沈航传感与测试技术3.4光电式

1、2022-5-51( 传感器定义、组成及分类传感器定义、组成及分类( 电参量型传感器电参量型传感器( 电量型传感器电量型传感器( 光电式传感器光电式传感器( 光纤传感器光纤传感器( 数字式传感器数字式传感器2022-5-52& 光电式传感器光电式传感器(Photoelectric Sensor)是以是以光电器件光电器件作为转换元件作为转换元件的传感器总称。用来测量的传感器总称。用来测量的其他非电量；也可用来测量的其他非电量；也可用来测量的其他非电量。的其他非电量。 一一概述概述二二光电传感器的组成光电传感器的组成三三光源光源四四光电器件光电器件五五光电传感器及其应用光电传感器及其应用六

2、六新型光电器件新型光电器件2022-5-53&传统电测传感器与光电式传感器的区别：传统电测传感器与光电式传感器的区别：: :以以作为转换元件。作为转换元件。被测量被测量敏感元件敏感元件电参量电参量/ /电量电量转换元件转换元件导线导线导线导线非电物理量非电物理量被测量被测量被测对象被测对象/光调制器光调制器电参量电参量/ /电量电量导线导线被测介质、被测介质、空气或光导纤维空气或光导纤维光信号光信号传统电测传感器：传统电测传感器：光电式传感器：光电式传感器：光电器件光电器件各种实现各种实现机机- -电电转换传感器转换传感器各种实现各种实现光光- -电电转换传感器转换传感器2022-5-

3、54光照射到某些物质上，引起物质的光照射到某些物质上，引起物质的发生变化，发生变化，。这。这的现象被人们统的现象被人们统称为光电效应（称为光电效应（Photoelectric effect）。）。1887年，赫兹在做证实麦克斯韦年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。偶然发现了光电效应。1905年，爱因斯坦提出光子假设，年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。年诺贝尔物理奖。2022-5-55分为：分为：外光电效应外光电效应和和内光电效应内光电效应。外光电效应外光电效应

4、是被光激发产生的电子是被光激发产生的电子物质表面，形物质表面，形成成真空真空中的电子的现象。中的电子的现象。内光电效应内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴空穴）仍在物质）仍在物质运动，使物质的运动，使物质的电导率电导率发生变化发生变化或产生光生伏特的现象。或产生光生伏特的现象。&光电效应中产生的光电子的速度与光的光电效应中产生的光电子的速度与光的频率频率有关，有关，而与光强无关。而与光强无关。2022-5-56&光电式传感器的一般主要包括光电式传感器的一般主要包括四个部分。四个部分。 测量电路测量电路光源光源光通路光通路光电器件

5、光电器件被测量被测量x1被测量被测量x2光量光量电参量电参量或电量或电量光量光量电量输出电量输出图图3.67 光电式传感器的组成光电式传感器的组成被测体或被测体或人造光源人造光源各种光调制器各种光调制器实现光实现光-电电转换器件转换器件对光电器件输出对光电器件输出的电信号进行的电信号进行放大或转换，放大或转换， 2022-5-57&光是电磁波谱中的一员，光电式传感器使用的光的光是电磁波谱中的一员，光电式传感器使用的光的波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见波长范围处在紫外至红外之间的区域，一般为可见光和近红外光。光和近红外光。&工程检测中的光源，由各种发光器件产生，或是物

6、工程检测中的光源，由各种发光器件产生，或是物体的辐射光。利用物体在不同温度下的辐射光的强体的辐射光。利用物体在不同温度下的辐射光的强度和频谱特性不同进行测温的方法，称辐射测温法。度和频谱特性不同进行测温的方法，称辐射测温法。&工程上常见的人造光源按其工程上常见的人造光源按其不同，可分为不同，可分为。 2022-5-58 利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源。物利用物体升温产生光辐射的原理制成的光源。物体升温越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波体升温越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。例如长也就越短。例如。 特点特点：光谱线丰富，包含可见光与红外光；发光光谱线丰富，包含可见

7、光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，危险。效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，危险。 利用电流通过置于气体中的两个电极时，两电极利用电流通过置于气体中的两个电极时，两电极之间会放电发光的原理制成的光源。之间会放电发光的原理制成的光源。 特点特点：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外：效率高，省电，功率大；含有丰富的紫外线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制线和频谱；容易污染环境，玻璃易碎，发光调制频率较低。频率较低。2022-5-59 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象，它是固体发光材料在电场激发下产生的发光现象，它是将电能直接转换成光能的过程。将电能直接转换成光能

8、的过程。 特点特点：体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无体积小，属固体光源，耐振动；无辐射，无污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成污染；功耗低；寿命长；响应快；供电电压低；成本低。本低。 某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，某些物质的分子、原子、离子在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子率相同的光子( (受激发射受激发射) )。具有光的受激辐射放大功能。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。的器件称为激光器。 特点特点：频率单纯、能量高度集中的光，具有单色性好、频率单纯、能

