第八章光电式传感器.ppt
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1、第八章 光电式传感器,一、 概述,1、光电式传感器的组成原理、特点及应用,工作原理:,系统组成:,特点:,应用:,2、常用光源,(1) 光谱,光电传感器:,光 敏感元件 电 (光电元件),非接触、响应快、性能可靠,光 ,紫外 可见光 红外,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、,(2) 常用光源, 白炽光源:,气体放电光源:,发光二极管:,激光光源:,器件:白炽灯 钨丝灯,特点: 谱线丰富(可见光+红外光),应用: 滤色片 窄带频率光,避免杂光干扰 仪器,原理:气体分子激发放电 (电弧灯),器件:碳弧灯、
2、钠弧灯、氙弧灯、水银弧灯,特点:功率大,光色接近日光,紫外线丰富,应用:强光、色温要求接近日光,原理:半导体,电致发光,器件:LED,可见光、红外光,特点:体积小、功耗低、寿命长、响应快、易于数字控制,应用:电路(信号)、仪器面板(提示、报警、状态显示),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,器件
3、:,3、光电效应及光电器件,(1) 外光电效应及其器件,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。 需足够光能-光子能力 表面溢出功,原理:光 阴极 光电子 阳极 空间电子流外接电阻 压降U=f(I),原理:光 物体表面 光电子发射,光电管,应用:足够的光强,高速-光电开关,固体激光器-体积小,坚固,功率高 红宝石、(少用),气体激光器-小巧、单色性好、能连续工作、功率小 氦氖、CO2,液体激光器-激光波长可连续调节(范围) 染料,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,特点:简单,灵敏度低 (充入惰性气体气体轰击自由电子),光电倍增管,原理:光
4、 阴极 光电倍增极 阳极 电流,应用:开关测量 光电开关 ,计数,(2) 内光电效应,原理:,光电导效应:,器件:光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管,原理:光 电子-空穴对 导电性 电阻,光生伏特效应:,原理: 光PN结(无偏置) 电子N, 空穴P 电动势,器件:光电池 (硅,锗),特点:光电流大,灵敏度高 倍增率=n , -单极倍增率(36) n-倍增极数(414),光 半导体 电子吸收能量 跃迁 电子-空穴对,光敏电阻:,原理: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,价
5、格便宜,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:光照特性为非线性,光谱特性存在单峰,动态特性好,光照特性,结构:金属封装-防潮,光谱特性,动态特性,光敏二极管(光电二极管, PD: Photo-Diode),原理: 半导体PN结- 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,光照特性,光敏三极管(光电三极管, PT: Photo-Triode),原理:光敏二极管(bc结)+ 三极管,应用:线性转换元件,开关元件,,特点:灵敏度高于光敏二极管,,特性:光照特性-灵敏度和线性好,光谱特性-单峰性,光谱特性,
6、特性:光照特性-灵敏度高于光敏二极管,线性好 光谱特性-单峰性 动态特性-响应速度低于光敏二极管,应用:线性转换元件,开关元件,光照特性,高速光电二极管,PIN结光电二极管(PIN-PD) : I-高电阻率的本征半导体 响应速度快,灵敏度高,线性好, 用于光通讯,光测量,光谱特性,动态特性,雪崩光电二极管: PN + P+ APD 响应速度快,灵敏度高,线性差, 用于光通讯脉冲编码,连接方式:开路电压输出-(a) 短路电流输出-(b),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 光谱特性-硅电池:0.51.2m(红-红外),峰值
7、0.8 m(近红外) 锗电池:0.30.7m(紫-红),峰值0.5 m(绿),光电池,原理: 光PN结电子N, 空穴P 电动势 光电能光电池(硅电池:单晶硅),特点:有源器件,轻便、简单、无污染,动态特性好(硅) 工作于可见光波段-太阳能电池,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),四象限光电池,位置敏感器件(PSD-Positional Sensing 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,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
8、度、光谱特性 降温、恒温、温度补偿 (3)器件材料: 硅 好于 锗,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,固态摄像器件: CCD,比值:,应用:位置检测(一维、二维),比值:,二、 一般形式的光电式传感器,透射式:光被测物光电元件,透射 - 测量透明度、混浊度;,1、模拟式光电传感器,透射式:光被测物光电元件,,2、脉冲式光电传感器,反射式:光被测物光电元件,反射 - 测量反射率、粗糙度、距离;,遮光式:光被测物光电元件,遮光度 - 测量位移、振动;,辐射式:被测物光 光电元件,辐射强度 - 测量温度、放射线;,反射式:光被测物光
9、电元件,,三、 光电编码器,1、绝对式光电编码器,(1) 结构与原理,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 照相腐蚀 要求:分度准确(工艺)、 阴暗交替边缘陡峭(工艺、材质),光源:LED 光学系统 平行光 投影精确,光电元件:硅光电池,光电晶体管 滞后 响应速度,码道:位数每个码道对应一个光电元件分辨率,角度分辨率:=360/2n n-码道数(位数),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),例:19位光电编码器,,角分辨率:=360/219=2.47”,(2) 编码码制:,提高精度: 增加码道、增大码盘尺寸 有限
10、光学细分 附加码道,十进制码-简单,不易电路处理,二进制码-直观,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,格 雷 码-循环码:相邻两数只有一位不同每次只有一位变化转换,14位内码道+1位专用附加码道 19位 附加码道周期与内码道最低位(最外)对应 正弦波+余弦波 过零比较插值、移相过零脉冲细分16正弦波32个等分点5附加位,4位光电编码器码制,(3) 特点与应用,特点:结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好, 直接数字量输出,绝对码输出, 测量范围小(360),速度不高(最高几千转/分),2、增量编码器,(1) 结构与原理,结构: 与绝对编码器类似,应用:小范围绝对位置测量-角度
11、、直线位置 小范围位移、速度检测 例:直线 旋转 360,码道:最外 - 增量码道:透光扇形区分辨率 中间 - 辨向码道: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,(2) 特点与应用,特点:结构简单、精度高、分辨率高,可靠性好, 脉冲数字输出,测量范围无限 速度不高(最高几千转/分),应用:相对位置测量-角度、直线位置, 位移、速度测量,四、 光栅式传感器,1、 光栅传感器原理,(1) 莫尔条纹(Moire),构成:主光栅-标尺光栅,定光栅; 指示光栅-动光栅,条纹宽度:,W-栅距, a-线宽, b-缝宽,W=a+b ,a=b=W/2,
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- 第八 光电 传感器
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