传感技术课件6

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1、机电工程学院机电工程学院Faculty of Mechanical & Electrical EngineeringLiutao.刘刘 韬韬现代传感器技术 第五章光电式传感器1Faculty of Mechanical & Electrical Engineering本章内容本章内容n5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述n5.2 5.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 n5.4 5.4 光电编码器光电编码器n5.5 5.5 光栅传感器光栅传感器2Faculty of Mechanical & Electrical Engineering工作原理工

2、作原理：系统组成系统组成： 光源光源光通路光通路光电元件光电元件测量电路测量电路光光光光电电电电y y被测量被测量x x1 1被测量被测量x x2 2 光光 敏感元件敏感元件 电电敏感元件：光电元件敏感元件：光电元件光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应测量方式测量方式： 改变光源改变光源改变光路改变光路方式：方式：5.1.1 光电式传感器的组成原理光电式传感器的组成原理3Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.1.2 特点及应用特点及应用n特点：非接触、响应快、性能可靠、精度高特点：非接触、响应快、性能可靠、精度高n应

3、用：应用：光学量：光强、光照度、辐射、气体成分光学量：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、几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形形 位误差位误差力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度度生生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记标记光光4Faculty of Mechanical & Electrical Engineering透射式透射式：光光被测物被测物光电元件（透射）光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明测量透明、半透明固体透明 度、液体混浊度、气体

4、浓度；度、液体混浊度、气体浓度；1.1.模拟式光电传感器模拟式光电传感器 反射式反射式：光光被测物被测物光电元件（反射）光电元件（反射） 测量物体表面反射率、粗糙测量物体表面反射率、粗糙 度、距离、位置、振动；度、距离、位置、振动；遮光式遮光式：光光被测物被测物光电元件（部分遮光）光电元件（部分遮光） 测量物体位移、振动、速度；测量物体位移、振动、速度；辐射式辐射式：被测物被测物光光 光电元件，辐射强度光电元件，辐射强度 测量辐射温度、放射线；测量辐射温度、放射线；5.1.3 光电式传感器的一般形式光电式传感器的一般形式5Faculty of Mechanical & Electrical E

5、ngineering5.1.3 光电式传感器的一般形式光电式传感器的一般形式n2. 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器透射式透射式反射式反射式频闪式频闪式光源光源 码盘光电元件码盘光电元件转速越高转速越高 脉冲频率越高脉冲频率越高码盘转动遮光透光脉冲码盘转动遮光透光脉冲转速传感器转速传感器转速传感器转速传感器6Faculty of Mechanical & Electrical Engineering本章内容本章内容n5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述n5.2 5.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 n5.4 5.4 光电编码器光电编码器n5.5

6、 5.5 光栅传感器光栅传感器7Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.1 对光源的要求对光源的要求n照度要求照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度 n均匀要求均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 n投影要求投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射：控制光的方向、透射、反射、散射 n发热要求发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响 n光谱要求光谱要求：光波频率、波长：光波频率、波长 ：紫外紫外

7、可见光可见光 红外红外全光谱全光谱波长：波长：10-1410-1210-1010-810-610-410-21mcmmm m mnm 可见光可见光380 400500600700780nm紫400蓝435橙605红685黄575绿525青470紫外光紫外光红外光红外光可见光：可见光：380nm 780nm红外光：红外光：780nm 1m紫外光：紫外光：1nm 380nm8Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.2 热辐射光源热辐射光源n原理原理：高温物体：高温物体 光辐射，温度高光辐射，温度高 辐射能大辐射能大n器件器件：白炽灯白炽灯

8、 - 钨丝（钨丝（1879年，爱迪生）年，爱迪生） + 惰性气体惰性气体 提高寿命提高寿命卤钨灯卤钨灯 - 钨丝钨丝+卤素（碘），卤素（碘）， 卤素卤素 + 内壁钨内壁钨 卤化钨卤化钨 受热受热 分解分解 钨钨 沉积到钨丝沉积到钨丝9Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.2 热辐射光源热辐射光源n特点特点：谱线丰富，可见光谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区红外光，峰值在近红外区 发光效率低，发光效率低，15%在可见光，在可见光，发热大，发热大，80%能量转化为热能，能量转化为热能， 热光源热光源寿命短（寿命短（1000小时），

