第5节_光敏传感器

1、5 光敏传感器光敏传感器本节主要包括两大部分：本节主要包括两大部分： 1、光电传感器2、光栅传感器一一. 光电效应光电效应 （1）外光电效应：）外光电效应：在光线作用下，物体内电子逸出外光电效应内光电效应E=h h普朗克常数，6.62610-34Js； 光的频率（s-1）光子能量爱因斯坦光电效应方程：爱因斯坦光电效应方程：20012hmvA由该式可知：1）光电子能否产生，决定于光频阈值；2）入射光频谱不变，产生光电子和光强成正比3）光电子有初始动能，如果没有阳极电压，也有光电流 如光电流为零，必须加负的截止电压（2）内光电效应）内光电效应光电导效应光敏电阻特性光生伏特效应光电池光电导效应：光电

2、导效应：在光线作用下，电子吸引能量从键合状态 起过渡到自由状态引起材料电阻率变化。 光生伏特效应：光生伏特效应：在光作用下，能使物体产生一定的方向的 电动势01239()gnmE二、光敏电阻二、光敏电阻1.24()gh chE eV（1）原理和结构 一种光电导体，存在一个照射光的波长限 ，只有波长限小于 的光照射在光电导体上，才能产生电子在能级间的跃迁，从而使光电导体电导率增加，即入射光的频率和波长 v 和cc电路符号：电路符号：结构：电极（2）光敏电阻的主要参数和基本特性）光敏电阻的主要参数和基本特性1.暗电阻、亮电阻、光电阻暗电阻、亮电阻、光电阻暗电阻：在室温下，全暗后经过一段时间测量的电

3、阻值， 此时流过的电流称暗电流，电阻为暗电阻（M）亮电阻：在某一光照下的阻值，此时流过的电流为亮电流， 电阻为亮电阻（K）光电阻：亮电阻与暗电阻之差，光电流亮电流暗电流2.光照特性光照特性3.光谱特性光谱特性1. 硫化镉 （可见光）2.硒化镉 （可见光红外）3.硫化铅 （可见光远红外）4.伏安特性伏安特性照度0照度05.频率特性频率特性0 10 102 103 1041001.硫化镉硫化镉2.硫化铅硫化铅6.稳定性稳定性t（h）I（uA）照射几百小时后才能照射几百小时后才能进行测量进行测量7.温度特性温度特性（3）光导电阻与负载的匹配）光导电阻与负载的匹配LGEIRR最大耗散功率：Pmax由左

4、图得：其中：RL负载电阻 RG光敏电阻 E电源电压maxmaxPIUPIU或受光照电流I增加：得：时可获得最大的信号电压，为最佳匹配LGGEIIRRR 2E RGUI RRLLRRLG （+ ）LGR =R三、光电池三、光电池 利用光生伏特效应利用光生伏特效应族、族单元素族、族化合物光电池硅光电池：便宜、光电效率高（10）、寿命长、 用于红外光硒光电池：贵、光电效率低（0.02）、寿命长、 可见光砷化镓光电池：贵、光电转化效率高（1）光电池的结构原理）光电池的结构原理电路符号及其电路：电路符号电路符号 电路图电路图结构图：结构图：工作原理示意图：工作原理示意图：（2）基本特性）基本特性1.光照

5、特性硅光电池硅光电池硒光电池硒光电池硒光电池在不同负载时硒光电池在不同负载时2.光谱特性1硒光电池2硅光电池3.频率响应1硒光电池2硅光电池4.温度特性硅光电池在1000lx照度下（3）光电池的转换效率及最佳负载匹配）光电池的转换效率及最佳负载匹配Uj UH UocIHIjI sc四、光敏二极管和光敏三极管四、光敏二极管和光敏三极管（1）光敏管的结构和工作原理）光敏管的结构和工作原理光敏二极管的结构和电路图：光敏三极管的结构和电路图：（2）光敏管的基本特性）光敏管的基本特性 1.光谱特性光谱特性（硅）二、三极管适用于红外（硅）二、三极管适用于红外（锗）（锗）二、三极管适用于远红外二、三极管适用

