現(xiàn)代檢測技術(shù)-李英順-電子教案-第9章課件

第9章光電式傳感器

?9.1概述

?9.2光電元件

?9.3光柵測量裝置9.1概述

光電式傳感器是一種將被測量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，一般都是由光源、光學元件和光電元件三個部分組成。光電阻傳感器是將光信號轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。此種測量方法具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反映快等特點。在檢測和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。

光源發(fā)射出一定光通量的光線，由光電元件接受，在檢測時，被測量使光源發(fā)射出的光通量變化，因而使接收光通量的光電元件在輸出電量時，也作相應(yīng)的變化，最后用光量來表達被測量的大小。其輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。光電式傳感器基本分類

1.光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出端為“有”或“無”電信號兩種穩(wěn)定狀態(tài)，亦即為“通”或“斷”的開關(guān)狀態(tài)。屬于這一類的為光電式轉(zhuǎn)速表、光電繼電器等。2.光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)中，當光作用在光電元件上時，產(chǎn)生的光電流是光通量的函數(shù)。屬于這一類的為光電式位移計、光電式測振計等。3.光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將被測體的形狀直接反映出來，這一類的傳感器是利用電荷耦合攝象器件（CCD）作為光電元件的，主要用于再線的圖案檢查、文字識別等。一、光源

光源是光電式傳感器的一個組成部分，大多數(shù)的光電傳感器都離不開光源。我們把通電后而發(fā)光的器件，統(tǒng)稱為電光源，或者叫電光元件。普通的電光源可以分為四類：

⑴熱輻射光源，即白熾燈；⑵氣體放電燈，如氖泡，日光燈；⑶固體發(fā)光光源（電致發(fā)光器件),如發(fā)電二極管，場致發(fā)光燈；⑷激光器。

⑴熱輻射光源：熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。⑵氣體放電燈（氣體放電光源）電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。低壓貢燈、鈉燈、氦燈等是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。⑶固體發(fā)光光源（電致發(fā)光器件）固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，如發(fā)電二極管，半導體激光器和電致發(fā)光屏。發(fā)電二極管與白熾燈相比，它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機械強度高以及能和集成電路相匹配等優(yōu)點；因此廣泛地應(yīng)用于計算機、儀器儀表和自動控制等設(shè)備中。

從傳感器的角度看光電效應(yīng)可分為兩大類型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光導效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管和光電倍增管即屬此類。內(nèi)光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料的電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。9.2光電元件9.2.1光敏電阻

光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強而減小。如圖9-11、光敏電阻的工作原理

在黑暗的環(huán)境下它的電阻是很高的，但當它受到光線照射時，若光子能量hy大于本征半導體材料的禁帶寬度Eg，同禁帶中的電子吸收一個光子后就足以躍遷到導帶，激發(fā)出電子—空穴對，從而加強了導電性能，使阻值降低，且照射的光線愈強阻值也愈低。光照停止，自由電子與空穴逐漸復合，電阻有恢復原值。這種由于光線照射強弱而導致半導體電阻值變化的現(xiàn)象，稱為光導效應(yīng)。具有光導效應(yīng)的材料就稱為“光敏電阻”用光敏電阻制成的器件稱為光導管，但通常也叫光敏電阻。

光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域，且體積小，性能穩(wěn)定，價格低，所以被廣泛應(yīng)用于自動測試系統(tǒng)中。但是，使用時需要有外部電源，同時當有電流通過它時，會產(chǎn)生熱的問題。光敏電阻的種類繁多，一般由金屬的硫化物、硒化物、錫化物等組成。2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性

①光電流。光敏電阻在不受光照射的阻值稱“暗電阻”，此時流過的電流稱“暗電流”；光敏電阻在受光照射時的阻值稱“亮電阻”，此時的電流稱“亮電流”。而亮電流與暗電流之差即為“光電流”。當然，希望暗阻愈大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光電流要盡可能大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。

②光敏電阻的伏安特性。在光敏電阻的兩端所加電壓和電流的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性。它是一條直線，所加電壓U越高，光電流I也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的光照下，電阻值與外加電壓無關(guān)；在給定的電壓下光電流值隨光照的增加而增加。

