7光电式传感器

1、第7章 光电式传感器,物理基础:光电效应,1000,000 nm,10 nm,780 nm,380 nm,可见光,红外光,紫外光,2020年8月9日7时51分,2,第7章 光电式传感器,系统构成 光源光路光电器件信号调理电路 测量原理 被测量光学量光电器件电量 电流、电压，或电导率 物理基础光电效应，红外技术， 激光干涉原理，激光衍射原理， 激光全息原理,2020年8月9日7时51分,3,第7章 光电式传感器,利用光学原理进行精密测量的技术: 几何光学原理 照相机; 望远镜; 显微镜 干涉光学原理 静态干涉:测量面与参考面光波干涉条纹的分布与变形表面的微观几何形貌: 干涉显微镜 动态干涉：定点

2、干涉条纹的移动量微尺寸、微位移： 干涉测长仪 激光全息干涉原理 衍射光学原理 光遇障碍物时传播方向发生改变：微位移精密测量,2020年8月9日7时51分,4,第7章 光电式传感器,利用光学原理进行精密测量的技术: 红外光学原理 红外测温仪，红外雷达，红外探测器 光导纤维原理 光纤通信 光纤传感器 被测量改变光的强度、相位、频率 ,2020年8月9日7时51分,5,第7章 光电式传感器,特点 频谱宽： 紫外红外； 适应多维测量； 非接触测量,动态性能好； 高精度, 高分辨力 应用 检测, 控制领域,2020年8月9日7时51分,6,7.1 光源,光源是光纤通信与光电检测的重要组成部分。 选择光源

3、要考虑哪些因素： 波长 谱分布 相干性 功 率 稳定性 体 积 造 价 常见的光源 自然光源太阳光 人工光源热辐射光源，气体放电光源 激光器，电致发光器件,2020年8月9日7时51分,7,基于热辐射原理 热物体受热后都会产生光辐射，基于此原理的光源称为热辐射光源。 类型 白炽灯： 可见近红外波段 寿命几千小时 卤(碘)钨灯 寿命延长，价格贵,7.1.1 热辐射光源,2020年8月9日7时51分,8,7.1.2 气体放电光源,电流通过置于气体中的两个电极时会放电发光 波长与气体的种类有关; 低压汞灯254nm, 钠灯589nm, 高压氙气 特点: 光谱不连续； 波长与气体类别及放电条件有关;

4、用于做单色光源,2020年8月9日7时51分,9,7.1.3 电致发光光源,电致发光现象 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象,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 电致发光器件 发光二极管 半导体激光器 .,体积小 寿命长 工作电压低 响应速度快 发热小,2020年8月9日7时51分,10,7.1.4 激光器laser,特点: 单色性好、方向性好、亮度高、相干性好 类别 固体激光器（红宝石:含5%铬的氧化铝） 气体激光器（He-Ne ,CO2 ） 半导体激光器（通信与光电测量的主要器件） 液体激光器,2020年8月9日7时51分,11,7.2 光电器件,作用:

5、将光信息转换为电信号 光信息:光强度、光相位、光频率 电信号:电流、电压、电阻 分类： 热辐射探测器 光子探测器,2020年8月9日7时51分,12,7.2.1 热辐射探测器,热辐射探测原理 任何物质温度大于 都会辐射红外线； 红外线何以被物质吸收，使其温度升高. 光照射到温度传感器传感器温度升高电信号. 对被测光的波长无选择性. 分类： 测辐射热电偶 测辐射热敏电阻 热释电探测器,2020年8月9日7时51分,13,(1)测辐射热电偶,原理:基于热电效应； 结构:与普通热电偶相似,但热端加一片黑体材料； 黑体几乎全部吸收照在其上的红外辐射，并使热电偶的热端温度升高，进而将红外辐射转换成热电势

