现代传感与技术.pptx

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1、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5.1.3光电式传感器的一般形式第1页/共65页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：第2页/共65页特点：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、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

2、特点及应用第3页/共65页5.1.3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；第4页/共65页5.1.3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 码盘光电元件转速越高 脉冲频率越高码盘转动遮光透光脉冲频闪式：第5页/共65页5.2 常用光源5.2.1 对光源的要求5.2.

3、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 激光光源第6页/共65页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 全光谱波长：10-1410-1210-1010-810-610-410-21mcmmm m mnm 可见光380 400500600700780nm紫400蓝435橙605红685黄575绿525青470紫外光红外光可见光：380nm 7

4、80nm红外光：780nm 1m紫外光：1nm 380nm第7页/共65页5.2.2 热辐射光源器件：白炽灯-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 提高寿命第8页/共65页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

5、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，第9页/共65页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

6、/2）、发热少寿命长（10万小时，是荧光灯的10倍 ）、耐振动 响应快（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，第10页/共65页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 Emiss

7、ion of Radiation “受激辐射放大产生的光”第11页/共65页5.2.5 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）第12页/共65页半导体激光器：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 激光光源第13页/共65页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 第14

8、页/共65页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 材料禁带宽度第18页/共65页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 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；批量生产，

9、价格便宜；材料：半导体-硫化镉CdS、硒化镉CdSe；第19页/共65页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：第20页/共65页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 雪崩光电二极管 光可控硅 阵列式光电器件 象限式光电器

10、件 位置敏感探测器（PSD）光电耦合器件（CCDCCD）第21页/共65页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 PN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，第22页/共65页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：光敏二极管（bc结）+三极

11、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 第23页/共65页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），工作于可见光波段-太阳能电池

12、(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)第24页/共65页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，光测量第25页/共65页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（10

13、0200V），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、脉冲编码第26页/共65页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

14、光点移动的方向 第27页/共65页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）第28页/共65页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 锗第29页/

15、共65页5.4 光电编码器5.4.1 绝对式光电编码器 5.4.2 增量编码器 第30页/共65页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.概述第31页/共65页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

16、辨率：码道数 分辨率 变码器位数 n-码道数增加码道 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 第32页/共65页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附加位第33页/共65页5.4.1 绝对式光电编码器 2.编码码制十进制码：0 1 2 3

17、 4 5 6 7 8 9 二进制码：0000 0001 0010 0011 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 00 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第34页/共65页角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKL

18、MNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光电编码器码制第35页/共65页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，摩擦轮编码器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）速度不

19、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 W 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 提高精度第43页/共65页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、移动精度第44页/共65页5.5.2

20、 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照明第45页/共65页5.5.2 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第46页

21、/共65页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：第47页/共65页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.径向圆光栅第48页/共65页5.5.3 圆光栅2.

22、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。第49页/共65页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。第50页/共65页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

23、栅移动 光强变化电路职能：计数、辨向、细分；第51页/共65页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 负计数第52页/共65页5.5.4 光栅传感器的电路系统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

24、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）第53页/共65页5.5.5 零位光栅光栅输出信号：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

25、纹 对称尖脉冲定位精度高0.1m第54页/共65页思考题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。第55页/共65页参考资料（插（插 图）图）第56页/共65页第57页/共65页第58页/共65页第59页/共65页第60页/共65页第61页/共65页第62页/共65页第63页/共65页第64页/共65页感谢您的观看！第65页/共65页