感测技术》第八章光电传感器

1、第八章 光电传感器 第一节 常用光电器件 一、光敏电阻 二、光电池 三、光敏二极管和光敏晶体管 四、常用光电器件的应用 第二节 光栅传感器 一、莫尔条纹 二、光栅传感器的组成 三、辨向原理 四、细分技术,第八章 光电传感器 光电传感器是一种将光信号转换成电信号的装置,第一节 常用光电器件 光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E 与其频率 的大小成正比（即E =h，式中h =6.62610-34JS，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应，这是实现光电转换的物理基础。,光电效应表现

2、形式 光电导效应光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。 光生伏特效应光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。 光电发射效应光照使物体表面发射电子。,一、光敏电阻 1光敏电阻的光电效应 光敏电阻是典型的光电导效应器件。 无光照时，其阻值很高； 有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低； 光照停止，又恢复高阻状态。,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,无光照时 电流称之为暗电流 光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻 暗电阻通常为兆欧级 有光照

3、时 电流称之为亮电流； 光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻， 亮电阻一般为千欧以内。 由光照所产生的自由电子空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。,部分光敏元件的光谱特性,2光敏电阻的基本特性 （1）光谱特性 光电敏电阻的光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。,（2）光照特性 在一定的电压下，光电流I 与光照强度E 的关系 光敏电阻具有很高的光照灵敏度 具有明显的非线性 可作控制元件，不宜作计量元件。,光敏电阻的光照特性,(4）频率特性 光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性 光敏元件具有一定的惰性，调制频率f 越高，电

4、流相对灵敏度Kr 越低 有的材料光响应时间达几百毫秒。光敏电阻的响应时间不但与元件的材料有关，而且还与光照强弱有关，光照越强，响应的时间越短。,光敏电阻的频率特性,光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉 向P区，P区的光生电子 被拉向N区；在P区聚积 正电荷，带正电，在N区 聚积负电荷，带负电， 即在P区和N区间形成一定 伏特数的电位差，称之 为光生电势。,光电池的光电效应,二、光电池 1光电池的光电效应 是典型的光生伏特效应器件。 无光照时，扩散运动形成一个大面积的PN结，PN结电场方向是由N区指向P区,2光电池

5、的基本特性,（1）光谱特性,光电池的光谱特性,（2）光照特性 光电池在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流,硅光电池光照特性,开路电压指光电池输出端开路时的电压，即光生电势 短路电流指光电流输出端短路时的电流，即光生电流 短路电流在很宽的光照范围内都具有线性特性,开路电压与光强成对数关系，电路电流与光强成线性关系 受照结面积越大，短路电流越大。 当光电池作为测量元件时，应以电流源形式使用（利用其 短路电流与光强的线性关系） 当外接负载的电阻远小于光电池内阻时，即可看作为短路 电流。且负载越小，短路电流的线性关系越好，线性范围 越宽。,（3）频率特性,光电池的频率特性,硅光电池具有较稳定的

6、频率特性,三、光敏二极管和光敏晶体管 1光敏管的光电效应 光敏二极管和光敏晶体管也是典型的光生伏特性效应器件。,无光照射：光敏二极管反偏、高阻截止状态，极小暗电流 有光照射：光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流I。光敏二极管呈低阻导通态,当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压， 当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，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，这样便会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倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏二极管和光敏三极管在使用时，应注意保持光源与光

7、敏管的位置合适，即：使入射光恰好聚集在管芯所处的 区域，以利于光敏管接受光照，从而获得最大的灵敏度。 同时，为了避免灵敏度改变，使用中必须保持光源与光敏 管的相对位置不变。,2光敏管的基本特性 （1）光谱特性,光敏管的光谱特性,（2）光照特性 光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶体管的光照特性为非线性,（a ）光敏二极管 （b）光敏晶体管 硅光敏管的光照特性,（3）伏安特性 光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度。,（a）光敏二极管 （b）光

8、敏晶体管 硅光敏管的伏安特性,（4）频率特性 光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响应速度达0.1s，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。,无光照时，调整元件参数，使得三极管截止，常开继电器开路， LD灭。,有光照时，D1的电阻下降。 在交流电源的正半周，D2截止，常开继电器K开路，LD灭； 在负半周，三极管导通，K闭合，LD亮。,无光照灯灭，有光照灯亮。此为亮通电路。,将D1与R的位置对调，即为暗通电路。此时，无光照灯亮 有光照灯灭，可用于照明路灯的控制。,四、光电传感器的类型,按其输出量的性质分为两类 1、输出连续光电流。 1）光源本身是被测物，称为光辐射式。如光

