1、第6章 光電式傳感器轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),本章內(nèi)容,6.1 光 電 效 應(yīng) 6.2 常用光電轉(zhuǎn)換器件 6.3 固態(tài)圖像傳感器 6.4 光柵傳感器 6.5 光學(xué)編碼器 6.6 轉(zhuǎn)速測(cè)量基本轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)速傳感器 6.7 接近開關(guān)的基本轉(zhuǎn)速及其傳感器,第6章 光電式傳感器.轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用,Part A 光電式傳感器,CCD用于圖像記錄,Part A 光電式傳感器,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽能電動(dòng)機(jī)模型,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,Part A 光電式傳感器,光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。包括外光電效應(yīng)（External Phot

2、o- electric effect ）、內(nèi)光電效應(yīng)（internal Photo-electric effect） 。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)（ Photoconduction effect ）、光生伏特效應(yīng)（ Photo-voltaic effect ）,6.1光電效應(yīng)（Photoelectric effect）,Part A 光電式傳感器,紫外管 當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時(shí)，電子克服金屬表面對(duì)它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測(cè)量、火焰監(jiān)測(cè)等。,紫外線,Part A 光電式傳感器,根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個(gè)電子只能接受一個(gè)光子的能量，所以要使一個(gè)電子從物體表面

3、逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時(shí)間不超過10-9s。,該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。,Part A 光電式傳感器,光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個(gè)物體都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強(qiáng)再大也不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會(huì)有光電子射出。,紅限頻率為：,當(dāng)入射光的頻譜成分不

4、變時(shí)，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比。即光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。,Part A 光電式傳感器,注意！光電子逸出物體表面具有初始動(dòng)能mv02 /2 ，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會(huì)有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。,Part A 光電式傳感器,過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。,導(dǎo)帶,價(jià)帶,禁帶,自由電子所占能帶,不存在電子所占能帶,價(jià)電子所占能帶,E

5、g,Part A 光電式傳感器,材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對(duì)于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個(gè)照射光波長限0，只有波長小于0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級(jí)間的躍進(jìn)，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。,光生伏特效應(yīng)有兩種：結(jié)光電效應(yīng)(也稱為勢(shì)壘效應(yīng))和橫向光電效應(yīng)(也稱為側(cè)向光電效應(yīng))。,Part A 光電式傳感器,1) 結(jié)光電效應(yīng) 如圖，由半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)，在P區(qū)的一側(cè)，價(jià)帶中有較多的空穴，而在N區(qū)的一側(cè)，導(dǎo)帶中有較多的電子。由于擴(kuò)散的結(jié)果，使P區(qū)帶負(fù)電、N區(qū)帶正電，它們積累在結(jié)附近，形成PN結(jié)的自建場，自建場阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散，最終達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，在結(jié)區(qū)形成阻止電子和空穴繼續(xù)擴(kuò)散的

6、勢(shì)壘。,在入射光照射下，當(dāng)光子能量hv大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg時(shí)，就會(huì)在材料中激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，破壞結(jié)的平衡狀態(tài)。在結(jié)區(qū)的光生電子和空穴以及新擴(kuò)散進(jìn)結(jié)區(qū)的電子和空穴，在結(jié)電場的作用下，電子向N區(qū)移動(dòng)，空穴向P區(qū)移動(dòng)，從而形成光生電流。這些可移動(dòng)的電子和空穴，稱為材料中的少數(shù)載流子。在探測(cè)器處于開路的情況下，少數(shù)載流子積累在PN結(jié)附近，降低勢(shì)壘高度，產(chǎn)生一個(gè)與平衡結(jié)內(nèi)自建場相反的光生電場，也就是光生電動(dòng)勢(shì)。,Part A 光電式傳感器,2) 橫向光電效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時(shí)，光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了

7、載流子濃度梯度，因而載流子就要擴(kuò)散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴(kuò)散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)。這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)，也稱為側(cè)向光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有半導(dǎo)體光電位置敏感器件(PSD)。,Part A 光電式傳感器,1.光電倍增管的結(jié)構(gòu)及工作原理,6.2 常用光電轉(zhuǎn)換器件,6.2.1 外光電效應(yīng)器件,Part A 光電式傳感器,2.光電倍增管的特性參數(shù),（1）倍增系數(shù)M 倍增系數(shù)M 等于n個(gè)倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)的乘積。如果n個(gè)倍增電極的都相同，則 ，因此，陽極電流 I 為,i 光電

8、陰極的光電流,光電倍增管的電流放大倍數(shù)為：,M與所加電壓有關(guān)，M在105108之間，穩(wěn)定性為1左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1以內(nèi)。如果有波動(dòng)，倍增系數(shù)也要波動(dòng)，因此M具有一定的統(tǒng)計(jì)漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為10002500V，兩個(gè)相鄰的倍增電極的電位差為50100V。對(duì)所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計(jì)漲落，從而減小測(cè)量誤差。,Part A 光電式傳感器,（2）靈敏度 一個(gè)光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個(gè)光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。 光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而