6、于远红外2.伏安特性伏安特性硅光敏二极管硅光敏二极管硅光敏三极管硅光敏三极管3.光照特性光照特性硅光敏二极管硅光敏二极管硅光敏三极管硅光敏三极管4.频率响应频率响应硅光敏三极管硅光敏三极管5.暗电流温度特性暗电流温度特性暗电流的温度特性暗电流的温度特性6.光电流温度特性光电流温度特性光电流的温度特性光电流的温度特性五、光电传感器的类型及分类五、光电传感器的类型及分类（一）光电传感器的类型（一）光电传感器的类型 1.第一类：连续输出第一类：连续输出被测物是光源被测物是光源被测物能吸收光通量被测物能吸收光通量被测物是有反射能力的表面被测物是有反射能力的表面被测物遮蔽光通量被测物遮蔽光通量1.被测物

7、被测物2.光电元件光电元件3.恒光源恒光源2.第二类：断续输出第二类：断续输出 这类传感器大多用在光电继电式监测器如：这类传感器大多用在光电继电式监测器如： 电子计算机光电输入机电子计算机光电输入机 转速表的光电传感器转速表的光电传感器（二）应用（二）应用1.光电耦合器光电耦合器金属密封型金属密封型塑料密封型塑料密封型（1）结构：）结构：（2）砷化镓发光二极管）砷化镓发光二极管工作原理：P N（3）组合形式）组合形式形式结构简单、成本低、形式结构简单、成本低、50Hz以下工作频率以下工作频率高速开关高速开关管管功率输出功率输出功能器件功能器件（4）光电耦合器的特性曲线）光电耦合器的特性曲线2.

8、光电转速计光电转速计光电转速计的组成框图光电转速计的组成框图光敏二极管的整形放大电路光敏二极管的整形放大电路特点：特点：光电集成传感器，典型入射波长为p=520nm，内置双敏感元接收器，可见光范围内高度敏感，输出电流随照度呈线性变化。适合电视机、LCD背光、数码产品、仪器仪表、工业设备等诸多领域的节能控制、自动感光、自适应控制 电气特性电气特性 ：暗电流小，低照度响应，灵敏度高，电流随光照度增强呈线性变化；内置双敏感元，自动衰减近红外，光谱响应接近人眼函数曲线；内置微信号CMOS放大器、高精度电压源和修正电路，输出电流大，工作电压范围宽，温度稳定性好； 可选光学纳米材料封装，可见光透过，紫外线

9、截止、近红外相对衰减，增强了光学滤波效果； 符合欧盟RoHS指令，无铅、无镉。 典型应用典型应用 ：背光调节：电视机、电脑显示器、LCD背光、手机、数码相机、MP4、PDA、GPS； 节能控制：室外广告机、感应照明器具、玩具； 仪器 仪表：测量光照度的仪器及工业控制； 环保替代：替代传统光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管；3. 实例分析实例分析深圳市欧恩光电技术研究所深圳市欧恩光电技术研究所线性光电传感器线性光电传感器 应用：应用：照相机日光控制、光电自动控制、光电耦合、光电自动检测、电子光控玩具、自动灯开关及各类可见光波段光电控制测量场合。 日本陶瓷株式会社公司日本陶瓷株式会社公司CdS（硫化

10、镉）光敏传感器（硫化镉）光敏传感器六、光六、光 栅栅 传传 感感 器器 计量光栅测量技术主要是利用光栅的莫尔条纹现象计量光栅测量技术主要是利用光栅的莫尔条纹现象实现几何测量。实现几何测量。 光栅传感器以其高精度、高分辨率、大动态范围，光栅传感器以其高精度、高分辨率、大动态范围，广泛应用于静态测量、主动测量及自动化等领域。广泛应用于静态测量、主动测量及自动化等领域。1、光栅基础、光栅基础物理光栅：刻线细密，物理光栅：刻线细密， 利用光的衍射现象，主要用于光利用光的衍射现象，主要用于光 谱分析和光波长等量的测量；谱分析和光波长等量的测量；计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、计量光栅：主

11、要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、 加速度、振动等几何量的测量。加速度、振动等几何量的测量。透射式光栅透射式光栅反射式光栅反射式光栅黑白光栅（幅值光栅）黑白光栅（幅值光栅）闪光光栅（相位光栅）闪光光栅（相位光栅）长光栅长光栅圆光栅圆光栅按原理和用途栅线形式应用类型（一）光栅分类及结构（一）光栅分类及结构（1）光栅分类）光栅分类透射形式（2）光栅结构）光栅结构 光栅是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集光栅是在刻划基面上等间距（或不等间距）地密集刻划，使刻线处不透光，未刻线处透光、形成透光与不刻划，使刻线处不透光，未刻线处透光、形成透光与不透光相间排列构成的光电器件。透光相间排列构成的光电器

