《傳感器原理及應(yīng)用》課件-第9章

第9章光電式傳感器9.1光電器件

9.2光纖傳感器

9.3光柵傳感器

9.4電荷耦合器件(CCD)

9.5位置敏感器件(PSD)

思考題與習(xí)題

9.1光電器件

9.1.1光電管和光電倍增管

1.光電管

光電管主要由光電陰極K和陽極A兩部分組成，陰極和陽極封裝在一個玻璃管內(nèi)，根據(jù)管內(nèi)是抽成真空還是充入低壓惰性氣體可分為真空型和充氣型兩種。其工作電路如圖9.1所示，陰極K接電源負極，陽極A通過負載電阻RL接電源正極。圖9.1光電管工作電路

2.光電倍增管

當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，不容易檢測，此時可采用光電倍增管，其特點是可以將微小的光電流放大，放大倍數(shù)高達105～107。光電倍增管在高能物理分析、遙感衛(wèi)星、醫(yī)學(xué)影像診斷、軍事偵察等許多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。

光電倍增管是一種真空光電器件，其結(jié)構(gòu)如圖9.2所示，主要由光電陰極K、倍增極D(又稱為二次電子發(fā)射極)和陽極A組成，均封裝在一個玻璃管內(nèi)。圖9.2光電倍增管結(jié)構(gòu)原理圖

1)入射窗和光電陰極

光電倍增管的入射窗通常有側(cè)窗式和端窗式兩種。側(cè)窗式是通過管殼的側(cè)面接收入射光，采用反射式光電陰極，如圖9.3(a)所示。端窗式是通過管殼的端面接收入射光，采用透射式光電陰極，陰極材料沉積在入射窗的內(nèi)側(cè)面，如圖9.3(b)所示。圖9.3入射窗口和光電陰極的結(jié)構(gòu)

2)倍增極和陽極

倍增極的作用是產(chǎn)生二次電子發(fā)射，通常把二次發(fā)射的電子數(shù)N2與入射電子數(shù)N1的比值定義為二次發(fā)射系數(shù)σ，即

電流放大系數(shù)為(9.1)(9.2)

3)供電和信號輸出電路

為了使光電倍增管正常工作，必須在陰極、各倍增極和陽極之間施加一定的電壓，陰極和陽極之間的電壓在千伏左右，常見的形式如圖9.2所示。陰極和陽極之間外接一系列電阻進行分壓，使各電極之間獲得一定的偏壓，陰極K接高壓電源的負極，陽極A接地，即負高壓供電。這種方式可消除外部信號輸出電路與陽極之間的電位差，信號輸出方便，但由于陰極屏蔽困難，陽極輸出暗電流和噪聲較大。但有些情況必須采取陰極接地的正高壓接法，如閃爍計數(shù)器等，如圖9.4所示。圖9.4陰極接地正高壓接法9.1.2光敏電阻

光敏電阻是利用光敏材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電器件，具有體積小、性能穩(wěn)定、壽命長、價格低廉等特點。光敏電阻廣泛用于光電耦合、光電自動開關(guān)、通信設(shè)備及工業(yè)電子設(shè)備中。

光敏電阻由均質(zhì)的光電導(dǎo)體兩端加上電極構(gòu)成，兩電極加一定的電壓，如圖9.5所示。圖9.5光敏電阻結(jié)構(gòu)原理圖9.1.3光敏二極管、光敏三極管和光電池

光敏二極管、光敏三極管和光電池均屬于利用光生伏特效應(yīng)進行工作的光伏型器件。

1.光敏二極管

光敏二極管又稱為光電二極管，其結(jié)構(gòu)與普通二極管相似，具有一個PN結(jié),單向?qū)щ姡叶际欠蔷€性器件，如圖9.6所示。圖9.6光敏二極管結(jié)構(gòu)原理圖

2.光敏三極管

光敏三極管又稱為光電三極管、光電晶體管，其結(jié)構(gòu)與普通三極管相似，都具有電流放大作用，只是基極電流不僅受基極電壓控制，還受光照的控制。光敏三極管也有NPN型和PNP型兩種，圖9.7為NPN型光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖。圖9.7

