传感器原理及应用 第8章ppt课件.ppt

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1、,传感器原理及应用 Principles and Applications of Sensors,主讲：王殿生 教授,第八章,作 业,第二版教材152页： 练习题：8-2，8-3，8-6，8-7第三版教材148149页： 练习题：8-2，8-3，8-6，8-7,第八章 光电式传感器,光电式传感器的定义 以光电器件或传播光路为敏感元件，将被测量通过光信号的变化转换为电信号变化的传感器。光电式传感器的物理基础和组成 物理基础：光电效应。光源、光学元件和光电元件三部分。光电式传感器的感测量 位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。光电式传感器的种类 根据工作原理：内光电效应型和外光电效应型。,第

2、八章 光电式传感器,8.1 光的特性与光源8.2 光电效应8.3 光电器件8.4 光纤传感器8.5 光电式传感器应用,光波：波长10106nm电磁波。可见光波长：380780nm；紫外线波长：10380nm；红外线波长：780106nm。,一、光的特性,8.1 光的特性与光源,光具有反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收等性质。,光的粒子性：光是以光速运动着的粒子（光子）流，一束频率为的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量为,光的频率愈高（即波长愈短），光子的能量愈大。,电磁波谱图,一、光的特性,8.1 光的特性与光源,电磁波谱图,二、常用光源,8.1 光的特性与光源,二、常用光源,8.1 光

3、的特性与光源,808 nm 大功率LD,650 nm LD,1.55 um LD模块,第八章 光电式传感器,8.1 光的特性与光源8.2 光电效应8.3 光电器件8.4 光纤传感器8.5 光电式传感器应用,一、光电效应基本概念,8.2 光电效应,光电效应是光电传感器的基本转换原理。外光电效应和内光电效应。,内光电效应,外光电效应,外光电效应：物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。,二、外光电效应,（3）逸出的光电子具有动能。（4）从光照至发射电子，时间 10-9 s。,爱因斯坦光电效应方程：,（1）光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体

4、的表面电子逸出功。（2）入射光频谱成分一定时，产生的光电流和光强成正比。,8.2 光电效应,内光电效应：当光照在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应。光电导效应和光生伏特效应。,三、内光电效应,基于这种效应的光电器件有光敏电阻等。,在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过度到自由状态，而引起材料电导率的变化。当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半导体材料，且光辐射能量又足够强,光电材料价带上的电子将被激发到导带上去，使光导体的电导率变大。,8.2 光电效应,1、光电导效应,（1）势垒效应（结光电效应）光照射PN结时，若hEg，使价带中的电子跃迁到导带，而产生电子空穴对

5、，在阻挡层内电场的作用下，电子偏向N区外侧，空穴偏向P区外侧，使P区带正电，N区带负电，形成光生电动势。,三、内光电效应,在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有光电池和光敏二极管、三极管等。,8.2 光电效应,2、光生伏特效应,（2）侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，因载流子浓度梯度而产生侧向光电效应。光照部分吸收入射光子的能量产生电子空穴对，光照部分载流子浓度比未受光照部分的大，就出现浓度梯度，因而载流子要扩散。,三、内光电效应,（3）处于反偏的PN结 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小。,8.2 光电效应,2、光生伏特效应,有光照时，光子能量足够大产生

6、光生电子空穴对，在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向电流一致，光照越大光电流越大。 器件：光敏二、三极管。,第八章 光电式传感器,8.1 光的特性与光源8.2 光电效应8.3 光电器件8.4 光纤传感器8.5 光电式传感器应用,光电管：外光电效应器件。,一、光电管,当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量大于电子的逸出功，会有电子逸出产生电子发射。电子被带有正电的阳极吸引，在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL上产生正比于电流大小的压降。,8.3 光电器件,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。如核仪器中闪烁探测器多使用光电倍增管做光电转换元件。,二、光

7、电倍增管,光电倍增管工作原理：利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,8.3 光电器件,光电倍增管结构：由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。次阴极可达30级，通常为1214级。,光敏电阻：内光电效应器件。,三、光敏电阻,基本结构：在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，在半导体上覆盖一层漆膜。,8.3 光电器件,1、基本结构与工作原理,工作原理：光电导效应。当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,（1）暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流、光电流暗电阻：光敏电阻在未受到光照时的阻值，此时流过的电流为暗电流。亮电

