《传感器原理及应用》课件-第9章

第9章光电式传感器9.1光电器件

9.2光纤传感器

9.3光栅传感器

9.4电荷耦合器件(CCD)

9.5位置敏感器件(PSD)

思考题与习题

9.1光电器件

9.1.1光电管和光电倍增管

1.光电管

光电管主要由光电阴极K和阳极A两部分组成，阴极和阳极封装在一个玻璃管内，根据管内是抽成真空还是充入低压惰性气体可分为真空型和充气型两种。其工作电路如图9.1所示，阴极K接电源负极，阳极A通过负载电阻RL接电源正极。图9.1光电管工作电路

2.光电倍增管

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，不容易检测，此时可采用光电倍增管，其特点是可以将微小的光电流放大，放大倍数高达105～107。光电倍增管在高能物理分析、遥感卫星、医学影像诊断、军事侦察等许多领域都得到了广泛应用。

光电倍增管是一种真空光电器件，其结构如图9.2所示，主要由光电阴极K、倍增极D(又称为二次电子发射极)和阳极A组成，均封装在一个玻璃管内。图9.2光电倍增管结构原理图

1)入射窗和光电阴极

光电倍增管的入射窗通常有侧窗式和端窗式两种。侧窗式是通过管壳的侧面接收入射光，采用反射式光电阴极，如图9.3(a)所示。端窗式是通过管壳的端面接收入射光，采用透射式光电阴极，阴极材料沉积在入射窗的内侧面，如图9.3(b)所示。图9.3入射窗口和光电阴极的结构

2)倍增极和阳极

倍增极的作用是产生二次电子发射，通常把二次发射的电子数N2与入射电子数N1的比值定义为二次发射系数σ，即

电流放大系数为(9.1)(9.2)

3)供电和信号输出电路

为了使光电倍增管正常工作，必须在阴极、各倍增极和阳极之间施加一定的电压，阴极和阳极之间的电压在千伏左右，常见的形式如图9.2所示。阴极和阳极之间外接一系列电阻进行分压，使各电极之间获得一定的偏压，阴极K接高压电源的负极，阳极A接地，即负高压供电。这种方式可消除外部信号输出电路与阳极之间的电位差，信号输出方便，但由于阴极屏蔽困难，阳极输出暗电流和噪声较大。但有些情况必须采取阴极接地的正高压接法，如闪烁计数器等，如图9.4所示。图9.4阴极接地正高压接法9.1.2光敏电阻

光敏电阻是利用光敏材料的光电导效应制成的光电器件，具有体积小、性能稳定、寿命长、价格低廉等特点。光敏电阻广泛用于光电耦合、光电自动开关、通信设备及工业电子设备中。

光敏电阻由均质的光电导体两端加上电极构成，两电极加一定的电压，如图9.5所示。图9.5光敏电阻结构原理图9.1.3光敏二极管、光敏三极管和光电池

光敏二极管、光敏三极管和光电池均属于利用光生伏特效应进行工作的光伏型器件。

1.光敏二极管

光敏二极管又称为光电二极管，其结构与普通二极管相似，具有一个PN结,单向导电，而且都是非线性器件，如图9.6所示。图9.6光敏二极管结构原理图

2.光敏三极管

光敏三极管又称为光电三极管、光电晶体管，其结构与普通三极管相似，都具有电流放大作用，只是基极电流不仅受基极电压控制，还受光照的控制。光敏三极管也有NPN型和PNP型两种，图9.7为NPN型光敏三极管结构原理图。图9.7

NPN型光敏三极管结构原理图

3.光电池

光电池的基本结构与光敏二极管相似，都有一个PN结，光电池的PN结面积较大。当光照射PN结时，结区附近产生光生电子-空穴对，在PN结电场作用下，N区的空穴被拉向P区，P区的电子被拉向N区，结果在PN结两端产生电位差。此时若光电池外接负载，电路中就会有电流流过。9.1.4光电器件的应用