6、.,2020年8月9日7时51分,14,(2) 测辐射热电偶,原理:热电阻效应 结构:与普通热电阻相似采用NTC负温度系数缓变型热敏电阻 热敏层表面涂以发黑材料，以增强吸热效率,2020年8月9日7时51分,15,(3) 热释电探测器,热释电效应: 一些铁电材料,分子正负电荷中心不重合; 部分电偶极距有序排列,外表面带有一定电荷; 光辐射照到材料上后,电偶极距有序排列减弱; 材料表面电荷减少释放电荷 从而将光辐射转换成电荷. 应用： 防火、防盗、遥感、红外测温仪,2020年8月9日7时51分,16,7.2.2 光子探测器,物理基础：光电效应 光具有波粒二象性：粒子说、波动说 光子具有一定的能量

7、 布朗克常数 ， f :光的频率 原理： 光照射在物体上，光子的能量传递给电子，电子获得能量动能增加，摆脱内部粒的束缚，成为自由电子。自由电子： 逸出材料表面外光电效应； 在物体内参与导电内光电效应； 电导率发生变化光电导效应； 积累电荷光生伏特效应. 光能电能,2020年8月9日7时51分,17,7.2.2 光子探测器,特点： 光子探测器响应速度快，可以达到ns级； 对红外光的波长具有选择性； 入射光的频率必须大于材料的“红限”； 光子探测器需要冷却，工作环境要求较严格 类型： 光电发射型(光电管、光电倍增管) 光电导型(光敏电阻) 光电结型(光敏二极管、光敏晶体管) 光电伏特型(光电池),

8、2020年8月9日7时51分,18,光电管 结构：光电阴极阳极真空玻璃罩 光电材料：银氧铯锑铯镁化镉 原理： 无光照时，阴极与阳极短路，回路无电流； 光打在阴极上，阴极电子或得能量逸出材料表面外(光电子); 在外加电场作用下，光电子被阳极吸收，阴阳极间形成电子流; 回路中产生电流(光电流)与光得强度成正比. 外光电效应的条件“红限”,(1) 光电发射型,材料的逸出功 光电子逸出的初速度,入射光的频率必须大于 光电阴极材料的红限,2020年8月9日7时51分,19,(1) 光电发射型,光电倍增管 提高光电管的灵敏度 由光电阴极若干个倍增极阳极真空玻璃罩 极间电位依次升高. 原理： 阴极光照产生光

9、电子； 经电场加速打击到倍增极D1； 产生更多的光电子(二次光电子)； 依次类推，在阳极吸收大量的二次光电子，得较强得电流. 灵敏度高，电源电压高(400V),须冷却.,2020年8月9日7时51分,20,(1) 光电发射型,光电倍增管的性能曲线 光电特性 阳极电压不变时， 阳极电流I与光通量的关系(线性)，可做测量元件. 伏安特性 光通量不变时，阳极电流I与阳极电压 关系(线性) 具有饱和性，饱和时光电子被全部吸收 光谱特性 光通量和阳极电压不变时，光电流与入射光波长的关系 器件对波的波长具有选择性,2020年8月9日7时51分,21,(2) 光电导型(光敏电阻、光导管),半导体材料在光的作

10、用下，电阻率发生变化的现象称为光导效应 结构与原理,1-光导层 2-玻璃窗口 3-金属外壳 4-电极 5-陶瓷基座 6-黑色绝缘玻璃 7-电阻引线,无光照时,半导体材料载流子极少,电阻很高(暗电阻), 电路中无电流流过； 有光照时,半导体中载流子剧增,电阻极剧下降(亮电阻),电路中有对应的电流产生.,暗电阻:10100M 亮电阻:10k, 材料：硫化镉、硫化铊、硫化铅,2020年8月9日7时51分,22,(2) 光电导型(光敏电阻、光导管),光敏电阻的性能曲线 光电特性 电源电压不变时，电流I与光通量的关系(非线性)，可做测光元件或光控开关. 伏安特性 光通量不变时，电流I 与电压关系(线性)