NPN型光敏三極管結(jié)構(gòu)原理圖

3.光電池

光電池的基本結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似，都有一個PN結(jié)，光電池的PN結(jié)面積較大。當(dāng)光照射PN結(jié)時，結(jié)區(qū)附近產(chǎn)生光生電子-空穴對，在PN結(jié)電場作用下，N區(qū)的空穴被拉向P區(qū)，P區(qū)的電子被拉向N區(qū)，結(jié)果在PN結(jié)兩端產(chǎn)生電位差。此時若光電池外接負載，電路中就會有電流流過。9.1.4光電器件的應(yīng)用

1.光敏電阻的應(yīng)用

工業(yè)生產(chǎn)中一些帶材，如薄鋼板、紙張、膠片、塑料薄膜等易偏離正確位置而產(chǎn)生跑偏，因此必須對帶材的位置進行檢測，并采取措施控制其位置，圖9.8所示為光敏電阻在帶材跑偏檢測裝置中的應(yīng)用。圖9.8帶材跑偏檢測裝置原理圖圖9.9所示為光敏電阻控制繼電器的原理圖。圖9.9光敏電阻控制繼電器

2.光敏二極管的應(yīng)用

圖9.10所示為光敏二極管在路燈自動控制中的應(yīng)用。無光照時，流過光敏二極管的電流很小，A點電位很低，三極管V1和V2截止，繼電器K斷電，常閉觸點閉合，路燈點亮。有光照時，流過光敏二極管的電流增加，A點電位上升，V1和V2均飽和導(dǎo)通，繼電器通電，常閉觸點斷開，路燈熄滅。圖9.10路燈控制原理圖利用光刻技術(shù)將一個光敏面分成幾個相同的光敏二極管，稱為象限探測器。象限探測器可用于定位、跟蹤、準(zhǔn)直、近距離測距等。圖9.11(a)為四象限探測器的結(jié)構(gòu)原理圖，將光敏面均勻分成四等份。圖9.11(b)為應(yīng)用電路。圖9.11四象限探測器及應(yīng)用

3.光敏三極管的應(yīng)用

圖9.12所示為光敏三極管在生產(chǎn)線產(chǎn)品計數(shù)裝置中的應(yīng)用。圖9.12產(chǎn)品計數(shù)裝置原理圖圖9.13所示為光敏三極管構(gòu)成的光電耦合器及其應(yīng)用。圖9.13數(shù)字邏輯電路原理圖

4.光電池的應(yīng)用

光電池的應(yīng)用分為兩大類：一類是作為電源，要求光電轉(zhuǎn)換效率高、成本低；另一類是作為測量元件使用，要求線性范圍寬、靈敏度高。

圖9.14所示為光電池作為電源時的原理框圖，選擇若干個型號相同的光電池，經(jīng)串、并聯(lián)后作為光電池組。有光照時光電池組發(fā)電，為負載供電，并對蓄電池充電。圖9.14光電池電源電路框圖圖9.15所示為光電池在白度計中的應(yīng)用。圖9.15白度計原理圖 9.2光纖傳感器

9.2.1光纖的結(jié)構(gòu)與種類

1.光纖的結(jié)構(gòu)

光纖是光纖傳感器的核心元件，通常由纖芯、包層、涂敷層及護套組成，如圖9.16所示。纖芯位于光纖的中心部位，由玻璃、石英或塑料制成。包層的材料為玻璃或塑料，其折射率n2略小于纖芯的折射率n1。涂敷層的作用是提高光纖的機械強度，增加光纖的柔韌性。涂敷層外面是不同顏色的塑料護套，既保護光纖，又可以顏色區(qū)分光纖。圖9.16光纖結(jié)構(gòu)