8、阻：在受到光照时的电阻，此时的电流称为亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。,8.3 光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,（2）光照特性描述光电流与光照强度之间的关系。多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,（3）光谱特性光谱响应：光敏电阻灵敏度与入射波长有关。 光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关。 材料与相对灵敏度峰位波长：硫化镉，300800nm，在可见光区域，常被用作光度量测量（照度计）的探头。 硫化铅，10002500nm，响应于近红外和中红外区, 常用做火焰探测器的探头。,8.3 光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,选用时要综合考虑元

9、件和光源,（4）伏安特性所加电压越高，光电流越大，而且没有饱和的现象。但受最大功耗限制。 在给定的电压下，光电流的数值将随光照增强而增大。,（5）温度特性光敏电阻硫化铅的温度特性，峰值随温度上升向波长短的方向移动。,8.3 光电器件,三、光敏电阻,2、主要参数和基本特性,（6） 稳定性初制成的光敏电阻，由于电阻体与其介质的作用还没有达到平衡，性能不稳定。但在人工加温、光照及加负载情况下，性能可达稳定。光敏电阻在最初的老化过程中，阻值会有变化，但最后达到稳定值后就不再变化。这是光敏电阻的主要优点。光敏电阻的使用寿命在密封良好、使用合理的情况下几乎是无限长的。,8.3 光电器件,三、光敏电阻,2、

10、主要参数和基本特性,（1）光敏二极管结构与一般二极管相似。在透明玻璃外壳中，PN结装在管的顶部，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，在没有光照射时反向电流很小，称为暗电流；光照射在PN结上，PN结附近产生光生电子空穴对，在PN结处内电场作用下定向运动，形成光电流。光的照度越大，光电流越大。,光敏晶体管工作原理：基于光生伏特效应。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,因此，光敏二极管在不受光照射时处于截止状态，受光照射时处于导通状态。,（2）光敏三极管与一般晶体管相似，具有两个PN结，只是发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。,8.3 光电器件,

11、四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集电极加上相对于发射极为正的电压而不接基极时，集电结就是反向偏压，当光照射在集电结时，在结附近产生电子空穴对，会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,（3）达林顿光敏管光敏晶体管的光电灵敏度虽然比光敏二极管高得多，但在需要高增益或大电流输出的场合，需采用达林顿光敏管。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,1、结构与原理,达林顿光敏管的等效电路：一个光敏晶体管和一个晶体管以共集电极连接方式构成的集成器件。增加了一级电流放大，输出电流能力大大加强，甚至可不必

12、经过进一步放大，便可直接驱动灵敏继电器。但无光照时暗电流也增大，因此适合于开关状态或位式信号的光电变换。,（1）光谱特性 光敏管的光谱特性是指在一定照度时，输出的光电流（或用相对灵敏度表示）与入射光波长的关系。硅和锗光敏管光谱特性曲线：硅的峰值波长约为0.9m，锗的峰值波长约为1.5m，此时灵敏度最大，当入射光波长增长或缩短时，相对灵敏度都会下降。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,一般锗管的暗电流较大，因此性能较差，故在可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光的探测，用锗管较为适宜。,（2）伏安特性硅光敏晶体管的伏安特性，纵坐标为光电流，横坐标为集电极-

13、发射极电压。 与一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样。只需把光通量看作基极电流即可。晶体管具有放大作用，在同样照度下，光电流比相应的二极管大上百倍。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,（3）频率特性 光敏管的频率特性是指光敏管输出的光电流（或相对灵敏度）随频率变化的关系。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，普通光敏二极管频率响应时间达10s。光敏三极管的频率特性受负载电阻的影响，减小负载电阻可以提高频率响应范围，但输出电压响应也减小。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,光敏晶体管的频率特性,（4）温度特性光敏管的温度特性是

