导图社区 光电式传感器
传感器与检测技术第九章光电式传感器的思维导图，包括：概述、光电效应与光电器件、光电式编码器、光线传感器、COM固体图像传感器。
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光电式传感器
概述
光电传感器是利用光电器件把光信号转换成电信号的装置
特点
可实现非接触式测量
结构简单
响应速度快
高精度
高分辨率
高可靠性
抗干扰能力强
分类
按工作原理不同
光电效应传感器
基本形式
按测量光路组成来看
透射式光电传感器
反射式光电传感器
辐射式光电传感器、
开关式光电传感器
红外热释电传感器
固体图像传感器
光纤传感器
光电效应与光电器件
光电效应
光电传感器的工作基础
用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应
每个光子的能量E=h×w
按工作原理分
外光电效应
内光电效应
外光电效应型光电器件
在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象称为外光电效应，又称光电子发射效应
光电子的电磁能转化为光电子动能
爱因斯坦光电效应方程
当入射光频率不变时，单位时间内发射的光电子数与入射光强度成正比。
对于外光电效应器件，只要光照射在器件阴极，即使阴极电压为0，也会产生光电流，因为光电子逸出具有初始动能
光电管
真空光电管
光电流的大小主要取决于阴极灵敏度和入射光辐射的强度
充气光电管
管内充有少量惰性气体
形成光电流更大，灵敏度更高
稳定性差，温度影响大
主要性能
伏特性能
在一定光照射下，对光电管所加电压与所产生的光电流之间的关系
光电流随光强增加而增加
相同光照下，一定范围内光电流随电压增大而增大，光电子全部被阳极收集后，光电流不再增大
光照特性
在一定电压下，光通量与光电流之间的关系成为光电管的光照特性
斜率为光电管灵敏度：光电流与光通量之比
曲线1为（银）氧艳阴极光电管的光照特性，光电流和光通量成线性关系
曲线2为锑艳阴极的光电管的光照特性，呈非线性
光谱特性
曲线1、2分别为（银）氧艳阴极、锑艳阴极对应不同光线的灵敏度，曲线3为多种成分（锑、钾、钠、铯等)阴极的光谱特性曲线
不同光电阴极材料的光电管，对同一波长的光有不同的灵敏度
同一种阴极材料的光电管对于不同波长的光灵敏度不同
响应时间
峰值探测率
温度特性
光电倍增管
放大电流
主要参数
倍增系数M
与所加电压有关，一般M在10e5~10e8
各倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积
若n个倍增电极一样
阳极电流
光电倍增管的电流放大倍数
光电阴极灵敏度
一个光子在阴极所能激发的平均电子数
光电倍增管总灵敏度
不能受强光照射，易损坏
一个光子入射在阴极上，最后在阳极上能收集到的总的电子数。该值与加速电压有关，极间电压越高，灵敏度越高
暗电流
由于环境温度、热辐射等因素，没有光信号，加上电压后阳极仍有电流
可用补偿电路消除
提高外光电效应（或灵敏度）的途径
光电阴极材料的选取
加惰性气体
适当加大阴极、阳极间电压
加次阴极（光电倍增管）
内光电效应型光电器件
物体在光照作用下产生的光电子只在物体内部运动，而不会逸出的现象
多发生在半导体内
因光照引起半导体电阻率变化的光导效应
因光照产生电动势的光生伏特效应
基于光导效应的光敏电阻
半导体制成，既可加交流也可加直流电压
无光照，暗电阻很大，暗电流很小
受光照，亮电阻急剧减小，电路电流迅速增大
暗电阻越大，亮电阻越小，光敏电阻灵敏度高
暗电阻阻值在兆欧量级，亮电阻在几千欧以下
暗电阻
光敏电阻不受光照时的阻值
亮电阻
光电流
亮电流与暗电流之差
基本特性
伏安特性
电压越高，光电流越大
给定电压，光电流随光照增强而增大
斜率反应阻值，阻值与入射光强有关
绝大多数光照曲线非线性
光敏电阻一般用作开关式光电信号传感器
光电流I和光照强度之间关系
不同波长入射光对应不同灵敏度
不同光敏电阻的最敏感光波长不一样，决定了它们的适用范围不一样
频率特性
硫化铅的使用频率范围较大
光电流不能随着光强的改变而立刻变化，即光敏电阻产生的光电流有一定的惰性，这种惰性用时间常数表示，对应不同材料的频率特性
时间常数
光敏电阻自停止光照起到电流下降为原来的63%所需要的时间
时间常数越小，响应越快
基于光生伏特效应的光电池、光敏管
光电池
直接将光能转换为电能的光电器件，电源
工作原理
光生伏特效应
硅光电池最常用
符号及电路
不同波长光灵敏度不同
不同材料光电池的光谱响应峰值对应入射光波长不同
短路电流与光照强度成线性关系，开路电压与光照强度呈非线性
光电池作为测量元件时，视为电流源
负载增加，线性关系变差
不同光照度下，光电流与光生电动势的关系
光电池PN结面积大，极间电容大，频率特性较差
