光电式传感器的原理与应用.ppt

第10章 光电式传感器原理与应用,授课老师：,概述,光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化转换成电量的传感器，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件参数的变化将光信号转换成电信号，它的物理基础是光电效应。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件的输出电量也作相应的变化，最后用电量来表示被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，有多种参数都可测量，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。,第10章 光电式传感器原理与应用,10.1 光电效应及光电器件 10.2 光电码盘 10.3 电荷耦合器件 10.4 光纤传感器 10.5 光栅传感器,光电效应通常可分为四类： (1) 外光电效应:在光线作用下,使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象。基于外光电效应原理的器件属于真空光电元件,有光电管、光电倍增管等。 (2) 内光电效应:在光线作用下,使物体的电阻率改变的现象。基于内光电效应原理的器件属于半导体光电元件,有光敏电阻、光敏晶体管等。 (3) 光生伏特效应:在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象。基于光生伏特效应原理的器件属于半导体光电元件,有光电池等。 (4) 热释电现象：热电材料受红外光等照射时，若其表面温度上升或下降,则该表面产生电荷的现象。,10.1 光电效应及光电器件,10.1.1 光电管 10.1.2 光电倍增管 10.1.3 光敏电阻 10.1.4 光敏二极管 10.1.5 光敏晶体管 10.1.6 光电池 10.1.7 光电传感器的应用,10.1.1 光电管,(a)反射式光电阴极光电管 (b)透射式光电阴极光电管,光电管结构示意图,连接电路,10.1.2光电倍增管,（a）直线型；(b) 鼠笼式；(c) 盒-网型,1一阴极；2-倍阴极；3-阳极；4-绝缘隔板；5-栅极。 光电倍增管的结构原理图,10.1.2光电倍增管,假设每个电子落到任一倍增极上都打出个电子，则阳极电流I为,光电倍增管的电流放大系数为,10.1.3光敏电阻,1-梳状电极； 2-光导体； 3-透光窗口; 4-外壳; 5-绝缘基体； 6-黑色玻璃支柱： 7-引脚,光敏电阻结构图,光敏电阻主要的技术特性,(1) 暗电阻，暗电流 (2) 亮电阻、光电流 (3) 光谱特性 (4) 光电特性 (5) 频率特性 (6) 温度特性,(1) 暗电阻，暗电流,若将光敏电阻置于无光照的黑暗条件下，测得光敏电阻的阻值称为暗电阻，这时，在给定工作电压下测得光敏电阻中的电流值称为暗电流。,(2) 亮电阻、光电流,光敏电阻在光照下，测得的光敏电阻的阻值称为亮电阻，亮电阻一般在几千欧姆。这时在工作电压下测得的电流为亮电流。亮电流和暗电流之差称为光电阻的光电流I,(3) 光谱特性,对于不同波长的入射光，光敏电阻的相对灵敏度是不相同的。各种材料的光谱特性如图10.1.5所示，从图中看出，每种光敏电阻对不同波长的入射光有着不同的灵敏度，硫化镉的峰值在可见光区域，而硫化铅的峰值在红外区域；因此在选用光敏电阻时应当把元件 和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的结果,光敏电阻的光谱特性,(4) 光电特性,光敏电阻的光电流与光照度之间的关系称为光电特性。如图10.1.6所示，光敏电阻的光电特性呈非线性。做检测元件时，要对其值进行曲线拟合，响应曲线不连续，这是光敏电阻的缺点之一，在自动控制中它常用做开关式光电传感器。,光敏电阻的光电特性,(5) 频率特性,当光敏电阻受到脉冲光照时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有时延特性。由于不同材料的光敏电阻时延特性不同，所以它们的频率特性也不相同。,光敏电阻的频率特性,(6) 温度特性,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线，从图中可以看出，它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。因此，在使用光敏电阻检测时为了能接受远红外光，或为了提高灵敏度，要采取控制温度的措施。