1.光敏电阻的应用

工业生产中一些带材，如薄钢板、纸张、胶片、塑料薄膜等易偏离正确位置而产生跑偏，因此必须对带材的位置进行检测，并采取措施控制其位置，图9.8所示为光敏电阻在带材跑偏检测装置中的应用。图9.8带材跑偏检测装置原理图图9.9所示为光敏电阻控制继电器的原理图。图9.9光敏电阻控制继电器

2.光敏二极管的应用

图9.10所示为光敏二极管在路灯自动控制中的应用。无光照时，流过光敏二极管的电流很小，A点电位很低，三极管V1和V2截止，继电器K断电，常闭触点闭合，路灯点亮。有光照时，流过光敏二极管的电流增加，A点电位上升，V1和V2均饱和导通，继电器通电，常闭触点断开，路灯熄灭。图9.10路灯控制原理图利用光刻技术将一个光敏面分成几个相同的光敏二极管，称为象限探测器。象限探测器可用于定位、跟踪、准直、近距离测距等。图9.11(a)为四象限探测器的结构原理图，将光敏面均匀分成四等份。图9.11(b)为应用电路。图9.11四象限探测器及应用

3.光敏三极管的应用

图9.12所示为光敏三极管在生产线产品计数装置中的应用。图9.12产品计数装置原理图图9.13所示为光敏三极管构成的光电耦合器及其应用。图9.13数字逻辑电路原理图

4.光电池的应用

光电池的应用分为两大类：一类是作为电源，要求光电转换效率高、成本低；另一类是作为测量元件使用，要求线性范围宽、灵敏度高。

图9.14所示为光电池作为电源时的原理框图，选择若干个型号相同的光电池，经串、并联后作为光电池组。有光照时光电池组发电，为负载供电，并对蓄电池充电。图9.14光电池电源电路框图图9.15所示为光电池在白度计中的应用。图9.15白度计原理图 9.2光纤传感器

9.2.1光纤的结构与种类

1.光纤的结构

光纤是光纤传感器的核心元件，通常由纤芯、包层、涂敷层及护套组成，如图9.16所示。纤芯位于光纤的中心部位，由玻璃、石英或塑料制成。包层的材料为玻璃或塑料，其折射率n2略小于纤芯的折射率n1。涂敷层的作用是提高光纤的机械强度，增加光纤的柔韧性。涂敷层外面是不同颜色的塑料护套，既保护光纤，又可以颜色区分光纤。图9.16光纤结构

2.光纤的种类

光纤的分类方法很多，根据纤芯和包层的材料不同，可分为玻璃光纤和塑料光纤。根据纤芯到包层的折射率分布不同，可分为阶跃型光纤和渐变型光纤。阶跃型光纤如图9.17(a)所示，纤芯的折射率n1为均匀分布，包层的折射率n2亦为均匀分布，纤芯到包层的折射率呈阶梯状变化，且纤芯内的光线沿轴线呈锯齿形轨迹传播。渐变型光纤如图9.17(b)所示。图9.17光纤的种类及折射率分布9.2.2光纤的传光原理

图9.18所示为阶跃型光纤的传光原理。设光纤周围介质的折射率为n0(空气n0=1)，纤芯折射率为n1，包层折射率为n2，且n1>n0、n1>n2，当光线从周围介质入射到纤芯的端面，并与轴线的夹角为θ0时，光线在纤芯内的折射角为θ1，然后以φ1(φ1=90°－θ1)角度入射到纤芯与包层的界面，应用斯乃尔法则，有

n0sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ1 (9.3)

图9.18阶跃型光纤的传光原理当入射光在纤芯与包层的界面上发生全反射时，光线就不会折射到包层内，而是不断地进行全反射，最终从光纤的另一端面射出。发生全反射的条件为

