胡向东传感器与检测技术

胡向东传感器与检测技术第1页/共108页9.1概述9.1.1光电式传感器的类别光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。按工作原理分类光电效应传感器红外热释电探测器固体图像传感器光纤传感器第2页/共108页1、光电效应传感器是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应。2、红外热释电探测器主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。3、固体图像传感器结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。4、光纤传感器它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。第3页/共108页特点光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力第4页/共108页9.1.2光电式传感器的基本形式由光路及电路两大部分组成光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换第5页/共108页四种基本形式透射式反射式辐射式开关式第6页/共108页9.2光电效应与光电器件光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为光电效应方程第7页/共108页光电器件光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。光电器件工件的物理基础：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效应第8页/共108页9.2.1外光电效应型光电器件当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。第9页/共108页1、光电管及其基本特性第10页/共108页光电管的伏安特性第11页/共108页光电管的光照特性曲线1表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系第12页/共108页光电管的光谱特性不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度；同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。曲线1、2分别为铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度，3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线第13页/共108页2、光电倍增管及其基本特性第14页/共108页主要参数

倍增系数M阳极电流光电倍增管的电流放大倍数光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度暗电流光电倍增管的光谱特性第15页/共108页9.2.2内光电效应型光电器件内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种第16页/共108页

内光电效应分类光电导效应在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。如光敏电阻光生伏特效应在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。第17页/共108页（1）光敏电阻1.光敏电阻的结构与工作原理光敏电阴是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，此时光敏电阻的灵敏度高。实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧量级，亮电阻值在几千欧以下。第18页/共108页光敏电阻的结构光敏电阻结构(a)光敏电阻结构；(b)光敏电阻电极；(c)光敏电阻接线图第19页/共108页2.光敏电阻的主要参数暗电阻光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流称为暗电流。亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。光电流亮电流与暗电流之差第20页/共108页3、光敏电阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。图10.9硫化镉光敏电阻的伏安特性第21页/共108页光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系光敏电阻的光照特性第22页/共108页光谱特性光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系。即光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用，即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。光敏电阻的光谱特性第23页/共108页频率特性光敏电阻的光电流不能随着光强改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性通常用时间常数表示，对应着不同材料的频率特性。光敏电阻的频率特性第24页/共108页温度特性光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。温度变化时，影响光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻。硫化铅光敏电阻受温度影响更大。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性第25页/共108页（2）光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。即电源。工作原理：基于“光生伏特效应”。光电池实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴，电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电动势。第26页/共108页光敏电阻的应用－火灾探测第27页/共108页光电池结构、符号第28页/共108页光电池种类

光电池的种类很多，有硅光电池、硒光电池、锗光电池、砷化镓光电池、氧化亚铜光电池等最受人们重视的是硅光电池。因为它具有性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射、价格便宜、寿命长等特点。它不仅广泛应用于人造卫星和宇宙飞船作为太阳能电池，而且也广泛应用于自动检测和其它测试系统中硒光电池由于其光谱峰值位于人眼的视觉范围，所以在很多分析仪器、测量仪表中也常常用到。第29页/共108页光电池基本特性光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。硅光电池的光谱特性第30页/共108页光照特性光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照特性硅光电池的光照特性第31页/共108页频率特性第32页/共108页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情况。硅光电池的温度特性第33页/共108页（3）光敏二极管和光敏三极管第34页/共108页光敏二极管工作原理光敏二极管的结构与一般二极管相似、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，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。第35页/共108页光敏晶体管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子—空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的β倍，所以光敏晶体管有放大作用。第36页/共108页NPN型光敏晶体管结构和基本电路