12、件。 光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为，缝隙宽度为b， a + b 称为栅距（也称光栅常数）。称为栅距（也称光栅常数）。 圆光栅还有一个参数叫栅距角圆光栅还有一个参数叫栅距角 ， 指圆光栅上相邻两指圆光栅上相邻两条栅线的夹角条栅线的夹角光栅结构圆光栅有三种栅线形式圆光栅有三种栅线形式径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅环形光栅环形光栅 莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透莫尔条纹的成因是由主光栅和指示光栅的遮光和透光效应形成的（两只光栅参数相同）。光效应形成的（两只光栅参数相同）。 主光栅用于满足测量范围和精度，指示光栅（通常主光栅用于满足

13、测量范围和精度，指示光栅（通常是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。是从主尺上裁截一段）用于拾取信号。 这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。由于莫尔这种亮带和暗带相间的条纹称为莫尔条纹。由于莫尔条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横条纹的方向与栅线方向近似垂直，故该莫尔条纹称为横向莫尔条纹。向莫尔条纹。（二）莫尔条纹原理（二）莫尔条纹原理光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当主尺与指示光栅间当主尺与指示光栅间刻线夹角刻线夹角等于零时，等于零时，莫尔条纹的宽度呈无限大，莫尔条纹的宽度呈无限大，称为光闸莫尔条纹称为光闸莫尔条纹莫尔条纹原理1、位移放大作用、位移放大作用相邻两条莫尔条纹间距相邻两条莫尔

14、条纹间距B与栅距与栅距 及两光栅夹角及两光栅夹角的关系为的关系为2sin2B（三）莫尔条纹特点（三）莫尔条纹特点1Bk 一般一般 很小，所以放大系数很小，所以放大系数k 很大。很大。 故尽管光栅栅距故尽管光栅栅距一般一般 很小，而通过莫尔条纹的放大作用很小，而通过莫尔条纹的放大作用仍使其清晰可辩。仍使其清晰可辩。若光栅栅距为若光栅栅距为 ，i 为刻度线，为刻度线，x为移动距离为移动距离则则有有 当当 很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条很小时，光栅副中任一光栅沿垂直于刻线方向移动时，莫尔条纹就会沿着近似垂直于光栅移动的方向运动。纹就会沿着近似垂直于光栅移动的方向运动。当光栅移

15、动一个栅距当光栅移动一个栅距 时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔时，莫尔条纹就移动一个条纹间隔B。当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互当光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向，两者具有相互对应的关系。对应的关系。因此，可通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。因此，可通过测量莫尔条纹的运动来判别光栅的运动。xi2、运动对应的关系、运动对应的关系xBi 光栅在制作过程中必然会引入刻化误差。光电元件光栅在制作过程中必然会引入刻化误差。光电元件获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，获取的莫尔条纹是指示光栅覆盖区域刻线的综合结果，对刻划误差有平均作用，从而能在很

16、大程度上消除栅距对刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除栅距的局部误差及短周期误差的影响。的局部误差及短周期误差的影响。 刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为刻划误差是随机误差。设单个栅距误差为 ，形成莫，形成莫尔条纹区域内有尔条纹区域内有N条刻线，则综合误差为：条刻线，则综合误差为：3、误差减小的作用、误差减小的作用N 2、光栅传感器的工作原理、光栅传感器的工作原理（1）光电转换原理）光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统由光源光栅传感器的光电转换系统由光源1、聚光镜、聚光镜2、光栅、光栅主尺主尺3、指示光栅、指示光栅4、和光敏元件、和光敏元件5组成组成 当光电元件当光电元件5接收到明暗

17、相间的正接收到明暗相间的正 函数信号时，函数信号时，光敏元件输出的波形为光敏元件输出的波形为 U0 输出信号的直流分量输出信号的直流分量 Um交流信号的幅值交流信号的幅值 X 光栅的相对位移量光栅的相对位移量02sinmxUUU（2）莫尔条纹测量位移原理）莫尔条纹测量位移原理如果光栅相对位移了如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移个栅距，此时位移 XNW。因此，只要能记录移动过的莫尔条纹数因此，只要能记录移动过的莫尔条纹数N，就可以知道光，就可以知道光栅的位移量栅的位移量 X值。值。 为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的为辨别主光栅的移动方向，需要有两个具有相差的莫尔条纹信号同时输入来辨