14、指光敏管的暗电流及光电流与温度的关系。从光敏晶体管的温度特性曲线可看出：温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。因此，光敏晶体管作为测量元件时，在电子线路中应该对暗电流进行温度补偿，否则将会导致输出误差。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,（5）光照特性光敏三极管的光照特性近似线性关系。但光照足够大时会出现饱和现象。故光敏三极管既可做线性转换元件， 也可做开关元件。,8.3 光电器件,四、光敏二极管和光敏三极管,2、基本特性,光电池是利用光生伏特效应把光能直接转变成电能的光电器件。光电池可把太阳能直接转变为电能，因此又称为太阳能电池。光电池有较大面积的PN结，当

15、光照射在PN结上时，在结的两端出现电动势。故光电池是有源元件。光电池有硒光电池、砷化镓光电池、硅光电池、硫化铊光电池、硫化镉光电池等。目前，应用最广、最有发展前途的是硅光电池和硒光电池。,8.3 光电器件,五、光电池,硅光电池的价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池的光电转换效率低、寿命短，适于接收可见光。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性与太阳光谱最吻合，且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，在宇宙飞船、卫星、太空探测器等的电源方面应用最广。,8.3 光电器件,五、光电池,硅光电池的结构,基本结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下电极

16、是一层衬底铝。,8.3 光电器件,五、光电池,1、基本结构和工作原理,工作原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般可产生0.20.6V电压50mA电流。,（1）光谱特性对不同波长的光，光电池的灵敏度是不同的。 从硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的，硅光电池波长在800nm附近，硒光电池在500nm附近。,8.3 光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的光谱特性,硅光电池的光谱响应波长范围为4001200nm，而硒光电池只能为380750nm。硅光电池可在很宽的波长范围内

17、应用。,（2）光照特性不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压与光强是非线性的，且在2000lx时趋于饱和。,8.3 光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池作为测量元件时，应作为电流源来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,（3）频率特性光电池的频率特性是反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。从硅光电池和硒光电池的频率特性曲线可知，硒光电池的频率响应较差，而硅光电池的较好。硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面。,8.3 光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的频率特性,（4）温度特性光电池温度特性，描述光电池的开路

18、电压和短路电流随温度的变化。温度漂移影响到测量精度或控制精度等重要指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。从硅光电池温度特性可知，开路电压随温度升高而下降的速度较快，而短路电流随温度升高而缓慢增加。因此光电池作为测量元件时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿。,8.3 光电器件,五、光电池,2、基本特性,光电池的温度特性,光电耦合器件又称光电隔离器。由发光元件和接收光敏元件集成在一起，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。通过电光、光电两次转换进行输入输出耦合。为了保证高灵敏度，发光元件和接收元件的波长应匹配。,8.3 光电器件,六、光电耦合器件,1、基本结构,实现

19、以光为媒介的传输，输入和输出端的电阻很高；输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗。具有传输单向性，即从发光光源至受光器件，不会反馈；有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。 发光光源为砷化镓发光二极管，具有低阻抗的特点。响应速度快，可用于高频电路。结构简单，体积小，寿命长。,8.3 光电器件,六、光电耦合器件,2、基本特性,特别适宜做数字电路开关信号传输、逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,光电开关：利用感光元件对变化的入射光加以接收，并进行光电转换，同时加以某种形式的放大和控制，从而获得最终的控制输出“开”、 “关”信号的器件。,8.3 光电器件,七、光电开关

20、,透射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴是重合的。当不透明的物体经过时，会阻断光路，使接收元件接收不到来自发光元件的光，起到了检测作用。反射式光电开关：发光元件和接收元件的光轴在同一平面且以某一角度相交，交点一般即为待测物所在处。当有物体经过时，接收元件将接收到从物体表面反射的光，没有物体时则接收不到。,光电开关的特点：小型、高速、非接触，与TTL、 MOS等电路容易结合。,for groundbreaking achievements concerning the transmission of light in fibers for optical communicationfor th

21、e invention of an imaging semiconductor circuit the CCD sensor,The Nobel Prize in Physics 2009,美国科学家威拉德博伊尔和乔治史密斯1969年共同发明了CCD图像传感器。2009年被授予诺贝尔物理学奖，获1/2奖金。CCD图像传感器：数码照相机的电子眼，通过用电子捕获光线来替代以往的胶片成像，摄影技术彻底革新；这一发明也推动了医学和天文学的发展，在疾病诊断、人体透视及显微外科等领域都有着广泛用途。获奖成就介绍评语,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,电荷耦合器件（Charge Couple Device

