1、传感器与检测技术,董春利 主编 潘洪坤 执笔 大连职业技术学院电气电子工程系 2008年3月,全国高等职业教育规划教材 省级精品课程配套教材,第八章 光电式传感器技术,8.1 光电效应与光电传感器 8.2 光纤传感器 8.3 激光传感器 8.4 激光传感器 8.5 图像传感器,光电传感器是采用光电元件做为检测元件的传感器。 光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件，它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测、计算机和控制系统中，应用非常广泛 光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化
2、，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。 被测量的变化引起的光信号的变化可以是光源的变化、也可以是光学通路的变化、或者是光电元件的变化。 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此在检测和控制领域内得到广泛应用。,第一节 光电效应与光电传感器,一、光电效应,1光电效应原理 根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具有的能量为： E=h 对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看做是一连串能量为h的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递
3、给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，我们把这种物体材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。,光波频率； h普朗克常数，h6.63*10-34J/Hz,2光电效应的分类,通常把光电效应分为三类： 外光电效应： 光照射于某一物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。逸出来的电子称为光电子。 基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管。 内光电效应： 光照射于某一物体上，使其导电能力发生变化，这种现象称为内光电效应，也称光电导效应。 基于内光电效应的光电
4、元件有光敏电阻、光敏晶体管等。 光生伏特效应： 在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应，即阻挡层光电效应， 基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。,3光电效应的特性,光照特性：当光电元件上加上一定电压时，光电流I与光电元件上光照度E之间的对应关系 光谱特性：光敏元件上加上一定的电压，这时如有一单色光照射到光敏元件上，如果入射光功率相同，光电流会随入射光波长的不同而变化。 伏安特性：在一定照度下，光电流I与光敏元件两端电压V的对应关系，称为伏安特性。伏安特性可以帮助我们确定光敏元件的负载电阻，设计应用电路。 频率特性：在相同的电压和同样幅值的光照下，当入射光以不同频率的
5、正弦频率调制时，光敏元件输出的光电流I和灵敏度S会随调制频率f而变化，称为频率特性。 温度特性：光电元件的温度特性是指其输出与温度的关系。部分光电元件输出受温度影响较大，应采取相应措施进行温度补偿。 响应时间：不同光敏器件的响应时间有所不同。光敏电阻较慢，约为（10-110-3）s，一般不能用于要求快速响应的场合。工业用的硅光敏二极管的响应时间为（10-510-7）s左右，光敏三极管的响应时间比二极管约慢一个数量级，在要求快速响应或入射光、调制光频率较高时应选用硅光敏二极管。,二、光电元件,1光电管和光电倍增管,（a）光电管结构外形,（b）光电管工作电路,（1）光电管,1）光电管的结构(如图)
6、 2）光电管的原理 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，在入射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。 电流和电阻R0上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。即：UL=F（） 3）光电管的性质 适用于不同的光谱范围 同一种光电管对不同频率的入射光灵敏度并不相同。,（2）光电倍增管,光电倍增管结构,光电倍增管基本电路,光电倍增管有极高的灵敏度。在输出电流小于1mA的情况下，它的光电特性在很宽的范围内具有良好的线性关系。 多用于微光测量。,（3）光电管的特性,1）暗电流 光电管接上工作电压后，在没有光照的情况下阳极仍
