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光电信息技术第三章光电信息技术第三章课光电耦合课光电耦合第1页，共52页，编辑于2022年，星期五3.3.1 3.3.1 光电耦合器光电耦合器什么是耦合、光电耦合器？什么是耦合、光电耦合器？什么是耦合、光电耦合器？什么是耦合、光电耦合器？耦合耦合是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之是指两个或两个以上的电路元件或电网络的输入与输出之间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传间存在紧密配合与相互影响，并通过相互作用从一侧向另一侧传输能量的现象；概括的说耦合就是指两个或两个以上的实体相互输能量的现象；概括的说耦合就是指两个或两个以上的实体相互依赖于对方的一个量度。依赖于对方的一个量度。光电耦合器光电耦合器光电耦合器光电耦合器（optical coupler，OC）：将：将：将：将发光器件发光器件发光器件发光器件与与与与光电器件光电器件光电器件光电器件组合成一体，以组合成一体，以组合成一体，以组合成一体，以光作媒质光作媒质光作媒质光作媒质把输入端得到信号把输入端得到信号把输入端得到信号把输入端得到信号耦合耦合耦合耦合到输出端的器件。到输出端的器件。到输出端的器件。到输出端的器件。第2页，共52页，编辑于2022年，星期五一、一、光电耦合器的结构与特点光电耦合器的结构与特点1 1 光电耦合器的结构光电耦合器的结构 光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种光电耦合器是以光为媒介传输电信号的一种电一光一电电一光一电转换器件。它由转换器件。它由发光发光源和受光器源和受光器两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透两部分组成。把发光源和受光器组装在同一密闭的壳体内，彼此间用透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。第3页，共52页，编辑于2022年，星期五第4页，共52页，编辑于2022年，星期五封装外形与结构封装外形与结构第5页，共52页，编辑于2022年，星期五2 2 光电耦合器的特点光电耦合器的特点第6页，共52页，编辑于2022年，星期五光电隔离器光电隔离器光电隔离器光电隔离器：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声：电气隔离、消除噪声光电传感器光电传感器光电传感器光电传感器：检测物体位置、有无：检测物体位置、有无：检测物体位置、有无：检测物体位置、有无分类分类分类分类二、二、光电耦合器的类型光电耦合器的类型第7页，共52页，编辑于2022年，星期五发发光光器器件件光光敏敏器器件件被被测测物物体体槽式光电传感器器示意图槽式光电传感器器示意图槽式光电传感器实物图槽式光电传感器实物图+EC光光电电开开关关第8页，共52页，编辑于2022年，星期五第9页，共52页，编辑于2022年，星期五三光电耦合器的应用三光电耦合器的应用代替脉冲变压器，可以耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替脉冲变压器，可以耦合从零到几兆赫兹的信号，失真小；代替继电器，做代替继电器，做光电开关光电开关用；用；把不同电位的两组电路互连，完成把不同电位的两组电路互连，完成电平匹配和电平转移电平匹配和电平转移；电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比；电流驱动器件与光驱动器件相结合，实现高信噪比；作为计算机主机运输部与输入输出端的接口，提高计算机的可靠性；作为计算机主机运输部与输入输出端的接口，提高计算机的可靠性；在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。在稳压电源中作为过流保护器件，简单可靠。第10页，共52页，编辑于2022年，星期五1用于电平转换用于电平转换第11页，共52页，编辑于2022年，星期五2用于逻辑门电路用于逻辑门电路 第12页，共52页，编辑于2022年，星期五第13页，共52页，编辑于2022年，星期五第14页，共52页，编辑于2022年，星期五第15页，共52页，编辑于2022年，星期五第16页，共52页，编辑于2022年，星期五光电开关在流光电开关在流水线上的应用水线上的应用送料器定区域式光电开关定区域式光电开关咖啡罐咖啡罐流水线运行方向流水线运行方向罐装高度检测罐装高度检测储料仓储料仓落料口落料口遮断式光电开关遮断式光电开关（计数）（计数）第17页，共52页，编辑于2022年，星期五光幕 两两个个柱柱形形结结构构相相对对而而立立，每每隔隔数数十十毫毫米米安安装装一一对对发发光光二二极极管管和和光光敏敏接接收收管管，形形成成光光幕幕，当当有有物物体体遮遮挡挡住住光光线线时时，传传感感器器发发出出报报警警信号。