第8章-光電式傳感器

1、第第8 8章章 光電式傳感器光電式傳感器光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。最早的光電轉(zhuǎn)換元件主要是利用光電效應(yīng)原理制成的，有外光電效應(yīng)的光電管、光電倍增管；內(nèi)光電效應(yīng)的光敏電阻、光導(dǎo)管；阻擋層光電效應(yīng)的光電二極管、光電晶體管及光電池等。新發(fā)展的光電轉(zhuǎn)換元件主要有電荷藕合傳感器（CCD）、光纖傳感器、光電編碼器、計量光柵等，除具有直接測量光信號外，還可以間接測量溫度、壓力、加速度、速度及位移等多種物理量，具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其發(fā)展速度快、應(yīng)用范圍廣，具有很大的應(yīng)用潛力。 分類按工作

2、原理可分為：1. 光電效應(yīng)傳感器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，這些因光照引起物體電學(xué)特性改變的現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。應(yīng)用光敏材料的光電效應(yīng)制成的光敏器件稱為光電效應(yīng)傳感器。2. 紅外熱釋電探測器紅外熱釋電探測器是對光譜中長波（紅外）敏感的器件。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。8.1 8.1 光電式傳感器的類別光電式傳感器的類別3. 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)移功能制成的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

3、號的MOS金屬氧化物半導(dǎo)體圖像傳感器。4. 光纖傳感器光纖傳感器是唯一的有源光敏傳感器。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。 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，光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便, 而且有較高的可靠性，因此在自動檢測、計算機(jī)和控制系統(tǒng)中，應(yīng)用非常廣泛。光電效應(yīng)是指在光照射下，物體中的電子吸收了入射光子的能量，發(fā)生電學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)、外光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。1. 內(nèi)光電效

4、應(yīng)內(nèi)光電效應(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。即物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化的現(xiàn)象。如：光敏電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件，為純電阻元件。由于電阻沒有極性，使用時既可加直流電壓，也可以加交流電壓。其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，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

5、電阻值一般在兆歐量級，亮電阻值在幾千歐以下。光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示，管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，雖然產(chǎn)生的載流子也有少數(shù)擴(kuò)散到內(nèi)部去，但擴(kuò)散深度有限，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案。光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響，因此要將光導(dǎo)電體嚴(yán)密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小。光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛

6、。不足是需要外部電源，有電流時會發(fā)熱。2. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng)在光照作用下，物體內(nèi)電子逸出物體表面，在回路中形成光電流的現(xiàn)象。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，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。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 RGRLEI 光電管有真空光電管和充氣光電管兩類，兩者結(jié)構(gòu)相似。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。在真

7、空玻璃管內(nèi)裝入兩個電極光電陰極與光電陽極。光電管的陰極受到適當(dāng)?shù)墓饩€照射后發(fā)射電子，這些電子在電壓作用下被陽極吸引，形成光電流。在外電路串入一適當(dāng)阻值的電阻，則在該電阻的電壓降或電路中電流的大小都與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換。玻璃管內(nèi)充入氬、氖等惰性氣體。當(dāng)光電子被陽極吸引時會對惰性氣體進(jìn)行轟擊，從而產(chǎn)生更多的自由電子，提高了光電轉(zhuǎn)換靈敏度。當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點(diǎn)幾A，不容易探測，需要用光電倍增管對電流進(jìn)行放大。它由光陰極、光陽極和若干個倍增極組成。倍增極上涂有在電子轟擊下能發(fā)射更多電子的材料。在各倍增極上均加一定的電壓，并且電位逐漸升高，即陰極電位最低

8、，陽極最高。當(dāng)有入射光照射時，前一級倍增極反射的電子恰好轟擊后一級倍增極，產(chǎn)生二次電子發(fā)射，如此不斷倍增。光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬到幾百萬倍。因此在很微弱的光照時，它就能產(chǎn)生很大的光電流。光電倍增管的靈敏度高，適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則容易損壞。3. 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光線作用下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，即阻擋層光電效應(yīng)，如光電池、光敏晶體管等就屬于這類光電器件。光電池的種類很多，應(yīng)用最廣的是硅光電池和硒光電池等。硅光電池的結(jié)構(gòu)如圖，它是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)（如硼）形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠

9、大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。光電池的基本特性包括：(1)光譜特性 光電池對不同波長的光，其光電轉(zhuǎn)換靈敏度是不同的，即光譜特性，如圖12-6所示。硅光電池的光譜響應(yīng)范圍4001200nm，光譜響應(yīng)峰值波長在800nm附近；硒光電池的光譜響應(yīng)范圍380750nm，光譜響應(yīng)峰值波長在500nm附近。(2)光照特性光生電動勢U與照度E之間的特性曲線，稱為開路電壓曲線。光電流I與照度E之間的特性曲線，稱為短路電流曲線。

10、由圖12-7可見，短路電流在很大范圍內(nèi)與光照呈線性關(guān)系，開路電壓與光照度的關(guān)系是非線性的，當(dāng)照度為2000lx時趨向飽和。（a）硅光電池 （b）硒光電池 (3)頻率特性光電池作為測量、計數(shù)、接收元件時常用調(diào)制光輸入。光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由于光電池PN結(jié)面積較大，極間電容大，故頻率特性較差，(4)溫度特性光電池的溫度特性是指開路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。由圖可見，開路電壓與短路電流均隨溫度而變化，它將關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器設(shè)備的溫度漂移，影響到測量或控制精度等主要指標(biāo)。因此，當(dāng)光電池作為測量元件時，最好能保持溫度恒定，或采取溫度補(bǔ)償措施。開路電壓和短路電流

11、隨溫度變化的關(guān)系電荷耦合器件（Charge Couple Device，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，功能是把光學(xué)信號變成視頻信號輸出。由于CCD不但具有體積小、重量輕、功耗小、電壓低和抗燒毀等特點(diǎn)，而且具有分辨率高、動態(tài)范圍大、靈敏度高、實時傳輸和自動掃描等優(yōu)點(diǎn)。CCD自1970年問世以來，由于其獨(dú)特的性能而發(fā)展迅速，廣泛應(yīng)用于自動控制和自動測量中。8.2 CCD8.2 CCD傳感器傳感器 基本原理1. 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。一個MOS電容器是一個光敏元件，可以感應(yīng)一個象素點(diǎn)。如果測量

12、中需要有1024256個象素點(diǎn)，就需要同樣多的光敏元件。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)稱為一個光敏元件或一個像素。將MOS陣列加上輸入、輸出結(jié)構(gòu)就構(gòu)成了CCD器件，如圖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 Vg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

13、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Vg 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(qiáng)成正比。3. 電荷轉(zhuǎn)移原理CCD的基本功能是存儲與轉(zhuǎn)移信息電荷。CCD器件基本結(jié)構(gòu)是一系列彼此非?？拷?520m）的MOS光敏元件，這些光敏元件使用同一半導(dǎo)體襯底，且MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰MOS電容的勢阱相互溝通，即相互耦合。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

14、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光敏元件陣列上所加的各路電壓脈沖要求嚴(yán)格滿足相位要求。在CCD的MOS陣列上劃分成以幾個相鄰MOS電荷為一單元的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)。每一單元稱為一位，將每一位中對應(yīng)位置上的電容柵極分別連到各自共同電極上，此共同電極稱相線。一位CCD中含的電容個數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個數(shù)一般來說即為CCD的位數(shù)。通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時鐘脈沖也分別為二相、三相、四相。當(dāng)這種時序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時，將實現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)移。依次下去，通過脈沖電壓的變化，在半導(dǎo)體表面形成不同的勢阱，且右邊產(chǎn)生更

15、深勢阱，左邊形成阻擋電勢勢阱，使信號電荷自左向右作定向移動，在時鐘脈沖控制下從一端移位到另一端，直到輸出。4. 電荷注入方法在電荷注入CCD中，有電壓信號注入和光信號注入。CCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，通常采用電流注入和電壓注入，如圖 (b)所示。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷，注入勢阱中，注入的電荷量 。CCD在用作圖像傳感時，信號電荷由光生載流子得到，即光注入，如圖12-13(a)所示。光注入的方式常見的有：正面照射和背面照射方式，當(dāng)光信號照射到CCD硅