7、会有一个很小的电流输出，此电流即称为暗电流。 暗电流的存在决定了光电管可测量光信号的最小值。所以要求其暗电流小并且稳定。 2）光谱响应特征 在给定波长的单位辐射功率照射下所产生的阳极电流大小称为光电管的绝对光谱响应率，表示为： 3）光电管的伏安特性 在一定照度下，光电流与光电管两端电压的对应关系，称为伏安特性。,2光敏电阻,光敏电阻是采用半导体材料制做，利用内光电效应工作的光电元件。它在光线的作用下其阻值往往变小，这种现象称为光导效应，因此，光敏电阻又称光导管。 （1）工作原理光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也可以加交流电压。 敏度高 光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级
8、，亮电阻在几千欧以下。,（2）光敏电阻的结构,光敏电阻的原理结构图,光敏电阻内部构造图,1.玻璃； 2.光电导层； 3.电极； 4.绝缘衬底,5.金属壳； 6.黑色绝缘玻璃； 7.引线,（3）光敏电阻的主要参数,暗电阻和暗电流：光敏电阻在室温和全暗条条件下，经过一定时间测得的稳定电阻值，称为暗电阻，或暗阻。此时流过的电流，称为暗电流。 亮电阻和亮电流：光敏电阻在室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值，称为该光照下的亮电阻，或亮阻。此时流过的电流，称为亮电流。 光电流：亮电流与暗电流之差，称为光电流。显然，光敏电阻的暗阻越大越好，而亮阻越小越好，也就是说暗电流要小，亮电流要大。这样光敏电阻的灵敏度
9、就高。,（4）光敏电阻的基本特性,1）伏安特性（I-U曲线）可见： 在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，耗散功率又和面积及散热条件等因素有关。 电阻在一定的电压范围内，其I-U曲线为直线，说明其阻值与入射光量有关，而与电压、电流无关。,2）光照特性（光电特性） 3）光谱特性,光敏电阻的光电特性呈非线性。因此不适宜做连续量的检测元件,光敏电阻的光电特性图,光敏电阻的光谱特性,4)光敏电阻的频率特性 光电导的弛豫现象 :光电流的变化对于光的变化，在时间上有一个滞后，光敏电阻有时延特性,
10、光敏电阻的响应时间特性,光敏电阻的频率特性,5）温度特性,温度特性曲线：温度变化影响光敏电阻的光谱响应的特性。 温度系数： 温度对光谱特性影响：随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。,硫化镉光敏电阻的温度特性,硫化铅光敏电阻的光谱温度特性,3.光敏二极管和光敏晶体管,（1）光敏二极管 （2）光敏晶体管 （3）基本特性 1）光谱特性 ）伏安特性3）光照特性4）温度特性5）频率响应,（1）光敏二极管,定义：是一种利用PN结单向导电性的结型光电器件。 结构：原理：不受光照射时，处于截止状态，受光照射时， 处于导通状态。,光敏二极管的结构与原理电路,（2）光敏晶体管,结构：一般晶体管很相似，具有两
11、个PN结，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。原理：光照射在集电结上时 ，形成光电流，相当于三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏晶体管的结构与原理电路,（3）基本特性,1）光谱特性应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但对红外光进行探测时，锗管较为适宜。,）伏安特性,结论：光敏晶体管的光电流比相同管型二极管大上百倍。,3）光照特性4）温度特性,结论：光敏二极管的光照特性曲线的线性较好。,结论：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。,5）频率响应 具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的光电流（或负载上的电压）随
12、频率的变化关系。,硅光敏晶体管的频率响应,4光电池,（1）工作原理 能量转换关系：光能转换为电能 ，电路中有了这种器件就不需要外加电源。 原理：种类：有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等 优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。,左：光电池工作原理图,（2）基本特性 1）光谱特性2）光照特性 3）频率特性：指输出电流随调制光频率变化的关系。用于高速计数的光电转换。4）温度特性:作为测量器件应用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿措施。 5）稳定性:硅光电池的性能比硒光电池更稳定。,光谱特性曲线,三、光电传感器,1光电传感器的组成2光电传感器的应用形
