第八章光电式传感器.pptx

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1、器件：3、光电效应及光电器件(1)外光电效应及其器件外光电效应特点：速度快-从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。需足够光能-光子能力表面溢出功原理：光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f(I)原理：光物体表面光电子发射光电管应用：足够的光强，高速-光电开关固体激光器-体积小，坚固，功率高红宝石、（少用）气体激光器-小巧、单色性好、能连续工作、功率小氦氖、CO2液体激光器-激光波长可连续调节（范围）染料半导体激光器-效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性特点：简单，灵敏度低（充入惰性气体气体轰击自由电子）第1页/共28页光电倍增管原理：光阴极光电倍增极阳极电流应用：开关测量光

2、电开关，计数(2)内光电效应原理：导带禁带价带半导体能带图光电导效应：器件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管原理：光电子-空穴对导电性电阻光生伏特效应:原理：光PN结（无偏置）电子N,空穴P电动势器件：光电池（硅，锗）特点：光电流大，灵敏度高倍增率=n,-单极倍增率（36）n-倍增极数（414）光半导体电子吸收能量跃迁电子-空穴对第2页/共28页光敏电阻：原理：电阻器件，加直流偏压，无极性无光照-电子-空穴对很少-电阻大(暗电阻)有光照-电子-空穴对增多-导电性增强特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定批量生产，价格便宜应用：工业自动化-开关元件，快速响应家电-(感应式节能灯：判断照度)特性

3、：光照特性为非线性，光谱特性存在单峰，动态特性好光照特性结构：金属封装-防潮光谱特性动态特性第3页/共28页光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diode）原理：半导体PN结-无光时-高阻特性，微弱电流暗电流，A；光照时-电子N,空穴P光电流光照愈强-光电流愈大PN光照特性光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）原理：光敏二极管（bc结）+三极管应用：线性转换元件，开关元件，特点：灵敏度高于光敏二极管，特性：光照特性-灵敏度和线性好，光谱特性-单峰性光谱特性第4页/共28页特性：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，线性好光谱特性-单峰性动态特性-响应速度低于光敏二极管应用：线

4、性转换元件，开关元件光照特性高速光电二极管PIN结光电二极管（PIN-PD）：I-高电阻率的本征半导体响应速度快，灵敏度高，线性好，用于光通讯，光测量光谱特性动态特性雪崩光电二极管：PN+P+APD响应速度快，灵敏度高，线性差，用于光通讯脉冲编码第5页/共28页连接方式：开路电压输出-(a)短路电流输出-(b)特性：光照特性-开路电压输出：非线性(电压-光强)，灵敏度高短路电流输出：线性好(电流-光强)，灵敏度低光谱特性-硅电池：0.51.2m(红-红外)，峰值0.8m(近红外)锗电池：0.30.7m(紫-红)，峰值0.5m(绿)光电池原理：光PN结电子N,空穴P电动势光电能光电池（硅电池：单

5、晶硅）特点：有源器件，轻便、简单、无污染，动态特性好（硅）工作于可见光波段-太阳能电池应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器)-开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）第6页/共28页四象限光电池位置敏感器件（PSD-PositionalSensingDevice）原理：光光电二极管空穴由N向P移动空穴1端I1空穴2端I2说明：对于各种光电元件：（1）暗电流：无光照时输出电流热噪声（2）温度特性：温度灵敏度、光谱特性降温、恒温、温度补偿（3）器件材料：硅好于锗原理：集成4光电池-四象限光斑4分量I1、I2、I3、I4；应用：二维位置检测，准直固态摄像器件：CCD比值：应用：位

6、置检测(一维、二维)比值：第7页/共28页二、一般形式的光电式传感器透射式：光被测物光电元件，透射-测量透明度、混浊度；1、模拟式光电传感器透射式：光被测物光电元件，2、脉冲式光电传感器反射式：光被测物光电元件，反射-测量反射率、粗糙度、距离；遮光式：光被测物光电元件，遮光度-测量位移、振动；辐射式：被测物光光电元件，辐射强度-测量温度、放射线；反射式：光被测物光电元件，第8页/共28页三、光电编码器 1、绝对式光电编码器(1)结构与原理原理：平行光源码盘光电元件电信号输出码盘：光学玻璃，透光/不透光照相腐蚀要求：分度准确（工艺）、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光源：LED光学系统平行光投影精

