第8章-光电式传感器

1、第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键 元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光）转变成为 电信号的器件。最早的光电转换元件主要是利用光电效 应原理制成的，有外光电效应的光电管、光电倍增管； 内光电效应的光敏电阻、光导管；阻挡层光电效应的光 电二极管、光电晶体管及光电池等。新发展的光电转换 元件主要有电荷藕合传感器（CCD）、光纤传感器、光 电编码器、计量光栅等，除具有直接测量光信号外，还 可以间接测量温度、压力、加速度、速度及位移等多种 物理量，具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和 抗干扰能力强等优点，其发展速度快、应用范围广，具 有很大

2、的应用潜力。 分类 按工作原理可分为： 1. 光电效应传感器 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，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电 效应。应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件称为光电效应传 感器。 2. 红外热释电探测器 红外热释电探测器是对光谱中长波（红外）敏感的器件。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。 8.1 8.1 光电式传感器的类别光电式传感器的类别 3. 固体图像传感器 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 荷转移功能制成的CCD图像传感器，一类是用光

3、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。 4. 光纤传感器 光纤传感器是唯一的有源光敏传感器。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。 光电器件 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，光电器件工作的物理基础是光电效应。光 电器件响应快、结构简单、使用方便, 而且有较高的可靠性， 因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛。 光电效应是指在光照射下，物体中的电子吸收了入射光子的能 量，发生

4、电学效应的现象光电效应分为内光电效应、外光电效 应和光生伏特效应。 1. 内光电效应内光电效应 在光线作用下，对于半导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。即物 体的导电性能发生变化的现象。如：光敏电阻。光敏电阻又称光 导管，是用半导体材料制成的光电器件，为纯电阻元件。由于电 阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。其工 作原理是基于光电导效应，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，

5、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。 光敏电阻的结构如图所示，管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两 个欧姆接触电极的光电导体。 光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层， 虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限， 因此光电导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电 阻的电极一般采用梳状图案。 光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将光导电体严密封 装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电 压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小。 光敏电

6、阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从 紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价 格便宜，因此应用比较广泛。不足是需要外部电源，有电流时 会发热。 2. 外光电效应外光电效应 在光照作用下，物体内电子逸出物体表面，在回路中形成光电 流的现象。当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，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。根据外 光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管 R G R L E I 光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似。它

7、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。在真空玻璃管 内装入两个电极光电阴极与光电阳极。光电管的阴极受到适 当的光线照射后发射电子，这些电子在电压作用下被阳极吸引 ，形成光电流。在外电路串入一适当阻值的电阻，则在该电阻 的电压降或电路中电流的大小都与光强成函数关系，从而实现 了光电转换。玻璃管内充入氩、氖等惰性气体。当光电子被阳 极吸引时会对惰性气体进行轰击，从而产生更多的自由电子， 提高了光电转换灵敏度。 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A，不容易探

8、测，需要用光电倍增管对电流进行放大。它由 光阴极、光阳极和若干个倍增极组成。倍增极上涂有在电子轰 击下能发射更多电子的材料。 在各倍增极上均加一定的电压，并且电位逐 渐升高，即阴极电位最低，阳极最高。当有 入射光照射时，前一级倍增极反射的电子恰 好轰击后一级倍增极，产生二次电子发射， 如此不断倍增。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。光电倍增管的灵 敏度高，适合在微弱光下使用，但不能接受 强光刺激，否则容易损坏。 3. 光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光 生伏特效应，即阻挡层光电效应，如光电池、

9、光敏晶体管等就 属于这类光电器件。光电池的种类很多，应用最广的是硅光电 池和硒光电池等。 硅光电池的结构如图，它是在一块N型硅片上用扩散的办法掺 入一些P型杂质（如硼）形成PN结。当光照到PN结区时，如果 光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚 积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现电位差。 若将PN结两端用导线连起来，电路中有电流流过，电流的方向 由P区流经外电路至N区。若将外电路断开，就可测出光生电动 势。 光电池的基本特性包括： (1)光谱特性 光电池对不同波长的光，其光电转换灵敏度是不同的，即光 谱特性，如图12-6所示。硅光电池的光谱响应范围400 120

