機械工程測試技術(shù)（第3版）課件：光電檢測技術(shù)

光電檢測技術(shù)√光電檢測技術(shù)本章內(nèi)容光電檢測器工作原理及其性能典型光電檢測方法及測量系統(tǒng)固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用光纖傳感器測量技術(shù)6.1光電檢測器的工作原理與性能6.1光電檢測器的工作原理

基于光電子元件的光電效應(yīng)。1.光電效應(yīng)

當(dāng)具有一定能量的光子投射到某些物質(zhì)表面時，具有輻射能量的微粒將透過受光物質(zhì)的表面層，賦予這些物質(zhì)的電子以附加能量，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。如：光電管光電倍增管如：光敏電阻光敏二極管光敏三極管如：光電池2.光電檢測器（光電子元件）的工作原理（1）光電管的工作原理——外光電效應(yīng)球形或圓柱形玻璃殼抽成真空球面內(nèi)或圓柱面內(nèi)涂一層光電材料作為陰極球心或圓柱中心放置金屬絲作為陽極光照射到陰極光電材料表面陰極電子逸出表面形成電子發(fā)射電子被陽極吸引

產(chǎn)生電流必須在陰極與陽極之間加上電勢，使陽極的電位高于陰極6.1光電檢測器的工作原理與性能（2）光電倍增管工作原理——外光電效應(yīng)C為光電發(fā)射陰極、A為光電收集陽極D1、D2、D3是倍增極，由較高靈敏度和具有二次發(fā)射系數(shù)材料構(gòu)成各級之間依次加有逐漸增高的正電壓，不斷使電子加速二次發(fā)射得到倍增放大，收集后作為信號輸出特點：將微弱的光信號轉(zhuǎn)換成可測電信號

需要外加偏置電壓才能逐級升高電壓應(yīng)用：可探測紫外、可見和近紅外區(qū)，具有極高的靈敏度和極低的噪聲6.1光電檢測器的工作原理與性能（3）光敏電阻工作原理——內(nèi)光電效應(yīng)原理：半導(dǎo)體材料的電阻隨光照強度的增大而減小光敏電阻的兩端加上偏置電壓后，產(chǎn)生電流當(dāng)入射光的光學(xué)參數(shù)變化光敏電阻的阻值變化相應(yīng)的電流也會發(fā)生變化根據(jù)電流大小判斷入射光強度6.1光電檢測器的工作原理與性能光敏電阻在不受光照時的阻值稱“暗電阻”，暗電阻越大越好，一般是兆歐數(shù)量級；光敏電阻在受光照時的阻值稱“亮電阻”，亮電阻越小越好，一般為千歐數(shù)量級1.光照特性：一般光敏電阻的光照特性呈非線性；因此，光敏電阻常用在開關(guān)電路中作光電信號變換器2.靈敏度：光敏電阻對于不同波長的入射光的靈敏度不同；

硫化鎘、硒化鎘適用于可見光（0.4-0.75μm)

硫化鉛、硒化鉛適用于紅外光（波長大于可見光）6.1光電檢測器的工作原理與性能（4）光敏二極管工作原理——內(nèi)光電效應(yīng)結(jié)構(gòu)：由一個PN結(jié)組成的半導(dǎo)體器件，單方向?qū)щ娞匦栽恚?/p>

入射光照射在內(nèi)部PN結(jié)管芯，PN結(jié)具有單向?qū)щ娦?；?dāng)無光照時，電路中有很小的反向飽和漏電流，此時相當(dāng)于光敏二極管截止；當(dāng)有光照射時，PN結(jié)區(qū)域受光子的轟擊，部分電子掙脫共價鍵，產(chǎn)生光生載流子；

載流子在反向電壓作用下移動，使反向飽和漏電流大大增加，稱為光電流6.1光電檢測器的工作原理與性能（5）光敏三極管又稱光電三極管工作原理——內(nèi)光電效應(yīng)結(jié)構(gòu)：兩個PN結(jié)，具有電流增益，比光敏二極管靈敏度高。原理：當(dāng)光線透過光孔照到發(fā)射極和基極之間的PN結(jié)時，能獲得較大的集電極電流輸出；輸出電流的大小隨光照強度的增強而增加。6.1光電檢測器的工作原理與性能（6）光電池工作原理——內(nèi)光電效應(yīng)結(jié)構(gòu)：光電池有一個大面積的PN結(jié)；原理：當(dāng)光線照射到PN結(jié)上時，被激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被激發(fā)的