22、, 缩写为CCD）是一种大规模金属氧化物半导体（MOS）集成电路光电器件。CCD以电荷为信号，具有光电信号转换、存储、移位并读出信号电荷的功能。CCD集成度高、尺寸小、电压低（DC712V）、功耗小。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,CCD自1970年问世以来，因其独特的性能而发展迅速，广泛应用于航天、遥感、 工业、农业、天文及通讯等军用及民用领域信息存储及信息处理等方面，尤其适用以上领域中的图像识别技术。,嫦娥二号,嫦娥探月,CCD立体相机,8.3 光电器件,（）MOS光敏元 CCD是由若干个电荷耦合单元组成。基本单元是MOS（Metal-Oxide Semiconductor）光敏元。

23、,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,MOS单元结构：以P或N型半导体为衬底；上面覆盖一层厚度约120nm的氧化层SiO2作为电解质；再在SiO2表面依次沉积一层金属电极为栅电极，形成金属-氧化物-半导体的MOS结构单元。,空穴耗尽区：金属电极上施加正电压、衬底接地时，在电场作用下，靠近氧化层的P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，从而形成一个空穴耗尽区。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,显微镜下MOS元表面,势阱：耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱。,表面势阱：半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，

24、从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区，也称表面势阱。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构及工作原理,光照射在硅片上，在光子作用下，半导体硅产生了电子-空穴对，光生电子就被附近的势阱所吸收，而空穴被排斥出耗尽区，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到该势阱附近光强成正比。,这样一个MOS结构元为MOS光敏元叫做一个像素，存储了电荷的势阱被称为电荷包。,在半导体硅片上有成千上万个相互独立的MOS光敏元。一幅明暗起伏的图像照射在这些光敏元上，光敏元就感生出一幅与光照强度相对应光生电荷图像。这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,1、CCD的结构

25、及工作原理,（2）电信号注入法CCD通过输入结构对信号电压或电流采样，信号电压或电流转换为信号电荷。基本结构：在衬底上扩散上N区，形成PN结。 工作原理：IG加正偏压。PN结中的电子经IG沟道进入1下的势井。IGt正脉冲，QID t。,（1）光注入法CCD受到光照，栅极附近产生电子-空穴对，电子被收集在势阱中形成信号电荷，存储起来。存储量正比于光强，反映图像明暗。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,2、信号电荷的产生,（1）移位寄存器的结构MOS结构，由金属电极、氧化物、半导体三部分组成。与MOS光敏元的区别在于，半导体底部覆盖了一层遮光层，防止外来光线干扰。,MOS光敏元的光电转换功能将投

26、射到光敏元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成正比的、大小不等的电荷包空间分布。CCD电荷耦合器件直接产生的为电荷信号而不是电压、电流信号。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,3、电荷转移原理（移位寄存器）,移位寄存器的作用：移位寄存器的移位功能将光生电荷“图像”转移出来，从输出电路上检测到幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像。也称为读出移位寄存器。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,3、电荷转移原理,（2）电荷转移原理电荷转移的控制方法，非常类似于步进电机的步进控制方式，也有二、三、四相等控制方式之分。三相控制方

27、式的电荷定向转移过程。,（2）电荷定向转移原理经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。随着控制脉冲的变化，信号电荷便从CCD一端转移到终端，实现电荷的耦合与定向转移。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,3、电荷转移原理,CCD信号电荷输出方式：电流输出和电压输出两种。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,4、CCD信号电荷的输出,在衬底上扩散上N区，形成PN结。,OG加正偏压形成沟道，PN结加反偏电压形成深势阱，3势阱中电荷经沟道流入PN势阱，电荷上流成电流，在负载电阻上输出与电荷成正比的电压。,CCD = MOS光敏元 + 输入输出端CCD固态图像传感器=

