第八章光电式传感器PPT课件

1、 器件：3、光电效应及光电器件 (1) 外光电效应及其器件 外光电效应特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。 需足够光能-光子能力 表面溢出功原理：光 阴极 光电子 阳极 空间电子流外接电阻 压降U=f(I)原理：光 物体表面 光电子发射 光电管应用：足够的光强，高速-光电开关 固体激光器-体积小，坚固，功率高 红宝石、（少用）气体激光器-小巧、单色性好、能连续工作、功率小 氦氖、CO2液体激光器-激光波长可连续调节（范围） 染料半导体激光器-效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性 特点：简单，灵敏度低 （充入惰性气体气体轰击自由电子）第1页/共28页光电倍增管原理：

2、光 阴极 光电倍增极 阳极 电流应用：开关测量 光电开关 ，计数 (2) 内光电效应 原理：导带禁带价带半导体能带图光电导效应： 器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管原理：光 电子-空穴对 导电性 电阻光生伏特效应: 原理： 光PN结（无偏置） 电子N, 空穴P 电动势 器件：光电池 （硅，锗） 特点：光电流大，灵敏度高 倍增率=n , -单极倍增率（36） n-倍增极数（414）光 半导体 电子吸收能量 跃迁 电子-空穴对第2页/共28页光敏电阻： 原理：电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻) 有光照-电子-空穴对增多-导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，

3、重量轻，性能稳定 批量生产，价格便宜 应用：工业自动化-开关元件，快速响应 家电-(感应式节能灯：判断照度)特性：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好 光照特性结构：金属封装-防潮光谱特性动态特性第3页/共28页光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode） 原理： 半导体PN结- 无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A； 光照时-电子N,空穴P 光电流 光照愈强 - 光电流愈大PN光照特性光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（bc结）+ 三极管应用：线性转换元件，开关元件， 特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性

4、好，光谱特性-单峰性光谱特性第4页/共28页特性：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好 光谱特性-单峰性 动态特性-响应速度低于光敏二极管应用：线性转换元件，开关元件 光照特性高速光电二极管 PIN结光电二极管（PIN-PD） ： I-高电阻率的本征半导体 响应速度快，灵敏度高，线性好， 用于光通讯，光测量光谱特性动态特性雪崩光电二极管： PN + P+ APD 响应速度快，灵敏度高，线性差， 用于光通讯脉冲编码第5页/共28页连接方式：开路电压输出-(a) 短路电流输出-(b) 特性：光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高 短路电流输出：线性好(电流-光强) ，灵敏度低 光

5、谱特性-硅电池：0.51.2m(红-红外)，峰值0.8 m(近红外) 锗电池：0.30.7m(紫-红)，峰值0.5 m(绿) 光电池原理： 光PN结电子N, 空穴P 电动势 光电能光电池（硅电池：单晶硅）特点：有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅） 工作于可见光波段-太阳能电池应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器) - 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）第6页/共28页四象限光电池位置敏感器件（PSD-Positional Sensing Device） 原理：光 光电二极管 空穴由N向P移动 空穴1端I1 空穴2端I2 121221/xxRRII说明：对于各

6、种光电元件： （1）暗电流：无光照时输出电流 热噪声 （2）温度特性：温度 灵敏度、光谱特性 降温、恒温、温度补偿 （3）器件材料： 硅 好于 锗原理：集成4光电池 - 四象限 光斑4分量I1 、I2 、I3 、I4 ；3241IIIIx4321IIIIy应用：二维位置检测，准直固态摄像器件： CCD比值：应用：位置检测(一维、二维)比值：第7页/共28页二、 一般形式的光电式传感器 透射式：光被测物光电元件，透射 - 测量透明度、混浊度；1、模拟式光电传感器 透射式：光被测物光电元件，2、脉冲式光电传感器 反射式：光被测物光电元件，反射 - 测量反射率、粗糙度、距离；遮光式：光被测物光电元件

7、，遮光度 - 测量位移、振动；辐射式：被测物光 光电元件，辐射强度 - 测量温度、放射线；反射式：光被测物光电元件，第8页/共28页三、 光电编码器 1、绝对式光电编码器 (1) 结构与原理 原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出 码盘：光学玻璃，透光/不透光 照相腐蚀 要求：分度准确（工艺）、 阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：LED 光学系统 平行光 投影精确 光电元件：硅光电池，光电晶体管 滞后 响应速度 码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率 角度分辨率：=360/2n n-码道数（位数） 测量电路：放大 足够电平 ，驱动 整形 接近理想方波 细分 提高分辨率（光学+电路）第9页/