信号。接收器接收器第18页，共52页，编辑于2022年，星期五 光幕应用 当当 有有 物物体体遮遮挡挡住住光光线线时时，传传感感器器发发出出报报警警信信号号，起起保保护护、预预警警等等作用。作用。光线被遮断（报警）光线被遮断（报警）第19页，共52页，编辑于2022年，星期五 光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量第20页，共52页，编辑于2022年，星期五 光幕应用（续）三维尺寸三维尺寸检测检测宽度宽度 测测量量长度长度 测测量量高度高度 测测量量第21页，共52页，编辑于2022年，星期五 光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测第22页，共52页，编辑于2022年，星期五光幕应用（续）纠偏纠偏 光光幕幕可可检检测测出出带带材材在在卷卷曲曲过过程程中中的的偏偏移移，经经控控制制器器和和执执行行机机构构使使带带材材向向正正确确的的方方 向向 运运 动动（纠偏）。（纠偏）。第23页，共52页，编辑于2022年，星期五 光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自自动收费系统的车辆动收费系统的车辆检测检测第24页，共52页，编辑于2022年，星期五反射式光电开关 定定区区域域式式光光电电开开关关有有一一个个非非常常确确定定的的检检测测区区域域，不不经经过过该该区区域域的的被被测测物物体体不不会会引引起起光光电电开关产生开关信号。开关产生开关信号。检测距离检测距离第25页，共52页，编辑于2022年，星期五反射镜反射型光电开关工作原理 反射镜反射镜反射型反射型光电开关光电开关集光发射器和光接受器于一集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。来的偏振光。反射板反射镜反射镜被测物体偏振光偏振光发射光发射光第26页，共52页，编辑于2022年，星期五被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线 漫漫反反射射型型光光电电开开关关集集光光发发射射器器和和光光接接受受器器于于一一体体。当当被被测测物物体体经经过过该该光光电电开开关关时时，发发射射器器发发出出的的光光线线经经被被测测物物体体表表面面反反射射由由接接受受器器接接受受，于于是产生开关信号。是产生开关信号。额定距离额定距离第27页，共52页，编辑于2022年，星期五漫反射型光电开关的应用第28页，共52页，编辑于2022年，星期五光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质量检测质量检测第29页，共52页，编辑于2022年，星期五 3.3.2 光电编码器光电编码器 一一 增量式编码器增量式编码器莫尔条纹宽度莫尔条纹宽度B光栅栅距光栅栅距W第30页，共52页，编辑于2022年，星期五莫尔条纹演示莫尔条纹移动数等于光栅移动刻线数，只要检测出莫尔条纹莫尔条纹移动数等于光栅移动刻线数，只要检测出莫尔条纹的移动数的移动数N N，就可计算出光栅的相对移动距离，就可计算出光栅的相对移动距离=N*W=N*W第31页，共52页，编辑于2022年，星期五长光栅莫尔条纹长光栅莫尔条纹播放动画播放动画第32页，共52页，编辑于2022年，星期五长光栅光闸莫尔条纹长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画第33页，共52页，编辑于2022年，星期五播放中播放中圆弧莫尔条纹圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画第34页，共52页，编辑于2022年，星期五光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中第35页，共52页，编辑于2022年，星期五环形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示第36页，共52页，编辑于2022年，星期五单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹播放动画播放动画第37页，共52页，编辑于2022年，星期五二、绝对式编码器二、绝对式编码器10码道光电绝对式码盘码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式测方式有接触式、光电式等形式。