第7章光电式传感器

1、传感器原理与应用传感器原理与应用被测量被测量被测量被测量光源光源光电光电器件器件光电式位移传感器光电式位移传感器光电式扭矩传感器光电式扭矩传感器光电式水浸开关传感器光电式水浸开关传感器光电式转速传感器光电式转速传感器光电式烟雾探测器光电式烟雾探测器) 1 . 7(2102AmhE上式称为上式称为爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程。)2 . 7(/00hA 若若 0，入射光强再大也不会产生光电发射；，入射光强再大也不会产生光电发射；若若 0，即使光强微弱也会，即使光强微弱也会产生产生光电发射。光电发射。) 1 . 7(2102AmhE) 1 . 7(2102AmhE)3 . 7(nm124

2、0/gg00EhEcc例如，锗例如，锗 Eg0.75 eV，硅，硅 Eg1.2 eV。+-PN-+-PN+-+-PN 当光照射阴极时，电子从阴极当光照射阴极时，电子从阴极逸出，在电场作用下被阳极收集，逸出，在电场作用下被阳极收集，形成电流，该电流引起负载上的压形成电流，该电流引起负载上的压降随光照强弱而变化，从而实现了降随光照强弱而变化，从而实现了将光信号转换为电信号的目的。将光信号转换为电信号的目的。)4 . 7(niM 一般一般M在在105108之间。设光电阴极的光电流为之间。设光电阴极的光电流为I0 ，则到达阳极的电流为，则到达阳极的电流为：)5 . 7(0niII 1. .光敏电阻光敏

3、电阻 光敏电阻又称光敏电阻又称光导管光导管，是一种均质半导体光电，是一种均质半导体光电器件。如图所示，在玻璃底板上均匀地涂上一层薄器件。如图所示，在玻璃底板上均匀地涂上一层薄薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑薄的半导体材料，两端装上金属电极，然后压入塑料封装体内。料封装体内。太阳能应急灯太阳能应急灯编码器用硅光电池编码器用硅光电池)6 . 7()()()(maxrSSS 硫化镉硫化镉光敏电阻的伏安特性如图所示。照度不同光敏电阻的伏安特性如图所示。照度不同时，曲线斜率不同，表明电阻值随照度而改变。时，曲线斜率不同，表明电阻值随照度而改变。)e1 ()(/titii( (t) )上升到稳

4、态值上升到稳态值i的的0.63倍时所需的时间倍时所需的时间( (即即t 时时) )称为探测器响应时间。称为探测器响应时间。20)(1)(DD式中，式中，D0为调制角频率为调制角频率 0时的响应度；时的响应度； 为响应为响应时间。时间。 雪崩二极管具有很高雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但的灵敏度和响应速度，但输出线性差，在光通信中输出线性差，在光通信中占有重要地位。雪崩二极占有重要地位。雪崩二极管实物图如图所示。管实物图如图所示。 其其P+ +N结为浅结，结为浅结，NP结为深结。当光线照射时，结为深结。当光线照射时，紫外光吸收系数大，经过很短距离就被紫外光吸收系数大，经过很短距离就被P+

5、 +N结吸收完结吸收完毕。而红外光吸收系数小，主要在毕。而红外光吸收系数小，主要在NP结处被吸收。结处被吸收。因此，浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外因此，浅结对紫外光有较高的灵敏度，而深结对红外光有较高的灵敏度。光有较高的灵敏度。 到达到达P层的空穴分成两路：层的空穴分成两路：一路沿表面电阻一路沿表面电阻Rl流向流向1端形成端形成光电流光电流Il；另一路沿；另一路沿R2流向流向2端端形成形成I2；当电阻层均匀的时候，；当电阻层均匀的时候，R2/ /Rlx2/ /xl，则，则Il/ /I2R2/ /Rlx2/ /xl。ERLUoIoOG321P SiN Si 这种转移方式有效光敏面这种转

6、移方式有效光敏面积大、转移速度快、转移效率积大、转移速度快、转移效率高，但电路比较复杂，易引起高，但电路比较复杂，易引起图像模糊，目前应用较少。图像模糊，目前应用较少。 这种方式芯片尺寸小，这种方式芯片尺寸小，电荷转移距离比帧传输方式电荷转移距离比帧传输方式短，因此具有较高的工作频短，因此具有较高的工作频率，但单元结构复杂，且只率，但单元结构复杂，且只能以正面投射图像，背面照能以正面投射图像，背面照射会产生串扰而无法工作。射会产生串扰而无法工作。 设其中透光的线宽为设其中透光的线宽为a，不透光的线宽为不透光的线宽为b，一般，一般ab。图中图中dab，称为，称为光栅栅距光栅栅距( (光栅节距光栅

7、节距或或光栅常数光栅常数) )，是光，是光栅尺的一个重要参数。栅尺的一个重要参数。)7 . 7(cos221222121WWWWWWB)8 . 7(WB 令令W0.02 mm， 0.0017 rad( (即即0.1 ) )，则，则B11.46 mm。这样，光电接收元件就可以直接安置这样，光电接收元件就可以直接安置在放大了的莫尔条纹宽度范围内。在放大了的莫尔条纹宽度范围内。1光源；光源；2聚光镜；聚光镜；3标尺光栅；标尺光栅；4指示指示光栅；光栅；5光电接收元件光电接收元件 光电接收系统。光电接收系统。5为光为光电接收元件。电接收元件。 光光阑阑。在有的光栅光学。在有的光栅光学系统中，为了达到某

8、种目的，系统中，为了达到某种目的，还设有光还设有光阑阑。 特点是结构简单、紧凑、调整使用方便。对于特点是结构简单、紧凑、调整使用方便。对于栅距较大的光栅，多数采用这种系统，在长度及圆栅距较大的光栅，多数采用这种系统，在长度及圆分度测量中得到了广泛应用。分度测量中得到了广泛应用。BL1234 这样，当条纹自上向下移过一个周期这样，当条纹自上向下移过一个周期B时，条纹时，条纹便依次扫过光电池的四个极片，这四个极片便发出四便依次扫过光电池的四个极片，这四个极片便发出四路在相位上分别是路在相位上分别是0 、90 、180 和和270 的信号。这的信号。这是目前应用最广泛的一种典型结构。是目前应用最广泛

9、的一种典型结构。BL12341标尺光栅；标尺光栅；2指示指示光栅；光栅；3物镜；物镜；4反反射镜；射镜；5光源；光源；6聚聚光镜；光镜；7物镜组；物镜组；8光电接收元件光电接收元件 )9 . 7( )(2CMLL 这样，当这样，当M2移动时，光程差移动时，光程差 不断变化，不断变化，光电元件接收到明暗交替变化的光强，变化的光电元件接收到明暗交替变化的光强，变化的级次级次N反映了反映了M2的移动距离。的移动距离。)12. 7(sin10ddx 用用CCD或或PSD测出测出 ，即可知道位移，即可知道位移x。10ddsinx 1. .压力测量压力测量 如图所示。如图所示。 2. .温度测量温度测量 如图所示，两种材料线如图所示，两种材料线膨胀系数不同，温度变化使膨胀系数不同，温度变化使得悬臂梁自由端上下移动，得悬臂梁自由端上下移动，移动量与温度有关。移动量与温度有关。NKII0S式中，式中，K为常数，为常数，I0为为入射光光强。入射光光强。)13. 7(60Nfn 式中，式中，N为调制盘齿数或转轴为调制盘齿数或转轴上黑上黑( (或白或白) )条纹数。条纹数。)15.