9、量高度集中的光，具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等。方向性强、亮度高、相干性好等。 2022-5-510&调制调制(modulation)：使一个信号（载波）的某些参数在另一：使一个信号（载波）的某些参数在另一信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。信号（调制信号）的控制下发生变化的过程。光调制光调制：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。：使载波光波的参数随外加信号变化而变化的过程。光调试过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完光调试过程就是将一携带信息的信号叠加在载波光波上，完成这一过程的器件叫做成这一过程的器件叫做调制器调制器。&解调解调(demodu

10、lation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程。：从已调制波中恢复出调制信号的过程。光的解调光的解调：将载波光携带的信号转换的强度变化，然后由：将载波光携带的信号转换的强度变化，然后由光电探测器进行检测。光的解调过程通常是将载波光携带的光电探测器进行检测。光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成信号转换成光强度变化光强度变化，然后由光电器件进行检测。，然后由光电器件进行检测。包括包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调光强度调制、光频率或波长调制、光相位调制和光偏振态调制制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。其中光强度调制是最常用的调制技术。2022-5-511&

11、光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的基于器件的基于工作的。工作的。1. 光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件 所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电所谓光电效应是指物体吸收了光能后产生的电效应。效应。 光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应2022-5-5121.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(1) 外光电效应及器件外光电效应及器件 基于外光电效应的光电器件有基于外光电效应的光电器件有光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。 光电管光电管 光电倍增管光电倍增管(2)

12、 内光电效应及器件内光电效应及器件 在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应成使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应成为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：为内光电效应。内光电效应按其工作原理可分为两种：光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应。2022-5-5131.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2) 内光电效应及器件内光电效应及器件 光电导效应及器件光电导效应及器件光照后电阻率变化的现象称为光电导效应光照后电阻率变化的现象称为光电导效应 。基于这种效应的光电器

13、件有基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二光敏电阻、光敏二极管极管和和光敏三极管光敏三极管。a. 光敏电阻光敏电阻b. 光敏二极管（反向偏置光敏二极管（反向偏置PN结）结）c. 光敏三极管光敏三极管2022-5-5141.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2) 内光电效应及器件内光电效应及器件 光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件 光生伏特效应是光照引起光生伏特效应是光照引起PN结（正向偏置）两端产生电结（正向偏置）两端产生电动势的效应。动势的效应。 基于这种效应的光电器件是基于这种效应的光电器件是光电池光电池。光电池是自发电式。光电池是自发电式有源器件，属于能量转换型、电压输出型传

14、感器。有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。PN结电场结电场光生电子光生电子- -空穴对空穴对图图3.75 PN PN结光生伏特效应原理图结光生伏特效应原理图光照使不均匀半导体或半导体与光照使不均匀半导体或半导体与金属结合的不同部位之间产生电金属结合的不同部位之间产生电位差的现象。位差的现象。2022-5-515照度 /lx0200040000.10.20.30.20.40.6光光生生电电压压/V光光生生电电流流/mA硅光电池的光照特性硅光电池的光照特性1.光电效应及其典型器件光电效应及其典型器件(2) 内光电效应及器件内光电效应及器件 光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件 光电池与外电

15、路的两种连接方式：光电池与外电路的两种连接方式：a.a.开路电压输出：开路电压输出：开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜开路电压与光照度之间呈非线性关系，灵敏度高，宜作开关元件。作开关元件。短路电流短路电流开路电压开路电压短路电流大小与光照成短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元正比，可作线性检测元件使用。件使用。b.b.短路电流输出：短路电流输出：2022-5-516： 光生伏特效应：光电池光生伏特效应：光电池光敏三极管光敏三极管光敏二极管光敏二极管光电导效应：光敏电阻光电导效应：光敏电阻内光电效应内光电效应光电倍增管光电倍增管外光电效应：光电管和外光电效应：光电管和光电效应光电

16、效应2022-5-5172.光电器件的性能参数光电器件的性能参数(1) 光照特性光照特性 光电器件灵敏度的表征，反映光电器件输入光量与输光电器件灵敏度的表征，反映光电器件输入光量与输出光电流出光电流( (光电压光电压) )之间的关系。之间的关系。 光照特性常用光照特性常用响应率响应率（Response rate）R来描述：来描述：光输入功率光输入功率输出电压输出电压电压响应率，电压响应率，输出电流输出电流电流响应率，电流响应率，对光生伏特器件：对光生伏特器件：对光生电流器件：对光生电流器件：iPVPIiPViPIPVRIRP/VRP/IR2022-5-5182.光电器件的性能参数光电器件的性能

17、参数(2) 光谱特性光谱特性光谱响应光谱响应 指相对灵敏度指相对灵敏度K与入射光波长与入射光波长之间的关系。之间的关系。(3) 响应时间响应时间 反映它的动态特性。时间响应小，表示动态特性好。反映它的动态特性。时间响应小，表示动态特性好。对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。时间的限制。 (4) 峰值探测率峰值探测率 表征光电器件噪声水平的性能参数。表征光电器件噪声水平的性能参数。探测系数带宽探测系数带宽积积光敏器件的有效光敏面光敏器件的有效光敏面 fAPfAfAPDNENE/1* 探测器件的性能常用峰值探探测器件的性能常用峰值