9、易碎，电压高，有危险小时），易碎，电压高，有危险n应用应用：可见光源可见光源 - 宽光谱宽光谱 （滤色片（滤色片 窄带光谱，避免杂窄带光谱，避免杂光干扰光干扰 仪器）仪器）近红外光源近红外光源 - 红外检测红外检测10Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.3 气体放电光源气体放电光源n原理：气体分子激发原理：气体分子激发 放电放电 发光发光n器件：器件： 弧光灯弧光灯 ：碳弧灯、钠：碳弧灯、钠弧弧灯、灯、水银弧水银弧灯灯( (汞灯汞灯) )、金卤灯金卤灯荧光灯：气体放电荧光灯：气体放电+ +荧光粉，波长更荧光粉，波长更长长l日光灯日

10、光灯：光谱接近：光谱接近日光日光l节能灯：压缩节能灯：压缩荧光灯荧光灯n特点特点： 效率效率高，省高，省电电功率大，光色接近日光，紫外线功率大，光色接近日光，紫外线丰丰富富有辐射，废弃物有汞污染、有辐射，废弃物有汞污染、易碎易碎频率低，对人眼有频率低，对人眼有损害损害n应用：强光、色温要求接近日光应用：强光、色温要求接近日光11Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.4 发光二极管发光二极管(LED)n原理：半导体，电致发光原理：半导体，电致发光n特点特点：体积小体积小功耗低（白炽灯功耗低（白炽灯1/81/8，荧光灯，荧光灯1/21/

11、2）、发热少）、发热少寿命长（寿命长（1010万小时，是荧光灯的万小时，是荧光灯的1010倍倍 ）响应响应快（毫秒快（毫秒级）级）、供电电压低、易于数字控制、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，n器件器件：单色单色LEDLED：红色、绿色、黄色：红色、绿色、黄色、橙色、橙色、蓝色、蓝色 n应用：指示灯、背光源应用：指示灯、背光源白色白色LEDLED：2001,2001,美国波士顿大学光学研究中心美国波士顿大学光学研究中心l光谱光谱丰富：（丰富：（篮篮+ +黄）黄）/ /（篮（篮+ +绿绿+ +红）红）l亮度高亮度高-荧光灯荧光灯5 5倍，白

12、炽灯的倍，白炽灯的2525倍倍n应用：仪器光源、室内应用：仪器光源、室内照明照明12Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.5 激光光源激光光源nLASER：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激励辐射放大产生的光受激励辐射放大产生的光”n原理原理：外界光：外界光 光原子光原子 能级跃迁能级跃迁 受激辐射受激辐射 光放大光放大谐振谐振辐射激光辐射激光n特点：特点：方向性好方向性好-发散角很小发散角很小(约约0.18)，比普通光小，比普通光小23数量数量亮度

13、亮度高：能量高：能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍高度集中，亮度比普通光高几百万倍单色性单色性好：光谱范围好：光谱范围极小，频率单一极小，频率单一；（；（He-Ne激光激光:=632.8nm,=10-6nm）相干性好相干性好-受激辐射，传播方向受激辐射，传播方向/振动方向振动方向/频率频率/相位相位一致一致 时间相干性、空间相干性均时间相干性、空间相干性均好。好。13Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.5 激光光源激光光源n固体激光器：体积小，坚固，功率高固体激光器：体积小，坚固，功率高n气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、

14、功率小；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；高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；红外固体激光器红外固体激光器绿色固体激光器绿色固体激光器红宝石固体激光器红宝石固体激光器He-NeHe-Ne激光器激光器He-CdHe-Cd激光器激光器He-CdHe-Cd激光器（制冷）激光器（制冷）14Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.2.5 激光光源激光光源n半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性小、非线性 染料

15、激光器染料激光器离子激光器离子激光器蓝色蓝色/ /紫色激光紫色激光红色激光红色激光近红外小功率近红外小功率蓝色激光器蓝色激光器15Faculty of Mechanical & Electrical Engineering本章内容本章内容n5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述n5.2 5.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 n5.4 5.4 光电编码器光电编码器n5.5 5.5 光栅传感器光栅传感器16Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.1 外光电效应及其器件外光电效应及其器件n1.

