《傳感器及檢測技術(shù)(第2版)》胡向東 第9章

第9章光電式傳感器知識單元與知識點光電式傳感器的類別、基本形式；光電器件及其基本特性；CCD圖像傳感器的工作原理、分類、特性參數(shù)與應(yīng)用；光纖的傳光原理、光纖的主要特性、光纖傳感器的組成、分類與應(yīng)用；光電式編碼器（碼盤式、脈沖盤式）的結(jié)構(gòu)、工作原理與應(yīng)用；計量光柵的結(jié)構(gòu)、組成、工作原理與應(yīng)用。能力點深入理解光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)、亮電阻、暗電流、全反射、數(shù)值孔徑、粗誤差、莫爾條紋、辨向與細(xì)分等基本概念；了解光電式傳感器的類別、基本形式；把握各種光電器件的基本特性；會分析CCD圖像傳感器、光纖、光電式編碼器（碼盤式、脈沖盤式）和計量光柵的工作原理；把握CCD圖像傳感器的分類、特性參數(shù)，光纖的主要特性、光纖傳感器的組成、分類，光電式編碼器（碼盤式、脈沖盤式）的結(jié)構(gòu)和計量光柵的結(jié)構(gòu)、組成；了解光電式傳感器的應(yīng)用。重難點重點：基本概念；光電器件的基本特性；光電式傳感器的工作原理。難點：CCD圖像傳感器的工作原理、碼盤的辨向原理、計量光柵的辨向原理與細(xì)分技術(shù)。學(xué)習(xí)要求熟練掌握光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)、亮電阻、暗電流、全反射、數(shù)值孔徑、粗誤差、莫爾條紋、辨向與細(xì)分等基本概念；了解光電式傳感器的類別、基本形式；了解各種光電器件的基本特性；掌握CCD圖像傳感器、光纖、光電式編碼器（碼盤式、脈沖盤式）和計量光柵的工作原理；了解CCD圖像傳感器的分類、特性參數(shù)，光纖的主要特性、光纖傳感器的組成、分類，光電式編碼器（碼盤式、脈沖盤式）的結(jié)構(gòu)和計量光柵的結(jié)構(gòu)、組成；掌握二進(jìn)制與循環(huán)碼的相互轉(zhuǎn)換方法；了解光電式傳感器的應(yīng)用。9.1概述9.1.1光電式傳感器的類別光電式傳感器（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、電阻等）的裝置。按工作原理分類光電效應(yīng)傳感器紅外熱釋電探測器固體圖像傳感器光纖傳感器光電效應(yīng)傳感器是應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件。光電效應(yīng)：因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象，包括光照射到物體上使物體發(fā)射電子，或電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢等。紅外熱釋電探測器主要是利用輻射的紅外光（熱）照射材料時引起材料電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化或產(chǎn)生熱電動勢原理制成的一類器件。固體圖像傳感器結(jié)構(gòu)上分為兩大類，一類是用CCD電荷耦合器件的光電轉(zhuǎn)換和電荷轉(zhuǎn)移功能制成CCD圖像傳感器，一類是用光敏二極管與MOS晶體管構(gòu)成的將光信號變成電荷或電流信號的MOS金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。光纖傳感器它利用發(fā)光管（LED）或激光管（LD）發(fā)射的光，經(jīng)光纖傳輸?shù)奖粰z測對象，被檢測信號調(diào)制后，光沿著光導(dǎo)纖維反射或送到光接收器，經(jīng)接收解調(diào)后變成電信號。特點光電式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干擾能力強（不受電磁輻射影響，本身也不輻射電磁波）、可實現(xiàn)非接觸式測量等特點可以直接檢測光信號，間接測量溫度、壓力、位移、速度、加速度等其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力9.1.2光電式傳感器的基本形式由光路及電路兩大部分組成光路部分實現(xiàn)被測信號對光量的控制和調(diào)制電路部分完成從光信號到電信號的轉(zhuǎn)換后的電信號傳輸與輸出等四種基本形式（基于光路的特征）透射式反射式輻射式開關(guān)式9.2光電效應(yīng)與光電器件光子是具有能量的粒子，每個光子的能量可表示為光電效應(yīng)方程光電效應(yīng)：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)。光電器件光電器件是將光能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿囊环N傳感器件。是構(gòu)成光電式傳感器的主要部件。光電器件工件的物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。光電效應(yīng)分為：內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)9.2.1外光電效應(yīng)型光電器件外光電效應(yīng)：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(jìn)入外界空間的現(xiàn)象即外光電效應(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)做出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光電管的伏安特性光電管的光照特性曲線1表示（銀）氧銫陰極光電管的光照特性，光電流與光通量呈線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它呈非線性關(guān)系光電管的光譜特性不同光電陰極材料的光電管，對同一波長的光有不同的靈敏度；同一種陰極材料的光電管對于不同波長的光的靈敏度也不同，這就是光電管的光譜特性。曲線1、2分別為（銀）氧銫陰極、銻銫陰極對應(yīng)不同波長光線的靈敏度，3為多種成分（銻、鉀、鈉、銫等）陰極的光譜特性曲線2、光電倍增管及其基本特性主要參數(shù)

