CH9光電式傳感器

第9章光電式傳感器傳感器與檢測技術(shù)（第2版）PAGE192PAGE193第9章光電式傳感器（知識點）知識點1概述光電式傳感器（或稱光敏傳感器）是利用光電器件把光信號轉(zhuǎn)換成電信號（電壓、電流、電荷、電阻等）的裝置。光電式傳感器工作時，先將被測量轉(zhuǎn)換為光量的變化，然后通過光電器件把光量的變化轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電量變化，從而實現(xiàn)對非電量的測量。光電式傳感器可以直接檢測光信號，還可以間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等，雖然它是發(fā)展較晚的一類傳感器，但其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力。9.1.1光電式傳感器的類別按照工作原理的不同，可將光電式傳感器分為四類：（1）光電效應(yīng)傳感器（2）紅外熱釋電探測器（3）固體圖像傳感器（4）光纖傳感器9.1.2光電式傳感器的基本形式光電式傳感器可用來測量光學(xué)量或已轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其它被測量，輸出電信號。測量光學(xué)量時，光電器件是作為敏感元件使用；測量其它物理量時，它作為轉(zhuǎn)換元件使用。光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成。光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的調(diào)制；電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。按測量光路組成來看，光電式傳感器可分為四種基本形式：（1）透射式光電傳感器（2）反射式光電傳感器（3）輻射式光電傳感器（4）開關(guān)式光電傳感器知識點2光電效應(yīng)光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為：（9.1）式中：－普朗克常數(shù)（＝6.626×10－34）－光的頻率。根據(jù)愛因斯坦假設(shè)：一個光子的能量只給一個電子。因此，如果一個電子要從物體中逸出，必須使光子能量大于表面逸出功，這時，逸出表面的電子具有的動能可用光電效應(yīng)方程表示為：（9.2）式中：－電子的質(zhì)量－電子逸出的初始速度。根據(jù)光電效應(yīng)方程，當(dāng)光照射在某些物體上時，光能量作用于被測物體而釋放出電子，即物體吸收具有一定能量的光子后所產(chǎn)生的電效應(yīng)，這就是光電效應(yīng)。光電效應(yīng)中所釋放出的電子叫光電子，能產(chǎn)生光電效應(yīng)的敏感材料稱作光電材料。光電效應(yīng)一般分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。根據(jù)光電效應(yīng)可以做出相應(yīng)的光電轉(zhuǎn)換元件，簡稱光電器件或光敏器件，它是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。知識點3外光電效應(yīng)型光電器件當(dāng)光照射到金屬或金屬氧化物的光電材料上時，光子的能量傳給光電材料表面的電子，如果入射到表面的光能使電子獲得足夠的能量，電子會克服正離子對它的吸引力，脫離材料表面而進入外界空間，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。即外光電效應(yīng)是在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。根據(jù)外光電效應(yīng)制作的光電器件有光電管和光電倍增管。（1）光電管及其基本特性1）結(jié)構(gòu)與工作原理光電管有真空光電管和充氣光電管兩類。真空光電管的結(jié)構(gòu)如圖9.3(a)所示，它由一個陰極（K極）和一個陽極（A極）構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電材料，或者在玻璃管內(nèi)裝入柱面形金屬板，在此金屬板內(nèi)壁上涂有陰極光電材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形或金屬絲柱，置于玻璃管的中央。在陰極和陽極之間加有一定的電壓，且陽極為正極、陰極為負極。當(dāng)光通過光窗照在陰極上時，光電子就從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極之間電場作用下，光電子在極間作加速運動，被高電位的中央陽極收集形成電流，光電流的大小主要取決于陰極靈敏度和入射光輻射的強度。圖9.3光電管的結(jié)構(gòu)與測量電路a)結(jié)構(gòu)b)測量電路充氣光電管的結(jié)構(gòu)相同，只是管內(nèi)充有少量的惰性氣體如氬或氖，當(dāng)充氣光電管的陰極被光照射后，光電子在飛向陽極的途中和氣體的原子發(fā)生碰撞，使氣體電離，電離過程中產(chǎn)生的新電子與光電子一起被陽極接收，正離子向反方向運動被陰極接收，因此增大了光電流，通常能形成數(shù)倍于真空型光電管的光電流，從而使光電管的靈敏度增加。但充氣光電管的光電流與入射光強度不成比例關(guān)系，因而使其具有穩(wěn)定性較差、惰性大、溫度影響大、容易衰老等一系列缺點。隨著半導(dǎo)體光電器件的發(fā)展，真空光電管已逐步被半導(dǎo)體光電器件所替代。2）主要性能光電管的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性等來描述。（2）光電倍增管及其基本特性1）結(jié)構(gòu)與工作原理當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾微安，很不容易探測，這時常用光電倍增管對電流進行放大，圖9.7是光電倍增管的外形和結(jié)構(gòu)圖。圖9.7光電倍增管的外形和結(jié)構(gòu)光電倍增管（photo-multipletube，簡稱PMT）主要由光陰極、次陰極（倍增極）以及陽極三部分組成。陽極是最后用來收集電子的，它輸出的是電壓脈沖。光電倍增管是靈敏度極高響應(yīng)速度極快的光探測器，其輸出信號在很大范圍內(nèi)與入射光子數(shù)成線性關(guān)系。圖9.8光電倍增管電路光電倍增管除光陰極外，還有若干個倍增電極。光電倍增管的工作電路如圖9.8所示，使用時在各個倍增電極上均加上電壓。陰極電位最低，從陰極開始，各個倍增電極的電位依次升高，陽極電位最高。同時這些倍增電極用次級發(fā)射材料制成，這種材料在具有一定能量的電子轟擊下，能夠產(chǎn)生更多的“次級電子”。由于相鄰兩個倍增電極之間有電位差，因此，存在加速電場，對電子加速。從陰極發(fā)出的光電子，在電場的加速下，打到第一個倍增電極上，引起二次電子發(fā)射。每個電子能從這個倍增電極上打出3～6個次級電子，被打出來的次級電子再經(jīng)過電場的加速后，打在第二個倍增電極上，電子數(shù)又增加3～6倍，如此不斷倍增，陽極最后收集到的電子數(shù)將達到陰極發(fā)射電子數(shù)的105～l08倍，即光電倍增管的放大倍數(shù)可達到幾十萬倍甚至到上億倍。因此光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾十萬倍到上億倍，相應(yīng)的電流可由零點幾μA放大到A或10A級，即使在很微弱的光照下，它仍能產(chǎn)生很大的光電流。2）主要參數(shù)·倍增系數(shù)倍增系數(shù)等于各倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果個倍增電極的都一樣，則陽極電流為： (9.3)式中：－光電陽極的光電流－光電陰極發(fā)出的初始光電流－倍增電極的電子發(fā)射系數(shù)－光電倍增極數(shù)（一般9到11個）。光電倍增管的電流放大倍數(shù)為： (9.4)·光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上所能激發(fā)的平均電子數(shù)叫做光電陰極的靈敏度。