传感器结构原理与设计

第七章光电式传感器工作原理：被测量

光信号

电信号（借助光电器件）；基本组成（见下图）：辐射源、光学通路、光电器件；工作过程：被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将被测信息调整到光波上，可改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布；光电器件将光信号转换为电信号；电信号经后续电路解调分离出被测信息，实现测量。特点：频谱宽、不受电磁干扰影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低等。辐射源光电器件光学通路输出被测量被测量图7－1光电式传感器原理图第一节光源光电式传感器对光源的选择要考虑的因素：波长、谱分布、相干性、体积、造价、功率等。光源分类：热辐射光源、气体放电光源、激光器和电致发光器件等。光谱（附加知识点）

光波：波长为10—106nm的电磁波可见光：波长380—780nm

紫外线：波长10—380nm，波长300—380nm称为近紫外线波长200—300nm称为远紫外线波长10—200nm称为极远紫外线，

红外线：波长780—106nm

波长3μm（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3μm的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。远紫外近紫外可见光近红外远红外极远紫外0.010.11100.050.55波长/μm一、热辐射光源定义：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。实例：白炽灯、卤钨灯；白炽灯特点：白炽灯为可见光源，但它的能量只有15%左右落在可见光区域，它的峰值波长在近红外区域，约1－1.5μm，因此可用作近红外光源。二、气体放电光源定义：电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。特点：气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。实例：低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。特例：若利用高压或超高压的氙气放电发光，可制成高效率的氙灯，它的光谱与日光非常接近。目前氙灯又可以分为长弧氙灯、短弧氙灯、脉冲氙灯。

三、电致发光器件－发光二极管定义：固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。

发光二极管的发光原理：在N型半导体上扩散或者外延生长一层P型半导体，PN结两边掺杂浓度呈递减分布。当PN结接正向电压时，N区电子向P区运动，与P区空穴结合时发出一定频率的光，光子频率取决于PN结的价带和导带之间的能隙，改变能隙大小可以改变二极管的发光频谱。

四、激光器激光产生的过程：某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量（如特定频率的辐射），从低能级跃迁到高能级上（受激吸收）；如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子（受激发射）；由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。

具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。

激光器的优点：单色性好、方向性好和亮度高。种类：激光器种类繁多，按工作物质分类固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。1、固体激光器固体激光器的典型实例就是红宝石激光器，它是人类发明的第一种激光器，诞生于1960年。红宝石激光器的工作介质是掺0.5%铬的氧化铝（即红宝石），激光器采用强光灯作泵浦，红宝石吸收其中的蓝光和绿光，形成粒子数反转，受激发出深红色的激光（波长约694nm）；Nd:YAG（掺钕的钇铝石榴石激光器）是另一种常见的固体激光器，与红宝石激光器相比，对光泵的要求较低，可见光甚至近红外都可以作其光泵，这种激光器发出的波长为1.06μm的红外光。固体激光器通常工作在脉冲状态下，功率大，在光谱吸收测量方面有一些应用。利用阿波罗登月留下的反射镜，红宝石激光器还曾成功地用于地球到月球的距离测量。

2、气体激光器特点：气体介质的密度低得多，因而单位体积能够实现的离子反转数目也低得多，为了弥补气体密度低的不足，气体激光器的体积一般都比较大。气体介质均匀，激光稳定性好，另外气体可在腔内循环，有利于散热，这是固体激光器所不具备的。由于气体吸收线宽比较窄，气体激光器一般不宜采用光泵作激励，更多的是采用电作激励。