10、0nm，光谱响应峰值波长在800nm附近；硒光电池的光谱响 应范围380750nm，光谱响应峰值波长在500nm附近。 (2)光照特性 光生电动势U与照度E之间的特性曲线，称为开路电压曲线。光电流I与照度 E之间的特性曲线，称为短路电流曲线。由图12-7可见，短路电流在很大范 围内与光照呈线性关系，开路电压与光照度的关系是非线性的，当照度为 2000lx时趋向饱和。 （a）硅光电池 （b）硒光电池 (3)频率特性 光电池作为测量、计数、接收元件时常用调制光输入。光电池的频率响应 就是指输出电流随调制光频率变化的关系。由于光电池PN结面积较大，极 间电容大，故频率特性较差， (4)温度特性 光电

11、池的温度特性是指开路电压和短路电流随温度变化的关系。由图可见 ，开路电压与短路电流均随温度而变化，它将关系到应用光电池的仪器设 备的温度漂移，影响到测量或控制精度等主要指标。因此，当光电池作为 测量元件时，最好能保持温度恒定，或采取温度补偿措施。 开路电压和短路电流随温度变化的关系 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，功能是把 光学信号变成视频信号输出。由于CCD不但具有体积小、重量 轻、功耗小、电压低和抗烧毁等特点，而且具有分辨率高、动 态范围大、灵敏度高、实时传输和自动扫描等优点。CCD自 1970

12、年问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于 自动控制和自动测量中。 8.2 CCD8.2 CCD传感器传感器 基本原理 1. 结构 CCD是由若干个电荷耦合单元组成的，其基本单元是MOS（金 属-氧化物-半导体）电容器。一个MOS电容器是一个光敏元件 ，可以感应一个象素点。如果测量中需要有1024256个象素 点，就需要同样多的光敏元件。它以P型（或N型）半导体为衬 底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极 而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元 件或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD 器件，如图 2. 电荷存储原理 构成C

13、CD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS 电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅， 当在金属电极上施加一个正电压 Vg时，P型硅中的多数载流子 （空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P- Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也 称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区 域。在一定的条件下，所加正电压Vg 越大，耗尽层就越深， 势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。如果有光照射在 硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电 子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸 收的光生电子数量与入射到该

14、势阱附近的光强成正比。 3. 电荷转移原理 CCD的基本功能是存储与转移信息电荷。CCD器件基本结构是 一系列彼此非常靠近（1520m）的MOS光敏元件，这些光 敏元件使用同一半导体衬底，且MOS电容阵列的排列足够紧密 ，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。氧化层均 匀、连续，相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力 图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和 路线转移，在MOS光敏元件阵列上所加的各路电压脉冲要求严 格满足相位要求。 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无 限循环结构。每一单元称为一位，将每一位中对应位置上的电 容栅极分别连到各

15、自共同电极上，此共同电极称相线。一位 CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个 数一般来说即为CCD的位数。通常CCD有二相、三相、四相等 几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相 。当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号 电荷的定向转移。 依次下去，通过脉冲电压的变化，在半导体表面形成不同的势 阱，且右边产生更深势阱，左边形成阻挡电势势阱，使信号电 荷自左向右作定向移动，在时钟脉冲控制下从一端移位到另一 端，直到输出。 4. 电荷注入方法 在电荷注入CCD中，有电压信号注入和光信号注入。CCD在用 作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。C

