传感器原理与应用光电传感器

传感器原理与应用光电传感器第1页/共99页光是一种电磁波，不同波长的光分布如图这些光的频率（波长）虽然不相同，但都有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。第2页/共99页光电传感器常用光源有：白帜灯光源、气体放电光源（碳灯、低压高压水银灯、钠弧灯、汕弧灯）、气体激光器（氦氖、二氧化碳、氩离子激光器）、固态激光器、半导体激光器、发光二极管等。

第一节常用光电器件

光是由具有一定能量的粒子组成，根据爱因斯坦光粒子学说，每个光子所具有的能量E

与其频率f

的大小成正比（即E=hf，式中h=6.626×10-34J·S，为普朗克常数）。光照射在物体上可看成一连串具有能量的光子对物体的轰击，物体吸收光子能量而产生相应的电效应，即光电效应。这是实现光电转换的物理基础。光电器件的作用原理是基于一些物质的光电效应。第3页/共99页

光电效应依其表现形式的不同，通常可分为三大类。

①光电导效应——光照改变半导体的导电率，从而引起半导体电阻值的变化效应，光敏电阻属于这类光电效应器件。

②光生伏特效应——光照改变半导体PN结电场，从而引起PN结电势的变化效应，故又称PN结光电效应，光电池、光敏晶体管等属于这类光电效应器件。

③光电发射效应——某些物质（如金属丝）在光的照射下，能从表面向外部发射电子的现象，称之为光电发射效应，利用这种效应制作的光电器件有光电管和光电倍增管。光电发射效应发生在物体的表面，因而又称之为外光电效应；相应地，光电导效应和光生伏特效应被称为内光电效应。本文下面仅介绍几种常见的内光电效应器件及其应用。第4页/共99页从阴极开始及在每个倍增极间依次加上加速电压，设每极倍增率为δ，经过N次倍增极后，光电倍增管的光电流倍增到δN。δ称为二次电子反射比。因此，有非常小的光功率输入可得到相当大的电流。第5页/共99页

半导体光电导效应内部机理如图8－1所示。

一、光敏电阻

1．光敏电阻的光电效应

光敏电阻是典型的光电导效应器件。无光照时，其阻值很高；有光照时，其阻值大大下降，光照越强阻值越低；光照停止，又恢复高阻状态。图8－1光电导效应能带图第6页/共99页

半导体受光照时，其共价键中的价电子吸收光子能量，由价带穿越禁带到达导带，成为光生自由电子，使得半导体中自由电子—空穴对增加，导电率提高，电阻值下降。光照停止时，失去光子能量的光生自由电子又重新迭落回价带与空穴复合，自由电子—空穴对减少，导电率下降，电阻值提高。图中Eg称为禁带宽度，价电子吸收的光子能量E＞Eg时，才能穿越禁带成为自由电子。光照越强、具有能量E的光子数越多，光生自由电子-空穴对越多，电阻值越小。光照停止或光强减小使E＜Eg时，光生自由电子又迭回价带成为价电子，使电阻值增加或恢复高阻状态。每个光子所具有的能量E数学表达式：

E=hf=hc/λ频率越高，或波长越短，光子所具有的能量就越大。产生自由光生电子的入射光临界波长λ0为满足E≥Eg有λ0≦1242/Eg(nm)Si的禁带宽度Eg为1.2ev,Ge0.75ev,硫化镉cds2.4ev,CdSe1.8ev第7页/共99页说明：

1、光照越强，表明具有hf能量的光子数越多，价带电子吸收光子能量的机会越多，成为导带电子机会越，电导率越大。

2、空穴在价带内运动参与导电；电子在导带内运动参与导电；

紫外光光子能量大于红外光电子能量。第8页/共99页

图8－2是光敏电阻光电效应实验电路，当偏压U一定时，检流计指示电流I的大小决定于光敏电阻上的光照强度。图8－2光敏电阻光电效应实验电路第9页/共99页

无光照时，检流计指示的电流很小，此时的电流称之为暗电流；此时光敏电阻的阻值很高，相应称之为暗电阻，暗电阻通常为兆欧级。

有光照时，检流计指示的电流较大，此电流称之为亮电流；此时，光敏电阻的阻值显著减小，相应称之为亮电阻，亮电阻一般为千欧以内。由光照所产生的自由电子—空穴流称之为光电流，显然光电流是亮电流与暗电流之差，由于暗电流很小，在工程分析时可把亮电流看成光电流。第10页/共99页

2．光敏电阻种类光敏电阻是一个纯电阻性两端器件，适用于交、直流电路，因而应用广泛，种类很多。对光照敏感的半导体光敏元件都可以制成光敏电阻，目前人类已开发应用的光波频谱范围为0.1HZ～1021HZ，相应的波长为3×109m～0.3Pm。半导体光敏元件的敏感光波长为纳米波，按其最佳工作波长范围可分为三类。（1）对紫外光敏感元件

