第9章光电传感器-课件.ppt

1、第9章光电式传感器9.1概述n9.1.1 光电式传感器的类别光电式传感器的类别n光电式传感器（或称光敏传感器）n是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。n按工作原理分类n光电效应传感器n红外热释电探测器n固体图像传感器n光纤传感器 n1、光电效应传感器、光电效应传感器n是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。n2、红外热释电探测器、红外热释电探测器n主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。n3、固

2、体图像传感器、固体图像传感器n结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。n4、光纤传感器、光纤传感器n它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。特点n光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点n可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度

3、、加速度等n其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力 9.1.2 光电式传感器的基本形式光电式传感器的基本形式n由光路及电路两大部分组成n光路部分实现被测信号对光量的控制和调制n电路部分完成从光信号到电信号的转换四种基本形式 n透射式 反射式n辐射式n开关式9.2 光电效应与光电器件n光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为 n光电效应方程 Eh v2012kEmvh vA 光电器件n光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。n光电器件工件的物理基础：光电效应。n光电效应分为：内光电效应、外光电效应9.2.1 外光电效应型光电器件n当光照射到金属或金属氧化

4、物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。n即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。n根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。1、光电管及其基本特性、光电管及其基本特性光电管的伏安特性 光电管的光照特性曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系 光电管的光谱特性不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就

5、是光电管的光谱特性。曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度，3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线 2、光电倍增管及其基本特性、光电倍增管及其基本特性主要参数主要参数 n倍增系数 Mn阳极电流 n光电倍增管的电流放大倍数n光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度n暗电流n光电倍增管的光谱特性nIi Mi /nI i9.2.2 内光电效应型光电器件n内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象n这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种 内光电效应分类内光电效应分类光电导效应 在光线作用下，对于半导

6、体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻光生伏特效应 在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。（1）光敏电阻）光敏电阻n 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n 光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。n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。n一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，

7、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。光敏电阻的结构金 属 电 极半 导 体玻 璃 底 板电 源检 流 计RLEI(a)(b)(c)Ra光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数n暗电阻 n光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。n亮电阻 n光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。n光电流 n亮电流与暗电流之差3、光敏电阻的基本特性n伏安特性 在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。403020100I/mA1

8、0010001 x500 mW1001 x功率200U/V101 x图 10.9硫化镉光敏电阻的伏安特性 光照特性n指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系光敏电阻的光照特性 光谱特性n光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。Sr/(%)/A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉 光敏电阻的光谱特性 频率特性n光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。100806040200101001 00010 000硫

9、化镉硫化铅S /(%)f/Hz光敏电阻的频率特性 温度特性n光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。n硫化铅光敏电阻受温度影响更大。1.02.03.04.00204060801002020/mS /(%)硫化铅光敏电阻的光谱温度特性（2）光电池）光电池n光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。n工作原理：基于“光生伏特效应”。n光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场

10、的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。光敏电阻的应用火灾探测光电池结构、符号光电池结构、符号光电池种类光电池种类 n光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等n最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中n硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。光电池基本特性n光谱特性 n光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。0400600800 10001

11、20020406080100/nmS/%硒硅硅光电池的光谱特性 光照特性n光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性0.30.20.10光生电流/mA0.60.40.202 0004 000短路电流开路电压光生电压/V照度/lx 硅光电池的光照特性 频率特性1500 3000 4500 6000 7500020406080100f/Hz相对光电流/(%)硒光电池硅光电池温度特性n是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。2040608010001002003004005002.22.01.8开路电压短路电流温度/U/mVI/mA 硅光电池的温度特性（

12、3）光敏二极管和光敏三极管）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管工作原理光敏二极管工作原理n光敏二极管的结构与一般二极管相似、光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。n在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN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，光电流越大。n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。光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上

13、相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。NPN型光敏晶体管结构和基本电路 光敏管的基本特性n光敏晶体管的光谱特性 n伏安特性 光照特性 频率特性 光敏二极管和三极管的主要差别 n光电流n光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。n响应时间n光敏二极

14、管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为510us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。n输出特性n光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。光敏管的应用数字转速表光电耦合器件总结9.3 CCD固体图像传感器n电荷耦合器件（Charge Couple Device,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。n它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。特性参数：分辨率特性参数：分辨率n分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离噪

15、声噪声 nCCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。n噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。9.3.4 CCD固体图像传感器的应用n CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面：n计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。n光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。n生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。n军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查)。n大尺寸物体光学成像9.4光纤传感器光纤传感器n光纤传感器的特点：光纤传感