16、CD通过输 入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为 信号电荷。电注入的方法很多，通常采用电流注入和电压注入 ，如图 (b)所示。CCD通过输入结构，将信号电压或电流转换 为信号电荷，注入势阱中，注入的电荷量 。CCD在用 作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入，如图 12-13(a)所示。光注入的方式常见的有：正面照射和背面照射 方式，当光信号照射到CCD硅片表面时，在栅极附近的半导体 体内产生电子-空穴对，其多数载流子（空穴）被排斥进入衬底 ，而少数载流子（电子）则被收集在势阱中，形成信号电荷， 并存储起来。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照 射时间。 在电

17、荷注入CCD中，有电压信号注入和光信号注入。CCD在用 作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输 入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为 信号电荷。电注入的方法很多，通常采用电流注入和电压注入 ，如图 (b)所示。CCD通过输入结构，将信号电压或电流转换 为信号电荷，注入势阱中，注入的电荷量 。 D QIt 5. 电荷的输出 在CCD中，有效地收集和检测电荷是一个重要问题。CCD的重 要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容 耦合，而在输出端则不可避免。因此，选择适当的输出电路可 以减小容性负载对时钟的影响。如图12-14所示，OG为输出栅 ，它是

18、CCD末端衬底上制作的一个输出二极管，当其加上方向 偏压时，移动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PN结所收集，在负载 RL上形成脉冲电流 Io。输 出电流的大小与信号电荷的大小成正比并通过负载 RL转换为 信号电压 Uo输出。 分类 1. 线阵型CCD 线阵CCD可以直接接收一维光信息，它通常是由512、1024、 2048、4096等个像敏元呈一维排列。光敏阵列与转移区移位 寄存器是分开的，移位寄存器被遮挡。线阵CCD可分为双沟道 传输与单沟道传输两种结构，如图12-15(a)为单沟道，12-15(b) 为双沟道。 2. 面阵型CCD 面阵CCD图像器件的感光单元呈二

19、维矩阵排列，能检测二维平 面图像，按传输和读出方式的不同，可分为行传输、帧传输和 行间传输三种。 2. 面阵型CCD 面阵型CCD的优点是可以获取二维图像信息，测量图像直观， 应用面较广，如面积、形状、尺寸、位置，甚至温度等的测量 。缺点是像元总数多，而每行的像元数一般较线阵少，帧幅率 受到限制。 3. CCD的特性参数 (1)转移效率和转移损失率 电荷转移效率是表征CCD性能好坏的重要参数。定义为一次转 移后，到达下一个势阱中电荷与原来势阱中的电荷之比： (0)( )( ) 1 (0)(0) QQ tQ t QQ (2)分辨率 分辨率是指CCD对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器 最重要

20、的特性，主要取决于感光单元之间的距离。 (3)工作频率 由于CCD器件是工作在MOS的非平衡状态，所以驱动脉冲频率 的选择就显得十分重要。频率太低，热激发的少数载流子过多 地填入势阱，从而降低了输出信号的信噪比。信号频率太高， 又会降低总转移率，减少了信号幅值，同样降低了信噪比。 (4)动态范围 饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围，CCD器 件的动态范围一般在103104数量级。 (5)暗电流 暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号 电荷的积累时间越长，其影响就越大。暗电流的产生不均匀，在CCD中出 现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电

21、流大的地方， 多数会出现暗电流尖峰。暗电流与温度密切有关，温度每降低10，暗电 流约减小一半。对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位 置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM（ 可编程只读存贮器）中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖 峰的影响。 (6)噪声 CCD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。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。 应用实例 1. CCD固体图像传感器的应用 (1)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。 (2)

22、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。 (3)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。 (4)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)。 2. 典型应用实例 (1)工件尺寸检测 图为应用线型CCD图像传感器测量物体尺寸系统。 物体成像聚焦在图像传感器的光敏面上，图像尺寸与被测尺寸 成正比，视频处理器对输出的视频信号进行存储和数据处理， 整个过程由微机控制完成，并最后显示输出结果。 (1)工件尺寸检测 根据几何光学原理，可以推导被测物体尺寸计算公式，即： 式中n为覆盖的光敏像素数，p为像素间距，M为倍率。 微机可对多次