空穴移向P區(qū)外側(cè)，便在PN結(jié)兩端出現(xiàn)電動勢。

光電池是一種不需要加偏壓就能把光能轉(zhuǎn)換成電能的元件這種因光照而產(chǎn)生電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)6.1光電檢測器的工作原理與性能光電池的短路電流與光照強度呈線性關(guān)系，因此，應(yīng)用中常用作電流源。3.光電檢測器性能比較6.1光電檢測器的工作原理與性能選用原則：光電檢測器與輻射信號源及光學(xué)系統(tǒng)的光譜特性相匹配光電檢測器與入射輻射能量相匹配（靈敏度、感光面空間位置）響應(yīng)特性與光信號的調(diào)制形式、信號頻率及波形相匹配與輸入電路以及后續(xù)電路在電特性上相互匹配可測量的物理量：轉(zhuǎn)速，形狀，信號隔離器，開關(guān)量等光電元件共性特征:

(1)每種光電元件均有其自身的光譜特性（適用波長）；

(2)光學(xué)與電學(xué)性質(zhì)受溫度影響很大。(3)光電元件的電信號可達mA

級。（4）非接觸測量，適應(yīng)環(huán)境能力強。6.1光電檢測器的工作原理與性能6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用6.2典型光電檢測方法及測量系統(tǒng)需要可以產(chǎn)生光信號的光源（光載波），才可把被測信號加載于光載波以便測量。兩類光源可作為發(fā)光器件：非相干光源、相干光源根據(jù)光電變換中光的調(diào)制方式不同，分兩類光電測量系統(tǒng)非相干光電測量系統(tǒng)相干光電測量系統(tǒng)1.光源及其特性相干光源的波長范圍極窄，近單色光源——激光非相干光源是除激光光源以外的其他光源（1）非相干光源熱輻射光源（白熾燈、鹵鎢燈等）氣體放電光源（汞燈、脈沖氙燈等）固體發(fā)光光源（發(fā)光二極管）在測試系統(tǒng)中，發(fā)光二極管廣泛使用。6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用發(fā)光二極管的原理：是一種半導(dǎo)體光源。PN結(jié)上未加電壓時構(gòu)成一定的勢壘加上正向偏壓時，P區(qū)的空穴和N區(qū)的電子就向?qū)Ψ綌U散運動，構(gòu)成少數(shù)載流子的注入，從而在PN結(jié)附近產(chǎn)生電子和空穴的復(fù)合一個電子和一個空穴每一次復(fù)合，將釋放出一定能量，該能量會以熱能、光能的形式輻射出來特點：發(fā)光二極管可利用交流供電或脈沖供電獲得調(diào)制光或脈沖光，調(diào)制頻率可達到幾十兆赫6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用（2）相干光源——激光器按工作物質(zhì)的不同分為：氣體激光器、固體激光器、半導(dǎo)體激光器等；按工作方式分為：連續(xù)工作激光器、脈沖工作激光器；按工作波長范圍分為：紫外光激光器、可見光激光器、紅外激光器等。特點：激光具有很好的單色性、高亮度、方向性、相干性以及隨時間、空間的可聚焦性6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用組成:泵浦源、工作物質(zhì)、諧振腔原理:泵浦源提供外界能量（輻射源或電源），使工作物質(zhì)的粒子從低能態(tài)激發(fā)到高能態(tài)，受激粒子躍遷到更高軌道后最終回到基態(tài)，會以光子的形式釋放能量，輻射光子在諧振腔內(nèi)產(chǎn)生光學(xué)正反饋，諧振腔的作用是選擇頻率一定、方向一致的光作最優(yōu)先的放大，而把其他頻率和方向的光加以抑制，從而形成激光。非相干光電檢測和相干光電檢測技術(shù)的特點比較