③光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光電流和光強的關(guān)系曲線稱光敏電阻的光照特性。由于光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，因此不適宜做線性敏感元件，這是光敏電阻的缺點之一。④光敏電阻的光譜特性。光敏電阻對于不同波長的入射光，其相對靈敏度也是不同的。只有能量大于半導體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子—空穴對。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。⑤光敏電阻的頻率特性。在使用光敏電阻時，就應(yīng)注意，它的光電流并不是隨光強改變而立刻作出相應(yīng)的變化，而是具有一定的惰性，這也是光敏電阻的缺點之一。⑥光敏電阻的光譜溫度特性。光敏電阻隨著溫度的升高，其暗阻和靈敏度都下降。同時溫度變化也影響其光譜特性。⒈光電池的工作原理

硅光電池是在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個大面積的PN結(jié)。當光照射P型面時，若光子能量hy大于半導體材料的禁帶寬度Eg，則在P型區(qū)每吸收一個光子便產(chǎn)生一個自由電子—空穴對。在表面對光子的吸收最多，激發(fā)出的電子—空穴對最多，越向內(nèi)部越小，由于濃度差便形成了從表面向體內(nèi)擴散的自然趨勢?？昭ㄊ荘型區(qū)的多數(shù)載流子，入射光所產(chǎn)生的空穴濃度比原有產(chǎn)生空穴要少得多，而入射光所產(chǎn)生的電子則向內(nèi)部擴散。若能在它復合之前到達PN結(jié)過渡區(qū)，就相當于在結(jié)電場作用下正好將電子推向N型區(qū)。這樣光照射所產(chǎn)生的電子—空穴對。圖9-2光電池的構(gòu)造和表示符號⒉光電池的基本特性①光電池的光譜特性。相對靈敏度Kr和入射光波長λ間的關(guān)系。在實際使用時應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)選擇光電池，但要注意光電池的光譜峰值不僅與制造光電池的材料有關(guān)，同時也隨使用溫度而變。②光電池的光照特性。光生電動勢U與照度Ee間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee間的特性曲線稱為短路電流曲線。把光電池作為敏感元件時，應(yīng)該把它當作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點。這是光電池的主要優(yōu)點之一。9.2.3光敏晶體管

光敏晶體管是一種利用受光照時載流子增加的半導體光電元件，它與普通的晶體管一樣，也具有P-N結(jié)。通常，我們把有一個P-N結(jié)的叫做光敏二極管，而把有兩個P-N結(jié)的叫做光敏三極管。光敏三極管不一定有三根引出線，有時常常只裝兩根引出線。光敏二極管的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射時反向電阻很大，反向電流很小。當光照射光敏二極管時，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子—空穴對，它們在PN結(jié)處的內(nèi)電場作用下定向運動形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此在不受光照射時，光敏二極管處于截止狀態(tài)；受光照射時，光敏二極管處于導通狀態(tài)。⒈光敏晶體管的工作原理

光敏三極管的工作原理：當光照射到PN結(jié)附近時，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子—空穴對，它們在PN結(jié)處于內(nèi)電場作用下，作定向運動，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射產(chǎn)生的光電流相當于三極管的基極電流，所以集電極電流是光電流的β倍。因此光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。圖9-3光敏二極管圖9-4光敏三極管④光敏晶體管的溫度特性。它給出了溫度對暗電流及輸出電流的關(guān)系。溫度變化對輸出電流的影響較小，主要由光照度所決定。而暗電流隨溫度變化很大，所以在應(yīng)用時應(yīng)在線路上采取措施進行溫度補償。⑤光敏晶體管的時間常數(shù)。一般鍺管的時間常數(shù)約為2×10-4s，而硅管的時間常數(shù)在10-5s左右。當檢測系統(tǒng)要求快速時，往往選擇硅光敏晶體管。9.2.4光電倍增管

當入射光很微弱時，一般光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，在這種情況下，即使光電流能被放大，但噪聲也與信號同時被放大了，因此在微弱光時，采用光電倍增管。光電倍增管中，應(yīng)用了電子的二次發(fā)射，所以可使光電靈敏度大大地提高，光電倍增管的放大倍數(shù)可高達106~108；另外它的信噪比也大，比一般光電管大幾百倍，在一般情況下使用，線性度也好；工作頻率也可高達100MHZ左右，所以它在弱光、光度測量方面得到了廣泛的應(yīng)用。⒈二次電子發(fā)射