9、會(huì)使陽極電流不穩(wěn)。 另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強(qiáng)光照射，否則將會(huì)損壞。,Part A 光電式傳感器,（3）伏安特性,陽極伏安特性曲線,Part A 光電式傳感器,與直線最大偏離是3%,1013,1010,109,107,105,103,101,在45mA處飽和,1014,1010,106,102,光通量/1m,陽極電流/ A,（4）光照特性 光照特性反映了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對(duì)于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個(gè)關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時(shí)，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。,Part A

10、 光電式傳感器,(5) 暗電流 一般在使用光電倍增管時(shí)，必須在暗室里避光使用，使其只對(duì)入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其他因素的影響，即使沒有光信號(hào)輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，暗電流通?？梢杂醚a(bǔ)償電路消除。 光電倍增管暗電流值在正常情況下一般為10-1610-10A，是所有光電探測(cè)器暗電流最低的器件。,Part A 光電式傳感器,1.光敏電阻(LDRs) Light-dependent resistors,photoresistors or photoconductors,6.2.2 內(nèi)光電效應(yīng)器件,暗電流（越小越好）,光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光

11、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(jià)格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。,工作原理演示,Part A 光電式傳感器,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(gè)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，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，如圖。,1）光敏電阻的結(jié)構(gòu),Part A 光電式傳感器,2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性,（1）暗電阻、亮電阻、光電流,（2）光照特性,（3）光譜特性,Part A 光電式傳感器,(4) 伏安特性,(5) 頻率特性,(6) 穩(wěn)定性,(7) 溫度特性,

12、Part A 光電式傳感器,2.光電池（Photoelectric cell）,光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。,把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池，有2DR系列和2CR系列兩種 。 硅光電池價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。 硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56m)，最適

13、宜制造照度計(jì)。 砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合,工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。,Part A 光電式傳感器,P,N,如圖,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(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，光生電子空穴對(duì)的擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)使電子通過漂移運(yùn)動(dòng)被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以在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

14、，就可測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。,1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理,+,光,SiO2,RL,(a) 光電池的結(jié)構(gòu)圖,I,光,(b) 光電池的工作原理示意圖,P,N,Part A 光電式傳感器,光電池符號(hào) 基本電路 等效電路,Part A 光電式傳感器,光電池外形,光敏面,Part A 光電式傳感器,能提供較大電流的大面積光電池外形,Part A 光電式傳感器,光電池在動(dòng)力方面的應(yīng)用,太陽能電動(dòng)機(jī)模型,光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用,Part A 光電式傳感器,2)基本特性,負(fù)載對(duì)光電池輸出性能的影響,Part A 光電式傳感器,Part A 光電式傳感器,1）光敏二極管（PD: Photo-Diode）,光電二極管

15、和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個(gè)PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點(diǎn)是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢(shì)與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾A到幾十A。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光敏二極管。,國產(chǎn)硅光敏二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光敏二極管只有兩條引線，而2DU系列光敏二極管有三條引線。,3.光敏晶體管,Part A 光電式傳感器,光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，其P

16、N結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài),Part A 光電式傳感器,光敏二極管在沒有光照射時(shí)，反 向電阻很大，光敏二極管處于截 止?fàn)顟B(tài)，這時(shí)只有少數(shù)載流子在 反向偏壓的作用下，渡越阻擋層 形成微小的反向電流（暗電流）；受光照射時(shí)，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入N區(qū)， N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進(jìn)入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流 I 與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所

17、以適合檢測(cè)等方面的應(yīng)用。,Part A 光電式傳感器,硅光敏二極管光照特性,硅光敏二極管伏安特性,Part A 光電式傳感器,PIN光敏二極管最大特點(diǎn)是頻帶寬，可達(dá)1GHz。另一個(gè)特點(diǎn)是，因?yàn)镮層很厚，在反偏壓下運(yùn)用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。 PIN光敏二極管的不足是：由于I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點(diǎn)幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN光敏二極管與前置運(yùn)算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個(gè)管殼內(nèi)的商品出售。,PIN光敏二極管可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF 頻帶小信號(hào)開關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通

18、信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極 管還可用于測(cè)量紫外線或射線等。,Part A 光電式傳感器,雪崩光敏二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種光敏二極管。這種管子工作電壓很高，100200V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強(qiáng)，光生電子在這種強(qiáng)電場中可得到極大的加速，同時(shí)與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪,3) 雪崩光敏二極管(APD),崩反應(yīng)。因此，APD有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時(shí)，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩效應(yīng)。目前，噪聲大是雪崩光敏二極管的一個(gè)主要缺點(diǎn)。由于雪崩反應(yīng)是隨機(jī)的，所以它的噪聲較大，特別是工作

19、電壓接近或等于反向擊穿電壓時(shí)，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致無法使用。但由于APD的響應(yīng)時(shí)間極短，靈敏度很高，可廣泛應(yīng)用于微光信號(hào)檢測(cè)、長距離光纖通信、激光測(cè)距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對(duì)抗系統(tǒng)。,Part A 光電式傳感器,4）光敏三極管(PT: Photo-Triode),光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個(gè)引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。,1集電極引腳 2管芯 3外殼 4玻璃聚光鏡 5發(fā)射極引腳,用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型結(jié)構(gòu)，稱為3DU