28、MOS光敏器件 +移位寄存器,感光部分：照射的光学图像通过MOS光敏元的光电转换功能转换成电信号“图像”，即光强的空间分布转换为与光强成正比、大小不等的电荷包空间分布。,电荷耦合器件用于固态图像传感器中，作为摄像或像敏的器件。组成：CCD固态图像传感器由感光部分和移位寄存器组成。功能：照射在CCD上的光学图像转换为电信号图像。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,5、CCD固态图像传感器,移位寄存器：光生电荷“图像”通过移位寄存器的移位功能转移出来，从输出电路上检测到幅度与光生电荷包成正比的电脉冲序列。,转移控制栅控制光电荷向移位寄存器转移。在移位寄存器上施加时钟脉冲，转移到移位寄存器内的信号

29、电荷由移位寄存器串行输出。,分类：根据光敏元件排列形式的不同，CCD固态图像传感器可分为线型和面型两种；根据CCD结构形式的不同，有单沟道CCD、双沟道CCD、帧转移结构CCD、行间转移结构CCD等。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,5、CCD固态图像传感器,（1）线型CCD图像传感器线型CCD图像传感器是由分别直线排列MOS光敏单元和移位寄存器构成，光敏单元与移位寄存器之间有一个转移控制栅。,（2）面型CCD图像传感器按一定方式排列一维线型光敏单元及移位寄存器成二维阵列构成面型CCD。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,5、CCD固态图像传感器,面型CCD图像传感器有三种基本类型：线转

30、移型、帧转移型和行间转移型。,（2）面型CCD图像传感器线转移面型CCD：行扫描发生器、感光区和输出寄存器等组成。特点：有效光敏面积大，转移速度快，转移效率高等，但电路比较复杂，易引起图像模糊。,8.3 光电器件,八、电荷耦合器件,5、CCD固态图像传感器,行间转移型CCD：应用最多的一种结构形式，光敏单元与垂直转移寄存器交替排列。特点：感光单元面积减小，图像清晰，但单元设计复杂。,帧转移面型CCD：由光敏元面阵（感光区）、存储器面阵和输出移位寄存器三部分构成。特点：结构简单，光敏单元密度高，但增加了存储区。,线型CCD图像传感器主要用于测试、传真和光学文字识别技术等方面。要获得整个二维图像的

31、视频信号必须用扫描的方法。 面型CCD图像传感器主要用于图象的传感，如固体摄像器件，图象存储和图象处理器件。,PSD一般为制作在同一硅片上的PIN结构。上面为P层，下面为N层，在P层和N层之间有一层高电阻率的本征半导体I层。,位置敏感器件（Position Sensitive Detector, 简称PSD）：一种敏感感光面上入射光点位置的器件，也称为坐标光电池，输出信号与光点在光敏面上的位置有关。PSD具有高灵敏度、高分辨率、响应速度快和配置电路简单等优点，在位置坐标的精确测量、位置变化检测、位置跟踪、工业自动控制等领域得到了越来越广泛的应用。,8.3 光电器件,九、位置敏感器件,1、PSD

32、的结构与原理,光斑能量中心相对于器件中心位置xA，只与I1和I2电流的差值及总电流I0之间的比值有关，与入射光能的大小无关。,P层是光敏层，也是一个均匀的电阻层，在P层表面电阻层的两端各设置一输出极。,8.3 光电器件,九、位置敏感器件,1、PSD的结构与原理,当入射光照射到PSD的光敏层时，在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷，此电荷形成的光电流通过P型电阻层分别由电极和电极输出。,设电极、距光敏面中心点的距离分别为L，光束入射点的位置距中心点的距离为xA，流过两电极的电流分别为I1和I2，则有,PSD有两种：一维PSD和二维PSD。,8.3 光电器件,九、位置敏感器件,2、PSD的种

33、类与应用,一维PSD的感光面大多为细长的矩形条。主要用来测量光点在一维方向上的位置或位置移动量。,二维PSD的感光面是方形的。用来测定光点在平面上的二维（x，y）坐标。,第八章 光电式传感器,8.1 光的特性与光源8.2 光电效应8.3 光电器件8.4 光纤传感器8.5 光电式传感器应用,1966年，高锟就在光纤物理学上取得了突破性成果，计算出如何使光在光导纤维中进行远距离传输。这项成果最终促使光纤通信系统问世，正是光纤通信为当今互联网的发展铺平了道路。高锟因在“有关光在纤维中的传输及用于光学通信方面”做出了突破性成就，获2009年诺贝尔物理学奖，1/2奖金。,8.4 光纤传感器,8.4 光纤