种类：氦氖激光器、氩离子激光器、氪离子激光器，以及二氧化碳激光器、准分子激光器。它们的波长覆盖了从紫外到远红外的频谱区域。

（1）氦-氖激光器是实验室常见的激光器，具有连续输出激光的能力。它能够输出从红外的3.3μm到可见光等一系列谱线，其中632.8nm谱线在光电传感器中应用最广，该谱线的相干性和方向性都很好，输出功率通常小于1mW，可以满足很多光电传感器的要求。（2）氩离子、氪离子激光器功率比氦氖激光器大，氩离子发出可见的蓝光和绿光，比较典型的谱线有488nm和514.5nm等,氪离子发出的是红光（647.1－752.5nm）。（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的输出波长为10.6μm。（4）氮气分子激光器输出波长为337nm，在脉冲工作方式下功率可达到兆瓦量级，脉冲宽度可达到纳秒量级。能够工作在紫外的还有一些准分子激光器，目前能够提供从353nm到193nm的激光输出。3、半导体激光器半导体激光器除了具有一般激光器的特点外，还具有体积小、能量高的特点，特别是它对供电电源的要求极其简单，使之在很多科技领域得到了广泛应用。半导体激光器虽然也是固体激光器，但是同红宝石、Nd:YAG和其它固体激光器相比，半导体的能级宽得多，更类似于发光二极管，但谱线却比发光二极管窄得多。半导体激光器的特征是通过掺加一定的杂质改变半导体的性质，杂质能够增加导带的电子数目或者增加价带的空穴数目，当半导体接正向电压时，载流子很容易通过PN结，多余的载流子参加复合过程，能量被释放发出激光。目前半导体激光器可以选择的波长主要局限在红光和红外。第二节光电器件光电器件的作用：光信号

电信号。光电器件的种类：热探测型：将光信号的能量变为自身的温度变化，然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号，探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，在一些特殊场合具有非常重要的应用价值，尤其是远红外区域；光子探测型：基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子，这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。一、热探测器原理及特点：基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器，它的突出优点是能够接收超低能量的光子，具有宽广和平坦的光谱响应，尤其适用于红外的探测。种类：测辐射热电偶、测辐射热敏电阻和热释电探测器。1、测辐射热电偶与常规热电偶相似，只是在电偶的一个接头上增加光吸收涂层，当有光线照射到涂层上，电偶接头的温度随之升高，造成温差电势。2、测辐射热敏电阻用热敏电阻代替了热电偶，当有光线照射到涂层上，首先引起温度的变化，热敏电阻再将温度转化为电阻值的变化。

二、光子探测器光子探测器的作用原理是基于一些物质的光电效应。光能是由分离的能团——光子组成，光子的能量E和频率f的关系

E=hf

h——普朗克常数，h=6.626×l0-34（J·s）。

光电效应：光照射在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体,如果光子的能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。

光电效应的种类：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应：当光照射在物体上，使物体的电阻率ρ发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为光电导效应和光生伏特效应两类。注意事项：光子探测器一般都有一定的截止波长，当光的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。

（一）光电发射探测器利用外光电效应制成的光电器件称为光电发射探测器。光电发射探测器主要有真空光电管和光电倍增管等。激发出电子的条件：

要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量必须大于该物质表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时；不论光强多大，也不能激发电子，反之，被照射的物质便能激发出电子，此频率限称为“红限”；其临界波长λK为

λK=hc/A0

1、光电管结构组成：在一个抽成真空或充以惰性气体的玻璃泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料（如铯）涂敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。

光电管的结构示意图阳极光电阴极光窗工作原理：当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。外电路串入一适当阻值的电阻，在该电阻上的电压降或电路中的电流大小都与光强成函数关系，从而实现了光电转换。2、光电倍增管结构组成：光电阴极、光电倍增极、阳极。倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高。

工作原理：当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。这样，在阴极和阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数量迅速递增。典型的倍增管一般有10个左右的倍增极，相邻极之间加有200－400V的电压，阴极和阳极间的总电压差可达几千伏，电流增益为105左右。

入射光光电阴极第一倍增极阳极第三倍增极3、光电管的基本特性光电特性：光电管两端所加电压不变时，光通量Φ与光电流I间的关系。如图所示，对于氧铯阴极的光电管，I与Φ呈线性关系，但对于锑铯阴极的光电管，当光通量较大时，I与Φ呈非线性关系。光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。光电管的光电特性伏安特性：入射光的频率及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系。阳极电压较低时，阴极发射的部分电子到达阳极，其余返回阴极（光电子负电场作用）；阳极电压增高，电流增大，阴极发射的电子全部到达阳极时，电流稳定，处于饱和状态。光电管的伏安特性光通量是描述单位时间内光源辐射产生视觉响应强弱的能力，单位是流明，也叫明亮度。1流明就是指蜡烛一烛光在一公尺以外的所显现出的亮度。一个普通40瓦的白炽灯泡，其发光效率大约是每瓦10lm，因此可以发出400lm的光。