20、型；用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型結(jié)構(gòu)，稱為3CU型。,Part A 光電式傳感器,光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu),a)管芯結(jié)構(gòu) b）結(jié)構(gòu)簡化圖 6N+ 襯底 ,7N型集電區(qū), 8SiO2保護(hù)圈 , 9集電結(jié), 10P型基區(qū), 11N型發(fā)射區(qū), 12發(fā)射結(jié),光敏三極管也具有電流增益，只是它的發(fā)射極做的很大，以擴(kuò)大光的照射面積，且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時(shí)，集電極處于反向偏置狀態(tài)。 當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時(shí),會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì),在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流

21、的倍。,Part A 光電式傳感器,光敏三極管外形,Part A 光電式傳感器,（1) 光譜特性,（2) 伏安特性,（3) 光照特性,Part A 光電式傳感器,（4) 溫度特性,（5) 光敏三極管的頻率特性,Part A 光電式傳感器,4.位置敏感器件(PSD),位置敏感器件(Position Sensitive Detector，PSD)是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的器件，也稱為坐標(biāo)光電池。PSD有兩種，一維PSD和二維PSD。一維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的一維坐標(biāo)位置，二維PSD用于測(cè)定光點(diǎn)的二維坐標(biāo)位置，其工作原理與一維PSD相似。 PSD器件在光點(diǎn)位置測(cè)量方面有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，它對(duì)光

22、斑的形狀無嚴(yán)格要求，即它的輸出信號(hào)與光斑是否聚焦無關(guān)；另外，它可以連續(xù)測(cè)量光斑在PSD上的位置，且分辨力高，一維PSD的位置分辨力高達(dá)0.2 。,Part A 光電式傳感器,PSD一般為PIN結(jié)構(gòu)。在硅板的底層表面上以膠合的方式制成2片均勻的P和N電阻層，在P和N電阻層之間注入離子而產(chǎn)生I層，即本征層。在P層表面電阻層的兩端各設(shè)置一個(gè)輸出電極。,當(dāng)一束具有一定強(qiáng)度的光點(diǎn)從垂直于P的方向照射到PSD的I層時(shí)，光點(diǎn)附近就會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，在PN結(jié)電場的作用下，空穴進(jìn)入P區(qū)，電子進(jìn)入N區(qū)。由于P區(qū)摻雜濃度相對(duì)較高，空穴迅速沿著P區(qū)表面向兩側(cè)擴(kuò)散，最終導(dǎo)致P層空穴橫向(X方向)濃度呈現(xiàn)梯度變化，這時(shí)

23、，同一層面上的不同位置呈現(xiàn)一定的電位差，這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)，也稱側(cè)向光電效應(yīng)。,Part A 光電式傳感器,PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài)，即PSD的公共極3接正電壓，輸出電極1、2分別接地。這時(shí)，流經(jīng)電極3的電流I0與入射光的強(qiáng)度成正比，流經(jīng)電極1、2的電流I1、I2與入射光點(diǎn)的位置有關(guān)，由于P層為均勻電阻層，因此，I1、I2與入射光點(diǎn)到相應(yīng)電極的距離成反比，并且有I0=I1+I2。,Part A 光電式傳感器,由I1、I2與I0之間的關(guān)系式可以得出,可見，PSD的測(cè)量結(jié)果XA與I1、I2的比值關(guān)系有關(guān)，而入射光強(qiáng)的變化并不影響測(cè)量結(jié)果。這給測(cè)量帶來了極大的方便。,Part A 光電式傳

24、感器,主要技術(shù)指標(biāo)如下： 1.芯片尺寸：2mm20mm 2.光譜范圍（nm）：3801100 3.峰值響應(yīng)度（A/w）：典型值:+-20最大值 :+-704.位置測(cè)量誤差（m）：301205.位置分辨率（m）： 1 6.工作溫度:-2060,FTS1-W104 型一維PSD,Part A 光電式傳感器,6.2.3 半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用選擇,Part A 光電式傳感器,6.3 固態(tài)圖像傳感器,固態(tài)圖像傳感器(solid state imaging sensor)是指在同一半導(dǎo)體襯底上生成若干個(gè)光敏單元與位移寄存器構(gòu)成一體的集成光電器件,其功能是把按空間分布的光強(qiáng)信息轉(zhuǎn)換成按時(shí)序串行輸出的電信號(hào)。

25、 CCD 電荷耦合器件(charge coupled device)是其中應(yīng)用最廣泛的一種。,CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于廣播電視、可視電話和傳真、數(shù)碼照相機(jī)、攝像機(jī)等方面，在自動(dòng)檢測(cè)和控制領(lǐng)域也顯示出廣闊的應(yīng)用前景。,Part A 光電式傳感器,線陣CCD外形,Part A 光電式傳感器,面陣CCD外形,Part A 光電式傳感器,線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用,Part A 光電式傳感器,線陣CCD用于字符識(shí)別,Part A 光電式傳感器,CCD用于圖像記錄,Part A 光電式傳感器,CCD數(shù)碼攝像機(jī),Part A 光電式傳感器,一個(gè)完整的CCD器件由光敏元

