现代检测技术-李英顺-电子教案-第9章课件

第9章光电式传感器

☞9.1概述

☞9.2光电元件

☞9.3光栅测量装置9.1概述

光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。此种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等特点。在检测和控制领域获得了广泛的应用。

光源发射出一定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件在输出电量时，也作相应的变化，最后用光量来表达被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电式传感器基本分类

1.光电转换系统的输出端为“有”或“无”电信号两种稳定状态，亦即为“通”或“断”的开关状态。属于这一类的为光电式转速表、光电继电器等。2.光电转换系统中，当光作用在光电元件上时，产生的光电流是光通量的函数。属于这一类的为光电式位移计、光电式测振计等。3.光电转换系统将被测体的形状直接反映出来，这一类的传感器是利用电荷耦合摄象器件（CCD）作为光电元件的，主要用于再线的图案检查、文字识别等。一、光源

光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数的光电传感器都离不开光源。我们把通电后而发光的器件，统称为电光源，或者叫电光元件。普通的电光源可以分为四类：

⑴热辐射光源，即白炽灯；⑵气体放电灯，如氖泡，日光灯；⑶固体发光光源（电致发光器件),如发电二极管，场致发光灯；⑷激光器。

⑴热辐射光源：热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。⑵气体放电灯（气体放电光源）电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。低压贡灯、钠灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。⑶固体发光光源（电致发光器件）固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发电二极管，半导体激光器和电致发光屏。发电二极管与白炽灯相比，它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高以及能和集成电路相匹配等优点；因此广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。

从传感器的角度看光电效应可分为两大类型：外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应。外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管和光电倍增管即属此类。内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。9.2光电元件9.2.1光敏电阻

光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。如图9-11、光敏电阻的工作原理

在黑暗的环境下它的电阻是很高的，但当它受到光线照射时，若光子能量hy大于本征半导体材料的禁带宽度Eg，同禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电子—空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低，且照射的光线愈强阻值也愈低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻有恢复原值。这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象，称为光导效应。具有光导效应的材料就称为“光敏电阻”用光敏电阻制成的器件称为光导管，但通常也叫光敏电阻。

光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域，且体积小，性能稳定，价格低，所以被广泛应用于自动测试系统中。但是，使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光敏电阻的种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、锡化物等组成。2、光敏电阻的主要参数和基本特性

①光电流。光敏电阻在不受光照射的阻值称“暗电阻”，此时流过的电流称“暗电流”；光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻”，此时的电流称“亮电流”。而亮电流与暗电流之差即为“光电流”。当然，希望暗阻愈大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光电流要尽可能大，这样光敏电阻的灵敏度就高。

②光敏电阻的伏安特性。在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。它是一条直线，所加电压U越高，光电流I也越大，而且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电压无关；在给定的电压下光电流值随光照的增加而增加。

③光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光电流和光强的关系曲线称光敏电阻的光照特性。由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，因此不适宜做线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。④光敏电阻的光谱特性。光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度也是不同的。只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子—空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。⑤光敏电阻的频率特性。在使用光敏电阻时，就应注意，它的光电流并不是随光强改变而立刻作出相应的变化，而是具有一定的惰性，这也是光敏电阻的缺点之一。⑥光敏电阻的光谱温度特性。光敏电阻随着温度的升高，其暗阻和灵敏度都下降。同时温度变化也影响其光谱特性。⒈光电池的工作原理

硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结。当光照射P型面时，若光子能量hy大于半导体材料的禁带宽度Eg，则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子—空穴对。在表面对光子的吸收最多，激发出的电子—空穴对最多，越向内部越小，由于浓度差便形成了从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是P型区的多数载流子，入射光所产生的空穴浓度比原有产生空穴要少得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达PN结过渡区，就相当于在结电场作用下正好将电子推向N型区。这样光照射所产生的电子—空穴对。图9-2光电池的构造和表示符号⒉光电池的基本特性①光电池的光谱特性。相对灵敏度Kr和入射光波长λ间的关系。在实际使用时应根据光源性质选择光电池，但要注意光电池的光谱峰值不仅与制造光电池的材料有关，同时也随使用温度而变。②光电池的光照特性。光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee间的特性曲线称为短路电流曲线。把光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点。这是光电池的主要优点之一。9.2.3光敏晶体管

