机械工程测试技术（第3版）课件：光电检测技术

光电检测技术√光电检测技术本章内容光电检测器工作原理及其性能典型光电检测方法及测量系统固态图像传感器及其应用光纤传感器测量技术6.1光电检测器的工作原理与性能6.1光电检测器的工作原理

基于光电子元件的光电效应。1.光电效应

当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时，具有辐射能量的微粒将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，将光信号转换为电信号，从而实现光电转换。如：光电管光电倍增管如：光敏电阻光敏二极管光敏三极管如：光电池2.光电检测器（光电子元件）的工作原理（1）光电管的工作原理——外光电效应球形或圆柱形玻璃壳抽成真空球面内或圆柱面内涂一层光电材料作为阴极球心或圆柱中心放置金属丝作为阳极光照射到阴极光电材料表面阴极电子逸出表面形成电子发射电子被阳极吸引

产生电流必须在阴极与阳极之间加上电势，使阳极的电位高于阴极6.1光电检测器的工作原理与性能（2）光电倍增管工作原理——外光电效应C为光电发射阴极、A为光电收集阳极D1、D2、D3是倍增极，由较高灵敏度和具有二次发射系数材料构成各级之间依次加有逐渐增高的正电压，不断使电子加速二次发射得到倍增放大，收集后作为信号输出特点：将微弱的光信号转换成可测电信号

需要外加偏置电压才能逐级升高电压应用：可探测紫外、可见和近红外区，具有极高的灵敏度和极低的噪声6.1光电检测器的工作原理与性能（3）光敏电阻工作原理——内光电效应原理：半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小光敏电阻的两端加上偏置电压后，产生电流当入射光的光学参数变化光敏电阻的阻值变化相应的电流也会发生变化根据电流大小判断入射光强度6.1光电检测器的工作原理与性能光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”，暗电阻越大越好，一般是兆欧数量级；光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”，亮电阻越小越好，一般为千欧数量级1.光照特性：一般光敏电阻的光照特性呈非线性；因此，光敏电阻常用在开关电路中作光电信号变换器2.灵敏度：光敏电阻对于不同波长的入射光的灵敏度不同；

硫化镉、硒化镉适用于可见光（0.4-0.75μm)

硫化铅、硒化铅适用于红外光（波长大于可见光）6.1光电检测器的工作原理与性能（4）光敏二极管工作原理——内光电效应结构：由一个PN结组成的半导体器件，单方向导电特性原理：

入射光照射在内部PN结管芯，PN结具有单向导电性；当无光照时，电路中有很小的反向饱和漏电流，此时相当于光敏二极管截止；当有光照射时，PN结区域受光子的轰击，部分电子挣脱共价键，产生光生载流子；

载流子在反向电压作用下移动，使反向饱和漏电流大大增加，称为光电流6.1光电检测器的工作原理与性能（5）光敏三极管又称光电三极管工作原理——内光电效应结构：两个PN结，具有电流增益，比光敏二极管灵敏度高。原理：当光线透过光孔照到发射极和基极之间的PN结时，能获得较大的集电极电流输出；输出电流的大小随光照强度的增强而增加。6.1光电检测器的工作原理与性能（6）光电池工作原理——内光电效应结构：光电池有一个大面积的PN结；原理：当光线照射到PN结上时，被激发的电子移向N区外侧，被激发的

空穴移向P区外侧，便在PN结两端出现电动势。

光电池是一种不需要加偏压就能把光能转换成电能的元件这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应6.1光电检测器的工作原理与性能光电池的短路电流与光照强度呈线性关系，因此，应用中常用作电流源。3.光电检测器性能比较6.1光电检测器的工作原理与性能选用原则：光电检测器与辐射信号源及光学系统的光谱特性相匹配光电检测器与入射辐射能量相匹配（灵敏度、感光面空间位置）响应特性与光信号的调制形式、信号频率及波形相匹配与输入电路以及后续电路在电特性上相互匹配可测量的物理量：转速，形状，信号隔离器，开关量等光电元件共性特征:

