建筑材料热工设备光电检测技术

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1、建筑材料热工设备第四章光电检测技术光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器融合核心部分基础1-2光机电测控技术概念核心：物理量→光学量→电信号→机械运动属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等目的：物理量的检测、传递、控制应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等1-2光机电测控技术概念传感器的概念传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）敏感器：能够将被测

2、非电量转换为可用非电量的器件或装置光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。1-2光机电测控技术概念1-3光机电测控与人工操作区别比较：被测物体感觉器官人脑手控被测物体光机电传感器微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官被测对象光学系统光电传感器变换电路处理电路后续电路显示控制存储光机电测控系统光源光学系统机电执行机构1-4光机电测控系统的组成光机电测控技术的特点高精度：测长度nm量级；高速度：光速是最快的；非接触式检测：可长距离工作；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；受

3、光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。1-4光机电测控系统的组成热辐射：由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。热辐射源的特性：它的辐射能量直接与它的温度有关。热平衡辐射：如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射。2-2光辐射与热辐射热辐射主要在红外波段任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273℃），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波。只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体

4、就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。2-2光辐射与热辐射在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。热辐射的辐射光谱是连续的。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。2-2光辐射与热辐射若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理

5、想的黑体。2-2光辐射与热辐射黑体五、普朗克定律描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系黑体光谱辐射出射度为：式中h—普朗克常数k—玻尔兹曼常数c—光速2-2光辐射与热辐射每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动普朗克曲线2-2光辐射与热辐射本定律由德国物理学家威廉·维恩（WilhelmWien）于1893年通过对实验数据的经验总结提出。威廉·维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。六、维恩位移定律描述黑

6、体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律设黑体辐射的峰值波长，则存在如下的简单关系：已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。（温度与峰值波长成反比）2-2光辐射与热辐射维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为

7、黄光。描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律2-2光辐射与热辐射光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应2-2光辐射与热辐射光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而

8、电阻减少的现象2-2光辐射与热辐射光电效应光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。光生伏特效应是指半导体在受到光