光电式传感器

光电效应和光电器件

光电式传感器

• 工作原理：把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。

光电效应

• 物理学中认为光是由分离的能团——光子组成
  
  • 波
  • 粒子
• 能量：
• 所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应
• 根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子，因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必须大于该物质表面的逸出功A0，即

光电管

• 外光电效应（光电发射型）
  
  • 在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。
  • 如光电管、光电倍增管
• 当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流。
• 真空光电管的伏安特性
• 充气光电管的伏安特性
  
  • 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高.
  • 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体
  • 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差

光电倍增管

• 放大光电流
• 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极

光敏电阻

• 内光电效应（光电导型）
  
  • 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等
• 工作原理
  
  • 当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小
  • 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加
• 结构
  
  • 半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。
  • 光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装在带有玻璃的壳体中。
• 基本特性
  
  • （1）伏安特性
    
    • 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；
    • 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。
    • 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，
    • 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
  • （2）光照特性
    
    • 由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。
  • （3）光谱特性
    
    • 光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
  • （4）响应时间和频率特性
    
    • 响应时间
      
      • 光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后。
      • 通常用响应时间t表示
    • 频率特性
      
      • 不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它们的频率特性也就不尽相同
  • （5）温度特性
    
    • 光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都下降。
    • 温度系数:
    • 在一定光照下，温度每变化1℃，光敏电阻阻值的平均变化率
  • 温度对光谱特性影响
    
    • 随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此，采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应

光敏二极管和光敏晶体管

• 光敏二极管
  
  • 结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的
• 光敏晶体管
  
  • 与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大
• （1）光谱特性
  
  • 入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
  • 可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。
  • 在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。
• （2）伏安特性
• （3）光照特性
  
  • 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
• （4）温度特性
  
  • 温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
• （5）频率响应
  
  • 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系

光电池

• 阻挡层光电效应（光生伏特效应）
  
  • 在光线作用下能使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池、光敏晶体管等
• 有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件就不再需要外加电源。
• 1. 工作原理
     
     • 直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两端产生电动势(p区为正，n区为负) 。
     • 用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电路断开，就可以测出光生电动势。
• 2．基本特性
  
  • (1) 光谱特性
    
    • 光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
  • (2) 光照特性
    
    • 不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的
    • 短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的光电池作为测量元件使用时，应把它当作电流源的形式来使用
    • 负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
  • (3) 频率响应
    
    • 硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
  • (4) 温度特性
    
    • 开路电压和短路电流随温度变化的关系
    • 关系到应用光电池的仪器的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要指标
  • (5) 稳定性
    
    • 当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光电池的性能是相当稳定的
    • 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
    • 影响性能和寿命因素
      
      • 光电池的材料及制造工艺
      • 使用环境条件

光电式传感器的应用

• 模拟式传感器
  
  • 基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通量的函数
  • 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化，这样光电流就成为被测非电量的函数。
  • 光电比色高温计
• 脉冲式传感器
  
  • 光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通”与“断”的开关状态
  • 光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。
  • 光电式数字转速表

光电码盘

工作原理

• 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件

码盘和码制

• 根据码盘的起始和终止位置就可确定转角，与转动的中间过程无关。
• 二进制码盘的粗大误差及消除
  
  • 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差
  • 消除粗大误差方法
    
    • 双读数头法，循环码代替二进制码
      
      • 双读数头的缺点是读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时，光电元件安装位置也有困难
      • (1)n位循环码码盘具有2n种不同编码；
      • (2)循环码码盘具有轴对称性，其最高位相反，其余各位相同；
      • (3)循环码为无权码；
      • (4)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。

二进制码与循环码的转换

• 4位二进制码与循环码的对照表
• 二进制码转换为循环码的电路
  
  • (a) 并行变换电路
  • (b)串行变换电路
• 循环码转变为二进制码的电路
  
  • (a) 并行变换电路
  • (b)串行变换电路
• 单盘编码器
  
  • 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便。但当位数要求增多的情况下，若要求具有很高的分辨力，则制造困难，圆盘直径也要大

应用

• 光学码盘测角仪
• 编码器

电荷耦合器件

在MOS（Metal Oxide Semiconductor）电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。

图像传感器

• 转移的信号电荷是由光像照射产生

电荷耦合器件的结构和工作原理

• CCD是一种半导体器件
• 平带条件下的能带
  
  • 当MOS电容的极板上无外加电压时，在理想情况下，半导体从体内到表面处是电中性的，因而能带(代表电子的能量)从表面到内部是平的
• 加上正电压MOS电容的能带
  
  • (a)栅压UG较小时，MOS电容器处于耗尽状态。
  • (b)栅压UG增大到开启电压 Uth时 ,半导体表面的费米能级 高于禁带中央能极, 半导体表面上的电子层称为反型层。
• 有信号电荷的势阱
  
  • 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
  • 势阱
    
    • 深耗尽条件下的表面势
  • 势阱填满
    
    • 电子在半导体表面堆积后使平面势下降
• 信号电荷转移
  
  • CCD的基本功能是存储与转移信息电荷
  • 为实现信号电荷的转换
    
    • 1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。
    • 2、控制相邻MOC电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。
    • 3、在CCD中电荷的转移必须按照确定的方向。
• 定向转移的实现
  