23、测量求平均值，精确得到被测物体的尺寸。任何 能够用光学成像的零件都可以用这种方法，实现不接触的在线 自动检测。 np D M 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术， 它是伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。 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、体积小、重量轻、可挠曲、灵敏度高、耐腐 蚀、电绝缘、防爆性好、易与微机连接、便于遥测等。它 能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电 、声和PH值等各种物理量的测量，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 。 8.3 8.3 光纤传感器光纤传感器 1. 工作原理

24、工作原理 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 光导纤维简称为光纤，目前基本上还是采用石英玻璃，其结构 示于图。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包 层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成。纤芯的折射 率n1略大于包层的折射率n2，在包层外面还常有一层保护套， 多为尼龙材料。光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质，而 光纤的机械强度由保护套维持。 (2)光纤的传输原理 众所周知，光在空间是直

25、线传播的。在光纤中，光的传输 限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传 输是基于光的全内反射。 当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方 法来说明光在光纤内的传播。 2. 光纤的特性参数光纤的特性参数 (1)数值孔径NA 说明光纤集光本领的术语叫数值孔径NA，即： 数值孔径反映纤芯接收光量的多少。其意义是：无论光源 发射功率有多大，只有入射光处于 的光锥内，光纤才能导 光。一般希望有大的数值孔径，这有利于耦合效率的提高 ，但数值孔径过大，会造成光信号畸变，所以要适当选择 数值孔径的数值。 22 12 sin c NAnn (2)光纤模式 光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤

26、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。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。缺点是纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。多 模光纤直径较大，传输模式不只一种，其优点是纤芯面积较大 ，制造、连接、耦合容易。缺点是性能较差。 (3)传播损耗 光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。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

27、生弯曲引起）。 3. 光纤传感器的组成光纤传感器的组成 由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。 (1)光源 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。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。 (2)光探测器 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

28、测器有 光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。 光纤传感器的分类光纤传感器的分类(按光纤在传感器中的功能按光纤在传感器中的功能) (1)功能型（传感型）光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤（或特殊光纤 ）作传感元件，将“传”和“感”合为一体的传感器。光纤不 仅起传光作用，而且还利用光纤在外界因素（弯曲、相变）的 作用下，其光学特性（光强、相位、偏振态等）的变化来实现 “传”和“感”的功能。因此，传感器中光纤是连续的。由于 光纤连续，增加其长度，可提高灵敏度。 它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

29、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。 (2)非功能型（传光型）光纤传感器 是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其他敏感元件组合 而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。光纤仅起导光作用 ，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”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，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。 (a)传感器 (b)传光型 光纤传感器的分类光纤传感器的分类(按光纤传感器调制的光波参数按光纤传感器调制的光波参数) (1)强度调制光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的

30、折射率、吸收或反 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 。利用光纤的微弯损耗，各物质的吸收特性，振动膜或液晶的 反射光强度的变化，物质因各种粒子射线或化学、机械的激励 而发光的现象，以及物质的荧光辐射或光路的遮断等来构成压 力、振动、温度、位移、气体等各种强度调制型光纤传感器。 优点是结构简单、容易实现，成本低；缺点是受光源强度波动 和连接器损耗变化等影响较大。 (2)相位调制光纤传感器 其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，使两束单 色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量 来确定光的相位变化量，

31、从而得到被测对象的信息。通常有利 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，利用电致伸缩的电场、电压传感器以及利用 光纤赛格纳克（Sagnac）效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺 ）等。这类传感器的灵敏度很高，但由于须用特殊光纤及高精 度检测系统，因此成本高。 (3)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。利用 光在磁场中媒质内传播的法拉第效应做成的电流、磁场传感器 ，利用光在电场中的压电晶体内传播的泡尔效应做成的电场、 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温度、压力、振动等传感器 。这

