光电信息技术第三章课光电耦合.ppt

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1、物理与电气工程学院第三章第三章 光电信息转换光电信息转换3.3 光电信息转换组合器件光电信息转换组合器件 3.3.1 光电耦合器光电耦合器 3.3.2 光电编码器光电编码器 3.3.3 光纤陀螺光纤陀螺物理与电气工程学院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输能量的现象；概括的说耦合

2、就是指两个或两个以上的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依赖于对方的一个量度。实体相互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光光光电器件电器件电器件电器件组合成一体，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到输出到输出到输出端的器件。端的器件。端的器件。端的器件。物理与电气工程学院一、一、光电耦合器的结构与特点光电耦合器的结构

3、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。它由发光源和受光器发光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，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，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，常见的发光源为发光二极管，受光器为光敏二极管、光敏三极管等。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。物理与电气工程学院物理与电气工程学院封装

4、外形与结构封装外形与结构物理与电气工程学院2 2 光电耦合器的特点光电耦合器的特点具有具有电隔离电隔离（欧姆）功能；欧姆）功能；信号信号传输单向传输单向（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；（脉冲或直流），适用于模拟数字信号；具有具有抗干扰抗干扰和噪声能力；和噪声能力；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）；响应速度快（微纳秒，直流兆赫兹）；使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；使用方便，可靠性高，体积小，寿命长；既有耦合特性，又有隔离功能；既有耦合特性，又有隔离功能；物理与电气工程学院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

5、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物理与电气工程学院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光光电电开开关关物理与电气工程学院物理与电气工程学院三光电耦合器的应用三光电耦合器的应用代代替替脉脉冲冲变变压压器器，可可以以耦耦合合从从零零到到几几兆兆赫赫兹兹的的信信号号，失失真真小；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

6、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；作作为为计计算算机机主主机机运运输输部部与与输输入入输输出出端端的的接接口口，提提高高计计算算机的可靠性；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。物理与电气工程学院1用于电平转换用于电平转换物理与电气工程学院2用于逻辑门电路用于逻辑门电路 物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院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

7、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）物理与电气工程学院光幕 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报警信号。出报警信号。接收器接收器物理与电气工程学院 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

8、线被遮断（报警）物理与电气工程学院 光幕应用（续）产品高度测量产品高度测量物理与电气工程学院 光幕应用（续）三维尺寸三维尺寸检测检测宽度宽度 测量测量长度长度 测量测量高度高度 测量测量物理与电气工程学院 光幕应用（续）木材外形截面积检测木材外形截面积检测物理与电气工程学院光幕应用（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）。物理与电气工程学院 光幕应用（续）光幕用于光幕用于 自动收费系统的自动收费系统的车辆检测车辆检测物理与电气工程学院反射式光电开

9、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开关关产产生生开关信号。开关信号。检测距离检测距离物理与电气工程学院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光电开关集光发射器和光接受器关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能覆盖一层偏光透镜，只能接

10、受反射镜反射回来的偏接受反射镜反射回来的偏振光。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物理与电气工程学院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，于于是是产产生生开关信号。开关信号。额定距离额定距离物理与电气工程学院漫反射型光电开关的应用物理与电气工程学院光电开关应用（续）透明度测量、控制透明度测量、控制质

11、量检测质量检测物理与电气工程学院 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物理与电气工程学院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条纹的移动数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物理与电气工程学院长光栅莫尔条纹长光栅莫尔条纹播放动画播放动画物理与电气工程学院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物理与电气工程学院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

12、物理与电气工程学院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物理与电气工程学院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物理与电气工程学院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物理与电气工程学院二、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绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触结构和检测方式有接触式、光电式等形式。式、光电式等形式。透光区透光区不透光区不透光

13、区零位标志零位标志物理与电气工程学院绝对码盘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”物理与电气工程学院LED光敏光敏元件元件物理与电气工程学院 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 的的累加，即，角位移累加，即，角位移 N。如如：，脉脉冲冲N1000，则：，则：0.352 1000 352 物理与电气工程学院 理想条件下，环形光路理想条件下，环形光路系统中的系统中的SagnacSagn

14、ac效应如图效应如图1 1所所示。一束光经分束器示。一束光经分束器M M进入同进入同一光学回路中，分成完全相同一光学回路中，分成完全相同的两束光的两束光C CCWCW和和C CCCWCCW，分别沿顺，分别沿顺时针方向时针方向(CW)(CW)和逆时针方向和逆时针方向(CCW)(CCW)相向传播，当回路绕垂相向传播，当回路绕垂直于自身的轴转动时，将使两直于自身的轴转动时，将使两束光产生相位差，该相位差的束光产生相位差，该相位差的大小与光回路的旋转速率成比大小与光回路的旋转速率成比例。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

15、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）物理与电气工程学院图图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效应物理与电气工程学院图图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

16、传输光程差传输光程差传输相位差传输相位差 Sagnac效应物理与电气工程学院图图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？利用光的干如何检测相位差？利用光的干涉：振动频率相同、方向相涉：振动频率相同、方向相同、相位差恒定同、相位差恒定 通过检测光强来检测相位差，通过检测光强来检测相位差，进而检测转动角速率。进而检测转动角速率。问题：旋转角速率产生的光程问题：旋转角速率产生的光程差太小，很难被检测。差太小，很难被检测。物理与电气工程学院检测器检测

17、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物理与电气工程学院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物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院物理与电气工程学院