13、式按其输出量性质可分为：模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器两大类。,光电传感器的测量形式 1一被测量；2一光电元件；3一恒光源,光电式传感器的测量应用可分为以下四基本种形式。,3光电转换电路,（1）光敏电阻测量电路 （2）光敏二极管测量电路,光敏电阻测量电路 光敏晶体管测量电路,（3）光电池测量电路 （4）光电元件集成运放电路,使用运放的光敏元件放大电路,四、光电传感器的应用,1光电式带材跑偏检测器 带材跑偏检测器用来检测带型材料在加工中偏离正确位置的大小及方向，从而为纠偏控制电路提供纠偏信号。 主要用于印染、送纸、胶片、磁带生产过程中。,带材跑偏检测器工作原理 测量电路,2烟尘源监测
14、系统,烟道里的烟尘浊度是通过光在烟道在传输过程中的变化大小来检测的。 光检测器输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。,吸收式烟尘浊度监测系统组成框图,3包装充填物高度检测,利用光电检测技术控制充填高度,五、光电耦合器件,1光电耦合器 （1）耦合器的组合形式（2）耦合器的结构形式,（3）耦合器常见的特性对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 1）电流传输比 2）输入输出间的绝缘电阻 3）输入输出间的耐压 4）输入输出间的寄生电容 5）最高工作频率 6）脉冲上升时间和下降时间,2光电开关,（1）典型的光电开关结构 （2）光电开关的应用,第二节 光纤传感器,光纤传感器FOS（Fiber Opti
15、cal Sensor)用光作为敏感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。 与传统的各类传感器相比其优点：不受电磁干扰，体积小，重量轻，可挠曲，灵敏度高，耐腐蚀，传输频带宽，绝缘性能好，耐水抗腐蚀性好，防爆性好，易与微机连接，便于遥测等。 它能用于温度、压力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、电压、电流、磁场、核辐射、声和PH值等各种物理量的测量，具有极为广泛的应用前景。,一、光纤的结构和传输原理,1光纤的结构多层介质结构： 1）纤芯：石英玻璃，直径575m，材料以二氧化硅为主，掺杂微量元素； 2）包层：直径100200m，折射率略低于纤芯； 3）涂
16、敷层：硅酮或丙烯酸盐，隔离杂光； 4）护套：尼龙或其他有机材料，提高机械强度，保护光纤。,2光纤的传输原理,由于纤芯与包层的折射率不等（即n1n2），光线的一部分光被反射（反射角为k），成为反射光回到纤芯K；另一部分光被折射（折射角为r）成为折射光K。iarcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失； iarcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。k大，故而将无损地通过光纤纤芯传播。直到端面。,3光纤的主要参数（1）数值孔径：将i的正弦定义为光纤的数值孔径（NA），决定了能被传播的光束的半孔径角的最大值，反映了光纤的集光能力 （2）光纤模式：就是光波沿光纤传输的途径和方式。希望模
17、式数量越少越好，尽可能在单模方式下工作，即单模光纤。 （3）传播损耗：,4光纤的主要类型,按折射率变化分 按传输模式多少分,阶跃型光纤,渐变型光纤,单模光纤,多模光纤,二、光纤传感器及其分类,1光纤传感器的组成原理 光纤传感器则是一种把被测量的状态转变为可测的光信号的装置。 结构：原理：由光发送器发出的光经源光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测量的调制，已调光经接收光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所期待的被测量 光调制就是把某一被测信息加载到传输光波上,2光纤传感器的分类,光纤在传感器中的作用分按照光受被测对象的调制方法,3光纤传感器的特点,（1）电绝缘。