倍增系數(shù)M陽極電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度暗電流光電倍增管的光譜特性9.2.2內(nèi)光電效應(yīng)型光電器件內(nèi)光電效應(yīng)是指在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象內(nèi)光電效應(yīng)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)因光照產(chǎn)生電動勢的光生伏特效應(yīng)

內(nèi)光電效應(yīng)分類光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用下，對于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低的現(xiàn)象。如光敏電阻光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象。如光電池

（1）光敏電阻1.光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。無光照時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減小，電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好，亮電阻越小越好，此時光敏電阻的靈敏度高。實際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。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。光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻結(jié)構(gòu)(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖2.光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻光敏電阻在不受光照射時的阻值稱為暗電阻，此時流過的電流稱為暗電流。亮電阻光敏電阻在受光照射時的電阻稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流。光電流亮電流與暗電流之差3、光敏電阻的基本特性伏安特性在一定照度下，流過光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系。圖10.9硫化鎘光敏電阻的伏安特性光照特性指光敏電阻的光電流I和光照強度之間的關(guān)系光敏電阻的光照特性光譜特性光敏電阻的相對光敏靈敏度與入射波長的關(guān)系。即光敏電阻對入射光的光譜具有選擇作用，即光敏電阻對不同波長的入射光有不同的靈敏度。光敏電阻的光譜特性頻率特性光敏電阻的光電流不能隨著光強改變而立刻變化，即光敏電阻產(chǎn)生的光電流有一定的惰性，這種惰性通常用時間常數(shù)表示，對應(yīng)著不同材料的頻率特性。時間常數(shù)：光敏電阻自停止光照起到電流下降為原來的63%所需要的時間。時間常數(shù)越小，響應(yīng)越快。光敏電阻的頻率特性溫度特性光敏電阻和其它半導(dǎo)體器件一樣，受溫度影響較大。溫度變化時，影響光敏電阻的光譜響應(yīng)、靈敏度和暗電阻。硫化鉛光敏電阻受溫度影響更大。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性光敏電阻的應(yīng)用－火災(zāi)探測PbS的峰值響應(yīng)波長為2.2um（火焰的特征波長）。由V1、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。當(dāng)被探測物體的溫度高于燃點或被點燃而發(fā)生火災(zāi)時，物體將發(fā)出波長接近于2.2um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V2、V3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）光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。即電源。工作原理：基于“光生伏特效應(yīng)”。光電池實質(zhì)上是一個大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個面，例如P型面時，若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，那么P型區(qū)每吸收一個光子就產(chǎn)生一對自由電子和空穴，電子-空穴對從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場的作用下，最后建立一個與光照強度有關(guān)的電動勢。光電池結(jié)構(gòu)、符號光電池種類

