现代传感技术与应用 课件 第7章 光电式传感器

第七章光电式传感器

光电式传感器是基于光电效应把光信号转换成电信号的装置。光电式传感器可用来测量光学量或测量已先行转换为光学量的其它被测量，然后输出电信号。光电式传感器的核心部件是光电器件，测量光学量时，光电器件是作为敏感元件使用；而测量其它物理量时，它作为转换元件使用。光电式传感器具有非接触、高精度、反应快、可靠性好、分辨率高等优点，广泛应用于自动控制、智能设备、导航系统等各个领域。7.1光电效应7.1.1外光电效应

所谓外光电效应，是指在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。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。

根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只给一个电子。因此，如果要使一个电子从物质表面逸出，光子具有的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0。根据能量守恒定律，有爱因斯坦光电效应方程，即（1）光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同的物质具有不同的逸出功，即每一个物体都有一个对应的光频阈值，称为红限频率或波长限。当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来。（2）当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。（3）光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。7.1.2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。1.光电导效应

在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻。2.光生伏特效应

在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、三极管。（1）势垒效应（结光电效应）

接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。（2）侧向光电效应

当半导体光电器件受光照不均匀时，有载流子浓度梯度将会产生侧向光电效应。7.2光电器件7.2.1光电管1.结构

光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。光电管基本结构光电倍增管结构2.主要性能（1）伏安特性

在一定的光照射下，在光电管阴极上所加的电压与阳极所产生的电流之间的关系称为光电管的伏安特性。（2）光照特性

光电管的光照特性通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系。曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性；曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。（3）光谱特性

保持光通量和阴极电压不变，光电管阳极电流与光波长之间的关系称为光谱特性。由于光电阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。具有不同光电阴极材料的光电管，有不同的红限频率，适用于不同的光谱范围。此外，同一光电管对于不同频率的入射光的灵敏度也是不同的。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。7.2.2光敏电阻1.结构

光敏电阻又称光导管，是利用光电导效应制成的。当光照射到光敏电阻上时，其阻值会随光照的增强而减小。光敏电阻具有灵敏度高、光谱响应范围宽、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强和寿命长等优点。光敏电阻在使用时需要有外部电源，同时当有电流通过时，会产生热量，影响测量精度。（a）光敏电阻结构；（b）光敏电阻电极；（c）光敏电阻结构接线图2.主要参数（1）暗电流。室温条件下，在无光照射（全暗）时光敏电阻的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流，称为暗电流。（2）亮电流。光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流，称为亮电流。（3）光电流。光敏电阻在某一光照下的亮电流与暗电流之差，称为光电流。

光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小，则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，光敏电阻的灵敏度越高。3.基本特性（1）伏安特性

在一定光照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。（2）光照特性

在一定外加电压下，光敏电阻的光电流和光通量之间的关系称为其光照特性。不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，通常在自动控制系统中用作光电开关。（3）光谱特性

光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性，亦称为光谱响应。（4）频率特性

当光敏电阻受到脉冲光照射时，光电流要经过一段时间才能达到稳定值，而在停止光照后，光电流也不立刻为零，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这就是光敏电阻的时延特性。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同，多数光敏电阻的时延都比较大，所以光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。（5）温度特性

光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应，同时光敏电阻的灵敏度和暗电阻也随之改变，尤其是响应于红外区的硫化铅光敏电阻受温度影响更大。7.2.3光电池1.工作原理

光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件，是发电式有源元件。由于它可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。它有较大面积的PN结，当光照射在PN结上时，如P型面，光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则P型区就产生自由电子和空穴对，电子—空穴对在结电场作用下就会建立与光照强度有关的电动势。（a）硅光电池；（b）硒光电池2.基本特性（1）光照特性

光电池在不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。硅光电池的短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系，开路电压（负载电阻无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。

把光电池作为测量元件时，应将其当作电流源的形式来使用，不能用作电压源。（2）光谱特性

光电池的光谱特性决定于材料。硒光电池在可见光谱范围内有较高的灵敏度，峰值波长在540nm附近，适宜测可见光。硅光电池应用的范围400nm～1100nm，峰值波长在850nm附近，因此硅光电池可以在很宽的范围内应用。（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。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。7.2.4光电二极管和光电晶体管

光电二极管的基本结构是一个PN结，结面积较小，频率特性较好。其光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几微安到几十微安。

光电二极管在电路中一般是处于反向工作状态。

光电二极管的光电流与光照度之间呈线性关系，同时，当光照足够大时，会出现饱和现象，因此光敏三极管既可作线性转换元件，也可作开关元件。光电二极管结构和符号光电二极管工作原理图

