第5節(jié)光敏傳感器ppt課件

1、5 光敏傳感器光敏傳感器本節(jié)主要包括兩大部分：本節(jié)主要包括兩大部分： 1、光電傳感器2、光柵傳感器一一. 光電效應(yīng)光電效應(yīng) （1外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)電子逸出外光電效應(yīng)：在光線作用下，物體內(nèi)電子逸出外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)E=h h普朗克常數(shù)，6.62610-34Js； 光的頻率s-1）光子能量愛因斯坦光電效應(yīng)方程：愛因斯坦光電效應(yīng)方程：20012hmvA由該式可知：1光電子能否產(chǎn)生，決定于光頻閾值；2入射光頻譜不變，產(chǎn)生光電子和光強成正比3光電子有初始動能，如果沒有陽極電壓，也有光電流 如光電流為零，必須加負的截止電壓（2內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光敏電阻特性光生伏特效應(yīng)光電池光電

2、導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸引能量從鍵合狀態(tài)光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線作用下，電子吸引能量從鍵合狀態(tài) 起過渡到自由狀態(tài)引起材料電阻率變化。起過渡到自由狀態(tài)引起材料電阻率變化。 光生伏特效應(yīng)：在光作用下，能使物體產(chǎn)生一定的方向光生伏特效應(yīng)：在光作用下，能使物體產(chǎn)生一定的方向的的 電動勢電動勢01239()gnmE二、光敏電阻二、光敏電阻1.24()gh chE eV（1原理和結(jié)構(gòu) 一種光電導(dǎo)體，存在一個照射光的波長限 ，只有波長限小于 的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子在能級間的躍遷，從而使光電導(dǎo)體電導(dǎo)率增加，即入射光的頻率和波長 v 和cc電路符號：構(gòu)造：電極（2光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性光敏電阻的

3、主要參數(shù)和基本特性1.暗電阻、亮電阻、光電阻暗電阻、亮電阻、光電阻暗電阻：在室溫下，全暗后經(jīng)過一段時間測量的電阻值， 此時流過的電流稱暗電流，電阻為暗電阻M）亮電阻：在某一光照下的阻值，此時流過的電流為亮電流， 電阻為亮電阻K）光電阻：亮電阻與暗電阻之差，光電流亮電流暗電流2.光照特性光照特性3.光譜特性光譜特性1. 硫化鎘 （可見光）2.硒化鎘 （可見光紅外）3.硫化鉛 （可見光遠紅外）4.伏安特性伏安特性照度0照度05.頻率特性頻率特性0 10 102 103 1041001.硫化鎘硫化鎘2.硫化鉛硫化鉛6.穩(wěn)定性穩(wěn)定性th）IuA）照射幾百小時后才能照射幾百小時后才能進行測量進行測量7.

4、溫度特性溫度特性（3光導(dǎo)電阻與負載的匹配光導(dǎo)電阻與負載的匹配LGEIRR最大耗散功率：Pmax由左圖得：其中：RL負載電阻 RG光敏電阻 E電源電壓maxmaxPIUPIU或受光照電流I增加：得：時可獲得最大的信號電壓，為最佳匹配LGGEIIRRR 2E RGUI RRLLRRLG （+ ）LGR =R三、光電池三、光電池 利用光生伏特效應(yīng)族、族單元素族、族化合物光電池硅光電池：廉價、光電效率高10）、壽命長、 用于紅外光硒光電池：貴、光電效率低0.02）、壽命長、 可見光砷化鎵光電池：貴、光電轉(zhuǎn)化效率高（1光電池的結(jié)構(gòu)原理光電池的結(jié)構(gòu)原理電路符號及其電路：電路符號電路符號 電路圖電路圖結(jié)構(gòu)圖