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、氧化亞銅光電池等最受人們重視的是硅光電池。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。它不僅廣泛應(yīng)用于人造衛(wèi)星和宇宙飛船作為太陽能電池，而且也廣泛應(yīng)用于自動檢測和其它測試系統(tǒng)中硒光電池由于其光譜峰值位于人眼的視覺范圍，所以在很多分析儀器、測量儀表中也常常用到。光電池基本特性光譜特性光電池對不同波長的光的靈敏度是不同的。光電池的光譜特性光照特性光電池在不同光照度下，其光電流和光生電動勢是不同的，它們之間的關(guān)系就是光照特性硅光電池的光照特性頻率特性光電池的PN結(jié)面積大，極間電容大，因此頻率特性較差。由圖可見，硅光電池有較好的頻率特性和較高的頻率響應(yīng)，因此一般在高速計算器中采用。溫度特性是描述光電池的開路電壓和短路電流隨溫度變化的情況。硅光電池在1000lx光照下的溫度特性曲線如圖所示：開路電壓隨溫度的升高而快速下降，短路電流卻隨溫度升高而增加，（在一定溫度范圍內(nèi)）它們都與溫度成線性關(guān)系。溫度對光電池的工作影響較大，當(dāng)它作為測量元件時，最好保證溫度恒定，或采取溫度補償措施。硅光電池的溫度特性（3）光敏二極管和光敏三極管大多數(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。光敏二極管工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似、光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)。光敏二極管在不受光照射時處于截止?fàn)顟B(tài)，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（暗電流）。受光照射時，光子在半導(dǎo)體內(nèi)被吸收，使P區(qū)電子數(shù)增多，N區(qū)空穴增多，即產(chǎn)生光生電子－空穴對，在結(jié)電場作用下，電子向N區(qū)移動、空穴向P區(qū)移動，使PN結(jié)的反向電流大為增加，形成光電流，處于導(dǎo)通狀態(tài)。光生載流子的多少與光照強弱相聯(lián)系。

光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個PN結(jié)，只是它的發(fā)射極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。NPN:大多數(shù)光敏晶體管的基極無引出線，當(dāng)集電極加上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，集電結(jié)就是反向偏壓當(dāng)光照射在集電結(jié)時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，被正向偏置的發(fā)射結(jié)發(fā)出的自由電子填充，形成光電流Ib同時空穴使基極與發(fā)射極間的電壓升高，這樣便會有大量發(fā)射區(qū)的電子流向集電極，形成輸出電流Ic，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。光敏管的基本特性光敏晶體管的光譜特性是指光敏晶體管在照度一定時，輸出的光電流（或相對光譜靈敏度）隨入射光的波長而變化的關(guān)系。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：硅光敏晶體管適用于0.4～1.1um波長，最靈敏的響應(yīng)波長為0.8～0.9um；而鍺光敏晶體管適用于0.6～1.8um的波長，其最靈敏的響應(yīng)波長為1.4～1.5um。

伏安特性指光敏晶體管在照度一定的條件下，光電流與外加電壓之間的關(guān)系。由圖可見，光敏晶體管的光電流比相同管型光敏二極管的光電流大上百倍。

光照特性下圖給出了光敏二極管和光敏晶體管的輸出電流

和照度

之間的關(guān)系。從圖中可以看出它們的關(guān)系是正相關(guān)的：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。頻率特性是光敏二極管或晶體管輸出的光電流（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是很好的，其響應(yīng)時間可以達(dá)到10-7～10-8s，因此它適用于測量快速變化的光信號。光敏三極管由于存在發(fā)射結(jié)電容和基區(qū)渡越時間，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(fù)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(fù)載電阻的阻值。光敏二極管和三極管的主要差別光電流光敏二極管一般只有幾微安到幾百微安，而光敏三極管一般都在幾毫安以上，至少也有幾百微安，兩者相差十倍至百倍。光敏二極管與光敏三極管的暗電流則相差不大，一般都不超過1uA。響應(yīng)時間光敏二極管的響應(yīng)時間在100ns以下，而光敏三極管為5～10us。因此，當(dāng)工作頻率較高時，應(yīng)選用光敏二極管；只有在工作頻率較低時，才選用光敏三極管。輸出特性光敏二極管有很好的線性特性，而光敏三極管的線性較差。光敏管的應(yīng)用圖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(dá)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。數(shù)字轉(zhuǎn)速表圖(a)是光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。在電動機(jī)的轉(zhuǎn)軸上安裝一個具有均勻分布齒輪的調(diào)制盤，當(dāng)電動機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，將帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動，發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光被調(diào)制成隨時間變化的調(diào)制光，透光與不透光交替出現(xiàn)，光敏管將間斷地接收到透射光信號，輸出電脈沖。圖（b）為放大整形電路，當(dāng)有光照時，光敏二極管產(chǎn)生光電流，使RP2上壓降增大，直到晶體管V1導(dǎo)通，作用到由V2和V3組成的射極耦合觸發(fā)器，使其輸出U0為高電位；反之，U0為低電位。放大整形電路輸出整齊的脈沖信號