紫外光是指紫外线（波长λ=10～380nm）的内侧光波，波长约300～380nm。对这类光敏感的材料有氧化锌（ZnO）、硫化锌（ZnS）、硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）等，这类敏感元件适于作α、β、γ射线检测及光电控制电路。第11页/共99页

（2）对可见光敏感元件

可见光波长范围约380～760nm，对这类光敏感的材料有硒（Se）、硅（Si）、锗（Ge）及硫化铊（TiS）、硫化镉（CdS）等，尤其是TiS光敏元件，它既适用于可见光，也适用于红外光。这类敏感元件适用了光电计数、光电耦合、光电控制等场合。（3）对红外光敏感元件

红外光是红外线（波长λ=760～1×106nm）的内侧光波，波长约760～6000nm。对这类光敏感的材料有硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、锑化铟（InSb）等，这类敏感元件主要用来探测不可见目标。第12页/共99页图8－3部分光敏元件的光谱特性

3．光敏电阻的基本特性

（1）光谱（响应）特性

光敏电阻的光谱特性是指光电流对不同波长单色光的相对灵敏度。图8－3表示部分光敏元件的光谱特性，其中硫化锌对波长为300nm左右的紫外光最敏感；硫化镉光敏波长的峰值在670nm左右；硫化铊的敏感波长范围很宽，约300～1400nm，其峰值波长为1000nm左右；硫化铅具有很宽的敏感波长范围，其峰值波长约2300nm。（0.7峰值左右为敏感波长峰值范围）第13页/共99页

（2）光照特性光敏电阻的光照特性是指在一定的电压下，光电流I与光照强度E的关系。如图8－4所示，光敏电阻具有很高的光照灵敏度，且具有明显的非线性，可作控制元件，不宜作计量元件。图8－4光敏电阻的光照特性光照强度(照度)是物体被照明的程度，也即物体表面所得到的光通量与被照面积之比，单位是Ix(l勒克斯是1流明的光通量均匀照射在1平方米面积上所产生的照度)光照强度的测量用照度计。

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（3）伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定强度的光照下，光敏电阻的端电压与光电流的关系。如图8－5所示，伏安特性是一个线性关系特性，但不同材料的光敏电阻具有不同的伏安特性，且各类光敏电阻都有最大允许功耗和最大允许电压的要求，超过此极限值将会导致元件永久性损坏。

图8－5光敏电阻的伏安特性

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(4）频率特性频率特性系指光敏电阻上的光电流对入射光调制频率的响应特性。如图8－6所示，一般来说，调制频率f越高，电流相对灵敏度Kr越低，这反映光敏元件具有一定的惰性，有的材料光响应时间达几百毫秒。光敏电阻的响应时间不但与元件的材料有关，而且还与光照强弱有关，光照越强，响应的时间越短。

图8－6光敏电阻的频率特性光照，产生自由电子空穴对；光照停止，电子空穴复合，需要一定时间，第16页/共99页

（5）温度特性温度特性系指光敏电阻工作特性受温度的影响。例如温度升高时，它的暗电阻减小，即暗电流增加、灵敏度下降。同时，温度上升还引起光谱特性曲线左移，导致光敏电阻敏感波长减小。图8－7是硫化铅光谱温度特性。图8－7硫光铅光谱温度特性

第17页/共99页第18页/共99页灯光控制器安装在驾驶室仪表板上方。傍晚尾灯亮，光线更暗前灯亮。会车时，还具有自动变光功能。第19页/共99页第20页/共99页当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子—空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图8－8光电池的光电效应

二、光电池

1．光电池的光电效应

光电池是典型的光生伏特效应器件。无光照时，两浓度差很大的杂质半导体P和N因扩散运动形成一个大面积的PN结，PN结电场方向是由N区指向P区，如图8－8所示。

当光照射到PN结上时，如果光子能量足够大，就将在PN结附近激发出大量的电子—空穴对。在PN结电场作用下，N区的光生空穴被拉向P区，P区的光生电子被拉向N区；其结果在P区聚积正电荷，带正电，在N区聚积负电荷，带负电，即在P区和N区间形成一定伏特数的电位差，称之为光生电势。图8－8光电池的光电效应第21页/共99页第22页/共99页

2．光电池的基本特性

光电池的种类很多，如硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等。不同种类光电池性能差异很大，其中硅光电池性能最好，其光谱范围宽、频率特性好、换能效率高，且工作性能稳定。

（1）光谱特性光电池对不同波长光的灵敏度是不同的，不同材料的光电池对入射光波长的敏感范围是不同的，图8－9为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线。第23页/共99页

从图中可知，硅光电池敏感波长范围是450～1100nm，峰值波长为800nm；硒光电池敏感波长范围是380～750nm，峰值波长在500附近。可见，硅光电池适应光波长的范围比硒光电池宽得很多。图8－9光电池的光谱特性

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（2）光照特性光电池在不同光照强度下，有不同的光生电势或光生电流，图8－10所示为硅光电池的光照特性。

图8－10硅光电池光照特性第25页/共99页

图中短路电流是指光电流输出端短路时的电流，即光生电流。硅光电池短路电流密度约为15～30mA/cm2，此电流在很宽的光照范围内都具有线性关系，因而光电池宜作电流源使用。