  • 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS电荷为一单元的无限循环结构。每一单元称为一位，将每—位中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上，此共同电极称相线。一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般来说即为CCD的位数。
  • 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为二相、三相、四相。
  • 当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转移。
• CCD电荷的产生方式
  
  • 电压信号注入
    
    • CCD在用作信号处理或存储器件时，电荷输入采用电注入。 CCD通过输入结构对信号电压或电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷
  • 光信号注入
    
    • CCD在用作图像传感时，信号电荷由光生载流子得到，即光注入 。电极下收集的电荷大小取决于照射光的强度和照射时间
• CCD的信号输出结构

CCD图像传感器

• 利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。
• 由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。
• 线列和面阵
• CCD线列图像器件
• 面型固态图像传感器

图像传感器的应用

• 1．尺寸测量
• 2． 用于光学文字识别装置

光纤传感器

光纤传感优点

• 灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性

应用

• 磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量

光导纤维的结构和导光原理

• 圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率（n2

光导纤维的主要参数

• 1. 数值孔径（NA）
     
     • 反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能
     • 意义：无论光源发射功率有多大，只有2θi张角之内的光功率能被光纤接受传播
• 1. 光纤模式
     
     • 按传输模式分为单模光纤和多模光纤
• 1. 传播损耗
     
     • 损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响

光纤传感器结构原理

• 光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。

光纤传感器的分类

• 光纤在传感器中的作用
  
  • 功能型
    
    • 光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制
    • 优点
      
      • 结构紧凑、灵敏度高
    • 缺点
      
      • 须用特殊光纤，成本高
    • 典型例子
      
      • 光纤陀螺、光纤水听器等
  • 非功能型
    
    • 光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制
    • 优点
      
      • 无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低
    • 缺点
      
      • 灵敏度较低
  • 拾光型
    
    • 用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光
    • 典型例子
      
      • 光纤激光多普勒速度计
      • 辐射式光纤温度传感器
• 光受被测量调制的形式
  
  • (a) 强度调制型光纤传感器
    
    • 利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器
    • 应用
      
      • 压力、振动、位移、气体
    • 优点
      
      • 结构简单、容易实现、成本低
    • 缺点
      
      • 易受光源波动和连接器损耗变化等的影响
  • (b) 偏振调制光纤传感器
    
    • 利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息
    • 应用
      
      • 电流、磁场传感器：法拉第效应
      • 电场、电压传感器：泡克尔斯效应
      • 压力、振动或声传感器：光弹效应
      • 温度、压力、振动传感器：双折射性
    • 优点
      
      • 可避免光源强度变化的影响，灵敏度高
  • (c) 频率调制光纤传感器
    
    • 被测对象引起的光频率的变化来进行监测
    • 利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；
    • 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器；
    • 利用光致发光的温度传感器等
  • (d) 相位调制传感器
    
    • 被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息
    • 利用光弹效应的声、压力或振动传感器；
    • 利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）
    • 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器；
    • 利用电致伸缩的电场、电压传感器
    • 优点
      
      • 灵敏度很高
    • 缺点
      
      • 特殊光纤及高精度检测系统，成本高
• 光纤传感器中对光信号的检测方法不同

光纤传感器的特点

• （1）电绝缘。
• （2）抗电磁干扰。
• （3）非侵入性。
• （4）高灵敏度。
• （5）容易实现对被测信号的远距离监控。

光纤传感器的应用

• 强度调制型
  
  • 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术
• 相位调制型
  
  • 利用光纤本身作为敏感元件
• 偏振调制型
  
  • 主要是利用晶体的光弹性效应

光栅传感器

光栅

• 在玻璃尺（或金属尺）或玻璃盘上进行长刻线的密集刻划，得到间隔很小的黑白相间的条纹，没有刻划的地方透光（或反光），刻划的发黑处不透光（或不反光），这就是光栅，其中刻线称为栅线

莫尔条纹形成的原理

莫尔条纹技术的特点

• 莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅的移动量、移动方向具有对应关系。
• 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。
• 光栅传感器的结构
  
  • 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成
• 光电元件
  
  • 包括有光电池和光敏三极管等部分。
  • 在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。
  • 在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。

光栅的光路

• 透射光路
  
  • 特点：结构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛
  • 此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅
• 反射光路
  
  • 该光路适用于黑白反射光栅。

辨向原理

• 单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因而就不能判别运动零件的运动方向，以致不能正确测量位移。
• 如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时可从已累加的脉冲数中减去反向移动的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。
• 辨向光路设置
• 辨向电路

细分技术

• 提高分辨力方法
  
  • 在选择合适的光栅栅距的前提下，以对栅距进行测微，电子学中称“细分”，来得到所需的最小读数值
• 细分就是在莫尔条纹变化一周期时，不只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，以减小脉冲当量提高分辨力。
• 直接细分
  
  • 直接细分又称位置细分，常用的细分数为4。四细分可用4个依次相距的光电元件，在莫尔条纹的一个周期内将产生4个计数脉冲，实现了四细分。
  • 优点
    
    • 对莫尔条纹信号波形要求不严格，电路简单，可用于静态和动态测量系统
  • 缺点
    
    • 光电元件安放困难，细分数不能太高
• 电阻电桥细分法（矢量和法）
• 电阻链细分法（电阻分割法）