，轉(zhuǎn)速可由該脈沖信號的頻率來確定，該脈沖信號

可送到頻率計進(jìn)行計數(shù)，從而測出電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。每分鐘的轉(zhuǎn)速n與脈沖頻率f之間的關(guān)系為：

式中，N為調(diào)制盤的齒數(shù)。光耦合器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。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)。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。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。光耦合器的應(yīng)用-燃?xì)庠畹拿}沖點火控制器煤氣是易燃、易爆氣體，所以對燃?xì)馄骶咧械狞c火控制器的要求是安全、穩(wěn)定、可靠。因此，電路功能設(shè)計要求打火針確認(rèn)產(chǎn)生火花，才可打開燃?xì)忾y門，否則燃?xì)忾y門保持關(guān)閉，以保證燃?xì)饩呤褂玫陌踩?。圖為燃?xì)庠罡邏捍蚧鸫_認(rèn)電路。在高壓打火時，火花電壓可達(dá)一萬多伏，這個脈沖高電壓對電路工作影響極大，為了使電路正常工作，采用光電耦合器VLC進(jìn)行電平隔離，大大增強了電路抗干擾能力。當(dāng)高壓打火針對打火確認(rèn)針放電時，光耦合器中的發(fā)光二極管發(fā)光，耦合器中的光敏晶體管導(dǎo)通，信號經(jīng)V1、V2、V3放大，驅(qū)動強吸電磁閥將氣路打開，燃?xì)馀龅交鸹慈紵?。如果打火針與確認(rèn)針之間不放電，則光電耦合器不工作，V1等不導(dǎo)通，燃?xì)忾y將保持關(guān)閉。9.3CCD固體圖像傳感器電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice,縮寫為CCD）是一種大規(guī)模金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路光電器件。它以電荷為信號，具有光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、轉(zhuǎn)移并讀出信號電荷的功能。1.CCD的工作原理結(jié)構(gòu):CCD是由若干個電荷耦合單元組成的。其基本單元是MOS（金屬-氧化物-半導(dǎo)體）電容器。它以P型（或N型）半導(dǎo)體為襯底，上面覆蓋一層SiO2，再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極而構(gòu)成MOS電容轉(zhuǎn)移器件。這樣一個MOS結(jié)構(gòu)稱為一個光敏元或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件。P型MOS光敏元(2)電荷存儲原理構(gòu)成CCD的基本單元是MOS電容器。與其它