16、片表面時，在柵極附近的半導(dǎo)體體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，其多數(shù)載流子（空穴）被排斥進(jìn)入襯底，而少數(shù)載流子（電子）則被收集在勢阱中，形成信號電荷，并存儲起來。電極下收集的電荷大小取決于照射光的強(qiáng)度和照射時間。在電荷注入CCD中，有電壓信號注入和光信號注入。CCD在用作信號處理或存儲器件時，電荷輸入采用電注入。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)對信號電壓或電流進(jìn)行采樣，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷。電注入的方法很多，通常采用電流注入和電壓注入，如圖 (b)所示。CCD通過輸入結(jié)構(gòu)，將信號電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號電荷，注入勢阱中，注入的電荷量 。DQIt5. 電荷的輸出在CCD中，有效地收集和檢測電荷是一個重要問題。CCD

17、的重要特性之一是信號電荷在轉(zhuǎn)移過程中與時鐘脈沖沒有任何電容耦合，而在輸出端則不可避免。因此，選擇適當(dāng)?shù)妮敵鲭娐房梢詼p小容性負(fù)載對時鐘的影響。如圖12-14所示，OG為輸出柵，它是CCD末端襯底上制作的一個輸出二極管，當(dāng)其加上方向偏壓時，移動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 RL上形成脈沖電流 Io。輸出電流的大小與信號電荷的大小成正比并通過負(fù)載 RL轉(zhuǎn)換為信號電壓 Uo輸出。 分類 線陣型CCD線陣CCD可以直接接收一維光信息，它通常是由512、1024、2048、4096等個像敏元呈一維排列。光敏陣列與轉(zhuǎn)移區(qū)移位寄存器是分開的，移位寄存器被遮擋。線陣

18、CCD可分為雙溝道傳輸與單溝道傳輸兩種結(jié)構(gòu)，如圖12-15(a)為單溝道，12-15(b)為雙溝道。2. 面陣型CCD面陣CCD圖像器件的感光單元呈二維矩陣排列，能檢測二維平面圖像，按傳輸和讀出方式的不同，可分為行傳輸、幀傳輸和行間傳輸三種。2. 面陣型CCD面陣型CCD的優(yōu)點(diǎn)是可以獲取二維圖像信息，測量圖像直觀，應(yīng)用面較廣，如面積、形狀、尺寸、位置，甚至溫度等的測量。缺點(diǎn)是像元總數(shù)多，而每行的像元數(shù)一般較線陣少，幀幅率受到限制。3. CCD的特性參數(shù)(1)轉(zhuǎn)移效率和轉(zhuǎn)移損失率電荷轉(zhuǎn)移效率是表征CCD性能好壞的重要參數(shù)。定義為一次轉(zhuǎn)移后，到達(dá)下一個勢阱中電荷與原來勢阱中的電荷之比：(0)( )

19、( )1(0)(0)QQ tQ tQQ (2)分辨率分辨率是指CCD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。(3)工作頻率由于CCD器件是工作在MOS的非平衡狀態(tài)，所以驅(qū)動脈沖頻率的選擇就顯得十分重要。頻率太低，熱激發(fā)的少數(shù)載流子過多地填入勢阱，從而降低了輸出信號的信噪比。信號頻率太高，又會降低總轉(zhuǎn)移率，減少了信號幅值，同樣降低了信噪比。(4)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103104數(shù)量級。(5)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

20、越大。暗電流的產(chǎn)生不均勻，在CCD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，暗電流大的地方，多數(shù)會出現(xiàn)暗電流尖峰。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。對于每個器件，產(chǎn)生暗電流尖峰的缺陷總是出現(xiàn)在相同位置的單元上，利用信號處理，把出現(xiàn)暗電流尖峰的單元位置存貯在PROM（可編程只讀存貯器）中，單獨(dú)讀取相應(yīng)單元的信號值，就能消除暗電流尖峰的影響。(6)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。 應(yīng)用實例1. CCD固體圖像傳感器的應(yīng)用(1)計量檢測儀器：工業(yè)生

