采用用无无线线电电波波测测量量，，其其误误差差比比激激光光测测距距误误差差大大得得多在激光测距的基础上，发展了激光雷达在激光测距的基础上，发展了激光雷达(2)连续波激光测距连续波激光测距  　　连续波激光测距机通常采用相位法进行测距，其原理连续波激光测距机通常采用相位法进行测距，其原理是首先向目标发射一束经过调制的连续波激光束，光束到是首先向目标发射一束经过调制的连续波激光束，光束到达目标表面后被反射达目标表面后被反射,通过测量发射的调制激光束与接收通过测量发射的调制激光束与接收机接收的回波之间的相位差，可得出目标与测距机之间的机接收的回波之间的相位差，可得出目标与测距机之间的距离。

距离    　　与脉冲激光测距机相比，连续波激光测距机发射的　　与脉冲激光测距机相比，连续波激光测距机发射的(平平均均)功率较低，因而测距能力相对较差例如，对非合作功率较低，因而测距能力相对较差例如，对非合作目标，相位法测距的最大测程只有目标，相位法测距的最大测程只有1~3km但连续波激光但连续波激光测距机的测距精度高因此，连续波激光测距机大多用来测距机的测距精度高因此，连续波激光测距机大多用来对合作目标进行较为精确的测量，如用作自动目标跟踪系对合作目标进行较为精确的测量，如用作自动目标跟踪系统中的精密距离跟踪统中的精密距离跟踪(像对导弹飞行初始段的测距和眼踪像对导弹飞行初始段的测距和眼踪)人、大地测量等人、大地测量等  2．激光测流速．激光测流速 激激光光测测速速应应用用得得最最多多的的是是激激光光多多普普勒勒流流速速计计，，它它可可以以测测量量火火箭箭燃燃料料的的流流速速，，飞飞行行器器喷喷射射气气流流的的速速度度，，风风洞洞气气流流速速度度以以及及化化学学反反应应中中粒粒子子的的大小及会聚速度等大小及会聚速度等 流流速速计计主主要要包包括括光光学学系系统统和和多多普普勒勒信信号号处处理理两两大大部部分分。

激激光光器器1发发射射出出来来的的单单色色平平行行光光经经聚聚焦焦透透镜镜2聚聚焦焦到到被被测测流流体体区区域域内内，，运运动动粒粒子子使使一一部部分分激激光光散散射射，，散散射射光光与与未未散散光光之之间间发发生生频频移移散散射射光光与与未未散散射射光光分分别别由由两两个个接接收收透透镜镜3和和4接接收收，，再再经经平平面面镜镜5和和分分光光镜镜6重重合合后后，，在在光光电电倍倍增增管管7中中叠叠加加产产生生差差拍拍，，光光电电倍倍增增管管将将输输出出一一个个与与拍拍频频Δf 相相同同的的交交流流信信号号；；对对这个拍频信号进行处理，即可获得动粒子的流速这个拍频信号进行处理，即可获得动粒子的流速υ运动物体运动物体(υ)所所引起的光学多普勒频偏为：引起的光学多普勒频偏为： Δf =2υ/λ式中式中λ为激光波长，所以频偏与速度为激光波长，所以频偏与速度υ成成正比 激光多普勒流速测量的另一个优点激光多普勒流速测量的另一个优点是通过改变透镜的会聚点，可测量出流是通过改变透镜的会聚点，可测量出流场中不同位置的流速，这是其它测量手场中不同位置的流速，这是其它测量手段无法比拟的。

段无法比拟的 3．激光陀螺．激光陀螺 陀陀螺螺式式惯惯性性导导航航的的关关键键部部件件传传统统上上使使用用的的是是机机械械陀陀螺螺，，机机械械陀陀螺螺工工作作时时需需要要绕绕轴轴线线高高速速旋旋转转，，存存在在轴轴承承摩摩擦擦和和磨磨损损激激光光陀陀螺螺可可以以避避免免这这个弊端 激激光光陀陀螺螺由由一一个个环环型型激激光光器器构构成成，，如如下下图图所所示示激激光光器器向向左左右右两两端端射射出出激激光光束束，，经经全全反反射射镜镜R1、、R2和和半半反反射射镜镜R3一一路路顺顺时时针针传传播播，，另另一一路路逆逆时时针针传传播播，，透透过过的的光光束束R3经经棱棱镜镜D合合成成一一束束由由接接收收器器接接收收当当陀陀螺螺固固定定不不动动，，逆逆、、顺顺时时针针传传播播的的两两束束光光的的频频率率相相同同，，当当陀陀螺螺以以角角频频率率ω旋旋转转时时，，两两束光将会产生多普勒频差，在接收器中出现差拍信号多普勒频差大小为：束光将会产生多普勒频差，在接收器中出现差拍信号多普勒频差大小为：式中：式中：S —— 环形面积；环形面积； L —— 环路总长度：环路总长度： λλ —— 激光波长。