将式(9.4)代入式(9.3)可知，光线入射到光纤端面的入射角θ0应满足(9.5)(9.4)9.2.3光纤传感器的应用

1.非功能型光纤传感器

1)光纤液位探测器

图9.19所示为光纤液位探测器的原理图，由光源、光电器件和光纤组成。图9.19光纤液位探测器原理图

2)光纤位移传感器

图9.20(a)所示为光纤位移传感器的原理图，图9.20(b)所示为输出特性曲线。图9.20光纤位移传感器原理图与输出特性曲线

2.功能型光纤传感器

1)相位调制型光纤温度传感器

温度变化能引起光纤中光的相位变化，通过光干涉仪检测相位的变化就可测得温度值。图9.21所示为马赫-泽德干涉测温原理图，激光器发出的激光束经扩束器后，再经分光

板将光束分别送入参考光纤和测量光纤。图9.21相位调制型光纤温度传感器

2)偏振调制型光纤电流传感器

偏振调制型光纤电流传感器可以对高压输电领域的电流进行监测，图9.22所示为测量原理图。图9.22偏振调制型光纤电流传感器根据法拉第旋光效应，由电流所形成的磁场会引起光纤中线振光偏振面的偏转。激光器发出的激光束经过起偏器后变成线偏振光，线偏振光耦合到光纤内，光纤绕制在半径为R的高压载流导线上。设流过导线的电流为I，由此产生的磁场H满足安培环路定律。对于无限长导线有

由磁场H产生法拉第旋光效应，引起光纤中线偏振光的偏振角θ为(9.6)(9.7)受磁场作用的光束经偏振棱镜后分解为振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器，其输出信号I1和I2再经信号处理后的输出y为(9.8)(9.9) 9.3光栅传感器

9.3.1光栅的结构与种类

1.光栅的结构

在玻璃尺(或金属尺)上类似于刻线标尺那样，进行密集刻划(刻线密度一般为每毫米25、50、100、250线)，得到如图9.23所示的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光(或反光)，刻划的地方不透光(或不反光)，这就是光栅。光栅上的刻线称作栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般取a=b，a+b=W称作光栅的栅距或节距。图9.23光栅栅线结构图

2.光栅的种类

光栅按其工作原理不同，可分为物理光栅和计量光栅。物理光栅利用光的衍射现象进行工作，主要用于光谱分析和光波长等的测量。计量光栅利用莫尔条纹原理工作，主要用于长度、角度、速度、加速度和振动等物理量的测量。计量光栅按应用场合不同可分为透射光栅和反射光栅；按用途不同可分为测量线位移的长光栅和测量角位移的圆光栅，圆光栅又分为径向光栅和切向光栅；根据光栅的表面结构不同，长光栅也可分为幅值(黑白)光栅和相位(闪耀)光栅。9.3.2光栅的工作原理

计量光栅是利用莫尔条纹原理进行工作的，现以长光栅为例进行介绍。如图9.24所示，将栅距相同的两光栅刻面相对重叠在一起，中间留有适当的间隙，且两者栅线错开一个很小的角度θ，即构成光栅副。其中一个光栅称为主光栅(或标尺光栅)，另一个光栅称为指示光栅，指示光栅的长度要比主光栅短得多。图9.24长光栅及莫尔条纹莫尔条纹的斜率为

莫尔条纹间距L为(9.11)(9.10)由此可见，莫尔条纹间距L由栅距W和栅线夹角θ决定。对于给定栅距的光栅，θ越小，L越大。通过调整θ，可使L获得任何需要的值。莫尔条纹具有如下性质：

(1)莫尔条纹的运动与光栅的运动具有对应关系：当光栅副中任一光栅沿垂直于栅线方向移动时，莫尔条纹就沿近似垂直于光栅移动方向运动，故称作横向莫尔条纹。光栅改变运动方向时，莫尔条纹也随之改变运动方向；

(2)位移放大作用：当光栅相对移动一个栅距W时，莫尔条纹上下移动一个莫尔条纹间距L。由式(9.11)可知，θ越小，L越大，相当于将被测位移放大了1/θ倍；

(3)光栅误差平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量栅线共同形成的，对光栅的刻线误差有平均作用，能在很大程度上消除栅距的局部误差和短周期误差的影响，提高光栅传感器的测量精度。9.3.3辨向原理与细分技术

