现代传感技术与系统.ppt

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1、第5章 光电式传感器,5.1 光电传感器概述5.2 常用光源5.3 光电效应及光电元件 5.4 光电编码器5.5 光栅传感器,5.1 光电传感器概述,5.1.1 光电式传感器的组成原理5.1.2 特点及应用 光电式传感器的一般形式,5.1.1 光电式传感器的组成原理,工作原理：,系统组成：,光源,光通路,光电元件,测量电路,光,光,电,电,y,被测量x1,被测量x2,光 敏感元件 电,敏感元件：光电元件,光电效应,外光电效应,内光电效应,测量方式：,改变光源：,改变光路：,方式：,特点：,应用：,非接触、响应快、性能可靠、精度高,光,光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、,几何量：形状、尺寸、

2、位移、距离、表面粗糙度、形位误差,力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度,生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、,5.1.2 特点及应用,光电式传感器的一般形式,透射式：光被测物光电元件（透射）测量透明、半透明固体透明度、液体混浊度、气体浓度；,1.模拟式光电传感器,反射式：光被测物光电元件（反射）测量物体表面反射率、粗糙度、距离、位置、振动；,遮光式：光被测物光电元件（部分遮光）测量物体位移、振动、速度；,辐射式：被测物光 光电元件，辐射强度 测量辐射温度、放射线；,光电式传感器的一般形式,转速传感器,透射式：,2.脉冲式光电传感器,反射式：,转速传感器,光源 码盘光电元件,

3、转速越高 脉冲频率越高,码盘转动遮光透光脉冲,频闪式：,5.2 常用光源,5.2.1 对光源的要求5.2.2 热辐射光源5.2.3 气体放电光源5.2.4 发光二极管(LED)5.2.5 激光光源,5.2.1 对光源的要求,紫外 可见光 红外,照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度,均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差,光谱要求：光波频率、波长：,投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射,发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响,可见光,紫外光,红外光,可见光：380nm 780nm红外光：780nm 1m紫外光：1nm 380nm,5.2.2 热辐射光源,器件：白炽

4、灯-钨丝（1879年，爱迪生）,特点：,应用：可见光源-宽光谱（滤色片 窄带光谱，避免杂光干扰 仪器）,原理：高温物体 光辐射，温度高 辐射能大,卤钨灯-钨丝+卤素（碘），卤素+内壁钨 卤化钨 受热 分解 钨 沉积到钨丝,谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区,发热大，80%能量转化为热能，热光源,寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险,近红外光源-红外检测,发光效率低，15%在可见光，,+惰性气体 提高寿命,5.2.3 气体放电光源,原理：气体分子激发 放电 发光,器件：弧光灯-碳弧灯,特点：效率高，省电,应用：强光、色温要求接近日光,荧光灯-气体放电+荧光粉，波长更长,日光灯：光谱

5、接近日光,节能灯：压缩荧光灯，,钠弧灯,氙弧灯,水银弧灯(汞灯),金卤灯,功率大，光色接近日光，紫外线丰富,有辐射，废弃物有汞污染、易碎,频率低，对人眼有损害，,5.2.4 发光二极管(LED),原理：半导体，电致发光，,器件：,特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源,应用：仪器光源、室内照明、,单色LED：红色、绿色、黄色、橙色、蓝色,白色LED：2001,美国波士顿大学光学研究中心,应用：指示灯、背光源,光谱丰富-（篮+黄）/（篮+绿+红）,亮度高-荧光灯5倍，白炽灯的25倍,功耗低（白炽灯1/8，荧光灯1/2）、发热少,寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍）、耐振动,响应快

6、（毫秒级）、供电电压低、易于数字控制,价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，,5.2.5 激光光源,原理：,特点：,外界光 光原子 能级跃迁 受激辐射 光放大谐振辐射激光,方向性好-发散角很小(约0.18)，比普通光小23数量,亮度高-能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍,单色性好-光谱范围极小，频率单一；（He-Ne激光:=632.8nm,=10-6nm）,相干性好-受激辐射，传播方向/振动方向/频率/相位一致 时间相干性、空间相干性均好,LASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“受激辐射放大产生的光”,5.2.5

7、激光光源,固体激光器：体积小，坚固，功率高,气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小；高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；,红外固体激光器,绿色固体激光器,红宝石固体激光器,He-Ne激光器,He-Cd激光器,He-Cd激光器（制冷）,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,蓝色/紫色激光,红色激光,近红外小功率,染料激光器,离子激光器,蓝色激光器,5.2.5 激光光源,5.3 光电效应及光电元件,5.3.1 外光电效应及其器件 5.3.2 内光电效应及器件,5.3.1 外光电效应及其器件,1.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

