中科大新型传感器技术与应用课件08光电式传感器

第8章光电式传感器

8.1光电器件

8.2光纤传感器

8.3光栅式传感器

8.1光电器件

1.外光电效应

一束光是由一束以光速运动的粒子流组成的，这些粒子称为光子。光子具有能量，每个光子具有的能量由下式确定：E=hυ式中：h——普朗克常数=6.626×10-34(J·s)

υ——光的频率（s-1）。所以光的波长越短，即频率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波长越长，其光子的能量也就越小。在光线作用下，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。光照射物体，可以看成一连串具有一定能量的光子轰击物体，物体中电子吸收的入射光子能量超过逸出功A0时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。根据能量守恒定理式中：m——电子质量；

v0——电子逸出速度。上式为爱因斯坦光电效应方程式,由式可知：光子能量必须超过逸出功A0，才能产生光电子；入射光的频谱成分不变，产生的光电子与光强成正比；光电子逸出物体表面时具有初始动能 ，因此对于外光电效应器件，即使不加初始阳极电压，也会有光电流产生，为使光电流为零，必须加负的截止电压。

2.内光电效应

在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内光电效应。内光电效应又可分为以下两类：（1）光电导效应在光线作用下，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，这种现象称为光电导效应。光敏电阻就是基于这种效应的光电器件。（2）光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应。基于该效应的光电器件有光电池。8.1.1光敏电阻

1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管，它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。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，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。

光敏电阻的结构很简单，图8-1（a）为金属封装的硫化镉光敏电阻的结构图。在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体物质，称为光导层。半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。为了防止周围介质的影响，在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜，漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。为了提高灵敏度，光敏电阻的电极一般采用梳状图案，如图8-1（b）所示。图8-1（c）为光敏电阻的接线图。

图8-1光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图

2.光敏电阻的主要参数光敏电阻的主要参数有：

(1)暗电流光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。

(2)亮电流光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

(3)光电流亮电流与暗电流之差称为光电流。照相机自动测光光控灯工业控制8.1.2光敏二极管

1.结构原理光敏二极管的结构与一般二极管相似。它装在透明玻璃外壳中，其PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射（见图8-7）。图8-7光敏二极管结构简图和符号

图8-8光敏二极管接线图

光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态（见图8-8），在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。

8.1.3光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。

图8-15硅光电池原理图(a)结构示意图；(b)等效电路

光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。图8-15为硅光电池原理图。光电池

光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。相机测距反射式光电传感器8.2.1光纤结构及其传光原理

1.光纤结构光导纤维简称光纤，它是一种特殊结构的光学纤维，结构如图8-33所示。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外层叫包层。纤芯和包层通常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，光纤的导光能力取决于纤芯和包层的性质。在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。图8-33光纤的基本结构8.2光纤传感器

2.光纤传光原理众所周知，光在空间是直线传播的。在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随着光纤能传送很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。设有一段圆柱形光纤，如图8-34所示，它的两个端面均为光滑的平面。光纤是一种传输光的细丝，它能够将进入光纤一端的光线传到光纤的另一端。通常光纤由两层光学性质不同的材料组成。光纤的中间部分是导光的纤芯，纤芯的周围是包层。图8-34光纤的传光原理光纤传光的基础是光的全内反射。当光线以入射角进入光纤的端面时，在端面处发生折射，设折射角为，然后光线以角入射至纤芯与包层的界面。当角大于纤芯与包层间的临界角时，则射入的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。实际工作时光纤可能弯曲，只要仍满足全反射定律，光线仍继续前进。由于光纤具有一定的柔软性，很容易使光线“转弯”，这给传感器的设计带来了极大的方便。8.2.2光纤模式

光纤模式是指光波传播的途径和方式。对于不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。光纤按传输的模式分为单模光纤和多模光纤两类。简单地说，光在纤芯中传播就是交变的电场和磁场在光纤中向前传输，可分解为轴向和径向传播的平面波，沿径向传播的平面波在纤芯和包层的界面上产生反射。如果此波在一个往复（相邻两次反射）中相位变化为的整数倍，就能形成驻波。只有形成驻波的光才能在光纤中传播，一个驻波就是一个模。在光纤只能传输有限个模。只能传输一个模的光纤为单模光纤；传输多个模的光纤，称为多模光纤。8.2.3光纤传感器

1.光纤传感器的工作原理及组成光纤传感器原理实际上是研究光在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、振动、电场等）与光的相互作用，即研究光被外界参数的调制原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。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，缩写为FF）传感器，又称为传感型传感器；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，缩写为NFF）传感器，又称为传光型传感器。

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，如图8-35所示。图8-35光纤传感器组成示意图根据光受被测对象的调制形式（分三种不同的调制形式）1.强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、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。2频率调制型光纤传感器利用由被测对象引起的光频率的变化来进行监测的传感器。3相位调制光纤传感器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。然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。1）物性型光纤传感器光纤流速传感器

结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。2）结构型光纤传感器光纤检测型光电传感器作业件检测颜色检测

2.光纤传感器的应用

（1）光纤加速度传感器光纤加速度传感器的组成结构如图8-36所示。图8-36光纤加速度传感器结构简图

质量块上下移动，光的相位发生改变。（2）光纤温度传感器光纤温度传感器是目前仅次于加速度、压力传感器而被广泛使用的光纤传感器。图8-37半导体光吸收型光纤温度传感器结构原理图当温度变化时，半导体的透光率随之变化，接收光纤接收到的光量也变化。

3.光纤旋涡流量传感器

光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动的频率与流速有关。测出频率就可知流速。这种流量传感器结构示意图如图8-39所示。图8-39光纤旋涡流量传感器

8.3光栅式传感器

一、栅式数字传感器的分类根据栅式数字传感器的工作原理，可分为光栅和磁栅两种。光栅是由很多等节距的透光缝隙和不透光的刻线均匀相间排列构成的光电器件。按其原理和用途，它又可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象，主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅主要利用莫尔现象，测量位移、速度、加速度、振动等物现量。计量光栅又有透射光栅和反射光栅之分，具体制作时又可制作成线位移的长光栅和角位移的圆光栅。本节主要介绍透射式的长度计量光栅。

计量光栅的基本元件是主光栅和指示光栅。它们是在一块长条形光学玻璃上，均匀刻上许多明暗相间、宽度相等的刻线，如图所示。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。若划线宽度为a，缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为W＝a+b。通常取a=b＝W/2。

二、透射式计量光栅的结构和工作原理光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹

若将两块光栅(主光栅、指示光栅)叠合在一起，并且使它们的刻线之间成一个很小的角度θ，如下图所示。由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，而在一块光栅的刻线与另一块光栅的缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线近似垂直的方向，将出现明暗相间的条纹，这些条纹就称为莫尔条纹。光栅与莫尔条纹示意图主光栅指示光栅指示光栅移动方向莫尔条纹

如果改变θ角，两条莫尔条纹间的距离B也随之变化。由下图可知，条纹间距B与栅距W和夹角θ有如下关系：

当指示光栅沿着主光栅刻线的垂直方向移动时，莫尔条纹将会沿着这两个光栅刻线夹角的平分线的平行方向移动，光栅每移动一个W，莫尔条纹也移动一个间距B。

θ越小，B越大，当θ小于1°以后，可使B>>W，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。