一個光子入射在陰極上，最后在陽極上能收集到的總的電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度，該值與加速電壓有關(guān)。光電倍增管的最大靈敏度可達10，極間電壓越高，靈敏度越高。但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則易被損壞。·暗電流一般把光電倍增管放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用（稱為光激發(fā)）。但是，由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流。光電倍增管的暗電流在正常應(yīng)用情況下是很小的，一般為10－16～10－10A。暗電流主要是熱電子發(fā)射引起，它隨溫度增加而增加（稱為熱激發(fā)）；影響光電倍增管暗電流的因素還包括歐姆漏電（光電倍增管的電極之間玻璃漏電、管座漏電、灰塵漏電等）、殘余氣體放電（光電倍增管中高速運動的電子會使管中的氣體電離產(chǎn)生正離子和光電子）等。有時暗電流可能很大甚至使光電倍增管無法正常工作，需要特別注意；·光電倍增管的光譜特性光電倍增管的光譜特性與相同材料的光電管的光譜特性相似，主要取決于光陰極材料。知識點4內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件內(nèi)光電效應(yīng)是指物體受到光照后所產(chǎn)生的光電子只在物體內(nèi)部運動，而不會逸出物體的現(xiàn)象。內(nèi)光電效應(yīng)多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)，可分為因光照引起半導(dǎo)體電阻率變化的光電導(dǎo)效應(yīng)和因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應(yīng)兩種。光電導(dǎo)效應(yīng)是指物體在入射光能量的激發(fā)下，其內(nèi)部產(chǎn)生光生載流子（電子-空穴對），使物體中載流子數(shù)量顯著增加而電阻減小的現(xiàn)象；這種效應(yīng)在大多數(shù)半導(dǎo)體和絕緣體中都存在，但金屬因電子能態(tài)不同，不會產(chǎn)生光電導(dǎo)效應(yīng)。光生伏特效應(yīng)是指光照在半導(dǎo)體中激發(fā)出的光電子和空穴在空間分開而產(chǎn)生電位差的現(xiàn)象，是將光能變?yōu)殡娔艿囊环N效應(yīng)。光照在半導(dǎo)體PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面上時，在PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面的兩側(cè)會產(chǎn)生光生電動勢，這是因為PN結(jié)或金屬-半導(dǎo)體接觸面因材料不同質(zhì)或不均勻而存在內(nèi)建電場，半導(dǎo)體受光照激發(fā)產(chǎn)生的電子或空穴會在內(nèi)建電場的作用下向相反方向移動和積聚，從而產(chǎn)生電位差?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)的光電器件有光敏電阻；基于光生伏特效應(yīng)的光電器件典型的有光電池，此外，光敏二極管、光敏三極管也是基于光生伏特效應(yīng)的光電器件。（1）光敏電阻1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)和工作原理當(dāng)入射光照到半導(dǎo)體上時，若光電導(dǎo)體為本征半導(dǎo)體材料，而且光輻射能量又足夠強，則電子受光子的激發(fā)由價帶越過禁帶躍遷到導(dǎo)帶，在價帶中就留有空穴，在外加電壓下，導(dǎo)帶中的電子和價帶中的空穴同時參與導(dǎo)電，即載流子數(shù)增多，電阻率下降。由于光的照射，使半導(dǎo)體的電阻變化，所以稱為光敏電阻。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，電路中有電流流過，用檢流計可以檢測到該電流；如果改變照射到光敏電阻上的光度量（即照度），發(fā)現(xiàn)流過光敏電阻的電流發(fā)生了變化，即用光照射能改變電路中電流的大小，實際上是光敏電阻的阻值隨照度發(fā)生了變化，圖9.9（a）為單晶光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。一般單晶的體積小，受光面積也小，額定電流容量低。為了加大感光面，通常采用微電子工藝在玻璃（或陶瓷）基片上均勻地涂敷一層薄薄的光電導(dǎo)多晶材料，經(jīng)燒結(jié)后放上掩蔽膜，蒸鍍上兩個金（或銦）電極，再在光敏電阻材料表面覆蓋一層漆保護膜（用于防止周圍介質(zhì)的影響，但要求該漆膜對光敏層最敏感波長范圍內(nèi)的光線透射率最大）。感光面大的光敏電阻的表面大多采用圖9.9（b）的梳狀電極結(jié)構(gòu)，這樣可得到比較大的光電流。圖9.9（c）為光敏電阻的測量電路。圖9.9光敏電阻的結(jié)構(gòu)2）典型光敏電阻典型的光敏電阻有硫化鎘（CdS）、硫化鉛（PbS）、銻化銦(InSb)以及碲化鎘汞（Hg1-xCdxTe）系列光敏電阻。3）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性·暗電阻、亮電阻與光電流暗電阻、亮電阻和光電流是光敏電阻的主要參數(shù)。光敏電阻在未受到光照時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。在受到光照時的電阻稱為亮電阻，此時的電流稱為亮電流。亮電流與暗電流之差，稱為光電流。·光敏電阻的伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為伏安特性。硫化鎘（CdS）光敏電阻的伏安特性曲線如圖9.10所示，虛線為允許功耗線或額定功耗線（使用時應(yīng)不使光敏電阻的實際功耗超過額定值）。圖9.10硫化鎘光敏電阻的伏安特性·光敏電阻的光照特性光敏電阻的光照特性用于描述光電流和光照強度之間的關(guān)系，絕大多數(shù)光敏電阻光照特性曲線是非線性的，不同光敏電阻的光照特性是不同的，硫化鎘光敏電阻的光照特性如圖9.11所示。光敏電阻一般在自動控制系統(tǒng)中用做開關(guān)式光電信號轉(zhuǎn)換器而不宜用做線性測量元件。圖9.11硫化鎘光敏電阻的光照特性·光敏電阻的光譜特性對于不同波長的光，不同的光敏電阻的靈敏度是不同的，即不同的光敏電阻對不同波長的入射光有不同的響應(yīng)特性。光敏電阻的相對靈敏度與入射波長的關(guān)系稱為光譜特性。幾種常用光敏電阻材料的光譜特性如圖9.12所示。圖9.12光敏電阻的光譜特性·光敏電阻的響應(yīng)時間和頻率特性實驗證明，光敏電阻的光電流不能隨著光照量的改變而立即改變，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這個惰性通常用時間常數(shù)來描述。時間常數(shù)越小，響應(yīng)越迅速。但大多數(shù)光敏電阻的時間常數(shù)都較大，這是它的缺點之一。不同材料的光敏電阻有不同的時間常數(shù)，因此其頻率特性也各不相同，與入射的輻射信號的強弱有關(guān)。圖9.13所示為硫化鎘和硫化鉛光敏電阻的頻率特性。硫化鉛的使用頻率范圍最大，其它都較差。目前正在通過改進生產(chǎn)工藝來改善各種材料光敏電阻的頻率特性。圖9.13頻率特性·光敏電阻的溫度特性光敏電阻的溫度特性與光電導(dǎo)材料有密切關(guān)系，不同材料的光敏電阻有不同的溫度特性；光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻都要受到溫度變化的影響。受溫度影響最大的例子是硫化鉛光敏電阻。其光譜響應(yīng)的溫度特性曲線如圖9.14所示。圖9.14硫化鉛光敏電阻的溫度特性隨著溫度的上升，其光譜響應(yīng)曲線向左（即短波長的方向）移動。因此，要求硫化鉛光敏電阻在低溫、恒溫的條件下使用。4）光敏電阻的應(yīng)用這里以火災(zāi)探測報警器應(yīng)用為例。圖9.15為以光敏電阻為敏感探測元件的火災(zāi)探測報警器電路，在1mW/cm2照度下，PbS光敏電阻的暗電阻阻值為1MΩ,亮電阻阻值為0.2MΩ，峰值響應(yīng)波長為2.2，與火焰的峰值輻射光譜波長接近。