光电晶体管有PNP型和NPN型两种，其结构与一般三极管很相似，具有电流增益。光电晶体管的发射极一边很大，以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。当集电极加上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。此时，当光线照射在集电结的基区时，会产生电子—空穴对，在内电场的作用下，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍。（a）光敏三极管结构；(b)基本电路7.2.5光电器件的应用

利用光电器件进行非电量检测过程中，按信号接收状态可分为模拟和脉冲式两大类。模拟式光电传感器的工作原理是基于光电器件的光电特性，其光通量随被测量而变，光电流是被测量的函数。这种形式通常有吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。（1）吸收式。被测物置于光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的透射到光电元件上。透射光的强度决定于被测物对光的吸收大小，而吸收的光通量与被测物透明度有关，因此常用来测量物体的透明度、浑浊度等。（2）反射式。光源发出的光投射到被测物上，被测物把部分光通量反射到光电器件上。反射光通量取决于反射表面的性质、状态和与光源之间的距离。利用这个原理可制成表面粗糙度和位移测试仪等。（3）遮光式。光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光电器件上的光通量发生改变，改变的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这个原理可以制成测量位移的位移计等。（4）辐射式。被测物本身就是光辐射源，发射的光通量直接射向光电器件，也可以经过一定的光路后作用到光电器件上。利用这种原理可制成光电比色高温计7.3光电式编码器7.3.1工作原理

光电编码器是一种通过光电转换将输出轴上的机械几何位移量转换成脉冲或数字量的传感器，具有体积小、精度及分辨率高、接口数字化、寿命长、可靠性高等特点。一般的光电编码器主要由光栅盘和光电探测装置组成。7.3.2类型与结构1.增量式编码器

增量式编码器的特点是能够产生与位移增量等值的脉冲信号，当码盘转动时产生串行光脉冲，用计数器将脉冲数累加起来就可反映转过的角度大小。

增量式光电编码器的分辨率是以编码器轴转动一周所产生的输出信号基本周期数来表示的，即脉冲数/转（PPR）。

增量式编码器最大的优点是结构简单，易于实现，机械平均寿命长，可达到几万小时以上，分辨率高，抗干扰能力较强；缺点是它无法直接读出转动轴的绝对位置信息。它除可直接用于测量角位移，还常用于测量转轴的转速，如在给定时间内对编码器的输出脉冲进行计数即可测量平均转速。2.绝对式编码器

由于增量式光电编码器有可能由于外界的干扰产生计数错误，并且在停电或故障停车后无法找到事故前执行部件的正确位置，采用绝对式光电编码器可以避免上述缺点。绝对式光电编码器由光源、与旋转轴相连的码盘、狭缝、光电元件组成。

这种编码器的特点是不要计数器，在转轴的任意位置都可读出一个固定的与位置相对应的数字码。显然，码道越多，分辨率就越高，对于一个具有N位二进制分辨率的编码器，其码盘必须有N条码道。目前国内已有16位的绝对编码器产品。

光电码盘的精度决定了光电式编码器的精度。因此，不仅要求码盘分度精确，而且要求其透明区和不透明区的转接处有陡峭的边缘，以减小逻辑“1”和“0”相互转换时，在敏感元件中引起噪声。7.3.3实际应用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）就可测出码盘转过的角度。为了能够得到绝对转角，在起始位置时，对可逆计数器要清零。

在进行直线距离测量时，通常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，这时编码器的转角对应直线移动部件的移动量，因此，可根据到伺服电动机和丝杆的转动以及丝杆的导程来计算移动部件的位置。2.转速测量

转速可由编码器发出的脉冲频率或周期来测量。利用脉冲频率测量是在给定的时间内对编码器发出的脉冲计数，其转速为：7.4光纤传感器

光纤传感器一般由三个环节组成，即信号的转换、信号的传输、信号的接收与处理。信号的转换环节是将被测参数转换成为便于传输的光信号；信号的传输环节，利用光导纤维的特性将转换的光信号进行传输；信号的接收与处理环节，将来自光导纤维的信号送入测量电路，由测量电路进行处理并输出。7.4.1光纤的结构和传输原理1.光纤的结构

光纤是采用石英玻璃和塑料等光折射率高的介质材料制成极细的纤维状结构。

光纤中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫做包层。纤芯具有大折射率，一般直径为几微米至几百微米，材料主体为二氧化硅。

围绕纤芯的是有较小折射率的玻璃包层，包层可以是折射率稍有差异的多层，其总直径约为100～200μm。

为了增强抗机械张力、防止腐蚀，在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料。2.光纤的传光原理

信息在光纤中的传输是依靠光作为载体进行的。光纤传输的基础是基于光的全内反射。

为满足光在光纤内的全内反射，光入射到光纤端面的临界入射角

应满足

一般光纤所处环境为空气，则

。要在界面上产生全反射，在光纤端面上的光线入射角应满足

通常将定义为光纤的数值孔径，用

NA表示。数值孔径反映纤芯接收光量的多少。数值孔径由光纤材料的折射率决定，而与光纤的几何尺寸无关。7.4.2光纤传感器的工作原理1.光纤传感器的组成

光纤传感器由光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等组成。2.光纤传感器的分类

根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器一般分为两大类：一类是利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器，称为功能型（FunctionalFiber）传感器，又称为传感型或物性型传感器；另一类是光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化，这类传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber）传感器，又称为传光型或结构型传感器。