9、电比色高温 计，其光通量和光谱的强度分布与温度成单值对应关系。,2）恒光源的光通量穿过被测物，部分被吸收后，其余到 达光电元件，称为光透射式。光的吸收量取决于被测物质 的性质。如：测量气体或液体的透明度、混浊度等的光电 比色计。,3）恒光源的光通量到被测物，再从被测物表面反射后投 射到光电元件上，称为光反射式。被测物表面的反射条件 取决于其表面性质或状态。如：测量物体表面光洁度、粗 糙度等。,4）从恒光源发射到光电元件的光通量被被测物遮挡了一 部分，从而改变了照射到光电元件上的光通量，称为遮挡 式。可用于测量尺寸、振动等。,2、输出离散的光电流，即开关量。 这种常用于光电继电器式的检测装置，如

10、：转速表。,五、常用光电器件的应用 1光电耦合器 光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组成，一般用金属或塑料外壳封装。其中发光器件通常都是发光二极管，光电转换器件一般是光敏二极管或光敏晶体管。,光耦电气符号,典型电路,2、光电耦合器的组合形式,1）通用光耦 结构简单，成本低，适用于50Hz以下的工作频率。,2）高速光耦 采用高速开关管构成，适用于较高频率的场合。,3）高效光耦 采用放大三极管构成，具有较高的传输效率。 适用于较低工作频率和直接驱动负载的场合。,4）高速高效率光耦 采用固体功能器件，具有高速、高传输效率的优点。,2光电转速计 光源：白炽灯泡（不能使用日光灯，日光灯以600

11、Hz频率闪烁） 光电转换器：光敏二极管或晶体管。 旋转轴转动：光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管上，将光信号转换为电信号，经整形输出电脉中，根据电脉冲的 频率就知道 旋转轴的转 速。,3反射式固体表面粗糙度计 光源发出一定照度的光入射到被测固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光电池上。 被测表面越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电流越大。根据电流大小，可以判断被测表面的粗糙度。,固体表面粗糙度计,4透射式薄膜厚度计 光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿过薄膜出射到光电池上。 薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电流

12、越大。 可以用于检测薄膜的厚度、印刷机纸张监控、液体的混浊度、或气体和固体的透明度。,薄膜厚度计,5烟雾报警器,没有发生火灾时，光电三极管收不到LED发出的光 发生火灾时，产生大量烟雾，烟雾进入罩内后对光有散射作用，使部分光线照射到光电三极管上,对射式光电开关,反射式光电开关,漫反射式光电开关,6光电式接近开关,6光电式接近开关,对射式,对射式,反射式,光电式带材跑偏检测,包装充填物高度检测,光电信号,放大,执行机构,放大,整形,光电开关,第二节 光栅传感器 光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实现角位移或线位移的测量。用来测量角位移的光栅

13、称作圆光栅，用来测量直线位移的光栅称作直光栅，其工作原理是一样的，这里仅介绍直线位移光栅传感器。,一、莫尔条纹 1、光栅传感器的结构 光栅传感器由：照明系统、光栅副和光电接收元件组成。 光栅副是主要部件，由主光栅（也称标尺光栅）和指示光 栅组成。,透射光栅是在光学玻璃上面均匀刻有许多线条，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹所组成。,图中m 为暗条（不透光条）宽度，n 为亮条（透光条）宽度，W = m + n 称之为光栅的栅距或光栅常数。通常亮条和暗条具有相同的宽度（也有m：n=1.1：0.9的），亮条（或暗条）密度有每毫米10、25、50、100条等。,直光栅尺,莫尔条纹演示,指示光栅比主光

14、栅短的多，但两者的条纹密度相同。 光源一般是钨丝白炽灯，其输出功率较大，工作范围可达 -40130，但寿命较低。近年来，常采用固态光源， 如砷化镓发光二极管工作范围为-66100，发出的光 近似红外光（波长9194um)，转换效率较高，响应速度 可达2us。功耗和热耗散都很低。,2、莫尔条纹形成 把光栅常数 W 相等的两光栅尺相对叠合在一起，并使两光栅尺栅条之间保持很小的夹角，在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹。图中在aa线上的两光栅尺重合，光线可从其缝隙中透过，形成亮带；在bb线上，两光栅尺彼此错开，挡住光线通过，形成暗带。,莫尔条纹的间距BH 与光栅常数的关系为,=/

15、 2 ，由于角很小，即莫尔条纹的方向与x方向夹角很小，因而莫尔条纹的方向近乎垂直于直光栅尺的栅条。,莫尔条纹的间距,莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与夹角决定。 当光栅常数W为定值时，两光栅的夹角越小，则条纹宽 度越大（即条纹越稀）。 通过调节夹角，可以使条纹宽度具有任何所需的值。,3莫尔条纹的主要特性 （1）莫尔条纹的间距对光栅常数W 具有放大作用,有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m,由于栅距很小，因此无法观察光强的变化,BH W/ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/

