傳感器原理與應(yīng)用-光電式課件

1、現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用Modern Transducers2022/8/291現(xiàn)代傳感器 光電式傳感器 光纖式傳感器 數(shù)字式傳感器 波與射線傳感器 其他新型傳感器2022/8/292應(yīng)用示例：光電式煙霧報警器 光電式傳感器圖5.1 光電煙塵濃度報警器(a) 透射式(b) 反射式2022/8/293光電式傳感器(Photoelectric Sensor)是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器的總稱。光電傳感器可以用來測量直接引起光量變化的其他非電量；也可用來測量能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。概 述2022/8/295 電參量/電量導(dǎo)線概 述傳統(tǒng)電測傳感器與光電式傳感器的區(qū)別：光電傳感器的特征是以光電器件

2、作為轉(zhuǎn)換元件。因此，采用光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器就統(tǒng)稱為光電式傳感器。被測量敏感元件電參量/電量轉(zhuǎn)換元件導(dǎo)線實際物體或機(jī)械系統(tǒng)非電物理量被測量被測對象/光調(diào)制器被測介質(zhì)、空氣或光導(dǎo)纖維光信號傳統(tǒng)電測傳感器：光電式傳感器：光電器件各種實現(xiàn)機(jī)-電轉(zhuǎn)換傳感器各種實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換傳感器2022/8/296概 述調(diào)制(Modulation)：使一個信號（載波）的某些參數(shù)在另一信號（調(diào)制信號）的控制下發(fā)生變化的過程，稱為調(diào)制。光調(diào)制：使載波光波的參數(shù)隨外加信號變化而變化的過程。光調(diào)制過程就是將一攜帶信息的信號疊加在載波光波上，完成這一過程的器件叫做調(diào)制器。解調(diào)(Demodulation)：從已調(diào)制波中恢

3、復(fù)出調(diào)制信號的過程，稱為解調(diào)。光的解調(diào)：光的解調(diào)過程通常是將載波光攜帶的信號轉(zhuǎn)換成光強(qiáng)度變化，然后由光電器件進(jìn)行檢測。光調(diào)制技術(shù)包括光強(qiáng)度調(diào)制、光頻率或波長調(diào)制、光相位調(diào)制和光偏振態(tài)調(diào)制。其中光強(qiáng)度調(diào)制是最常用的調(diào)制技術(shù)。2022/8/297光電式傳感器的一般主要包括：光源、光通路、光電器件和測量電路四個部分。 光電傳感器的組成測量電路光源光通路光電器件被測量x1被測量x2光量電參量或電量光量電量輸出圖3.67 光電式傳感器的組成被測體或人造光源各種光調(diào)制器實現(xiàn)光-電轉(zhuǎn)換器件對光電器件輸出的電信號進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換2022/8/298光源 光電傳感器的組成熱輻射光源利用物體升溫產(chǎn)生光輻射的原理制成

4、的光源稱為熱輻射光源。例如鎢絲白熾燈和鹵鎢燈。 特點：光譜線較豐富，包含可見光與紅外光；發(fā)光效率低；發(fā)熱大；壽命短；易碎，電壓高，使用有一定的危險。氣體放電光源電流通過置于氣體中的兩個電極時，兩電極之間會放電發(fā)光，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源目前常用的有碳弧、低壓水銀弧、鈉弧、氙弧燈等。 氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)，改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。 特點：效率高，省電，功率大；含有豐富的紫外線和頻譜；容易污染環(huán)境，玻璃易碎，發(fā)光調(diào)制頻率較低。2022/8/2910光電器件光電傳感器的組成光

5、電器件的作用是將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。光電器件的基于光電效?yīng)工作的。光電效應(yīng)及其典型器件所謂光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后產(chǎn)生的電效應(yīng)。 光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)2022/8/2912光電器件光電傳感器的組成入射光陰極K第一倍增極第二倍增極第三倍增極第四倍增極陽極A光電效應(yīng)及其典型器件外光電效應(yīng)及器件光電倍增管（ Photoemissive Multiplier ）基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管和光電倍增管。光電管（ Photoemissive Cell ）2022/8/2914光電器件光電傳感器的組成內(nèi)光電效應(yīng)及器件內(nèi)光電效應(yīng)：在光線照射下，物體內(nèi)的電子不能逸出物體表

6、面，而使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng) 。2022/8/2915光電器件光電傳感器的組成內(nèi)光電效應(yīng)及器件光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件基于這種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。光敏電阻（ Photoresistor ）2022/8/2916圖5.8 光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu) 2022/8/2917光敏電阻 當(dāng)光敏電阻受到光照時，阻值減小。202