圖9.15火災(zāi)探測報警器電路由VT1、電阻R1、R2和穩(wěn)壓二極管VS構(gòu)成對光敏電阻R3的恒壓偏置電路，該電路在更換光敏電阻時只要保證光電導(dǎo)靈敏度不變，輸出電路的電壓靈敏度就不會改變，可保證前置放大器的輸出信號穩(wěn)定。當(dāng)被探測物體的溫度高于燃點或被探測物體被點燃而發(fā)生火災(zāi)時，火焰將發(fā)出波長接近于2.2的輻射（或“跳變”的火焰信號），該輻射光將被PbS光敏電阻接收，使前置放大器的輸出跟隨火焰“跳變”信號，并經(jīng)電容C2耦合，由VT2、VT3組成的高輸入阻抗放大器放大。放大的輸出信號再送給中心站放大器，由其發(fā)出火災(zāi)報警信號或自動執(zhí)行噴淋等滅火動作。（2）光電池1）光電池原理光電池實質(zhì)上是一個電壓源，是利用光生伏特效應(yīng)把光能直接轉(zhuǎn)換成電能的光電器件。由于它廣泛用于把太陽能直接轉(zhuǎn)變成電能，因此也稱太陽能電池。一般，能用于制造光電阻器件的半導(dǎo)體材料均可用于制造光電池，例如，硒光電池、硅光電池、砷化鎵光電池等。光電池結(jié)構(gòu)如圖9.16（a）所示。硅光電池是在一塊N型硅片上，用擴散的方法摻入一些P型雜質(zhì)形成PN結(jié)。當(dāng)入射光照射在PN結(jié)上時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在PN結(jié)內(nèi)附近激發(fā)出電子一空穴對，在PN結(jié)內(nèi)電場的作用下，N型區(qū)的光生空穴被拉向P型區(qū)，P型區(qū)的光生電子被拉向N型區(qū)，結(jié)果使P型區(qū)帶正電，N型區(qū)帶負電，這樣PN結(jié)就產(chǎn)生了電位差，若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來，電路中就有電流流過，電流方向由P型區(qū)流經(jīng)外電路至N型區(qū)（如圖9.17所示）。若將外電路斷開，就可以測出光生電動勢。圖9.16光電池結(jié)構(gòu)示意圖圖9.17光電池工作原理硒光電池是在鋁片上涂硒（P型），再用濺射的工藝，在硒層上形成一層半透明的氧化鎘（N型）。在正、反兩面噴上低融合金作為電極，如圖9.16(b)所示。在光線照射下，鎘材料帶負電，硒材料帶正電，形成電動勢或光電流。光電池的符號、基本電路及等效電路如圖9.18所示。圖9.18光電池的符號及其電路2）光電池種類光電池的種類很多，有硅光電池、硒光電池、鍺光電池、砷化鎵光電池、氧化亞銅光電池等，但最受人們重視的是硅光電池。這是因為它具有性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射、價格便宜、壽命長等特點。3）光電池特性·光譜特性①光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。硅光電池的光譜響應(yīng)波長范圍為0.4～1.2，而硒光電池在0.38～0.75，相對而言，硅電池的光譜響應(yīng)范圍更寬。硒光電池在可見光譜范圍內(nèi)有較高的靈敏度，適宜測可見光。②不同材料的光電池的光譜響應(yīng)峰值所對應(yīng)的入射光波長也是不同的。硅光電池在0.8附近，硒光電池在0.5附近。因此，使用光電池時對光源應(yīng)有所選擇?！す庹仗匦怨怆姵卦诓煌庹斩龋ㄖ竼挝幻娣e上的光通量，表示被照射平面上某一點的光亮程度。單位：勒克斯，lm/m2或lx）下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系稱為光照特性。從實驗知道：對于不同的負載電阻，可在不同的照度范圍內(nèi)，使光電流與光照度保持線性關(guān)系。負載電阻越小，光電流與照度間的線性關(guān)系越好，線性范圍也越寬。因此，應(yīng)用光電池時，所用負載電阻大小，應(yīng)根據(jù)光照的具體情況來決定?！ゎl率特性光電池的PN結(jié)面積大，極間電容大，因此頻率特性較差?！囟忍匦园雽?dǎo)體材料易受溫度的影響，將直接影響光電流的值。光電池的溫度特性用于描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。溫度特性將影響測量儀器的溫漂和測量或控制的精度等。（3）光敏管大多數(shù)半導(dǎo)體二極管和三極管都是對光敏感的，當(dāng)二極管和三極管的PN結(jié)受到光照射時，通過PN結(jié)的電流將增大，因此，常規(guī)的二極管和三極管都用金屬罐或其它殼體密封起來，以防光照；而光敏管（包括光敏二極管和光敏三極管）則必須使PN結(jié)能接收最大的光照射。光電池與光敏二極管、三極管都是PN結(jié)，它們的主要區(qū)別在于后者的PN結(jié)處于反向偏置，無光照時反向電阻很大、反向電流很小，相當(dāng)于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)有光照時將產(chǎn)生光生的電子－空穴對，在PN結(jié)電場作用下電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)移動，形成光電流。1）光敏管的結(jié)構(gòu)和工作原理光敏二極管是一種PN結(jié)型半導(dǎo)體器件，與一般半導(dǎo)體二極管類似，其PN結(jié)裝在管的頂部，以便接受光照，上面有一個透鏡制成的窗口，可使光線集中在敏感面上。其工作原理和基本使用電路如圖9.20所示。在無光照射時，處于反偏的光敏二極管工作在截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓下越過阻擋層，形成微小的反向電流即暗電流。當(dāng)光敏二極管受到光照射之后，光子在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使P型區(qū)的電子數(shù)增多，也使N型區(qū)的空穴增多，即產(chǎn)生新的自由載流子（即光生電子－空穴對）。這些載流子在結(jié)電場的作用下，空穴向P型區(qū)移動，電子向N型區(qū)移動，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)入射光的強度發(fā)生變化時，光生載流子的多少相應(yīng)發(fā)生變化，通過光敏二極管的電流也隨之變化，這樣就把光信號變成了電信號。達到平衡時，在PN結(jié)的兩端將建立起穩(wěn)定的電壓差，這就是光生電動勢。圖9.20光敏二極管的結(jié)構(gòu)原理和基本電路光敏三極管（習(xí)慣上常稱為光敏晶體管）是光敏二極管和三極管放大器一體化的結(jié)果，它有NPN型和PNP型兩種基本結(jié)構(gòu)，用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型，用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型。這里以NPN型光敏三極管為例，其結(jié)構(gòu)與普通三極管很相似，只是它的基極做得很大，以擴大光的照射面積，且其基極往往不接引線；即相當(dāng)于在普通三極管的基極和集電極之間接有光敏二極管且對電流加以放大。光敏三極管的工作原理分為光電轉(zhuǎn)換和光電流放大兩個過程；光電轉(zhuǎn)換過程與一般光敏二極管相同，光集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電極就是反向偏壓，當(dāng)光照在基極上時，就會在基極附近光激發(fā)產(chǎn)生電子－空穴對，在反向偏置的PN結(jié)勢壘電場作用下，自由電子向集電區(qū)（N區(qū)）移動并被集電極所收集，空穴流向基區(qū)（P區(qū)）被正向偏置的發(fā)射結(jié)發(fā)出的自由電子填充，這樣就形成一個由集電極到發(fā)射極的光電流，相當(dāng)于三極管的基極電流?？昭ㄔ诨鶇^(qū)的積累提高了發(fā)射結(jié)的正向偏置，發(fā)射區(qū)的多數(shù)載流子（電子）穿過很薄的基區(qū)向集電區(qū)移動，在外電場作用下形成集電極電流，結(jié)果表現(xiàn)為基極電流將被集電結(jié)放大倍，這一過程與普通三極管放大基極電流的作用相似。不同的是普通三極管是由基極向發(fā)射結(jié)注入空穴載流子控制發(fā)射極的擴散電流，而光敏三極管是由注入到發(fā)射結(jié)的光生電流控制。