沈航傳感與測試技術34光電式

1、2021-11-131( 傳感器定義、組成及分類傳感器定義、組成及分類( 電參量型傳感器電參量型傳感器( 電量型傳感器電量型傳感器( 光電式傳感器光電式傳感器( 光纖傳感器光纖傳感器( 數(shù)字式傳感器數(shù)字式傳感器2021-11-132& 光電式傳感器光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以是以光電器件光電器件作為轉換元件作為轉換元件的傳感器總稱。用來測量的傳感器總稱。用來測量的其他非電量；也可用來測量的其他非電量；也可用來測量的其他非電量。的其他非電量。 概述概述光電傳感器的組成光電傳感器的組成光源光源光電器件光電器件光電傳感器及其應用光電傳感器及其應用一一新型光電器

2、件新型光電器件2021-11-133&傳統(tǒng)電測傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：傳統(tǒng)電測傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：: :以以作為轉換元件。作為轉換元件。被測量被測量敏感元件敏感元件電參量電參量/ /電量電量轉換元件轉換元件導線導線導線導線非電物理量非電物理量被測量被測量被測對象被測對象/光調制器光調制器電參量電參量/ /電量電量導線導線被測介質、被測介質、空氣或光導纖維空氣或光導纖維光信號光信號傳統(tǒng)電測傳感器：傳統(tǒng)電測傳感器：光電式傳感器：光電式傳感器：光電器件光電器件各種實現(xiàn)各種實現(xiàn)機機- -電電轉換傳感器轉換傳感器各種實現(xiàn)各種實現(xiàn)光光- -電電轉換傳感器轉換傳感器2021-11-134

3、光照射到某些物質上，引起物質的光照射到某些物質上，引起物質的發(fā)生變化，發(fā)生變化，。這。這的現(xiàn)象被人們統(tǒng)的現(xiàn)象被人們統(tǒng)稱為光電效應（稱為光電效應（Photoelectric effect）。）。1887年，赫茲在做證實麥克斯韋年，赫茲在做證實麥克斯韋的電磁理論的火花放電實驗時，的電磁理論的火花放電實驗時，偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應。偶然發(fā)現(xiàn)了光電效應。1905年，愛因斯坦提出光子假設，年，愛因斯坦提出光子假設，成功解釋了光電效應，因此獲得成功解釋了光電效應，因此獲得1921年諾貝爾物理獎。年諾貝爾物理獎。2021-11-135分為：分為：外光電效應外光電效應和和內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應。外光電效應外光電效應

4、是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子是被光激發(fā)產(chǎn)生的電子物質表面，形物質表面，形成成真空真空中的電子的現(xiàn)象。中的電子的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或是被光激發(fā)所產(chǎn)生的載流子（自由電子或空穴空穴）仍在物質）仍在物質運動，使物質的運動，使物質的電導率電導率發(fā)生變化發(fā)生變化或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。或產(chǎn)生光生伏特的現(xiàn)象。&光電效應中產(chǎn)生的光電子的速度與光的光電效應中產(chǎn)生的光電子的速度與光的頻率頻率有關，有關，而與光強無關。而與光強無關。2021-11-136&光電式傳感器的一般主要包括光電式傳感器的一般主要包括四個部分。四個部分。 測量電路測量電路光源光源光通路光通路光電

5、器件光電器件被測量被測量x1被測量被測量x2光量光量電參量電參量或電量或電量光量光量電量輸出電量輸出圖圖3.67 光電式傳感器的組成光電式傳感器的組成被測體或被測體或人造光源人造光源各種光調制器各種光調制器實現(xiàn)光實現(xiàn)光-電電轉換器件轉換器件對光電器件輸出對光電器件輸出的電信號進行的電信號進行放大或轉換，放大或轉換， 2021-11-137&光是電磁波譜中的一員，光電式傳感器使用的光的光是電磁波譜中的一員，光電式傳感器使用的光的波長范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，一般為可見波長范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，一般為可見光和近紅外光。光和近紅外光。&工程檢測中的光源，由各種發(fā)光器件產(chǎn)生

6、，或是物工程檢測中的光源，由各種發(fā)光器件產(chǎn)生，或是物體的輻射光。利用物體在不同溫度下的輻射光的強體的輻射光。利用物體在不同溫度下的輻射光的強度和頻譜特性不同進行測溫的方法，稱輻射測溫法。度和頻譜特性不同進行測溫的方法，稱輻射測溫法。&工程上常見的人造光源按其工程上常見的人造光源按其不同，可分為不同，可分為。 2021-11-138 利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源。物利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成的光源。物體升溫越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波體升溫越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。例如長也就越短。例如。 特點特點：光譜線豐富，包含可見光與紅外光；發(fā)光光譜線豐