26、、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。,6.3.1 CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理,光敏元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。,CCD的工作過程分為三步：1）信號(hào)電荷的注入(光敏元陣列)；2）信號(hào)電荷的轉(zhuǎn)移(轉(zhuǎn)移柵)；3）信號(hào)電荷的讀出(移位寄存器)。,1MOS光敏單元,Part A 光電式傳感器,光敏元結(jié)構(gòu),P型Si襯底,SiO2絕緣層,金屬電極,+,耗盡區(qū)(勢(shì)阱),光線,MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)陣列,電子,光敏元陣列實(shí)現(xiàn)了光圖像到電荷圖的轉(zhuǎn)換,Part A 光電式傳感器,當(dāng)向電極加正偏壓時(shí)，在電

27、場的作用下，電極下的P型硅區(qū)域里的空穴被趕盡，從而形成一個(gè)耗盡區(qū)，也就是說，對(duì)帶負(fù)電的電子而言是一個(gè)勢(shì)能很低的區(qū)域，這部分稱為“勢(shì)阱”。如果此時(shí)有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就產(chǎn)生了光生電子和空穴，光生電子就被附近的勢(shì)阱所吸收(或稱為“俘獲”)，而同時(shí)產(chǎn)生的空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。人們也稱這樣的一個(gè)MOS光敏元為一個(gè)像素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的若干光生電荷稱為一個(gè)電荷包。 通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的MOS光敏元，呈線陣或面陣排列。在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，在半導(dǎo)體硅片上就形成幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)

28、立的勢(shì)阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么通過這些光敏元就會(huì)將其轉(zhuǎn)換成一幅與光照強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)的光生電荷圖像。,Part A 光電式傳感器,MOS光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片,CCD光敏元顯微照片,CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片,Part A 光電式傳感器,2讀出移位寄存器 讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路，如圖。它也是MOS結(jié)構(gòu)，但在半導(dǎo)體的底部覆蓋上一層遮光層，防止外來光線的干擾。,實(shí)現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的步進(jìn)控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明讀出移位寄存器控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。,Part A 光電式傳感器,P1

29、,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,P1,P1,P2,P2,P3,P3,(a),1,2,3,t0,t1,t2,t3,t,(b),電荷轉(zhuǎn)移過程,t=t0,t=t1,t=t2,t=t3,0,Part A 光電式傳感器,3電荷的輸出 如圖所示為利用二極管的輸出方式。在陣列末端襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反相偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生耗盡層。當(dāng)信號(hào)電荷在時(shí)鐘脈沖作用下移向輸出二極管，并通過輸出柵極OG轉(zhuǎn)移到輸出二極管耗盡區(qū)內(nèi)時(shí)，信號(hào)電荷將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流Io。輸出電流的大小與信號(hào)電荷大小成正比，并通過負(fù)載電

30、阻R1變?yōu)樾盘?hào)電壓Uo輸出。,Part A 光電式傳感器,6.3.2 線陣CCD圖像傳感器,Part A 光電式傳感器,在每一個(gè)光敏元件上都有一個(gè)梳狀公共電極,由一個(gè)P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時(shí),光敏元件聚集光電荷,進(jìn)行光積分,光電荷與光照強(qiáng)度和光積分時(shí)間成正比。在光積分時(shí)間結(jié)束時(shí),轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時(shí)低電壓),與CCD對(duì)應(yīng)的電極也同時(shí)處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時(shí),在電荷耦合移位寄存器上加上

31、時(shí)鐘脈沖,將存儲(chǔ)的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個(gè)過程重復(fù)地進(jìn)行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。,Part A 光電式傳感器,1024單元 14m 14m 二相時(shí)鐘(5V),Part A 光電式傳感器,6.3.3 面陣CCD圖像傳感器,Part A 光電式傳感器,感光單元和存儲(chǔ)單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號(hào)進(jìn)入存儲(chǔ)區(qū)。隨后，在每個(gè)水平回掃周期內(nèi)，存儲(chǔ)區(qū)中整個(gè)電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號(hào)在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號(hào)輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計(jì)復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。

32、目前，面陣CCD圖像傳感器使用得越來越多，發(fā)達(dá)國家所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，高端數(shù)碼相機(jī)最多已超過40964096像元，我國主流家用數(shù)碼相機(jī)的面陣CCD圖像傳感器已經(jīng)達(dá)到500萬1000萬像素。,Part A 光電式傳感器,光電傳感器的應(yīng)用示例,光電傳感器可以應(yīng)用于多種非電量的測(cè)量。根據(jù)光通量對(duì)光電元件的作用原理不同，按照其輸出量的性質(zhì)可將光電傳感器分為兩類：一類是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為與之成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系的連續(xù)變化的光電流，稱為模擬式光電傳感器；另一類是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流，系統(tǒng)輸出為開關(guān)量的電信號(hào)，稱為數(shù)字式光電傳感器。,(c) 被測(cè)物是有反射能力的表面 (d) 被測(cè)物遮蔽光通量,

33、Part A 光電式傳感器,光電式濁度計(jì)工作原理被測(cè)物吸收光通量,1恒流源 2半導(dǎo)體激光器 3半反半透鏡 4反射鏡 5被測(cè)水樣 6、9光電池 7、10電流/電壓轉(zhuǎn)換器 8標(biāo)準(zhǔn)水樣,參比通道,Part A 光電式傳感器,光電式濁度計(jì)和含沙量測(cè)量,將裝有濁水的試管插入儀器中,Part A 光電式傳感器,煙霧報(bào)警器外形,無煙霧時(shí)，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時(shí)，煙霧進(jìn)入檢測(cè)室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號(hào)減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。,Part A 光電式傳感器,無線煙霧報(bào)警器內(nèi)部結(jié)構(gòu),可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器,Part A 光電式傳感器,無線火災(zāi)煙霧傳感