第37页/共108页光敏管的基本特性光敏晶体管的光谱特性第38页/共108页伏安特性第39页/共108页光照特性第40页/共108页频率特性第41页/共108页光敏二极管和三极管的主要差别光电流光敏二极管一般只有几微安到几百微安，而光敏三极管一般都在几毫安以上，至少也有几百微安，两者相差十倍至百倍。光敏二极管与光敏三极管的暗电流则相差不大，一般都不超过1uA。响应时间光敏二极管的响应时间在100ns以下，而光敏三极管为5～10us。因此，当工作频率较高时，应选用光敏二极管；只有在工作频率较低时，才选用光敏三极管。输出特性光敏二极管有很好的线性特性，而光敏三极管的线性较差。第42页/共108页光敏管的应用第43页/共108页数字转速表第44页/共108页光电耦合器件第45页/共108页总结第46页/共108页9.3CCD固体图像传感器电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。它以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、转移并读出信号电荷的功能。第47页/共108页1.CCD的工作原理（1）结构CCD是由若干个电荷耦合单元组成的。其基本单元是MOS（金属-氧化物-半导体）电容器。它以P型（或N型）半导体为衬底，上面覆盖一层SiO2，再在SiO2表面依次沉积一层金属电极而构成MOS电容转移器件。这样一个MOS结构称为一个光敏元或一个像素。将MOS阵列加上输入、输出结构就构成了CCD器件。第48页/共108页P型MOS光敏元第49页/共108页(2)电荷存储原理构成CCD的基本单元是MOS电容器。与其它电容器一样，MOS电容器能够存储电荷。如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。对带负电的电子来说，耗尽区是个势能很低的区域。在一定的条件下，所加正电压Ug越大，耗尽层就越深，势阱所能容纳的少数载流子电荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区。势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近的光强成正比。第50页/共108页（3）电荷转移原理CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。第51页/共108页三相CCD时钟电压与电荷转移的关系(a)三相时钟脉冲波形；(b)电荷转移过程第52页/共108页（4）电荷注入方法电荷注入方法（a）背面光注入；（b）电注入第53页/共108页（5）电荷的输出CCD输出端结构第54页/共108页9.3.2CCD固体图像传感器的分类线阵型CCD图像传感器第55页/共108页面阵型CCD图像传感器第56页/共108页9.3.3CCD图像传感器的特性参数光电转移效率

总转移效率第57页/共108页分辨率分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离第58页/共108页灵敏度及光谱响应

单位发射照度下，单位时间、单位面积发射的电量：第59页/共108页动态范围饱和曝光量和等效曝光量的比值称为CCD的动态范围。CCD器件的动态范围一般在103～104数量级。第60页/共108页暗电流

暗电流起因于热激发产生的电子-空穴对，是缺陷产生的主要原因。光信号电荷的积累时间越长，其影响就越大。暗电流的产生不均匀，在图像传感器中出现固定图形，暗电流限制了器件的灵敏度和动态范围，暗电流大的地方，多数会出现暗电流尖峰。暗电流与温度密切有关，温度每降低10℃，暗电流约减小一半。对于每个器件，产生暗电流尖峰的缺陷总是出现在相同位置的单元上，利用信号处理，把出现暗电流尖峰的单元位置存贮在PROM(可编程只读存贮器)中，单独读取相应单元的信号值，就能消除暗电流尖峰的影响。第61页/共108页噪声

CCD是低噪声器件，但由于其他因素产生的噪声会叠加到信号电荷上，使信号电荷的转移受到干扰。噪声的来源有转移噪声、散粒噪声、电注入噪声、信号输入噪声等。第62页/共108页9.3.4CCD固体图像传感器的应用CCD固体图像传感器的应用主要在以下几方面：·计量检测仪器：工业生产产品的尺寸、位置、表面缺陷的非接触在线检测、距离测定等。·光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图形识别、传真、摄像等。·生产过程自动化：自动工作机械、自动售货机、自动搬运机、监视装置等。·军事应用：导航、跟踪、侦查(带摄像机的无人驾驶飞机、卫星侦查)。第63页/共108页典型应用实例尺寸自动检测

第64页/共108页大尺寸物体光学成像第65页/共108页9.4光纤传感器光纤传感器的特点：极高的灵敏度和精度固有的安全性好抗电磁干扰高绝缘强度耐腐蚀集传感与传输于一体能与数字通信系统兼容等光纤传感器受到世界各国的广泛重视。光纤传感器已用于位移、振动、转动、压力、速度、加速度、电流、磁场、电压、温度等70多个物理量的测量在生产过程自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面有广泛的应用前景。第66页/共108页1、光纤的结构第67页/共108页2、光纤的传光原理光纤的传光原理光全反射条件：第68页/共108页3、光导纤维的主要参数数值孔径NA

第69页/共108页光纤模式光波在光纤中的传播途径和方式称为光纤模式。对于不同入射角的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波间的干涉也是不同的，这就是传播模式不同。一般总希望光纤信号的模式数量要少，以减小信号畸变的可能。单模光纤直径较小，只能传输一种模式。其优点是：信号畸变小、信息容量大、线性好、灵敏度高；缺点：纤芯较小，制造、连接、耦合较困难。多模光纤直径较大，传输模式不只一种，其缺点是：性能较差。优点：纤芯面积较大，制造、连接、耦合容易。第70页/共108页传播损耗