7、富，包含可見光與紅外光；發(fā)光效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，危險。效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，危險。 利用電流通過置于氣體中的兩個電極時，兩電極利用電流通過置于氣體中的兩個電極時，兩電極之間會放電發(fā)光的原理制成的光源。之間會放電發(fā)光的原理制成的光源。 特點特點：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調制線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調制頻率較低。頻率較低。2021-11-139 固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，它是固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，它是將電能直接轉換成光能的過程。將電

8、能直接轉換成光能的過程。 特點特點：體積小，屬固體光源，耐振動；無輻射，無體積小，屬固體光源，耐振動；無輻射，無污染；功耗低；壽命長；響應快；供電電壓低；成污染；功耗低；壽命長；響應快；供電電壓低；成本低。本低。 某些物質的分子、原子、離子在特定頻率的光子激發(fā)下，某些物質的分子、原子、離子在特定頻率的光子激發(fā)下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻高能粒子集中地躍遷到低能級上，發(fā)射出與激發(fā)光子頻率相同的光子率相同的光子( (受激發(fā)射受激發(fā)射) )。具有光的受激輻射放大功能。具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。的器件稱為激光器。 特點特點：頻率單純、能量高度集中的光，具有單色性

9、好、頻率單純、能量高度集中的光，具有單色性好、方向性強、亮度高、相干性好等。方向性強、亮度高、相干性好等。 2021-11-1310&調制調制(modulation)：使一個信號（載波）的某些參數(shù)在另一：使一個信號（載波）的某些參數(shù)在另一信號（調制信號）的控制下發(fā)生變化的過程。信號（調制信號）的控制下發(fā)生變化的過程。光調制光調制：使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化的過程。：使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化的過程。光調試過程就是將一攜帶信息的信號疊加在載波光波上，完光調試過程就是將一攜帶信息的信號疊加在載波光波上，完成這一過程的器件叫做成這一過程的器件叫做調制器調制器。&解

10、調解調(demodulation)：從已調制波中恢復出調制信號的過程。：從已調制波中恢復出調制信號的過程。光的解調光的解調：將載波光攜帶的信號轉換的強度變化，然后由：將載波光攜帶的信號轉換的強度變化，然后由光電探測器進行檢測。光的解調過程通常是將載波光攜帶的光電探測器進行檢測。光的解調過程通常是將載波光攜帶的信號轉換成信號轉換成光強度變化光強度變化，然后由光電器件進行檢測。，然后由光電器件進行檢測。包括包括光強度調制、光頻率或波長調制、光相位調光強度調制、光頻率或波長調制、光相位調制和光偏振態(tài)調制制和光偏振態(tài)調制。其中光強度調制是最常用的調制技術。其中光強度調制是最常用的調制技術。2021-1

11、1-1311& 光電器件的作用是將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。光電光電器件的作用是將光信號轉變?yōu)殡娦盘枴９怆娖骷幕谄骷幕诠ぷ鞯?。工作的?光電效應及其典型器件光電效應及其典型器件 所謂光電效應是指物體吸收了光能后產(chǎn)生的電所謂光電效應是指物體吸收了光能后產(chǎn)生的電效應。效應。 光電效應光電效應外光電效應外光電效應內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電導效應光電導效應光生伏特效應光生伏特效應2021-11-1312光電效應及其典型器件光電效應及其典型器件外光電效應及器件外光電效應及器件 基于外光電效應的光電器件有基于外光電效應的光電器件有光電管光電管和和光電倍增管光電倍增管。光電管光電管光電倍增管光電倍增

12、管內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應及器件 在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表面，而使物體的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應成使物體的電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應成為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理可分為兩種：為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理可分為兩種：光電導效應光電導效應和和光生伏特效應光生伏特效應。2021-11-1313光電效應及其典型器件光電效應及其典型器件內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應及器件光電導效應及器件光電導效應及器件光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導效應光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導效應 。基于這種效應的光電器件有基于這

13、種效應的光電器件有光敏電阻、光敏二光敏電阻、光敏二極管極管和和光敏三極管光敏三極管。 光敏電阻光敏電阻光敏二極管（反向偏置光敏二極管（反向偏置PN結）結）光敏三極管光敏三極管2021-11-1314光電效應及其典型器件光電效應及其典型器件內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應及器件光生伏特效應及器件光生伏特效應及器件 光生伏特效應是光照引起光生伏特效應是光照引起PN結（正向偏置）兩端產(chǎn)生電結（正向偏置）兩端產(chǎn)生電動勢的效應。動勢的效應。 基于這種效應的光電器件是基于這種效應的光電器件是光電池光電池。光電池是自發(fā)電式。光電池是自發(fā)電式有源器件，屬于能量轉換型、電壓輸出型傳感器。有源器件，屬于能量轉換型、電壓