21、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。(2)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。(3)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(yùn)機(jī)、監(jiān)視裝置等。(4)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)。2. 典型應(yīng)用實例(1)工件尺寸檢測圖為應(yīng)用線型CCD圖像傳感器測量物體尺寸系統(tǒng)。物體成像聚焦在圖像傳感器的光敏面上，圖像尺寸與被測尺寸成正比，視頻處理器對輸出的視頻信號進(jìn)行存儲和數(shù)據(jù)處理，整個過程由微機(jī)控制完成，并最后顯示輸出結(jié)果。(1)工件尺寸檢測根據(jù)幾何光學(xué)原理，可以推導(dǎo)被測物體尺寸計算公式，即： 式中n為覆蓋的光敏像素數(shù)，

22、p為像素間距，M為倍率。微機(jī)可對多次測量求平均值，精確得到被測物體的尺寸。任何能夠用光學(xué)成像的零件都可以用這種方法，實現(xiàn)不接觸的在線自動檢測。npDM光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一門新技術(shù)，它是伴隨著光纖及光通信技術(shù)的發(fā)展而逐步形成的。光纖傳感器與傳統(tǒng)的各類傳感器相比有一系列優(yōu)點(diǎn)，如不受電磁干擾、體積小、重量輕、可撓曲、靈敏度高、耐腐蝕、電絕緣、防爆性好、易與微機(jī)連接、便于遙測等。它能用于溫度、壓力、應(yīng)變、位移、速度、加速度、磁、電、聲和PH值等各種物理量的測量，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。8.3 8.3 光纖傳感器光纖傳感器1. 工作

23、原理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。(1)光纖的結(jié)構(gòu)光導(dǎo)纖維簡稱為光纖，目前基本上還是采用石英玻璃，其結(jié)構(gòu)示于圖。中心的圓柱體叫纖芯，圍繞著纖芯的圓形外層叫做包層，纖芯和包層主要由不同摻雜的石英玻璃制成。纖芯的折射率n1略大于包層的折射率n2，在包層外面還常有一層保護(hù)套，多為尼龍材料。光纖的導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，而光纖的機(jī)械強(qiáng)度由保護(hù)套維持。 (2)光纖的傳輸原理眾所周知，光在空間是直線傳播的。在光纖中，光

24、的傳輸限制在光纖中，并隨光纖能傳送到很遠(yuǎn)的距離，光纖的傳輸是基于光的全內(nèi)反射。當(dāng)光纖的直徑比光的波長大很多時，可以用幾何光學(xué)的方法來說明光在光纖內(nèi)的傳播。2. 光纖的特性參數(shù)光纖的特性參數(shù)(1)數(shù)值孔徑NA說明光纖集光本領(lǐng)的術(shù)語叫數(shù)值孔徑NA，即： 數(shù)值孔徑反映纖芯接收光量的多少。其意義是：無論光源發(fā)射功率有多大，只有入射光處于 的光錐內(nèi)，光纖才能導(dǎo)光。一般希望有大的數(shù)值孔徑，這有利于耦合效率的提高，但數(shù)值孔徑過大，會造成光信號畸變，所以要適當(dāng)選擇數(shù)值孔徑的數(shù)值。2212sincNAnn(2)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

25、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。單模光纖直徑較小，只能傳輸一種模式。其優(yōu)點(diǎn)是信號畸變小、信息容量大、線性好、靈敏度高。缺點(diǎn)是纖芯較小，制造、連接、耦合較困難。多模光纖直徑較大，傳輸模式不只一種，其優(yōu)點(diǎn)是纖芯面積較大，制造、連接、耦合容易。缺點(diǎn)是性能較差。(3)傳播損耗光信號在光纖中的傳播不可避免地存在著損耗。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）。3. 光纖傳感器的組成光纖傳感器的組成由光源、光纖耦合器、光纖、光探

26、測器等組成。(1)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。(2)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。光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類(按光纖在傳感器中的功能按光纖在

27、傳感器中的功能)(1)功能型（傳感型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖（或特殊光纖）作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體的傳感器。光纖不僅起傳光作用，而且還利用光纖在外界因素（彎曲、相變）的作用下，其光學(xué)特性（光強(qiáng)、相位、偏振態(tài)等）的變化來實現(xiàn)“傳”和“感”的功能。因此，傳感器中光纖是連續(xù)的。由于光纖連續(xù)，增加其長度，可提高靈敏度。它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)墓膺M(jìn)行調(diào)制，使傳輸?shù)墓獾膹?qiáng)度、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。(2)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