32、类传感器可以避免光源强度变化的影啊，因此灵敏度高。 (4)波长（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频率发生变 化来进行监测的传感器。利用运动物体反射光和散射光的多普 勒效应的光纤速度、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散射构成的测量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。 光纤传感器的分类光纤传感器的分类(按光纤传感器检测对象按光纤传感器检测对象) (1)光纤温度传感器， (2)光纤位移传感器， (3)光纤电流传感器， (4)光纤流速传感器 光电编码器是光电编码器是集光、机、电技术于一体的数字 化传感器，将

33、机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信 号的传感器。在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高 分辨率、高可靠性的特点。 光电编码器根据其刻度方法及信号输出形式，分为增量式编 码器和绝对式编码器。 8.4 8.4 光电编码器光电编码器 1. 绝对绝对式式编码器编码器 (1) 工作原理 (2) 码制与码盘 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=20+21+22+23。这样在测量时，

34、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。 6位二进制码盘 1) 二进制码盘具有以下主要特点 (a) n位（n个码道）的二进制码盘具有2n种不同编码，称其 容量为2n，其最小分辨力1=360c/2n。 (b) 二进制码为有权码，编码Cn，Cn-1，C1对应于由 零位算起的转角为Ci2i-11。 (c) 码盘

35、转动中，CK变化时，Cj（jk）应同时变化。 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。 2) 循环码码盘具有以下特点 (a) n位循环码码盘和二进制码盘一样具有2n不同编码，最小 分辨力为1=360v/2n，最内圈为Rn码道，一半透光、一半不 透光。 (b) 循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相 同。 (c) 循环码为无权码。 (d) 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化 ，不会产生粗误差。由

36、于这一原因使得循环码码盘获得了广 泛应用。 四位二进制码与循环码对照表 2. 增量式光电编码器增量式光电编码器 直接利用光电转换原理输出 三组方波脉冲A、B和Z相； A、B两组脉冲相位差90， 从而可方便地判断出旋转方 向，而Z相为每转一个脉冲， 用于基准点定位。它的优点 是原理构造简单，机械平均 寿命可在几万小时以上，抗 干扰能力强，可靠性高，适 合于长距离传输。其缺点是 无法输出轴转动的绝对位置 信息。 光电式编码器的光电式编码器的应用应用 1 位置测量 把输出的两个脉冲分别输入到可逆计数器的正、反计数端进 行计数，可检测到输出脉冲的数量，把这个数量乘以脉冲当 量（转角/脉冲），就可以测出

37、编码盘转过的角度，要得到 绝对转角，需要在起始位置将可逆计数器清零。 在进行直线测量时，把它装到伺服电动机轴上，伺服电动机 与滚珠丝杆相连，当伺服电动机转动时，由滚珠丝杆带动工 作台或刀具移动，编码器的转角对应直线移动部件的移动量 ，因此可根据伺服电动机与滚珠丝杆的转动一及丝杆的导程 来计算移动部件的位置。 2 转速测量 角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外。还 可以测量轴的转速。由于增量式角编码器的输出信号是脉冲 形式，因此，可以通过测量脉冲频率或周期的方法来测量转 速。角编码器可代替测速发电机的模拟测速，而成为数字测 速装置。M法和T法测速原理如图 （1）M法测速 在一定的时间

38、间隔t内（又称闸门时间，如10s、1s、0.1s等 ），用角编码器所产生的脉冲数来确定速度的方法称为M法 测速。 若角编码器每转产生N个脉冲，在闸门时间间隔t内得到m个 脉冲，则角编码器所产生的脉冲频率： /fm t 则转速则转速n(n(（单位为（单位为r/min)r/min)）为：）为：6060 fm n NtN 例8-1某角编码器的指标为2000个脉冲/r（即N=2000 P/r ），在0.4s时间内测得10000个脉冲。 解t=0.4s，m=100000个脉冲，f=10000/0.4=25000，则角编 码器轴的转速为： 10000 606060750(r /min) 0.42000 f