16、 外光电效应外光电效应n原理：原理：光光 金属物体表面金属物体表面 电子获得光子的能量电子获得光子的能量光子能量光子能量 表面溢出功表面溢出功 电子逸出表面电子逸出表面 光电子发射光电子发射 n特点特点：速度速度快快 ： 从光照射到释放电子时间不超过从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。秒。 需足够需足够光能：光子光能：光子能量能量 表面溢出功表面溢出功频率下限频率下限f0 ： 当当 f 材料禁带宽度材料禁带宽度n种类：内光电效应种类：内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应导带导带禁带禁带价带价带半导体能带图半导体能带图20Faculty of Mechanical & El

17、ectrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n1. 光电导效应及器件光电导效应及器件 n原理：光原理：光 半导体半导体 电子电子-空穴对空穴对 导电导电性性 电阻电阻n器件：光敏电阻器件：光敏电阻n原理：半导体电阻器件，加直流偏压，无极原理：半导体电阻器件，加直流偏压，无极性性无无光照光照-电子电子-空穴对很少空穴对很少-电阻大电阻大(暗电阻暗电阻)有有光照光照-电子电子-空穴对增多空穴对增多-导电性增强导电性增强 n特点特点：灵敏度灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；高，体积小，重量轻，性能稳定；批量生产批量生产，价格便宜，价格便宜 ；n材料：半导

18、体材料：半导体 - 硫化镉硫化镉CdS、硒化镉、硒化镉CdSe21Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n结构：梳妆电极结构：梳妆电极: n特性：特性：n应用：应用：工业自动化工业自动化-开关元件，快速响应开关元件，快速响应 家电家电-(感应式节能灯：判断照度感应式节能灯：判断照度)金属封装：防潮金属封装：防潮光谱特性光谱特性: :动态特性动态特性: :为非线性，为非线性，不易作线性检测元件不易作线性检测元件存在单峰，存在单峰，应与光源光谱匹配应与光源光谱匹配 动态特性较好，动态特性较好，响应

19、时间响应时间0.1S0.001S0.1S0.001S光照特性：光照特性：22Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n2. 光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件 n原理：原理： 光光 PN结（无偏置）结（无偏置） 电子迁移电子迁移电子电子 N, 空穴空穴 P 电势电势 n器件器件：光敏光敏二极管（二极管（PD）光敏光敏三极管（三极管（PT）光电池光电池（硅、锗）（硅、锗）PIN光电二极管光电二极管雪崩雪崩光电二极管光电二极管光光可控硅可控硅光电耦合器光电耦合器件（件（CCDCCD） 23Facu

20、lty of Mechanical & Electrical Engineering(1) (1) 光敏二极管光敏二极管（光电二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode, PD: Photo-Diode） 原理：原理：PNPN结结 P PN N光照特性光照特性: :应用：线性转换元件，开关元件，应用：线性转换元件，开关元件， 特性：特性：光谱特性光谱特性: :无光时无光时-高阻特性，微弱电流高阻特性，微弱电流暗暗电流，电流，A A 光照时光照时-电子电子N,N,空穴空穴P P 光电流光电流 光照愈强光照愈强 - - 光电流愈大光电流愈大注意注意：a) a) 电路连接同一般二极管，输出

21、电流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小，一般为数微安到数十微安 b) b) 入射光角度限制入射光角度限制 动态特性动态特性: :单峰性单峰性动态特性好动态特性好灵敏度和线性好，灵敏度和线性好，5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件24Faculty of Mechanical & Electrical Engineering(2(2) ) 光敏三极管光敏三极管（光电三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二极管（原理：光敏二极管（bcbc结）结）+ + 三极管三极管特点：特点：光照特性

22、：灵敏度高于光敏二极管，光照特性：灵敏度高于光敏二极管，非线性，不如光电二极管。非线性，不如光电二极管。光谱特性：单峰性光谱特性：单峰性应用：（应用：（开关元件开关元件）光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、）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、红外遥控器光电耦合器、车速传感器、红外遥控器注意注意：a) a) 电路连接电路连接b) b) 入射光角度限制入射光角度限制 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件25Faculty of Mechanical & Electrical Engineering连接方式：连接方式：(a)(a)开路电压输出：非线性开路