34、器,無線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時(shí)，工作電流僅為15微安，報(bào)警發(fā)射時(shí)工作電流為20毫安。當(dāng)探測(cè)到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時(shí)，傳感器的報(bào)警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報(bào)警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報(bào)警信號(hào)，通知遠(yuǎn)方的接收主機(jī)，將報(bào)警信息傳遞出去。 無線發(fā)射器的報(bào)警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。,Part A 光電式傳感器,光電式帶材跑偏檢測(cè)器被測(cè)物遮擋光通量的應(yīng)用實(shí)例,光電傳感器,帶材走偏時(shí)，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。,當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置

35、）時(shí)，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時(shí)，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。,Part A 光電式傳感器,光電式帶材跑偏檢測(cè)控制器原理,1 被測(cè)帶材；2卷取電機(jī) ；3卷取輥；4液壓缸；5活塞；6滑臺(tái)；7光電檢測(cè)裝置；8光源；9、10透鏡；11-光敏電阻R1 ；12遮光罩,Part A 光電式傳感器,被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例,反射式煙霧報(bào)警器,在沒有煙霧時(shí)，由于紅外對(duì)管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。,當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對(duì)紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個(gè)微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光

36、電流輸出。,Part A 光電式傳感器,光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例,照度計(jì) 光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計(jì)來測(cè)量。,光電池（外加柔光罩）,Part A 光電式傳感器,紅外線輻射溫度計(jì)用于食品溫度測(cè)量,紅外線輻射溫度計(jì)：,Part A 光電式傳感器,紅外線輻射溫度計(jì)用于人體額溫測(cè)量,Part A 光電式傳感器,線陣CCD器件精密檢測(cè)工件直徑,Part A 光電式傳感器,光電式轉(zhuǎn)速表,光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測(cè)物數(shù)十毫米外非接觸地測(cè)量其轉(zhuǎn)速。,n =60( f /z ),2.數(shù)字式光電傳感器的應(yīng)用,P

37、art A 光電式傳感器,水泵轉(zhuǎn)速測(cè)量,Part A 光電式傳感器,6.4 光柵傳感器(Optical gratings),在一塊長條形(圓形)光學(xué)玻璃(或金屬)上進(jìn)行均勻刻劃，可得到一系列密集刻線，如圖所示，這種具有周期性刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。,圖中，a為光柵刻線寬度，b為光柵縫隙寬度，a+b=W 稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù)(Grating period)。為了方便處理，通常取a=b=W/2。,Part A 光電式傳感器,光柵式傳感器有如下的特點(diǎn)： (1) 大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程長度與直線位移測(cè)量方面，長光柵測(cè)量精度僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?；圓分度和角位移測(cè)量方面，圓光柵測(cè)

38、量精度最高。一般長光柵測(cè)量精度達(dá)(0.53)/3000mm，分辨力達(dá)0.1，圓光柵測(cè)量精度達(dá)0.15，分辨力達(dá)0.1。 (2) 可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化。 (3) 具有較強(qiáng)的抗干擾能力，適合一般實(shí)驗(yàn)室條件和環(huán)境較好的車間現(xiàn)場。 光柵式傳感器在幾何量測(cè)量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，所有與長度(位移)和角度(角位移)測(cè)量有關(guān)的精密儀器中都經(jīng)常使用光柵式傳感器，此外，在測(cè)量振動(dòng)、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等機(jī)械測(cè)量中也常有應(yīng)用。,Part A 光電式傳感器,6.4.1 計(jì)量光柵的種類 利用光柵的莫爾條紋(Moire patterns)現(xiàn)象進(jìn)行精密測(cè)量的光柵稱為計(jì)量光柵。根據(jù)基材不同，分為金屬光柵

39、與玻璃光柵；根據(jù)刻劃形式不同，分為振幅光柵與相位光柵；根據(jù)光線的走向，分為透射光柵與反射光柵；根據(jù)用途不同，分為長光柵與圓光柵。,Part A 光電式傳感器,Part A 光電式傳感器,Part A 光電式傳感器,2圓光柵,刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤(Grating disk)，用來測(cè)量角度或角位移。圓光柵的參數(shù)多數(shù)是以整圓上刻線數(shù)或柵距角(也稱為節(jié)距角)來表示，它是指圓光柵上相鄰兩柵線之間的夾角，如圖所示。,根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，另一種是切向光柵，切向光柵適用于精度要求較高的場合。,Part A 光電式傳感器,6.4.2 莫爾條紋(Moir Pat