2.光纖的種類

光纖的分類方法很多，根據(jù)纖芯和包層的材料不同，可分為玻璃光纖和塑料光纖。根據(jù)纖芯到包層的折射率分布不同，可分為階躍型光纖和漸變型光纖。階躍型光纖如圖9.17(a)所示，纖芯的折射率n1為均勻分布，包層的折射率n2亦為均勻分布，纖芯到包層的折射率呈階梯狀變化，且纖芯內(nèi)的光線沿軸線呈鋸齒形軌跡傳播。漸變型光纖如圖9.17(b)所示。圖9.17光纖的種類及折射率分布9.2.2光纖的傳光原理

圖9.18所示為階躍型光纖的傳光原理。設(shè)光纖周圍介質(zhì)的折射率為n0(空氣n0=1)，纖芯折射率為n1，包層折射率為n2，且n1>n0、n1>n2，當(dāng)光線從周圍介質(zhì)入射到纖芯的端面，并與軸線的夾角為θ0時，光線在纖芯內(nèi)的折射角為θ1，然后以φ1(φ1=90°－θ1)角度入射到纖芯與包層的界面，應(yīng)用斯乃爾法則，有

n0sinθ0=n1sinθ1=n1cosφ1 (9.3)

圖9.18階躍型光纖的傳光原理當(dāng)入射光在纖芯與包層的界面上發(fā)生全反射時，光線就不會折射到包層內(nèi)，而是不斷地進行全反射，最終從光纖的另一端面射出。發(fā)生全反射的條件為

將式(9.4)代入式(9.3)可知，光線入射到光纖端面的入射角θ0應(yīng)滿足(9.5)(9.4)9.2.3光纖傳感器的應(yīng)用

1.非功能型光纖傳感器

1)光纖液位探測器

圖9.19所示為光纖液位探測器的原理圖，由光源、光電器件和光纖組成。圖9.19光纖液位探測器原理圖

2)光纖位移傳感器

圖9.20(a)所示為光纖位移傳感器的原理圖，圖9.20(b)所示為輸出特性曲線。圖9.20光纖位移傳感器原理圖與輸出特性曲線

2.功能型光纖傳感器

1)相位調(diào)制型光纖溫度傳感器

溫度變化能引起光纖中光的相位變化，通過光干涉儀檢測相位的變化就可測得溫度值。圖9.21所示為馬赫-澤德干涉測溫原理圖，激光器發(fā)出的激光束經(jīng)擴束器后，再經(jīng)分光

板將光束分別送入?yún)⒖脊饫w和測量光纖。圖9.21相位調(diào)制型光纖溫度傳感器

2)偏振調(diào)制型光纖電流傳感器

偏振調(diào)制型光纖電流傳感器可以對高壓輸電領(lǐng)域的電流進行監(jiān)測，圖9.22所示為測量原理圖。圖9.22偏振調(diào)制型光纖電流傳感器根據(jù)法拉第旋光效應(yīng)，由電流所形成的磁場會引起光纖中線振光偏振面的偏轉(zhuǎn)。激光器發(fā)出的激光束經(jīng)過起偏器后變成線偏振光，線偏振光耦合到光纖內(nèi)，光纖繞制在半徑為R的高壓載流導(dǎo)線上。設(shè)流過導(dǎo)線的電流為I，由此產(chǎn)生的磁場H滿足安培環(huán)路定律。對于無限長導(dǎo)線有

由磁場H產(chǎn)生法拉第旋光效應(yīng)，引起光纖中線偏振光的偏振角θ為(9.6)(9.7)受磁場作用的光束經(jīng)偏振棱鏡后分解為振動方向相互垂直的兩束偏振光，分別進入光探測器，其輸出信號I1和I2再經(jīng)信號處理后的輸出y為(9.8)(9.9) 9.3光柵傳感器

9.3.1光柵的結(jié)構(gòu)與種類

1.光柵的結(jié)構(gòu)

在玻璃尺(或金屬尺)上類似于刻線標(biāo)尺那樣，進行密集刻劃(刻線密度一般為每毫米25、50、100、250線)，得到如圖9.23所示的黑白相間的條紋，沒有刻劃的地方透光(或反光)，刻劃的地方不透光(或不反光)，這就是光柵。光柵上的刻線稱作柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般取a=b，a+b=W稱作光柵的柵距或節(jié)距。圖9.23光柵柵線結(jié)構(gòu)圖