非相干光電檢測技術(shù)相干光電檢測技術(shù)光源各種光源（含激光）非相干光源或相干光源激光相干光源檢測的基本特點利用光源出射光束的強度來攜帶被測信息利用激光光波的振幅、頻率、相位來攜帶被測信息6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用2.非相干光電檢測方法及應(yīng)用1）檢測方法被測機械量調(diào)制了光載波（光源），形成待測光將待測光信號直接入射到光電檢測器件光敏元件上光電檢測器件輸出的電流或電壓與光信號的輻射強度有關(guān)特點：普通光源，不需要穩(wěn)定的激光頻率光路設(shè)計上也不需要精準的準直簡單而又實用的測量方法6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用2）應(yīng)用（1）轉(zhuǎn)速測量12345678反射式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)光敏三極管4上輸出與轉(zhuǎn)速成比例的電脈沖信號，其脈沖頻率正比于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和白色條紋的數(shù)目透射式轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)光敏元件1上測得的脈沖信號的頻率正比于轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速和多孔圓盤的透光孔數(shù)優(yōu)點：測速范圍寬，可達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)非接觸測量，對被測軸無影響與磁電式測速比較？6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用（2）脈沖編碼器——透射式光電檢測裝置一種旋轉(zhuǎn)式脈沖發(fā)生器，能將機械轉(zhuǎn)角變換成電脈沖，通過對電脈沖頻率的計數(shù)來檢測機械的角位移和旋轉(zhuǎn)速度組成：光源、碼盤、光電元件增量式脈沖編碼器絕對式脈沖編碼器

將角位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示角位移的大小

每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用碼盤兩側(cè)分別是光源和光敏元件碼道由透光與不透光的扇區(qū)交叉構(gòu)成碼道數(shù)就是所在碼盤的二進制數(shù)碼位數(shù)6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用（3）光柵測位移

原理：基于莫爾現(xiàn)象構(gòu)成：主光柵、指示光柵原理：兩光柵有相對運動時，在垂直于光柵運動方向產(chǎn)生明暗相間的條紋移動光柵測量機床運動部件位移：指示光柵4固定在機床固定零件上，主光柵3則安裝在機床的移動零件上。零件移動的距離由指示光柵和主光柵形成的莫爾條紋由光敏元件5測量計數(shù)得到。

可利用電子學(xué)方法把莫爾條紋的一個周期進行細分，從而可以讀出小數(shù)部分

，使系統(tǒng)的分辨率提高。左圖為四倍頻細分透鏡讀數(shù)頭：四個聚光鏡、四個光敏二極管，相位相差90o。特點：（1）對應(yīng)關(guān)系：光柵橫向移動一個節(jié)距，莫爾條紋上下移動一個節(jié)距

（2）放大關(guān)系：莫爾條紋節(jié)距大于光柵節(jié)距，便于測量

（3）減小誤差：莫爾條紋是由多根刻線組成，使柵距誤差得到平均（4）表面粗糙度測量從光源1發(fā)出的光經(jīng)過被測工件3的表面反射,由光電元件5接收當(dāng)被測工件表面有缺陷或粗糙度精度較低時，反射到光電元件上的光通量變小，轉(zhuǎn)換成的光電流就小從光源1發(fā)出的光透過被測工件2的孔或狹縫后,由光電元件3接收被測孔徑或狹縫尺寸變化時，照到光電元件上的光通量隨之變化，轉(zhuǎn)換成的光電流大小由被測孔徑大小決定能否檢測外徑？（5）孔徑測量6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用（6）光電耦合器將發(fā)光元件與接受光信號的光敏元件封裝為一體而構(gòu)成電－光－電轉(zhuǎn)換的器件加到發(fā)光器件上的電信號為耦合器的輸入信號，光敏元件的輸出信號為耦合器的輸出信號無機械觸點、噪音低、執(zhí)行動作快、體積小、壽命長通過光信號的傳遞來實現(xiàn)輸入與輸出間電隔離隔離器左邊輸入端為發(fā)光二極管，一般只需10mA左右的輸入電流就可發(fā)出足夠的光，使光電隔離器右邊光敏三極管受光導(dǎo)通一般光敏三極管可輸出幾十毫安的電流，從而驅(qū)動負載6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用3.