,硫化铅的光谱温度特性,10.1.4光敏二极管,光敏二极管的工作原理也是基于内光电效应，与光敏电阻的差别仅在于光线照射在半导体PN结上,PN结参与了光电转换过程。,(a)结构示意图和图形符号 (b)基本电路 光敏二极管,10.1.5光敏晶体管,光敏晶体管通常指光敏三极管，光敏三极管有两个PN结，因而可以获得电流增益，它比光敏二极管具有更高的灵敏度。,（a）结构示意图；（b）基本电路 光敏三极管,光敏晶体管特性,(1) 光谱特性 (2) 伏安特性 (3) 光电特性 (4) 温度特性 (5) 频率特性,（1）光谱特性,从曲线还可以看出，不同材料的光敏晶体管，光谱峰值波长不同。硅管的峰值波长为0.9m左右，锗管的峰值波长为l.5m左右。由于锗管的暗电流比硅管大，所以锗管性能较差。因此，在探测可见光或赤热物体时，多采用硅管。但对红外光进行探测时，采用锗管较为合适。,光敏晶体管的光谱特性,(2) 伏安特性,光敏三极管的伏安特性是指光敏三极管在给定的光照度下光敏三极管上电压与光电流比关系。光敏三极管在不同照度下的伏安特性，就像普通三极管在不同基极电流下的输出特性一样,光敏三极管伏安特性,(3) 光电特性,光电特性是指外加偏置电压一定时，光敏晶体管的输出电流和光照度的关系。一般说来，光敏二极管光电特性的线性较好，而光敏三极管在照度小时，光电流随照度增加而减小，并且在光照足够大时，输出电流有饱和现象。这是由于光敏三极管的电流放大倍数在小电流和大电流时都下降的缘故。,(4) 温度特性,温度的变化对光敏晶体管的亮电流影响较小，但是对暗电流的影响却十分显著,光敏晶体管的温度特性,(5) 频率特性,光敏晶体管受调制光照射时，相对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性,光敏晶体管的频率特性,10.1.6光电池,定义：光电池是一种自发电式的光电元件，它受到光照时自身能产生一定方向的电动势，在不加电源的情况下，只要接通外电路，便有电流通过。 光电池的种类：硒、氧化亚铜、硫化铊、硫化镉、锗、硅、砷化镓光电池等，其中应用最广泛的是硅光电池， 硅光电池优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射等。另外，由于硒光电池的光谱峰值处于人眼的感觉范围，所以很多分析仪器、测量仪表也常用到它。,光电池的主要特性如下：,(1) 光谱特性 (2) 光电特性 (3) 温度特性 (4) 频率特性,(1) 光谱特性,不同材料的光电池适用的入射光波长范围也不相同。硅光电池的适用范围宽，对应的入射光波长可在0.45m-1.1m之间，而硒光电池只能在0.34m-0.57m波长范围，它适用于可见光检测。,（a）结构示意图；（b）图形符号,光电池,1-硅光电池； 2-硒光电池,光电池光谱特性,(2) 光电特性,1-开路电压特性曲线；2短路电流特性曲线 硅光电池的光电特性,(3) 温度特性,1-开路电压；2一短路电流 硅光电池温度特性,(4) 频率特性,光电池的频率特性是指输出电流与入射光调制频率的关系。当入射光照度变化时，由于光生电子-空穴对的产生和复合都需要一定时间，因此入射光调制频率太高时，光电池输出电流的变化幅度将下降。硅光电池的频率特性较好，工作频率的上限约为数十千赫，而硒光电池的频率特性较差。在调制频率较高的场合，应采用硅光电池，并选择面积较小的硅光电池和较小的负载电阻，以进一步减少响应时间，改善频率特性。,10.1.7光电传感器的应用,特点：结构简单、质量轻、体积小、价格便宜、响应快、性能稳定及具有很高的灵敏度等 光电传感器按其工作原理可分为模拟式和脉冲式两类 光电传感器在工业应用中可归纳为直射式、透射式、反射式和遮蔽式等四种基本形式。,(a)直射式;(b)透射式;(c)反射式;(d)遮蔽式 光敏器件在工业应用中的基本形式,四种基本形式,(1)直射式如图10.1.19(a)所示,光源本身就是被测物体。被测物体的光通量指向光敏器件，产生光电流输出。这种形式常用于光电比色高温计中作光电器件。 (2)透射式如图10.1.19 (b)所示，光源的光通量一部分由被测物体吸收，另一部分则穿过被测物体投射到光敏器件上。该形式常用于测量混合气体、液体的透明度、浓度等。 (3)反射式如图10.1.19 (c)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上，被测物体又将部分光通量反射到光敏器件上。反射的光通量取决于被测物体的反射条件，该形式一般用于测量工件表面的粗糙度及测量转速等。 (4)遮蔽式如图10.1.19 (d)所示，光源发射出的光通量投射到被测物体上,被测物体遮蔽光通量改变，则投影到光敏器件上的光通量也随着改变。