光谱特性：光电阴极材料对光谱有选择性，光电管对光谱也有选择性。保持光通量和阳极电压不变，阳极电流与光波波长之间的关系称为光电管的光谱特性。（二）光电导探测器基于光电导效应的光电器件称为光敏电阻（半导体材料），也叫光导管。基本原理：半导体材料在黑暗的环境下，内部电子为原子所束缚，处于价带上，不能自由移动，半导体的电阻值很高。当受到光照时，价带中的电子受到光子激发，由价带跃迁到导带，使导带的电子和价带的空穴数目增加，半导体材料电导率变大。

电子跃迁条件：hv>Eg

或λ<hc/Eg

。导带价带禁带自由电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能带Eg光敏电阻两端带有金属电极，加上电压，便有电流通过，若有光线照射，则电流增大。由于光电导效应只限于受光照的表面层，因此光敏电阻通常做得很薄。为了得到高的灵敏度，电极做成梳状。A金属封装的硫化镉光敏电阻结构图光导电材料绝缘衬低引线电极引线光电导体RGRLEI光电导探测器主要用于探测波长较长，光电二极管和倍增管无法探测的红外区域。如PbS探测器探测波长达3.4μm，灵敏度峰值在2μm

。204060801004008001200160020002400λ/nm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅（三）光电结型探测器光电结型探测器类型：光电二极管探测器和光电三极管探测器。光电二极管探测器最为常用，又可分为普通光敏二极管和雪崩二极管等。常规的二极管和三极管都用金属壳密封，以防光照。光电结型的光敏管则必须使P-N结受最大光照射。

1、光敏二极管PN光光敏二极管符号RL

PN光敏二极管接线工作原理：当光不照射时，光敏二极管处于载止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流即暗电流Id

；受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光生电流。光敏二极管的光谱带宽与材料有关，硅光敏二极管0.4-1.1μm

，峰值0.9μm

，锗光敏二极管带宽0.6-1.8μm

，峰值1.5μm

。3、光敏晶体管（三极管）基本结构：具有两个P-N结，基极一般无引出线。工作原理：光电转换：光照时，一个反向偏置结给出几μA电流；光电流放大：同样条件，晶体管的集电极－发射极产生几mA电流，即该结激发的光电流放大β倍。壳体顶部用透明材料做成聚光镜，光线聚焦到N型材料上，增大了P-N结电流。RLEPNP基极集电极发射极光（四）光电伏特型探测器光生伏特效应：半导体器件受到光照射时会产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。可见光作光源的光电池：硅光电池、硒光电池等。硅光电池（硅太阳能电池）的工作原理：N型硅片上扩散P型杂质形成大面积P-N结，P层很薄。P-N结内电场阻止空穴、电子自由扩散。光照结区，光子使电子由价带跃迁至导带，结区附近激发出电子－空穴对，内电场将电子推向N区，空穴拉向P区。故P区和N区分别带正、负电，形成电位差，即光生伏特效应。＋－接线点接线点光薄P层P-N结N层符号结构原理(b)光电池的工作原理示意图光电池的示意图+光PN－SiO2RL(a)光电池的结构图I光PN硒光电池结构原理和符号：金属基板沉积一层硒薄膜，然后加热硒结晶，再把氧化镉沉积在硒层上形成P-N结。P型硒层N型氧化镉层金属基板＋－P-N结光符号结构原理（五）半导体光电器件的特性1、光电特性：半导体光电器件产生的光电流I与光照之间的关系。光敏电阻的光电流：讨论：电压指数α接近1，光通量指数β随光通量增强而减小，强光时1/2左右，I-Φ呈非线性。硒光敏电阻的I-Φ关系如图。光敏电阻适宜作光电导开关，不宜作检测元件。RGRLEI硒光敏电阻的光电特性光敏晶体管的光照特性，基本上线性。但光照足够大时出现饱和。光照度的单位是勒克斯，可写为lx。被光均匀照射的物体，在1平方米面积上得到的光通量是1流明时，它的照度是1勒克斯。

