第9章光电式传感器（课件）- 《传感器与检测技术（第4版）》同步教学（机工版）

第9章 光电式传感器 知识单元与知识点 光电式传感器的类别、基本形式； 光电器件及其基本特性； CCD图像传感器的工作原理、分类、特性参数与应用； 光纤的传光原理、光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类与应用； 光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）的结构、工作原理与应用； 计量光栅的结构、组成、工作原理与应用。 能力点 深入理解光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电流、全反射、数值孔径、粗误差、莫尔条纹、辨向与细分等基本概念； 了解光电式传感器的类别、基本形式； 把握各种光电器件的基本特性； 会分析CCD图像传感器、光纤、光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）和计量光栅的工作原理； 把握CCD图像传感器的分类、特性参数，光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类，光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）的结构和计量光栅的结构、组成； 了解光电式传感器的应用。 重难点 重点：基本概念；光电器件的基本特性；光电式传感器的工作原理。 难点：CCD图像传感器的工作原理、码盘的辨向原理、计量光栅的辨向原理与细分技术。 学习要求 熟练掌握光电效应、内光电效应、外光电效应、亮电阻、暗电流、全反射、数值孔径、粗误差、莫尔条纹、辨向与细分等基本概念； 了解光电式传感器的类别、基本形式； 了解各种光电器件的基本特性； 掌握CCD图像传感器、光纤、光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）和计量光栅的工作原理； 了解CCD图像传感器的分类、特性参数，光纤的主要特性、光纤传感器的组成、分类，光电式编码器（码盘式、脉冲盘式）的结构和计量光栅的结构、组成； 掌握二进制与循环码的相互转换方法； 了解光电式传感器的应用。 9.1　概述 9.1.1 光电式传感器的类别 光电式传感器（或称光敏传感器） 是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。 按工作原理分类 光电效应传感器 红外热释电探测器 固体图像传感器 光纤传感器 光电效应传感器 是应用光敏材料的光电效应制成的光敏器件。 光电效应：因光照引起物体电学特性改变的现象，包括光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生变化，或产生光生电动势等。 红外热释电探测器 主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势原理制成的一类器件。 固体图像传感器 结构上分为两大类，一类是用CCD电荷耦合器件的光电转换和电荷转移功能制成CCD图像传感器，一类是用光敏二极管与MOS晶体管构成的将光信号变成电荷或电流信号的MOS金属氧化物半导体图像传感器。 光纤传感器 它利用发光管（LED）或激光管（LD）发射的光，经光纤传输到被检测对象，被检测信号调制后，光沿着光导纤维反射或送到光接收器，经接收解调后变成电信号。 特点 光电式传感器具有结构简单、响应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰能力强（不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波）、可实现非接触式测量等特点 可以直接检测光信号，间接测量温度、压力、位移、速度、加速度等 其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力 9.1.2 光电式传感器的基本形式 由光路及电路两大部分组成 光路部分实现被测信号对光量的控制和调制 电路部分完成从光信号到电信号的转换后的电信号传输与输出等 四种基本形式（基于光路的特征） 透射式 反射式 辐射式 开关式 9.2 光电效应与光电器件 光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为 光电效应方程 光电效应：当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放出电子，即物体吸收具有一定能量的光子后所产生的电效应。 光电器件 光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。 光电器件工件的物理基础：光电效应。 光电效应分为：内光电效应、外光电效应 9.2.1 外光电效应型光电器件 外光电效应：当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间的现象 即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。 1、光电管及其基本特性 光电管的伏安特性 光电管的光照特性 曲线1表示（银）氧铯阴极光电管的光照特性，光电流与光通量呈线性关系。 曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系 光电管的光谱特性 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的灵敏度也不同，这就是光电管的 光谱特性。 曲线1、2分别为（银）氧铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度， 3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线 2、光电倍增管及其基本特性 主要参数 倍增系数 M 阳极电流