8、共28页例：19位光电编码器，角分辨率：=360/219=2.47” (2) 编码码制：提高精度: 增加码道、增大码盘尺寸 有限 光学细分 附加码道 十进制码-简单，不易电路处理二进制码-直观，易于后续电路和计算机处理。 多位码同时动作同步误差错码格 雷 码-循环码：相邻两数只有一位不同每次只有一位变化转换 14位内码道+1位专用附加码道 19位附加码道周期与内码道最低位(最外)对应 正弦波+余弦波过零比较插值、移相过零脉冲细分16正弦波32个等分点5附加位第10页/共28页角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.52

9、25.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光电编码器码制第11页/共28页(3) 特点与应用 特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 直接数字量输出，绝对码输出， 测量范围小（360），速度不高（最高几千转/分）摩擦轮编码器2、增量编码器 (

10、1) 结构与原理 结构： 与绝对编码器类似应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置 小范围位移、速度检测例：直线 旋转 W 光学放大 提高灵敏度可调性：夹角 条纹间距B 灵活准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度 (2) 光栅传感器分类与结构原理 按光学形式分：透射式-光源与光电元件在两侧透射光反射式-光源与光电元件同一侧反射光(3) 光栅传感器特点 精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量 计数 断电数据消失要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂

11、 按运动形式分：直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动第15页/共28页2、光栅传感器的电路系统 (1) 光电转换 光电元件：硅光电池 光电二极管)/2sin(0WxUUum（直流分量+正弦信号）(2) 辨向原理 两路莫尔条纹信号相位差/2比较 （两个光电元件 相距B/4 ） 正向移动加计数 反向移动减计数(3) 细分技术 1个计数1个栅距分辨率刻线（条/mm）细分 二倍频细分： 两个光电元件两路信号(sin,cos)处理2个脉冲/栅距四倍频细分： 2个光电元件信号反向4路信号(sin,cos,-sin,-cos)处理4个脉冲/栅距 4个光电元件4路信号(sin,cos

12、,-sin,-cos)处理4个脉冲/栅距光电检测：光强信号明暗条纹 一点观察光强变化第16页/共28页电桥细分： 4路信号（sin,cos,-sin,-cos）电桥电位器过零比较器多个脉冲（1260） 电平切割细分： 4路信号（sin,cos,-sin,-cos）比较器电平幅值切割多个脉冲（40100） 其他方法： 移相电阻链法（1060）、锁相细分法（1001000）、矢量法（620）、 载波调制法（1001000）、内插值法（2540）、光学调制法（2001000）3、零位光栅增量码绝对零位基准/标志绝对码测量 零位光栅 ： 单刻线：一条透光狭缝，宽度相同 近似三角波信噪比低，匹配难 多刻

13、线：一组不等间距、不等宽度条纹对称尖脉冲定位精度高0.1m4、光栅传感器应用 应用：实验室、计量室 高精度仪器、设备 几何量（三坐标、万工显） 例：立式测长仪光源1透镜2平行光标尺光栅3+指示光栅5 被测尺寸测杆标尺光栅移动莫尔条纹光电元件6 标尺光栅V型滚珠导轨 指示光栅浮动盘4无需调整 技术指标：刻线50条/mm，20倍频细分， 范围050mm，精度1m 第17页/共28页五、 固态图像传感器 固态特性传感器 = 电荷转移器件 + 光敏元件阵列+自扫描功能1、CCD的基本原理 最小单元（像素）： P型硅衬底+SiO2层+Al金属电极 MOS电容器件阵列+输入极+输出极CCD (2) 工作原