7、2/8/2918圖5.10 光敏二極管的結(jié)構(gòu)光敏二極管的結(jié)構(gòu) 2022/8/2920光電器件光電傳感器的組成內(nèi)光電效應(yīng)及器件光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction Effect ）及器件光敏三極管2022/8/2921光敏三極管外形 2022/8/2923光電器件光電傳感器的組成內(nèi)光電效應(yīng)及器件光生伏特效應(yīng)（ Photovoltaic Effect ）及器件光生伏特效應(yīng)是光照引起PN結(jié)（正向偏置PN結(jié)）兩端產(chǎn)生電動勢的效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件是光電池。光電池是自發(fā)電式有源器件，屬于能量轉(zhuǎn)換型、電壓輸出型傳感器。PN結(jié)電場光生電子-空穴對圖5.13 PN結(jié)光生伏特效應(yīng)原理圖2022/8

8、/2924光電池外形光敏面2022/8/2926能提供較大電流的大面積光電池外形2022/8/2927光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能電動機(jī)模型太陽能 硅光電池板2022/8/2928光電池在動力方面的應(yīng)用（續(xù)）光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2022/8/2930總結(jié)：光電效應(yīng)分類及其典型器件2022/8/2931光電器件光電傳感器的組成光電器件的性能參數(shù)光照特性光照特性是光電器件靈敏度的表征，它反映了光電器件輸入光量與輸出光電流(光電壓)之間的關(guān)系。光照特性常用響應(yīng)率（Response Rate）R來描述：2022/8/2932光電器件光電傳感器的組成光電器件的性能參數(shù)光譜特性光電器件光譜特

9、性是指相對靈敏度K與入射光波長之間的關(guān)系，又稱為光譜響應(yīng)。探測器件的性能常用峰值探測率D*表征，D*值大，噪聲等效功率小，光電器件性能好。 響應(yīng)時間光電器件的響應(yīng)時間反映它的動態(tài)特性。時間響應(yīng)小，表示動態(tài)特性好。對于采用調(diào)制光的光電傳感器，調(diào)制頻率上限受響應(yīng)時間的限制。 峰值探測率峰值探測率是表征光電器件噪聲水平的性能參數(shù)。2022/8/2933光電器件光電傳感器的組成光電器件的性能參數(shù)溫度特性溫度變化不僅影響光電器件的靈敏度，同時對光譜特性也有很大影響。在室溫條件下工作的光電器件由于靈敏度隨溫度而變，因此高精度檢測時有必要進(jìn)行溫度補(bǔ)償或使它在恒溫條件下工作。伏安特性在一定光照下，對光電器件所

10、加端電壓與光電流之間的關(guān)系為伏安特性。 2022/8/2934光電傳感器是非接觸式測量，根據(jù)輸出量的性質(zhì)可以將光電傳感器分成模擬式和脈沖式兩大類。模擬式光電傳感器測量原理模擬式光電傳感器的工作原理是基于光電元件的光電特性，其光子通量是隨著被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù)，故傳感器的輸出為連續(xù)變化的光電流。模擬式光電傳感器有透射式、反射式、遮光式和輻射式等幾種工作方式。光電傳感器及其應(yīng)用2022/8/2935模擬式光電傳感器(a) 吸收式光電傳感器及其應(yīng)用(c)光電器件光源 工件光源(b)光電器件 工件光電器件被測物(d)光源煙筒(a)光電器件(b) 反射式(c) 遮光式(d) 輻射式202

11、2/8/2936應(yīng)用案例：光電式邊緣位置檢測糾偏裝置圖5.19 光電式邊緣位置檢測糾偏裝置2022/8/2937脈沖式光電傳感器測量原理脈沖式光電傳感器利用光電器件受光照的“有”、“無”的兩種不同狀態(tài)，經(jīng)適當(dāng)?shù)恼{(diào)理電路輸出“通”、“斷”的開關(guān)信號。即將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號，又稱為開關(guān)式光電傳感器。光電傳感器及其應(yīng)用2022/8/2938光電開關(guān)的類型及應(yīng)用圖5.20 光電開關(guān)的類型及應(yīng)用2022/8/2939應(yīng)用案例(1)：光電數(shù)字轉(zhuǎn)速表2022/8/2940光電式轉(zhuǎn)速表測量原理圖5.22 反射式光電轉(zhuǎn)速表結(jié)構(gòu)及原理示意圖2022/8/2941應(yīng)用案例(2)：光電式物體運動速度檢測圖