34、传感器,光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一种新技术，伴随着光纤及光通信技术的发展而逐步形成的。,光纤传感器特点： 不受电磁干扰，高绝缘强度，防爆性好；体积小，重量轻，可绕曲，耐腐蚀；灵敏度高，集传感与传输于一体，能与数字通信系统兼容等。,光纤传感器可用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、磁、电、声和PH值等70多个物理量的测量，在自动控制、在线检测、故障诊断、安全报警等方面具有极为广泛的应用潜力和发展前景。,8.4 光纤传感器,一、光纤的基本结构和传输原理,1、光纤的结构,光导纤维简称光纤，一种特殊结构的光学纤维。光纤材料：基本为石英玻璃，有不同掺杂。,光纤导光能力取决于纤芯和包

35、层的性质，纤芯的折射率N1略大于包层的折射率N2。,光纤主要由三部分组成：纤芯中心的圆柱体包层围绕着纤芯的圆形外层护套在包层外面还常有一层保护套，多为尼龙材料，以增加机械强度。,8.4 光纤传感器,一、光纤的基本结构和传输原理,2、光纤的传光原理,光在光纤中传播基于光的全反射。,当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成i角时，在端面发生折射进入光纤后, 又以i角入射至纤芯与包层的界面，光线有一部分透射到包层，一部分反射回纤芯。,但当入射角i小于临界入射角c时，光线就不会透射界面，而全部被反射，光在纤芯和包层的界面上反复逐次全反射，呈锯齿波形状在纤芯内向前传播，最后从光纤的另一端面射出。这就是光纤的传

36、光原理。,8.4 光纤传感器,一、光纤的基本结构和传输原理,2、光纤的传光原理,光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质决定的，与光纤的几何尺寸无关。,实际工作时需要光纤弯曲，但只要满足全反射条件，光线仍然继续前进。这里光线“转弯”实际上是由光的全反射所形成的。,8.4 光纤传感器,二、光纤的基本特性,1、数值孔径,数值孔径（NA）定义为,临界入射角c的正弦函数定义为光纤的数值孔径。数值孔径表征光纤集光本领的一个重要参数，即反映光纤接收光量的多少。,物理意义：无论光源发射功率有多大，只有入射角处于2c的光椎角内，光纤才能导光。,光纤的NA越大，集光能力越强，一般希望数值孔径大，这有利于提高耦合效

37、率。数值孔径过大，会造成光信号畸变。数值孔径选择要适当，石英光纤常选0.20.4。,8.4 光纤传感器,二、光纤的基本特性,2、光纤模式,光纤模式是指光波传播的途径和方式。不同入射角度的光线，在界面反射的次数是不同的，传递的光波之间的干涉所产生的横向强度分布也是不同的，这就是传播模式不同。,单模光纤：一般纤芯直径为212m，只能传输一种模式称为单模光纤。这类光纤的传输性能好，信号畸变小，信息容量大，线性好，灵敏度高；但因纤芯尺寸小，制造、连接和耦合都比较困难。,光纤模式值定义为,为纤芯半径；0入射光波长。,8.4 光纤传感器,二、光纤的基本特性,2、光纤模式,多模光纤：纤芯直径较大（50100

38、m），传输模式较多称为多模光纤。这类光纤的性能较差，输出波形有较大的差异，但因纤芯截面积大，故容易制造，连接和耦合比较方便。,单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤。,阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致。,梯度型：折射率呈聚焦型。折射率轴线上最大，离开轴线逐步降低，边沿处与包层区一样。,光纤传输损耗定义为长度L(km)的光纤输出端光功率Po与输入端光功率Pi的比值，用分贝(dB)表示。衰减率为,8.4 光纤传感器,二、光纤的基本特性,3、光纤传输损耗,光纤传输损耗（或称为衰减）主要来源于材料吸收损耗、散射损耗和光波导弯曲损耗。,在一根率减率为10dB/km的光纤中，表示当光纤传

