第4章 光电式传感器

1、x1光量光量光量光量电量电量x2输出输出常用光源常用光源发光器件发光器件物体辐射光物体辐射光白炽光源白炽光源气体放电光源气体放电光源发光二极管发光二极管激光器激光器GaP、SiC可见光可见光LEDGaAs红外红外LEDhE 02021Amh02021Amh 电极光电导微安表有光照时光电极光电导微安表无光照时PN光照内E 型型号号 光光谱谱响响应应范范围围(A。) 最最佳佳灵灵敏敏度度波波长长(A。) 最最小小阴阴极极灵灵敏敏度度(uA/lm) 阳阳极极工工作作电电压压(V) 暗暗电电流流(A) 环环境境温温度度() GD-5 2000 6000 3800 4200 30 3 30 0 3 31

2、 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-6 6000 11000 7000 9000 10 3 30 0 8 81 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-7 3000 8500 4500 45 1 10 00 0 8 81 10 0- -1 11 1 40 灵敏度高灵敏度高简述下图中广泛应用于自动曝光照相机中的光控延时简述下图中广泛应用于自动曝光照相机中的光控延时开关的工作原理。开关的工作原理。KA为继电器。为继电器。R1为光敏电阻，开关为光敏电阻，开关SA为快门控制开关。（注意：曝光开始前开关断开为快门控制开关。（注意：曝光开始前开关断开)A1 AR1+UccKA+VRE

3、FC 光栏光栏R2SANNP光检测器发射光反射光手指光发射器示显处理变换信号光传感器V5LED270k68CB扫描笔光敏三极管发光二极管条形码卡片条形码扫描方向光电扫描笔脉冲列OUTU热释电红外传感器热释电红外传感器o生物机电2、热释电红外传感器的应用、热释电红外传感器的应用n 热释电红外传感器是一种能检测人或动物热释电红外传感器是一种能检测人或动物发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电发射的红外线而输出电信号的传感器。热释电晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热晶体已广泛用于红外光谱仪、红外遥感以及热辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理辐射探测器，它可以作为红外激光的一种较理想的探测

4、器。它目标正在被广泛的应用到各种想的探测器。它目标正在被广泛的应用到各种自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自自动化控制装置中。除了在我们熟知的楼道自动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领动开关、防盗报警上得到应用外，在更多的领域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动域应用前景看好。比如：在房间无人时会自动停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观停机的空调机、饮水机。电视机能判断无人观看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监看或观众已经睡觉后自动关机的机构。开启监视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码视器或自动门铃上的应用。结合摄影机或数码照相机自动记录动物或人的活动等等照相机自动记录动

5、物或人的活动等等。您。您可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发可以根据自己的奇思妙想，结合其它电路开发出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。出更加优秀的新产品。或自动化控制装置。 超小红外人体检测组件超小红外人体检测组件 模块引脚说明：模块引脚说明：1：公共地：公共地线线 2：信号输出：信号输出 3：电压正极：电压正极 红外自动干手机红外自动干手机 制作干手机可参考随机延时电路和固定延时制作干手机可参考随机延时电路和固定延时电路。交流负载采用光电耦合式过零模块为佳。电路。交流负载采用光电耦合式过零模块为佳。注意：人感器必须隔热，出风口与感应窗口要分注意：人感器必须隔热，出风口与感应窗口要分离

6、。离。 SiO2。带负电的电子被吸引紧靠带负电的电子被吸引紧靠Si-SiO2界面，当电压高到一定值，形成界面，当电压高到一定值，形成对电子而言的势阱，电子一旦进入就不能复出，电压越高，产生的对电子而言的势阱，电子一旦进入就不能复出，电压越高，产生的势阱越深。形象地把势阱想想像成一个容器，把聚集在里面的电子势阱越深。形象地把势阱想想像成一个容器，把聚集在里面的电子想像成液体。势阱积累电子的容量取决于势阱的深度。可见想像成液体。势阱积累电子的容量取决于势阱的深度。可见MOS电容器有存储电荷的作用。电容器有存储电荷的作用。势阱的形成：势阱的形成：二、光固态图象传感器二、光固态图象传感器 光固态图象传