14、輸出型傳感器。PN結電場結電場光生電子光生電子- -空穴對空穴對圖圖3.75 PN PN結光生伏特效應原理圖結光生伏特效應原理圖光照使不均勻半導體或半導體與光照使不均勻半導體或半導體與金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電金屬結合的不同部位之間產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象。位差的現(xiàn)象。2021-11-1315照度 /lx0200040000.10.20.30.20.40.6光光生生電電壓壓/V光光生生電電流流/mA硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性光電效應及其典型器件光電效應及其典型器件內(nèi)光電效應及器件內(nèi)光電效應及器件光生伏特效應及器件光生伏特效應及器件 光電池與外電路的兩種連接方式：光電池與外電路的兩種連接方式

15、：開路電壓輸出：開路電壓輸出：開路電壓與光照度之間呈非線性關系，靈敏度高，宜開路電壓與光照度之間呈非線性關系，靈敏度高，宜作開關元件。作開關元件。短路電流短路電流開路電壓開路電壓短路電流大小與光照成短路電流大小與光照成正比，可作線性檢測元正比，可作線性檢測元件使用。件使用。短路電流輸出：短路電流輸出：2021-11-1316： 光生伏特效應：光電池光生伏特效應：光電池光敏三極管光敏三極管光敏二極管光敏二極管光電導效應：光敏電阻光電導效應：光敏電阻內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應光電倍增管光電倍增管外光電效應：光電管和外光電效應：光電管和光電效應光電效應2021-11-1317光電器件的性能參數(shù)光電器件的性

16、能參數(shù)光照特性光照特性 光電器件靈敏度的表征，反映光電器件輸入光量與輸光電器件靈敏度的表征，反映光電器件輸入光量與輸出光電流出光電流( (光電壓光電壓) )之間的關系。之間的關系。 光照特性常用光照特性常用響應率響應率（Response rate）R來描述：來描述：光輸入功率光輸入功率輸出電壓輸出電壓電壓響應率，電壓響應率，輸出電流輸出電流電流響應率，電流響應率，對光生伏特器件：對光生伏特器件：對光生電流器件：對光生電流器件：iPVPIiPViPIPVRIRP/VRP/IR2021-11-1318光電器件的性能參數(shù)光電器件的性能參數(shù)光譜特性光譜特性光譜響應光譜響應 指相對靈敏度指相對靈敏度K與

17、入射光波長與入射光波長之間的關系。之間的關系。響應時間響應時間 反映它的動態(tài)特性。時間響應小，表示動態(tài)特性好。反映它的動態(tài)特性。時間響應小，表示動態(tài)特性好。對于采用調制光的光電傳感器，調制頻率上限受響應對于采用調制光的光電傳感器，調制頻率上限受響應時間的限制。時間的限制。 峰值探測率峰值探測率 表征光電器件噪聲水平的性能參數(shù)。表征光電器件噪聲水平的性能參數(shù)。探探測測系系數(shù)數(shù)帶帶寬寬積積光光敏敏器器件件的的有有效效光光敏敏面面 fAPfAfAPDNENE/1* 探測器件的性能常用峰值探探測器件的性能常用峰值探測率測率D D* *表征，表征，D D* *值大，噪聲值大，噪聲等效功率小，器件性能好。

18、等效功率小，器件性能好。 2021-11-1319光電器件的性能參數(shù)光電器件的性能參數(shù)溫度特性溫度特性 溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。在室溫條件下工作的光電器件由于性也有很大影響。在室溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時有必要進行靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時有必要進行或使它在恒溫條件下工作?；蚴顾诤銣貤l件下工作。伏安特性伏安特性 在一定光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間在一定光照下，對光電器件所加端電壓與光電流之間的關系為伏安特性。的關系為伏安特性。 2021-11-1320&a

19、mp; 光電傳感器是非接觸式測量，根據(jù)輸出量的性質可以將光電光電傳感器是非接觸式測量，根據(jù)輸出量的性質可以將光電傳感器分成傳感器分成兩大類。兩大類。(a)(a)吸收式；吸收式；(b)(b)反射式；反射式；(c)(c)遮光式；遮光式；(d)(d)輻射式輻射式(c)光電器件光電器件光源光源工件光源光源(b)光電器件光電器件工件光電器件光電器件被測物被測物(d)圖圖3.80 模擬式光電傳感器應用示例模擬式光電傳感器應用示例光源光源煙筒煙筒(a)光電器件光電器件2021-11-1321開關式光電傳感器開關式光電傳感器 脈沖式光電傳感器利用光電器件受光照的脈沖式光電傳感器利用光電器件受光照的“有有”、“