16、0.0314 = 0.637mm,莫尔条纹的宽度是栅距的32倍，较大，因此可以用小面积 的光电池“观察”莫尔条纹光强的变化。,同理，若=0.57=0.01rad，则BH=100W。 可见，光栅能够将较小位移量转换为较大位移量以便测量,例：某光栅的栅线密度为50条/mm，主光栅与指示光栅的 夹角为0.01rad。 1）求其莫尔条纹的间距BH。 2）若采用4个光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二 极管的响应时间为10-6s，求光栅的最大移动速度。,（2）莫尔条纹便于采用“倍频”技术 莫尔条纹的光强变化近似正弦。若将计数单位变成比 一个周期W更小的单位，如W/8，则相当于提高了计数频 率。这样可以

17、提高测量精度或者可以采用较粗的光栅。,（3）莫尔条纹可以消除光栅尺局部缺陷引起的误差 光电元件上接收到的是透过众多栅条形成亮带的光信 号光栅尺的局部缺陷对亮带透光量影响极小，对刻线 的误差起到了平均作用。即：光栅尺的栅条或栅条间 距存在的局部缺陷不会引起莫尔条纹的误差。使得光 栅的测量精度可能高于光栅本身的刻线精度。普通标 尺是不可能做到的。,（4）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动大小和方向 当固定斜光栅尺、左右移动直光栅尺时，莫尔条纹则 作上下移动。 若被测体跟随直光栅尺移动，则可根据莫尔条纹移动 的大小和方向，判断被测体移动的大小和方向。,二、光栅传感器的分类 根据莫尔条纹

18、特性制作的光栅位移传感器，按光路形成方式可分为两大类，即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。 1垂直透射式光栅传感器,透射式光栅传感器图,（2）透镜的作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。 （3）主光栅又称标尺光栅，它有固定的光栅常数W、亮条宽度n和暗条宽度m，通常。测位移时，被测体保持与主光栅相同的位移大小和方向。,（1）光源常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管,（4）指示光栅比主光栅短得多，通常具有与主光栅相同的光栅常数和亮、暗条宽度。测位移时，指示光栅不动，主光栅移动。 （5）光电元件常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接放大器，以获得尽可能大的信号输出，以提高抗干扰能

19、力。,2反射式光栅传感器 光源发射的光，经聚光镜和物镜后形成平行光束，以一定的角度穿过指示光栅、射向主光栅。这里的主光栅不形成透射光，照射到主光栅上的光产生反射光后与指示光栅形成莫尔条纹，此莫尔条纹光再经反射镜反射、物镜组聚焦后投射到光电元件上，以实现位移的测量。,三、辨向原理,实际应用中，被测物体的移动可能是双向的，既有正向位 移也可能有反向位移。 单个光电元件只能识别莫尔条纹的明暗变化，不能判别莫 尔条纹的移动方向，也就无法判别被测物体的运动方向， 从而不能正确测量位移。 如：被测物体正向移动10个栅距后再反向移动1个栅距。 实际位移量为9个栅距。但，单个光电元件将得到11个条 纹信号，显

20、然是不正确的。,辨别莫尔条纹移动方向：至少需要两个光电元件接收莫尔条纹光信号 在相距1/4莫尔条纹间距BH上分别安装一个光电元件1和2 主光栅移动时，莫尔条纹的光照射到两光电元件上 两光电元件将产生相位差为/2的电信号,（a）两光电元件 （b）辨向电路,（c）主光栅左移 （d）主光栅右移 光栅传感器辨向原理,（c）和（d）是当主光栅移动时辨向电路各点的输出波形 当主光栅向左移（A向）时，莫尔条纹则上移（B向）。此时光电元件感光的先后是先1后2，因而光电元件1和2输出电压u1超前、u2滞后，相位差为/2，,电压u1和u2经放大整形电路处理后输出矩形波u1和u2，此矩形波通过辨向电路，使输出端y1

21、无信号，y2端输出正脉冲。主光栅每左移一个光栅栅距W 的距离， y2输出一个正脉冲，此正脉冲将触发可逆计数器作加1计数。,四、细分技术 主光栅每位移一个栅距W，辨向电路就产生一个电脉冲， 分辨率为一个栅距。 例如，若光栅尺刻线密度为每毫米100条，则栅距W=1000m/100=10m，即分辨率为10m 。 增加光栅尺刻线密度,可以提高分辨率，但加大了光栅尺的制作难度和成本。精度1um，即需在1mm内刻1000条，精度提高到0.1um，则1mm内需刻10000条刻线。目前的工艺水平只能达到7000条/mm。 为了提高分辨率，目前普遍采取的方法是：在选择合适的栅距W 前提下，使主光栅每位移一个栅距，产生多个脉冲输出。即减小辨向电路输出脉冲间隔，提高计数脉冲的频率，故又称倍频细分。下面介绍