PNP型光敏三極管的工作與NPN型相同，只是它以P型硅為襯底材料構(gòu)成，它工作時的電壓極性與NPN型相反，集電極的電位為負。光敏三極管是兼有光敏二極管特性的器件，它在把光信號變?yōu)殡娦盘柕耐瑫r又將信號電流放大，光敏三極管的光電流可達0.4～4mA,而光敏二極管的光電流只有幾十微安，因此光敏三極管有更高的靈敏度。圖9.21給出了它的結(jié)構(gòu)和基本使用電路。圖9.21光敏三極管的結(jié)構(gòu)和基本電路2）光敏管的基本特性·光譜特性光譜特性是指光敏管在照度一定時，輸出的光電流（或光譜相對靈敏度）隨入射光的波長而變化的關(guān)系。如圖9.22所示為硅和鍺光敏管（光敏二極管、光敏三極管）的光譜特性曲線。對一定材料和工藝制成的光敏管，必須對應(yīng)一定波長范圍（即光譜）的入射光才會響應(yīng)，這就是光敏管的光譜響應(yīng)。從圖中可以看出：硅光敏管適用于0.4～1.1波長，最靈敏的響應(yīng)波長為0.8～0.9；而鍺光敏管適用于0.6～1.8的波長，其最靈敏的響應(yīng)波長為1.4～1.5。由于鍺光敏管的暗電流比硅光敏管大，故在可見光作光源時，都采用硅管；但是，在用紅外光源探測時，則鍺管較為合適。光敏二極管、光敏三極管幾乎全用鍺或硅材料做成。由于硅管比鍺管無論在性能上還是制造工藝上都更為優(yōu)越，所以目前硅管的發(fā)展與應(yīng)用更為廣泛。圖9.22光敏管的光譜特性·伏安特性伏安特性是指光敏管在照度一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關(guān)系。圖9.23所示為光敏二極管、光敏三極管在不同照度下的伏安特性曲線。由圖可見，光敏三極管的光電流比相同管型光敏二極管的光電流大上百倍。由圖9.23（b）可見，光敏三極管在偏置電壓為零時，無論光照度有多強，集電極的電流都為零，說明光敏三極管必須在一定的偏置電壓作用下才能工作，偏置電壓要保證光敏三極管的發(fā)射結(jié)處于正向偏置、集電結(jié)處于反向偏置；隨著偏置電壓的增高伏安特性曲線趨于平坦。由圖9.23(a)還可看出，與光敏三極管不同的是，一方面，在零偏壓時，光敏二極管仍有光電流輸出，這是因為光敏二極管存在光生伏特效應(yīng)；另一方面，隨著偏置電壓的增高，光敏三極管的伏安特性曲線向上偏斜，間距增大，這是因為光敏三極管除了具有光電靈敏度外，還具有電流增益，且值隨光電流的增加而增大。圖9.23(b)中光敏三極管的特性曲線始端彎曲部分為飽和區(qū)，在飽和區(qū)光敏三極管的偏置電壓提供給集電結(jié)的反偏電壓太低，集電極的電子收集能力低，造成光敏三極管飽和，因此，應(yīng)使光敏三極管工作在偏置電壓大于5V的線性區(qū)域。圖9.23光敏管伏安特性·光照特性光照特性就是光敏管的輸出電流和照度之間的關(guān)系。硅光敏管的光照特性如圖9.24所示，從圖中可以看出，光照度越大，產(chǎn)生的光電流越強。光敏二極管的光照特性曲線的線性較好；光敏三極管在照度較小時，光電流隨照度增加緩慢，而在照度較大時（光照度為幾千勒克斯）光電流存在飽和現(xiàn)象，這是由于光敏三極管的電流放大倍數(shù)在小電流和大電流時都有下降的緣故。圖9.24光敏管的光照特性(a)硅光敏二極管(b)硅光敏三極管9.25硅光敏三極管的頻率特性·頻率特性光敏管的頻率特性是光敏管輸出的光電流（或相對靈敏度）與光強變化頻率的關(guān)系。光敏二極管的頻率特性好，其響應(yīng)時間可以達到9-7～10-8，因此它適用于測量快速變化的光信號。由于光敏三極管存在發(fā)射結(jié)電容和基區(qū)渡越時間（發(fā)射極的載流子通過基區(qū)所需要的時間），所以，光敏三極管的頻率響應(yīng)比光敏二極管差，而且和光敏二極管一樣，負載電阻越大，高頻響應(yīng)越差，因此，在高頻應(yīng)用時應(yīng)盡量降低負載電阻的阻值。圖9.25給出了硅光敏三極管的頻率特性曲線。3）光敏管的應(yīng)用舉例圖9.26為路燈自動控制器電路原理圖。VD為光敏二極管。當(dāng)夜晚來臨時，光線變暗，VD截止，V1飽和導(dǎo)通，V2截止，繼電器K線圈失電，其常閉觸點K1閉合，路燈HL點亮。天亮后，當(dāng)光線亮度達到預(yù)定值時，VD導(dǎo)通，V1截止，V2飽和導(dǎo)通，繼電器K線圈帶電，其常閉觸點K1斷開，路燈HL熄滅。圖9.26路燈自動控制器原理圖（4）光電耦合器件光電耦合器件是將發(fā)光元件和光敏元件合并使用，以光為媒介實現(xiàn)信號傳遞的光電器件。發(fā)光元件通常采用砷化鎵發(fā)光二極管，它由一個PN結(jié)組成，有單向?qū)щ娦?，隨正向電壓的提高，正向電流增加，產(chǎn)生的光通量也增加。光敏元件可以是光敏二極管或光敏三極管等。為了保證靈敏度，要求發(fā)光元件與光敏元件在光譜上要得到最佳匹配。光電耦合器件將發(fā)光元件和光敏元件集成在一起，封裝在一個外殼內(nèi)，如圖9.29所示。光電耦合器件的輸入電路和輸出電路在電氣上完全隔離，僅僅通過光的耦合才把二者聯(lián)系在一起。工作時，把電信號加到輸入端，使發(fā)光器件發(fā)光，光敏元件則在此光照下輸出光電流，從而實現(xiàn)電－光－電的兩次轉(zhuǎn)換。圖9.29光電耦合器光電耦合器實際上能起到電量隔離的作用，具有抗干擾和單向信號傳輸功能。光電耦合器件廣泛應(yīng)用于電量隔離、電平轉(zhuǎn)換、噪聲抑制、無觸點開關(guān)等領(lǐng)域。知識點5CCD圖像傳感器電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices，CCD)以電荷轉(zhuǎn)移為核心，是一種使用非常廣泛的固體圖像傳感器。9.3.1CCD的突出特點是以電荷作為信號。有人將其稱為“排列起來的MOS電容陣列”。一個MOS電容器是一個光敏單元，可以感應(yīng)一個像素點，如一個圖像有1024×768個像素點，就需要同樣多個光敏單元，即傳遞一幅圖像需要由許多MOS光敏單元大規(guī)模集成的器件。因此，CCD的基本功能是信號電荷的產(chǎn)生、存儲、傳輸和輸出。（1）CCD的MOS光敏單元結(jié)構(gòu)CCD是按照一定規(guī)律排列的MOS電容器陣列組成的移位寄存器，CCD的單元結(jié)構(gòu)是MOS電容器，如圖9.31（a）所示。其中“金屬”為MOS結(jié)構(gòu)的電極，稱為“柵極”（此柵極材料通常不是用金屬而是用能夠透過一定波長范圍光的多晶硅薄膜）；“半導(dǎo)體”作為襯底電極；在兩電極之間有一層“氧化物”（SiO2）絕緣體，構(gòu)成電容，但它具有一般電容所不具有的耦合電荷的能力。圖9.31P型MOS光敏單元（2）電荷存儲原理所有電容器都能存儲電荷，MOS電容器也不例外。例如，如果MOS電容器的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓時（襯底接地），金屬電極板上就會充上一些正電荷，附近的P型硅中的多數(shù)載流子－空穴被排斥到表面入地，如圖9.31(b)在襯底Si-SiO2界面處的表面勢能將發(fā)生變化，處于非平衡狀態(tài)，表面區(qū)有表面勢，若襯底電位為0，則表面處電子的靜電位能為(代表單個電子的電荷量)。因為大于0，電子位能小于0，則表面處有貯存電荷的能力，半導(dǎo)體內(nèi)的電子被吸引到界面處來，從而在表面附近形成一個帶負電荷的耗盡區(qū)（稱為電子勢阱或表面勢阱），電子在這里勢能較低，沉積于此，成為積累電荷的場所，如圖9.31(c)所示。勢阱的深度與所加電壓大小成正比關(guān)系，在一定條件下，若增加，柵極上充的正電荷數(shù)目增加，在Si02附近的P-Si中形成的負離子數(shù)目相應(yīng)增加，耗盡區(qū)的寬度增加，表面勢阱加深。若形成MOS電容的半導(dǎo)體材料是N-Si，則加負電壓時，在SiO2附近的N-Si中形成空穴勢阱。如果此時有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅吸收光子，產(chǎn)生電子－空穴對，其中的光生電子被附近的勢阱吸收，吸收的光生電子數(shù)量與勢阱附近的光強度成正比：光強度越大，產(chǎn)生電子-空穴對越多，勢阱中收集的電子數(shù)就越多；反之，光越弱，收集的電子數(shù)越少。同時，產(chǎn)生的空穴被電場排斥出耗盡區(qū)。因此勢阱中電子數(shù)目的多少可以反映光的強弱和圖像的明暗程度，即這種MOS電容器可實現(xiàn)光信號向電荷信號的轉(zhuǎn)變。