當具有幾百萬伏電子伏動能的電子落到物體表面上時，它將一部分能量傳給該物質(zhì)中的電子，使這些電子能夠從物體表面逸出。由于高速電子沖擊而使物體產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射或次級電子發(fā)射。二次電子發(fā)射數(shù)值，與材料性質(zhì)、物質(zhì)的表面狀況，以及射入的一次電子能量和入射角等因素有關(guān)。表征二次電子發(fā)射數(shù)值的參數(shù)是二次電子發(fā)射系數(shù)，它是二次發(fā)射電子數(shù)量之比值，即

δ=I2/I1δ——二次發(fā)射系數(shù)

I1——一次電子數(shù)

I2——二次電子數(shù)⒉光電倍增管工作原理

光電倍增管其結(jié)構(gòu)如圖9-5所示，在一個玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干個光電倍增極，圖中K為光電陰極，D1，D2，…為二次發(fā)射體，又稱為倍增級，且在光電倍增極上涂以在電子沖擊下可發(fā)射更多次級電子的材料，倍增極的形狀及位置要正好能使轟擊退行下去，在每個倍增極間均依次增大加速電壓，設(shè)每級的倍增率為δ，若有n級，則光電倍增管的光電流倍增率將為δn。光電傳增極一般采用Sb-Cs涂料或Mg合金涂料，倍增極數(shù)可在4~14之間，A為陽極或收集陽極。δ值的范圍是3~6。圖9-5光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖⒊光電倍增管的基本特性①積分靈敏度。光點倍增管的積分靈敏度決定于光電陰極的積分靈敏度和光電倍增管的放大倍數(shù)。假定陰極的積分靈敏度為γ，倍增管的放大倍數(shù)為M，則光電倍增管的積分靈敏度為γF可以寫為γF=γM。對于常用的光電倍增管，其積分靈敏度約為106，單位常用表示A/lm。②放大倍數(shù)。電源電壓與放大倍數(shù)有很大關(guān)系。隨著電源電壓的增高，光電倍增管的放大倍數(shù)也將提高。電源電壓與放大倍數(shù)之間的關(guān)系，是光電倍增管的主要特性。③陽極特性。光電倍增管的陽極特性為陽極電流對于最后一級倍增管和陽極間電壓的關(guān)系。④光電特性。光電特性是陽極電流Ia與光電陰極接收到的光通量Φ之間的關(guān)系。⑤噪聲。光電倍增管的噪聲由很多部分構(gòu)成。它包括光電陰極電子發(fā)射噪聲，倍增管二次發(fā)射噪聲，電阻熱噪聲等。它們共有的現(xiàn)象是在外界入射光保持絕對恒定的，光電倍增管的輸出，不是穩(wěn)定不變的，而是有一定的起伏。9.3光柵測量裝置

光柵很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，但應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域只有一百多年的歷史。早期人們是利用光柵的衍射效應(yīng)進行光譜分析和光波波長的測量，到了20世紀50年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行精密測量，從而出現(xiàn)了光柵測量裝置。光柵測量裝置具有許多優(yōu)點，如測量精度高。在圓分度和角位移測量方面，一般認為光柵測量裝置是精度最高的一種，可實現(xiàn)大量程測量兼有高分辨率；可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化；且具有較強的抗干擾能力等。因此，近些年來，光柵測量裝置在精密測量領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。光柵測量裝置(或稱光柵測量系統(tǒng))是指利用光柵原理對輸入量(位移量)進行轉(zhuǎn)換、顯示的整個測量裝置。它包括三大部分：光柵光學系統(tǒng)；實現(xiàn)細分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機械結(jié)構(gòu)。9.3.1光柵光學系統(tǒng)⒈基本工作原理⑴在玻璃尺或玻璃盤上類似于刻線標尺那樣，進行長刻線(一盤為10~12mm)的密集刻劃，得到如圖所示的黑白相間、間隔細小的條紋，沒有刻劃的白處透光，刻劃的黑處不透光，這就是光柵。光柵上的刻線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般都取a=b，而a+b=d稱為光柵柵距。光柵柵距是光柵的重要參數(shù)。