这种形式常用于测量位置、位移、振动、频率等，在自动控制中用作自控开关。,光敏器件的具体应用,(1) 测量工件表面的缺陷 (2) 测量转速 (3)光电数字转速表 (4)烟尘浊度连续监测仪,(1) 测量工件表面的缺陷,检查零件表面缺陷的光电传感器,(2) 测量转速,光电转速计工作原理,(3)光电数字转速表,光电式数字转速表的工作原理,若调制盘上开有z个缺口,测量计数时间为t(s),被测转 速为n(r/min)，则此时得到的计数值c为：,(4)烟尘浊度连续监测仪,吸收式烟尘浊度监测仪框图,10.2 光电码盘,光电编码器具有下列特点： 具有高的测量精度和分辨率，测量范围大； 抗干扰能力强，稳定性好； 信号易于处理、传送和自动控制； 便于动态及多路测量，读数直观； 安装方便，维护简单，工作可靠性高。,10.2.1工作原理 10.2.2 码盘和码制 10.2.3旋转式光电编码器 10.2.4 应用,10.2.1工作原理,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元件输出的信号，分别为“1”或“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。,透射式旋转光电编码器,10.2.2 码盘和码制,编码器有两种：增量编码器和绝对编码器,接触式编码盘示意图,二进制码、十进制码与循环码对照表,10.2.3旋转式光电编码器,非接触式光电编码器，由于其精度高，可靠性好，性能稳定，体积小和使用方便，在自动测量和自动控制技术中得到了广泛的应用。 1.绝对编码器 2.增量编码器,1.绝对编码器,光学码盘通常用照相腐蚀法制作。现已生产出径向线宽为6.72-8rad的码，其精度高达1/108。,光电绝对编码器结构示意图,2.增量编码器,在增量编码器码盘最外圈的码道上均布有相当数量的透光与不透光的扇形区，这是用来产生计数脉冲的增量码道。扇形区的多少决定了编码器的分辨率，扇形区越多，分辨率越高。,10.2.4 应用,光电码盘的优点：没有触点磨损，因而允许转速高，高频率响应，稳定可靠、坚固耐用、精度高。 缺点：结构较复杂、价格较贵等 目前已在数控机床、伺服电机、机器人、旋转机械、传动机械、仪器仪表及办公设备、自动控制技术和检测传感技术领域得到广泛的应用,光电码盘测角仪,光电编码控制随动系统,10.3 电荷耦合器件,10.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 10.3.2 CCD图像传感器 10.3.3 图像传感器的应用,10.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理,1结构,CCD单元结构图,2MOS的工作原理 （1）电荷储存的原理 （2）电荷转移 （3）电荷产生的方法 （4）光注入方式 （5）电荷的输出方法,（1）电荷储存的原理,势阱积累电子的容量取决于势阱的“深度”，而表面势的大小近似与表面势VG成正比。势阱填满是指电子在半导体表面堆积后使表面势下降。在图10.3.1(a)所示的情况下，若所加VG不超过某限定值时，表面势为:,（2）电荷转移,CCD器件是以电荷为信号，不象其它器件是以电流或电压为信号，掌握CCD工作原理的关键在于了解电荷怎样转移或传输。CCD器件的基本结构是彼此非常靠近的一系列MOS光敏元，这些光敏元用同一的半导体衬底制成，其上面的氧化层也是均匀、连续的，在氧化层上排列互相绝缘且数目不等的金属电极。相邻电极之间仅间隔极小的距离，以保证相邻势阱耦合及电荷转移。任何可移动的电荷信号都将向表面势大的位置移动,（3）电荷产生的方法,CCD的电荷(少数载流子)的产生有两种方式：电压信号注入和光信号注入。作为图像传感器，CCD接收的是光信号，即光信号注入法。当光信号射到CCD硅片上时，在栅极附近的耗尽区吸收光子产生电子-空穴对。在栅极电压的作用下，多数载流子(空穴)将流入衬底，而少数载流于(电子)则被收集在势阱中，形成信号电荷存储起来。这样高于半导体禁带宽度的那些光子，就能建立起正比与光强的存储电荷。,（4）光注入方式,实用中常采用正面照射方式和背面照射万式。,电荷注入方法,(5) 电荷的输出方法,一、是利用二极管的输出结构,二、利用浮置栅MOS管输出,(a)浮置栅MOS放大器电压法 （b）输出级原理,10.3.2 CCD图像传感器,CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种 1线型CCD图像传感器,（a）单行结构 （b）双行结构,2面型CCD图像传感器,（a）线转移面型 (b)帧转移面型 (c)隔离转移面型,10.3.3 图像传感器的应用,用于激光摄像方面，CCD比一般的摄像管有更大的优势，它的量子效率远大于真空摄像器件的光电阴极的量子效率，如硅CCD比S-20光阴极高50倍。