7、感器由光敏元件阵列和电荷转移器件光固态图象传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成。集合而成。CCD自自1970年问世以后，由于它的低噪声年问世以后，由于它的低噪声等特点，等特点，CCD图象传感器广泛的被应用在微光电视摄图象传感器广泛的被应用在微光电视摄像、信息存储和信息处理等方面。像、信息存储和信息处理等方面。1 1CCDCCD的结构和基本原理的结构和基本原理衬底型SiP）（nmSiO 1202123nn输入二极管输出二极管nn电极金属Al 当向当向SiO2表面的电极加正偏压时，表面的电极加正偏压时， P型硅衬底接型硅衬底接地，地，P型硅衬底中形成耗尽区（势阱），耗尽区的深型硅衬底中形成耗

8、尽区（势阱），耗尽区的深度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）度随正偏压升高而加大。其中的少数载流子（电子）被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中被吸收到最高正偏压电极下的区域内（如图中1极极下），形成电荷包（势阱）。对于下），形成电荷包（势阱）。对于N型硅衬底的型硅衬底的CCD器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。器件，电极加正偏压时，少数载流子为空穴。SiP型123nnS二极管输入S二极管输出nn耗尽区123t1t2t3t4t0如何实现电荷定向转移呢？如何实现电荷定向转移呢？电荷转移的控制方法，电荷转移的控制方法，非常类似于步进电极的步非常类似于步进电极的步进控制方式。也有二相

9、、进控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。三相等控制方式之分。结果：结果：随着控制脉冲的分配，少数载流子便从CCD的一端转移到最终端。终端的输出二极管搜集了少数载流子，送入放大器处理，便实现电荷移动。SiP型123nnS二极管输入S二极管输出nn耗尽区2 2线型线型CCDCCD图像传感器图像传感器 线型线型CCD图像传感器由一列光敏元件与一列图像传感器由一列光敏元件与一列CCD并行且对应的构并行且对应的构成一个主体成一个主体,在它们之间设有一个转移控制栅在它们之间设有一个转移控制栅,如图如图 (a)所示。在每一所示。在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极个光敏元件上都有一个梳状公共电极,由一

10、个由一个P型沟阻使其在电气上型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上,梳状电极施加高电压时梳状电极施加高电压时,光敏光敏元件聚集光电荷元件聚集光电荷,进行光积分进行光积分,光电荷与光照强度和光积分时间成正比光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时。在光积分时间结束时,转移栅上的电压提高转移栅上的电压提高(平时低电压平时低电压),与与CCD对对应的电极也同时处于高电压状态。然后应的电极也同时处于高电压状态。然后,降低梳状电极电压，各光敏降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕元件中所积累的光电电

11、荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕,转移栅电压降低转移栅电压降低,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态,准备下一次光准备下一次光积分周期。同时积分周期。同时,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲,将存储的电将存储的电荷从荷从CCD中转移中转移,由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出行输出,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅）光积分单元（感光单元不透光的电荷转移机构输出转移栅L12345678910 目前，实用的线型目前，实

12、用的线型CCD图像传感器为双行结构，如图像传感器为双行结构，如图（图（b）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转）所示。单、双数光敏元件中的信号电荷分别转移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脉冲的作用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就用下，自左向右移动，在输出端交替合并输出，这样就形成了原来光敏信号电荷的顺序。形成了原来光敏信号电荷的顺序。光积分区不透光的电荷转移机构输出转移栅不透光的电荷转移机构3 3面型面型CCDCCD图像传感器图像传感器 面型面型CCD图像传感器由感光区、信号存储区图像传感器由感光区、信号存储区和输出转移部

13、分组成。目前存在三种典型结构和输出转移部分组成。目前存在三种典型结构形式。形式。 图图(a)所示结构由行扫描电路、垂直输出寄所示结构由行扫描电路、垂直输出寄存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路存器、感光区和输出二极管组成。行扫描电路将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上将光敏元件内的信息转移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极，由垂直方向的寄存器将信息转移到输出二极管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像管，输出信号由信号处理电路转换为视频图像信号。这种结构易于引起图像模糊。信号。这种结构易于引起图像模糊。二相驱动视频输出 行行扫扫描描发发生生器器输出寄存器检波二极