(1)每种光电元件均有其自身的光谱特性（适用波长）；

(2)光学与电学性质受温度影响很大。(3)光电元件的电信号可达mA

级。（4）非接触测量，适应环境能力强。6.1光电检测器的工作原理与性能6.2典型光电检测方法及系统应用6.2典型光电检测方法及测量系统需要可以产生光信号的光源（光载波），才可把被测信号加载于光载波以便测量。两类光源可作为发光器件：非相干光源、相干光源根据光电变换中光的调制方式不同，分两类光电测量系统非相干光电测量系统相干光电测量系统1.光源及其特性相干光源的波长范围极窄，近单色光源——激光非相干光源是除激光光源以外的其他光源（1）非相干光源热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）气体放电光源（汞灯、脉冲氙灯等）固体发光光源（发光二极管）在测试系统中，发光二极管广泛使用。6.2典型光电检测方法及系统应用发光二极管的原理：是一种半导体光源。PN结上未加电压时构成一定的势垒加上正向偏压时，P区的空穴和N区的电子就向对方扩散运动，构成少数载流子的注入，从而在PN结附近产生电子和空穴的复合一个电子和一个空穴每一次复合，将释放出一定能量，该能量会以热能、光能的形式辐射出来特点：发光二极管可利用交流供电或脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制频率可达到几十兆赫6.2典型光电检测方法及系统应用（2）相干光源——激光器按工作物质的不同分为：气体激光器、固体激光器、半导体激光器等；按工作方式分为：连续工作激光器、脉冲工作激光器；按工作波长范围分为：紫外光激光器、可见光激光器、红外激光器等。特点：激光具有很好的单色性、高亮度、方向性、相干性以及随时间、空间的可聚焦性6.2典型光电检测方法及系统应用组成:泵浦源、工作物质、谐振腔原理:泵浦源提供外界能量（辐射源或电源），使工作物质的粒子从低能态激发到高能态，受激粒子跃迁到更高轨道后最终回到基态，会以光子的形式释放能量，辐射光子在谐振腔内产生光学正反馈，谐振腔的作用是选择频率一定、方向一致的光作最优先的放大，而把其他频率和方向的光加以抑制，从而形成激光。非相干光电检测和相干光电检测技术的特点比较

非相干光电检测技术相干光电检测技术光源各种光源（含激光）非相干光源或相干光源激光相干光源检测的基本特点利用光源出射光束的强度来携带被测信息利用激光光波的振幅、频率、相位来携带被测信息6.2典型光电检测方法及系统应用2.非相干光电检测方法及应用1）检测方法被测机械量调制了光载波（光源），形成待测光将待测光信号直接入射到光电检测器件光敏元件上光电检测器件输出的电流或电压与光信号的辐射强度有关特点：普通光源，不需要稳定的激光频率光路设计上也不需要精准的准直简单而又实用的测量方法6.2典型光电检测方法及系统应用2）应用（1）转速测量12345678反射式转速测量系统光敏三极管4上输出与转速成比例的电脉冲信号，其脉冲频率正比于转轴的转速和白色条纹的数目透射式转速测量系统光敏元件1上测得的脉冲信号的频率正比于转轴的转速和多孔圆盘的透光孔数优点：测速范围宽，可达每分钟几十万转非接触测量，对被测轴无影响与磁电式测速比较？6.2典型光电检测方法及系统应用（2）脉冲编码器——透射式光电检测装置一种旋转式脉冲发生器，能将机械转角变换成电脉冲，通过对电脉冲频率的计数来检测机械的角位移和旋转速度组成：光源、码盘、光电元件增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码器

将角位移转换成周期性的电信号，再把这个电信号转变成计数脉冲，用脉冲的个数表示角位移的大小

每一个位置对应一个确定的数字码，因此它的示值只与测量的起始和终止位置有关，而与测量的中间过程无关6.2典型光电检测方法及系统应用码盘两侧分别是光源和光敏元件码道由透光与不透光的扇区交叉构成码道数就是所在码盘的二进制数码位数6.2典型光电检测方法及系统应用（3）光栅测位移

原理：基于莫尔现象构成：主光栅、指示光栅原理：两光栅有相对运动时，在垂直于光栅运动方向产生明暗相间的条纹移动光栅测量机床运动部件位移：指示光栅4固定在机床固定零件上，主光栅3则安装在机床的移动零件上。零件移动的距离由指示光栅和主光栅形成的莫尔条纹由光敏元件5测量计数得到。