14、理： (1) CCD结构：初始状态：表面电极+正偏压衬底形成耗尽区(势阱) 电极吸收电子电荷包CCD的MOS结构电荷转移注入电荷：光注入-摄像器件 电注入-位移寄存器 热注入-热像器件电荷转移：3个电极时钟脉冲(相位不同)P1电荷包 P1+P2电荷包P2电荷包电荷包转移 （P1P2）（三相）电荷转移器件（CTD）、 电荷耦合器件（CCD） 电荷输出：时钟脉冲电荷包转移PN结收集输出第18页/共28页2、线阵CCD传感器 (1) 线阵CCD结构 一列感光元件+一列CCD并行(一一对应)转移栅 一维阵列 (2) 线阵CCD工作原理 入射光光电元件光电荷光电荷收集（光积分）转移栅电压升高光电荷并行转

15、移移位寄存器时钟脉冲电荷串行输出 光积分：光电元件收集/积累光电荷与光强、时间成正比曝光量 (3) 线阵CCD特点 光谱特性：多峰性多晶硅电极+工艺分辨率高：像素数10246k,像素尺寸613m速度快：光积分时间相当于一个行时信号强度弱：一般需增加光积分时间 (4) 线阵CCD应用 一维测量：工件尺寸、振动振幅、偏摆量、速度、位移、二维测量：+机械扫描装置-摄像、传真、扫描仪、慢扫描电视 CCD光谱第19页/共28页3、面阵CCD传感器 (1) 面阵CCD结构 二维阵列感光元件+一列CCD并行（一一对应）行扫描+输出寄存器 (2) 面阵CCD工作原理 行扫描：隔行扫描/逐行扫描 (3) 面阵C

16、CD特点 光谱特性：多峰性多晶硅电极+工艺 （与线阵CCD相同）分辨率低：像素数（100*100）（1024*1024）,像素尺寸810m速度慢：光积分时间+航扫描时间 （40ms）色彩：黑白CCD-灰度图像，8位（256级）彩色CCD-RGB信号（Red/Green/Blue）, 8位（24位） (4) 照明方法 照明条件好坏成像质量图像清晰度/细节分辨率/对比度/阴影 漫反射照明：适于表面光滑、形状规矩物体 表面特性 透射照明：（背光照明）适于不透光物体黑白二值图像轮廓识别 结构光照明：平行光光栅/网格条纹光/网格光物体几何特性(三维) 定向照明：平行光束 物体表面 反射 表面缺陷/ 第2

17、0页/共28页(5) 图像处理 滤波： 图像滤波去噪声：光电元件热噪声、量化误差、电气噪声、辐射噪声 平滑化处理此丢失图像细节 111181111滤波方法：邻域平均法-平均值新灰度值 中值滤波法-中值新灰度值 数字滤波器-边缘检测： xf边缘位置：灰度变化最大处检测方法：微分法-df/dx=max 灰度梯度法- 空间灰度矩法 -图像描述 物体几何特征：点、线、面拟合 (6) 面阵CCD应用 一维测量：工件尺寸、振动振幅、偏摆量、速度、位移、二维测量：摄像、形状、识别(物体、数字)、二维尺寸(锥角、齿形、螺纹) 第21页/共28页六、光纤传感器 1、光纤传感器的原理与特点 (1) 光纤波导原理

18、12n2n1c全反射：光密介质1 光疏介质2 ( n1n2) 2211sinsinnn 190 全反射 临界角：2=901=C 12/sinnnC光纤波导原理：空气n0纤芯n1包层n2 (n1n2n0) 空气纤芯： 1100sinsinnn纤芯包层： 90sin)90sin(211nn（全反射） NAnnn2221001sinNA-数值孔径 张角（0） 一般： NA = 0.20.4 对应张角 11.523.6 01第22页/共28页(2) 光纤截面形式：(3) 光纤的模：2、 光纤传感器 分类：功能型（FF）- 光纤为敏感元件 传感型 单模光纤 非功能型(NF) - 光纤为传输介质 传光型 多模光纤阶跃型-纤芯折射率恒定不变， 包层界面处突变；梯度型-纤芯折射率岁半径变，包层界面处一致 光聚焦，正弦波轨迹全反射驻波（往返相位变化2）光线组模离散（基模、高次模）多模光纤：模数多，传输频率高，芯径大，折射率差大;单模光纤：1基模，传输频率低，芯径小，折射率差小 特点：灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、结构简单、传输性好应用：位移、振动、压力、应变、速度、加速度、电流、电压、磁场、 温度、湿度 第23页/共28页3、光纤传感器应用 (1) 光纤位移传感器 微弯式：