激光波长 接收器激光器激光陀螺示意图激光制导航弹及引导头示意图242413 4. 4. 激光制导航弹及引导头原理激光制导航弹及引导头原理三）激光制导三）激光制导 利用激光控制炸弹、炮弹、导弹，使这之利用激光控制炸弹、炮弹、导弹，使这之“长长上眼睛上眼睛”，盯住目标，穷追不舍，直到将它消灭盯住目标，穷追不舍，直到将它消灭1）激光波束（驾束）制导）激光波束（驾束）制导制导原理：制导原理：装置：装置：A--激光照射器；激光照射器；B--导弹发射器；导弹发射器；C--尾部带有激光接尾部带有激光接 收器的制导导弹收器的制导导弹ACBC激光器向目标照射激光激光器向目标照射激光导弹发射器发射导弹，导弹发射器发射导弹，导弹尾部激光接收器接导弹尾部激光接收器接收激光束信号，依接收收激光束信号，依接收的信号强弱使导弹保特的信号强弱使导弹保特在激光束中，直至命中在激光束中，直至命中目标A AAA激光驾束制导激光驾束制导优点：优点：系统小巧、轻便、系统小巧、轻便、适用于单兵使用；适用于单兵使用；缺点：缺点：技术难度大技术难度大B弹体弹体2）半主动式激光制导）半主动式激光制导导引头导引头控制仓控制仓45678123构造：构造：A））激光照射器激光照射器B））导弹发射器导弹发射器C））装有装有“寻的器寻的器”的导弹的导弹1--滤光器；滤光器； 2--透镜；透镜； 3--光敏元件；光敏元件；4--放大器放大器5--计算器；计算器；6--自动驾驶仪；自动驾驶仪； 7--舵面伺服仪。

舵面伺服仪８－电源８－电源弹体弹体导引头导引头控制仓控制仓456781231--滤光器；滤光器；2--透镜；透镜；3--光敏元件；光敏元件；4--放大器放大器 5--计算器；计算器；6--自动驾驶仪；自动驾驶仪；7--舵面伺服仪舵面伺服仪四象限器四象限器导弹保特原飞行方向导弹保特原飞行方向发出纠偏信号，改变导弹飞行发出纠偏信号，改变导弹飞行方向，指向目标方向，指向目标发出纠偏信号，改变导弹飞行发出纠偏信号，改变导弹飞行方向，指向目标方向，指向目标半主动式激半主动式激光制导过程光制导过程是目前较成熟的一种激光制导方式是目前较成熟的一种激光制导方式，多用于对付地面目标如激光制，多用于对付地面目标如激光制导炸弹、炮弹、空地导弹等导炸弹、炮弹、空地导弹等3）全主动式制导）全主动式制导 激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上激光照射器与目标寻的器均装在导弹弹体上作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的作战时，激光照射器向目标照射激光，目标寻的器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标器接收目标反射来的激光信号，将导弹导向目标目前尚不很成熟！目前尚不很成熟！2.15 核辐射传感器核辐射传感器 核核辐辐射射传传感感器器的的测测量量原原理理是是基基于于核核辐辐射射粒粒子子的的电电离离作作用用、、穿穿透透能能力力、、物物体体吸吸收收、、散散射射和和反反射射等等物物理理特特性性，，利利用用这这些些特特性性制制成成的的传传感感器器可可用用来来测测量量物物质质的的密密度度、、厚厚度度，，分分析析气气体体成成分分，，探探测测物物体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分。

体内部结构等，它是现代检测技术的重要部分 一、核辐射源一、核辐射源 — 放射性同位素放射性同位素 在在核核辐辐射射传传感感器器中中，，常常采采用用α、、β、、γ和和X射射线线的的核核辐辐射射源源，，产产生生这这些些射射线线的的物物质质通通常常是是放放射射性性同同位位素素所所谓谓放放射射性性同同位位素素就就是是原原子子序序数数相相同同、、原原子子质质量量不不同同的的元元素素这这些些同同位位素素在在没没有有外外力力作作用下，能自动发生衰变，衰变中释放出上述射线其衰减规律为：用下，能自动发生衰变，衰变中释放出上述射线其衰减规律为：式中式中J、、J0分别为分别为t和和t0时刻的辐射强度，时刻的辐射强度，λ为衰变常数为衰变常数 核核辐辐射射检检测测要要采采用用半半衰衰期期比比较较长长的的同同位位素素半半衰衰期期是是指指放放射射性性同同位位素素的的原原子子核核数数衰衰变变到到一一半半所所需需要要的的时时间间，，这这个个时时间间又又称称为为放放射射性性同同位位素素的的寿寿命命核核辐辐射射检检测测除除了了要要求求使使用用半半衰衰期期比比较较长长的的同同位位素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量。