7、确光电元件：硅光电池，光电晶体管滞后响应速度码道：位数每个码道对应一个光电元件分辨率角度分辨率：=360/2nn-码道数（位数）测量电路：放大足够电平，驱动整形接近理想方波细分提高分辨率（光学+电路）第9页/共28页例：19位光电编码器，角分辨率：=360/219=2.47”(2)编码码制：提高精度:增加码道、增大码盘尺寸有限光学细分附加码道十进制码-简单，不易电路处理二进制码-直观，易于后续电路和计算机处理。多位码同时动作同步误差错码格雷码-循环码：相邻两数只有一位不同每次只有一位变化转换14位内码道+1位专用附加码道19位附加码道周期与内码道最低位(最外)对应正弦波+余弦波过零比较插值、移

8、相过零脉冲细分16正弦波32个等分点5附加位第10页/共28页角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光电编码器码制第11页/

9、共28页(3)特点与应用特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，直接数字量输出，绝对码输出，测量范围小（360），速度不高（最高几千转/分）摩擦轮编码器2、增量编码器(1)结构与原理结构：与绝对编码器类似应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置小范围位移、速度检测例：直线旋转W光学放大提高灵敏度可调性：夹角条纹间距B灵活准确性：大量刻线误差平均效应克服个别/局部误差提高精度(2)光栅传感器分类与结构原理按光学形式分：透射式-光源与光电元件在两侧透射光反射式-光源与光电元件同一侧反射光(3)光栅传感器特点精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式

10、-几十米响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量计数断电数据消失要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度成本高：电路复杂按运动形式分：直线型-主光栅为直尺形直线移动旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动第15页/共28页2、光栅传感器的电路系统(1)光电转换光电元件：硅光电池光电二极管（直流分量+正弦信号）(2)辨向原理两路莫尔条纹信号相位差/2比较（两个光电元件相距B/4）正向移动加计数反向移动减计数(3)细分技术1个计数1个栅距分辨率刻线（条/mm）细分二倍频细分：两个光电元件两路信号(sin,cos)处理2个脉冲/栅距四倍频细分：2个光电元件信号反向4路信号(sin,cos,-sin

11、,-cos)处理4个脉冲/栅距4个光电元件4路信号(sin,cos,-sin,-cos)处理4个脉冲/栅距光电检测：光强信号明暗条纹一点观察光强变化第16页/共28页电桥细分：4路信号（sin,cos,-sin,-cos）电桥电位器过零比较器多个脉冲（1260）电平切割细分：4路信号（sin,cos,-sin,-cos）比较器电平幅值切割多个脉冲（40100）其他方法：移相电阻链法（1060）、锁相细分法（1001000）、矢量法（620）、载波调制法（1001000）、内插值法（2540）、光学调制法（2001000）3、零位光栅增量码绝对零位基准/标志绝对码测量零位光栅：单刻线：一条透光狭

12、缝，宽度相同近似三角波信噪比低，匹配难多刻线：一组不等间距、不等宽度条纹对称尖脉冲定位精度高0.1m4、光栅传感器应用应用：实验室、计量室高精度仪器、设备几何量（三坐标、万工显）例：立式测长仪光源1透镜2平行光标尺光栅3+指示光栅5被测尺寸测杆标尺光栅移动莫尔条纹光电元件6标尺光栅V型滚珠导轨指示光栅浮动盘4无需调整技术指标：刻线50条/mm，20倍频细分，范围050mm，精度1m第17页/共28页五、固态图像传感器 固态特性传感器=电荷转移器件+光敏元件阵列+自扫描功能1、CCD的基本原理最小单元（像素）：P型硅衬底+SiO2层+Al金属电极MOS电容器件阵列+输入极+输出极CCD(2)工作

13、原理：(1)CCD结构：初始状态：表面电极+正偏压衬底形成耗尽区(势阱)电极吸收电子电荷包CCD的MOS结构电荷转移注入电荷：光注入-摄像器件电注入-位移寄存器热注入-热像器件电荷转移：3个电极时钟脉冲(相位不同)P1电荷包P1+P2电荷包P2电荷包电荷包转移（P1P2）（三相）电荷转移器件（CTD）、电荷耦合器件（CCD）电荷输出：时钟脉冲电荷包转移PN结收集输出第18页/共28页2、线阵CCD传感器(1)线阵CCD结构一列感光元件+一列CCD并行(一一对应)转移栅一维阵列(2)线阵CCD工作原理入射光光电元件光电荷光电荷收集（光积分）转移栅电压升高光电荷并行转移移位寄存器时钟脉冲电荷串行输

