,第4章 光电式传感器,4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电码盘 4.3 电荷耦合器件 4.4 光纤传感器 4.5 光栅传感器,4.1 光电效应和光电器件,外光电效应: 在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象。如光电管、光电倍增管 内光电效应: 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等属于这类光电器件。 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,光电效应和光电器件,4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用,真空光电管的伏安特性 充气光电管的伏安特性,充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 区别：在玻璃泡内充以少量的惰性气体 缺点：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,412 光电倍增管,在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极,光电倍增管的结构 与工作原理,光电阴极光电倍增极阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高 阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射 二次电子发射系数 =二次发射电子树入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为n,413 光敏电阻,1. 光敏电阻的工作原理及结构 2光敏电阻的主要参数 3光敏电阻的基本特性,1. 光敏电阻的工作原理及结构,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,1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线,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。,光敏电阻的结构,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，提高了光敏电阻的灵敏度。,灵敏度高，光谱特性好，光谱响应从紫外区一直到红外区。 而且体积小、重量轻、性能稳定,梳状电极,2 光敏电阻的主要参数,（1）暗电阻和暗电流 光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。 （2）亮电阻 光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。 （3）光电流 亮电流与暗电流之差，称为光电流。,3光敏电阻的基本特性,（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性,（1）伏安特性,在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,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,光敏电阻的光电流与光强之间的关系,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,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。,光敏电阻的频率特性,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。,硫化镉光敏电阻的温度特性,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。,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管,1 工作原理 2 基本特性,1 工作原理,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,光敏二极管,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。,2 基本特性,（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应,入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降,硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性,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。,（1）光谱特性,（2）伏安特性,硅光敏管的伏安特性,（3）光照特性,硅光敏管的光照特性,光敏二极管的光照特性曲线的线性较好,（4）温度特性,其暗电流及光电流与温度的关系,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,硅光敏晶体管的频率响应,415 光电池,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 2基本特性,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 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性,（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,光电池的短路电流,外接负载电阻相对于它的内阻来说很小情况下的电流值。,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,指输出电流随调制光频率变化的关系,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,硅光电池的温度特性(照度1000lx),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,(5)稳定性,416 光电式传感器的应用,模拟式传感器 脉冲式传感器,1 模拟式光电传感器,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,1物镜；2平面玻璃；3光阑；4光导棒；5分光镜； 6滤光片；7硅光电池；8滤光片；9硅光电池； 10瞄准反射镜；11圆柱反射镜；12目镜；13多夫棱镜 14、15硅光电池负载电阻；16可逆电机；17电子电位差计22,2 脉冲式光电传感器,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,4.2 光电码盘,数字式传感器: 把输入量转换成数字量输出 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，能避免 在读标尺和曲线图时产生的人为误差，便于用 计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE) 角度数字编码器（码盘）或直线位移编码器（码尺） 原理分类：电触式、电容式、感应式和光电式等,4.2 光电码盘,4.2.1 工作原理 4.2.2 码盘和码制 4.2.3 二进制码与循环码的转换 4.2.4 应 用,4.2.1 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。,1光源 2柱面镜 3码盘 4狭缝 5元件,4.2.2 码盘和码制,6位二进制码盘,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。,二进制码盘主要特点：,（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，称其容量为2n， 其最小分辨力136002n，它的最外圈角节距为21； （2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为： （3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jK)应同时变化。,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。,(a) 四位二进制码盘展开图 (b) 采用双读数头消除粗大误差的示意图,(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。,六位的循环码码盘,4.2.3 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,循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码。,单盘与多盘编码器:,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。 采用几个码盘通过机械传动装置连成一起的码盘组，则可大大提高分辨率，而且可以用来测定转速。,光学码盘测角仪的原理图 1光源 2大孔径非球面聚光镜 3码盘 4狭缝 5光电元件,4.2.4 应用,脉冲当量变换,编码器的分辨力所代表的角度不是整齐的数，显示器总是希望以度、分、秒来表示，为此需要使用脉冲当量变换电路。,4.3 电荷耦合器件,电荷耦合器件（Charge Couple Device， 简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号, 基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量, 尤其适用于图像识别技术。,在MOS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 若所转移的电荷通过外界得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。,4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理 4.3.2 CCD图像传感器 4.3.3 图像传感器的应用,4.3 电荷耦合器件,4.3.1 电荷耦合器件的结构和工作原理,1. MOS光敏单元的结构及原理,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2 (120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,有信号电荷的势阱,MOS的金属电极加正压，电极下的P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。,势阱：深耗尽条件