可利用电子学方法把莫尔条纹的一个周期进行细分，从而可以读出小数部分

，使系统的分辨率提高。左图为四倍频细分透镜读数头：四个聚光镜、四个光敏二极管，相位相差90o。特点：（1）对应关系：光栅横向移动一个节距，莫尔条纹上下移动一个节距

（2）放大关系：莫尔条纹节距大于光栅节距，便于测量

（3）减小误差：莫尔条纹是由多根刻线组成，使栅距误差得到平均（4）表面粗糙度测量从光源1发出的光经过被测工件3的表面反射,由光电元件5接收当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度较低时，反射到光电元件上的光通量变小，转换成的光电流就小从光源1发出的光透过被测工件2的孔或狭缝后,由光电元件3接收被测孔径或狭缝尺寸变化时，照到光电元件上的光通量随之变化，转换成的光电流大小由被测孔径大小决定能否检测外径？（5）孔径测量6.2典型光电检测方法及系统应用（6）光电耦合器将发光元件与接受光信号的光敏元件封装为一体而构成电－光－电转换的器件加到发光器件上的电信号为耦合器的输入信号，光敏元件的输出信号为耦合器的输出信号无机械触点、噪音低、执行动作快、体积小、寿命长通过光信号的传递来实现输入与输出间电隔离隔离器左边输入端为发光二极管，一般只需10mA左右的输入电流就可发出足够的光，使光电隔离器右边光敏三极管受光导通一般光敏三极管可输出几十毫安的电流，从而驱动负载6.2典型光电检测方法及系统应用3.

相干光电检测方法及应用1）检测方法只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处理大多数情况下利用光的干涉现象，将光的振幅、频率、相位的变化最终都转换为光强度的变化进行检测相干检测技术具有更高的测量灵敏度和测试精度由于激光受大气湍流效应影响严重，破坏了激光的相干性，因而目前远距离相干测量应用受到限制6.2典型光电检测方法及系统应用2）应用（1）激光干涉测距仪原理：通过测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹数目而测得物体的长度测长10m时，误差约为0.5μm.可用于精密长度测量，如线纹尺、光栅的检定等工作台移动距离为：λ为激光波长；n为空气折射率；N为条纹变化次数6.2典型光电检测方法及系统应用

工作台带动反射镜

移动，使得检测光的光程发生变化，形成干涉条纹。

反射镜每移动半个光波波长时，明暗条纹变化一次，其变化次数由计数器计数。激光干涉法测振仍然是以相干测量为基础，通过计算干涉条纹数的变化来测量振幅。振动一周，工作台来回变化4Am，对应的条纹变化次数为N，振幅为：激光干涉测振仪测量准确度主要决定于计数准确度。主要用于机械振动测量，并已定为各国振动的国家计量基准。GZ-1型激光干涉仪激光器参考镜振动台分光镜光电倍增管放大器功率放大器信号发生器计数器测量镜输出（2）激光干涉测振仪ffc6.2典型光电检测方法及系统应用（3）激光多普勒测速仪光学多普勒效应：当激光照射到运动的物体时，被物体反射或散射的光的频率将发生变化，其频率的变化量为离子运动导致光散射，使接收的激光发生移频分辨率很高，激光测速仪在时速为100km/s时，测量精度可达0.8％在航空航天、热物理工程、环保工程以及机械运动测量等方面得到广泛应用6.2典型光电检测方法及系统应用6.3固态图像传感器及其应用6.3固态图像传感器及其应用1.构成核心部分：电荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，简称CCD)CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属—氧化物—半导体(MetalOxideSemiconductor，简称MOS)电容器件组成CCD功能：光生电荷、积蓄电荷、转移电荷2.测量原理1）电荷的生成

CCD每一个阵列单元是一种光电传感器，在光照射下，光子进入P型Si衬底，生成光生载流子——电子电荷。2)积蓄电荷

电荷与光照强度及积蓄时间成正比。3）电荷的转移假定开始时一些电荷存储在电压为10V的第二个电极下面的深势阱里，其他电极上均加有小于阈值的低电压2V6.3固态图像传感器及其应用