按照光在光纤中被调制的原理，光纤传感器分为强度调制型、频率调制型、波长调制型、相位调制型和偏振态调制型5种类型。3.光的调制技术（1）光的强度调制

光强调制技术的基本原理是利用外界信号来改变光纤中光的强度，再通过测量输出光强的变化来实现对外界信号的测量。一般情况下，光调制技术可以分为功能型光强调制和非功能型光强调制。

功能型光强调制的基本原理是外界信号通过改变传感光纤的外形、纤芯与包层折射率比、吸收特性与模耦合特性等方法对光纤传输的光波强度进行调制。

非功能型光强调制的基本原理是根据光束位移、遮挡、耦合及其他物理效应，使通过一定的方式进入接收光纤的光强随外界信号变化而变化。（2）光的频率调制

光的频率调制是指被测量对光纤中传输的光波频率进行调制，频率的偏移反映了被测量的大小。目前使用较多的调制方法为多普勒法，即外界信号通过多普勒效应对接收光纤中的光波频率实施调制，它是一种非功能型调制。（3）光的波长调制

外界信号通过一定方式改变光纤中传输光的波长，测量波长的变化即可检测到被测量的变化，这种调制方式称为光的波长调制。光波长调制的方法主要有选频和滤波法，常用的有F-P干涉式滤光、里奥特偏振双折射滤光和光纤光栅滤光等。光的波长调制技术主要应用于医学、化学等领域。（4）光的相位调制

光的相位调制是指被测量按照一定规律使光纤中传播的光波相位发生相应改变，通过相位的变化来反映被测量。光的相位调制分为功能型调制、萨格奈克效应调制和非功能型调制三种。（5）光的偏振态调制

光的偏振态调制是指外界信号通过一定方式，使光纤中光波的偏振面发生规律性偏移（即旋光）或产生双折射，从而导致光的偏振特性发生变化，通过检测光偏振态的变化可测出被测量。光的偏振态调制可以分为功能型偏振调制和非功能型偏振调制两种。7.4.3光纤传感器的应用1.光纤加速度传感器2.光纤温度传感器

根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。3.光纤压力传感器7.5光栅传感器

光栅式传感器是利用光栅的莫尔条纹现象实现精密测量的一种传感器，具有可实现大量程高精度测量和动态测量、较强的抗干扰能力、易于实现测量及数据处理的自动化等优点。7.5.1结构与分类1.光栅的定义

光栅是一种等节距的透光和不透光的刻线均匀相间排列构成的光学元件。在玻璃尺或玻璃盘上，采用类似于刻线标尺或度盘的结构进行长刻线的密集刻划，可以得到黑白相间、间隔相同的细小条纹，没有刻划的白的区域透光，刻划的区域发黑，不透光。

以长光栅为例，光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，光栅的栅距（也称光栅常数或光栅的节距）为W，W＝a＋b，它是光栅的重要参数。

长光栅栅线的疏密（即栅距W的大小）常用每毫米长度内的栅线数（也称栅线密度）表示。例如，W＝0.02mm，其栅线密度则为50线/mm。2.光栅的种类

光栅其工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种：物理光栅是利用光的衍射现象进行工作，主要用于光谱分析和光波长等的测量；计量光栅是利用莫尔条纹原理工作，主要用于测量长度、角度、速度和加速度等物理量。

在实际应用中，计量光栅又分为透射光栅和反射光栅两种，透射光栅是在透明光学玻璃上均匀刻制出平行等间距的条纹形成的，而反射光栅是在不透光的金属载体上刻制出等间距的条纹所形成。

按光栅的栅线型式可分为长光栅和圆光栅两种。长光栅常用于直线位移的测量，条纹密度有每毫米25、50、100、250条等。长光栅一般分为黑白光栅和闪耀光栅。圆光栅主要用于角位移的测量。圆光栅有两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个同心小圆相切，该小圆直径很小，只有零点几或几个毫米。7.5.2工作原理1.基本原理

计量光栅有主光栅和指示光栅组成，一般主光栅和指示光栅的刻线密度相同，但主光栅要比指示光栅长得多。测量时，主光栅与被测对象相连，并随其一起运动，指示光栅固定不动。利用主光栅将被测物体的移动转换为莫尔条纹的移动，然后通过光电器件将位移量变换为正弦波电压，再通过后续的测量电路转换为对应的脉冲输出，实现被测物体位移的测量。被测物体的位移就等于栅距与脉冲数的乘积。主光栅的有效长度决定了光栅传感器的测量范围。2.莫尔条纹