40、terns),Part A 光電式傳感器,2莫爾條紋的特性 莫爾條紋有如下的重要特性： 1) 運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系 莫爾條紋的移動(dòng)量與移動(dòng)方向與兩光柵的相對(duì)位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主光柵向右運(yùn)動(dòng)一個(gè)柵距W1時(shí)，莫爾條紋向下移動(dòng)一個(gè)條紋間距B ；如果主光柵向左運(yùn)動(dòng)，則莫爾條紋向上移動(dòng)。所以，光柵傳感器在測(cè)量時(shí)，可以根據(jù)莫爾條紋的移動(dòng)量和移動(dòng)方向，來判定主光柵(或指示光柵)的位移量和位移方向。,Part A 光電式傳感器,3) 誤差平均效應(yīng) 莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對(duì)線紋的刻劃誤差有平均作用，幾條刻線的柵距誤差或斷裂對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微，從而提高了光柵傳感器的測(cè)量精度。,3莫

41、爾條紋的種類 1) 長光柵的莫爾條紋 (1) 橫向莫爾條紋。兩光柵的光柵柵距相等，即W=W1=W2，以夾角相交形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。,(2) 光閘莫爾條紋。兩光柵的光柵柵距相等，柵線的夾角=0時(shí)，莫爾條紋寬度B趨于無窮大。兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)入射光就像閘門一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱為光閘莫爾條紋。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，視場上的亮度明暗變化一次。,Part A 光電式傳感器,(a) 刻線對(duì)齊 (b) 錯(cuò)開W/4 (c) 錯(cuò)開W/2 (d) 錯(cuò)開3W/4,2) 圓光柵的莫爾條紋 (1) 徑向光柵的莫爾條紋。在幾何量的測(cè)量中，徑向光柵主要使用兩種莫爾條紋：圓弧形莫爾條紋和光閘莫爾條紋。, 圓弧形

42、莫爾條紋。兩塊柵距角相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，在光柵的各個(gè)部分，柵線的夾角均不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。,Part A 光電式傳感器, 光閘莫爾條紋。兩塊柵距角相同的兩塊圓光柵同心疊合時(shí)，得到與長光柵中類似的光閘莫爾條紋。主光柵每轉(zhuǎn)過一個(gè)柵距角，透光亮度就變化一個(gè)周期。,(2) 切向光柵的莫爾條紋。兩塊切向相同、柵距角相同的切線光柵線面相對(duì)同心重合時(shí)，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為環(huán)形莫爾條紋，如圖所示。環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點(diǎn)是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測(cè)量和圓光柵分度誤差的檢驗(yàn)。,Part A 光電式傳感器,6.4.3 光柵傳感器 光柵傳感器

43、有多種不同的光學(xué)系統(tǒng)，其中，比較常見的有透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。,1透射式光柵傳感器,Part A 光電式傳感器,將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過放大、整形變?yōu)榉讲?，?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào)，再經(jīng)過辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，就可以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。,Part A 光電式傳感器,若指示光柵采用裂相光柵，一般由4個(gè)部分構(gòu)成，每一部分的刻線間距與對(duì)應(yīng)的標(biāo)尺光柵完全相同，但各個(gè)部分之間在空間上依次錯(cuò)開的距離(n為整數(shù))，若用光電器件分別接收裂相光柵4個(gè)部分的透射光，可以得到相位依次相差的4路信號(hào)如下：,將4路信號(hào)中U1與U3、U2與U4分別相減，消除信號(hào)的直流電平，可得到兩路相位差為9

44、0的信號(hào)，然后將它們送入細(xì)分和辨向電路，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)位移的測(cè)量。,Part A 光電式傳感器,2反射式光柵傳感器 如圖所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光柵，莫爾條紋是由標(biāo)尺光柵的反射光與指示光柵作用形成，光電器件接收莫爾條紋的光強(qiáng)。反射式光柵傳感器一般用在數(shù)控機(jī)床上，主光柵為金屬光柵，它堅(jiān)固耐用，而且線膨脹系數(shù)與機(jī)床基體的接近，能減小溫度誤差。,Part A 光電式傳感器,3光柵測(cè)量辨向原理,1、2光電元件；3指示光柵；4莫爾條紋,Part A 光電式傳感器,4細(xì)分技術(shù),為了進(jìn)一步提高光柵傳感器分辨力，測(cè)量比柵距更小的位移量，在測(cè)量系統(tǒng)中往往采用細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)的基本思想是，在一個(gè)柵距即一

45、個(gè)莫爾條紋信號(hào)變化周期內(nèi)，發(fā)出n個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖代表原來柵距的1/n，由于細(xì)分后計(jì)數(shù)脈沖頻率提高了n倍，因此也稱為n倍頻。以電子四倍頻細(xì)分為例來說明細(xì)分原理。,前述辨向原理中，在B/4的位置上安放了兩個(gè)光電元件，得到兩個(gè)相差/2的電壓信號(hào)U01和U02(設(shè)為S和C)，將這兩個(gè)信號(hào)整形、反相得到4個(gè)依次相差 /2的電壓信號(hào)0(S)，90(C)，180( )，270( )，將4個(gè)信號(hào)送入電路中，進(jìn)行與、或邏輯運(yùn)算。在正向移過一個(gè)光柵柵距時(shí)，可得到4個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖；反向移過一個(gè)光柵柵距時(shí)，得到4個(gè)減計(jì)數(shù)脈沖，從而實(shí)現(xiàn)了四倍頻細(xì)分。,Part A 光電式傳感器,Part A 光電式傳感器,6.5 光學(xué)編