1.辨向原理

实际应用时大部分被测对象往往是往复运动，既有正向运动，又有反向运动，因此必须正确辨别光栅的运动方向。欲实现辨向，可在相距L/4的位置处安装两个光电器件，如图9.25所示，两个光电器件可获得两个相位相差90°的信号。光栅传感器的输出信号有方波和正弦波两种形式，现以正弦波光栅为例对辨向电路进行分析，如图9.26所示。图9.25相距L/4的两个光电器件图9.26辨向电路原理框图当光栅正向移动时，莫尔条纹向上移动，光电器件1的输出电压A比光电器件2的输出电压B超前90°相角，如图9.27(a)所示。图9.27辨向电路各点波形图

2.细分技术

利用光栅进行测量时，当运动部件移动一个栅距，输出信号变化一个周期，产生一个脉冲间隔，即分辨率(脉冲当量)为一个栅距。为了提高分辨率，可增大刻线密度以减小栅距，但这种方法受制造工艺和成本的限制。为此可采用细分技术，即光栅每移动一个栅距时均匀输出几个脉冲，从而提高分辨率，减小脉冲当量。

1)直接细分法

直接细分又称为位置细分，常用的细分数为4,如图9.28所示。图9.28直接细分法

2)电阻桥细分法

电阻桥细分电路是由同频率的信号源u1=Umsinφ、u2=Umcosφ以及电阻器组成电桥，如图9.29(a)所示，其输出电压uo为

输出电压uo是两个正交旋转矢量之和，其幅值Uom和超前u1

的相位角θ分别为(9.13)(9.12)图9.29电阻桥细分电路9.3.4光栅传感器的应用

图9.30所示为光栅位移传感器在机床上应用的结构示意图。图9.30光栅位移传感器结构示意图 9.4电荷耦合器件(CCD)

电荷耦合器件(CCD,ChargeCoupledDevice)在固态图像传感器中的应用最为普遍，是在MOS器件的基础上发展起来的，可实现光电信号转换、存储、传输和检测的功能。CCD具有体积小、重量轻、结构简单和功耗小等特点，不仅在传真、文字识别、图像识别领域广泛应用，而且在现代测控技术中常用于检测物体的有无、形状、尺寸、位置等。

9.4.1

CCD的结构与工作原理

1.CCD的结构

CCD的基本单元是MOD(金属氧化物半导体)电容，如图9.31所示。图9.31

MOS电容的结构

2.CCD的工作原理

CCD的突出特点是以电荷作为信号，工作过程包括电荷的注入、存储、传输和检测。

1)电荷存储

若MOS电容为P型硅(P-Si)衬底，当金属电极上施加正向电压UG时，P型硅中的多数载流子(空穴)受到金属中的正电荷(空穴)排斥，少数载流子(电子)被吸引到半导体表面形成带负电荷的耗尽层，又称为表面势阱。耗尽层对电子来说势能很低，可以吸收自由电子，栅极电压UG越高，耗尽层越深，势阱所能容纳的少数载流子就越多。存储信号电荷的势阱又称为电荷包，如图9.32所示。图9.32存储信号电荷的势阱

2)电荷注入

电荷注入即信号电荷的产生，CCD中的信号电荷可通过光注入和电注入两种方式得到。当CCD用作固态图像处理时，接收的是光信号，电荷由光生载流子产生，即光注入。当光照射半导体时，若光子的能量大于半导体禁带宽度，就会被半导体吸收，产生光生载流子(电子-空穴对)，在栅极电压UG作用下，电子被势阱吸收，势阱内吸收的光生电子数与入射光强成正比，实现光信号与电信号的转换。

当CCD用作信息存储或信息处理时，采用电注入方式。电注入CCD就是通过输入电路对信号电压或电流进行采样,将信号电压或电流转换为信号电荷。

3)电荷传输

CCD的MOS电容阵列排列很密，相邻MOS电容的势阱可以互相耦合。通过控制相邻MOS电容栅极电压的大小可

以调节势阱的深浅，信号电荷就会从势阱浅处流向势阱深处，即电荷传输。MOS电容栅极在一定规律的时钟脉冲控制下，势阱中的信号电荷将沿特定方向转移，实现信号电荷的定向传输。