通常将计量光栅的主光栅和指示光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ。以长光栅为例，当有光源照射时，由于挡光效应或光的衍射作用，在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，在与光栅刻线大致垂直的方向上会形成亮带；而在两光栅刻线错开的地方，形成暗带。这些明暗相间的条纹，就称为莫尔条纹。莫尔条纹的间距B与栅距W和两光栅刻线的夹角θ之间的关系为3.莫尔条纹的特性（1）运动对应性

当主光栅沿着垂直于刻线方向移动，莫尔条纹会沿着近似垂直于光栅移动方向运动。光栅移动一个栅距，莫尔条纹也随之移动一个条纹间距。当光栅改变移动方向时，莫尔条纹也随之改变方向。因此，两者运动方向是对应的，通过测量莫尔条纹的移动量和移动方向就可以判定光栅的位移量和位移方向。（2）位移放大作用

两光栅刻线的夹角θ很小，但由式（7-10）可以明显可以看出，莫尔条纹有放大作用，其放大倍数为K=B/W≈1/θ。（3）误差平均效应

莫尔条纹是由大量栅线（常为数百条）共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距的局部误差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小。若单根栅线位置的标准差为σ，莫尔条纹由n条栅线形成，则条纹位置的标准差为7.5.3辨向和细分技术1.辨向技术

为了辨别方向，通常采用在相距的位置上设置两个光电元件，以获得相位差为90

的两个信号。相距B/4的两个光电元件辨向电路原理图辨向电路各点波形2.细分技术

通常，光栅传感器的测量分辨率等于一个栅距。但是，在精密检测中，常常需要测量比一个栅距更小的位移量。为了提高分辨率，一般可以采用以下两种方法实现：一是通过增加刻线密度来减小栅距，但是这种方法受光栅刻线工艺的限制；二是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的脉冲，从而得到比栅距更小的值，以此来提高分辨率。细分的方法有多种，如直接细分、电桥细分、锁相细分、调制信号细分、软件细分等。

直接细分又称位置细分，常用的细分数为4，因此也称为四倍频细分。使用中，采用4个依次相距B/4的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内就会产生均匀分布的4个计数脉冲，再送到可逆计数器进行加法或减法计数，这样可将分辨率提高4倍。（a）未细分波形；（b）细分后的波形7.6光固态图像传感器

光固态图像传感器是高度集成的半导体光电传感器，它可以在一个器件上完成光电信号转换、传输和处理，具有体积小、重量轻、分辨率高、寿命长等优点，在工业生产中得到了广泛应用。

光固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成，它的核心是电荷转移器件CTD（ChargeTransferDevice），主要有五种类型，分别是电荷耦合器件（CCD）、电荷注入器件（CID）、金属-氧化物-半导体MOS型、电荷引发器件（CPD）和层叠型成像器件，其中CCD应用最为广泛。7.6.1CCD的结构和工作原理1.CCD的结构

电荷耦合器件（CCD）是由若干个电荷耦合单元组成。CCD的最小单元是在P型（或N型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm的SiO2，再在SiO2层上依次沉积铝电极而构成MOS结构元。将MOS阵列加上输入、输出端，便构成了CCD。2.工作原理（1）电荷的生成CCD是以电荷作为传输信号进行工作的。由半导体原理可知，当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“势阱”。

当一束光照射到MOS结构元上，衬底中处于价带的电子吸收光子的能量产生电子跃迁，形成电子－空穴对。电子－空穴对在外加电场的作用下，分别向电极两端移动，这就是光生电荷。这些光生电荷将被附近的势阱所吸收（或称俘获），并贮存在势阱中。此时，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比，这样的一个MOS结构元就称为光敏元，或称为一个像素，而一个势阱所收集的若干光生电荷则称为一个电荷包。势阱能够贮存的最大电荷量又称之为势阱容量，它与所加电压近似成正比。势阱容纳的电荷多少和该处照射光的强弱成正比。

通常在半导体硅片上制有几百个或几千个相互独立的MOS元，它们按线阵或面阵有规则地排列。如果在金属电极上施加一正电压，则在这个半导体硅片上就会形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。这就是CCD工作的基本原理。（2）电荷的传输

控制相邻MOS元栅极的电压高低可以调节势阱的深浅，使相邻MOS元的势阱能够相互耦合，就可使信号电荷由势阱浅处流向势阱深处，实现信号电荷的转移。为了让信号电荷按规定的方向转移，可在MOS元阵列上加载满足一定相位要求的驱动时钟脉冲电压，这样在任何时刻，势阱的变