另一方面，激光摄像所摄取的图像的波长是在可见及红外交界处，即探测的光子主要是近红外光子，而这正是CCD的敏感区。激光摄像所要求的其他条件，如动态范围大、噪声小、几何尺寸稳定以利于粒子探测、跟踪等，都是CCD能够满足的。,（1）工业上的应用：生产线上部件安装，自动焊接；切割加工，大规模集成电路生产线上自动连接引线、对准芯片和封装；石油、煤矿等地质钻探中数据流自动检测和滤波；纺织、印染业进行自动分色、配色。 （2）各类检验、监测系统中的应用：如检查印刷底版的裂痕、短路及不合格的连接部分；检查铸件产品的杂质和断口；对产品样品进行外观检查；检查、识别标签文字标记、玻璃产品的裂缝和气泡等。 （3）商业上的应用：自动巡视商店或者其他重要场所门廊，自动跟踪可疑的人并及时报警。,4）遥感方面的应用：遥感测量包括了两方面，地球表面监视及空间监视。对地球表面的监视，包括对地球资源的勘察、气象及环境监视、军事目标的识别等。空间监视既包括地对空的又包括空对空的监视。这种测量条件的复杂性对探测设备提出了很高的要求，而CCD则是实现测试目的的最理想的传感器，通常用线阵或面阵图像传感器进行拼接来实现大面积传感。此外，一种IRCCD焦面阵列工作于114m范围，对于处于大气窗口的红外辐射测量起着十分重要的作用，通过由数万个像元构成的探测阵列，极大地提高了测试灵敏度。 （5）医疗方面的应用：对染色体切片、癌细胞切片、x射线图像、起声波图像的自动检查、进而自动诊断等。 （6）军事方面的应用：自动监视军事目标，自动发现、跟踪运动目标离。,10.4 光纤传感器,光纤传感器独特优点：高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可挠曲、体积小、结构简单及与光纤传输线路相容等 光纤传感器可应用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度、湿度、声场、流量、浓实、pH值等70多个物理量的测量,10.4 光纤传感器,10.4.1 光导纤维的基本知识 10.4.2 光纤传感器结构和原理 10.4.3 光纤传感器的分类和特点,10.4.1 光导纤维的基本知识,1.光纤的结构 2.传光原理 3.光纤的种类,.光纤的结构,10.4.1光纤的结构 图10.4.2 光纤的波导,2.传光原理,光在两介质界面上的折射和反射,依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)定律，有:,当1角逐渐增大，直至1=c时，透射入介质2的折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播(2=90)。对应于2=90时的入射角1称为临界角c；由式(10.4.1)则有:,阶跃型多模光纤中子午光线的传播,入射光线在A点入射，应用斯涅尔法则，有:,当入射光线在界面上发生全反射时，应满足:,即,将上式代入式(10.4.3)，得,入射角的最大值0可由式(10.4.5)求出，即:,若仿照研究透镜样，引入光纤的数值孔径NA这个概念，则 :,3.光纤的种类,光纤按纤芯和包层材料性质分，有玻璃光纤和塑料光纤两类； 按折射率分有阶跃型和梯度型二种,光纤的折射率断面 光在梯度型光纤的传输,10.4.2 光纤传感器结构和原理,光纤传感器是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置，一般由光源、敏感元件、光纤、光敏元件（光接收器）和信号处理系统构成。 光纤传感器一般可分为两大类： （1）一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器； （2）另一类是非功能传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又称NF型光纤传感器（或称传光型光纤传感器）。,（a）功能型 （b）传光型 光纤传感器类型,10.4.3 光纤传感器的分类和特点,根据对光进行调制的方式不同，光纤传感器又有强度调制、相位调制、频率调制、偏振调制等不同工作原理的光纤传感器。,1.强度调制型光纤传感器,强度调制型光纤传感器是利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等参数变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。,2.