8、秒。,原理：光 金属物体表面 电子获得光子的能量,应用：足够的光强，高速光电开关,光子能量 表面溢出功 电子逸出表面 光电子发射,需足够光能-光子能量 表面溢出功,频率下限f0-当 f f0 时无激发电子“红限”,器件：光电管、光电倍增管,5.3.1 外光电效应及其器件,原理：光 阴极 发射光电子 阳极 空间电子流 外接电阻 压降U=f(I),2.光电管,特点：结构简单，,充入惰性气体气体轰击自由电子 灵敏度,灵敏度较高：20200A/lm,暗电流小，最低可达10-14A,体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等。,5.3.1 外光电效应及其器件,3.光电倍增管,原理：光 阴极 光

9、电倍增极 阳极 电流,使用电路：,应用：开关测量 光电开关，计数,一般情况下，直流供电，各级电压均相等，约80V，总电压约1000V并联电容：避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化,5.3.2 内光电效应及其器件,原理：,光 半导体 价带电子吸收能量 跃迁至导带 电子-空穴对 导电特性,种类：内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,条件：光子能量 材料禁带宽度,5.3.2 内光电效应及其器件,1.光电导效应及器件,器件：光敏电阻,原理：光 半导体 电子-空穴对 导电性 电阻,原理：半导体电阻器件，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

10、,特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；批量生产，价格便宜；,材料：半导体-硫化镉CdS、硒化镉CdSe；,5.3.2 内光电效应及其器件,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：,光谱特性:,动态特性:,为非线性，不易作线性检测元件,存在单峰，应与光源光谱匹配,动态特性较好，响应时间0.1S0.001S,结构：梳妆电极:,金属封装：防潮,光照特性：,5.3.2 内光电效应及其器件,2.光生伏特效应及器件,原理：光 PN结（无偏置）电子迁移 电子 N,空穴 P 电势,器件：光敏二极管（PD）光敏三极管（PT）光电池（硅、锗）PIN光电二极管 雪崩光电二

11、极管 光可控硅 阵列式光电器件 象限式光电器件 位置敏感探测器（PSD）光电耦合器件（CCD）,5.3.2 内光电效应及其器件,(1)光敏二极管（光电二极管,PD:Photo-Diode）,原理：PN结,光照特性:,应用：线性转换元件，开关元件，,特性：,光谱特性:,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,注意：a)电路连接同一般二极管，输出电流小，一般为数微安到数十微安,b)入射光角度限制,动态特性:,单峰性,动态特性好,灵敏度和线性好，,5.3.2 内光电效应及其器件,(2)光敏三极管（光电三极管,PT:Photo-Triode）,原理：

12、光敏二极管（bc结）+三极管,特点：光照特性-灵敏度高于光敏二极管，非线性，不如光电二极管。,应用：开关元件：,光谱特性-单峰性,光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、光电耦合器、车速传感器、红外遥控器、,注意：a)电路连接:,b)入射光角度限制,5.3.2 内光电效应及其器件,连接方式：(a)开路电压输出:(b)短路电流输出:,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,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）,特点：有源器件，无污染，轻便、简单、动态特性好（硅），工

13、作于可见光波段-太阳能电池,(3)光电池,原理：光 PN结（无偏置）电子迁移 电子 N,空穴 P 电动势,光谱特性-硅电池：0.51.2m(红-红外)，峰值0.8 m(近红外)锗电池：0.30.7m(紫-红)，峰值0.5 m(绿),5.3.2 内光电效应及其器件,(4)PIN结光电二极管（PIN-PD）,结构：PN+I I-高电阻率的本征半导体（厚）PN结双电层的间距加宽，结电容变小,特点：频带宽，可达10GHz，响应速度快，灵敏度高，线性输出范围宽，线性好 输出电流小（数微安），电阻很大,应用：用于光通讯，光测量,5.3.2 内光电效应及其器件,(5)雪崩光电二极管,雪崩效应：工作电压很高（

14、100200V），接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子得到极大加速，同时与晶格碰撞，从而产生电离雪崩反应。,特点：有很高的内增益，可达到几百，灵敏度高 响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种光电二极管 噪声大（随机），线性差,应用：用于光通讯、脉冲编码,5.3.2 内光电效应及其器件,(6)阵列式结型光电器件,构成：利用集成电路技术,使几百个光电二极管或光电池排成一行，集成在一块集成电路片子上，即成为阵列式的一维光电器件,衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线,特点：光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理,应用：可用来辨别光点