46、碼器 光學(xué)編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置，它具有分辨力高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護(hù)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，近十多年來，已發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。,按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對(duì)式兩類。增量式編碼器(簡稱增量編碼器)是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器(簡稱絕對(duì)編碼器)的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過程無關(guān)。

47、,Part A 光電式傳感器,光電碼盤實(shí)物圖,Part A 光電式傳感器,6.5.1 絕對(duì)編碼器 1絕對(duì)編碼器的碼盤 絕對(duì)編碼器的碼盤采用照相腐蝕工藝，在一塊圓形光學(xué)玻璃上刻有透光與不透光的碼形。絕對(duì)編碼器光碼盤上有許多道刻線，每道刻線依次以2線、4線、8線、16線編排，這樣，在編碼器的每一個(gè)位置，通過讀取每道刻線的通、暗，可獲得一組從2的零次方到2的n-1次方的唯一的編碼，這就稱為n位絕對(duì)編碼器。這樣的編碼器是由碼盤的機(jī)械位置決定的，它不受停電、干擾的影響，沒有累積誤差。,Part A 光電式傳感器,絕對(duì)式接觸式編碼器演示,4個(gè)電刷,4位二進(jìn)制碼盤,+5V輸入 公共碼道,最小分辨角度為 =3

48、60/2n,Part A 光電式傳感器,2絕對(duì)編碼器的工作原理 光電式絕對(duì)編碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它由光源、絕對(duì)式光碼盤、接收光電元件及后續(xù)光電讀出裝置組成。,Part A 光電式傳感器,以4位絕對(duì)碼盤的光電讀出裝置為例，如圖，由最外向內(nèi)依次為20，21，22，23位，圖中4個(gè)光敏晶體管的讀出值表明裝置正處在碼盤第8號(hào)角度位置，只有最里面碼道的光敏晶體管對(duì)著不透光區(qū)，不受光照，管子截止，輸出電平為B4=1。其他3個(gè)碼,道光敏晶體管均對(duì)著透光區(qū)，受光照而導(dǎo)通，輸出電平均為0。因此，碼盤第8號(hào)角度位置對(duì)應(yīng)的輸出數(shù)碼為1000。碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)某一角度，光電讀出裝置就輸出一個(gè)數(shù)碼。碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)一周，光電讀出裝

49、置就輸出16種不同的4位二進(jìn)制數(shù)碼。,Part A 光電式傳感器,3提高分辨力的措施 絕對(duì)碼盤所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度，即碼盤的分辨力為,式中：n為碼道數(shù)。,可見，碼道數(shù)越多，能分辨的角度越小，就越精確。為了提高角位移的分辨力，常規(guī)方法就是增加碼盤的碼道數(shù)。當(dāng)然這要受到制作工藝的限制。為此，可以采用多級(jí)碼盤，以達(dá)到提高分辨力的目的。,4減小誤碼率 采用二進(jìn)制的碼盤，對(duì)碼盤的制作和安裝要求很嚴(yán)格，否則會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的錯(cuò)碼。為了提高精度，限制錯(cuò)碼率，常用循環(huán)碼盤。循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰兩個(gè)數(shù)的代碼只有一位碼是不同的，故用循環(huán)碼(格雷碼)來代替直接二進(jìn)制碼，就可消除多位錯(cuò)碼現(xiàn)象。,Part A 光電式傳感器,6.

50、5.2 增量編碼器 1增量編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理 增量編碼器又稱脈沖盤式編碼器，在增量編碼器的圓盤上等角距地在兩條碼道上開有透光的縫隙，內(nèi)外碼道(A、B碼道)的相鄰兩縫距離錯(cuò)開半條縫寬，如圖所示。,增量編碼器的第三條碼道是在最外圈只開有一個(gè)透光狹縫，表示碼盤零位。在圓盤兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件。當(dāng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光源經(jīng)過透光和不透光的區(qū)域，每個(gè)碼道將有一系列光脈沖由光電元件輸出，碼道上有多少縫隙就有多少個(gè)脈沖輸出。,Part A 光電式傳感器,2旋轉(zhuǎn)方向的判別 為了辨別碼盤旋轉(zhuǎn)方向，可采用圖示電路實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D型觸發(fā)器的D端和CP端。由于A、B兩列脈沖相差

51、90，D觸發(fā)器在A脈沖(CP)的上升沿觸發(fā)。當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B脈沖超前A脈沖90，故Q=“1”，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，A脈沖超前B脈沖90，D觸發(fā)器在A脈沖(CP)上升沿觸發(fā)時(shí)，D輸入端的B脈沖為低電平“0”，故Q=“0”，而=“1”，表示反轉(zhuǎn)。分別用Q和控制可逆計(jì)數(shù)器是正向還是反向計(jì)數(shù)，即可將光脈沖變成編碼輸出,Part A 光電式傳感器,3增量式光電編碼器的特點(diǎn) 增量式光電編碼器的缺點(diǎn)是它無法直接讀出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的絕對(duì)位置信息。其優(yōu)點(diǎn)包括： (1) 原理構(gòu)造簡單、易于實(shí)現(xiàn)； (2) 機(jī)械平均壽命長，可達(dá)到幾萬小時(shí)以上； (3) 分辨力高； (4) 抗干擾能力較強(qiáng)，信號(hào)傳輸距離較長，可靠性較高。,Part