等形式。透光区透光区不透光区不透光区零位标志零位标志第38页，共52页，编辑于2022年，星期五绝对码盘4个电刷个电刷 4 4位二进制码盘位二进制码盘 最小分辨角最小分辨角 3602n 当当n4，3602422.5 导电为导电为“1”，非导电为，非导电为“0”第39页，共52页，编辑于2022年，星期五LED光敏光敏元件元件第40页，共52页，编辑于2022年，星期五 输输出出信信号号为为一一串串脉脉冲冲，每每一一个个脉脉冲冲对对应应一一个个分分辨辨角角，对对脉脉冲冲进进行行计计数数N，就就是是对对 的的累累加加，即即，角角位位移移 N。如如：0.352，脉脉冲冲N1000，则：，则：0.352 1000 352 第41页，共52页，编辑于2022年，星期五 理想条件下，环形光路系统理想条件下，环形光路系统中的中的SagnacSagnac效应如图效应如图1 1所示。一束所示。一束光经分束器光经分束器M M进入同一光学回路进入同一光学回路中，分成完全相同的两束光中，分成完全相同的两束光C CCWCW和和C CCCWCCW，分别沿顺时针方向，分别沿顺时针方向(CW)(CW)和和逆时针方向逆时针方向(CCW)(CCW)相向传播，当相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，回路绕垂直于自身的轴转动时，将使两束光产生相位差，该相位将使两束光产生相位差，该相位差的大小与光回路的旋转速率成差的大小与光回路的旋转速率成比例。比例。图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的SagnacSagnac效应效应(a)(a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转3.3.3 光纤陀螺光纤陀螺（导航传感器）（导航传感器）第42页，共52页，编辑于2022年，星期五图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的SagnacSagnac效应效应(a)(a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转如如(a)(a)所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为所示，无旋转条件下，两束光传输时间相等，为如如(b)(b)所示，旋转条件下，所示，旋转条件下，Sagnac效应第43页，共52页，编辑于2022年，星期五图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的SagnacSagnac效应效应(a)(a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转传输时间差传输时间差传输光程差传输光程差传输相位差传输相位差 Sagnac效应第44页，共52页，编辑于2022年，星期五图图1 1 理想环形光路系统中的理想环形光路系统中的SagnacSagnac效应效应(a)(a)系统静止；系统静止；(b)(b)系统旋转系统旋转传输相位差传输相位差 Sagnac效应如何检测相位差？利用光的干涉：如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相同、相振动频率相同、方向相同、相位差恒定位差恒定 通过检测光强来检测相位差，进通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。而检测转动角速率。问题：旋转角速率产生的光程差太问题：旋转角速率产生的光程差太小，很难被检测。小，很难被检测。第45页，共52页，编辑于2022年，星期五检测器检测器透镜透镜透镜透镜光纤线圈光纤线圈光源光源分束镜分束镜在检测器上形成干涉条纹在检测器上形成干涉条纹当光纤线圈静止当光纤线圈静止检测器上的干涉条纹对应最大的输出检测器上的干涉条纹对应最大的输出第46页，共52页，编辑于2022年，星期五光纤陀螺实现原理光纤陀螺实现原理光光纤纤陀陀螺螺本本质质上上就就是是一一个个环环形形干干涉涉仪仪，通通过过采采用用多多匝匝光光纤纤线线圈圈来来增增强强相相对对惯惯性性空空间间 的的 旋旋 转转 引引 起起 的的SagnacSagnac效效应应。其其实实现现如图所示。如图所示。图图2 光纤陀螺实现原理图光纤陀螺实现原理图第47页，共52页，编辑于2022年，星期五第48页，共52页，编辑于2022年，星期五第49页，共52页，编辑于2022年，星期五第50页，共52页，编辑于2022年，星期五第51页，共52页，编辑于2022年，星期五第52页，共52页，编辑于2022年，星期五