第7章光電式傳感器

1、傳感器原理與應(yīng)用傳感器原理與應(yīng)用被測量被測量被測量被測量光源光源光電光電器件器件光電式位移傳感器光電式位移傳感器光電式扭矩傳感器光電式扭矩傳感器光電式水浸開關(guān)傳感器光電式水浸開關(guān)傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式轉(zhuǎn)速傳感器光電式煙霧探測器光電式煙霧探測器) 1 . 7(2102AmhE上式稱為上式稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程愛因斯坦光電效應(yīng)方程。)2 . 7(/00hA 若若 0，入射光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射；，入射光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電發(fā)射；若若 0，即使光強(qiáng)微弱也會(huì)，即使光強(qiáng)微弱也會(huì)產(chǎn)生產(chǎn)生光電發(fā)射。光電發(fā)射。) 1 . 7(2102AmhE) 1 . 7(2102AmhE)3 . 7(nm124

2、0/gg00EhEcc例如，鍺例如，鍺 Eg0.75 eV，硅，硅 Eg1.2 eV。+-PN-+-PN+-+-PN 當(dāng)光照射陰極時(shí)，電子從陰極當(dāng)光照射陰極時(shí)，電子從陰極逸出，在電場作用下被陽極收集，逸出，在電場作用下被陽極收集，形成電流，該電流引起負(fù)載上的壓形成電流，該電流引起負(fù)載上的壓降隨光照強(qiáng)弱而變化，從而實(shí)現(xiàn)了降隨光照強(qiáng)弱而變化，從而實(shí)現(xiàn)了將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的目的。將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的目的。)4 . 7(niM 一般一般M在在105108之間。設(shè)光電陰極的光電流為之間。設(shè)光電陰極的光電流為I0 ，則到達(dá)陽極的電流為，則到達(dá)陽極的電流為：)5 . 7(0niII 1. .光敏電阻光敏

3、電阻 光敏電阻又稱光敏電阻又稱光導(dǎo)管光導(dǎo)管，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電，是一種均質(zhì)半導(dǎo)體光電器件。如圖所示，在玻璃底板上均勻地涂上一層薄器件。如圖所示，在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體材料，兩端裝上金屬電極，然后壓入塑薄的半導(dǎo)體材料，兩端裝上金屬電極，然后壓入塑料封裝體內(nèi)。料封裝體內(nèi)。太陽能應(yīng)急燈太陽能應(yīng)急燈編碼器用硅光電池編碼器用硅光電池)6 . 7()()()(maxrSSS 硫化鎘硫化鎘光敏電阻的伏安特性如圖所示。照度不同光敏電阻的伏安特性如圖所示。照度不同時(shí)，曲線斜率不同，表明電阻值隨照度而改變。時(shí)，曲線斜率不同，表明電阻值隨照度而改變。)e1 ()(/titii( (t) )上升到穩(wěn)

4、態(tài)值上升到穩(wěn)態(tài)值i的的0.63倍時(shí)所需的時(shí)間倍時(shí)所需的時(shí)間( (即即t 時(shí)時(shí)) )稱為探測器響應(yīng)時(shí)間。稱為探測器響應(yīng)時(shí)間。20)(1)(DD式中，式中，D0為調(diào)制角頻率為調(diào)制角頻率 0時(shí)的響應(yīng)度；時(shí)的響應(yīng)度； 為響應(yīng)為響應(yīng)時(shí)間。時(shí)間。 雪崩二極管具有很高雪崩二極管具有很高的靈敏度和響應(yīng)速度，但的靈敏度和響應(yīng)速度，但輸出線性差，在光通信中輸出線性差，在光通信中占有重要地位。雪崩二極占有重要地位。雪崩二極管實(shí)物圖如圖所示。管實(shí)物圖如圖所示。 其其P+ +N結(jié)為淺結(jié)，結(jié)為淺結(jié)，NP結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光線照射時(shí)，結(jié)為深結(jié)。當(dāng)光線照射時(shí)，紫外光吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被紫外光吸收系數(shù)大，經(jīng)過很短距離就被P+

5、 +N結(jié)吸收完結(jié)吸收完畢。而紅外光吸收系數(shù)小，主要在畢。而紅外光吸收系數(shù)小，主要在NP結(jié)處被吸收。結(jié)處被吸收。因此，淺結(jié)對紫外光有較高的靈敏度，而深結(jié)對紅外因此，淺結(jié)對紫外光有較高的靈敏度，而深結(jié)對紅外光有較高的靈敏度。光有較高的靈敏度。 到達(dá)到達(dá)P層的空穴分成兩路：層的空穴分成兩路：一路沿表面電阻一路沿表面電阻Rl流向流向1端形成端形成光電流光電流Il；另一路沿；另一路沿R2流向流向2端端形成形成I2；當(dāng)電阻層均勻的時(shí)候，；當(dāng)電阻層均勻的時(shí)候，R2/ /Rlx2/ /xl，則，則Il/ /I2R2/ /Rlx2/ /xl。ERLUoIoOG321P SiN Si 這種轉(zhuǎn)移方式有效光敏面這種轉(zhuǎn)