電容器一樣，MOS電容器能夠存儲電荷。如果MOS電容器中的半導(dǎo)體是P型硅，當(dāng)在金屬電極上施加一個正電壓Ug時，P型硅中的多數(shù)載流子（空穴）受到排斥，半導(dǎo)體內(nèi)的少數(shù)載流子（電子）吸引到P-Si界面處來，從而在界面附近形成一個帶負(fù)電荷的耗盡區(qū)，也稱表面勢阱。對帶負(fù)電的電子來說，耗盡區(qū)是個勢能很低的區(qū)域。在一定的條件下，所加正電壓Ug越大，耗盡層就越深，勢阱所能容納的少數(shù)載流子電荷的量就越大。如果有光照射在硅片上，在光子作用下，半導(dǎo)體硅產(chǎn)生了電子-空穴對，光生電子被附近的勢阱所吸收，而空穴被排斥出耗盡區(qū)。勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到該勢阱附近的光強成正比。（3）電荷轉(zhuǎn)移原理CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷腗OS光敏元，這些光敏元使用同一半導(dǎo)體襯底；氧化層均勻、連續(xù)；相鄰金屬電極間隔極小。任何可移動的電荷都將力圖向表面勢大的位置移動。為了保證信號電荷按確定的方向和路線轉(zhuǎn)移，在MOS光敏元陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。三相CCD時鐘電壓與電荷轉(zhuǎn)移的關(guān)系(a)三相時鐘脈沖波形；(b)電荷轉(zhuǎn)移過程若兩個相鄰MOS光敏元所加的柵壓分別為Ug1、Ug2，且Ug1<Ug2。因Ug2高，表面形成的負(fù)離子多，則表面勢

，電子的靜電位能

，則Ug2吸引電子能力強，形成的勢阱深，則1中電子有向2中下移的趨勢。若串聯(lián)很多光敏元，且使

電壓依次升高，可形成一個輸運電子的路徑，實現(xiàn)電子的轉(zhuǎn)移。（4）電荷注入方法電荷注入方法（a）背面光注入；（b）電注入（5）電荷的輸出CCD輸出端結(jié)構(gòu)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(fù)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(fù)載電阻

轉(zhuǎn)換為信號電壓Uo輸出。9.3.2CCD固體圖像傳感器的分類線陣型CCD圖像傳感器面陣型CCD圖像傳感器9.3.3CCD圖像傳感器的特性參數(shù)光電轉(zhuǎn)移效率

總轉(zhuǎn)移效率分辨率分辨率是指攝像器件對物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離靈敏度及光譜響應(yīng)

靈敏度是指單位發(fā)射照度下，單位時間、單位面積發(fā)射的電量。光譜響應(yīng)圖9.37

光譜靈敏度特性動態(tài)范圍飽和曝光量和等效曝光量的比值稱為CCD的動態(tài)范圍CCD器件的動態(tài)范圍一般在103～104數(shù)量級暗電流

暗電流起因于熱激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對，是缺陷產(chǎn)生的主要原因。光信號電荷的積累時間越長，其影響就越大。暗電流的產(chǎn)生不均勻，在圖像傳感器中出現(xiàn)固定圖形，暗電流限制了器件的靈敏度和動態(tài)范圍。暗電流與溫度密切有關(guān)，溫度每降低10℃，暗電流約減小一半。噪聲

CCD是低噪聲器件，但由于其他因素產(chǎn)生的噪聲會疊加到信號電荷上，使信號電荷的轉(zhuǎn)移受到干擾。噪聲的來源有轉(zhuǎn)移噪聲、散粒噪聲、電注入噪聲、信號輸入噪聲等。9.3.4CCD固體圖像傳感器的應(yīng)用CCD固體圖像傳感器的應(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。光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識別、標(biāo)記識別、圖形識別、傳真、攝像等。生產(chǎn)過程自動化：自動工作機(jī)械、自動售貨機(jī)、自動搬運機(jī)、監(jiān)視裝置等。軍事應(yīng)用：導(dǎo)航、跟蹤、偵查(帶攝像機(jī)的無人駕駛飛機(jī)、衛(wèi)星偵查)。典型應(yīng)用實例微小尺寸自動檢測產(chǎn)生夫瑯和費衍射圖像