光敏晶体管是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件，它与普通的晶体管一样，也具有P-N结。通常，我们把有一个P-N结的叫做光敏二极管，而把有两个P-N结的叫做光敏三极管。光敏三极管不一定有三根引出线，有时常常只装两根引出线。光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小。当光照射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。⒈光敏晶体管的工作原理

光敏三极管的工作原理：当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光生电子—空穴对，它们在PN结处于内电场作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的β倍。因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。图9-3光敏二极管图9-4光敏三极管④光敏晶体管的温度特性。它给出了温度对暗电流及输出电流的关系。温度变化对输出电流的影响较小，主要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。⑤光敏晶体管的时间常数。一般锗管的时间常数约为2×10-4s，而硅管的时间常数在10-5s左右。当检测系统要求快速时，往往选择硅光敏晶体管。9.2.4光电倍增管

当入射光很微弱时，一般光电管能产生的光电流就很小，在这种情况下，即使光电流能被放大，但噪声也与信号同时被放大了，因此在微弱光时，采用光电倍增管。光电倍增管中，应用了电子的二次发射，所以可使光电灵敏度大大地提高，光电倍增管的放大倍数可高达106~108；另外它的信噪比也大，比一般光电管大几百倍，在一般情况下使用，线性度也好；工作频率也可高达100MHZ左右，所以它在弱光、光度测量方面得到了广泛的应用。⒈二次电子发射

当具有几百万伏电子伏动能的电子落到物体表面上时，它将一部分能量传给该物质中的电子，使这些电子能够从物体表面逸出。由于高速电子冲击而使物体产生电子发射的现象称为二次电子发射或次级电子发射。二次电子发射数值，与材料性质、物质的表面状况，以及射入的一次电子能量和入射角等因素有关。表征二次电子发射数值的参数是二次电子发射系数，它是二次发射电子数量之比值，即

δ=I2/I1δ——二次发射系数

I1——一次电子数

I2——二次电子数⒉光电倍增管工作原理

光电倍增管其结构如图9-5所示，在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增极，图中K为光电阴极，D1，D2，…为二次发射体，又称为倍增级，且在光电倍增极上涂以在电子冲击下可发射更多次级电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击退行下去，在每个倍增极间均依次增大加速电压，设每级的倍增率为δ，若有n级，则光电倍增管的光电流倍增率将为δn。光电传增极一般采用Sb-Cs涂料或Mg合金涂料，倍增极数可在4~14之间，A为阳极或收集阳极。δ值的范围是3~6。图9-5光电倍增管的结构图⒊光电倍增管的基本特性①积分灵敏度。光点倍增管的积分灵敏度决定于光电阴极的积分灵敏度和光电倍增管的放大倍数。假定阴极的积分灵敏度为γ，倍增管的放大倍数为M，则光电倍增管的积分灵敏度为γF可以写为γF=γM。对于常用的光电倍增管，其积分灵敏度约为106，单位常用表示A/lm。②放大倍数。电源电压与放大倍数有很大关系。随着电源电压的增高，光电倍增管的放大倍数也将提高。电源电压与放大倍数之间的关系，是光电倍增管的主要特性。③阳极特性。光电倍增管的阳极特性为阳极电流对于最后一级倍增管和阳极间电压的关系。④光电特性。光电特性是阳极电流Ia与光电阴极接收到的光通量Φ之间的关系。⑤噪声。光电倍增管的噪声由很多部分构成。它包括光电阴极电子发射噪声，倍增管二次发射噪声，电阻热噪声等。它们共有的现象是在外界入射光保持绝对恒定的，光电倍增管的输出，不是稳定不变的，而是有一定的起伏。9.3光栅测量装置