图中开路电压是指光电池输出端开路时的电压，即光生电势。单片硅光电池的开路电压约为0.45～0.6V，此电压在2000LX以内光照下趋于线性，在2000LX以上为非线性，因而光电池不宜作电压源使用。

图8－11是光电池开路电压和短路电流的实验电路。在此实验电路中，忽略了光电池PN结结电容及PN结漏电流的影响。第26页/共99页

光电池的开路电压等于图（a）中的光生电势E，光电池的短路电流等于图（b）中的光生电流IS。实验表明，负载电阻RL越小，光照特性的线性关系越好，因而在使用中应尽量选择负载电阻小的场合。硒光电池具有与硅光电池相似的光照特性。图8-11光电池光照特性实验电路

（a）开路电压（b）短路电流第27页/共99页

（3）频率特性光电池输出光电流随入射光调制频率的关系如图8－12所示。由图可知，硅光电池具有较稳定的频率特性，适用于作高速计数的运算器电池。

图8－12光电池的频率特性第28页/共99页

（4）温度特性

温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的关系。图8－13是硅光电池在1000LX照度下的温度特性。图8－13硅光电池的温度特性第29页/共99页

由图可知，硅光电池的开路电压随温度升高而迅速下降，温度每上升1℃，开路电压约降低3mV。硅光电池的短路电流随温度升高而缓慢上升，温度每上升1℃，短路电流约增加2μA。由于温度变化对光电池的光电转换性能影响很大，因而光电池在作为测量元件使用时，一定要有恒温或温度补偿措施。同时，在强光照射时必须考虑光电池PN结的热容限及散热措施。通常，硅光电池使用温度不允许超过125℃。第30页/共99页光电池种类很多，但主要的是硅光电池。国产系列有方型和圆型。适用于光电检测，近红外探测，光电读出，光电耦合，光栅测距，光电开关，硅蓝光电池作色探测器，及太阳能电池等。第31页/共99页

三、光敏二极管和光敏晶体管

1．光敏管的光电效应

光敏二极管和光敏晶体管也是典型的光生伏特性效应器件。图8－14是光敏二极管的原理结构和基本电路。图8－14光敏二极管原理结构和基本电路第32页/共99页第33页/共99页

工作于反向偏置状态下的光敏二极管具有典型的光生伏特效应。无光照射时，处于反偏状态下的光敏二极管呈高阻截止状态，只有少数载流子形成极小的暗电流。当有光照射时，光生电子和空穴在PN结电场和外加反向偏压的共同作用下，形成光电流I。光照越强，光激发的光生电子和空穴越多，形成的光电流越大，光敏二极管呈低阻导通状态。第34页/共99页

图8－15是光敏晶体管的原理结构和基本电路。图8－15光敏晶体管原理结构和基本电路第35页/共99页

光敏晶体管是在光敏二极管的基础上，为了获得更大的电流增益，根据一般三极管的电流放大原理，利用硅或锗单晶制成的NPN或PNP结构。如图8－15所示，光敏晶体管亦有发射区、基区和集电区，基区是受光区，为了扩大光的照射面，基区的面积比较大。光敏晶体管的基区通常无电极引线，工作时相当于基极开路，因而无光照射，只能形成很小的暗电流。当有光照射时，基区产生的光生电子和空穴形成基极电流，此电流在外加集电结反偏电压作用下，放大而成为集电极电流。由此可见光敏晶体管有光照时的输出电流是光生电流的β倍，因而有比光敏二极管更高的灵敏度。第36页/共99页

2．光敏管的基本特性

（1）光谱特性光敏二极管和光敏晶体管都是由硅或锗材料作敏感元件，这两种敏感元件的光谱特性如图8－16所示。图8－16光敏管的光谱特性锗管的敏感波长范围是500～1800nm，峰值波长约为1500nm。显然锗管的敏感范围比硅管大，由于锗管温度性能比较差，因而测可见光时，主要用硅管，探测红外光时，主要用锗管。第37页/共99页

（2）光照特性光敏二极管与光敏晶体管的光照特性有明显不同，以硅管为例如图8－17所示。光敏二极管的光照特性近似为线性关系；光敏晶体管的光照特性为非线性，照度较小时，光电流随光照度加强而缓慢增加，当光照度较大时，光电流又趋于饱和。放大倍数在小电流和大电流时都要下降的缘故，光敏晶体管不利于弱光和强光检测。（a）光敏二极管（b）光敏晶体管

图8－17硅光敏管的光照特性第38页/共99页

（3）伏安特性图8－18为硅光敏管在不同照度下的伏安特性。由图可见光敏管的输出电流与所加的偏置电压关系不大，具有近似的恒流特性；光敏晶体管比光敏二极管的光电流大近百倍，因而具有更高的灵敏度；光敏二极管在零偏压下就有一定的电流输出，光敏晶体管有一段死区电压。（a）光敏二极管（b）光敏晶体管