28、其他敏感元件組合而成的傳感器，光纖只作為光的傳輸介質(zhì)。光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成，光纖不連續(xù)。此類光纖傳感器無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。但靈敏度也較低，用于對靈敏度要求不太高的場合。(a)傳感器 (b)傳光型光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類(按光纖傳感器調(diào)制的光波參數(shù)按光纖傳感器調(diào)制的光波參數(shù))(1)強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。利用光纖的微彎損耗，各物質(zhì)的吸收特性，振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化，物質(zhì)因各種粒子

29、射線或化學(xué)、機(jī)械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象，以及物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力、振動、溫度、位移、氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器。優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，成本低；缺點(diǎn)是受光源強(qiáng)度波動和連接器損耗變化等影響較大。(2)相位調(diào)制光纖傳感器其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。通常有利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器，利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器，利用電致伸縮的電場、電壓傳感器以及利用光纖賽格納克（Sagnac）效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角

30、速度傳感器（光纖陀螺）等。這類傳感器的靈敏度很高，但由于須用特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，因此成本高。(3)偏振調(diào)制光纖傳感器 是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。利用光在磁場中媒質(zhì)內(nèi)傳播的法拉第效應(yīng)做成的電流、磁場傳感器，利用光在電場中的壓電晶體內(nèi)傳播的泡爾效應(yīng)做成的電場、電壓傳感器，利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)構(gòu)成的壓力、振動或聲傳感器，以及利用光纖的雙折射性構(gòu)成溫度、壓力、振動等傳感器。這類傳感器可以避免光源強(qiáng)度變化的影啊，因此靈敏度高。(4)波長（頻率）調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測的傳感器。利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖

31、速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器，利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器，以及利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。光纖傳感器的分類光纖傳感器的分類(按光纖傳感器檢測對象按光纖傳感器檢測對象)(1)光纖溫度傳感器，(2)光纖位移傳感器，(3)光纖電流傳感器，(4)光纖流速傳感器光電編碼器是光電編碼器是集光、機(jī)、電技術(shù)于一體的數(shù)字化傳感器，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。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(diǎn)。光電編碼器根據(jù)其刻度方法及信號輸出形式，分為增量式編碼器和絕對式編碼器。8.4 8.4 光電編碼器光電編碼器絕對

32、絕對式式編碼器編碼器(1) 工作原理(2) 碼制與碼盤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=20+21+22+23。這樣在測量時，只要根據(jù)碼盤的起始和終止位置，就可以確定角位移，而與轉(zhuǎn)動的中間過程無關(guān)。一個n位二進(jìn)制碼盤的最小分辨率，即能分辨的角度為=360/2n，一個6位二進(jìn)制碼盤，其最小分辨的角度5.6。采用二進(jìn)制編碼器時，任何微小的制作誤差，都可能造成讀數(shù)的粗誤差。這主要是因為二進(jìn)制

33、碼當(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。6位二進(jìn)制碼盤1) 二進(jìn)制碼盤具有以下主要特點(diǎn)(a) n位（n個碼道）的二進(jìn)制碼盤具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力1=360c/2n。(b) 二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn，Cn-1，C1對應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為Ci2i-11。(c) 碼盤轉(zhuǎn)動中，CK變化時，Cj（jk）應(yīng)同時變化。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。2) 循環(huán)碼碼盤具有以下特點(diǎn)(a

34、) n位循環(huán)碼碼盤和二進(jìn)制碼盤一樣具有2n不同編碼，最小分辨力為1=360v/2n，最內(nèi)圈為Rn碼道，一半透光、一半不透光。(b) 循環(huán)碼碼盤具有軸對稱性，其最高位相反，其余各位相同。(c) 循環(huán)碼為無權(quán)碼。(d) 循環(huán)碼碼盤轉(zhuǎn)到相鄰區(qū)域時，編碼中只有一位發(fā)生變化，不會產(chǎn)生粗誤差。由于這一原因使得循環(huán)碼碼盤獲得了廣泛應(yīng)用。四位二進(jìn)制碼與循環(huán)碼對照表2. 增量式光電編碼器增量式光電編碼器直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出三組方波脈沖A、B和Z相；A、B兩組脈沖相位差90，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。它的優(yōu)點(diǎn)是原理構(gòu)造簡單，機(jī)械平均壽命可在幾萬小時以上，抗干擾能力強(qiáng)，可

