第4章-光电式传感器培训教材

第4章光电式传感器4.1光电效应和光电器件4.2

光电码盘4.3电荷耦合器件4.4光纤传感器4.5光栅传感器4.1光电效应和光电器件外光电效应:

在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管内光电效应:

在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。阻挡层光电效应(光生伏特效应):

在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等光电效应和光电器件4.1.1光电管4.1.2光电倍增管4.1.3光敏电阻4.1.4光敏二极管和光敏晶体管4.1.5光电池4.1.6光电式传感器的应用真空光电管的伏安特性充气光电管的伏安特性充气光电管:构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.区别：在玻璃泡内充以少量的惰性气体缺点：其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差4．1．2光电倍增管在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小，光电倍增管：放大光电流组成：光电阴极+若干倍增极+阳极光电倍增管的结构与工作原理光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数σ=二次发射电子树／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn4．1．3光敏电阻1.光敏电阻的工作原理及结构2．光敏电阻的主要参数3．光敏电阻的基本特性1.光敏电阻的工作原理及结构当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小

当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加1.玻璃2.光电导层3.电极4.绝缘衬底5.金属壳6.黑色绝缘玻璃7.引线光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。光敏电阻的结构半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，提高了光敏电阻的灵敏度。灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。而且体积小、重量轻、性能稳定梳状电极2．光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。（2）亮电阻光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。（3）光电流亮电流与暗电流之差，称为光电流。3．光敏电阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光谱特性（4）响应时间和频率特性（5）温度特性（1）伏安特性在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。（2）光照特性光敏电阻的光电流与光强之间的关系由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。（3）光谱特性光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的（4）响应时间和频率特性光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。通常用响应时间t表示。光敏电阻的频率特性不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同。（5）温度特性光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。硫化镉光敏电阻的温度特性

温度系数:在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率温度对光谱特性影响随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。硫化铅光敏电阻的光谱温度特性4.1.4光敏二极管和光敏晶体管1．工作原理2．基本特性1．工作原理结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中 在电路中一般是处于反向工作状态的光敏二极管光敏晶体管与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。2．基本特性（1）光谱特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）温度特性（5）频率响应入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。（1）光谱特性（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二极管的光照特性曲线的线性较好（4）温度特性其暗电流及光电流与温度的关系温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。（5）频率响应具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系硅光敏晶体管的频率响应4．1．5光电池有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。

1.工作原理

2．基本特性1.工作原理直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负)。用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。2．基本特性(1)光谱特性(2)光照特性(3)频率响应(4)温度特性(5)稳定性（1）光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的(2)光照特性不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用光电池的短路电流外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽(3)频率响应指输出电流随调制光频率变化的关系硅光电池具有较高的频率响应,用于高速计数的光电转换

(4)温度特性开路电压和短路电流随温度变化的关系。关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标硅光电池的温度特性(照度1000lx)当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件

(5)稳定性4．1．6光电式传感器的应用模拟式传感器脉冲式传感器1．模拟式光电传感器基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数。

对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。光电比色高温计1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜；6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池；10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计222．脉冲式光电传感器 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态。 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。光电式数字转速表4.2光电码盘数字式传感器:把输入量转换成数字量输出优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用计算机处理。最简单的数字式传感器是编码器(ADE)

角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺）原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等4.2光电码盘4.2.1工作原理4.2.2码盘和码制4.2.3二进制码与循环码的转换4.2.4应用4.2.1工作原理用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。1－光源2－柱面镜3－码盘4－狭缝5－元件4.2.2码盘和码制6位二进制码盘根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。二进制码盘主要特点：

（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n，它的最外圈角节距为2θ1；（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，C1对应于由零位算起的转角为：（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(j<K)应同时变化。二进制码盘的粗大误差及消除

要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差。消除粗大误差方法： 双读数头法，循环码代替二进制码 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难。(a)四位二进制码盘展开图(b)采用双读数头消除粗大误差的示意图(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码；(2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循环码为无权码；(4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。六位的循环码码盘4.2.3二进制码与循环码的转换4位二进制码与循环码的对照表二进制码转换为循环码的电路(a)并行变换电路(b)串行变换电路循环码转变为二进制码的电路(a)并行变换电路(b)串行变换电路循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。单盘与多盘编码器:单盘编码器:

全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力，则制造困难，圆盘直径也要大。采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组，则可大大提高分辨率，而且可以用来测定转速。光学码盘测角仪的原理图1－光源2－大孔径非球面聚光镜3－码盘4－狭缝5－光电元件4.2.4应用脉冲当量变换

编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。4.3电荷耦合器件电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。 在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。 图像传感器：转移的信号电荷是由光像照射产生

若所转移的电荷通过外界得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。4.3.1电荷耦合器件的结构和工作原理4.3.2CCD图像传感器4.3.3图像传感器的应用4.3电荷耦合器件4.3.1电荷耦合器件的结构和工作原理1.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。有信号电荷的势阱

MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。

势阱：深耗尽条件下的表面势。势阱填满：电子在半导体表面堆积后使平面势下降。信号电荷的存储

势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。

CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量。信号电荷转移CCD的基本功能是存储与转移信息电荷为实现信号电荷的转换：

1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。

定向转移的实现在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每—位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。 一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。 当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。

三相CCD信息电荷传输原理图CCD电荷的产生方式：电压信号注入

CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。CCD通过输入结构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。光信号注入

CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间。

4.3.2CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。线列和面阵(1)CCD线列图像器件1－CCD转移寄存器2－转移控制栅3－积蓄控制电极4—PD阵列SH—转移控制栅输入端RS—复位控制VOD—漏极输出OS—图像信号输出OG—输出控制栅线型图像传感器结构（2）面型固态图像传感器(a)x-y选址(b)行选址(c)帧场传输式(d)行间传输式4.3.3图像传感器的应用1．尺寸测量2．

用于光学文字识别装置1．尺寸测量被测对象长度Ll1

－视场l2－传感器的长度2．用于光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理4.4光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。上一页下一页返回4.4.1光导纤维的结构和导光原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：斯乃尔定理当θr=90°的临界状态时，Sinθi定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θi

>arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θi

<arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗4.4.2光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。阶跃型的圆筒波导内传播的模式数量表示为

希望V小：d不能太大，n2与n1之差很小3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响

l-光纤长度；a-单位长度衰减；I0-光纤输入端光强；I-光纤输出端光强传播损耗（单位为dB）4.4.3光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光纤传感器光学测量的基本原理光就是一种电磁波，

光的电矢量E被测量调制：光的强度、偏振态（矢量B的方向）、频率和相位解调：光的强度调制、偏振调制、频率调制或相位调制4.4.4光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同

(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型

(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器(a)强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:

结构简单、容易实现、成本低。缺点:

易受光源波动和连接器损耗变化等的影响（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。

利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。4.4.5光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。

4.4.6光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。光纤压力传感器

（1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤2壳体3膜片与所加的压力呈线性关系传感器的固有频率可表示为式中,ρ――膜片材料的密度；

g――重力加速度。结构简单、体积小、使用方便，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。差动式膜片反射型光纤压力传感器1．输出光纤2．输入光纤3．输出光纤4．胶5．膜片两束输出光的光强之比A―常数；p―待测量压力输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。（b）光弹性式光纤压力传感器光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜光弹性式光纤压力传感器2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度（c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。

1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4、5光纤微弯式光纤水听器探头上一页下一页返回4.5光栅传感器4.5.1光栅传感器的结构4.5.2莫尔条纹形成的原理4.5.3莫尔条纹技术的特点4.5.4光栅的光路4.5.5辨向原理4.5.6细分技术4.5.1光栅传感器的结构光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。

光栅传感器光源：钨丝灯泡： 输出功率较大，工作范围较宽（-40℃到+130℃） 与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击条件下工作时，使用寿命将降低。半导体发光器件: 转换效率高，响应特征快速。 如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换效率最高可达30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响应速度约为几十ns，可以使光源工作在触发状态，从而减小功耗和热耗散。

光栅副：指示光栅＋主光栅a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2光电元件包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。 在光敏元件的