18、别移动方向，且两个莫尔条莫尔条纹信号同时输入来辨别移动方向，且两个莫尔条纹信号相差纹信号相差900相位。相位。 实现方法时在相隔实现方法时在相隔B/4条纹间隔的位置上安装两只光条纹间隔的位置上安装两只光敏元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完敏元件，当莫尔条纹移动时两个狭缝的亮度变化规律完全一样，相位相差全一样，相位相差 /2。 滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向，这种区别滞后还是超前完全取决于光栅的运动方向，这种区别 运动方向的方法称为位置细分辨向原理。运动方向的方法称为位置细分辨向原理。（3）辨向原理）辨向原理辨 向 原 理辨向原理电路框图3、莫尔条纹细分技术、莫尔条纹细分技术（

19、1）细分方法）细分方法 增加光栅刻线密度增加光栅刻线密度 对电信号进行电子插值对电信号进行电子插值 机械和光学细分机械和光学细分（2）光电元件直接细分）光电元件直接细分四路电信号波形四倍逻辑四倍逻辑波形图波形图四倍频细分四倍频细分1、细分原理、细分原理 CCD直接细分的原理是，利用线阵直接细分的原理是，利用线阵CCD上上数千个等间距的象素所构成的数千个等间距的象素所构成的“感光尺感光尺”对整栅对整栅距距的位移信号，即周期性的交点移动信号进行细的位移信号，即周期性的交点移动信号进行细分，使测量信号能够反映一个栅距内的精确位分，使测量信号能够反映一个栅距内的精确位移。移。（3）CCD直接细分直接细

20、分CCD直接细分直接细分 与电路细分的栅式测量一样，直接细分法的测量也分为绝对测与电路细分的栅式测量一样，直接细分法的测量也分为绝对测量和相对测量两部分。量和相对测量两部分。 一个栅距内的绝对测量由一个栅距内的绝对测量由CCD直接完成，栅线的计数和辩向则直接完成，栅线的计数和辩向则需由计算机软件完成。两部分数据整合后得出光栅的绝对位移。需由计算机软件完成。两部分数据整合后得出光栅的绝对位移。 在测量过程中，在测量过程中，CCD保持与光栅刻线的角度保持与光栅刻线的角度 不变，驱动电路不变，驱动电路驱动驱动CCD进行循环采样，经过临界比较筛选后的脉冲不断地刷进行循环采样，经过临界比较筛选后的脉冲不

21、断地刷新计数器。新计数器。 以上的测量周期由硬件自动完成，以保证系统的动态响应速以上的测量周期由硬件自动完成，以保证系统的动态响应速率。测量软件通过查询方式对计数器读数，获取位移信息并对数据率。测量软件通过查询方式对计数器读数，获取位移信息并对数据进行拼接，得到最终的测量结果。进行拼接，得到最终的测量结果。CCD直接细分光栅的分辨率直接细分光栅的分辨率 由下式决定由下式决定 其中其中: L为为CCD的像场长度的像场长度 P为有效像素数为有效像素数 q为像场中的交点数为像场中的交点数sinLqPP2、细分精度、细分精度位移位移x与输出信号与输出信号n的关系为：的关系为：N 扫过扫过CCD视场的刻

22、线数视场的刻线数N 光栅相邻两刻线间对应的线阵光栅相邻两刻线间对应的线阵CCD象素数象素数M 后续电路或计算机软件对信号进行的插值细分数后续电路或计算机软件对信号进行的插值细分数S 位移脉冲当量，即单位脉冲信号代表地光栅相对位位移脉冲当量，即单位脉冲信号代表地光栅相对位 移量移量xNN M SnS（4）光栅传感器误差）光栅传感器误差 设光电接收元件所覆盖地光栅刻线总数为设光电接收元件所覆盖地光栅刻线总数为N，单个栅距误，单个栅距误差为差为 ，粗略地描绘平均误差与单个栅距误差之间的关系。，粗略地描绘平均误差与单个栅距误差之间的关系。 栅距栅距为为0.050.01mm，若取光电池尺寸为，若取光电池尺寸为10mm，则，则10200 1000N11()14