35、靠性高，適合于長距離傳輸。其缺點(diǎn)是無法輸出軸轉(zhuǎn)動的絕對位置信息。 光電式編碼器的光電式編碼器的應(yīng)用應(yīng)用1 位置測量把輸出的兩個脈沖分別輸入到可逆計數(shù)器的正、反計數(shù)端進(jìn)行計數(shù)，可檢測到輸出脈沖的數(shù)量，把這個數(shù)量乘以脈沖當(dāng)量（轉(zhuǎn)角/脈沖），就可以測出編碼盤轉(zhuǎn)過的角度，要得到絕對轉(zhuǎn)角，需要在起始位置將可逆計數(shù)器清零。在進(jìn)行直線測量時，把它裝到伺服電動機(jī)軸上，伺服電動機(jī)與滾珠絲桿相連，當(dāng)伺服電動機(jī)轉(zhuǎn)動時，由滾珠絲桿帶動工作臺或刀具移動，編碼器的轉(zhuǎn)角對應(yīng)直線移動部件的移動量，因此可根據(jù)伺服電動機(jī)與滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動一及絲桿的導(dǎo)程來計算移動部件的位置。2 轉(zhuǎn)速測量角編碼器除了能直接測量角位移或間接測量直線位移

36、外。還可以測量軸的轉(zhuǎn)速。由于增量式角編碼器的輸出信號是脈沖形式，因此，可以通過測量脈沖頻率或周期的方法來測量轉(zhuǎn)速。角編碼器可代替測速發(fā)電機(jī)的模擬測速，而成為數(shù)字測速裝置。M法和T法測速原理如圖（1）M法測速在一定的時間間隔t內(nèi)（又稱閘門時間，如10s、1s、0.1s等），用角編碼器所產(chǎn)生的脈沖數(shù)來確定速度的方法稱為M法測速。若角編碼器每轉(zhuǎn)產(chǎn)生N個脈沖，在閘門時間間隔t內(nèi)得到m個脈沖，則角編碼器所產(chǎn)生的脈沖頻率：/fm t則轉(zhuǎn)速則轉(zhuǎn)速n(n(（單位為（單位為r/min)r/min)）為：）為：6060fmnNtN例8-1某角編碼器的指標(biāo)為2000個脈沖/r（即N=2000 P/r），在0.4s時

37、間內(nèi)測得10000個脈沖。解t=0.4s，m=100000個脈沖，f=10000/0.4=25000，則角編碼器軸的轉(zhuǎn)速為：10000606060750(r /min)0.42000fmnNtNM法測速主要應(yīng)用于要求轉(zhuǎn)速較快的場合，它計數(shù)值較少，測量準(zhǔn)確度較低。（2）T法測速測量相鄰兩個脈沖的時間來測量速度，稱為T法測速。T法測速的原理是用一已知頻率f（此頻率一般都比較高）的脈沖向一計數(shù)器發(fā)送脈沖，計數(shù)器的起停由碼盤反饋的相鄰兩個脈沖來控制，其測速原理上圖（b）所示。若計數(shù)器讀數(shù)為 ，則電機(jī)每分鐘轉(zhuǎn)速為:602nmNT其式中：N為碼盤一圈發(fā)出的脈沖個數(shù)，即碼盤線數(shù)。T法適合于測量較低的速度，這