39、输1km后，光强下降到入射时的1/10。,散射损耗：主要是由于材料密度及浓度不均匀引起的，这种散射与波长的四次方成反比。因此散射随着波长的缩短而迅速增大。在近红外波段有最小的传输损耗。长波长光纤已成为目前发展的方向。,8.4 光纤传感器,二、光纤的基本特性,3、光纤传输损耗,吸收损耗：光纤材料中存在杂质离子、原子的缺陷等会吸收光，从而造成材料吸收损耗。,光纤拉制时粗细不均匀以及纤芯与包层界面的不光滑、污染等，也会造成严重的散射损耗。,弯曲损耗：使用过程中可能产生的一种损耗。光波导弯曲会引起传输模式的转换，激发高阶模进入包层产生损耗。,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,1、光纤传感器基本原理,

40、光调制原理：在调制区内，外界信号（温度、压力、应变、位移、 振动、电场等）与光的相互作用，即光被外界参数调制的原理。外界信号可能引起光的强度、波长、频率、相位、偏振态等光学性质的变化，从而形成不同的调制。,五个基本部分：光源、敏感元件（光纤或非光纤的）、光探测器、信号处理系统以及光纤等。光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数作用于敏感元件，调制后的光信号经光探测器转换为电信号。,2、光纤传感器组成,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,光纤传感器目前可测量70多种物理量，种类很多，一般可分为功能型和非功能型两类。,3、光纤传感器分类,功能型（Functional Fiber，缩写为FF）：

41、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器传感器，又称为传感型传感器。非功能型（Non Functional Fiber，缩写为NFF）：光纤仅起传输光的作用，在光纤端面或中间加装敏感元件感受被测量的变化，又称为传光型传感器。,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,相位的变化,（1）功能型光纤传感器光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能，光纤在被测对象作用下，相位、光强、偏振态等光学特性受到调制，调制后 的信号携带了被测信息。,3、光纤传感器分类, 相位调制型光纤传感器当真空中的光入射到长度为l、折射率为n、直径为的d光纤时，当ld，入射端面为基准，则出射光的相位为,因此，应变和折射率的

42、变化会产生相位的变化。测量物理量：温度、压力、加速度等。,调制解调方法：常采用干涉技术。 常用干涉测量仪器：马赫泽德干涉仪、迈克耳逊干涉仪、赛格纳克干涉仪等。,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,3、光纤传感器分类,（1）功能型光纤传感器,相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示,特点：内部变化，宜在恶劣环境中应用，灵敏度高，结构简单，性能稳定。,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器, 光强调制型光纤传感器原理：光纤微弯曲损耗。,3、光纤传感器分类,（1）功能型光纤传感器 相位调制型光纤传感器例如：迈克耳逊干涉调制解调技术。,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,3、光纤传感器分类,（1）功能型

43、光纤传感器,8.4 光纤传感器,三、光纤传感器,3、光纤传感器分类,（2）非功能型光纤传感器传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介，待测对象的调制功能由光电转换元件实现。,第八章 光电式传感器,8.1 光的特性与光源8.2 光电效应8.3 光电器件8.4 光纤传感器8.5 光电式传感器应用,8.5 光电式传感器应用,光电测量方法灵活多样，可测参数众多，又具有非接触、高精度、高分辨率、高可靠性和响应快等优点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等相继应用，使光电式传感器在检测和控制领域应用非常广泛。光电式传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,8

44、.5 光电式传感器应用,一、光纤加速度传感器,光纤加速度传感器是一种简谐振子的结构形式。激光束通过分光板后分为两束光，透射光作为参考光束，反射光作为测量光束。当传感器感受加速度时，质量块M对光纤作用，从而使光纤被拉伸，引起光程差的改变，进而反射光相位发生变化。,相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应。激光干涉仪干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号， 经过信号处理电路处理后便可以正确地测出加速度值。,8.5 光电式传感器应用,二、光纤温度传感器,根据工作原理光纤温度传感器可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。光强调制半导体光吸收型光纤温度传感器的结构由半导体光吸收器

45、、光纤、光源和包括光探测器在内的信号处理系统等组成的。,半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化。光透过率特性曲线随温度的增加向长波方向移动，透射过半导体材料的光强随温度而变化，探测器检测输出光强的变化即可测量温度。,8.5 光电式传感器应用,二、光纤温度传感器,半导体光吸收型光纤传感器的测量范围随半导体材料和光源而变，一般在-100300温度范围内进行测量，响应时间约为2s。特点：体积小、结构简单、时间响应快、工作稳定、成本低、便于推广应用。,8.5 光电式传感器应用,三、光纤位移传感器,反射式光纤位移传感器利用光纤实现无接触位移测量。光源经一束多股光纤将光信号传送至端部，并照射到被测物体上。