图8－18硅光敏管的伏安特性第39页/共99页

（4）频率特性

光敏二极管的频率特性较好，是半导体光敏器件中最好的一种，其响应速度达0.1μs，截止频率高，适用于快速变化的光调制信号。光敏晶体管由于基区面积大，载流子穿越基区所需的时间长，因而其频率特性比二极管差。无论是哪一类光敏管，其负载电阻越大，频率特性愈差，图8－19硅光敏晶体管频率特性图8－19为硅光敏晶体管的频率特性。锗光敏管比硅光敏管频率特性差。第40页/共99页

（5）温度特性无论是硅管还是锗管，对温度的变化都比较敏感，温度升高，热激发产生的电子—空穴对增加，使暗电流上升。尤其是锗管，其暗电流较大，温度特性较差，如图8－20（a）所示。温度升高对光电流影响不大，如图8－20（b）所示。对于在高温低照度下工作的光敏晶体管，此时暗电流上升、亮电流下降，使信噪比减小；为了提高信噪比，应采取相应的温度补偿或降温措施。图8－20光敏管的温度特性第41页/共99页

四、常用光电器件的应用

常用光电器件用途很广，可组成各种实用的光电传感器，下面仅举几例。

1．光电耦合器

光电耦合器是由一个发光器件和一个光电转换器件组成，一般用金属或塑料外壳封装。其中发光器件通常都是发光二极管，光电转换器件一般是光敏二极管或光敏晶体管，如图8－21所示。第42页/共99页图8－21光电耦合器的组合形式（a）通用光耦（b）高速光耦（c）高效光耦（d）高速高效率光耦第43页/共99页

（1）光电转换器

光电耦合器按光电转换器的不同可分为四种类型，如图8－21所示。图中（a）的光电转换器是一只光敏晶体管，这种光耦结构简单、成本低，常用于50KHZ以下工作频率，称之为通用光耦。图中（b）的光电转换器是由一只光敏二极管和一只高速开关管组成，由于光敏二极管比光敏三极管的响应速度快得多，光敏二极管与高速开关管配合，可获得1μs左右的响应速度，故称这种光耦为高速光耦。图中（c）的光电转换器是由一只光敏晶体管和一只放大管组成，此时虽然入射的光很小，但输出电流可达几十mA，故称其为高效光耦，可以直接驱动后级电路或执行器。图中（d）的光电转换器是一个具有高速、高效率的固态光电转换器件，称之为高速高效光耦，用于高速大功率电路中。第44页/共99页

(2）发光二极管发光二极管是只有一个PN结的半导体器件。最常用的发光二极管是砷化镓发光二极管，它和普通二极管一样，管芯是一个具有单向导电性能的PN结；在正向偏压作用下，PN结空间电荷区势垒下降，引起过量的载流子注入，注入的电子与空穴加速复合时释放出光子能量，即把电能转换成光能。砷化镓发光二极管的峰值波长约880nm～940nm，发出的是近红外光波，对硅和锗光敏器件都比较敏感。第45页/共99页

砷化镓发光二极管的伏安特性如图8－22所示，其正向压降约1～2V，小功率管1～1.3V，中功率管1.6V左右，正向压降的大小与正向电流有关。砷化镓发光二极管的反向击穿电压比较低，其反向电压一般不得超过5V，否则可能引起二极管反向击穿。图8－22砷化镓发光二极管伏安性

光电耦合器输出、入电流间线性关系较差，因而不宜作运算电路，但可以广泛应用于电平转换、电路隔离、固态继电器及无触点开关等控制电路中。第46页/共99页

2．光电转速计

图8－24是光电转速计原理图和计数输出电路。这里的光源可以是自炽灯泡，光电转换器是一只光敏晶体管。当旋转轴转动时，光通过遮光盘上的透光孔照射到光敏晶体管3DU33上，将光信号转换为电信号，经4069反向器整形输出电脉中，根据电脉冲的个数就知道旋转轴的转速。第47页/共99页

图8－24光电转速计（a）原理图（b）电路图第48页/共99页

3．反射式固体表面粗糙度计

图8－25是固体表面粗糙度计原理图。光源发出一定照度的光入射到被测固定的表面上，一部分被表面吸收，一部分反射到光电池上；被测表面越光滑，反射到光电池上的光越强，光电池输出电压越大。根据电压表指示的电压数，就可以判断被测表面的粗糙度。

图8－25固体表面粗糙度计第49页/共99页

4．透射式薄膜厚度计

图8－26是薄膜厚度计原理图。光源发出一定照度的光经准直透镜调制成平行光束，垂直入射到被测薄膜上，一部分被薄膜吸收和反射，一部分穿过薄膜出射到光电池上；薄膜越薄，出射光越强，光电池输出电压越大。根据这种原理，不但可以用于检测薄膜的厚度，印刷机纸张监控，还可以检测液体的混浊度，或气体和固体的透明度。

图8－26薄膜厚度计第50页/共99页

5．红外遥控器

红外遥控器在现代工业控制和家用电器中的应用越来越广泛。红外遥控器由红外遥控信号发射器、红外遥控信号接收器、遥控指令编码器等部分组成。红外遥控信号发射器电路如图8－27所示。图8－27红外信号发生器电路图第51页/共99页