12、5.23 光電式物體運動速度檢測原理圖速度v2022/8/2942位置敏感器件光位置敏感器件是利用光線檢測位置的光敏器件。當(dāng)光照射到硅光電二極管的某一位置時，則光電流I1/I2=R2/R1=x2/x1，故只要測出I1和I2便可求得光照射的位置。 新型光電器件(a)原理(b)結(jié)構(gòu)圖3.83 光平面位置檢測器圖3.82 光位置敏感器件原理圖x1x212R2R1 I1I2PN2022/8/2943固態(tài)圖像傳感器（solid image sensor ）圖像傳感器是電荷轉(zhuǎn)移器件與光敏陣列元件集為一體構(gòu)成的，具有自掃描功能的攝像器件。圖像傳感器從功能上說，它是一個能把受光面的光像分成許多小單元(稱為像元

13、)，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號，然后順序地輸送出去的器件。新型光電器件2022/8/2944固態(tài)圖像傳感器（ solid image sensor ）從構(gòu)造上說，圖像傳感器是一種小型固態(tài)集成元件，其核心是電荷轉(zhuǎn)移器件(Charge Transfer Device，CTD)，其中最常用的是電荷耦合器件(Charge Coupled Device，CCD)。CCD由陣列式排列在襯底上的金屬-氧化物-硅(Metal Oxide Semi-Conductor，簡稱MOS)電容器組成，它具有光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能。新型光電器件2022/8/2945固態(tài)圖像傳感器信號電荷的產(chǎn)生信號電荷的存儲新型光電器件

14、當(dāng)金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下P型硅區(qū)里空穴被排斥入地成耗盡區(qū)。對電子而言，是一勢能很低的區(qū)域，稱“勢阱”。當(dāng)有光線入射到硅片上時，光子作用下產(chǎn)生電子空穴對，空穴被電場作用排斥出耗盡區(qū)，而電子被附近勢阱（俘獲），此時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強(qiáng)度成正比。 信號電荷的轉(zhuǎn)移三相CCD的電荷在三相交疊驅(qū)動脈沖的作用下，能以一定的方向逐單元地轉(zhuǎn)移；CCD電極間隙必須很小，電荷才能不受阻礙地從一個電極下轉(zhuǎn)移到相鄰電極下。2022/8/2946固態(tài)圖像傳感器典型一維圖像傳感器由一列光敏單元和一列CCD(電荷轉(zhuǎn)移器件)并行構(gòu)成。新型光電器件光敏元與CCD之間有一轉(zhuǎn)移控制柵，其中CCD作為讀出移位寄存

15、器。在光照射下，光生少數(shù)載流子在光敏元（MOS電容）中積蓄。每個單元所積蓄的電荷量與該單元所接受到的光照度、電荷積蓄時間成正比。在光敏元接受光照一定時間之后，轉(zhuǎn)移控制柵打開，各光敏元所積蓄的電荷就并行地轉(zhuǎn)移到CCD讀出移位寄存器上，隨后控制柵關(guān)閉，光敏元立即開始下一次的光電荷積蓄。與此同時，上一次的一串電荷信號沿移位寄存器順序地轉(zhuǎn)移并在輸出端串行輸出。光敏元CCD轉(zhuǎn)移控制柵2022/8/2947固態(tài)圖像傳感器每個光敏元的光電荷量不僅含有光照度信息，而且還含有該單元位置的信息。因此，這種光敏元同時實現(xiàn)了光照度和位置的測量功能。CCD圖像傳感器按其像素的空間排列可分為兩大類：(1) 線性CCD。主要用于以為尺寸的自動檢測，如測量精確的位移量、空間尺寸等，也可以由線陣CCD通過附加的機(jī)械掃描，得到二維圖像，用以實現(xiàn)字符、圖像的識別。(2) 面陣CCD。主要用于實時攝像，如生產(chǎn)線上工件的裝配控制、可視電話以及空間遙感遙測，航空攝影等。新型光電器件2022/8/2948半導(dǎo)體色敏器件半導(dǎo)體色敏器件是基于半導(dǎo)體的內(nèi)光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕墓廨椛涮綔y器件 。半導(dǎo)體色敏器件則可用來直接測量從可見光到近紅外波段內(nèi)單色輻射的波長。結(jié)構(gòu)及工作原理：新型光電器件結(jié)構(gòu)：半導(dǎo)體色敏器件相當(dāng)于兩只結(jié)深不同的光電二極管的組合，故又稱雙結(jié)光電二極管。2022/8/2949半