6、移方式有效光敏面積大、轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率積大、轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率高，但電路比較復(fù)雜，易引起高，但電路比較復(fù)雜，易引起圖像模糊，目前應(yīng)用較少。圖像模糊，目前應(yīng)用較少。 這種方式芯片尺寸小，這種方式芯片尺寸小，電荷轉(zhuǎn)移距離比幀傳輸方式電荷轉(zhuǎn)移距離比幀傳輸方式短，因此具有較高的工作頻短，因此具有較高的工作頻率，但單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且只率，但單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且只能以正面投射圖像，背面照能以正面投射圖像，背面照射會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_而無法工作。射會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_而無法工作。 設(shè)其中透光的線寬為設(shè)其中透光的線寬為a，不透光的線寬為不透光的線寬為b，一般，一般ab。圖中圖中dab，稱為，稱為光柵柵距光柵柵距( (光柵節(jié)距光柵

7、節(jié)距或或光柵常數(shù)光柵常數(shù)) )，是光，是光柵尺的一個(gè)重要參數(shù)。柵尺的一個(gè)重要參數(shù)。)7 . 7(cos221222121WWWWWWB)8 . 7(WB 令令W0.02 mm， 0.0017 rad( (即即0.1 ) )，則，則B11.46 mm。這樣，光電接收元件就可以直接安置這樣，光電接收元件就可以直接安置在放大了的莫爾條紋寬度范圍內(nèi)。在放大了的莫爾條紋寬度范圍內(nèi)。1光源；光源；2聚光鏡；聚光鏡；3標(biāo)尺光柵；標(biāo)尺光柵；4指示指示光柵；光柵；5光電接收元件光電接收元件 光電接收系統(tǒng)。光電接收系統(tǒng)。5為光為光電接收元件。電接收元件。 光光闌闌。在有的光柵光學(xué)。在有的光柵光學(xué)系統(tǒng)中，為了達(dá)到某

8、種目的，系統(tǒng)中，為了達(dá)到某種目的，還設(shè)有光還設(shè)有光闌闌。 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、調(diào)整使用方便。對于特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、調(diào)整使用方便。對于柵距較大的光柵，多數(shù)采用這種系統(tǒng)，在長度及圓柵距較大的光柵，多數(shù)采用這種系統(tǒng)，在長度及圓分度測量中得到了廣泛應(yīng)用。分度測量中得到了廣泛應(yīng)用。BL1234 這樣，當(dāng)條紋自上向下移過一個(gè)周期這樣，當(dāng)條紋自上向下移過一個(gè)周期B時(shí)，條紋時(shí)，條紋便依次掃過光電池的四個(gè)極片，這四個(gè)極片便發(fā)出四便依次掃過光電池的四個(gè)極片，這四個(gè)極片便發(fā)出四路在相位上分別是路在相位上分別是0 、90 、180 和和270 的信號(hào)。這的信號(hào)。這是目前應(yīng)用最廣泛的一種典型結(jié)構(gòu)。是目前應(yīng)用最廣泛

9、的一種典型結(jié)構(gòu)。BL12341標(biāo)尺光柵；標(biāo)尺光柵；2指示指示光柵；光柵；3物鏡；物鏡；4反反射鏡；射鏡；5光源；光源；6聚聚光鏡；光鏡；7物鏡組；物鏡組；8光電接收元件光電接收元件 )9 . 7( )(2CMLL 這樣，當(dāng)這樣，當(dāng)M2移動(dòng)時(shí)，光程差移動(dòng)時(shí)，光程差 不斷變化，不斷變化，光電元件接收到明暗交替變化的光強(qiáng)，變化的光電元件接收到明暗交替變化的光強(qiáng)，變化的級次級次N反映了反映了M2的移動(dòng)距離。的移動(dòng)距離。)12. 7(sin10ddx 用用CCD或或PSD測出測出 ，即可知道位移，即可知道位移x。10ddsinx 1. .壓力測量壓力測量 如圖所示。如圖所示。 2. .溫度測量溫度測量 如圖所示，兩種材料線如圖所示，兩種材料線膨脹系數(shù)不同，溫度變化使膨脹系數(shù)不同，溫度變化使得懸臂梁自由端上下移動(dòng)，得懸臂梁自由端上下移動(dòng)，移動(dòng)量與溫度有關(guān)。移動(dòng)量與溫度有關(guān)。NKII0S式中，式中，K為常數(shù)，為常數(shù)，I0為為入射光光強(qiáng)。入射光光強(qiáng)。)13. 7(60Nfn 式中，式中，N為調(diào)制盤齒數(shù)或轉(zhuǎn)軸為調(diào)制盤齒數(shù)或轉(zhuǎn)軸上黑上黑( (或白或白) )條紋數(shù)。條紋數(shù)。)15.