18、（2）抗电磁干扰。 （3）非侵入性。 （4）高灵敏度。 （5）容易实现对被测信号的远距离监控。,三、光纤传感器的应用,1光纤压力传感器 强度调制型：基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术； 相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。,（1）膜片反射式的光纤压力传感器,采用弹性元件的光纤压力传感器。弹性膜片材料是恒弹性金属，如殷钢、铍青铜等。 注意：要考虑温度补偿 。特点：结构简单、体积小、使用方便；但是，光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，其精度就要受到影响。,1-Y形光纤；2-壳体；3-膜片,（2）弹性
19、变形式光纤压力传感器,结构与原理：特点：不受电磁干扰，响应速度快、尺寸小、重量轻、耐热性好。由于没有导电元件，特别适合于有防爆要求的场合使用。,2光纤加速度传感器,激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号，经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值。,3光纤温度传感器,根据工作原理可分为相位调制型、光强调制型和偏振光型等。 结构：特点：它体积小、灵敏度高、工作可靠，广泛应用于高压电力装置中的温度测量等特殊场合。,第三节 红外传感器,一、红外线的基本知识,1电磁波波谱与红外线,2红外辐射的产生及其性质,（1）红外辐射的产生 红外辐射是由于物体（固体、液体和气体）内部分子的转动及振动而
20、产生的。 这类振动过程是物体受热而引起的，只有在绝对零度（-273.16）时，一切物体的分子才会停止运动。（2）红外辐射的性质 一般金属材料基本上不能透过红外线；大多数的半导体材料及一些塑料能透过红外线；液体对红外线的吸收较大 温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长,二、红外探测器,1红外探测器的分类 （1）热敏探测器 热探测器主要优点是响应波段宽，响应范围可扩展到整个红外区域，可以在室温下工作，使用方便 热探测器主要类型有热释电型、热敏电阻型、热电偶型和气体型探测器 释电探测器在热探测器中探测率最高，频率响应最宽 （2）光子探测器 光子探测器主要是采用光电传感器，分为光电管、光敏电阻、光敏晶体管
21、、光生伏特元件等几类。 光子探测器的主要特点是灵敏度高，响应速度快，具有较高的响应频率，但探测波段较窄，一般需在低温下工作。,2红外探测器的组成,红外探测器是由光学系统、敏感元件、前置放大器和调制器等组成。可分为透射式和反射式两类： （1）透射式红外探测器 一般测700以上高温用波段在0.763m的近红外区，可用一般的光学玻璃和石英等材料； 测量100700的中温度时，用波段在35m的中红外区，多数采用氟化镁、氧化镁等热压光学材料； 测100以下低温度时，用波段在514m的中、远红外区，多数采用锗、硅、热压硫化锌等材料。 （2）反射式红外探测器,三、红外传感器的应用,红外辐射计，用于辐射和光谱
22、辐射测量； 搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪； 热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像，如红外图像仪、多光谱扫描仪等； 红外测距和通信系统； 混合系统，是指以上各类系统中的两个或多个的组合。,1红外测温仪,是一个包括光、机、电一体化的红外测温系统， 红外探测器一般为（钽酸锂）热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。 电路包括前置放大，选频放大，温度补偿，线性化，发射率（）调节等。,2红外线气体分析仪,工业用红外线气体分析仪的结构原理图,3红外无损探伤,红外无损探伤
23、的特点是：加热和探伤设备都比较简单，能针对各种特殊的需要设计出合适的检测方案，因此它的应用范围比较广泛，例如金属、陶瓷、塑料、橡胶等材料中的裂缝、孔洞、异物、气泡、截面变形等各种缺陷的探伤，结构的检查，焊接质量的鉴定以及电子器件和线路的可靠性的检测等，都可以用红外无损探伤来解决。,第四节 激光传感器,一、激光的形成原理,激光是媒质的粒子（原子或分子）受激辐射产生的，但它必须具备下述的条件才能得到。 1原子的激发与自发辐射 2原子的受激辐射 3粒子数反转 4激光器的光振荡放大 5激光输出,6激光的特点 （1）高方向性 （2）高亮度 （3）单色性好 （4）高相干性,三、激光器种类与结构,1气体激光
24、器 气体激光器的工作物质是气体，其中有各种惰性气体原子、金属蒸气、各种双原子和多原子气体、气体离子等。 原理：分类： （1）氦氖激光器 （2）二氧化碳激光器,2固体激光器固体激光器的工作物质主要是掺杂晶体和掺杂玻璃，最常用的是红宝石（掺铬）、钕玻璃（掺钕）、钇铝石榴石（掺钕）。,常用的各种聚光腔,固体激光器,3半导体激光器 导体激光器的工作物质是某些性能合适的半导体材料，如砷化镓（GaAs）、砷磷化镓（GaAs-P）、磷化铟（InP）等。 特点是体积小、重量轻、结构紧凑。一般气体和固体激光器的长度至少几厘米，长的达几米以上。,砷化镓激光器,三、激光与激光传感器的应用,长度检测 一般应用的干涉测