14、管二相驱动感光区沟阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光区 存储区析像单元 视频输出输出栅串行读出面型CCD图像传感器结构(a)(b) 图（b）所示结构增加了具有公共水平方向电极的不透光的信息存储区。在正常垂直回扫周期内，具有公共水平方向电极的感光区所积累的电荷同样迅速下移到信息存储区。在垂直回扫结束后，感光区回复到积光状态。在水平消隐周期内，存储区的整个电荷图像向下移动，每次总是将存储区最底部一行的电荷信号移到水平读出器，该行电荷在读出移位寄存器中向右移动以视频信号输出。当整帧视频信号自存储移出后，就开始下一帧信号的形成。该CCD结构具有单元密度高、电极简单等优点，但增加了存储器

15、。光栅报时钟光栅报时钟二相驱动二相驱动输出寄存器输出寄存器检波二极管检波二极管 视频输出视频输出垂直转移垂直转移寄存器寄存器感光区感光区二相驱动二相驱动(c) 图图(c)所示结构是用得最所示结构是用得最多的一种结构形式。它将图多的一种结构形式。它将图(b)中感光元件与存储元件中感光元件与存储元件相隔排列。即一列感光单元相隔排列。即一列感光单元，一列不透光的存储单元交，一列不透光的存储单元交替排列。在感光区光敏元件替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个

16、电荷图像内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结形成视频信号输出。这种结构的器件操作简单，但单元构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。小，图像清晰。 数字式传感器数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出把输入量转换成数字量输出优点优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强， 能避免在读标尺和曲线图时产生的人为能避免在读

17、标尺和曲线图时产生的人为 误差，便于用计算机处理。误差，便于用计算机处理。最简单的数字式传感器是最简单的数字式传感器是编码器编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等 l用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。式表示的电信号的转换部件。1光源光源 2柱面镜柱面镜 3码盘码盘 4狭缝狭缝 5元件元件 6位二进制码盘位二进制码盘根据码盘的起始和终止位置确定转角，与转动的中间过程无关。

18、根据码盘的起始和终止位置确定转角，与转动的中间过程无关。 （1）n位位(n个码道个码道)的二进制码盘具有的二进制码盘具有2n种不同编码，称其种不同编码，称其容量为容量为2n， 其最小分辨力其最小分辨力136002n，它的最外圈角节，它的最外圈角节距为距为21；（2）二进制码为有权码，编码）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零对应于由零位算起的转角为：位算起的转角为：（3）码盘转动中，）码盘转动中，CK变化时，所有变化时，所有Cj(jK)应同时变化。应同时变化。1112iniiC上一页下一页返 回l研究背景：研究背景： 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码要求各个码道刻划精确，

19、彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，由于微小的制作误差，只要有只要有个码道提前或延后改变，就可能造个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。成输出的粗大误差。 要达到要达到1/左右的分辨率，二进制码盘需要采左右的分辨率，二进制码盘需要采用用20或或21位码盘。一个刻划直径为位码盘。一个刻划直径为400mm的的20位码盘其外圈的间隔为稍大于位码盘其外圈的间隔为稍大于1m。l消除粗大误差方法：消除粗大误差方法：双读数头法，循环码代替二进制码双读数头法，循环码代替二进制码双读数头的缺点是读数头的个数增加了双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位

20、数很多时，光电元件一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。安装位置也有困难。 (a) 四位二进制码盘展开图四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图采用双读数头消除粗大误差的示意图 图图a：A-A正确的值是：正确的值是：1110，若，若A-A中的中的C1码道过长，导致码道过长，导致A-A值为：值为：0110。或。或A-A中的中的C4码道过长，导致码道过长，导致A-A的值为：的值为：0000（正确的是：（正确的是：1000）。缺点：）。缺点：1110变变为为1000时，每一位相邻的码道都要改变。时，每一位相邻的码道都要改变。图图b：第：第i码道码道ai与与bi两狭