46、另一束光纤接受反射的光信号，并通过光纤传送到光敏元件上。被测物体与光纤间距离变化，反射到接受光纤上，光通量发生变化。再通过光电传感器检测出距离的变化。,8.5 光电式传感器应用,四、光纤式光电开关,遮断型光纤光电开关,8.5 光电式传感器应用,四、光纤式光电开关,缺料检测或计数,机械手控制,螺丝长度和有无的检测,断线监测,8.5 光电式传感器应用,五、光电开关应用,鉴别不同高度物体,高度判别,缺件剔除,料位控制,8.5 光电式传感器应用,五、光电开关应用,自动扶梯自动启停,汽车通过检测,汽车喷涂控制,门窗防盗控制,8.5 光电式传感器应用,六、光幕传感器应用,自动装配机的侵入检测,机器人工作区

47、安全检测,8.5 光电式传感器应用,七、光电池路灯自动控制器,天黑： BG1导通，J动作，路灯亮。天亮： 光电池电动势，BG1截止，J释放，路灯灭。,8.5 光电式传感器应用,八、光电转距测量仪,光栅盘：有机玻璃，数量相等的黑色条纹。无转矩作用：光栅盘1的透光部位对准光栅盘2的黑色部分，无信号。有转距作用：扭转，光栅盘间有角度，透光窗口，转矩成正比。,8.5 光电式传感器应用,九、太阳能电池电源系统,发电装置：单体太阳能电池太阳电池组件阵列调节控制器：充放电自动控制阻塞二极管：避免蓄电池对太阳电池放电,8.5 光电式传感器应用,十、光电式太阳能自动跟踪控制器,B1、B3安装在控制电路外壳的同一

48、侧，B2、B4安装在另一侧。B1、B3受光照：3电位增大，K1工作，3、1闭合；5电位减小，K2不工作，3、2闭合，M正转。B2、B4受光照：M反转。面向太阳：两侧光照相同，K1、K2同时工作，M停止。,8.5 光电式传感器应用,十一、光电管在电影放映机上的应用,影片声音重放过程,录制： 声音机械振动通过光束宽度变换记录在电影胶片上宽度不同的影像声迹重放： 光声迹光电管 声迹宽度起伏变化光线强弱变化光电流变化,8.5 光电式传感器应用,十二、光电式注油液位控制装置,8.5 光电式传感器应用,十三、光电式心率测量装置,脉搏跳动生物组织血液量变化传输光的性能变化变化速率心率,手指光反射强度变化的测

49、量,8.5 光电式传感器应用,十四、光电式条形码扫描笔,8.5 光电式传感器应用,十五、红外线警戒报警器,8.5 光电式传感器应用,十六、光电式大米分选机,在光照下，大米、杂质发出的光信号不同。,8.5 光电式传感器应用,十七、光电式可逆计数器,出入场人数统计,8.5 光电式传感器应用,十八、光电吸收式烟尘浊度检测仪,十九、透射式光电传感器测狭缝,8.5 光电式传感器应用,二十、光电式高低电压隔离数据传输通道,8.5 光电式传感器应用,二十一、光电式烟雾报警器,8.5 光电式传感器应用,二十二、光电式浊度计,8.5 光电式传感器应用,二十三、光电式测量运动物体速度装置,8.5 光电式传感器应用

50、,二十四、光电开关的类型及应用,8.5 光电式传感器应用,二十五、直射式光电转速传感器,组成： 开孔圆盘、光源、光敏元件及缝隙板等。原理： 通过测量光敏元件输出的脉冲频率f来测转速n=f/NN圆盘孔数。,8.5 光电式传感器应用,二十六、CCD传感器应用各类工件尺度测量,测量：拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直径，等等。例如：玻璃管直径与壁厚的测量。,玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。,8.5 光电式传感器应用,二十七、CCD传感器应用数码相机,索尼F828数码相机,8.5 光电式传感器应用,二十八、