硅光电池的开路电压与短路电流和光照的关系曲线。光电池作检测元件时，应将其视为电流源，使其接近短路工作状态。2、伏安特性：光照度一定，光电器件的端电压U与电流I之间的关系。光敏电阻的伏安特性具有良好线性。虚线为允许功耗曲线，使用时不超过该功耗限。RGRLEI锗光敏晶体管的伏安特性类似一般三极管，光电流相当于反向饱和电流，取决于光照强度。硅光电池伏安特性曲线，由此可作出光电器件的负载曲线，并可确定取得最大功率时的负载。100200300400755025125100U/mVI/μA4×103lx104lx2×10lx3、光谱特性：半导体光电器件对不同波长的光，灵敏度不同，因只有能量大于半导体材料禁带宽度的光子才能激发出电子－空穴对。光子能量与波长有关。光敏电阻的相对光谱特性：硫化镉、硒化镉的光谱响应峰值处于可见光区，硫化铅峰值在红外区域。204060801004008001200160020002400λ/nm312相对灵敏度1——硫化镉2——硒化镉3——硫化铅硅和锗光敏晶体管的光谱响应曲线，灵敏度峰值在0.8μm和1.4μm附近。波长很大，光子能量太小；波长太短，光子在半导体表面激发的电子－空穴对不能到达P-N结。硅和硒光电池的光谱特性也如图。硒、硅的光谱特性不同，使用光电池时对光源合理选择，或依据光源特性选择合适的光电池。光电池的光谱特性光敏晶体管的光谱特性第四节光栅式传感器光栅：在玻璃（或金属）尺或玻璃（或金属）尺盘上进行刻划，可得到一系列黑白相间、间隔细小的条纹，不刻划处透光，刻划处不透光，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。光栅式传感器的特点：精度高。大量程测量兼有高分辨力。可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。具有较强的抗干扰能力。光栅式传感器的应用：几何量、振动、速度、应力、应变。一、计量光栅的种类计量光栅：利用莫尔条纹现象进行精密测量的光栅。种类：按基体材料的不同主要可分为金属光栅和玻璃光栅；按刻线的形式不同可分为振幅光栅和相位光栅；按光线的走向又可分为透射光栅和反射光栅；按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。

1、长光栅测量对象：长度、直线位移；特点：刻线相互平行，又称光栅尺。栅线密度：每毫米长度内的栅线数，表示长光栅栅线的疏密程度。例如栅线间距W=0.02mm时，栅线密度为50线/mm。长光栅有振幅光栅和相位光栅两种形式。振幅光栅是对入射光波的振幅进行调制，也叫黑白光栅，它又可分为透射光栅和反射光栅两种。在玻璃的表面上制作透明与不透明间隔相等的线纹，可制成透射光栅；在金属的镜面上或玻璃镀膜（如铝膜）上制成全反射或漫反射相间，二者间还有吸收的线纹，可制成反射光栅。栅线密度20~125线/mm。相位光栅是对入射光波的相位进行调制，它也有透射光栅和反射光栅两种形式。栅线密度600线/mm以上。

透射长光栅示意图

a——栅线的宽度（不透光）b——栅线间宽（透光）

a+b=W——光栅的栅距（也称光栅常数），通常a=b=W/2。2、圆光栅定义：刻划在玻璃圆盘上的光栅称为圆光栅，也称光栅盘。测量对象：角度或角位移。

主要参数：整圆刻线数；栅距角（也称节距角）δ，它是指圆光栅上相邻两条栅线之间的夹角。种类：径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点几到几个毫米的小圆相切。二、莫尔条纹（一）形成的光学原理：莫尔条纹通常是由两块光栅叠加形成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，对于栅距较大的振幅光栅，可以忽略光的衍射。图7-36为两光栅以很近的距离重叠的情况。在a-a线上，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加，光线透过透光部分形成亮带；在b-b线上，两光栅透光部分分别另一光栅的不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不过形成暗带，这种由光栅重叠形成的明案相间的光学图案称为莫尔条纹。长光栅莫尔条纹的周期为