如圖9-6圖9-6光柵柵線放大圖返回課程⑵光柵光學系統(tǒng)是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電元件構(gòu)成的，而光柵是光柵光學系統(tǒng)的主要元件。光源一般采用鎢絲燈泡；光電接收一般采用光電池和光敏三極管。光柵光學系統(tǒng)的基本工作原理是用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進行測量的。取兩塊光柵柵距相同的光柵，其中一個為主光柵3，另一個為指示光柵4，指示光柵比主光柵要短，這兩者刻面相對，中間留有很小的間隙d，便組成光柵副。將其置于有光源1和透鏡2形成的平行光束的光路中，若兩光柵柵線之間有很小的夾角θ，則在近似垂直于柵線方向上就顯現(xiàn)出比柵距d寬得多的明暗相間的條紋，這就是莫爾條紋。

如圖9-7圖9-7光柵光學系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖返回課程⑶莫爾條紋由圖9-8可見，莫爾條紋中間為亮帶，上下為兩條暗帶。相鄰的兩明暗條紋之間的距離稱為莫爾條紋間距，以ω表示。圖9-8莫爾條紋形成示意圖返回課程①莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對應(yīng)關(guān)系。

在光柵測量中，一方面莫爾條紋的移動量與光柵尺的位移量之間有嚴格的對應(yīng)關(guān)系；另一方面在兩塊光柵尺的柵線交角θ一定的條件下，莫爾條紋的移動方向與光柵尺的位移方向之間也有嚴格的對應(yīng)關(guān)系。②莫爾條紋間距對光柵柵距具有放大作用。在兩光柵柵尺線夾角θ較小的情況下，莫爾條紋寬度ω和光柵柵距d、柵線夾角θ間有下列近似關(guān)系：

③莫爾條紋對光柵柵距局部誤差具有消差作用。在光柵測量中，光電元件接收的是一個區(qū)域內(nèi)所含眾多的柵線所形成的莫爾條紋。例如，設(shè)光柵柵距d=0.02mm，接收元件采用10mm×10mm的硅光電池，則在硅光電池100mm寬度范圍內(nèi)，將有500條柵線參與工作。顯然，在這一區(qū)域內(nèi)個別柵線的柵距誤差，或個別柵線的斷裂或其它疵病，對整個莫爾條紋的位置和形狀的影響很微小，即莫爾條紋具有減小光柵柵距局部誤差的作用。⑷莫爾條紋測量位移的原理用光柵的莫爾條紋測量位移，長度與測量反相一致的標尺光柵（主光柵）固定在運動零件上，隨零件一起運動。短的指示光柵與光電元件固定不動。當兩塊光柵相對移動時，對某一點觀察，可以觀察到莫爾條紋的光強的變化。設(shè)初始位置為接收亮帶信號，隨著光柵移動，光強的變化，由亮進入稍暗，然后半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮。莫爾條紋的變化經(jīng)歷了一個周期，即移動了一個條紋間距，也就是說光柵移動一個柵距。光強的變化規(guī)律由圖9-9所示，為一近似的正弦曲線。圖9-9光強變化曲線

返回課程光電元件把接收到的光強變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出，輸出與位移的關(guān)系由下式表示：

式中，U0—直流電壓分量；d—柵距；x—位移。光柵移動一個柵距，莫爾條紋走過一個條紋間距，電壓輸出的正弦變化正好經(jīng)歷一個周期，可通過電路整形處理，變成一個脈沖輸出。脈沖數(shù)（條紋數(shù)）與移過的柵距數(shù)是一一對應(yīng)的，因此位移量為x=Nd。據(jù)此可知運動零件的位移量。⒉光柵的種類

光柵的種類很多，若按工作原理分，有物理光柵和計量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者主要用于精密測量和精密機械的自動控制中。而計量光柵按其用途可分為長光柵和圓光柵兩類。

9.3.2辨向原理和細分電路⒈辨向原理在實際應(yīng)用