5、：結(jié)構(gòu)圖：工作原理示意圖：工作原理示意圖：（2基本特性基本特性1.光照特性硅光電池硅光電池硒光電池硒光電池硒光電池在不同負載時硒光電池在不同負載時2.光譜特性1硒光電池2硅光電池3.頻率響應(yīng)1硒光電池2硅光電池4.溫度特性硅光電池在1000lx照度下（3光電池的轉(zhuǎn)換效率及最佳負載匹配光電池的轉(zhuǎn)換效率及最佳負載匹配Uj UH UocIHIjI sc四、光敏二極管和光敏三極管四、光敏二極管和光敏三極管（1光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)和電路圖：光敏三極管的結(jié)構(gòu)和電路圖：（2光敏管的基本特性光敏管的基本特性 1.光譜特性光譜特性（硅二、三極管適用于紅外（硅二、三極管適用于紅外（鍺二、三極管適

6、用于遠紅外（鍺二、三極管適用于遠紅外2.伏安特性伏安特性硅光敏二極管硅光敏二極管硅光敏三極管硅光敏三極管3.光照特性光照特性硅光敏二極管硅光敏二極管硅光敏三極管硅光敏三極管4.頻率響應(yīng)頻率響應(yīng)硅光敏三極管硅光敏三極管5.暗電流溫度特性暗電流溫度特性暗電流的溫度特性暗電流的溫度特性6.光電流溫度特性光電流溫度特性光電流的溫度特性光電流的溫度特性五、光電傳感器的類型及分類五、光電傳感器的類型及分類（一光電傳感器的類型（一光電傳感器的類型 1.第一類：連續(xù)輸出第一類：連續(xù)輸出被測物是光源被測物是光源被測物能吸收光通量被測物能吸收光通量被測物是有反射能力的表面被測物是有反射能力的表面被測物遮蔽光通量被

7、測物遮蔽光通量1.被測物被測物2.光電元件光電元件3.恒光源恒光源2.第二類：斷續(xù)輸出第二類：斷續(xù)輸出 這類傳感器大多用在光電繼電式監(jiān)測器如：這類傳感器大多用在光電繼電式監(jiān)測器如： 電子計算機光電輸入機電子計算機光電輸入機 轉(zhuǎn)速表的光電傳感器轉(zhuǎn)速表的光電傳感器（二應(yīng)用（二應(yīng)用1.光電耦合器光電耦合器金屬密封型金屬密封型塑料密封型塑料密封型（1構(gòu)造：構(gòu)造：（2砷化鎵發(fā)光二極管砷化鎵發(fā)光二極管工作原理：P N（3組合形式組合形式形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低、形式結(jié)構(gòu)簡單、成本低、50Hz以下工作頻率以下工作頻率高速開關(guān)管高速開關(guān)管功率輸出功率輸出功能器件功能器件（4光電耦合器的特性曲線光電耦合器的特性曲線

8、2.光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計的組成框圖光電轉(zhuǎn)速計的組成框圖光敏二極管的整形放大電路光敏二極管的整形放大電路特點：光電集成傳感器，典型入射波長為特點：光電集成傳感器，典型入射波長為p=520nm，內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電內(nèi)置雙敏感元接收器，可見光范圍內(nèi)高度敏感，輸出電流隨照度呈線性變化。適合電視機、流隨照度呈線性變化。適合電視機、LCD背光、數(shù)碼產(chǎn)背光、數(shù)碼產(chǎn)品、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域的節(jié)能控制、自動品、儀器儀表、工業(yè)設(shè)備等諸多領(lǐng)域的節(jié)能控制、自動感光、自適應(yīng)控制感光、自適應(yīng)控制 電氣特性電氣特性 ：暗電流小，低照度響應(yīng)，靈敏度高，電流：暗電流小，低照度響應(yīng)，

9、靈敏度高，電流隨光照度增強呈線性變化；內(nèi)置雙敏感元，自動衰減近隨光照度增強呈線性變化；內(nèi)置雙敏感元，自動衰減近紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線；內(nèi)置微信號紅外，光譜響應(yīng)接近人眼函數(shù)曲線；內(nèi)置微信號CMOS放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作放大器、高精度電壓源和修正電路，輸出電流大，工作電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好；電壓范圍寬，溫度穩(wěn)定性好； 可選光學(xué)納米材料封裝可選光學(xué)納米材料封裝，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了，可見光透過，紫外線截止、近紅外相對衰減，增強了光學(xué)濾波效果；光學(xué)濾波效果； 符合歐盟符合歐盟RoHS指令，無鉛、無鎘。指令，無鉛、無鎘。 典型應(yīng)用典型應(yīng)用 ：