圖像暗紋間距：同時基于光敏陣列器件得到的脈沖數(shù)N和陣列單元間距

有：所以被測細(xì)絲或小孔的直徑：大尺寸物體光學(xué)成像p-像素的間距倍率9.4光纖傳感器光纖傳感技術(shù)是20世紀(jì)70年代中期伴隨著光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的一門新技術(shù)工作基礎(chǔ)：光纖中所傳輸?shù)墓庑盘枺ü獠ǎ┑奶卣髁浚ㄈ绻鈴?、相位、頻率、偏振態(tài)等）將隨外界環(huán)境因素（溫度、壓力、電場、磁場等）的變化而變化光纖傳感器的優(yōu)點：頻帶寬、動態(tài)范圍大、靈敏度高固有的安全性好抗電磁干擾耐高、耐腐蝕、電絕緣性好能與數(shù)字通信系統(tǒng)兼容，集傳感與傳輸于一體，易實現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量等光纖傳感器受到世界各國的廣泛重視。光纖傳感器已用于位移、振動、轉(zhuǎn)動、壓力、速度、加速度、電流、磁場、電壓、溫度等70多個物理量的測量在生產(chǎn)過程自動控制、在線檢測、故障診斷、安全報警等方面有廣泛的應(yīng)用前景。1、光纖的結(jié)構(gòu)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(hù)層（涂敷層及護(hù)套）。核心部分是纖芯和包層，纖芯粗細(xì)、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。纖芯是光波的主要傳輸通道；纖芯材料的主體是SiO2，并摻入微量的GeO2、P2O5，以提高材料的光折射率。纖芯直徑5～75um。包層可以是一層、二層或多層結(jié)構(gòu)，總直徑約100～200um，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(hù)光纖不受水汽的侵蝕和機(jī)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。2、光纖的傳光原理光全反射條件：3、光導(dǎo)纖維的主要參數(shù)數(shù)值孔徑NA（NumeralAperture)

數(shù)值孔徑只取決于折射率，與光纖的幾何尺寸、光源的發(fā)射功率等因素?zé)o關(guān)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，即實現(xiàn)全反射越容易。但數(shù)字孔徑越大，光信號的畸變也越大。故要適當(dāng)選擇NA的大小，石英光纖的NA=0.2-0.4（即11.5－23.5度）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。單模光纖直徑較?。?－12um)，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(50-100um)，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。傳播損耗

光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。為什么？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(xì)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）。光纖傳感器工作原理由于外界因素（溫度、壓力、電場、磁場、振動等）對光纖的作用，會引起光波特征參量（振幅、相位、頻率、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，只要能測出這些參量隨外界因素的變化關(guān)系，就可以用它作為傳感元件來檢測對應(yīng)物理量的變化光纖傳感器的組成由光源、光纖、光探測器等組成。光源一般要求光源的體積盡量小，以利于它與光纖耦合；光源發(fā)出的光波長應(yīng)合適，以便減少光在光纖中傳輸?shù)膿p失；光源要有足夠亮度，以便提高傳感器的輸出信號。另外還要求光源穩(wěn)定性好、噪聲小、安裝方便和壽命長等。光纖傳感器使用的光源種類很多，按照光的相干性可分為相干光和非相干光。非相干光源有白熾光、發(fā)光二極管；相干光源包括各種激光器，如氦氖激光器、半導(dǎo)體激光二極管等。光探測器光探測器的作用是把傳送到接收端的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便作進(jìn)一步的處理。它和光源的作用相反，常用的光探測器有光敏二極管、光敏三極管、光電倍增管等。光探測器性能的好壞既影響被測量的變換準(zhǔn)確度，又關(guān)系到光探測接收系統(tǒng)的質(zhì)量（線性度、靈敏度、帶寬等）光纖傳感器的分類