若給光敏單元陣列同時加上，整個圖像的光信號將同時變?yōu)殡姾砂嚵?。?dāng)有部分電子填充到勢阱中時，耗盡層深度和表面勢將隨著電荷的增加而減小。勢阱中的電子處于被存儲狀態(tài)，即使停止光照，一定時間內(nèi)也不會損失，這就實現(xiàn)了對光照的記憶。（3）電荷轉(zhuǎn)移原理由于所有光敏單元共用一個電荷輸出端，因此需要進行電荷轉(zhuǎn)移。為了方便進行電荷轉(zhuǎn)移，CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷ㄩg距為15～20）的MOS光敏單元，這些光敏單元使用同一半導(dǎo)體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。若兩個相鄰MOS光敏單元所加的柵壓分別為、，且（如圖9.32所示）。任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。因高，表面形成的負離子多，則表面勢，電子的靜電位能，則吸引電子能力強，形成的勢阱深，則1中電子有向2中轉(zhuǎn)移的趨勢。若串聯(lián)很多光敏單元，且使，可形成一個輸運電子的路徑，實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。圖9.32電荷轉(zhuǎn)移示意圖由前面分析可知，MOS電容的電荷轉(zhuǎn)移原理是通過在電極上加不同的電壓（稱為驅(qū)動脈沖）實現(xiàn)的。電極的結(jié)構(gòu)按所加電壓的相數(shù)分為二相、三相和四相系統(tǒng)。由于二相結(jié)構(gòu)要保證電荷單項移動，必須使電極下形成不對稱勢阱，通過改變氧化層厚度或摻雜濃度來實現(xiàn)，這兩者都使工藝復(fù)雜化。為了保證信號電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏單元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。圖9.33三相時鐘驅(qū)動電荷轉(zhuǎn)換原理以圖9.33的三相CCD器件為例說明其工作原理。設(shè)、、為三個驅(qū)動脈沖，它們的順序脈沖(時鐘脈沖)為，且三個脈沖的形狀完全相同，彼此間有相位差(差1/3周期)，如圖9.33(a)所示。把MOS光敏單元電極分為三組，驅(qū)動1、4電極，驅(qū)動2、5電極，驅(qū)動3、6電極，如圖9.33(b)所示。三相時鐘脈沖控制、轉(zhuǎn)移存儲電荷的過程為：：相處于高電平，、相處于低電平，因此在電極1、4下面出現(xiàn)勢阱，存入電荷。：相也處于高電平，電極2、5下出現(xiàn)勢阱。因相鄰電極間距離小，電極1、2及4、5下面的勢阱互相連通，形成大勢阱。原來在電極1、4下的電荷向電極2、5下的勢阱中轉(zhuǎn)移。接著相電壓下降，電極1、4下的勢阱相應(yīng)變淺。：更多的電荷轉(zhuǎn)移到電極2、5下勢阱內(nèi)。：只有相處于高電平，信號電荷全部轉(zhuǎn)移到電極2、5下的勢阱內(nèi)。依此下去，通過脈沖電壓的變化，在半導(dǎo)體表面形成不同的勢阱，且右邊產(chǎn)生更深勢阱，左邊形成阻擋勢阱，使信號電荷自左向右作定向運動，在時鐘脈沖的控制下從一端移位到另一端，直到輸出。（4）電荷的注入·光信號注入當(dāng)光信號照射到CCD襯底硅片表面時，在電極附近的半導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生電子－空穴對，空穴被排斥入地，少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱內(nèi)，形成信號電荷存儲起來。存儲電荷的多少與光照強度成正比。如圖9.34（a）所示。圖9.34CCD電荷注入方法·電信號注入CCD通過輸入結(jié)構(gòu)（如輸入二極管），將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷，注入勢阱中。如圖9.34（b）所示，二極管位于輸入柵襯底下，當(dāng)輸入柵IG加上寬度為的正脈沖時，輸入二極管PN結(jié)的少數(shù)載流子通過輸入柵下的溝道注入電極下的勢阱中，注入電荷量為。（5）電荷的輸出CCD信號電荷在輸出端被讀出的方法如圖9.35所示。OG為輸出柵。它實際上是CCD陣列的末端襯底上制作的一個輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反向偏壓時，轉(zhuǎn)移到終端的電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，被二極管的PN結(jié)所收集，在負載上形成脈沖電流。輸出電流的大小與信號電荷的大小成正比，并通過負載電阻轉(zhuǎn)換為信號電壓輸出。圖9.35CCD輸出結(jié)構(gòu)9.3.2CCD圖像傳感器CCD圖像傳感器從結(jié)構(gòu)上可分為兩類：一類用于獲取線圖像的，稱為線陣CCD；另一類用于獲取面圖像，稱為面陣CCD。線陣CCD目前主要用于產(chǎn)品外部尺寸非接觸檢測或產(chǎn)品表面質(zhì)量評定、傳真和光學(xué)文字識別技術(shù)等方面；面陣CCD主要用于攝像領(lǐng)域。（1）線陣型CCD圖像傳感器對于線陣CCD，它可以直接接收一維光信息，而不能將二維圖像轉(zhuǎn)換為一維的電信號輸出，為了得到整個二維圖像，就必須采取掃描的方法來實現(xiàn)。線陣CCD圖像傳感器由線陣光敏區(qū)、轉(zhuǎn)移柵、模擬移位寄存器、偏置電荷電路、輸出柵和信號讀出電路等組成。線陣CCD圖像傳感器有兩種基本形式，即單溝道和雙溝道線陣圖像傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖9.36所示，由感光區(qū)和傳輸區(qū)兩部分組成。圖9.36線陣型CCD圖像傳感器（2）面陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像。按傳輸和讀出方式不同，可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。行傳輸(LineTransmission,LT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖9.37(a)所示。它由行選址電路、感光區(qū)、輸出寄存器組成。當(dāng)感光區(qū)光積分結(jié)束后，由行選址電路一行一行地將信號電荷通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。行傳輸?shù)奶攸c：有效光敏面積大，轉(zhuǎn)移速度快、轉(zhuǎn)移效率高。但需要行選址電路，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，且在電荷轉(zhuǎn)移過程中，必須加脈沖電壓，與光積分同時進行，會產(chǎn)生“拖影”，故采用較少。圖9.37面陣型CCD的結(jié)構(gòu)幀傳輸(FrameTransmission,FT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖9.37(b)所示。由感光區(qū)、暫存區(qū)和輸出寄存器三部分組成。感光區(qū)由并行排列的若干電荷耦合溝道組成，各溝道之間用溝阻隔開，水平電極條橫貫各溝道。假設(shè)有M個轉(zhuǎn)移溝道，每個溝道有N個光敏單元，則整個感光區(qū)共有M×N個光敏單元。在感光區(qū)完成光積分后，先將信號電荷迅速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)，然后再從暫存區(qū)一行一行地將信號電荷通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。設(shè)置暫存區(qū)是為了消除“拖影”，以提高圖像的清晰度和與電視圖像掃描制式相匹配。特點：光敏單元密度高、電極簡單。但增加了暫存區(qū)，器件面積相對于行傳輸型增大了一倍。行間傳輸(InterlineTransmission,ILT)面陣型CCD的結(jié)構(gòu)如圖9.37(c)所示。它的特點是感光區(qū)和暫存區(qū)行與行相間排列。