红外遥控信号发射器由键盘矩阵、M50642AP集成电路信号发生器、陶瓷谐振器、砷化镓红外发光二极管等组成，M50642AP集成信号发生器主要由键输入编码电路、键位扫描脉冲电路、键命令译码电路、多重键判别电路、定时器电路、振荡电路、编码调制电路和输出缓冲电路等组成。

图8－28是红外遥控信号接收器应用电路，由光敏二极管和CX20106集成电路组成。集成电路内部设置有放大电路、整形电路、滤波电路及限幅电路等。红外遥控信号发射器发射出的遥控信号，被红外信号接收器接收后，调理成二进制数字脉冲由脚7输出，再送入遥控器接口电路。第52页/共99页

红外遥控器具有电路结构简单、成本低、操作方便、功能强等优点。红外遥控器在室内使用时，由于近红外光波具有可见光的反射特性，红外信号发射器发射的红外光波，可以通过室内的墙壁反射到红外信号接射器的光敏二极管上，因而发射器不必对准接收器，这样可以提高遥控的方便性，特别适合于家用电器的遥控。图8－28红外信号接收器电路图第53页/共99页第54页/共99页

一、常用光电器件及工作原理1.光敏电阻

无光照高阻

有光照电阻光照越强电阻2.光电池

p

N无光照无光生电势有光照产生光生电势p+n-或光生电流光照越强光生电势光生电流3.光敏二极管I反偏工作无光照高阻

有光照在pn结电场、外加电场共同作用下，形成光电流4.光敏三极管

I无光照基极开路暗电流小有光照产生光生电流Ib

集电极电流IC＝β倍光生电流第55页/共99页二、光谱特性光敏电阻－光电流对不同波长单色光的相对灵敏度，制成光敏电阻的材料不同，灵敏度不同。光电池－光生电势对不同波长单色光的敏感程度。光敏管－光电流对不同波长单色光的敏感程度。三、光照特性光敏电阻－偏压一定时，光电流I与光照强度E的关系。

E愈大，I愈大，非线性。光电池－光生电势U或光生短路电流与光照强度E的关系。

E愈大，U愈大，非线性。E愈大，I愈大，线性。适于作电流源负载电阻小的场合。光敏管－光电流I与光照强度E的关系。E愈大，I愈大，硅光敏二极管近似线性；硅光敏三极管非线性。光照较大时，光电流I趋于饱和。第56页/共99页四四、伏安特性光敏电阻－光照强度一定时，其端电压U与光电流I的关系。U愈大，I愈大，线性关系。有最大允许功耗、最大允许电压参数要求。光敏管－一定照度下，光敏二极管反向偏压与偏流关系。两者关系不大，近似恒流。二极管零偏压下有暗电流；光敏三极管集射间电压与集电极电流的关系。近似恒流，有死区电压。五、频率特性光敏电阻－光电流I与入射光调制频率f的响应特性。

f愈高，Kr电流相对灵敏度愈低，光照愈强，响应时间愈短。第57页/共99页光电池－光电池输出电流与入射光调制频率f的关系特性。硅管频率特性好于锗管。光敏管－输出电流I与入射光调制频率f的响应特性。光敏二极管是半导体光敏器件中最好的，负载电阻愈大，频率特性愈差，硅管好于锗管。六、温度特性光敏电阻－工作特性受温度影响特性。T，暗电阻，暗电流，敏感光波长左移。光电池－开路电压U、或短路电流I随温度变化的关系。TU，3mv/度，I,2μA/度，须恒温，或温度补偿。

光敏管－输出电流与温度变化关系。T，暗电流，高温低照度下，暗电流大，亮电流小，信噪比下降，须降温或温度补偿。T对亮电流影响不大。第58页/共99页

第二节光栅传感器

光栅传感器是用于测位移的光电传感器。光透过光栅照射到光电器件上，根据光栅的莫尔条纹现象，可实现角位移或线位移的测量。用来测量角位移的光栅称作圆光栅，用来测量直线位移的光栅称作直光栅，其工作原理是一样的，这里仅介绍直线位移光栅传感器。

一、莫尔条纹

1．光栅

光栅又称光栅尺，光栅尺是由在光学玻璃上面均匀刻有许多线条，形成规则排列的透光和不透光的明暗条纹所组成，如图8－29所示。第59页/共99页

图中m为暗条（不透光条）宽度，n为亮条（透光条）宽度，W=m+n

称之为光栅的栅距或光栅常数。通常，即亮条和暗条具有相同的宽度，亮条（或暗条）密度有每毫米10、25、50、100线/mm等。图8－29直光栅尺第60页/共99页

2．莫尔条纹形成

把光栅常数W相等的两光栅尺相对叠合在一起，并使两光栅尺栅条之间保持很小的夹角β，如图8－30（a）所示，在与栅条近乎垂直的方向出现明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹。图中在a－a线上的两光栅尺重合，光线可从其缝隙中透过，形成亮带；在b－b线上，两光栅尺彼此错开，挡住光线通过，形成暗带。图8－30（a）