10、背光調(diào)節(jié)：電視機、電腦顯示器、背光調(diào)節(jié)：電視機、電腦顯示器、LCD背光、手機、數(shù)背光、手機、數(shù)碼相機、碼相機、MP4、PDA、GPS； 節(jié)能控制：室外廣告機、感應(yīng)照明器具、玩具；節(jié)能控制：室外廣告機、感應(yīng)照明器具、玩具； 儀器儀器 儀表：測量光照度的儀器及工業(yè)控制；儀表：測量光照度的儀器及工業(yè)控制； 環(huán)保替代：替代傳統(tǒng)光敏電阻、光敏二極管、光敏三極環(huán)保替代：替代傳統(tǒng)光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管；管；3. 實例分析實例分析深圳市歐恩光電技術(shù)研究所深圳市歐恩光電技術(shù)研究所線性光電傳感器線性光電傳感器 應(yīng)用：照相機日光控制、光電自動控制、光電耦合、光電自動檢測、電子光控玩具、自動燈開關(guān)及各類可見

11、光波段光電控制測量場合。 日本陶瓷株式會社公司日本陶瓷株式會社公司CdS硫化鎘光敏傳感器硫化鎘光敏傳感器六、光六、光 柵柵 傳傳 感感 器器 計量光柵測量技術(shù)主要是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象計量光柵測量技術(shù)主要是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)幾何測量。實現(xiàn)幾何測量。 光柵傳感器以其高精度、高分辨率、大動態(tài)范圍，光柵傳感器以其高精度、高分辨率、大動態(tài)范圍，廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測量、主動測量及自動化等領(lǐng)域。廣泛應(yīng)用于靜態(tài)測量、主動測量及自動化等領(lǐng)域。1、光柵基礎(chǔ)、光柵基礎(chǔ)物理光柵：刻線細密，物理光柵：刻線細密， 利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光利用光的衍射現(xiàn)象，主要用于光 譜分析和光波長等量的測量；譜分析和光波長等

12、量的測量；計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、計量光柵：主要利用莫爾現(xiàn)象實現(xiàn)長度、角度、速度、 加速度、振動等幾何量的測量。加速度、振動等幾何量的測量。透射式光柵透射式光柵反射式光柵反射式光柵黑白光柵幅值光柵）黑白光柵幅值光柵）閃光光柵相位光柵）閃光光柵相位光柵）長光柵長光柵圓光柵圓光柵按原理和用途柵線形式應(yīng)用類型（一光柵分類及結(jié)構(gòu)（一光柵分類及結(jié)構(gòu)（1光柵分類光柵分類透射形式（2光柵結(jié)構(gòu)光柵結(jié)構(gòu) 光柵是在刻劃基面上等間距或不等間距光柵是在刻劃基面上等間距或不等間距地密集地密集刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光、形成透刻劃，使刻線處不透光，未刻線處透光、形成透光與不光與不透光相間排

13、列構(gòu)成的光電器件。透光相間排列構(gòu)成的光電器件。 光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫，縫隙寬度為隙寬度為b， a + b 稱為柵距也稱光柵常數(shù)）。稱為柵距也稱光柵常數(shù)）。 圓光柵還有一個參數(shù)叫柵距角圓光柵還有一個參數(shù)叫柵距角 ， 指圓光柵上指圓光柵上相鄰兩條柵線的夾角相鄰兩條柵線的夾角光柵結(jié)構(gòu)圓光柵有三種柵線形式圓光柵有三種柵線形式徑向光柵徑向光柵切向光柵切向光柵環(huán)形光柵環(huán)形光柵 莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮莫爾條紋的成因是由主光柵和指示光柵的遮光和透光和透光效應(yīng)形成的兩只光柵參數(shù)相同）。光效應(yīng)形成的兩只光柵參數(shù)相同）。 主光柵用于滿足測量范圍和