素外，还要求放射出来的射线要有一定的辐射能量 二、核辐射的物理特性二、核辐射的物理特性 1. 核辐射核辐射 核核辐辐射射是是放放射射性性同同位位素素衰衰变变时时，，放放射射出出具具有有一一定定能能量量和和较较高高速速度度的的粒粒子子束束或或射射线线主主要要有有四四种种：：α、、射射线线、、β射射线线、、γ射射线线和和X射线射线射线射线Ø α、、β射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；射线分别是带正、负电荷的高速粒子流；Ø γ射射线线不不带带电电，，是是以以光光速速运运动动的的光光子子流流，，从从原原子子核核内内放放射射出出来；来； Ø X射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量射线是原子核外的内层电子被激发射出来的电磁波能量 表示了某种放射性同位素的核辐射强度由该式可知，核辐射强表示了某种放射性同位素的核辐射强度由该式可知，核辐射强度是以指数规律随时间而减弱通常以单位时间内发生衰变的次度是以指数规律随时间而减弱通常以单位时间内发生衰变的次数表示放射性的强弱辐射强度单位用贝可（数表示放射性的强弱。

辐射强度单位用贝可（BqBq）表示；）表示；1Bq =11Bq =1个衰变个衰变/ /秒所谓居里（符号秒所谓居里（符号CiCi ），是以前用的或者说习惯用的），是以前用的或者说习惯用的单位，居里与贝可的关系是：单位，居里与贝可的关系是：1 1居里居里=3.7=3.7×101010贝可1Ci的辐射强的辐射强度就是辐射源度就是辐射源1s内有内有3.7××1010次核衰变次核衰变 2．核辐射与物质的相互作用．核辐射与物质的相互作用 (1)核辐射线的吸收、散射和反射核辐射线的吸收、散射和反射 α、、β、、γ射射线线穿穿透透过过物物质质程程中中，，一一部部分分粒粒子子能能量量被被物物质质吸吸收收，，一一部部分分粒子被散射掉，能量将按下述关系式衰减：粒子被散射掉，能量将按下述关系式衰减： 式式中中J、、J0分分别别为为射射线线穿穿透透物物质质前前、、后后的的辐辐射射强强度度，，h为为穿穿透透物物质质的的厚厚度度，，ρ为物质的密度，为物质的密度，am为物质的质量吸收系数为物质的质量吸收系数 三三种种射射线线中中，，γ射射线线穿穿透透能能力力最最强强，，β射射线线次次之之，，α射射线线最最弱弱，，γ射射线线的穿透厚度比的穿透厚度比α、、β要大得多。

要大得多 β射射线线穿穿透透物物质质时时，，容容易易改改变变其其运运动动方方向向而而产产生生散散射射现现象象当当产产生生相相反反方方向向散散射射时时，，即即出出现现了了反反射射现现象象反反射射的的大大小小取取决决于于散散射射物物质质的的性性质质和和厚厚度度β射射线线的的散散射射随随物物质质的的原原子子序序数数增增大大而而加加大大当当原原子子序序数数增增大大到到极极限限情情况况时时，，投投射射到到反反射射物物质质上上的的粒粒子子几几乎乎全全部部反反射射回回来来反反射射的的大大小小与反射物质的厚度有如下关系：与反射物质的厚度有如下关系： 式中：式中：Jh — 反射物质厚度为反射物质厚度为h(mm)时，放射线被反射的强度；时，放射线被反射的强度； Jm — 当当h趋向无穷大时的反射强度，趋向无穷大时的反射强度，Jm与原子序数有关；与原子序数有关； μh— 辐射能量的常数辐射能量的常数当当J0、、am、、Jm、、μμh、、ρρ等已知后，只要测出等已知后，只要测出J或或Jh就可求出其穿透厚度就可求出其穿透厚度h另一方面，当另一方面，当J0、、am、、h等已知后，只要测出等已知后，只要测出J就可求物质的密度就可求物质的密度ρρ。