39、m n NtN M法测速主要应用于要求转速较快的场合，它计数值 较少，测量准确度较低。 （2）T法测速 测量相邻两个脉冲的时间来测量速度，称为T法测速。T法 测速的原理是用一已知频率f（此频率一般都比较高）的脉 冲向一计数器发送脉冲，计数器的起停由码盘反馈的相邻两 个脉冲来控制，其测速原理上图（b）所示。若计数器读数 为 ，则电机每分钟转速为: 60 2 n mNT 其式中：N为码盘一圈发出的脉冲个数，即码盘线数。 T法适合于测量较低的速度，这时能获得较高的分辨率。 8.5 计量光栅 等间距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光 学器件称为光栅。光栅分为物理光栅和计量光栅。物理光栅 是利用光

40、的衍射现象分析光谱和测定波长的一种光栅；计量 光栅是利用光的莫尔条纹现象实现精密测量位移的一种光栅 。本节主要介绍计量光栅。 计量光栅是由两块明暗间隔相等的光栅面对面叠合形 成莫尔条纹的情况下使用的，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。它主要应用于线位移和 角位移的测量。在高精度加工机床、光学坐标镗床、制造大 规模集成电路的设备及检测仪表等领域应用比较广泛。 光电转换装置（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的装置，光栅数显表是实现 细分、辨向和显示功能的电子系统。光栅传感器是根据莫尔 条纹原理制成的，它主要用于线位移和角位移的测量。由于 光栅

41、传感器具有高精度、测量范围大、易于实现测量自动化 和数字化等特点，所以目前光栅传感器的应用已扩展到测量 与长度和角度有关的其他物理量，如速度、加速度、振动、 质量、表面轮廓等方面。 12.5.1 光栅的结构及工作原理 1光栅结构 光栅传感器由照明系统、光栅副和光电接收元件组成，如下图所示。主 光栅（标尺光栅）和指示光栅组成了光栅副，它是光栅传感器的主要部 分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，主光栅的有效长度即 为测量范围。指示光栅的有效长度比主光栅短得多，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。光电接收 元件的作用是把光信号转换成电脉冲信号。照明系统是光

42、源部分。 光栅传感器的结构 1标尺光栅；2指示光栅；3光电元件；4光源 主光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移 动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定 。当主光栅相对于指示光栅移动时，形成的莫尔条纹产生亮 暗交替变化，利用光电接收元件，将莫尔条纹亮暗变化的光 信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，从而测量出标尺 光栅的移动距离。 （1）照明系统 照明系统的光源通常有钨丝灯泡和半导体发光器件。钨丝灯 泡的输出功率较大，工作范围较宽（-40+130），与光 电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作 时，使用寿命将降低。 半导体发光器件，如砷化镓发光二极管，转换效率

43、高，响应 特征快速。砷化镓发光二极管与硅光敏三极管相结合，转换 效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度 约为几十ns纳秒，可以使光源工作在触发状态，从而减小功 耗和热耗散。 （2）光栅 在一块长条形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。在光 栅传感器中，光栅由指示光栅和主光栅组成，指示光栅一般 比主光栅短得多，通常刻有与主光栅同样密度的线纹。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ab=1.10.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、100 、

44、125、250条线条。 透射长光栅 2光栅测量原理 （1）莫尔条纹的形成原理 按照光学原理，对于栅距远大于光波长的粗光栅，可以利用 几何光学的遮光原理来解释莫尔条纹的形成。如下图（a） 所示，当两个有相同栅距的光栅合在一起时，其栅线之间倾 斜一个很小的夹角，于是在近乎垂直于栅线的方向上出现 了明暗相间的条纹，这种条纹叫做莫尔条纹。例如，在h线 上，两个光栅的栅线彼此重合，从缝隙中通过光的一半，透 光面积最大，形成条纹的亮带；在g线上，两光栅的栅线彼 此错开，形成条纹的暗带；当a=b=W/2时，g线上是全黑的。 当夹角减小时，条纹间距B增大，调整夹角可获取所需 的条纹间距。 （2）莫尔条纹的宽度