11、 在允许功率下，光敏电阻是良好线性器件. 光谱特性 光通量和电压不变时，电流与入射光波长的关系. 器件对波的波长具有选择性. 可探测波长比其他光子探测器宽得多.,频率特性 硫化铅高频 硫化铊低频,2020年8月9日7时51分,23,(3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管),结构： 与普通二极管和三极管相似， 只是其PN结具有光敏特性. 原理 光敏二极管的PN结在电路中反向偏置; 无光照时,结内仅有极少数载流子,回路中只有极小的反向饱和漏电流(暗电流10-810-9A),二极管方向截至; 有光照时,结内激发大量的载流子,反向漏电流显著增加(亮电流,与光照成正比).,光敏二极管的光电流与光通量

12、成线性 关系，适应于光的检测； 动态性能好，响应速度快(10s)； 但灵敏度低，温度稳定性差。,2020年8月9日7时51分,24,(3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管),原理 光敏三极管的集电结具有光敏特性; 集电结相当于一个光敏二极管; 无光照时,集电结只有极小的反向饱和漏电流,经三极管放大后成为暗电流; 有光照时,集电结内激发出大量的载流子,反向饱和漏电流显著增加,经放大后形成亮电流. 光敏三极管比光敏二极管灵敏度高数十倍,适用于弱光的测量.,2020年8月9日7时51分,25,(3) 光电结型 (光敏二级管、光敏三极管),光敏晶体管特性曲线 光电特性:线性,测量元件. 伏安特性:

13、与普通晶体管类似;反向饱和电流即为光电流. 光谱特性:波长选择性 频率特性:高频测量,负载电阻越小频带越宽 温度特性 输出电流影响小 暗电流影响大,2020年8月9日7时51分,26,(4) 光生伏特型(光电池),光生伏特效应 某些半导体材料受光照时在一定方向产生电动势 具有光生伏特效应的器件被称为光电池 材料： 硅(红外)、硒(可见光) 结构： 由N型半导体(或金属)与P型半导体组成的PN结,2020年8月9日7时51分,27,(4) 光生伏特型(光电池),硅光电池(太阳能电池) N型单晶硅片+P型薄层+电极PN结; N中电子向P中扩散， P中空穴向N中扩散; 无光照时，载流子扩散形成阻挡层

14、，阻止P中空穴的进一步扩散，动平衡；,有光照时，PN结附近P型层中激发出电子空穴对，电子穿过阻挡层，积累在N型硅，空穴留在P型层中; 两电极间电场逐渐增强，直至电场足以抵制电荷的进一步漂移； 当光强度一定时，电动势达到动态平衡,相当于一个电池; 连接两级，由电流流过。 N为负极，P为正极。,硒光电池中，金属板代替N型硅，原理相同,2020年8月9日7时51分,28,(4) 光生伏特型(光电池),特性曲线 光电特性 开路电压与光照度成非线性关系; 短路电流与光照度成线性关系; 光电池以电流输出,负载100.,伏安特性 开路电压与短路电流的关系，用于确定最大功率负载 光谱特性 硒光电池光谱范围：0

15、.30.7m 硅光电池光谱范围：0.51m 频率特性 温度特性: 温度补偿,短路工作状态,光电传感器的应用,2020年8月9日7时51分,30,一、烟尘浊度检测仪,光源：400nm700nm 光检测器范围：400600nm,图2-10 吸收式烟尘浊度检测仪框图,2020年8月9日7时51分,31,二、光电转速传感器,图2-11 光电转速测量,略去2例,2020年8月9日7时51分,32,四、光断续器应用,图2-14 料位检测,透射式,2020年8月9日7时51分,33,反射式,2020年8月9日7时51分,34,产生线上的自动计数,2020年8月9日7时51分,35,7.3 电荷耦合器件CCD

16、,Charge Coupled Devices 具有自扫描功能的图像传感器 集MOS光敏元阵列与读出移位寄存器于一体 应用领域 摄像机、广播电视、可视电话、传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、遥感 指纹检测、数码显微镜、车身检测、工件尺寸及缺陷检测、对刀仪、复杂形貌测量 特点:集成化、数字化、微机化、小型化、高精度,2020年8月9日7时51分,36,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.1 MOS光敏单元 结构：P型硅氧化物金属电极 电极上未加电压: P-Si的空穴均匀分布在半导体中,Si-SiO2界面处电位处处相等; 电极上加正电压VG，衬底硅接地: P-Si中的空穴被电场排斥远离Si-