14、精度，指示光柵主光柵用于滿足測量范圍和精度，指示光柵通常通常是從主尺上裁截一段用于拾取信號。是從主尺上裁截一段用于拾取信號。 這種亮帶和暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。由這種亮帶和暗帶相間的條紋稱為莫爾條紋。由于莫爾于莫爾條紋的方向與柵線方向近似垂直，故該莫爾條紋條紋的方向與柵線方向近似垂直，故該莫爾條紋稱為橫稱為橫向莫爾條紋。向莫爾條紋。（二莫爾條紋原理（二莫爾條紋原理光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當(dāng)主尺與指示光柵間當(dāng)主尺與指示光柵間刻線夾角刻線夾角等于零時，等于零時，莫爾條紋的寬度呈無限大，莫爾條紋的寬度呈無限大，稱為光閘莫爾條紋稱為光閘莫爾條紋莫爾條紋原理1、位移放大作用相鄰兩條莫爾條紋間距B與

15、柵距 及兩光柵夾角的關(guān)系為2sin2B（三莫爾條紋特點（三莫爾條紋特點1Bk 一般一般 很小，所以放大系數(shù)很小，所以放大系數(shù)k 很大。很大。 故盡管光柵柵距故盡管光柵柵距一般一般 很小，而通過莫爾條紋的放大作用很小，而通過莫爾條紋的放大作用仍使其清晰可辯。仍使其清晰可辯。若光柵柵距為 ，i 為刻度線，x為移動距離那么有 當(dāng) 很小時，光柵副中任一光柵沿垂直于刻線方向移動時，莫爾條紋就會沿著近似垂直于光柵移動的方向運動。當(dāng)光柵移動一個柵距 時，莫爾條紋就移動一個條紋間隔B。當(dāng)光柵改變運動方向時，莫爾條紋也隨之改變運動方向，兩者具有相互對應(yīng)的關(guān)系。因而，可通過測量莫爾條紋的運動來判別光柵的運動。xi

16、2、運動對應(yīng)的關(guān)系、運動對應(yīng)的關(guān)系xBi 光柵在制作過程中必然會引入刻化誤差。光電元件獲取的莫爾條紋是指示光柵覆蓋區(qū)域刻線的綜合結(jié)果，對刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除柵距的局部誤差及短周期誤差的影響。 刻劃誤差是隨機誤差。設(shè)單個柵距誤差為 ，形成莫爾條紋區(qū)域內(nèi)有N條刻線，則綜合誤差為：3、誤差減小的作用、誤差減小的作用N 2、光柵傳感器的工作原理、光柵傳感器的工作原理（1光電轉(zhuǎn)換原理光電轉(zhuǎn)換原理 光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由光源光柵傳感器的光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)由光源1、聚光鏡、聚光鏡2、光柵主尺、光柵主尺3、指示光柵、指示光柵4、和光敏元件、和光敏元件5組成組成 當(dāng)光電元件5接收到明暗相間的

17、正 函數(shù)信號時，光敏元件輸出的波形為 U0 輸出信號的直流分量 Um交流信號的幅值 X 光柵的相對位移量02sinmxUUU（2莫爾條紋測量位移原理莫爾條紋測量位移原理如果光柵相對位移了如果光柵相對位移了N個柵距，此時位移個柵距，此時位移 XNW。因而，只要能記錄移動過的莫爾條紋數(shù)因而，只要能記錄移動過的莫爾條紋數(shù)N，就可以知道光，就可以知道光柵的位移量柵的位移量 X值。值。 為辨別主光柵的移動方向，需要有兩個具有相差的莫爾條紋信號同時輸入來辨別移動方向，且兩個莫爾條紋信號相差900相位。 實現(xiàn)方法時在相隔B/4條紋間隔的位置上安裝兩只光敏元件，當(dāng)莫爾條紋移動時兩個狹縫的亮度變化規(guī)律完全一樣，