14、出光积分：光电元件收集/积累光电荷与光强、时间成正比曝光量(3)线阵CCD特点光谱特性：多峰性多晶硅电极+工艺分辨率高：像素数10246k,像素尺寸613m速度快：光积分时间相当于一个行时信号强度弱：一般需增加光积分时间(4)线阵CCD应用一维测量：工件尺寸、振动振幅、偏摆量、速度、位移、二维测量：+机械扫描装置-摄像、传真、扫描仪、慢扫描电视CCD光谱第19页/共28页3、面阵CCD传感器(1)面阵CCD结构二维阵列感光元件+一列CCD并行（一一对应）行扫描+输出寄存器(2)面阵CCD工作原理行扫描：隔行扫描/逐行扫描(3)面阵CCD特点光谱特性：多峰性多晶硅电极+工艺（与线阵CCD相同）分

15、辨率低：像素数（100*100）（1024*1024）,像素尺寸810m速度慢：光积分时间+航扫描时间（40ms）色彩：黑白CCD-灰度图像，8位（256级）彩色CCD-RGB信号（Red/Green/Blue）,8位（24位）(4)照明方法照明条件好坏成像质量图像清晰度/细节分辨率/对比度/阴影漫反射照明：适于表面光滑、形状规矩物体表面特性透射照明：（背光照明）适于不透光物体黑白二值图像轮廓识别结构光照明：平行光光栅/网格条纹光/网格光物体几何特性(三维)定向照明：平行光束物体表面反射表面缺陷/第20页/共28页(5)图像处理滤波：图像滤波去噪声：光电元件热噪声、量化误差、电气噪声、辐射噪声

16、平滑化处理此丢失图像细节111181111滤波方法：邻域平均法-平均值新灰度值中值滤波法-中值新灰度值数字滤波器-边缘检测：xf边缘位置：灰度变化最大处检测方法：微分法-df/dx=max灰度梯度法-空间灰度矩法-图像描述物体几何特征：点、线、面拟合(6)面阵CCD应用一维测量：工件尺寸、振动振幅、偏摆量、速度、位移、二维测量：摄像、形状、识别(物体、数字)、二维尺寸(锥角、齿形、螺纹)第21页/共28页六、光纤传感器 1、光纤传感器的原理与特点(1)光纤波导原理12n2n1c全反射：光密介质1光疏介质2(n1n2)190全反射临界角：2=901=C光纤波导原理：空气n0纤芯n1包层n2(n1

17、n2n0)空气纤芯：纤芯包层：（全反射）NA-数值孔径张角（0）一般：NA=0.20.4对应张角11.523.6第22页/共28页(2)光纤截面形式：(3)光纤的模：2、光纤传感器分类：功能型（FF）-光纤为敏感元件传感型单模光纤非功能型(NF)-光纤为传输介质传光型多模光纤阶跃型-纤芯折射率恒定不变，包层界面处突变；梯度型-纤芯折射率岁半径变，包层界面处一致光聚焦，正弦波轨迹全反射驻波（往返相位变化2）光线组模离散（基模、高次模）多模光纤：模数多，传输频率高，芯径大，折射率差大;单模光纤：1基模，传输频率低，芯径小，折射率差小特点：灵敏度高、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、结构简单、传输性好应用

18、：位移、振动、压力、应变、速度、加速度、电流、电压、磁场、温度、湿度第23页/共28页3、光纤传感器应用(1)光纤位移传感器微弯式：反射调制式：原理：光源发射光纤目标接受光纤光电元件位移光强变化（传光型、非功能型）遮光调制式：原理：位移发送光纤遮光度光强目标接受光纤光电元件光强变化（传光型、非功能型）微弯效应：位移垂直应力微弯曲光泄漏光强变化特点：功能型传感器，灵敏度高，范围小特点：响应快，非线性，精度低第24页/共28页(2)光纤式液位传感器原理：光源发送光纤接受光纤光电元件未接触液体时：全反射光强最大接触液体时：折射率变化全反射破坏光泄漏光强变弱特点：功能型，开关测量，无电磁信号安全防爆(

19、3)光纤式温度传感器原理：基尔霍夫定律光纤-受热-黑体辐射-接收特点：无需光源应用：适于-易燃、易爆、低粘度、清洁液体应用：适于监视大型机电设备内部温度变化电机、变压器第25页/共28页(4)光纤转速传感器（光纤陀螺）原理：塞格纳克(Sagnac)效应：两束光反向传播静止同时到达，没有延迟旋转相位延迟转速(5)光纤电流传感器原理：法拉第旋光效应-电流磁场偏振方向改变偏振态调制型电流传感器全光纤结构电流传感器特点：功能型，精度高(高于机械陀螺、激光陀螺)特点：功能型，无中断检测，结构简单，检测范围大（05000A,1%）第26页/共28页期末考试考试时间：第17周考试形式：开卷考试范围：以课堂讲授内容为准考题形式：选择题、简答题、计算题第27页/共28页感谢您的观看！第28页/共28页