17、SiO2界面,而金属极覆盖范围之外的空穴不受排斥，仍然维持原状; 在金属极下方形成一个耗尽层。,1,势阱,2020年8月9日7时51分,37,7.3 电荷耦合器件CCD,势阱的性质 电极电压越高势阱越深； 势阱对于电子的表面势很低; 当势阱内产生自由电子孔穴对时,空穴被排斥到阱底下方，电子积累在势阱内; 势阱可以存储负电荷；,1,光敏单元中存储的电荷两叫电荷包； CCD中一个光敏单元称为像素.,电荷产生：光电效应,极板穿孔 减薄极板 背射,2020年8月9日7时51分,38,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.2 电荷的转移 CCD传感器由多个光敏单元和一个读出位移寄存器组成; 线阵：光敏单元

18、排列成一条线; 面阵：光敏单元排列成一个二维平面; 电荷由寄存器在时钟信号驱动下, 逐个顺序输出.,2020年8月9日7时51分,39,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.2 电荷的转移(线阵) 三相时钟控制时序 MOS电容中每三个为一组，三个单元分别由三相时钟控制。 时钟1控制1、4、7、10; 时钟2控制2、5、8、11; 时钟3控制3、6、9、12.;,2020年8月9日7时51分,40,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.2 电荷的转移(线阵) 时刻t1: 1=1，2=3=0 电极1、4下面的势阱最深 电荷存储在1、4势阱,2020年8月9日7时51分,41,7.3 电荷耦合器件CCD

19、,7.3.2 电荷的转移(线阵) 时刻t2 11，21，30 电极2、5下的势阱加深，其深度与电极1、4的势阱相同 原来在1、4势阱下的电荷就有向势阱2、5移动的趋势。,2020年8月9日7时51分,42,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.2 电荷的转移(线阵) 时刻t3 1下降，1、4势阱变浅 21，30 势阱2、5深比势阱1、4深 势阱1、4中的电荷开始向2、5中转移,2020年8月9日7时51分,43,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.2 电荷的转移(线阵) 时刻t4 13 0：1、4势阱消失 21：2、5势阱最深 电极1、4势阱下的电荷全部转移到势阱2、5中 电荷完成了由一个势阱向

20、下一个势阱的转移,依次循环，电荷在时钟脉冲的 驱动下，逐步转移到输出端。,2020年8月9日7时51分,44,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.3 电荷输出 电流输出 电压输出,2020年8月9日7时51分,45,7.3 电荷耦合器件CCD,7.3.4 CCD的应用 数码设备,2020年8月9日7时51分,46,尺寸测量,2020年8月9日7时51分,47,玻璃管在线测量,2020年8月9日7时51分,48,热轧铝板宽度在线监测,2020年8月9日7时51分,49,OCR光学文字识别,2020年8月9日7时51分,50,7.4 位置敏感器件PSD,Position Sensitive Det

21、ector 检测连续光点位置的光电元件坐标光电池 基于内光电效应 类型 一维PSD：测量光点的一维直线坐标位置 二维PSD：测量光点的二维平面坐标位置,2020年8月9日7时51分,51,7.4 位置敏感器件PSD,Position Sensitive Detector 检测连续光点位置的光电元件坐标光电池 基于内光电效应 类型 一维PSD：测量光点的一维直线坐标位置 二维PSD：测量光点的二维平面坐标位置,2020年8月9日7时51分,52,7.4 位置敏感器件PSD,7.4.1 PSD的工作原理 结构： PIN三层结构的平板半导体硅片； 材料具有内光电效应； P、N层沿x方向电导率均匀；