硅谷电池在1000lx光照下
开路电压和短路电流随温度变化的情况
温度对光电池工作影响较大，当它作为测量元件时，最好保证温度恒定，或采取温度补偿措施
光敏二极管和光敏三极管
与光电池的区别
光敏二极管和三极管PN结处于反向偏置，无光照时反向电阻很大，处于截止状态，有光照下，产生光生的电子-空穴对，在PN结电场作用下电子向N区移动，空穴向P区移动
光敏晶体管
具有两个PN结，发射极一边做的很大，扩大光的照射面积
NPN：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
光照射在集电结时，会在结附近产生电子-空穴对，光生电子拉到集电极，基区留下空穴，被正向偏置的发射结节发出的 自由电子填充，形成光电流Ib
空穴使基极与发射极之间电压升高，这样便会有大量发射区的电子流向集电极，形成输出电流Ic，且集电极电流为光电流的β倍，故光敏晶体管有放大作用
光敏晶体管在照度一定时，输出的光电流（或相对光谱灵敏度）随入射光的波长而变化的关系
光敏晶体管在照度一定的条件下，光电流与外加电压的关系
光敏晶体管的光电流比相同管型光敏二极管的光电流大上百倍
光敏晶体管在偏执电压为0时，无论光照强度，集电极电流都为0，说明光敏晶体管必须在一定偏置电压作用下才能工作
光照度越大，产生的光电流越强
光敏二极管的光照特性曲线线性较好
光敏晶体管在照度较小时，光电流随光照增加缓慢，在照度较大时，光电流存在饱和
光敏二极管频率特性好，适用于测量快速变化的光信号
光敏晶体管存在发射结电容和基区渡越时间，频率响应较差且和光敏二极管一样负载电阻越大，高频响应越差
光敏二极管和光敏晶体管的主要差别
光敏二极管一般只有几微安到几百微安
光敏晶体管在几毫安以上，至少几百微安
相差十倍至百倍
光敏二极管响应时间在100ns一下
光敏晶体管在5~10us
工作频率较高时选用光敏二极管，工作频率较低选用光敏晶体管
输出特性
光敏二极管有很好的线性特性
光电式编码器
编码器是将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器
码盘式编码器
组成
又称绝对编码器
因测量时根据码盘的起始和终止位置可以确定角位移，而与转动的中间过程无关
由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成
每个码道上都有暗区和亮区
工作过程
亮区对应1，暗区对应0
当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小
编码方式
编码器码盘按其所用码制可分为二进制、十进制和循环码、
4位二进制码盘
最内圈码盘一半透光，一半不透光
最外圈一共分为2^4=16个黑白间隔
一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为
四位二进制编码盘最小分辨率为22.5°
码盘内高外低，编码左高右低
二进制码
特点：当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变
缺点：任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差
循环码
是一种无权码，从任何数变成相邻数时，仅有一位数码发生变化
误差最多等于最低位的一个比特
分辨率与二进制一样
四位二进制码和循环码对照表
码制转换
异或，输出不一样的
被测转角不超过360°，提供的是转角绝对值
当被测角大于360°时，选用两个码盘，两者间的转速10:1，此时测角范围可扩大10倍
脉冲盘式编码器
输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减（正向或者反向旋转时）累计计数
又称增量式编码器
外圈A:增量码道
外圈B:辩向码道
光栏板上有两个狭缝，距离是码盘上两个相邻狭缝距离的四分之一倍，并设置了两组对应的光敏元件，对应图中A、B两个信号（四分之一间距差保证了两路信号的相位差为90°，便于辨向），c信号代表零位脉冲
当码盘随被测工作轴转动时，每转过一个缝隙就会发生一次光线明暗变化，通过光敏元件产生一次电信号，即一个脉冲
利用计数器记录脉冲数，就能反应码盘转过的角度
辨向原理
光敏元件1和2的输出信号经放大整形后产生矩形脉冲P1和P2，它们分别接到D触发器的D端和C端.D触发器的c脉冲（P2）上升沿触发。两个矩形脉冲相差四分之一个周期
正转时，设光敏元件1比光敏元件2先感光，即脉冲P1超前脉冲P2 90°。D触发器的输出Q=1，使逆计数器的加减控制线为高电位，计数器将作加法计数。同时P1P2又经与门Y输出脉冲P，经延时电路送到可逆计数器的技术输入端，计数器进行加法计数
当反转时，P2超前P1 90°，D触发器输出Q=0，计数器进行减法计数