38、時能獲得較高的分辨率。8.5 計量光柵等間距的透光和不透光的刻線均勻相間排列構(gòu)成的光學(xué)器件稱為光柵。光柵分為物理光柵和計量光柵。物理光柵是利用光的衍射現(xiàn)象分析光譜和測定波長的一種光柵；計量光柵是利用光的莫爾條紋現(xiàn)象實現(xiàn)精密測量位移的一種光柵。本節(jié)主要介紹計量光柵。計量光柵是由兩塊明暗間隔相等的光柵面對面疊合形成莫爾條紋的情況下使用的，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。它主要應(yīng)用于線位移和角位移的測量。在高精度加工機(jī)床、光學(xué)坐標(biāo)鏜床、制造大規(guī)模集成電路的設(shè)備及檢測儀表等領(lǐng)域應(yīng)用比較廣泛。光電轉(zhuǎn)換裝置（光柵讀數(shù)頭）利用光柵原理把輸入量（位移量）轉(zhuǎn)換成響應(yīng)的電信號的裝置，光柵

39、數(shù)顯表是實現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示功能的電子系統(tǒng)。光柵傳感器是根據(jù)莫爾條紋原理制成的，它主要用于線位移和角位移的測量。由于光柵傳感器具有高精度、測量范圍大、易于實現(xiàn)測量自動化和數(shù)字化等特點(diǎn)，所以目前光柵傳感器的應(yīng)用已擴(kuò)展到測量與長度和角度有關(guān)的其他物理量，如速度、加速度、振動、質(zhì)量、表面輪廓等方面。12.5.1 光柵的結(jié)構(gòu)及工作原理1光柵結(jié)構(gòu)光柵傳感器由照明系統(tǒng)、光柵副和光電接收元件組成，如下圖所示。主光柵（標(biāo)尺光柵）和指示光柵組成了光柵副，它是光柵傳感器的主要部分。在長度計量中應(yīng)用的光柵通常稱為計量光柵，主光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵的有效長度比主光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用

40、時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。光電接收元件的作用是把光信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號。照明系統(tǒng)是光源部分。光柵傳感器的結(jié)構(gòu)1標(biāo)尺光柵；2指示光柵；3光電元件；4光源主光柵一般固定在被測物體上，且隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。當(dāng)主光柵相對于指示光柵移動時，形成的莫爾條紋產(chǎn)生亮暗交替變化，利用光電接收元件，將莫爾條紋亮暗變化的光信號，轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，并用數(shù)字顯示，從而測量出標(biāo)尺光柵的移動距離。（1）照明系統(tǒng)照明系統(tǒng)的光源通常有鎢絲燈泡和半導(dǎo)體發(fā)光器件。鎢絲燈泡的輸出功率較大，工作范圍較寬（-40+130），與光電元件相組合的轉(zhuǎn)換效率低。在機(jī)械振動和沖擊條件

41、下工作時，使用壽命將降低。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，轉(zhuǎn)換效率高，響應(yīng)特征快速。砷化鎵發(fā)光二極管與硅光敏三極管相結(jié)合，轉(zhuǎn)換效率最高可達(dá)30%左右。砷化鎵發(fā)光二極管的脈沖響應(yīng)速度約為幾十ns納秒，可以使光源工作在觸發(fā)狀態(tài)，從而減小功耗和熱耗散。（2）光柵在一塊長條形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。在光柵傳感器中，光柵由指示光柵和主光柵組成，指示光柵一般比主光柵短得多，通常刻有與主光柵同樣密度的線紋。圖中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，也可刻成ab=1.10.9。

42、目前常用的光柵每毫米刻成25、50、100、125、250條線條。透射長光柵2光柵測量原理（1）莫爾條紋的形成原理按照光學(xué)原理，對于柵距遠(yuǎn)大于光波長的粗光柵，可以利用幾何光學(xué)的遮光原理來解釋莫爾條紋的形成。如下圖（a）所示，當(dāng)兩個有相同柵距的光柵合在一起時，其柵線之間傾斜一個很小的夾角，于是在近乎垂直于柵線的方向上出現(xiàn)了明暗相間的條紋，這種條紋叫做莫爾條紋。例如，在h線上，兩個光柵的柵線彼此重合，從縫隙中通過光的一半，透光面積最大，形成條紋的亮帶；在g線上，兩光柵的柵線彼此錯開，形成條紋的暗帶；當(dāng)a=b=W/2時，g線上是全黑的。當(dāng)夾角減小時，條紋間距B增大，調(diào)整夾角可獲取所需的條紋間距。（2