21、缝的读数为：两狭缝的读数为：Ai和和Bi， 而第而第i-1码道的示数为码道的示数为Ci-1。已知：已知：Ci= Ai，若，若Ci-1=0，则，则Ci= Bi , 若若Ci-1=1，则，则Ci= Ai 即：若低一位的读数为即：若低一位的读数为1，则按高一位，则按高一位Ai的的 读数；若低一位的读数为读数；若低一位的读数为0，则按高一，则按高一 位位Bi的读数；的读数；(1)n位循环码码盘具有位循环码码盘具有2n种不同编码；种不同编码；(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循环码为无权码；循环码为无权码；(4)循环码码盘

22、转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，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。不会产生粗误差。 iiiiiinnCCRRCCRC114位二进制码与循环码的对照表位二进制码与循环码的对照表(a) 并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 (a) 并行变换电路并行变换电路 (b)串行变换电路串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。二进制码后再译码。 光栅传感器光栅传感器一一. .光栅及其测量系统光栅及其测量系统1.1.光栅的结构类型光栅的结构类型 1 1）长光栅尺）长光栅尺

23、 主光栅主光栅 指示光栅指示光栅a是栅线是栅线的宽度的宽度b是栅线的是栅线的缝隙宽度缝隙宽度W 是栅距是栅距W =a+b2）圆光栅）圆光栅 刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，用来测量角度或角位移。用来测量角度或角位移。 根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是一种是径向光栅，径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是另一种是切向光栅，切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切心的直径只有零点儿或几个毫米的小

24、圆相切若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅。径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅2.2.光栅测量系统（光栅读数头）光栅测量系统（光栅读数头）二二. .光栅传感器的工作原理光栅传感器的工作原理 当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时的夹角时, , 光源照射光栅尺，由于挡光效应，两光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错块光栅刻线的相交处形成亮带，而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上, , 产生出亮暗相间的条纹产生出亮暗相间的条

25、纹, , 这些条纹称为这些条纹称为“莫尔条莫尔条纹纹”（莫尔：法语丝绸的波纹）。（莫尔：法语丝绸的波纹）。1.莫尔条纹的形成及其特征莫尔条纹的形成及其特征(重点掌握重点掌握)莫尔条纹间距莫尔条纹间距光栅栅距光栅栅距1、指示光栅、指示光栅 2、主光栅、主光栅两栅尺的夹角两栅尺的夹角两栅尺的夹角两栅尺的夹角莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征1) 放大作用放大作用WWBCABBH2422sin22结论：结论：放大倍数为放大倍数为 1/,1/, 越小越小,B,B越大。越大。例如例如=0.1=0.1时时 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432

26、radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。 如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹如主光栅沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向将沿着指示光栅的栅线向上移动；反之，当主光栅向左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。左移动时，莫尔条纹沿着指示光栅的栅线向下移动。 因此根据莫尔条纹移动方向就可以对主光栅的运动进因此根据莫尔条纹移动方向就可以对主光栅的运动进行辨向。行辨向。 莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征（2） 莫尔条纹移动方向莫尔条纹移动方向莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征（2） 莫尔条纹移动方向

27、与光栅移动方向的对应关系莫尔条纹移动方向与光栅移动方向的对应关系 即：辨别方向性即：辨别方向性主光栅相对指示主光栅相对指示光栅的转角光栅的转角主光栅相对指示主光栅相对指示光栅的移动方向光栅的移动方向莫尔条纹的移动莫尔条纹的移动方向方向顺时针转动顺时针转动角角 向左向左向上向上向右向右向下向下逆时针转动逆时针转动角角 向左向左向下向下向右向右向上向上 光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。莫尔条纹由光栅的大量刻线形成莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差对线纹的刻划误差有平均抵消作用有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。短周期误差的影响。 （3） 误差的平均效应误差的平均效应莫尔条纹的特征莫尔条纹的特征例：例：W=0.02mm, 接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范范围内有围内有500条刻线参与工作，某几条刻线误差对莫尔条条刻线参与工作，某