2.光柵的種類

光柵按其工作原理不同，可分為物理光柵和計量光柵。物理光柵利用光的衍射現(xiàn)象進行工作，主要用于光譜分析和光波長等的測量。計量光柵利用莫爾條紋原理工作，主要用于長度、角度、速度、加速度和振動等物理量的測量。計量光柵按應(yīng)用場合不同可分為透射光柵和反射光柵；按用途不同可分為測量線位移的長光柵和測量角位移的圓光柵，圓光柵又分為徑向光柵和切向光柵；根據(jù)光柵的表面結(jié)構(gòu)不同，長光柵也可分為幅值(黑白)光柵和相位(閃耀)光柵。9.3.2光柵的工作原理

計量光柵是利用莫爾條紋原理進行工作的，現(xiàn)以長光柵為例進行介紹。如圖9.24所示，將柵距相同的兩光柵刻面相對重疊在一起，中間留有適當(dāng)?shù)拈g隙，且兩者柵線錯開一個很小的角度θ，即構(gòu)成光柵副。其中一個光柵稱為主光柵(或標(biāo)尺光柵)，另一個光柵稱為指示光柵，指示光柵的長度要比主光柵短得多。圖9.24長光柵及莫爾條紋莫爾條紋的斜率為

莫爾條紋間距L為(9.11)(9.10)由此可見，莫爾條紋間距L由柵距W和柵線夾角θ決定。對于給定柵距的光柵，θ越小，L越大。通過調(diào)整θ，可使L獲得任何需要的值。莫爾條紋具有如下性質(zhì)：

(1)莫爾條紋的運動與光柵的運動具有對應(yīng)關(guān)系：當(dāng)光柵副中任一光柵沿垂直于柵線方向移動時，莫爾條紋就沿近似垂直于光柵移動方向運動，故稱作橫向莫爾條紋。光柵改變運動方向時，莫爾條紋也隨之改變運動方向；

(2)位移放大作用：當(dāng)光柵相對移動一個柵距W時，莫爾條紋上下移動一個莫爾條紋間距L。由式(9.11)可知，θ越小，L越大，相當(dāng)于將被測位移放大了1/θ倍；

(3)光柵誤差平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量柵線共同形成的，對光柵的刻線誤差有平均作用，能在很大程度上消除柵距的局部誤差和短周期誤差的影響，提高光柵傳感器的測量精度。9.3.3辨向原理與細分技術(shù)

1.辨向原理

實際應(yīng)用時大部分被測對象往往是往復(fù)運動，既有正向運動，又有反向運動，因此必須正確辨別光柵的運動方向。欲實現(xiàn)辨向，可在相距L/4的位置處安裝兩個光電器件，如圖9.25所示，兩個光電器件可獲得兩個相位相差90°的信號。光柵傳感器的輸出信號有方波和正弦波兩種形式，現(xiàn)以正弦波光柵為例對辨向電路進行分析，如圖9.26所示。圖9.25相距L/4的兩個光電器件圖9.26辨向電路原理框圖當(dāng)光柵正向移動時，莫爾條紋向上移動，光電器件1的輸出電壓A比光電器件2的輸出電壓B超前90°相角，如圖9.27(a)所示。圖9.27辨向電路各點波形圖

2.細分技術(shù)

利用光柵進行測量時，當(dāng)運動部件移動一個柵距，輸出信號變化一個周期，產(chǎn)生一個脈沖間隔，即分辨率(脈沖當(dāng)量)為一個柵距。為了提高分辨率，可增大刻線密度以減小柵距，但這種方法受制造工藝和成本的限制。為此可采用細分技術(shù)，即光柵每移動一個柵距時均勻輸出幾個脈沖，從而提高分辨率，減小脈沖當(dāng)量。

