几种典型的传感器敏感材料及器件-光学特性.pptVIP

Contents * * LOGO 力学性能与传感特性 1 光学性能与传感特性 2 热学性能与传感特性 3 电学性能与传感特性 4 磁学性能与传感特性 5 声学性能与传感特性 6 光学性能与传感特性 光学传感技术由于其灵敏度高、抗电磁干扰、测量速度快等诸多优点而成为当今一种先进的感测技术。 光学传感技术一般基于光学反射、折射、透射、吸收、散射以及利用各种物理效应和敏感材料，可实现绝大多数物理量、化学量的检测问题。 人类眼睛可以看见的光称为可见光，其光的波长的范围约为0.4?0.8?m，仅占电磁波谱（10-5?105 m）中的一小部分，如图2-20所示。 图2-20 电磁波谱 一、材料的光学性能 0、关于光速 光学性能与传感特性 光在真空中的速度c≈300000km/s。当光从真空进入较致密的介质材料时，其传播速度会降低。光在真空中的速度c与在介质材料中的速度 之比，称为该介质材料的折射率，记作 ， 材料的折射与其结构有关。对于各向同性的均质材料，只有一个折射率。当光通过材料时，光速不因传播方向改变而变化。当光通过某些晶体材料时，一般会分成振动方向相互垂直、传播速度不同的两条折射光线，即为双折射现象。这两条折射光线中，平行于入射面光线的折射率称为常光折射率 ，不随入射角大小的变化而变化，始终为常数。另一条与之垂直的光线的折射率不遵守折射定律，随着入射角大小而发生变化，称为非常光折射率 。 图3?1镜面反射和漫反射情况 镜面反射 i ? θ I 漫反射 根据光的反射定律。由于粗糙表面上各点的法线方向不同，光线反射后，沿不同的方向射出，形成漫反射。大多数物体表面是粗糙的，由于漫反射的作用，我们能从各个方向看到它。 1、光的反射 光学性能与传感特性 利用光学折射现象，可以实现液体浓度、成分含量的测量、气体或者液体折射率的测量。 2、光的折射 光学性能与传感特性 3、光的吸收 其中， C为溶液的浓度，A是只与吸收物质的分子特性有关，而与浓度无关的常数； 任何介质，对各种波长的电磁波能量会或多或少地吸收。完全没有吸收的绝对透明介质中是不存在的。光通过介质时，其强度随介质的厚度增加而减少的现象，称为介质对光的吸收。所谓“透明”是就某些波长范围来说的，仅有少量的吸收。吸收光辐射或光能量是物质具有的普遍性质。 （1）一般吸收 介质对各种波长λ的光能几乎均匀吸收，即吸收系数α与波长λ无关 （2）选择吸收 介质对某些波长的光的吸收特别显著。 光学性能与传感特性 一切介质都具有一般吸收和选择吸收两种特性。 选择吸收是物体呈现颜色的主要原因。一些物体的颜色，是由于某些波长的光透入其内一定距离后被吸收掉而引起的。例如：水能透入红光，并逐渐吸收掉，因而水面没有对红光的反射，只反射蓝绿光，并让蓝绿光透过相当的深度，所以水呈现蓝绿色。 图3?6 钠蒸气的吸收光谱 光学性能与传感特性 3、光的吸收 光学性能与传感特性 4、光的色散与散射 材料的折射率随入射光的频率(或波长)而变化的现象，称为色散。 光在材料中传播时，遇到不均匀结构产生的次级波与主波方向不一致，会与主波合成出现干涉现象，使光偏离原来的方向的现象，称为散射。诸如材料中小颗粒的透明介质、光性能不同的晶界、气孔等因素，都会引起一部分光束被散射，从而减弱光束强度。 对于相分布均匀的材料，光减弱的散射规律与吸收规律具有相同的形式，即： （s为散射系数） 光学性能与传感特性 太阳辐射通过大气时遇到空气分子、尘粒、云滴等质点时，都要发生散射。但散射并不象吸收那样把辐射能转变为热能，而只是改变辐射方向，使太阳辐射以质点为中心向四面八方传播开来。经过散射之后，有一部分太阳辐射就到不了地面。 4、光的色散与散射 如果太阳辐射遇到的是直径比波长小的空气分子，则辐射的波长愈短，被散射愈厉害。 如果太阳辐射遇到直径比波长大的质点，虽然也被散射，但这种散射是没有选择性的，即辐射的各种波长都同样被散射。如空气中存在较多的尘埃或雾粒，一定范围的长短波都被同样的散射，使天空呈灰白色的。 空气状况好的晴天时，天空是蓝色的原因。 光学性能与传感特性 5、材料的透射性 材料的透光性用光透过率来表征。所谓光透过率是指，光线通过材料后剩余的光能占原来入射时能量的百分比。光的能量可以用光照射强度来表示，也有采用放在一定距离外的光电管转换得到的电流强度来表示。 在光路上分别测出插入厚度为L的材料前、后的光变电流强度I0和I。 由于光既在材料的两个表面发生折射，又在材料内有吸收