43、）莫爾條紋的寬度橫向莫爾條紋的寬度B與柵距W和傾斜角之間的關(guān)系，可由圖8（b）求出（當(dāng)角很小時）：(mm)()WB弧度（8-18-1）莫爾條紋原理：)(（mm）弧度WB 由此可見，莫爾條紋的寬度由決定。對于給定光柵常數(shù)W的兩光柵，夾角愈小，條紋寬度愈大，即條紋愈稀。通過調(diào)整，可以使條紋寬度具有任何所需要的值。（3）莫爾條紋的特點(diǎn)：式（8-1）說明莫爾條紋具有以下特點(diǎn)：對位移的光學(xué)放大作用：即把極細(xì)微的柵線放大為很寬的條紋，便于測試。連續(xù)變倍的作用：其放大倍數(shù)可通過使角連續(xù)變化，從而獲得任意粗細(xì)的莫爾條紋。 對光柵刻線的誤差均衡作用：光柵的刻線誤差是不可避免的。由于莫爾條紋是由大量柵線共同組成的

44、，光電元件感受的光通量是其視場覆蓋的所有光柵光通量的總和，具有對光柵的刻線誤差的平均效應(yīng)，從而能消除短周期的誤差。例8-2，對50線/mm的光柵（W=0.02 mm），用5 mm5 mm的光電池接收，光電池視場內(nèi)覆蓋250條柵線。若每條刻線誤差為0=0.001 mm，則平均誤差：00.06m250 （4）莫爾條紋測量位移的原理光柵每移過一個柵距W，莫爾條紋就移過一個間距B，通過測量莫爾條紋移過的數(shù)目，即可得出光柵的位移量。由于光柵的遮光作用，透過光柵的光強(qiáng)隨莫爾條紋的移動而變化，變化規(guī)律接近于一直流信號和一交流信號的疊加。固定在指示光柵一側(cè)的光電轉(zhuǎn)換元件的輸出，可以用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示

45、。只要測量波形變化的周期數(shù)N（等于莫爾條紋移動數(shù)），就可知道光柵的位移量x，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：xN W下圖所示為莫爾條紋測量位移的原理圖。被測物體一般固定在主光柵上，主光柵與指示光柵形成莫爾條紋，通過光轉(zhuǎn)換元件將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?。由于透過光柵的光強(qiáng)隨莫爾條紋的移動而變化，且變化規(guī)律為正弦波規(guī)律，所以光電元件的輸出為正弦波電壓，經(jīng)過整形變換為方波形式，最后轉(zhuǎn)化為脈沖的輸出。通過計量脈沖的個數(shù)即可知道莫爾條紋移動數(shù)N。莫爾條紋測量位移的原理圖3光柵常用的光路形成莫爾條紋的光路有多種形式，這里僅介紹其中兩種應(yīng)用最廣的光路形式：透射式光路和反射式光路。(1)透射式光路如圖所示，透射式光路由1光源、 2

46、準(zhǔn)直透鏡、 3主光柵、4指示光柵、 5光電元件組成。這種光路的特點(diǎn)是光線能透過主光柵而到達(dá)指示光柵。此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵，它的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，目前應(yīng)用廣泛。透射式光路組成1光源2準(zhǔn)直透鏡3主光柵4指示光柵5光電元件下圖所示，為透射式光柵傳感器。其中的燈泡是傳感器的光源部分，光敏三極管是光電元件，隔熱鏡片是用來防止燈泡的熱量對光路的影響，從而影響測量的精度。透射式光柵傳感器（2）反射式光路如圖所示。反射式光路由1反射主光柵、2 指示光柵、3 場鏡、4 反射鏡、5 聚光鏡、6 光源、7 物鏡和8 光電電池組成。這種光路的特點(diǎn)是光線被主光柵反射后經(jīng)過指示光柵，從而形成莫爾條紋。該光路適用于黑白反射光柵。反射式光路組成4辨向與細(xì)分光柵讀數(shù)頭實現(xiàn)了位移量由非電量轉(zhuǎn)換為電量，位移是向量，因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應(yīng)確定其方向。為了辨別位移的方向，進(jìn)一步提高測量的精度，以及實現(xiàn)數(shù)字顯示的目的，必須