22、连接方式： N层公共极接电源正极； P层两输出极接电源负极。,2020年8月9日7时51分,53,7.4 位置敏感器件PSD,7.4.1 PSD的工作原理 原理 光线照到P层一点时，光点附近产生电子空穴对; 在外加电场的作用下，正电荷进入P层，负电荷进入N层;,空穴沿P区表面扩散，形成两路电流I1和I2； 由于P层电阻率均匀，因此两电流与其电阻成反比：,2020年8月9日7时51分,54,7.4 位置敏感器件PSD,7.4.1 PSD的工作原理 原理：,结论： 光点坐标只与电流的比值有关，与光束强度无关; 光点坐标与光斑的能量中心有关，与光斑形状无关.,两电流之和与光强度成正比,2020年8月

23、9日7时51分,55,7.4 位置敏感器件PSD,7.4.1 PSD的工作原理 面阵PSD结构、原理,Ly: y方向长度,Lx: x方向长度,2020年8月9日7时51分,56,7.4 位置敏感器件PSD,PSD的应用 可连续测量光斑的位置； 坐标测量精度与光斑的形状无关，只与光斑的能量中心有关，减小杂光日光的干扰； 同时检测光点的位置和强度： PSD总输出电流反映光点的光强; 两极电流之差反映光点的位置。 分辨率高，一维PSD可达0.02m； 响应速度快：1s.,2020年8月9日7时51分,57,应用举例：距离测量,一维PSD距离传感器 物体移动范围L2L1 成像坐标对应x1x2 对任一位

24、移Ln：,2020年8月9日7时51分,58,7.5 光纤传感器,光导纤维 光导纤维发明于20世纪70年代； 起初用于光通信； 光纤与半导体激光器、光探测器一起构成光电子学新技术； 光导纤维传感器始于1977年。 位移、力、振动、应变、温度、磁场 本节内容： 光纤结构、传光原理、分类 光纤传感器结构与调制原理 光纤传感器应用举例,2020年8月9日7时51分,59,7.5.1 光纤的结构与导光原理,光纤的结构 芯层：高折射率n1 :5-75m, SiO2+ZeO2/P2O5 包层：低折射率n2 :100-200m, SiO2+B2O3/SiO4 加涂层 保护层：尼龙、塑料管 光缆：多根光纤组成

25、 相对折射率差,2020年8月9日7时51分,60,7.5.1 光纤的结构与传光原理,光纤的传光原理全反射原理 ：端面入射角； ：为端面折射角； ：芯层与包层分界面入射角; c : 芯层与包层间的临界入射角: 当 时，光线在界面上发生全反射； 光线反复全反射，直至从光纤的另一端面。 此即光纤的传光机理。,n1,2020年8月9日7时51分,61,7.5.1 光纤的结构与传光原理,光纤的传光原理全反射原理 在入射端面上，空气折射率n0 若当 时， 令： 只有当c时，光线才能在光纤中传播 NA为光纤的数值孔径, c：孔径角 NA越大，光源与光纤的耦合效率越高 NA与光纤的几何尺寸无关,2020年8

26、月9日7时51分,62,7.5.1 光纤的结构与传光原理,光纤的分类 按芯层材料： 高纯度石英SiO2玻璃纤维 光损耗小：=1.2um时，光耗0.47dB/km 多组分玻璃纤维（常规玻璃） 光损耗较小：=0.84um时，最低光耗3.4dB/km 塑料光纤 光损耗大：=0.63um时，光耗100-200dB/km 但重量轻、成本低、柔性好，适用于短距离导光,光纤的损耗:损耗指光信号功率传输每单位长度衰减的程度,用分贝/公里(dB/km)表示,2020年8月9日7时51分,63,7.5.1 光纤的结构与传光原理,光纤的分类 按传输模式： 单模光纤 芯径几微米，接近光的波长；只传输一种模数的光； 频