25、长仪是迈克尔逊干涉仪，其结构如图8-65所示。图中L1为准直透镜；Ms为半透半反分光镜；M2为反射镜；L：是聚光透镜；PM是光电倍增管。1脉冲氙灯；2红宝石棒； 3椭圆柱形聚光器；4全反射镜；5部分反射镜,测量车速车速测量仪采用小型半导体砷化镓（GaAs）激光器，其发散角在1520之间，发光波长为0.9m。 发射透镜采用37mm，焦距115mm，接收透镜采用37mm，焦距65mm。,测车速光路系统 1一激光源； 2一发射透镜；3一接收透镜； 4一光敏元件,激光测车速电路框图,第五节 图像传感器,一、CCD图像传感器,CCD电荷耦合器件（Charge Couple Device）是一种金属氧化物
26、半导体（MOS）集成电路器件。它以电荷作为信号，基本功能是进行电荷的存储和电荷的转移。 CCD图像传感器由CCD电荷耦合器件制成，是固态图像传感器的一种它是在MOS集成电路基础上发展起来的，能进行图像信息光电转换、存储、延时和按顺序传送。 它的集成度高、功耗小、结构简单、耐冲击、寿命长、性能稳定，因而被广泛应用。CCD自问世以来，由于其独特的性能而发展迅速，广泛应用于自动控制和自动测量，尤其适用于图像识别技术。,1CCD电荷耦合器件,CCD电荷耦合器件是按一定规律排列的MOS（金属氧化物半导体）电容器组成的阵列 ，每一个MOS电容器实际上就是一个光敏元件。,面阵MOS电容器的光电转换,2CCD
27、图像传感器,MOS电容器实质上是一种光敏元件与移位寄存器合而为一的结构，称为光积蓄式结构，这种结构最简单。但是，图像容易模糊不清。,(a)单读示（b）双读示 光敏元件与移位寄存器分离式结构,线阵CCD内部框图,3CCD图像传感器的应用,（1）固态图像传感器特点 1）与光像位置对应的时间先后性，即能输出时间系列信号； 2）串行的各个脉冲可以表示不同信号，即能输出模拟信号； 3）能够精确反映焦点面信息，即能输出焦点面信号。（2）固态图像传感器的用途 1）组成测试仪器可测量物位、尺寸、工件损伤等； 2）作为光学信息处理装置的输入环节。例如：用于传真技术、光学文字识别技术以及图象识别技术、传真、摄像等
28、方面； 3）作自动流水线装置中的敏感器件。例如：可用于机床、自动售货机、自动搬运车以及自动监视装置等方面； 4）作为机器人的视觉，监控机器人的运行。,二、CMOS图像传感器,1CMOS光电转换器件,CMOS型放大器,CMOS型光电变换器件原理,2CMOS图像传感器,CMOS线型图像传感器构成,3CMOS图像传感器的应用,CMOS图像传感器与CCD图像传感器一样，可用于自动控制、自动测量、摄影摄像、图像识别等各个领域。 CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。 CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而过热 目前CMOS传感器基本都是应用在简易型数码相机上如：VIVIT
29、AR公司的VIVICAM2655使用的是一块1/3英吋CMOS芯片，有效分辨率为640480像素,三、图像传感器应用实例,1数码相机数码相机通常被划分为高端（400万像素以上）、中端（330、210万像素）与低端（百万像素以下）三种产品。,数码相机基本结构,2数字摄像机,数字摄像机基本结构,3彩信手机,彩信手机相机模组组成框图,4工件尺寸检测传感器,CCD图像传感器工件尺寸测量系统,作业与思考题1光电效应有哪几种？与之对应的光电元件各有哪些？ 2常用的半导体光电元件有哪些？它们的电路符号如何？ 3对每种半导体光电元件，画出一种测量电路。 4什么是光电元件的光谱特性？ 5光电传感器由哪些部分组成
30、？被测量可以影响光电传感器的哪些部分？ 6模拟式光电传感器有哪几种常见形式？ 7光纤传感器的性能有何特殊之处？ 8光纤传感器主要有哪些应用？ 9红外线温度传感器有哪些主要类型？它与别的温度传感器有什么显著区别？ 10红外线光电开关有哪些优越的开关特性？ 11红外线的特性是什么？它与一般光线有什么不同？ 12红外探测器有几种？它们有什么不同？ 13请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出示意图），并说明其工作原理？ 14激光是怎样形成的？它具有哪些特点？ 15激光器有几种？各自的特点是什么？ 16激光器主要用于哪些非电量的检测？有何特点？主要的激光测速仪有哪些？ 17请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度装置，论述测速的基本工作原理。 19分析图所示尺寸测量的工作过程。,