按光纖在傳感器中功能的不同可分為：功能型（傳感型）光纖傳感器是利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件，被測量對光纖內(nèi)傳輸?shù)墓獠ㄟM(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓庑盘柕膹姸?、相位、頻率或偏振等特性發(fā)生變化，再通過對被調(diào)制過的信號進(jìn)行解調(diào)，從而得出被測信號。非功能型（傳光型）光纖傳感器是利用其他敏感元件感受被測量的變化，與其它敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光信號的傳輸介質(zhì)。光纖傳感器組成示意圖（a）傳感型；（b）傳光型按光纖傳感器調(diào)制的光波參數(shù)不同強度調(diào)制光纖傳感器(圖a)相位調(diào)制光纖傳感器(圖b)波長（頻率）調(diào)制光纖傳感器（多普勒效應(yīng)：運動物體近光源）時分調(diào)制光纖傳感器偏振調(diào)制光纖傳感器按光纖傳感器檢測對象不同光纖溫度傳感器光纖位移傳感器光纖流速傳感器等等。光纖傳感器的應(yīng)用測溫－光強調(diào)制型光纖溫度傳感器其測量范圍隨半導(dǎo)體材料和光源而變，通常在－100-300度，響應(yīng)時間2s，測量精度在±3度。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(或像素單元)，典型數(shù)目為0.3萬～10萬股，每一股光纖的直徑約為10um。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，圖像的每一個象素（強度與顏色）通過一根光纖單獨傳送，并在另一端重建原圖像。圖9.46光纖圖像傳輸圖9.47工業(yè)用內(nèi)窺鏡系統(tǒng)原理光源發(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(jī)進(jìn)行處理，可在屏幕上顯示和打印觀測結(jié)果。（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。9.5光電式編碼器編碼器是將機(jī)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。光電式編碼器從結(jié)構(gòu)上可分為碼盤式和脈沖盤式兩種。碼盤式編碼器（絕對編碼器）主要由安裝在旋轉(zhuǎn)軸上的編碼圓盤（碼盤）、窄縫以及安裝在圓盤兩邊的光源和光敏元件等組成。碼盤由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。當(dāng)光源將光投射在碼盤上時，轉(zhuǎn)動碼盤，通過亮區(qū)的光線經(jīng)窄縫后，由光敏元件接收。光敏元件的排列與碼道一一對應(yīng)，對應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號，前者為“1”，后者為“0”。當(dāng)碼盤旋至不同位置時，光敏元件輸出信號的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤軸的角位移大小。9.5.1碼盤式編碼器碼盤式編碼器工作過程

編碼器碼盤按其所用碼制可分為二進(jìn)制碼、十進(jìn)制碼、循環(huán)碼等。

對于6位二進(jìn)制碼盤，最內(nèi)圈碼盤一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64個黑白間隔。每一個角度方位對應(yīng)于不同的編碼。例如零位對應(yīng)于000000（全黑）；第23個方位對應(yīng)于010111（碼盤“內(nèi)高外低”、編碼“左高右低）。（第32位呢？）測量時根據(jù)碼盤的起始和終止位置可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)（故稱絕對碼盤）。

一個n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為α=360°/2n，一個6位二進(jìn)制碼盤，其最小分辨的角度α≈5.6°。

二進(jìn)制碼的特點：當(dāng)某一較高的數(shù)碼改變時，所有比它低的各位數(shù)碼均需同時改變，如0100和0011,1000和0111。

編碼器采用二進(jìn)制編碼的缺點：任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。如四位的0000順時針到1111（15，對應(yīng)角度？），可能為1000（8，對應(yīng)角度？）。

解決辦法：為了消除粗誤差，可用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼。循環(huán)碼是一種無權(quán)碼，從任何數(shù)變到相鄰數(shù)時，僅有一位數(shù)碼發(fā)生變化。如果任一碼道刻劃有誤差，只要誤差不太大，且只可能有一個碼道出現(xiàn)讀數(shù)誤差，產(chǎn)生的誤差最多等于最低位的一個比特。對于n位循環(huán)碼碼盤，與二進(jìn)制碼一樣，具有2n種不同編碼，最小分辨率α=360°/2n。四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對照表碼制轉(zhuǎn)換循環(huán)碼的特點：譯碼較困難。解決辦法：先轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制編碼解碼碼盤式編碼器的特點被測轉(zhuǎn)角不超過360度時，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(jī)械減速器配合，擴(kuò)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(kuò)大10倍。脈沖盤式編碼器（增量編碼器）的輸出是一系列脈沖，需要一個計數(shù)系統(tǒng)對脈沖進(jìn)行加減(正向或反向旋轉(zhuǎn)時)累計計數(shù)，一般還需要一個基準(zhǔn)數(shù)據(jù)即零位基準(zhǔn)，才能完成角位移測量。