27、带宽、线性度好、传输性能好；制造、光耦合困难。 常用于传感器； 多模光纤 芯径50um，远大于波长；传输多模数的光； 频带窄、性能差; 易于制造、耦合； 用途广泛。,沿径向传播的光在两次反射后， 相位变化2的整数倍，此波叫 一个驻波，一个驻波是一个模。,2020年8月9日7时51分,64,7.5.1 光纤的结构与传光原理,光纤的分类 按折射率变化： 阶跃光纤： 芯层、包层折射率均匀，光线沿折射传播 梯度光纤（自聚焦光纤）： 光纤由中心轴线开始，沿径向折射率按抛物线逐渐递减，光线按近似正弦曲线射传播,2020年8月9日7时51分,65,7.5.2 光纤传感器结构与调制原理,光纤传感器的结构 传感

28、型光纤传感器(物性型、功能型) 光纤的双重作用 敏感元件; 传光媒介. 传光型光纤传感器(结构型、非功能型) 光纤：传光媒介;,力、热、磁 压力、变形,光强、光相位 频率、偏振方向,2020年8月9日7时51分,66,光纤传感器的调制原理,光强调制 被测量破坏光纤的内全反射条件强度发生变化; 调制方法：光纤位移、光栅、反射、微弯辐射等; 是最早的光纤调制方法，简单可靠； 光纤、连接器、耦合器、光电检测元件、光源等均已商品化。,2020年8月9日7时51分,67,光纤传感器的调制原理,光强调制,最小检测量1Pa,2020年8月9日7时51分,68,光纤传感器的调制原理,相位调制 光纤中光的相位取

29、决于： 波导长度; 折射率及其分布; 波导横向尺寸等; 力、应变、张力、温度、磁场等可以改变波导参数; 用干涉仪检测相位的变化.,玻璃纤维,2020年8月9日7时51分,69,光纤传感器的调制原理,相位调制,2020年8月9日7时51分,70,光纤传感器的调制原理,频率调制/波长调制 光学多普勒效应：光电接收元件与光源之间有相对运动时，光电元件接收到的光的频率s与光源光的频率不同. s=/(1-v/c)(1+v/c)+ v光源与检测器的相对速度 c光速 流体速度、流量,2020年8月9日7时51分,71,光纤传感器的调制原理,光纤多普勒流速测量系统,2020年8月9日7时51分,72,光纤传感

30、器的调制原理,热色溶液波长调制测温原理,热色溶液：氯化钴的异丙醇溶液; 65W钨丝白光源; 白光经有色溶液后，用滤光镜检出两波长的散射光; 颜色（波长）与温度的关系如图： 500nm(red) 处光强 D1 与温度T无关,常数; 650nm(Green)处光强 D2 有峰值，且与温度T一一对应; T=K*D1D2 即为波长调制测温原理,2020年8月9日7时51分,73,光纤传感器的调制原理,加速度传感器,温度传感器,2020年8月9日7时51分,74,光纤麦克风,2020年8月9日7时51分,75,7.6 光栅式传感器,7.6.1 光栅的结构 玻璃或金属板上均匀刻线 刻线处不透光，未刻线处透

31、光 线宽a，缝宽b，栅距W 栅线密度：20125线/mm 短光栅：指示光栅(固定不动) 长光栅：主光栅、标尺光栅 两尺小角度、小缝隙叠合形成光栅 两尺相对移动时，产生莫尔条纹。 与光源配合测量长度计量光栅,2020年8月9日7时51分,76,径向圆光栅,7.6.1 光栅的结构,光栅传感器的特点 高精度、高分辨率 0.5um; 大量程，达数米； 动态、数字化测量； 环境要求高，仅次于激光干涉传感器 计量光栅的种类 长光栅与圆光栅(径向、切向) 金属光栅与玻璃光栅 透射光栅与反射光栅 振幅光栅与相位光栅,切向圆光栅,2020年8月9日7时51分,77,7.6.2 莫尔条纹,莫尔条纹的光学原理 相位光栅用衍射理论解释 振幅光栅用几何光学解释 光栅相互遮光莫尔条纹 若两光栅栅距相等：W=2a=2b,两栅夹角； 主