设置延时电路的目的是等计数器的加减信号抵达后，正在送入计数脉冲，以保证计数脉冲不丢失
光电式编码器的应用-测转速
频率法
在给定时间内，使门电路选通，编码器输出脉冲允许进入计数器计数。
周期法
通过计数编码器一个脉冲间隔内（半个脉冲周期）标准时钟脉冲个数N2来计算其转速
光线传感器
光纤
结构
多层介质结构的同心圆柱体，包括纤芯、包层和保护层
核心部分是纤芯和包层
纤芯粗细、材料和包层材料的折射率对光纤特性起决定性影响
纤芯
光波的主要传输通道
材料主体是SIO2，并渗入微量GeO2、P2O5以提高材料的光折射率
包层
主要材料SIO2，渗入微量的B203或SIF4以降低包层对光的折射率
包层折射率略小于纤芯
保证入射到光线内的光波集中在纤芯内传输
传光原理
减小qi→增大qr
当qi减小到使qr=90°时，折射光不能进入包层，此时qi为临界入射角qc
当入射角小于临界角时，发生全反射，光纤不会射出纤芯，不断向前传播，从光纤另一端面射出，即全反射
数值孔径NA
数值孔径只取决于折射率
重要参数，反应光纤的集光能力
数值孔径越大，光信号畸变也越大
光纤模式
光波在光纤中传播途径和方式
单模光纤
直径较小（2-12μm）
只能传输一种模式
信号畸变小，信息容量大，线性度高，灵敏度高
成本高，只能用激光做光源
多模光纤
直径较大（50-100μm）
传输模式多
性能较差
纤芯面积大，传输距离几千米，可用多种光源，成本低
传播损耗
本症损耗（固有损耗）
材料吸收损耗（因材料密度及浓度不均匀引起）
散射损耗（因光纤拉制时粗细不均匀引起）
光波导弯曲损耗（因光纤在使用中可能发生弯曲引起）
外界因素引起光波特征参量（振幅、相位、频率、偏振态）发生变化
光源
一般要求光源体积尽量小
发出的光波长应合适
足够亮度
按光的相干性分
相干光
激光器
非相干光
白炽灯、发光二级管
光探测器
作用是把传送到接收端的光信号转换为电信号
与光源作用相反
常见光探测器
光敏二极管
光敏三极管
按光纤在传感器中的功能不同
功能性（传感型）光纤传感器
光纤作为敏感元件
非功能型（传光型）光纤传感器
光纤只是光信号的传输介质
按光纤传感器调制的光波参数不同
强度调制光纤传感器
相位调制光纤传感器
波长(频率）调制光纤传感器
时分调制光纤传感器
偏振调制光纤传感器
光纤传感器的应用
测温-光强调制型光线温度传感器
选定波长的光源，其透过半导体材料的光强（透过率）随温度增加而减小
测量范围随半导体材料和光源而变，通常在-100-300度），响应时间2s，测量精度在±度
光纤图像传感器
图像光纤是由数目众多的光纤组成一个图像单元（像素单元）
光纤两端，所有光纤按照统一规律整齐排列，投影在光纤束一端的图像被分解成许多像素，图像每一个像素（强度与颜色）通过一根光纤单独传送，并在另一端重建原图像
光源发出的光通过传光束照射到被测物体上，通过物镜和传光束把内部图像传送出来，以便观察、照相或者通过传像素送入CCD器件，将图像信号转换成电信号，送入微机处理
光纤漩涡式流量传感器
将一根多模光纤垂直地装入管道，当液体或气体流经与其垂直的光纤时，光纤受到流体涡流的作用而振动，振动频率与流速有关
d光纤直径
St斯托劳哈尔系数
COM固体图像传感器
CCD工作原理
CCD由若干个电荷耦合单元组成
基本单元是MOS电容器
可以存储电荷
一个MOS结构成为一个光敏元或者像素
MOS加上输入、输出结构构成CCD
电荷注入方法
CCD的信号是电荷
信号电荷产生方法
光信号注入
光信号照到CCD衬底，信号电荷的多少与光强正比
电信号注入
通过输入结构将信号电压或电流转换为信号电荷
电荷输出
输出二极管加上反向偏压，转移到终端的电荷在时钟脉冲作用下移向输出二极管，被二极管的PN结所收集，在负载上形成脉冲电流
输出电流大小与信号电荷成正比，并通过负载电阻转换为信号电压输出
CCD分类
线阵型CCD
获取线图像
接受一维光信息
用于产品尺寸检测，传真，文字识别
面阵型CCD
获取面图像
用于照相、摄像领域
CCD的特性参数
分辨率
摄像器件对物象中明暗细节的分辨能力
图像传感器最重要的特性
主要取决于感光单元之间距离（感光密度）
光电转移效率
要确保总转移效率90%以上
灵敏度及光谱响应
动态范围
噪声
CCD的主要参数
CCD的应用
计量检测器
光学信息处理
生产过程自动化
军事应用
微小尺寸自动检测
通常指自动化生产线上零件的微隙、细丝或小孔
激光照射细丝或小孔，产生衍射图像，图像中暗纹间距根据夫琅和费衍射理论计算
d=Lλ/a
衍射光强信号转换为脉冲电信号，根据脉冲数N和光敏单元间距l，计算出暗纹间距
d=Nl
细丝直径a=Lλ/d=Lλ/(Nl）
大尺寸物体光学成像
原理
光照下，被测物体通过成像透镜聚集在CCD的光敏面上，图像尺寸与被测尺寸成正比，采样接口获取测试数据，经计算显示测试数据，CCD像素，像素间距已知