18、相位相差 /2。 滯后還是超前完全取決于光柵的運動方向，這種區(qū)別 運動方向的方法稱為位置細分辨向原理。（3辨向原理辨向原理辨 向 原 理辨向原理電路框圖3、莫爾條紋細分技術(shù)、莫爾條紋細分技術(shù)（1細分方法細分方法 增加光柵刻線密度增加光柵刻線密度 對電信號進行電子插值對電信號進行電子插值 機械和光學(xué)細分機械和光學(xué)細分（2光電元件直接細分光電元件直接細分四路電信號波形四倍邏輯四倍邏輯波形圖波形圖四倍頻細分四倍頻細分1、細分原理、細分原理 CCD直接細分的原理是，利用線陣直接細分的原理是，利用線陣CCD上上數(shù)千個等間距的象素所構(gòu)成的數(shù)千個等間距的象素所構(gòu)成的“感光尺感光尺對整柵距對整柵距的位移信號，

19、即周期性的交點移動信號進的位移信號，即周期性的交點移動信號進行細行細分，使測量信號能夠反映一個柵距內(nèi)的精分，使測量信號能夠反映一個柵距內(nèi)的精確位確位移。移。（3CCD直接細分直接細分CCD直接細分直接細分 與電路細分的柵式測量一樣，直接細分法的測量也分為絕對測與電路細分的柵式測量一樣，直接細分法的測量也分為絕對測量和相對測量兩部分。量和相對測量兩部分。 一個柵距內(nèi)的絕對測量由一個柵距內(nèi)的絕對測量由CCD直接完成，柵線的計數(shù)和辯向則直接完成，柵線的計數(shù)和辯向則需由計算機軟件完成。兩部分數(shù)據(jù)整合后得出光柵的絕對位移。需由計算機軟件完成。兩部分數(shù)據(jù)整合后得出光柵的絕對位移。 在測量過程中，在測量過程

20、中，CCD保持與光柵刻線的角度保持與光柵刻線的角度 不變，驅(qū)動電路不變，驅(qū)動電路驅(qū)動驅(qū)動CCD進行循環(huán)采樣，經(jīng)過臨界比較篩選后的脈沖不斷地刷進行循環(huán)采樣，經(jīng)過臨界比較篩選后的脈沖不斷地刷新計數(shù)器。新計數(shù)器。 以上的測量周期由硬件自動完成，以保證系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速以上的測量周期由硬件自動完成，以保證系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速率。測量軟件通過查詢方式對計數(shù)器讀數(shù)，獲取位移信息并對數(shù)據(jù)率。測量軟件通過查詢方式對計數(shù)器讀數(shù)，獲取位移信息并對數(shù)據(jù)進行拼接，得到最終的測量結(jié)果。進行拼接，得到最終的測量結(jié)果。CCD直接細分光柵的分辨率 由下式?jīng)Q定 其中: L為CCD的像場長度 P為有效像素數(shù) q為像場中的交點數(shù)sinLqPP2、細分精度、細分精度位移x與輸出信號n的關(guān)系為：N 掃過CCD視場的刻線數(shù)N 光柵相鄰兩刻線間對應(yīng)的線陣CCD象素數(shù)M 后續(xù)電路或計算機軟件對信號進行的插值細分數(shù)S 位移脈沖當(dāng)量，即單位脈沖信號代表地光柵相對位 移量xNN M SnS（4光柵傳感器誤差光柵傳感器誤差 設(shè)光電接收元件所覆蓋地光柵刻線總數(shù)為N，單個柵距誤差為 ，粗略地描繪平均誤差與單個柵距誤差之間的關(guān)系。 柵距為0.050.01mm，若取光電池尺寸為10mm，那么10200 1000N11()1432N 平均誤差：平均誤差：4、常用光學(xué)系統(tǒng)、常用光學(xué)系