45、 横向莫尔条纹的宽度B与栅距W和倾斜角之间的关系，可由 图8（b）求出（当角很小时）： (mm) () W B 弧度 （8-18-1） 莫尔条纹原理： )( （mm） 弧度 W B 由此可见，莫尔 条纹的宽度由 决定。对于给定 光栅常数W的两光 栅，夹角愈小， 条纹宽度愈大， 即条纹愈稀。通 过调整，可以 使条纹宽度具有 任何所需要的值。 （3）莫尔条纹的特点： 式（8-1）说明莫尔条纹具有以下特点： 对位移的光学放大作用：即把极细微的栅线放大为很宽 的条纹，便于测试。 连续变倍的作用：其放大倍数可通过使角连续变化，从 而获得任意粗细的莫尔条纹。 对光栅刻线的误差均衡作用：光栅的刻线误差是不可

46、避 免的。由于莫尔条纹是由大量栅线共同组成的，光电元 件感受的光通量是其视场覆盖的所有光栅光通量的总和 ，具有对光栅的刻线误差的平均效应，从而能消除短周 期的误差。 例8-2，对50线/mm的光栅（W=0.02 mm），用5 mm5 mm的 光电池接收，光电池视场内覆盖250条栅线。若每条刻线误 差为0=0.001 mm，则平均误差： 0 0.06m 250 （4）莫尔条纹测量位移的原理 光栅每移过一个栅距W，莫尔条纹就移过一个间距B，通过测 量莫尔条纹移过的数目，即可得出光栅的位移量。由于光栅 的遮光作用，透过光栅的光强随莫尔条纹的移动而变化，变 化规律接近于一直流信号和一交流信号的叠加。固

47、定在指示 光栅一侧的光电转换元件的输出，可以用光栅位移量x的正 弦函数表示。只要测量波形变化的周期数N（等于莫尔条纹 移动数），就可知道光栅的位移量x，其数学表达式为： xN W 下图所示为莫尔条纹测量位移的原理图。被测物体一 般固定在主光栅上，主光栅与指示光栅形成莫尔条纹，通过 光转换元件将光信号转变为电信号。由于透过光栅的光强随 莫尔条纹的移动而变化，且变化规律为正弦波规律，所以光 电元件的输出为正弦波电压，经过整形变换为方波形式，最 后转化为脉冲的输出。通过计量脉冲的个数即可知道莫尔条 纹移动数N。 莫尔条纹测量位移的原理图 3光栅常用的光路 形成莫尔条纹的光路有多种形式，这里仅介绍其中

48、两种应用最广的 光路形式：透射式光路和反射式光路。 (1)透射式光路 如图所示，透射式光路由1光源、 2准直透镜、 3主光栅、 4指示光栅、 5光电元件组成。这种光路的特点是光线能透过 主光栅而到达指示光栅。此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅，它 的特点是结构简单，位置紧凑，调整使用方便，目前应用广泛。 透射式光路组成 1光源 2准直透镜 3主光栅 4指示光栅 5光电元件 下图所示，为透射式光栅传感器。其中的灯泡是传感器的光 源部分，光敏三极管是光电元件，隔热镜片是用来防止灯泡 的热量对光路的影响，从而影响测量的精度。 透射式光栅传感器 （2）反射式光路 如图所示。反射式光路由1反射主光栅、2 指示光栅、3 场镜、4 反射镜、5 聚光镜、6 光源、7 物镜和8 光电电池组成。这种光路的特点是光线被主光栅反射后经 过指示光栅，从而形成莫尔条纹。该光路适用于黑白反射光 栅。 反射式光路组成 4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