相干光電檢測方法及應(yīng)用1）檢測方法只有采用相干性好的激光器作為光源才能實現(xiàn)利用光的相干性對光載波所攜帶的信息進行檢測和處理大多數(shù)情況下利用光的干涉現(xiàn)象，將光的振幅、頻率、相位的變化最終都轉(zhuǎn)換為光強度的變化進行檢測相干檢測技術(shù)具有更高的測量靈敏度和測試精度由于激光受大氣湍流效應(yīng)影響嚴重，破壞了激光的相干性，因而目前遠距離相干測量應(yīng)用受到限制6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用2）應(yīng)用（1）激光干涉測距儀原理：通過測定檢測光與參考光的相位差所形成的干涉條紋數(shù)目而測得物體的長度測長10m時，誤差約為0.5μm.可用于精密長度測量，如線紋尺、光柵的檢定等工作臺移動距離為：λ為激光波長；n為空氣折射率；N為條紋變化次數(shù)6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用

工作臺帶動反射鏡

移動，使得檢測光的光程發(fā)生變化，形成干涉條紋。

反射鏡每移動半個光波波長時，明暗條紋變化一次，其變化次數(shù)由計數(shù)器計數(shù)。激光干涉法測振仍然是以相干測量為基礎(chǔ)，通過計算干涉條紋數(shù)的變化來測量振幅。振動一周，工作臺來回變化4Am，對應(yīng)的條紋變化次數(shù)為N，振幅為：激光干涉測振儀測量準確度主要決定于計數(shù)準確度。主要用于機械振動測量，并已定為各國振動的國家計量基準。GZ-1型激光干涉儀激光器參考鏡振動臺分光鏡光電倍增管放大器功率放大器信號發(fā)生器計數(shù)器測量鏡輸出（2）激光干涉測振儀ffc6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用（3）激光多普勒測速儀光學(xué)多普勒效應(yīng)：當(dāng)激光照射到運動的物體時，被物體反射或散射的光的頻率將發(fā)生變化，其頻率的變化量為離子運動導(dǎo)致光散射，使接收的激光發(fā)生移頻分辨率很高，激光測速儀在時速為100km/s時，測量精度可達0.8％在航空航天、熱物理工程、環(huán)保工程以及機械運動測量等方面得到廣泛應(yīng)用6.2典型光電檢測方法及系統(tǒng)應(yīng)用6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用1.構(gòu)成核心部分：電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice，簡稱CCD)CCD是由以陣列形式排列在襯底材料上的金屬—氧化物—半導(dǎo)體(MetalOxideSemiconductor，簡稱MOS)電容器件組成CCD功能：光生電荷、積蓄電荷、轉(zhuǎn)移電荷2.測量原理1）電荷的生成

CCD每一個陣列單元是一種光電傳感器，在光照射下，光子進入P型Si襯底，生成光生載流子——電子電荷。2)積蓄電荷

電荷與光照強度及積蓄時間成正比。3）電荷的轉(zhuǎn)移假定開始時一些電荷存儲在電壓為10V的第二個電極下面的深勢阱里，其他電極上均加有小于閾值的低電壓2V6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用

到達某時刻后，第二個電極仍保持為10V，第三個電極上的電壓由2V變?yōu)?0V，這兩個靠得很緊的勢阱將合并。

原先第二個電極勢阱中的電荷將與新的勢阱共有。

如果繼續(xù)控制電壓，令第二個電極上的電壓下降到2V，則共有的電荷轉(zhuǎn)移到第三個電極下的勢井中。以此類推，就可以把電荷按照一定順序轉(zhuǎn)移出去。圖示為一個線型傳感器：1728個光敏二極管作為感光像素位于傳感器中央，兩側(cè)設(shè)置CCD轉(zhuǎn)移寄存器，寄存器上面覆以遮光物奇數(shù)號位的光敏二極管的信號電荷移往下側(cè)的寄存器；偶數(shù)號位的信號電荷則移往上側(cè)的寄存器再以輸出控制柵驅(qū)動CCD轉(zhuǎn)移寄存器，把信號電荷經(jīng)公共輸出端，從光敏二極管PD上依次讀出固態(tài)圖像傳感器按其像素排列分為線型、面型或圓型等線型：1024、1728、2048、4096像素面型：32×32，100×100，320×244，490×400像素6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用