在感光區(qū)結(jié)束光積分后，同時將每列信號電荷轉(zhuǎn)移人相鄰的暫存區(qū)中，然后再進行下一幀圖像的光積分，并同時將暫存區(qū)中的信號電荷逐行通過輸出寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。其優(yōu)點是不存在拖影問題，但這種結(jié)構(gòu)不適宜光從背面照射。特點：光敏單元面積小，密度高，圖像清晰。但單元結(jié)構(gòu)復(fù)雜。這是用得最多的一種結(jié)構(gòu)形式。9.3.3CCD圖像傳感器的特性參數(shù)用來評價CCD圖像傳感器的主要參數(shù)有：分辨率、光電轉(zhuǎn)移效率、靈敏度、光譜響應(yīng)、動態(tài)范圍、暗電流、及噪聲等。不同的應(yīng)用場合，對特性參數(shù)的要求也各不相同。9.3.4CCD圖像傳感器的應(yīng)用CCD圖像傳感器的應(yīng)用主要在以下幾方面：·計量檢測儀器：工業(yè)生產(chǎn)產(chǎn)品的尺寸、位置、表面缺陷的非接觸在線檢測、距離測定等?！す鈱W(xué)信息處理：光學(xué)字符識別（OpticalCharacterRecognition,OCR）、標(biāo)記識別、圖形識別、傳真、攝像等?！どa(chǎn)過程自動化：自動工作機械、自動售貨機、自動搬運機、監(jiān)視裝置等。·軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查(帶攝像機的無人駕駛飛機、衛(wèi)星偵查)。知識點6光纖傳感器9.4.1光纖（1）光纖及其傳光原理光纖是一種多層介質(zhì)結(jié)構(gòu)的同心圓柱體，包括纖芯、包層和保護層（涂敷層及護套）。核心部分是纖芯和包層，纖芯粗細、纖芯材料和包層材料的折射率，對光纖的特性起決定性影響。其中纖芯由高度透明的材料制成，是光波的主要傳輸通道；纖芯材料的主體是SiO2玻璃，并摻入微量的GeO2、P2O5，以提高材料的光折射率。纖芯直徑5～75。包層可以是一層、二層或多層結(jié)構(gòu)，總直徑約100～200，包層材料主要也是SiO2，摻入了微量的B2O3或SiF4以降低包層對光的折射率；包層的折射率略小于纖芯，這樣的構(gòu)造可以保證入射到光纖內(nèi)的光波集中在纖芯內(nèi)傳輸。涂覆層保護光纖不受水汽的侵蝕和機械擦傷，同時又增加光纖的柔韌性，起著延長光纖壽命的作用。護套采用不同顏色的塑料管套，一方面起保護作用，另一方面以顏色區(qū)分多條光纖。許多根單條光纖組成光纜。光在同一種介質(zhì)中是直線傳播的，如圖9.42所示。當(dāng)光線以不同的角度入射到光纖端面時，在端面發(fā)生折射進入光纖后，又入射到折射率較大的光密介質(zhì)（纖芯）與折射率較小的光疏介質(zhì)（包層）的交界面，光線在該處有一部分透射到光疏介質(zhì)，一部分反射回光密介質(zhì)。根據(jù)折射定理有： (9.13)(9.14)式中：－光纖端面的入射角－光纖端面處的折射角－光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)界面處的入射角－光密介質(zhì)與光疏介質(zhì)界面處的折射角。圖9.42光纖傳輸原理在光纖材料確定的情況下，、均為定值，因此若減小，則也將減小，相應(yīng)地，將增大，則也增大。當(dāng)達到使折射角＝90°時，即折射光將沿界面方向傳播，則稱此時的入射角為臨界角。所以有： (9.15)外界介質(zhì)一般為空氣，＝1，所以有：（9.16）當(dāng)入射角小于臨界角時，光線就不會透過其界面而全部反射到光密介質(zhì)內(nèi)部，即發(fā)生全反射。全反射的條件：（9.17）在滿足全反射的條件下，光線就不會射出纖芯，而是在纖芯和包層界面不斷地產(chǎn)生全反射向前傳播，最后從光纖的另一端面射出。光的全反射是光纖傳感器工作的基礎(chǔ)。（2）光纖的主要特性1）數(shù)值孔徑由式(9.16)可知，是出現(xiàn)全反射的臨界角，且某種光纖的臨界入射角的大小是由光纖本身的性質(zhì)－折射率、所決定的，與光纖的幾何尺寸無關(guān)。光纖光學(xué)中把定義為光纖的數(shù)值孔徑（NumericalAperture，NA）。即：（9.18）數(shù)值孔徑是光纖的一個重要參數(shù)，它能反映光纖的集光能力，光纖的NA越大，表明它可以在較大入射角范圍內(nèi)輸入全反射光，集光能力就越強，光纖與光源的耦合越容易，且保證實現(xiàn)全反射向前傳播。即在光纖端面，無論光源的發(fā)射功率有多大，只有張角內(nèi)的入射光才能被光纖接收、傳播。如果入射角超出這個范圍，進入光纖的光線將會進入包層而散失（產(chǎn)生漏光）。但NA越大，光信號的畸變也越大，所以要適當(dāng)選擇NA的大小。石英光纖的NA＝0.2～0.4（對應(yīng)的）。2）光纖模式光波在光纖中的傳播途徑和方式稱為光纖模式。對于不同入射角的光線，在界面反射的次數(shù)是不同的，傳遞的光波間的干涉也是不同的，這就是傳播模式不同。一般總希望光纖信號的模式數(shù)量要少，以減小信號畸變的可能。光纖分為單模光纖和多模光纖。單模光纖直徑較小（2～12），只能傳輸一種模式。其優(yōu)點是：信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高；缺點：纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大（50～100），傳輸模式不只一種，其缺點是：性能較差。優(yōu)點：纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。3）傳輸損耗光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。光纖傳輸損耗主要有材料吸收損耗（因材料密度及濃度不均勻引起）、散射損耗（因光纖拉制時粗細不均勻引起）、光波導(dǎo)彎曲損耗（因光纖在使用中可能發(fā)生彎曲引起）。9.4.2溫度、壓力、電場、磁場、振動等外界因素作用于光纖時，會引起光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ卣鲄⒘浚ㄕ穹?、相位、頻率、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，只要測出這些參量隨外界因素的變化關(guān)系，就可以確定對應(yīng)物理量的變化大小，這就是光纖傳感器的基本工作原理。（1）光纖傳感器的組成要構(gòu)成光纖傳感器，除光導(dǎo)纖維外，還必須有光源和光探測器。（2）光纖傳感器的分類1)按光纖在傳感器中功能的不同可分為：·功能型（傳感型）光纖傳感器·非功能型（傳光型）光纖傳感器2）按光纖傳感器調(diào)制的光波參數(shù)不同可分為：·強度調(diào)制光纖傳感器·相位調(diào)制光纖傳感器·波長（頻率）調(diào)制光纖傳感器·時分調(diào)制光纖傳感器·偏振調(diào)制光纖傳感器9.4.3光纖傳感器的應(yīng)用（1）光纖溫度傳感器·輻射溫度計它是利用非接觸方式檢測來自被測物體的熱輻射方法，若采用光導(dǎo)纖維將熱輻射引導(dǎo)到傳感器中，可實現(xiàn)遠距離測量；利用多束光纖可對物體上多點的溫度及其分布進行測量；可在真空、放射線、爆炸性和有毒氣體等特殊環(huán)境下進行測量。400～1600℃的黑體輻射的光譜主要由近紅外線構(gòu)成。采用高純石英玻璃的光導(dǎo)纖維在1.1～1.7的波長帶域內(nèi)顯示出低于1的低傳輸損失，所以最適合于上述溫度范圍的遠距離測量。圖9.44探針型光纖溫度傳感器圖9.44為可測量高溫的探針型光纖溫度傳感器系統(tǒng)。將直徑為0.25～1.25、長度為0.05～0.3的藍寶石纖維接于光纖的前端，藍寶石纖維的前端用Ir(銥)的濺射薄膜覆蓋。用這種溫度計可檢測具有0.1帶寬的可見單色光(λ=0.5～0.7)，從而可測量600～2000℃范圍的溫度?！す鈴娬{(diào)制型光纖溫度傳感器圖9.45所示是一種光強調(diào)制型光纖溫度傳感器。它利用了多數(shù)半導(dǎo)體材料的能量帶隙隨溫度的升高幾乎線性減小的特性。如圖40.46所示。半導(dǎo)體材料的透光率特性曲線邊沿的波長隨溫度的增加而向長波方向移動。如果適當(dāng)?shù)剡x定一種光源，它發(fā)出的光的波長在半導(dǎo)體材料工作范圍內(nèi)，當(dāng)此種光通過半導(dǎo)體材料時，其透射光的強度將隨溫度T的增加而減小，即光的透過率隨溫度升高而降低。圖9.45光強調(diào)制型光纖溫度傳感器圖9.46半導(dǎo)體的光透過率特性敏感元件是一個半導(dǎo)體光吸收器（薄片），光纖用于傳輸信號。