莫尔条纹的形成第61页/共99页

由图8－30（b）可求出莫尔条纹的间距BH与光栅常数的关系为

由图8－30（b）还可求出α=β/2，由于角很小，即莫尔条纹的方向与x方向夹角很小，因而莫尔条纹的方向近乎垂直于直光栅尺的栅条。（8－1）图8－30（b）莫尔条纹的间距第62页/共99页

3．莫尔条纹的主要特性

（1）莫尔条纹的间距对光栅常数W具有放大作用由式（8－1）可知，由于形成莫尔条纹的两光栅尺的夹角β<<1rad，即BH等于1/β

倍的W。例如，当W=0.02mm，β=0.01rad时，则BH=2mm，将W放大了100倍。

（2）莫尔条纹具有消除光栅尺局部缺陷引起的误差由于光栅尺在制作时工艺的分散性，难免有的光栅尺的栅条或栅条间距存在着局部缺陷，但这些缺陷不会引起莫尔条纹的误差。因为在测量时，光电元件上接收到的光信号，是透过众多栅条形成亮带的光信号，光栅尺的局部缺陷对亮带透光量影响极小。

（3）莫尔条纹的移动大小和方向可以反映两光栅尺相对移动大小和方向由图8－30可知，当固定斜光栅尺、左右移动直光栅尺时，莫尔条纹则作上下移动。若被测体跟随直光栅尺移动，则可根据莫尔条纹移动的大小和方向，判断被测体移动的大小和方向。第63页/共99页

二、光栅传感器的组成

根据莫尔条纹特性制作的光栅位移传感器，按光路形成方式可分为两大类，即反射式光栅传感器和透射式光栅传感器。

1．透射式光栅传感器

图8－31是透射式光栅传感器原理图。

图8－31透射式光栅传感器图第64页/共99页

（2）透镜的作用是把光源发出的光变换成平行光束，垂直投射到主光栅上。（3）主光栅又称标尺光栅，它有固定的光栅常数W、亮条宽度n和暗条宽度m，通常,测位移时，被测体保持与主光栅相同的位移大小和方向。

（1）光源常用钨丝灯泡或砷化镓发光二极管，钨丝灯泡有较大的输出功率，较宽的工作温度范围（-40℃～130℃），但使用寿命短，要定期更换；砷化镓发光二极管输出功率低，工作温度范围（－66℃～100℃）也略小，但其与光敏晶体管组合比钨丝灯泡与光敏晶体管组合转换效率高（约30%），且响应速度快（约2μs），可使光源工作在触发状态，以减小功耗和热耗散。第65页/共99页

（4）指示光栅比主光栅短得多，通常具有与主光栅相同的光栅常数和亮、暗条宽度。测位移时，指示光栅不动，主光栅移动。（5）光电元件常用光电池或光敏晶体管，在光电元件输出端常接放大器，以获得尽可能大的信号输出，以提高抗干扰能力。

2．反射式光栅传感器

图8－32是反射式光栅传感器原理图。光源发射的光，经聚光镜和物镜后形成平行光束，以一定的角度穿过指示光栅、射向主光栅。这里的主光栅不形成透射光，照射到主光栅上的光产生反射光后与指示光栅形成莫尔条纹，此莫尔条纹光再经反射镜反射、物镜组聚焦后投射到光电元件上，以实现位移的测量。第66页/共99页8－32反射式光栅传感器第67页/共99页

三、辨向原理

利用莫尔条纹测量位移时，由单个光电元件接收的莫尔条纹光信号，只能是随莫尔条纹移动而强弱变化的光信号，这种光强变化不能反映莫尔条纹的移动方向。为了辨别莫尔条纹移动方向，至少需要两个光电元件接收莫尔条纹光信号，如图8－33（a）所示。在相距1/4莫尔条纹间距BH上分别安装一个光电元件1和2，当主光栅移动时，透过莫尔条纹的光照射到两光电元件上，两光电元件将产生相位差为л/2的电信号。透过莫尔条纹的光理论上是三角波，但由于光的衍射作用，其结果照射到光电元件上的光波接近正弦波，因而光电元件输出的电压u1和u2是相差л/2的正弦波。图8－33（b）是辨向电路。第68页/共99页（a）两光电元件（b）辨向电路

图8－33光栅传感器辨向原理第69页/共99页

（c）主光栅左移（d）主光栅右移

图8－33光栅传感器辨向原理第70页/共99页

（c）主光栅左移（d）主光栅右移

图8－33光栅传感器辨向原理第71页/共99页（8－2）

图8－33（c）和（d）是当主光栅移动时辨向电路各点的输出波形。当主光栅向左移（A向）时，莫尔条纹则上移（B向）。此时光电元件感光的先后是先1后2，因而光电元件1和2输出电压u1超前、u2滞后，相位差为л/2，如图8－33（c）所示，即