15、移动的方向,5.3.2 内光电效应及其器件,(7)位置敏感器件（PSD-Positional Sensitive Device）,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,比值：,应用：位置检测(一维、二维),（8）四象限光电池,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,比值：,（9）固态摄像器件（CCD）,5.3.2 内光电效应及其器件,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,5.4 光电编码器,5.4.1

16、绝对式光电编码器 5.4.2 增量编码器,5.4.1 绝对式光电编码器,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 同心圆环-码道,光源：LED 光学系统 平行光 投影,光电元件：硅光电池，光电晶体管 每个码道对应一个光电元件,任意角位置：每个码道-透光=1/不透光=0 多个码道-0101-绝对码；外圈码道 低位，变化快；内圈码道 高位，变化慢；,组成：,日本OMRON,1.概述,5.4.1 绝对式光电编码器,提高精度,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）,角度分辨率：码道数 分辨率 变码器位数,n-码道数,增加码道

17、增大码盘尺寸 有限,光学细分 附加码道,码盘：透光/不透光 照相腐蚀 分度准确、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）,光电元件：滞后 响应速度,5.4.1 绝对式光电编码器,例：19位光电编码器:,角分辨率：=360/219=2.47”,附加码道：周期与内码道最低位(最外)对应,14位内码道+1位专用附加码道360/214=1.3 19位?,光电元件：两个，相距1/4周期 正弦波+余弦波,电路处理：插值、移相 过零脉冲 细分 16正弦波 32个等分点 5附加位,5.4.1 绝对式光电编码器,2.编码码制,十进制码：0 1 2 3 4 5 6 7 8 9,二进制码：0000 0001 0010 001

18、1 0100,格 雷 码：循环码，,简单，直观，不易电路处理,简单，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,0 0 0 1 0 0 1 0,0 0 0 0：误差20 0 1 1：误差1,相邻两数只有一位不同每次只有一位变化有低位开始依次循环变化,0 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 0,4位光电编码器码制,5.4.1 绝对式光电编码器,3.特点:,结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,4.应用：小范围绝对位置测量-角度、直线位置,直接数字量输出-数字传感器,绝对码输出-绝对角位置传感器（角度编码器），,测量范围有限-360（可增加记忆圈数来扩大范围）,速度

19、不高（最高几千转/分）-光电元件动态相应,不怕震动、振摆，测量过程不丢数，不怕断电,例：直线 旋转 360,半闭环位置控制-编码器+电机 伺服电机（控制电机+编码器）,5.4.2 增量编码器,1.结构与原理,码道：最外-增量码道：透光扇形区 中间-辨向码道：与增量码道错开半个扇形区 最内-零位码道：透光狭缝基准脉冲,测量电路：放大，整形，驱动，辨向,细分,计数 辨向-判断转动方向 细分-提高测量分辨力,原理：增量码道：透光/不透光 输出脉冲,辨向码道：与增量码道错开1/4周期 正弦信号+余弦信号 正转脉冲 or 反转脉冲,零位码道：透光狭缝 基准脉冲 零位,5.4.2 增量编码器,2.特点：结

20、构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，,3.应用：相对位置、位移测量-角度、直线位置，机床导轨、机械光学鼠标,例：速度测量：,脉冲输出-数字（量）传感器,测量范围无限-受计数器位数限制,速度不高（最高几千转/分）-光电元件动态相应,增量码输出-测量角位移（旋转编码器）,怕振动、振摆、断电-丢数,5.4.2 增量编码器,应用实例：,位标器电锁精度测试仪,注意：1、防震、防尘、防水,2、编码器与转轴连接-弹性连轴结,要 求：测角范围：45 测量精度：2,增量码18000脉冲，1.2,随堂作业,为一个旋转分度头（90）增加角度数显装置，要求分辨力为1请问：(1)可采用哪一种编码器，为什么？(2)请给出

21、编码器的主要指标。(3)核算能够达到的实际分辨力。,解：(1)可采用绝对码编码器，因为需要测量绝对角位置(2)绝对码编码器的主要指标是位数n：360/2n1/60 2n21600 214=16384 215=32768 n=15(3)实际分辨力：360*60/32768=0.66,错误1：n=14,错误2：180/2n,错误3：180/214=0.66?,5.5 光栅传感器,5.5.1 光栅传感器原理 5.5.2 光栅传感器结构5.5.3 圆光栅5.5.4 光栅传感器的电路系统5.5.5 零位光栅,5.5.1 光栅传感器原理,1.莫尔条纹（Moire）原理,构成：主光栅-标尺光栅，定光栅；,条