當(dāng)光源發(fā)出的光以恒定的強度經(jīng)輸入光纖到達半導(dǎo)體光吸收器時，透過吸收器的光強受薄片溫度調(diào)制（溫度越高，透過的光強越?。?，然后透射光再由輸出光纖傳到光探測器。它將光強的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，達到傳感溫度的目的。這種傳感器的測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，通常在－100～300℃，響應(yīng)時間大約為2；測量精度在±3℃。目前，國外光纖溫度傳感器可探測到2000℃高溫，靈敏度達到±1℃，響應(yīng)時間為2（2）光纖圖像傳感器圖像光纖是由數(shù)目眾多的光纖組成一個圖像單元，典型數(shù)目為0.3萬～10萬股，每一股光纖的直徑約為10，圖像經(jīng)圖像光纖傳輸?shù)脑砣鐖D9.47所示。在光纖的兩端，所有的光纖都是按同一規(guī)律整齊排列的。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，每一個像素（包含圖像的亮度與顏色信息）通過一根光纖單獨傳送，因此，整個圖像是作為一組亮度與顏色不同的光點傳送，并在另一端重建原圖像。圖9.47光纖圖像傳輸工業(yè)用內(nèi)窺鏡用于檢查系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，它采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統(tǒng)內(nèi)部，通過光束的傳輸在系統(tǒng)外部可以觀察監(jiān)視，如圖9.48所示。光源發(fā)出的光通過傳光束照射到被測物體上，通過物鏡和傳像束把內(nèi)部圖像傳送出來，以便觀察、照相，或通過傳像束送入CCD器件，將圖像信號轉(zhuǎn)換成電信號，送入微機進行處理，可在屏幕上顯示和打印觀測結(jié)果。圖9.48工業(yè)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理（3）光纖旋渦式流量傳感器光纖旋渦式流量傳感器是將一根多模光纖垂直地裝入管道，當(dāng)液體或氣體流經(jīng)與其垂直的光纖時，光纖受到流體渦流的作用而振動，振動的頻率與流速有關(guān)。測出光纖振動的頻率就可確定液體的流速。光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)如圖9.49所示。圖9.49光纖旋渦流量傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)流體運動受到一個垂直于流動方向的非流線體阻礙時，根據(jù)流體力學(xué)原理，在某些條件下，在非流線體的下游兩側(cè)產(chǎn)生有規(guī)則的旋渦，其旋渦的頻率與流體的流速之間的關(guān)系可表示為:(9.21)式中：—流體中物體的橫向尺寸大?。ü饫w的直徑）；—斯托勞哈爾（Strouhal）系數(shù)，它是一個無量綱的常數(shù)。在多模光纖中，光以多種模式進行傳輸，在光纖的輸出端，各模式的光就形成了干涉圖樣，這就是光斑。一根沒有外界擾動的光纖所產(chǎn)生的干涉圖樣是穩(wěn)定的，當(dāng)光纖受到外界擾動時，干涉圖樣的明暗相間的斑紋或斑點發(fā)生移動。如果外界擾動是流體的渦流引起的，那么干涉圖樣斑紋或斑點就會隨著振動的周期變化來回移動，這時測出斑紋或斑點的移動，即可獲得對應(yīng)于振動頻率的信號，根據(jù)式（9.21）推算流體的流速。光纖旋渦式流量傳感器可測量液體和氣體的流量，傳感器沒有活動部件，測量可靠，而且對流體流動幾乎不產(chǎn)生阻礙作用，壓力損耗非常小。知識點7光電式編碼器編碼器是將機械轉(zhuǎn)動的位移（模擬量）轉(zhuǎn)換成數(shù)字式電信號的傳感器。編碼器在角位移測量方面應(yīng)用廣泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特點。光電式編碼器是在自動測量和自動控制中用得較多的一種數(shù)字式編碼器，從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。9.碼盤式編碼器（也叫絕對編碼器）的結(jié)構(gòu)如圖9.50所示，由光源、與旋轉(zhuǎn)軸相連的碼盤、窄縫、光敏元件等組成。圖9.50光電式編碼器圖9.51四位二進制碼盤碼盤如圖9.51所示，它由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多的同心碼道，每位碼道都按一定編碼規(guī)律（二進制碼、十進制碼、循環(huán)碼等）分布著透光和不透光部分，分別稱為亮區(qū)和暗區(qū)。對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)光敏元件輸出的信號分別是“1”和“0”。圖9.51由四個同心碼道組成，當(dāng)來自光源（多采用發(fā)光二極管）的光束經(jīng)聚光透鏡投射到碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，光束經(jīng)過碼盤進行角度編碼，再經(jīng)窄縫射入光敏元件（多為硅光電池或光敏管）組。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，即保證每個碼道有一個光敏元件負責(zé)接收透過的光信號。碼盤轉(zhuǎn)至不同的位置時，光敏元件組輸出的信號反映了碼盤的角位移大小。光路上的窄縫是為了方便取光和提高光電轉(zhuǎn)換效率。碼盤的刻劃可采用二進制、十進制、循環(huán)碼等方式。一個位二進制碼盤的最小分辨率是。二進制碼盤最大的問題是任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。為了消除粗誤差，應(yīng)用最廣的方法是采用循環(huán)碼（也叫格雷碼）方案，循環(huán)碼、二進制碼和十進制的對應(yīng)關(guān)系如表9.1所示。循環(huán)碼的特點是：它是一種無權(quán)碼，任何相鄰的兩個數(shù)碼間只有一位是變化的，因此，如果碼盤存在刻劃誤差，這個誤差只影響一個碼道的讀數(shù)，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特（即一個分辨率單位。如果較大，這種誤差的影響不會太大，不存在粗誤差），能有效克服由于制作和安裝不準(zhǔn)帶來的誤差。也正是基于這一原因，循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛的應(yīng)用。表9.1碼盤上不同碼制的對比圖9.52四位循環(huán)碼盤循環(huán)碼存在的問題是：這是一種無權(quán)碼，譯碼相對困難。一般的處理辦法是先將它轉(zhuǎn)換為二進制碼，再譯碼。按表9.1，基于二進制碼得到循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換方法是：（9.22）式中：－循環(huán)碼－二進制碼－所在的位數(shù)－不進位“加”，即異或。由式（9.22）可見，兩種碼制進行轉(zhuǎn)換時，第位（最高位）保持不變。不進位“加”在數(shù)字電路中可用異或門來實現(xiàn)。相應(yīng)地，循環(huán)碼轉(zhuǎn)換為二進制碼的方法為：（9.23）使用碼盤式編碼器（絕對編碼器）時，若被測轉(zhuǎn)角不超過360度，它所提供的是轉(zhuǎn)角的絕對值，即從起始位置（對應(yīng)于輸出各位均為0的位置）所轉(zhuǎn)過的角度。在使用中如遇停電，在恢復(fù)供電后的顯示值仍然能正確地反映當(dāng)時的角度。故稱為絕對型角度編碼器。當(dāng)被測角大于360度時，為了仍能得到轉(zhuǎn)角的絕對值，可以用兩個或多個碼盤與機械減速器配合，擴大角度量程，如選用兩個碼盤，兩者間的轉(zhuǎn)速為10:1，此時測角范圍可擴大10倍。但這種情況下，低轉(zhuǎn)速的高位碼盤的角度誤差應(yīng)小于高轉(zhuǎn)速的低位碼盤的角度誤差，否則其讀數(shù)是沒有意義的。9.5.