1)直接細分法

直接細分又稱為位置細分，常用的細分數(shù)為4,如圖9.28所示。圖9.28直接細分法

2)電阻橋細分法

電阻橋細分電路是由同頻率的信號源u1=Umsinφ、u2=Umcosφ以及電阻器組成電橋，如圖9.29(a)所示，其輸出電壓uo為

輸出電壓uo是兩個正交旋轉(zhuǎn)矢量之和，其幅值Uom和超前u1

的相位角θ分別為(9.13)(9.12)圖9.29電阻橋細分電路9.3.4光柵傳感器的應(yīng)用

圖9.30所示為光柵位移傳感器在機床上應(yīng)用的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9.30光柵位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 9.4電荷耦合器件(CCD)

電荷耦合器件(CCD,ChargeCoupledDevice)在固態(tài)圖像傳感器中的應(yīng)用最為普遍，是在MOS器件的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，可實現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換、存儲、傳輸和檢測的功能。CCD具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單和功耗小等特點，不僅在傳真、文字識別、圖像識別領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，而且在現(xiàn)代測控技術(shù)中常用于檢測物體的有無、形狀、尺寸、位置等。

9.4.1

CCD的結(jié)構(gòu)與工作原理

1.CCD的結(jié)構(gòu)

CCD的基本單元是MOD(金屬氧化物半導(dǎo)體)電容，如圖9.31所示。圖9.31

MOS電容的結(jié)構(gòu)

2.CCD的工作原理

CCD的突出特點是以電荷作為信號，工作過程包括電荷的注入、存儲、傳輸和檢測。

1)電荷存儲

若MOS電容為P型硅(P-Si)襯底，當(dāng)金屬電極上施加正向電壓UG時，P型硅中的多數(shù)載流子(空穴)受到金屬中的正電荷(空穴)排斥，少數(shù)載流子(電子)被吸引到半導(dǎo)體表面形成帶負電荷的耗盡層，又稱為表面勢阱。耗盡層對電子來說勢能很低，可以吸收自由電子，柵極電壓UG越高，耗盡層越深，勢阱所能容納的少數(shù)載流子就越多。存儲信號電荷的勢阱又稱為電荷包，如圖9.32所示。圖9.32存儲信號電荷的勢阱

2)電荷注入

電荷注入即信號電荷的產(chǎn)生，CCD中的信號電荷可通過光注入和電注入兩種方式得到。當(dāng)CCD用作固態(tài)圖像處理時，接收的是光信號，電荷由光生載流子產(chǎn)生，即光注入。當(dāng)光照射半導(dǎo)體時，若光子的能量大于半導(dǎo)體禁帶寬度，就會被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生光生載流子(電子-空穴對)，在柵極電壓UG作用下，電子被勢阱吸收，勢阱內(nèi)吸收的光生電子數(shù)與入射光強成正比，實現(xiàn)光信號與電信號的轉(zhuǎn)換。

當(dāng)CCD用作信息存儲或信息處理時，采用電注入方式。電注入CCD就是通過輸入電路對信號電壓或電流進行采樣,將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。

3)電荷傳輸

CCD的MOS電容陣列排列很密，相鄰MOS電容的勢阱可以互相耦合。通過控制相鄰MOS電容柵極電壓的大小可

以調(diào)節(jié)勢阱的深淺，信號電荷就會從勢阱淺處流向勢阱深處，即電荷傳輸。MOS電容柵極在一定規(guī)律的時鐘脈沖控制下，勢阱中的信號電荷將沿特定方向轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)信號電荷的定向傳輸。

4)電荷檢測

電荷檢測就是通過輸出電路將信號電荷轉(zhuǎn)換為電流或電壓輸出。9.4.2線陣CCD

線陣CCD用于獲取一維光信息，由一列MOS光敏元和一列CCD移位寄存器構(gòu)成，光敏元和移位寄存器之間為轉(zhuǎn)移柵，如圖9.33(a)所示。圖9.33線陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖9.4.3面陣CCD