16、器的特点：n极高的灵敏度和精度n固有的安全性好n抗电磁干扰n高绝缘强度n耐腐蚀n集传感与传输于一体n能与数字通信系统兼容等n光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量n在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。光纤传感器n工作原理工作原理n由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要能测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来检测对应物理量的变化 1、光纤的结构核心：纤芯（SiO2）

17、、包层(一层、多层)2、光纤的传光原理2ciin0n2n1纤 芯包 层光纤的传光原理ic光全反射条件：光纤的主要特性n1、数值孔径NA反映光纤的集光能力，越大，集中光的能力越强，光纤耦合越容易。大不能让那个过大，否则有畸变。n石英光纤的NA=0.2-0.42 光纤模式光纤模式n光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号畸变的可能。n单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困

18、难。n多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。3 传播损耗传播损耗 n光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。n光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。光纤传感器n工作原理工作原理n由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要能测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来检测对应物理量的变化 光纤传感器的组成光纤传感器的组成n由光源、

19、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。n光源光源n一般要求光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、噪声小、安装方便和寿命长等。n 光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相干光和非相干光。非相干光源有白炽光、发光二极管；相干光源包括各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。n光探测器光探测器n 光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管、

20、光电倍增管等。光纤传感器的分类光纤传感器的分类 n按光纤在传感器中功能的不同可分为：按光纤在传感器中功能的不同可分为：n功能型（传感型）光纤传感器n是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。n非功能型（传光型）光纤传感器n是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。被测对象光纤敏感元件光源光探测器至信号处理系统光纤光源光探测器至信号处理系统光纤被测对象光敏感元件(a)(b)光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型

21、 按光纤传感器调制的光波参数不同按光纤传感器调制的光波参数不同n强度调制光纤传感器 n相位调制光纤传感器n时分调制光纤传感器 n偏振调制光纤传感器 n波长（频率）调制光纤传感器 1(1/)1/v ciifffv cv c 按光纤传感器检测对象不同按光纤传感器检测对象不同n光纤温度传感器n光纤位移传感器n光纤电流传感器n光纤流速传感器等等。光纤传感器的应用光纤传感器的应用n光纤温度传感器光纤温度传感器n辐射温度计辐射温度计光强调制型光纤温度传感器9.5 光电式编码器光电式编码器n编码器是将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器。n编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、

22、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。9.5.1码盘式编码器n(1)接触式编码器四位二进制码与循环码对照表四位二进制码与循环码对照表 码制转换1(01)nniiiCBCBBin1(01)nniiiBCBCBin（2）光电式编码器）光电式编码器 光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏

23、元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为=360/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度5.6。采用二进制编码

24、器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率=360/2n。脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。9.

25、5.2 脉冲盘式编码器辨向原理9.5.3 光电式编码器的应用光电式编码器的应用9.6 计量光栅计量光栅9.6.1 光栅的结构及工作原理光栅的结构及工作原理 1.光栅结构光栅结构 在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a b=1.1 0.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、100、125、250条线条。光栅莫尔条纹的形式 2.光栅测量原理光栅测量原理 莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。(1)位移的放大作用 当光栅每移动一个

26、光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为 WWBH2sin2 越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/倍。例如=0.1，则1/573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。（2）莫尔条纹移动方向 如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动向上移动；反之，当光栅1向左移动向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下向下移动移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。(3)误差的平均效应 莫尔条纹由光栅的大量刻线

27、形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。0n 9.6.2 计量光栅的组成计量光栅的组成 计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。1.光电转换光电转换 光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。主光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长

28、度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。光栅读数头结构示意图 x123451光源；2透镜；3标尺光栅；4指示光栅；5光电元件莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数如以电压输出，即 WxUUumoo22sin输出电压反映了位移量的大小。2.辨向与细分辨向与细分 光栅读数头实现了位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。为了辨别

29、位移的方向，进一步提高测量的精度，以及实现数字显示的目的，必须把光栅读数头的输出信号送入数显表作进一步的处理。光栅数显表由整形放大电路、细分电路、辨向电路及数字显示电路等组成。（1）辨向原理 为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。在相隔BH/4间距的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲,正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光

30、栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲，再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。(2)细分技术 前面以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用细分技术。所谓细分，就是在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个脉冲，以减小脉冲当量，如一个周期内发出n个脉冲，即可使测量精度提高到n倍，而每个脉冲相当于原来栅距的1/n。细分方法有机械细分和电子细分两类。9.6.3 计量光栅的应用计量光栅的应用