9.5.2脈沖盤式編碼器脈沖盤式編碼器是在圓盤上開有內(nèi)、外兩圈相等角矩的縫隙，內(nèi)、外圈的相鄰兩縫隙之間的距離錯開半條縫寬。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”。

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，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。

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。工作原理辨向原理

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P1和P2，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P2）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P1超前脈沖P2900，D觸發(fā)器的輸出Q=1，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P1和P2又經(jīng)與門Y輸出脈沖P，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(jìn)行加法計數(shù)。

當(dāng)反轉(zhuǎn)時，P2超前P1900，D觸發(fā)器輸出Q=0，計數(shù)器進(jìn)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(dá)后，再送入計數(shù)脈沖，以保證不丟失計數(shù)脈沖。

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。9.5.3光電式編碼器的應(yīng)用-測轉(zhuǎn)速頻率法：在給定時間內(nèi)，使門電路選通，編碼器輸出脈沖允許進(jìn)入計數(shù)器計數(shù)。然后由下式求出其轉(zhuǎn)速：例：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)是N＝2048脈沖/轉(zhuǎn)，在0.2S時間內(nèi)測得8192個脈沖，求其轉(zhuǎn)速。解：根據(jù)上式有：9.5.3光電式編碼器的應(yīng)用-測轉(zhuǎn)速周期法：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例：設(shè)某編碼器的額定工作參數(shù)為N＝1024脈沖/轉(zhuǎn)，標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖周期T＝10－6s，測得編碼器輸出的兩個相鄰脈沖上升沿之間標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖輸出個數(shù)為1000個，求其轉(zhuǎn)速。解：根據(jù)題意可知，編碼器一個脈沖間隔內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)時鐘脈沖的輸出個數(shù)為：N2＝1000/2＝500 由上式有：9.6計量光柵9.6.1光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理

1.光柵結(jié)構(gòu)在鍍膜玻璃上均勻刻制許多有明暗相間、等間距分布的細(xì)小條紋（又稱為刻線），這就是光柵。

a為柵線的寬度（不透光），b為柵線間寬（透光），a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2。目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條。光柵莫爾條紋的形式

2.光柵測量原理

兩塊具有相同柵距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。

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d-d）；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f-f）。

當(dāng)夾角

減小時，條紋間距BH增大，適當(dāng)調(diào)整夾角可獲得所需的條紋間距。

(1)位移的放大作用當(dāng)光柵每移動一個光柵柵距W時，莫爾條紋也跟著移動一個條紋寬度BH。莫爾條紋的間距BH與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為

θ越小，BH越大，這相當(dāng)于把柵距W放大大了1/θ倍。例如θ=0.1°，則1/θ≈573，即莫爾條紋寬度BH是柵距W的573倍，這相當(dāng)于把柵距放大了573倍，說明光柵具有位移放大作用，從而提高了測量的靈敏度。莫爾條紋測位移的三個特點

（2）莫爾條紋移動方向如光柵1沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著光柵2的柵線向上移動；反之，當(dāng)光柵1向左移動時，莫爾條紋沿著光柵2的柵線向下移動。因此根據(jù)莫爾條紋移動方向就可以對光柵1的運動進(jìn)行辨向。

(3)誤差的平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用，能在很大程度上消除短周期誤差的影響。例如：

對50線/mm的光柵，用4mm寬的光電元件進(jìn)行接收，那么光電元件所接收到的就是總共達(dá)200條光柵刻線的集體作用的結(jié)果，光電元件的輸出是這200條刻線共同對光調(diào)制結(jié)果的總和。

假定其中某一刻線的位置偏移了1um，則它所造成的光電元件的輸出相當(dāng)于整個光柵的偏差約為0.07um。

莫爾條紋的這種誤差平均效應(yīng)使得它在應(yīng)用中對光柵質(zhì)量的要求可以大大降低，這對高精度的測量非常有利。

9.6.2計量光柵的組成計量光柵作為一個完整的測量裝置包括光柵讀數(shù)頭、光柵數(shù)顯表兩大部分。

光柵讀數(shù)頭利用光柵原理把輸