面陣CCD的光敏元呈二維矩陣排列，能檢測二維圖像信息，其結(jié)構(gòu)如圖9.34所示。圖9.34面陣CCD結(jié)構(gòu)原理圖9.4.4

CCD的應(yīng)用

CCD器件廣泛應(yīng)用于以下幾個方面：

(1)計量檢測儀器：工業(yè)產(chǎn)品尺寸、位置、缺陷的非接觸測量、距離測定等；

(2)生產(chǎn)過程自動化：自動售貨機、自動搬運機、監(jiān)視裝置等；

(3)光學(xué)信息處理：光學(xué)文字識別、標(biāo)記識別、圖像識別、傳真、掃描等；

(4)軍事科學(xué)：導(dǎo)航、跟蹤、偵查等。

圖9.35所示為線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用。圖9.35掃描儀原理圖圖9.36所示為X射線在線探傷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖9.36

X射線在線探傷系統(tǒng) 9.5位置敏感器件(PSD)

位置敏感器件(PSD，PositionSensitiveDetector)是一種對入射到光敏面上光斑位置敏感的光電器件，其位置分辨率高，一維PSD可達0.2μm。PSD廣泛應(yīng)用于激光束監(jiān)控(對準(zhǔn)、位移和振動)、平面度檢測、二維位置檢測等系統(tǒng)中。

9.5.1

PSD的結(jié)構(gòu)與工作原理

根據(jù)檢測對象的不同可將PSD分為兩類：檢測光斑直線運動的一維PSD和檢測光斑平面運動的二維PSD。

1.一維PSD

圖9.37所示為一維PSD的截面示意圖，基本結(jié)構(gòu)包括三層：上層為P型半導(dǎo)體，中間為高阻態(tài)Si襯底(I層)，下層為N型半導(dǎo)體。圖9.37一維PSD的截面圖圖中電極1和2之間的距離為2L，電阻為2RL。當(dāng)光照射到PSD的光敏層時，在入射位置產(chǎn)生與入射光能量成正比的光生電荷，形成光電流，通過電極輸出。由于P層的電阻均勻，電極1和2輸出的電流I1和I2分別與光斑到各電極的距離(或電阻)成反比，且有I0=I1+I2。若入射光位置到電阻層中心點的距離為x，對應(yīng)電阻為Rx，則I1和I2分別為(9.14)由式(9.14)可得

即根據(jù)電流I1和I2的值即可檢測出入射光的位置，而與入射光的強度無關(guān)。

2.二維PSD

二維PSD的感光面為方形，比一維PSD多一對電極，其結(jié)構(gòu)如圖9.38所示。(9.15)圖9.38二維PSD9.5.2

PSD的特性

1.響應(yīng)特性

PSD的響應(yīng)特性與電極間電阻R和結(jié)電容C有關(guān)，響應(yīng)時間為

T=2.2RC

(9.16)

電極間電阻R通常在10kΩ以上，結(jié)電容C與器件所加的反偏電壓有關(guān)，反偏電壓越高，C越小，響應(yīng)速度越快。當(dāng)反偏電壓超過一定值時，C基本上為一常數(shù)。

2.線性度

入射光在PSD受光面上的位置和相應(yīng)輸出信號之間存在一定的誤差，該誤差可以用線性度來衡量。一維PSD線性度由極間電阻的均勻性決定，位置檢測誤差較小，精度較高。

圖9.39所示為二維PSD的線性度。圖9.39二維PSD的線性度

3.分辨率

分辨率是指PSD能夠分辨出的入射光最小的位移量。分辨率與入射光通量和極間電阻有關(guān)，極間電阻越大，入射光通量越大，可分辨的最小位移量越小，即分辨率越高。9.5.3

PSD的應(yīng)用

1.PSD信號調(diào)理電路

圖9.40所示為一維PSD的信號調(diào)理電路，首先對PSD輸出的光電流信號進行電流-電壓轉(zhuǎn)換并放大，再根據(jù)式(9.15)利用加法器和減法器進行信號的加減運算，最后通過除法器相除，得到與光能大小無關(guān)的位置坐標(biāo)信號。圖9.40一維PSD信號調(diào)理電路

2.PSD測距傳感器

PSD應(yīng)用非常廣泛，如光學(xué)裝置中位置及角度的測量與控制，激光裝置中光軸的校正，物體變形及振動的二維和三維測量，物體表面粗糙度的測量，機器人視覺與動作的控制等。