电压u1和u2经放大整形电路处理后输出矩形波u1′和u2′，此矩形波通过辨向电路，使输出端y1无信号，y2端输出正脉冲。且主光栅每左移一个光栅栅距W的距离，y2输出一个正脉冲，此正脉冲将触发加减计数器作加1计数。第72页/共99页

此时辨向电路输出端y2无信号，y1端输出正脉冲。即当主光栅每右移一个光栅栅距W的距离，y1输出一个正脉冲，此正脉冲将触发加减计数器作减1计数。由此可见，根据加减计数器的计数状态，就可以辨别主光栅位移的大小和方向。（8－3）

当主光栅向右移（A′向）时，莫尔条纹则下移（B′向）。此时光电元件感光的先后是先2后1，因而光电元件1和2输出电压u1滞后u2相位л/2

,如图8－33（d）所示，即第73页/共99页

四、细分技术

由前面分析可知，主光栅每位移一个栅距W，辨向电路就产生一个电脉冲，即分辨率为一个栅距。例如，若光栅尺刻线密度为每毫米100条，则栅距W=1000μm/100=10μm，即分辨率为10μm。增加光栅尺刻线密度,可以提高分辨率，但加大了光栅尺的制作难度。为了提高分辨率，目前普遍采取的方法是：在选择合适的栅距W前提下，对栅距W进行细分，即使主光栅每位移一个栅距，产生多个脉冲输出。即减小辨向电路输出脉冲间隔，提高计数脉冲的频率，故又称倍频细分。下面介绍两种基本的细分技术。第74页/共99页

1．四倍频直接细分

（1）用四个相距1/4莫尔条纹间距BH

光电元件当采用四个相距1/4莫尔条纹间距BH光电元件接收莫尔条纹的透过光时，在四个光电元件上将产生依次相差л/2相角的四个正弦电压信号。用鉴零器分别取4个信号的零电平，即在每个信号有负到正过零点时发出一个脉冲。此时，主光栅每位移一个栅距，辨向电路将输出四个电脉冲，实现四倍频直接细分。这种细分的方法受到安装光电元件个数的限制，不可能得到很高的细分。在采用四细分情况下，栅距为4μ（每mm250条刻线）的光栅，分辨率可从4μ提高到1μ。（2）对u1′和u2′都取反如图8－33（b）辨向电路，若对u2′也取反，则可得到u1′、u1″和u2′、u2″四个矩形脉冲，即在主光栅位移一个栅距W期间，可以得到四个等间隔的计数触发脉冲，从而实现四倍频直接细分。但这种细分的方法受到辨向电路结构的限制，也不可能得到很高的细分。

四倍频直接细分方法简单，可用于分辨率要求不太高的场合。第75页/共99页

2．电阻桥路细分

图8－34是电阻桥路细分原理图，依弥尔曼定理得：

式中u1和u2是两光电元件输出电压，式中“－”号表示u1和u2相位相反；uO是电阻桥输出电压。（8－4）图8－34电阻桥路细分原理图第76页/共99页

此时电阻桥平衡的条件为u1R2=u2R1。（8－5）

图8－34电阻桥路输出端开路(RL=∞)时，式（8－4）可改写为：

若取、，则，适当选择R1

或R2，就可以得到不同的θ角。此时由式（8－3）可知

，即（8－6）第77页/共99页

此式（8－6）说明，选择不同的R1和R2，可得到θ在0～2л范围内变化；对应地可以获得主光栅移动量X在0～W范围内细分。从理论上说，在0～W范围内是可以任意细分，从而得到很高的位移分辨率，实际上受多方面影响，分得越细，误差越大，因而这种细分也是有限的。光栅位移传感器多用于机床加工及精密仪器中，直光栅移动范围最大为1000mm，分辨率可达0.1μm；圆光栅可测整圆角度，分辩率可达0.5s。第78页/共99页第79页/共99页

第三节固态图像传感器

固态图像传感器是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与移位寄存器构成一体的集成光电器件，其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。即将其感光面上的光像转换成与光像成相应比例关系的电信号“图像”。固态图像传感器与电视摄像管相比，具有体积小、重量轻、耗电少、耐振动、抗电磁干扰、坚固耐用等优点，目前不足之处是分辩率不高，图像质量还赶不上摄像管。固态图像传感器的敏感元件有多种类型，目前应用最广泛的是电荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD），还有电荷注入器件CID,戽链式器件BBD及MOS等器件。电荷耦合器件CCD是一个硅光敏半导体器件，由MOS光敏元件阵列（光电转换）和读出移位寄存器组成。第80页/共99页感光原理：图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到大小不同的电信号，并且在光照停止之后仍能把电信号的大小保持记忆，直到把信息传送出去，这样才能构成图像传感器。（光电转换、电荷读出）第81页/共99页

一、CCD基本结构

CCD是由按一定规律排列的MOS（金属一氧化物一半导体）阵列组成，阵列中的每一个基本单元是一个MOS电容器。MOS基本单元是在P型（或N型）硅单晶的衬底上生成一层很薄（约120nm）的SiO2绝缘层，再在其上沉积一层金属铝电极，因而具有金属一氧化物一半导体三层结构，如图8－35（a）所示。