22、纹宽度：,W-栅距，a-线宽，b-缝宽,W=a+b，a=b=W/2,指示光栅-动光栅,5.5.1 光栅传感器原理,特例：当=0,w1=w2 B=光闸莫尔条纹，,当=0,w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直,同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应,放大性：夹角很小 BW 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,5.5.1 光栅传感器原理,2.光栅传感器原理与特点,精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1,量程大：透射式-光栅尺长（13

23、米），反射式-几十米几百米,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,成本高：电路复杂,原理：位移 指示光栅移动 摩尔条纹 移动 计数测量,特点：,要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移动精度,5.5.2 光栅传感器结构,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,组成：1 主光栅尺（定光栅）4 透镜 2 指示光栅（动光栅）5 光源 3 光电元件,透射式光栅（封闭式：）：,原理：光源 指示光栅 透射 主光栅 光电元件,德国Heidenhain（海德汉）：,量程270mm，分辨力1nm,量程1440mm，分辨力0.01m,照明,5.5.2

24、光栅传感器结构,反射式光栅：,原理：光源 主光栅 反射 指示光栅 光电元件,组成：1 主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）3 光电元件 4 透镜 5 光源,英国Renishaw（雷尼绍）：,量程：任意分辨力：0.1 m 0.01 m,5.5.2 光栅传感器结构,直线型：动光栅直线移动 测量直线位移,旋转型：动光栅旋转运动 测量旋转角度,（主光栅一般为直尺形，莫尔条纹为直线形）,主光栅为圆环形 旋转光栅,主光栅为圆盘形 圆光栅,（莫尔条纹为圆/弧形）,（莫尔条纹为直线形）,运动,直线型：,旋转型：,5.5.3 圆光栅,光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合,条纹宽度不是定值，随位置不同而

25、不同：,在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹,其他位置上，称为斜向莫尔条纹,条纹：在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径-圆弧形莫尔条纹,转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动。,1.径向圆光栅,5.5.3 圆光栅,2.切向光栅,光栅：两块光栅，切向刻线（基圆），切向相同，栅距角相同 基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，,条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇-环形莫尔条纹,宽度也不是定值，随位置不同而不同。,转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动。,特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度。,5.5.3 圆光栅,光栅：两块光栅，环形刻线，完全相同，偏心叠合，,3.环形光栅,条纹：近似直

26、线并成辐射方向-辐射形莫尔条纹。,转动：辐射摩尔条纹周向转动。,5.5.4 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）,光栅输出：光强信号 明暗条纹 同步移动,一点观察：光栅移动 光强变化,电路职能：计数、辨向、细分；,5.5.4 光栅传感器的电路系统,2.辨向原理,两个光电元件 相距B/4。,正向移动：,两路信号 相位差/2 正弦+余弦。,整形 方波 微分 窄脉冲,反向移动：,u1正脉冲，u2高电平 Y1输出 正计数u1负脉冲，u2低电平 Y2无输出,u1正脉冲，u2高电平 Y1无输出u1负脉冲，u2低电平 Y2输出 负计数,5.5.4 光栅传

27、感器的电路系统,1个计数值 1个条纹宽度 1个栅距 分辨力,两个光电元件 两路信号(sin,cos)处理 2个脉冲/栅距,2个光电元件 信号反向 4路信号(sin,cos)处理 4个脉冲/栅距4个光电元件 4路信号(sin,cos)处理 4个脉冲/栅距,3.细分技术,4路信号（sin,cos）电桥 过零比较器 多个脉冲（1260）,分辨力：取决于栅距 刻线多少（50条/mm，0.02mm）,细分,(1)二倍频细分：,(2)四倍频细分：,(3)电桥细分：,(4)电平切割细分：,(5)其他方法：,4路信号（sin,cos）比较器 电平幅值切割 多个脉冲（40100）,5.5.5 零位光栅,光栅输出

28、信号：增量码 无绝对零位,零位光栅：在光栅特定区域单独刻划标志刻线 以此电作为光栅的绝对零位,单刻线：一条透光狭缝，宽度相同 近似三角波信噪比低，匹配难,绝对零位：基准/标志 绝对码测量,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0.1m,思考题1、简述几何光学的四个定律。2、什么叫光的干涉、衍射、辐射与吸收？3、简述光电式传感器的组成及特点。4、传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？5、简述光电探测器的原理、特点和基本类型。6、简述弱信号探测方法。7、简述激光传感技术的原理、方法。8、什么叫红外线、大气窗口？红外线是什么？9、简述红外辐射的基本定律。10、简述红外探测器的原理、种类、特点、应用。11、举例说明光电传感器的应用。,参考资料,（插 图）,