相位调制型光纤传感器,相位调制型光纤传感器的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。,3.频率调制型光纤传感器,频率调制型光纤传感器是一种利用被测对象引起光频率的变化来进行检测的传感器。传感器通常有利用运动物体反射光和散射光的多普勒（Doppler）效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器，利用物质受强光照射时的喇曼（Raman）散射构成的气体浓度或监测大气污染的气体传感器，以及利用光致发光的温度传感器等。,4.偏振调制型光纤传感器,偏振调制型光纤传感器是一种利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息的传感器。传感器常见的有利用光在磁场中的媒质内传播的法拉弟(Faraday)效应做成的电流、磁场传感器，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡克耳斯效应做成的电场、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，以及利用光纤的双折射性构成的温度、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响，因此灵敏度也较高。,10.4.4 光纤传感器的应用,1光纤位移传感器 （1）光纤开关与定位装置 （2）传光型光纤位移传感器 （3）光纤液位传感器 （4）功能型光纤压力传感器 2光纤振动传感器 （1）相位调制光纤振动传感器 （2）光弹效应光纤振动传感器 3光纤温度传感器 （1）传光型光纤温度传感器 （2）热辐射光纤温度传感器,（1）光纤开关与定位装置,简单光纤开关定位装置,（2）传光型光纤位移传感器,光纤位移传感器,光纤随声波位移的调制系数为,光纤位移传感器,反射型光纤位移传感器,（3）光纤液位传感器,图(a)结构主要是由一个LED光源、Y型光纤、全反射锥体，以及光电二极管等组成。 图(b)所示是一种U型结构。 图(c)结构中，两根多模光纤由棱镜耦合在一起，它的光调制深度最强，而且对光源和光电接收器的要求不高。,光纤液位传感器,（4）功能型光纤压力传感器,2光纤振动传感器,（1）相位调制光纤振动传感器,信号光和参考光之间的相位差为,（2）光弹效应光纤振动传感器,双折射现象图,设no和ne分别为o光和e光的折射率，则,两束光穿过厚度为d的介质E后，所产生的相位差为,光纤振动传感器结构图,3光纤温度传感器,（1）传光型光纤温度传感器,半导体的光透过率特性,（2）热辐射光纤温度传感器,热辐射光纤温度传感器是利用光纤内产生的热辐射来传感温度的一种器件。它是以光纤纤芯中的热点本身所产生的黑体辐射现象为基础。这种传感器非常类似于传统的高温计，只不过这种装置不是探测来自炽热的不透明的物体表面的辐射，而是把光纤本身作为一个待测温度的黑体腔。利用这种方法可确定光纤上任何位置热点的温度。由于它只探测热辐射，故无需任何光源。这种传感器可以用来监视一些大型电气设备如电机、变压器等内部热点的变化情况。,10.5 光栅传感器,按其原理和用途，它可分为物理光栅和计量光栅 按光栅的形状相用途分为长光栅和圆光栅，分别用于线位移和角位移的测量。 按光线走向分为透射光栅和反射光栅。,10.5.1 光栅传感器的结构 10.5.2 莫尔条纹形成的原理 10.5.3 光栅的光路 10.5.4 光栅传感器的电路 10.5.5 光栅传感器应用,10.5.1 光栅传感器的结构,透射光栅,10.5.2 莫尔条纹形成的原理,光栅和横向莫尔条纹,横向莫尔条纹的斜率为,横向莫尔条纹（亮（暗）带） 之间的距离为:,特征,(1)由式(10.5.2)可知，虽然光栅常数W很小，但只要调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度BH，起到了放大的作用。这样，就把一个微小移动量的测量转变成一个较大移动量的测量，相当于信号放大，方便又提高了测量精度。 (2)莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，因此便于将电信号做进一步细分，即采用“倍频技术”。将计数单位变成比一个周期W更小的单位，例如变成W10记一个数，这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。 (3)光电元件接收的并不只是固定一点的条纹，而是在一定长度范围内所有刻线产生的条纹。这样，对于光栅刻线的误差起到了平均作用，也就是说，刻线的局部误差和周期误差对于测量精度没有直接的影响，因此，就有可能得到比光栅本身的刻线精度