（a）单元结构（b）等效电容

图8－35MOS基本单元第82页/共99页

当衬底采用P型Si时，金属电极上应加正偏压，即AL电极为正、衬底为负。在正偏压作用下，界面Si侧的正离子（P型半导体中的多数载流子）受到排斥，形成一个耗尽区，此耗尽区剩下有多余的负离子（少数载流子），故称之为少子耗尽区。耗尽区是一个低电势区，故又称其为势阱，正偏压越大，势阱越深，能收集的电子越多。但是，在外界没有电荷注入的情况下，只有热生电子掉入势阱而形成暗电流；如此同时热生空穴流向衬底，并很快达到热平衡状态，这一短暂的过程，称之为热驰豫过程。达到稳定状态的MOS基本单元可等效为一个电容器，如图8－35（b）所示，其等效电容为：式中COX—以SiO2为介质的电容；Cd—以衬底Si为介质的耗尽区电容。（8－7）第83页/共99页

二、CCD工作原理

1．信号电荷的注入在没有外界电荷注入时，CCD各单元势阱可看成空阱。CCD中的信号电荷可以通过光注入和电注入两种方式得到。CCD用作图像传感器时，信号电荷由光生载流子即光注入得到。当有光照时，光子能量大于半导体禁带宽度，光生电子在正偏压下迅速注入势阱；光照越强，注入的光生电子就越多，此时势阱中的光生电子数反映光照强度，故称势阱中的电荷为信号电荷。这样，就把光的强弱变成电荷的数量的多少，实现光电的转换。势阱中的电子是被存储状态，即使停止光照，一定时间内不会丢失，实现对光的记忆。由于CCD的MOS单元密集（相邻两单元间距小于3μm），众多单元势阱收集的不等信号电荷数，可以反映一幅空间的光图像。

总之，CCD结构实质上是一个微小的MOS电容，用它构成像素，即可感光，又可留下潜影，感光作用是靠光强产生的积累电荷，潜影是各个像素留在电容器里的电荷不等形成的，若能设法将各个电容器里的电荷依次传送到输出电路，再组成行和帧，并经过显影，就实现了图像的传递。CCD用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。第84页/共99页

2．信号电荷的转移

为了实现信号电荷的读出，首先需要将各势阱中的信号电荷转移到移位寄存器中去。信号电荷的转移是在每次曝光结束时，通过转移栅的控制，即时迅速地将各势阱中的信号电荷一次并行转移至移位寄存器。移位寄存器也是MOS结构，与感光区的MOS结构完全一样，只是多了一个遮光层（通常在衬底的底部），避免进入移位寄存器的信号电荷再次感光。

3．信号电荷的读出

移位寄存器中的信号电荷是在一定相序的偏置脉冲电压作用下，按照一定的方向移位输出。目前，偏置脉冲电压可分二相、三相和四相,下面以三相脉冲驱动结构为例,介绍信号电荷的读出操作。第85页/共99页图8－36三相时钟脉冲电压前沿陡峭、后沿倾斜

图8－36是MOS阵列移位寄存器三相偏置脉冲电压。各MOS单元分三组，如MOS1、4、7…为一组，MOS2、5、8…为一组，MOS3、6、9…为一组，各组的电极同接于一相脉冲电压下，如ф1接MOS1、4、7…

，ф2接MOS2、5、8…

,

ф3接MOS3、6、9…

。

在三相时钟脉冲电压ф1、ф2、ф3作用下，移位寄存器中的信号电荷由左向右移位串行输出，如图8－37所示。第86页/共99页第87页/共99页第88页/共99页

当时钟t0＜t＜t1时，ф1为高电平，接于ф1下的MOS1、4、7…各单元电极下的势阱最深，接收的信号电荷最多。ф2和ф3均为低电平，接于ф2和ф3下的各单元电极下无势阱，如图8－37（a）所示。当时钟t1＜t＜t3时，ф1电平下降，ф2为高电平，此时接于ф1下的各单元势阱中的电荷向ф2极下右移；接于ф1下的各单元势阱由深变浅，接于ф2下的MOS2、5、8…各单元电极下有深阱。ф3仍为低电平，接于ф3下的各单元电极下仍无势阱，如图8－37（b）所示。当时钟t3＜t＜t5时，ф1变为低电平，接于ф1下的各单元势阱消失。此时ф2电平下降，ф3变为高电平，接于ф2下的各单元势阱中的电荷向ф3极下右移；接于ф2下的各单元势阱由深变浅，接于ф3下的MOS3、6、9…各单元电极下的势阱变为深阱。第89页/共99页图8－37移位寄存器中信号电荷的左移第90页/共99页

由上分析可知，MOS阵列中的信号电荷是按照一定的时序不断地注入、并行转移寄存、串行移位输出。通常电荷注入（感光）时间较长（20～30ms），以获得足够的光强信息；转移寄存和输出的时间短（μs级），且采取遮光措施，避免信号电荷受到干扰而使输出的图像模糊。由图8－37分