52、 A 光電式傳感器,圖為利用光柵傳感器直接測(cè)量數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)位移量的現(xiàn)場照片。,工作臺(tái),光柵,工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)方向,Part A 光電式傳感器,采用編碼器間接測(cè)量工作臺(tái)位移。測(cè)量到的回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)參數(shù)僅僅是中間值，但可由這中間值再推算出與之關(guān)聯(lián)的移動(dòng)部件的直線位移。間接測(cè)量須使用絲杠-螺母、齒輪-齒條等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)。,工作臺(tái),絲杠,編碼器,進(jìn)給電機(jī),x,Part A 光電式傳感器,光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)自由度）,數(shù)顯表,Part A 光電式傳感器,安裝有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況,防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵,光柵掃描頭,被加工工件,切削刀具,角編碼器安裝在夾具的端部,Part A 光電式傳感器,編碼器在數(shù)控加工

53、中心的刀庫選刀控制中的應(yīng)用,旋轉(zhuǎn)刀庫,被加工工件,刀具,角編碼器的輸出為當(dāng)前刀具號(hào),角編碼器與旋轉(zhuǎn)刀庫連接,Part A 光電式傳感器,編碼器在定位加工中的應(yīng)用,1絕對(duì)式編碼器 2電動(dòng)機(jī) 3轉(zhuǎn)軸 4轉(zhuǎn)盤 5工件 6刀具,Part A 光電式傳感器,6.6 轉(zhuǎn)速測(cè)量基本知識(shí)及轉(zhuǎn)速傳感器,6.6.1 轉(zhuǎn)速測(cè)量基本知識(shí) 在工程中常常需要對(duì)物體旋轉(zhuǎn)速度進(jìn)行測(cè)量，如發(fā)動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)、機(jī)械傳動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)速度測(cè)量。所謂轉(zhuǎn)速測(cè)量實(shí)際上是測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體在單位時(shí)間內(nèi)的轉(zhuǎn)數(shù)，通常以每分鐘若干轉(zhuǎn)來表達(dá)，即r/min。測(cè)量轉(zhuǎn)速的儀表統(tǒng)稱為轉(zhuǎn)速表。轉(zhuǎn)速表的等級(jí)有0.01、0.02、0.05、0.1、0.2、0.25、1、1.5

54、、2、2.5。各種轉(zhuǎn)速表的測(cè)量原理有： （1）將轉(zhuǎn)速變換成角位移(如離心式、磁性式轉(zhuǎn)速表)； （2）利用人眼視覺暫留的生理現(xiàn)象（如頻閃測(cè)速儀）； （3）將轉(zhuǎn)速變換成電壓（如測(cè)速電機(jī)）； （4）將轉(zhuǎn)速變換為電脈沖頻率（脈沖式轉(zhuǎn)速表）。,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),電子數(shù)字式轉(zhuǎn)速表主要包括轉(zhuǎn)速傳感器和電子計(jì)數(shù)電路兩部分。常用的轉(zhuǎn)速傳感器有磁電感應(yīng)式、光電式、霍爾式、渦流式等等。傳感器將轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)速度轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)，經(jīng)電路放大、整形后送電子計(jì)數(shù)器顯示相應(yīng)的被測(cè)轉(zhuǎn)速值。一般對(duì)中、高轉(zhuǎn)速信號(hào)采用測(cè)頻法，對(duì)低轉(zhuǎn)速信號(hào)采用測(cè)周法測(cè)量。,1測(cè)頻法,測(cè)頻法誤差,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),2測(cè)周法

55、,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),6.6.2 常用轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器 1光電式轉(zhuǎn)速傳感器,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),2磁電式轉(zhuǎn)速傳感器,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),開關(guān)型霍爾集成電路的外形及內(nèi)部電路,OC門,施密特觸發(fā)電路,雙端輸入、 單端輸出運(yùn)放,霍爾 元件,.,Vcc,3霍爾轉(zhuǎn)速傳感器,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),S,N,霍爾器件,磁鐵,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),4渦流式轉(zhuǎn)速傳感器,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),手持式渦流轉(zhuǎn)速計(jì)測(cè)量電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速,Part B 轉(zhuǎn)速測(cè)量及接近開關(guān),6.7 接近開關(guān)的基本知識(shí)及其傳感器,6.7.1 接近開關(guān)基本知識(shí) 接近開關(guān)又稱無觸頭行程開關(guān)，它不僅能代替有觸頭行程開關(guān)來完成行程控制和限位保護(hù)，還可用于高額計(jì)數(shù)、測(cè)速、液面控制、零件尺寸檢測(cè)、加工程序的自動(dòng)銜接等。由于它具有非接觸式觸發(fā)、動(dòng)作速度快、可在不同的檢測(cè)距離內(nèi)動(dòng)作、發(fā)出的信號(hào)穩(wěn)定無脈動(dòng)、工作穩(wěn)定可靠、壽命長，重復(fù)定位精度高以及能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境等特點(diǎn)，所以在機(jī)床、紡織、印刷、塑料等工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛。 接近開關(guān)按工作原理來分：主要有電感式、電容式、霍爾式、超聲波式、光電