到达某时刻后，第二个电极仍保持为10V，第三个电极上的电压由2V变为10V，这两个靠得很紧的势阱将合并。

原先第二个电极势阱中的电荷将与新的势阱共有。

如果继续控制电压，令第二个电极上的电压下降到2V，则共有的电荷转移到第三个电极下的势井中。以此类推，就可以把电荷按照一定顺序转移出去。图示为一个线型传感器：1728个光敏二极管作为感光像素位于传感器中央，两侧设置CCD转移寄存器，寄存器上面覆以遮光物奇数号位的光敏二极管的信号电荷移往下侧的寄存器；偶数号位的信号电荷则移往上侧的寄存器再以输出控制栅驱动CCD转移寄存器，把信号电荷经公共输出端，从光敏二极管PD上依次读出固态图像传感器按其像素排列分为线型、面型或圆型等线型：1024、1728、2048、4096像素面型：32×32，100×100，320×244，490×400像素6.3固态图像传感器及其应用6.3固态图像传感器及其应用

3.固态图像传感器特点及应用

特点工作介质是光线，非接触、远距离测量小型、质轻、高速、高灵敏、高稳定性、高寿命可在危险地点或人不易到达场所测量应用图像检测——照相、摄像、传真、文字识别、图像识别物体检测——有/无、形状、尺寸、位置1）热轧铝板宽度的自动检测热轧铝板宽度自动检测原理图

两个CCD线型传感器1和2分别测知L1、L2，已知Lm

可求宽度LCCD传感器3接收反射的激光信号，用于补偿板厚变化造成的测量误差。可在线实时自动测量，测量精度可达板宽（2m）的土0.025％6.3固态图像传感器及其应用（2）二维零件尺寸的在线检测零件在生产线上传输CCD传感器逐行扫过零件的整个面积零件轮廓形状转换成逐行数据进行存储存储的数据经过数据处理后最终可重构出零件的轮廓形状计算出零件的各部分尺寸前提条件是传送带与零件之间有明显的光照对比度6.3固态图像传感器及其应用（3）工件的无损检测利用X光与CCD结合进行焊缝质量检测原理：X光穿透被测件，投射到X光增强器的阴极上；经过X光增强器产生的可见光图像为CCD所摄取，变成视频信号；视频信号经采集板采集并转换为数字信号送入计算机系统。计算机系统将送入的信号数据(含形状、尺寸、均匀性等数据)与原来存储在计算机系统中的数据比较，可检测出被测件相关信息6.3固态图像传感器及其应用6.4光纤传感器测量技术光纤特点信息传输量大灵敏度高、抗干扰性强体积小、可弯曲、极易接近被测对象、可非接触测量

耐高压、耐腐蚀测量对象位移、温度、压力、速度、加速度、液面、流量

纤芯5~75μm1.光纤结构：纤芯：掺杂二氧化硅，5~75µm包层:纯二氧化硅，100~200µm涂敷层：硅铜，增加机械强度护套：尼龙，保护作用6.4光纤传感器测量技术

2.光纤传光原理光线进入光纤后，当射到光纤的内包层界面时，当入射角满足全反射条件，光线将在纤芯和包层的界面上不断地产生全反射而向前传播。传播途径始终在同一平面内，通常称为子午平面36NA值应该大还是应该小？NA愈大，光纤的集光能力愈强。NA定义为“数值孔径”，它是衡量光纤集光性能的一个主要参数。NA值仅由光纤纤芯与包层的折射率所决定。根据折射定律，可得全反射临界入射角：6.4光纤传感器测量技术3．光纤传感器工作原理及分类（1）光纤传感器工作原理将光源的光经光纤送入调制区内，通过光与被测对象的相互作用，将被测量的信息传递到光纤内的光波中，或将信息加载于光波之上，简称光调制光调制可分为：强度调制、相位调制、偏振调制、频率调制和光谱调制等检测同一物理量可以利用多种光调制技术来实现光的解调过程通常是将载波光携带的信号转换成光的强度变化，然后由光电检测器进行检测。6.4光纤传感器测量技术传光型光纤传感器中，光纤仅作为传播光的介质，对外界信息的“感觉”功能是依靠其他功能元件来完成的传光型光纤是不连续的传感型光纤传感器中，光纤不仅起传光的作用，而且还在外界因素作用下，通过改变其光学特性（如光强、相位、偏振态等）来实现传感的功能。传感器中光纤是连续的（2）光纤传感器分类：

传光型（或称非功能型）和传感型