光栅很早就被人们发现了，但应用于技术领域只有一百多年的历史。早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长的测量，到了20世纪50年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，从而出现了光栅测量装置。光栅测量装置具有许多优点，如测量精度高。在圆分度和角位移测量方面，一般认为光栅测量装置是精度最高的一种，可实现大量程测量兼有高分辨率；可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；且具有较强的抗干扰能力等。因此，近些年来，光栅测量装置在精密测量领域中的应用得到了迅速发展。光栅测量装置(或称光栅测量系统)是指利用光栅原理对输入量(位移量)进行转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。9.3.1光栅光学系统⒈基本工作原理⑴在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺那样，进行长刻线(一盘为10~12mm)的密集刻划，得到如图所示的黑白相间、间隔细小的条纹，没有刻划的白处透光，刻划的黑处不透光，这就是光栅。光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般都取a=b，而a+b=d称为光栅栅距。光栅栅距是光栅的重要参数。

如图9-6图9-6光栅栅线放大图返回课程⑵光栅光学系统是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件构成的，而光栅是光栅光学系统的主要元件。光源一般采用钨丝灯泡；光电接收一般采用光电池和光敏三极管。光栅光学系统的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。取两块光栅栅距相同的光栅，其中一个为主光栅3，另一个为指示光栅4，指示光栅比主光栅要短，这两者刻面相对，中间留有很小的间隙d，便组成光栅副。将其置于有光源1和透镜2形成的平行光束的光路中，若两光栅栅线之间有很小的夹角θ，则在近似垂直于栅线方向上就显现出比栅距d宽得多的明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。

如图9-7图9-7光栅光学系统的构成原理图返回课程⑶莫尔条纹由图9-8可见，莫尔条纹中间为亮带，上下为两条暗带。相邻的两明暗条纹之间的距离称为莫尔条纹间距，以ω表示。图9-8莫尔条纹形成示意图返回课程①莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。

在光栅测量中，一方面莫尔条纹的移动量与光栅尺的位移量之间有严格的对应关系；另一方面在两块光栅尺的栅线交角θ一定的条件下，莫尔条纹的移动方向与光栅尺的位移方向之间也有严格的对应关系。②莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。在两光栅栅尺线夹角θ较小的情况下，莫尔条纹宽度ω和光栅栅距d、栅线夹角θ间有下列近似关系：

③莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。在光栅测量中，光电元件接收的是一个区域内所含众多的栅线所形成的莫尔条纹。例如，设光栅栅距d=0.02mm，接收元件采用10mm×10mm的硅光电池，则在硅光电池100mm宽度范围内，将有500条栅线参与工作。显然，在这一区域内个别栅线的栅距误差，或个别栅线的断裂或其它疵病，对整个莫尔条纹的位置和形状的影响很微小，即莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用。⑷莫尔条纹测量位移的原理用光栅的莫尔条纹测量位移，长度与测量反相一致的标尺光栅（主光栅）固定在运动零件上，随零件一起运动。短的指示光栅与光电元件固定不动。当两块光栅相对移动时，对某一点观察，可以观察到莫尔条纹的光强的变化。设初始位置为接收亮带信号，随着光栅移动，光强的变化，由亮进入稍暗，然后半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮。莫尔条纹的变化经历了一个周期，即移动了一个条纹间距，也就是说光栅移动一个栅距。光强的变化规律由图9-9所示，为一近似的正弦曲线。图9-9光强变化曲线

返回课程光电元件把接收到的光强变化转换为电信号输出，输出与位移的关系由下式表示：

式中，U0—直流电压分量；d—栅距；x—位移。光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦变化正好经历一个周期，可通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉冲数（条纹数）与移过的栅距数是一一对应的，因此位移量为x=Nd。据此可知运动零件的位移量。⒉光栅的种类

光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。

9.3.2辨向原理和细分电路⒈辨向原理在实际应用