 (2)电离作用电离作用 当当具具有有一一定定能能量量的的带带电电粒粒子子穿穿透透物物质质时时，，在在它它们们经经过过的的路路程程上上就就会会产产生生电电离离作作用用，，形形成成许许多多离离子子对对，，电电离离作作用用是是带带电电粒粒子子和和物质相互作用的主要形式物质相互作用的主要形式 α粒粒子子（（射射线线））由由于于能能量量、、质质量量和和带带电电量量大大，，故故电电离离作作用用最最强强，，但但射射程程( (带带电电粒粒子子在在物物质质中中穿穿行行时时、、能能量量耗耗尽尽前前所所经经过过的的直直线线距距离离) )较短 β粒粒子子质质量量小小，，电电离离能能力力比比同同样样能能量量的的α粒粒子子要要弱弱，，由由于于β粒粒子子易于散射，所以其行程是弯曲的易于散射，所以其行程是弯曲的 γ粒子几乎没有直接的电离作用粒子几乎没有直接的电离作用 在在辐辐射射线线的的电电离离作作用用下下，，每每秒秒钟钟产产生生的的离离子子对对的的总总数数，，即即离离子对形成的频率可由下式表示：子对形成的频率可由下式表示： 式中：式中：E — 带电粒子的能量；带电粒子的能量； Ed— 离子对的能量；离子对的能量； J — 辐射源的强度；辐射源的强度； C — 辐射源强度为辐射源强度为1Bq时，每秒放射出的粒子数。

时，每秒放射出的粒子数 三、核辐射传感器三、核辐射传感器 核核辐辐射射与与物物质质的的相相互互作作用用是是核核辐辐射射传传感感器器检检测测物物理理量量的的基基础础利利用用电电离离、、吸吸收收和和反反射射作作用用以以及及α、、β、、γ和和X射射线线的的特特性性可可以以检检测测多多种种物物理理量量常常用用电电离离室室、、气气体体放放电电计计数数管管、、闪闪烁烁计计数数器器和和半半导导体体检检测测核核辐辐射射强强度度，，分析气体，鉴别各种粒子等分析气体，鉴别各种粒子等 1．电离室．电离室 利利用用电电离离室室测测量量核核辐辐射射强强度度的的示示意意图图见见下下图图在在电电离离室室两两侧侧的的互互相相绝绝缘缘的的电电极极上上，，施施加加极极化化电电压压，，使使两两极极板板间间形形成成电电场场在在射射线线作作用用下下，，两两极极板板间间的的气气体体被被电电离离，，形形成成正正离离子子和和电电子子，，带带电电粒粒子子在在电电场场作作用用下下定定向向运运动动形形成成电电流流 I，，在在外外接接电电阻阻上上便便形形成成压压降降电电流流 I 与与气气体体电电离离程程度度成成正正比比，，电电离离程程度度又又正正比比于于射射线线辐辐射射强强度度，，因因此此，，测测量量电电阻阻 R 上上的的电电压压值就可得到核辐射强度。

值就可得到核辐射强度 电离室主要用于探测电离室主要用于探测αα、、ββ粒粒子电离室的窗口直径约子电离室的窗口直径约100mm左左右右, ,不必太大不必太大γγ射线的电离室同射线的电离室同αα、、ββ的电离室不太一样的电离室不太一样, ,由于由于γγ射线不射线不直接产生电离直接产生电离, ,因而只能利用它的反因而只能利用它的反射电子和增加室内气压来提高射电子和增加室内气压来提高γγ光光子与物质作用的有效性，因此，子与物质作用的有效性，因此，γγ射线的电离室必须密闭射线的电离室必须密闭 2．盖格计数管．盖格计数管 盖盖格格计计数数管管又又称称为为气气体体放放电电计计数数管管，，计计数数管管中中心心有有一一根根金金属属丝丝并并与与管管子子绝绝缘缘，，它它是是计计数数管管的的阳阳极极；；管管壳壳内内壁壁涂涂有有导导电电金金属属层层，，为为计计数数管管的的阴阴极极，，并并在在两两极极间间加加上上适适当当电电压压计计数数管管内内充充有有氩氩、、氮氮等等气气体体当当核核辐辐射射进进入入计计数数管管内内后后，，管管内内气气体体被被电电离离当当电电子子在在外外电电场场的的作作用用下下向向阳阳极极运运动动时时，，由由于于碰碰撞撞气气体体产产生生次次级级电电子子，，次次极极电电子子又又碰碰撞撞气气体体分分子子，，产产生生新的次级电子，这样次级电子急剧倍增，发生新的次级电子，这样次级电子急剧倍增，发生“雪崩雪崩”现象使阳极放电。

现象使阳极放电 盖盖格格计计数数管管的的特特性性曲曲线线如如下下图图所所示示J1、、J2代代表表入入射射的的核核辐辐射射强强度度，，J1＞＞J2由由图图可可知知，，在在外外电电压压U相相同同的的情情况况下下，，入入射射的的核核辐辐射射强强度度越越强强，，盖盖格格计计数数管管内内严严生生的的脉脉冲冲N越越多多盖盖格格计计数数管管常常用用于于探探测测αα射射线线和和ββ粒粒子子的辐射量的辐射量(强度强度)。