光信号在光纤中的传播不可避免地存在着损耗。光纤传输损耗主要有材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）、散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）、光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）。第71页/共108页光纤传感器工作原理由于外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）对光纤的作用，会引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态等）发生变化，只要能测出这些参量随外界因素的变化关系，就可以用它作为传感元件来检测对应物理量的变化第72页/共108页光纤传感器的组成由光源、光纤耦合器、光纤、光探测器等组成。光源一般要求光源的体积尽量小，以利于它与光纤耦合；光源发出的光波长应合适，以便减少光在光纤中传输的损失；光源要有足够亮度，以便提高传感器的输出信号。另外还要求光源稳定性好、噪声小、安装方便和寿命长等。光纤传感器使用的光源种类很多，按照光的相干性可分为相干光和非相干光。非相干光源有白炽光、发光二极管；相干光源包括各种激光器，如氦氖激光器、半导体激光二极管等。光探测器光探测器的作用是把传送到接收端的光信号转换成电信号，以便作进一步的处理。它和光源的作用相反，常用的光探测器有光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管等。第73页/共108页光纤传感器的分类

按光纤在传感器中功能的不同可分为：功能型（传感型）光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使传输的光的强度、相位、频率或偏振等特性发生变化，再通过对被调制过的信号进行解调，从而得出被测信号。非功能型（传光型）光纤传感器是利用其他敏感元件感受被测量的变化，与其它敏感元件组合而成的传感器，光纤只作为光的传输介质。第74页/共108页光纤传感器组成示意图（a）传感型；（b）传光型第75页/共108页按光纤传感器调制的光波参数不同·强度调制光纤传感器相位调制光纤传感器时分调制光纤传感器偏振调制光纤传感器波长（频率）调制光纤传感器第76页/共108页按光纤传感器检测对象不同光纤温度传感器光纤位移传感器光纤电流传感器光纤流速传感器等等。第77页/共108页光纤传感器的应用光纤温度传感器辐射温度计第78页/共108页荧光发射型光纤温度传感器第79页/共108页光强调制型光纤温度传感器第80页/共108页光纤图像传感器

第81页/共108页9.5光电式编码器编码器是将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器。编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。第82页/共108页9.5.1码盘式编码器(1)接触式编码器第83页/共108页四位二进制码与循环码对照表第84页/共108页码制转换第85页/共108页（2）光电式编码器

光电式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号，前者为“1”，后者为“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。第86页/共108页

编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。这样在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度α≈5.6°。第87页/共108页

采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。第88页/共108页脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。

9.5.2脉冲盘式编码器第89页/共108页辨向原理第90页/共108页9.5.3光电式编码器的应用第91页/共108页9.6计量光栅9.6.1光栅的结构及工作原理

1.光栅结构在镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（又称为刻线），这就是光栅。图中a为栅线的宽度（不透光），b为栅线间宽（透光），a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。通常a=b=W/2，也可刻成a∶b=1.1∶0.9。目前常用的光栅每毫米刻成25、50、100、125、250条线条。第92页/共108页光栅莫尔条纹的形式

2.光栅测量原理第93页/共108页

莫尔条纹测位移具有以下三个方面的特点。

(1)位移的放大作用当光栅每移动一个光栅栅距W时，莫尔条纹也跟着移动一个条纹宽度BH。莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角θ之间的关系为

θ越小，BH越大，这相当于把栅距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，则1/θ≈573，即莫尔条纹宽度BH是栅距W的573倍，这相当于把栅距放大了573倍，说明光栅具有位移放大作用，从而提高了测量的灵敏度。第94页/共108页

（2）莫尔条纹移动方向如光栅1沿着刻线垂直方向向右移动时，莫尔条纹将沿着光栅2的栅线向上移动；反之，当光栅1向左移动时，莫尔条纹沿着光栅2的栅线向下移动。因此根据莫尔条纹移动方向就可以对光栅1的运动进行辨向。

(3)误差的平均效应莫尔条纹由光栅的大量刻线形成，对线纹的刻划误差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期误差的影响。第95页/共108页

9.6.2计量光栅的组成计量光栅作为一个完整的测量装置包括光栅读数头、光栅数显表两大部分。光栅读数头利用光栅原理把输入量（位移量）转换成响应的电信号光栅数显表是实现细分、辨向和显示功能的电子系统。第96页/共108页

1.光电转换光电转换装置（光栅读数头）主要由主光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。主光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比主光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。主光栅一般固定在被测物体上，且随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。第97页/共108页光栅读数头结构示意图第98页/共108页莫尔条纹是一个明暗相间的带。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮经渐亮到渐暗，再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，