W1——标尺光栅1的光栅常数；W2——指示光栅2的光栅常数；θ

——两光栅栅线的夹角。

莫尔条纹形成的衍射理论分析：前提：栅距很小的光栅（W＜0.005mm），或相位光栅。分析：光栅G1产生了0,±1,±2,……等n级衍射光，光栅G1的衍射光束到达光栅G2时将进一步被衍射，G1的n级衍射光，其中每一级的衍射光束对光栅G2来说都是一组入射光束，并由光栅G2又衍射成n级衍射光（因为两光栅的W相同，又是单色光），所以从光栅副出射的衍射光束的数目为n2个。

每支衍射光束都用它在两个光栅上衍射的级次序号来表示，例如经光栅G1衍射的0级光束，经过光栅G2后衍射成0级、±1级、…等衍射光束就用（0,0）、（0,1）、（0，-1）、……表示。由光栅G1产生的第p级衍射光又经光栅G2产生的第q级衍射光束就可以用（p、q）表示。p+q相等的光束，用其p+q值来称作该组光束为某级组，如0级组，1级组，-1级组，……。理论推导可以证明，每一级组中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一级组中的诸光束相互干涉，就形成了莫尔条纹。其中，p+q=1和p+q=-1级组光束强度变化幅度最大，它们形成莫尔条纹的基波条纹。其它各光束级组形成莫尔条纹的高次谐波。

（二）莫尔条纹的特性1、运动对应关系莫尔条纹的移动量和移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系。在图7-36中，当主光栅1向右运动一个栅距W1时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B；如果主光栅1向左运动，莫尔条纹则向上移动。光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向判定光栅的位移量和位移的方向。2、位移放大作用由于两光栅的夹角θ很小，若它们的光栅常数相等，设为W，从式（7-18）可得到如下近似关系明显看出，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为1/θ

。所以尽管栅距很小，难以观察到，但莫尔条纹却清晰可见。这非常有利于布置接收莫尔条纹信号的光电器件。3、误差平均效应莫尔条纹是由光栅的大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，在很大程度上消除了栅线的局部缺陷和短周期误差的影响,个别栅线的栅距误差或断线及疵病对莫尔条纹的影响很微小，从而提高了光栅传感器的测量精度。（三）莫尔条纹的种类1、长光栅的莫尔条纹（1）横向莫尔条纹当两光栅栅距相等W1＝W2=W时，以夹角θ相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。（2）光闸莫尔条纹当W1=W2=W，且θ=0时，莫尔条纹的宽度趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为光闸莫尔条纹。2、圆光栅的莫尔条纹

（1）径向光栅莫尔条纹圆弧形莫尔条纹两块栅距角δ相同的径向光栅以不大的偏心叠合，如图7-39所示。在光栅的各部分栅线的交角θ不同，便形成了不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。

主要特点：莫尔条纹是对称的两簇圆形条纹，它们的圆心排列在两光栅中心连线的垂直平分线上。莫尔条纹的宽度不是定值，它随条纹位置的不同而不同。位于偏心方向垂直位置上的条纹近似垂直于栅线，称这部分为横向莫尔条纹。沿着偏心方向的条纹近似平行于栅线，成为纵向莫尔条纹。在实际使用中，主要应用横向莫尔条纹这部分。

光闸莫尔条纹将栅距角δ相同的两块圆光栅同心叠合时，得到与长光栅中相类似的光闸莫尔条纹。主光栅转过一个栅距角δ，透光亮度变化一个周期。

（2）切向光栅的莫尔条纹两块切向相同、栅距角δ相同的切向光栅栅线面相对同心叠合时，形成的莫尔条纹是以光栅中心为圆心的同心圆簇，称为环形莫尔条纹。三、光栅式传感器基本组成：光源、标尺光栅、指示光栅和光电器件。常见形式：透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。1-光源2-准直透镜3-标尺光栅（主光栅）4-指示光栅5-光电元件

B（一）透射式光栅传感器类型：透射式长光栅传感器、透射式圆光栅传感器。光源：发光二极管（有的本身集成透镜、有的需要外加透镜