20、無無”的兩種不同狀態(tài)，經(jīng)適當?shù)恼{理電路輸出的兩種不同狀態(tài)，經(jīng)適當?shù)恼{理電路輸出“通通”、“斷斷”的開關信號。即將被測量轉換成斷續(xù)變化的開關信號。的開關信號。即將被測量轉換成斷續(xù)變化的開關信號?？讛?shù)或黑白條紋數(shù)目?？讛?shù)或黑白條紋數(shù)目。的關系：的關系：秒秒個個分）與頻率分）與頻率（轉（轉轉速轉速NNfn)/(f/n602021-11-1322 光位置敏感器件是利用光線檢測位置的光敏器件。當光光位置敏感器件是利用光線檢測位置的光敏器件。當光照射到硅光電二極管的某一位置時，則光電流照射到硅光電二極管的某一位置時，則光電流I1/I2= =R2/R1=x2/x1，故只要測出，故只要測出I1和和I2便可求得

21、光照射的位便可求得光照射的位置。置。 (a)原理原理(b)結構結構圖圖3.83 光平面位置檢測器光平面位置檢測器圖圖3.82 光位置敏感器件原理圖光位置敏感器件原理圖x1x212R2R1 I1I2PN2021-11-1323 是電荷轉移器件與光敏陣列元件集為一體構成的，具有是電荷轉移器件與光敏陣列元件集為一體構成的，具有自掃描功能的攝像器件。自掃描功能的攝像器件。 從功能上說從功能上說，它是一個能把受光面的光像分成許多小單，它是一個能把受光面的光像分成許多小單元元( (稱為像元稱為像元) )，并將它們轉換成電信號，然后順序地輸，并將它們轉換成電信號，然后順序地輸送出去的器件。送出去的器件。 從

22、構造上說從構造上說，是一種小型固態(tài)集成元件，其核心是，是一種小型固態(tài)集成元件，其核心是電荷電荷轉移器件轉移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用，其中最常用的是電荷耦合器件的是電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬由陣列式排列在襯底上的金屬- -氧化物氧化物- -硅硅(Metal Oxide Semi-Conductor，簡稱，簡稱MOS) )電容器組成，它具電容器組成，它具有有光生電荷、積蓄和轉移電荷的功能光生電荷、積蓄和轉移電荷的功能。2021-11-1324 典型一維圖像傳感器由一列光敏單元和

23、一列典型一維圖像傳感器由一列光敏單元和一列CCD(CCD(電荷轉電荷轉移器件移器件) )并行構成。并行構成。光敏元與光敏元與CCD之間有一轉移控制柵，其中之間有一轉移控制柵，其中CCD作為讀出移位寄存器。在光照作為讀出移位寄存器。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元（射下，光生少數(shù)載流子在光敏元（MOS電容）中積蓄。每個單元所積蓄的電荷量電容）中積蓄。每個單元所積蓄的電荷量與該單元所接受到的光照度、電荷積蓄時間成正比。在光敏元接受光照一定時間與該單元所接受到的光照度、電荷積蓄時間成正比。在光敏元接受光照一定時間之后，轉移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷就并行地轉移到之后，轉移控制柵打開，各光敏元

24、所積蓄的電荷就并行地轉移到CCD讀出移位寄讀出移位寄存器上，隨后控制柵關閉，光敏元立即開始下一次的光電荷積蓄。與此同時，上存器上，隨后控制柵關閉，光敏元立即開始下一次的光電荷積蓄。與此同時，上一次的一串電荷信號沿移位寄存器順序地轉移并在輸出端串行輸出。一次的一串電荷信號沿移位寄存器順序地轉移并在輸出端串行輸出。光敏元光敏元CCD轉移控制柵轉移控制柵2021-11-1325 固態(tài)圖像傳感器固態(tài)圖像傳感器 每個光敏元的光電荷量不僅含有光照度信息，而且還含每個光敏元的光電荷量不僅含有光照度信息，而且還含有該單元位置的信息。因此，這種光敏元同時實現(xiàn)了光有該單元位置的信息。因此，這種光敏元同時實現(xiàn)了光照度和位置的測量功能。照度和位置的測量功能。 CCD圖像傳感器按其像素的空間排列可分為兩大類：圖像傳感器按其像素的空間排列可分為兩大類：(1)