3.固態(tài)圖像傳感器特點及應(yīng)用

特點工作介質(zhì)是光線，非接觸、遠距離測量小型、質(zhì)輕、高速、高靈敏、高穩(wěn)定性、高壽命可在危險地點或人不易到達場所測量應(yīng)用圖像檢測——照相、攝像、傳真、文字識別、圖像識別物體檢測——有/無、形狀、尺寸、位置1）熱軋鋁板寬度的自動檢測熱軋鋁板寬度自動檢測原理圖

兩個CCD線型傳感器1和2分別測知L1、L2，已知Lm

可求寬度LCCD傳感器3接收反射的激光信號，用于補償板厚變化造成的測量誤差。可在線實時自動測量，測量精度可達板寬（2m）的土0.025％6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用（2）二維零件尺寸的在線檢測零件在生產(chǎn)線上傳輸CCD傳感器逐行掃過零件的整個面積零件輪廓形狀轉(zhuǎn)換成逐行數(shù)據(jù)進行存儲存儲的數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后最終可重構(gòu)出零件的輪廓形狀計算出零件的各部分尺寸前提條件是傳送帶與零件之間有明顯的光照對比度6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用（3）工件的無損檢測利用X光與CCD結(jié)合進行焊縫質(zhì)量檢測原理：X光穿透被測件，投射到X光增強器的陰極上；經(jīng)過X光增強器產(chǎn)生的可見光圖像為CCD所攝取，變成視頻信號；視頻信號經(jīng)采集板采集并轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送入計算機系統(tǒng)。計算機系統(tǒng)將送入的信號數(shù)據(jù)(含形狀、尺寸、均勻性等數(shù)據(jù))與原來存儲在計算機系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)比較，可檢測出被測件相關(guān)信息6.3固態(tài)圖像傳感器及其應(yīng)用6.4光纖傳感器測量技術(shù)光纖特點信息傳輸量大靈敏度高、抗干擾性強體積小、可彎曲、極易接近被測對象、可非接觸測量

耐高壓、耐腐蝕測量對象位移、溫度、壓力、速度、加速度、液面、流量

纖芯5~75μm1.光纖結(jié)構(gòu)：纖芯：摻雜二氧化硅，5~75μm包層:純二氧化硅，100~200μm涂敷層：硅銅，增加機械強度護套：尼龍，保護作用6.4光纖傳感器測量技術(shù)

2.光纖傳光原理光線進入光纖后，當(dāng)射到光纖的內(nèi)包層界面時，當(dāng)入射角滿足全反射條件，光線將在纖芯和包層的界面上不斷地產(chǎn)生全反射而向前傳播。傳播途徑始終在同一平面內(nèi)，通常稱為子午平面36NA值應(yīng)該大還是應(yīng)該?。縉A愈大，光纖的集光能力愈強。NA定義為“數(shù)值孔徑”，它是衡量光纖集光性能的一個主要參數(shù)。NA值僅由光纖纖芯與包層的折射率所決定。根據(jù)折射定律，可得全反射臨界入射角：6.4光纖傳感器測量技術(shù)3．光纖傳感器工作原理及分類（1）光纖傳感器工作原理將光源的光經(jīng)光纖送入調(diào)制區(qū)內(nèi)，通過光與被測對象的相互作用，將被測量的信息傳遞到光纖內(nèi)的光波中，或?qū)⑿畔⒓虞d于光波之上，簡稱光調(diào)制光調(diào)制可分為：強度調(diào)制、相位調(diào)制、偏振調(diào)制、頻率調(diào)制和光譜調(diào)制等檢測同一物理量可以利用多種光調(diào)制技術(shù)來實現(xiàn)光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)換成光的強度變化，然后由光電檢測器進行檢測。6.4光纖傳感器測量技術(shù)傳光型光纖傳感器中，光纖僅作為傳播光的介質(zhì)，對外界信息的“感覺”功能是依靠其他功能元件來完成的傳光型光纖是不連續(xù)的傳感型光纖傳感器中，光纖不僅起傳光的作用，而且還在外界因素作用下，通過改變其光學(xué)特性（如光強、相位、偏振態(tài)等）來實現(xiàn)傳感的功能。傳感器中光纖是連續(xù)的（2）光纖傳感器分類：

傳光型（或稱非功能型）和傳感型