18、探测率测率D D* *表征，表征，D D* *值大，噪声值大，噪声等效功率小，器件性能好。等效功率小，器件性能好。 2022-5-5192.光电器件的性能参数光电器件的性能参数(5) 温度特性温度特性 温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特温度变化不仅影响光电器件的灵敏度，同时对光谱特性也有很大影响。在室温条件下工作的光电器件由于性也有很大影响。在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行灵敏度随温度而变，因此高精度检测时有必要进行或使它在恒温条件下工作。或使它在恒温条件下工作。(6) 伏安特性伏安特性 在一定光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间在一定

19、光照下，对光电器件所加端电压与光电流之间的关系为伏安特性。的关系为伏安特性。 2022-5-520& 光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电光电传感器是非接触式测量，根据输出量的性质可以将光电传感器分成传感器分成两大类。两大类。(a)(a)吸收式；吸收式；(b)(b)反射式；反射式；(c)(c)遮光式；遮光式；(d)(d)辐射式辐射式(c)光电器件光电器件光源光源工件光源光源(b)光电器件光电器件工件光电器件光电器件被测物被测物(d)图图3.80 模拟式光电传感器应用示例模拟式光电传感器应用示例光源光源烟筒烟筒(a)光电器件光电器件2022-5-521开关式光电传感器开关

20、式光电传感器 脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的“有有”、“无无”的两种不同状态，经适当的调理电路输出的两种不同状态，经适当的调理电路输出“通通”、“断断”的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号。的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号。孔数或黑白条纹数目。孔数或黑白条纹数目。的关系：的关系：秒秒个个分）与频率分）与频率（转（转转速转速NNfn)/(f/n602022-5-522 光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光光位置敏感器件是利用光线检测位置的光敏器件。当光照射到硅光电二极管的某一位置时，则光电流照射到硅光电二极管的某一位置

21、时，则光电流I1/I2= =R2/R1=x2/x1，故只要测出，故只要测出I1和和I2便可求得光照射的位便可求得光照射的位置。置。 (a)原理原理(b)结构结构图图3.83 光平面位置检测器光平面位置检测器图图3.82 光位置敏感器件原理图光位置敏感器件原理图x1x212R2R1 I1I2PN2022-5-523 是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有是电荷转移器件与光敏阵列元件集为一体构成的，具有自扫描功能的摄像器件。自扫描功能的摄像器件。 从功能上说从功能上说，它是一个能把受光面的光像分成许多小单，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元元( (称为像元称为像元) )，并将它们转换

22、成电信号，然后顺序地输，并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。送出去的器件。 从构造上说从构造上说，是一种小型固态集成元件，其核心是，是一种小型固态集成元件，其核心是电荷电荷转移器件转移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用，其中最常用的是电荷耦合器件的是电荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由阵列式排列在衬底上的金属由阵列式排列在衬底上的金属- -氧化物氧化物- -硅硅(Metal Oxide Semi-Conductor，简称，简称MOS) )电容器组成，它具电容器组成，它具有有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能光

23、生电荷、积蓄和转移电荷的功能。2022-5-524 典型一维图像传感器由一列光敏单元和一列典型一维图像传感器由一列光敏单元和一列CCD(CCD(电荷转电荷转移器件移器件) )并行构成。并行构成。光敏元与光敏元与CCD之间有一转移控制栅，其中之间有一转移控制栅，其中CCD作为读出移位寄存器。在光照作为读出移位寄存器。在光照射下，光生少数载流子在光敏元（射下，光生少数载流子在光敏元（MOS电容）中积蓄。每个单元所积蓄的电荷量电容）中积蓄。每个单元所积蓄的电荷量与该单元所接受到的光照度、电荷积蓄时间成正比。在光敏元接受光照一定时间与该单元所接受到的光照度、电荷积蓄时间成正比。在光敏元接受光照一定时间

24、之后，转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷就并行地转移到之后，转移控制栅打开，各光敏元所积蓄的电荷就并行地转移到CCD读出移位寄读出移位寄存器上，随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷积蓄。与此同时，上存器上，随后控制栅关闭，光敏元立即开始下一次的光电荷积蓄。与此同时，上一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并在输出端串行输出。一次的一串电荷信号沿移位寄存器顺序地转移并在输出端串行输出。光敏元光敏元CCD转移控制栅转移控制栅2022-5-5252.2. 固态图像传感器固态图像传感器 每个光敏元的光电荷量不仅含有光照度信息，而且还含每个光敏元的光电荷量不仅含有光照度信息，而且还含有该单元位置的信息。因此，这种光敏元同时实现了光有该单元位置的信息。因此，这种光敏元同时实现了光照度和位置的测量功能。照度和位置的测量功能。 CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：(1)