4)电荷检测

电荷检测就是通过输出电路将信号电荷转换为电流或电压输出。9.4.2线阵CCD

线阵CCD用于获取一维光信息，由一列MOS光敏元和一列CCD移位寄存器构成，光敏元和移位寄存器之间为转移栅，如图9.33(a)所示。图9.33线阵CCD结构原理图9.4.3面阵CCD

面阵CCD的光敏元呈二维矩阵排列，能检测二维图像信息，其结构如图9.34所示。图9.34面阵CCD结构原理图9.4.4

CCD的应用

CCD器件广泛应用于以下几个方面：

(1)计量检测仪器：工业产品尺寸、位置、缺陷的非接触测量、距离测定等；

(2)生产过程自动化：自动售货机、自动搬运机、监视装置等；

(3)光学信息处理：光学文字识别、标记识别、图像识别、传真、扫描等；

(4)军事科学：导航、跟踪、侦查等。

图9.35所示为线阵CCD在扫描仪中的应用。图9.35扫描仪原理图图9.36所示为X射线在线探伤系统的结构示意图。图9.36

X射线在线探伤系统 9.5位置敏感器件(PSD)

位置敏感器件(PSD，PositionSensitiveDetector)是一种对入射到光敏面上光斑位置敏感的光电器件，其位置分辨率高，一维PSD可达0.2μm。PSD广泛应用于激光束监控(对准、位移和振动)、平面度检测、二维位置检测等系统中。

9.5.1

PSD的结构与工作原理

根据检测对象的不同可将PSD分为两类：检测光斑直线运动的一维PSD和检测光斑平面运动的二维PSD。

1.一维PSD

图9.37所示为一维PSD的截面示意图，基本结构包括三层：上层为P型半导体，中间为高阻态Si衬底(I层)，下层为N型半导体。图9.37一维PSD的截面图图中电极1和2之间的距离为2L，电阻为2RL。当光照射到PSD的光敏层时，在入射位置产生与入射光能量成正比的光生电荷，形成光电流，通过电极输出。由于P层的电阻均匀，电极1和2输出的电流I1和I2分别与光斑到各电极的距离(或电阻)成反比，且有I0=I1+I2。若入射光位置到电阻层中心点的距离为x，对应电阻为Rx，则I1和I2分别为(9.14)由式(9.14)可得

即根据电流I1和I2的值即可检测出入射光的位置，而与入射光的强度无关。

2.二维PSD

二维PSD的感光面为方形，比一维PSD多一对电极，其结构如图9.38所示。(9.15)图9.38二维PSD9.5.2

PSD的特性

1.响应特性

PSD的响应特性与电极间电阻R和结电容C有关，响应时间为

T=2.2RC

(9.16)

电极间电阻R通常在10kΩ以上，结电容C与器件所加的反偏电压有关，反偏电压越高，C越小，响应速度越快。当反偏电压超过一定值时，C基本上为一常数。

2.线性度

入射光在PSD受光面上的位置和相应输出信号之间存在一定的误差，该误差可以用线性度来衡量。一维PSD线性度由极间电阻的均匀性决定，位置检测误差较小，精度较高。

图9.39所示为二维PSD的线性度。图9.39二维PSD的线性度

3.分辨率

分辨率是指PSD能够分辨出的入射光最小的位移量。分辨率与入射光通量和极间电阻有关，极间电阻越大，入射光通量越大，可分辨的最小位移量越小，即分辨率越高。9.5.3

PSD的应用

1.PSD信号调理电路

图9.40所示为一维PSD的信号调理电路，首先对PSD输出的光电流信号进行电流-电压转换并放大，再根据式(9.15)利用加法器和减法器进行信号的加减运算，最后通过除法器相除，得到与光能大小无关的位置坐标信号。图9.40一维PSD信号调理电路

2.PSD测距传感器

PSD应用非常广泛，如光学装置中位置及角度的测量与控制，激光装置中光轴的校正，物体变形及振动的二维和三维测量，物体表面粗糙度的测量，机器人视觉与动作的控制等。