脈沖盤式編碼器（也叫增量編碼器）不能直接產(chǎn)生位的數(shù)碼輸出，當(dāng)轉(zhuǎn)動時可產(chǎn)生串行光脈沖，用計數(shù)器將脈沖數(shù)累加起來就可反映轉(zhuǎn)過的角度大小，但遇停電，就會丟失累加的脈沖數(shù)，因此，必須有停電記憶措施。(1)工作原理脈沖盤式編碼器是在圓盤上開有兩圈相等角矩的縫隙，外圈A為增量碼道、內(nèi)圈B為辨向碼道，內(nèi)、外圈的相鄰兩縫隙之間的距離錯開半條縫寬，另外，在內(nèi)外圈之外的某一徑向位置，也開有一縫隙，表示碼盤的零位，碼盤每轉(zhuǎn)一圈，零位對應(yīng)的光敏元件就產(chǎn)生一個脈沖，稱為“零位脈沖”。在開縫圓盤的兩邊分別安裝光源及光敏元件，如圖9.53（a）所示。一種脈沖盤式編碼器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖9.53（b）所示，光欄板上有兩個狹縫，其距離是碼盤上兩個相鄰狹縫距離的四分之一倍，并設(shè)置了兩組對應(yīng)的光敏元件（稱為cos、sin元件），對應(yīng)圖中的A、B兩個信號（四分之一間距差保證了兩路信號的相位差為900，便于辨向），C信號代表零位脈沖。圖9.53脈沖盤式編碼器(a)原理圖(b)結(jié)構(gòu)圖當(dāng)碼盤隨被測工作軸轉(zhuǎn)動時，每轉(zhuǎn)過一個縫隙就發(fā)生一次光線明暗的變化，通過光敏元件產(chǎn)生一次電信號的變化，所以每圈碼道上的縫隙數(shù)將等于其光敏元件每一轉(zhuǎn)輸出的脈沖數(shù)。利用計數(shù)器記錄脈沖數(shù)，就能反映碼盤轉(zhuǎn)過的角度。(2)辨向原理為了辨別碼盤的旋轉(zhuǎn)方向，可以采用圖9.54（a）所示的辨向原理框圖來實現(xiàn)，其波形如圖9.54(b)所示。圖9.54辨向原理光敏元件1和2的輸出信號經(jīng)放大整形后，產(chǎn)生矩形脈沖和，它們分別接到D觸發(fā)器的D端和C端，D觸發(fā)器在C脈沖（即）的上升沿觸發(fā)。兩個矩形脈沖相差四分之一個周期（或相位相差900）。當(dāng)正轉(zhuǎn)時，設(shè)光敏元件1比光敏元件2先感光，即脈沖的相位超前脈沖900，D觸發(fā)器的輸出，使可逆計數(shù)器的加減控制線為高電位，計數(shù)器將作加法計數(shù)。同時和又經(jīng)與門Y輸出脈沖，經(jīng)延時電路送到可逆計數(shù)器的計數(shù)輸入端，計數(shù)器進行加法計數(shù)。當(dāng)反轉(zhuǎn)時，超前900，D觸發(fā)器輸出，計數(shù)器進行減法計數(shù)。設(shè)置延時電路的目的是等計數(shù)器的加減信號抵達后，再送入計數(shù)脈沖，以保證不丟失計數(shù)脈沖。零位脈沖接至計數(shù)器的復(fù)位端，使碼盤每轉(zhuǎn)動一圈計數(shù)器復(fù)位一次。這樣，不論是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，計數(shù)器每次反映的都是相對于上次角度的增量，故稱為增量式編碼器。增量式編碼器最大的優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單。它除可直接用于測量角位移，還常用于測量轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。如在給定時間內(nèi)對編碼器的輸出脈沖進行計數(shù)即可測量平均轉(zhuǎn)速。9.5.3光電式編碼器的應(yīng)用(1)位置測量把輸出的兩個脈沖分別輸入到可逆計數(shù)器的正、反計數(shù)端進行計數(shù)，可檢測到輸出脈沖的數(shù)量，把這個數(shù)量乘以脈沖當(dāng)量（轉(zhuǎn)角/脈沖）就可測出碼盤轉(zhuǎn)過的角度。為了能夠得到絕對轉(zhuǎn)角，在起始位置時，對可逆計數(shù)器要清零。在進行直線距離測量時，通常把它裝到伺服電動機軸上，伺服電機與滾珠絲桿相連，當(dāng)伺服電動機轉(zhuǎn)動時，由滾珠絲桿帶動工作臺或刀具移動，這時編碼器的轉(zhuǎn)角對應(yīng)直線移動部件的移動量，因此，可根據(jù)伺服電動機和絲桿的轉(zhuǎn)動以及絲桿的導(dǎo)程來計算移動部件的位置。(2)轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速可由編碼器發(fā)出的脈沖頻率或周期來測量。利用脈沖頻率測量是在給定的時間內(nèi)對編碼器發(fā)出的脈沖計數(shù)，然后由下式求出其轉(zhuǎn)速：（9.24）式中：－測速采樣時間；－時間內(nèi)測得的脈沖個數(shù)；－編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)（，與所用編碼器型號有關(guān)）。圖9.55（a）所示為用脈沖頻率法測轉(zhuǎn)速的原理圖。在給定時間內(nèi)，使門電路選通，編碼器輸出脈沖允許進入計數(shù)器計數(shù)，這樣，可計算出時間內(nèi)編碼器的平均轉(zhuǎn)速。圖9.55光電編碼器測速原理利用脈沖周期法測量轉(zhuǎn)速，是通過計數(shù)編碼器一個脈沖間隔內(nèi)（半個脈沖周期）標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖個數(shù)來計算其轉(zhuǎn)速，因此，要求時鐘脈沖的頻率必須高于編碼器脈沖的頻率。圖9.55（b）所示為用脈沖周期法測量轉(zhuǎn)速的原理圖。當(dāng)編碼器輸出脈沖正半周時選通門電路，標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖通過控制門進入計數(shù)器計數(shù)，計數(shù)器輸出，可得出轉(zhuǎn)速的計算公式為：（9.25）或（9.26）式中：－編碼器每轉(zhuǎn)脈沖數(shù)(單位：pulse/r)；－編碼器一個脈沖間隔（即半個編碼器脈沖周期）內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖輸出個數(shù)；－標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖周期（單位：s）。知識點8計量光柵計量光柵是利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象，以線位移和角位移為基本測試內(nèi)容，應(yīng)用于高精度加工機床、光學(xué)坐標(biāo)鏜床、制造大規(guī)模集成電路的設(shè)備及檢測儀器等。計量光柵按應(yīng)用范圍不同可分為透射光柵和反射光柵兩種；按用途不同有測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵；按光柵的表面結(jié)構(gòu)不同，又可分為幅值（黑白）光柵和相位（閃耀）光柵。9.6.1光柵的結(jié)構(gòu)和工作原理這里以黑白、透射型長光柵為例介紹光柵的工作原理。(1)光柵的結(jié)構(gòu)在一塊長條形鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細小條紋（稱為刻線），這就是光柵，如圖9.56所示。圖中為柵線的寬度（不透光），為柵線的間距（透光），稱為光柵的柵距（也叫光柵常數(shù)），通常。目前常用的光柵是每毫米寬度上刻10、25、50、100、125、250條線。圖9.56透射長光柵(2)光柵的工作原理如圖9.57所示。兩塊具有相同柵線寬度和柵距的長光柵（即選用兩塊同型號的長光柵）疊合在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線之間形成一個很小的夾角，則在大致垂直于柵線的方向上出現(xiàn)明暗相間的條紋，稱為莫爾條紋。莫爾（Moire）在法文中的原意是水面上產(chǎn)生的波紋。由圖可見，在兩塊光柵柵線重合的地方，透光面積最大，出現(xiàn)亮帶（圖中的），相鄰亮帶之間的距離用表示；有的地方兩塊光柵的柵線錯開，形成了不透光的暗帶（圖中的），相鄰暗帶之間的距離用表示。很明顯，當(dāng)光柵的柵線寬度和柵距相等（）時，則所形成的亮、暗帶距離相等，即＝，將它們統(tǒng)一稱為條紋間距。當(dāng)夾角減小時，條紋間距增大，適當(dāng)調(diào)整夾角可獲得所需的條紋間距。圖9.57莫爾條紋莫爾條紋測位移具有以下特點：對位移的放大作用光柵每移動一個柵距，莫爾條紋移動一個間距?？傻贸瞿獱枟l紋的間距與