沈航传感与测试技术3.4光电式

2023/1/141常用传感器传感器定义、组成及分类

电参量型传感器

电量型传感器

光电式传感器光纤传感器数字式传感器2023/1/142光电式传感器(PhotoelectricSensor)是以光电器件作为转换元件的传感器总称。用来测量直接引起光量变化的其他非电量；也可用来测量能转换成光量变化的其他非电量。概述光电传感器的组成光源光电器件光电传感器及其应用新型光电器件光电式传感器2023/1/143概述传统电测传感器与光电式传感器的区别：特征:以光电器件作为转换元件。被测量敏感元件电参量/电量转换元件导线导线非电物理量被测量被测对象/光调制器电参量/电量导线被测介质、空气或光导纤维光信号传统电测传感器：光电式传感器：光电器件各种实现机-电转换传感器各种实现光-电转换传感器2023/1/144概述光照射到某些物质上，引起物质的电性质发生变化，光能量转换成电能。这类光致电变的现象被人们统称为光电效应（Photoelectriceffect）。光电传感器的工作原理——光电效应1887年，赫兹在做证实麦克斯韦的电磁理论的火花放电实验时，偶然发现了光电效应。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。2023/1/145光电效应分为：外光电效应和内光电效应。外光电效应是被光激发产生的电子逸出物质表面，形成真空中的电子的现象。内光电效应是被光激发所产生的载流子（自由电子或空穴）仍在物质内部运动，使物质的电导率发生变化或产生光生伏特的现象。概述光电传感器的工作原理——光电效应分类光电效应中产生的光电子的速度与光的频率有关，而与光强无关。2023/1/146光电式传感器的一般主要包括光源、光通路、光电器件和测量电路四个部分。

光电传感器的组成测量电路光源光通路光电器件被测量x1被测量x2光量电参量或电量光量电量输出图3.67

光电式传感器的组成被测体或人造光源各种光调制器实现光-电转换器件对光电器件输出的电信号进行放大或转换，

2023/1/147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。工程上常见的人造光源按其工作原理不同，可分为热辐射光源、气体放电光源、电致发光光源和激光光源。光源2023/1/148热辐射光源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，辐射光谱的峰值波长也就越短。例如钨丝白炽灯和卤钨灯。

特点：光谱线丰富，包含可见光与红外光；发光效率低；发热大；寿命短；易碎，电压高，危险。气体放电光源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。如碳弧、低压水银弧、钠弧、氙弧灯等。特点：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，发光调制频率较低。光源2023/1/1493.电致发光光源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。如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。特点：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；成本低。4.激光光源某些物质的分子、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率相同的光子(受激发射)。具有光的受激辐射放大功能的器件称为激光器。如各种固体激光器、气体激光器、半导体激光器、液体激光器等。特点：频率单纯、能量高度集中的光，具有单色性好、方向性强、亮度高、相干性好等。

光源2023/1/1410调制(modulation)：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。光调制：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，完成这一过程的器件叫做调制器。解调(demodulation)：从已调制波中恢复出调制信号的过程。光的解调：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信号转换成光强度变化，然后由光电器件进行检测。光调制技术包括光强度调制、光频率或波长调制、光相位调制和光偏振态调制。其中光强度调制是最常用的调制技术。光调制2023/1/1411光电器件的作用是将光信号转变为电信号。光电器件的基于光电效应工作的。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效应。

光电器件光电效应外光电效应内光电效应光电导效应光生伏特效应2023/1/1412光电效应及其典型器件外光电效应及器件基于外光电效应的光电器件有光电管和光电倍增管。光电管光电器件光电倍增管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：光电导效应和光生伏特效应。2023/1/1413光电效应及其典型器件内光电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

。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管。光敏电阻光电器件光敏二极管（反向偏置PN结）光敏三极管2023/1/1414光电效应及其典型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是光照引起PN结（正向偏置）两端产生电动势的效应。基于这种效应的光电器件是光电池。光电池是自发电式有源器件，属于能量转换型、电压输出型传感器。光电器件－＋－－＋＋＋－PN＋结电场光生电子-空穴对图3.75PN结光生伏特效应原理图－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位差的现象。2023/1/1415照度/lx0200040000.10.20.30.20.40.6光生电压/V光生电流/mA硅光电池的光照特性光电效应及其典型器件内光电效应及器件光生伏特效应及器件光电池与外电路的两种连接方式：开路电压输出：光电器件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。短路电流开路电压短路电流大小与光照成正比，可作线性检测元件使用。短路电流输出：2023/1/1416总结：光电效应分类及其典型器件2023/1/1417光电器件的性能参数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出光电流(光电压)之间的关系。光照特性常用响应率（Responserate）R来描述：光电器件2023/1/1418光电器件的性能参数光谱特性——光谱响应指相对灵敏度K与入射光波长λ之间的关系。响应时间反映它的动态特性。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时间的限制。

峰值探测率表征光电器件噪声水平的性能参数。光电器件探测器件的性能常用峰值探测率D*表征，D*值大，噪声等效功率小，器件性能好。

2023/1/1419光电器件的性能参数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温度补偿或使它在恒温条件下工作。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的关系为伏安特性。

光电器件2023/1/1420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模拟式和脉冲式两大类。模拟式光电传感器(a)吸收式；(b)反射式；(c)遮光式；(d)辐射式光电传感器及其应用(c)光电器件光源工件光源(b)光电器件工件光电器件被测物(d)图3.80

模拟式光电传感器应用示例光源烟筒(a)光电器件2023/1/1421脉冲式光电传感器——开关式光电传感器脉冲式光电传感器利用光电器件受光照的“有”、“无”的两种不同状态，经适当的调理电路输出“通”、“断”的开关信号。即将被测量转换成断续变化的开关信号。光电传感器及其应用2023/1/1422位置敏感器件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I1/I2=R2/R1=x2/x1，故只要测出I1和I2便可求得光照射的位置。新型光电器件(a)原理(b)结构图3.83

光平面位置检测器图3.82光位置敏感器件原理图x1x212R2R1I1I2PN2023/1/1423固态图像传感器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。从功能上说，它是一个能把受光面的光像分成许多小单元(称为像元)，并将它们转换成电信号，然后顺序地输送出去的器件。从构造上说，是一种小型固态集成元件，其核心是电荷转移器件(ChargeTransferDevice，CTD)，其中最常用的是电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，CCD)。CCD由阵列式排列在衬底上的金属-氧化物-硅(MetalOxideSemi-Conductor，简称MOS)电容器组成，它具有光生电荷、积蓄和转移电荷的功能。新型光电器件2023/1/1424固态图像传感器典型一维图像传感器由一列光敏单元和一列CCD(电荷转移器件)并行构成。新型光电器件

光敏元与CCD之间有一转移控制栅，其中CCD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（MOS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。光敏元CCD转移控制栅2023/1/1425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。CCD图像传感器按其像素的空间排列可分为两大类：(1)

线性CCD。主要用于以为尺寸的自动检测，如测量精确的位移量、空间尺寸等，也可以由线阵CCD通过附加的机械扫描，得到二维图像，用以实现字符、图像的识别。(2)

面阵CCD。主要用于实时摄像，如生产线上工件的装配控制、可视电话以及空间遥感遥测，航空摄影等。新型光电器件2023/1/1426半导体色敏器件是基于半导体的内光电效应，将光信号转变为电信号的光辐射探测器件

。可用来直接测量从可见光到近红外波段内单色辐射的波长。结构及工作原理：新型光电器件结构：半导体色敏器件相当于两只结深不同的光电二极管的组合，故又称双结光电二极管。2023/1/1427半导体色敏