23、电压输出：非线性( (电压电压-光强光强) )，灵敏度高，灵敏度高(b)(b)短路电流输出短路电流输出: :线性好线性好( (电流电流-光强光强) ) ，灵敏度低，灵敏度低特性：光谱特性特性：光谱特性硅电池：硅电池：0.51.20.51.2m(m(红红- -红外红外) )，峰值，峰值0.8 0.8 m(m(近红外近红外) )锗电池：锗电池：0.30.70.30.7m(m(紫紫- -红红) )，峰值，峰值0.5 0.5 mm( (绿绿) ) 特点：有源器件，无污染，轻便、简单、特点：有源器件，无污染，轻便、简单、 动态特性好（硅），动态特性好（硅）， 工作于可见光波段工作于可见光波段-太阳能电池

24、太阳能电池(3) (3) 光电池光电池 原理：原理： 光光 PNPN结（无偏置）结（无偏置） 电子迁移电子迁移 电子电子 N, N, 空穴空穴 P P 电动势电动势 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件26Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n(4) PIN结光电二极管（结光电二极管（PIN-PD）n结构：结构：PN + II - 高电阻率的本征半导体（厚）高电阻率的本征半导体（厚）PN结双电层的间距加宽，结电容变小结双电层的间距加宽，结电容变小 n特点特点：频带频带宽，可达宽，

25、可达10GHz，响应速度快，响应速度快，灵敏度灵敏度高，高，线性线性输出范围宽，输出范围宽，线性好线性好 输出输出电流小（数微安），电阻很大电流小（数微安），电阻很大n应用：用于光通讯，光应用：用于光通讯，光测量测量 27Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n(5) 雪崩光电二极管雪崩光电二极管雪崩效应雪崩效应：工作电压很高（工作电压很高（100200V），接近，接近于反向击于反向击穿电压穿电压。 结区内电场极结区内电场极强强，光光生电子得到极大加速生电子得到极大加速，同，同时时与晶格碰撞与

26、晶格碰撞，从而，从而产生电离雪崩产生电离雪崩反应。反应。n特点特点：有有很高的内增益，可达到几百，很高的内增益，可达到几百，灵敏度高灵敏度高响应响应速度特别快，带宽可达速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种，是目前最快的一种光电二极管光电二极管噪声噪声大（随机），线性大（随机），线性差差n应用：用于光通讯、脉冲编码应用：用于光通讯、脉冲编码28Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n(6) 阵列式结型光电器件阵列式结型光电器件 n构成：构成：利用集成电路技术利用集成电路技术, ,

27、使几百个光电二极管或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。成为阵列式的一维光电器件。n特点：光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单特点：光敏元密集度大，总尺寸小，容易作到各单元多数一致，便于信号处理元多数一致，便于信号处理 n应用：可用来辨别光点移动的方向应用：可用来辨别光点移动的方向 29Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n(7) 位置敏感器件位置敏感器件（PSD-Positional Sen

28、sitive Device） n原理：原理：光光 光电二极管光电二极管 空穴由空穴由N向向P移动移动 空穴空穴1端端I1 空穴空穴2端端I2 n比值：比值：n（8）四象限光电池四象限光电池n原理原理：集成集成4光电池光电池 - 四象限四象限光斑光斑4分量分量I1 、I2 、I3 、I4 ；n比值比值：n应用应用：二维位置：二维位置检测检测30Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件n说明：对于各种光电元件：说明：对于各种光电元件：（1）暗电流：无光照时输出电流）暗电流：无光照时输出电流 热噪声热

29、噪声（2）温度特性：温度）温度特性：温度 灵敏度、光谱特性灵敏度、光谱特性 降温、降温、恒温、温度补偿恒温、温度补偿（3）器件材料：）器件材料： 硅硅 好于好于 锗锗31Faculty of Mechanical & Electrical Engineering本章内容本章内容n5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述n5.2 5.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 n5.4 5.4 光电编码器光电编码器n5.5 5.5 光栅传感器光栅传感器32Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.4.1 绝

30、对式光电编码器绝对式光电编码器n 1. 1. 概述概述n组成：组成：光源：光源：LED LED 光学系统光学系统 平行光平行光 投影投影 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/ /不不透光，同心透光，同心圆环圆环 ，码码道道n光电元件光电元件：硅光电池，：硅光电池，光电晶体管，每个光电晶体管，每个码道对码道对应一个光电元件应一个光电元件n原理原理：平行平行光源光源 码盘码盘 光电元件光电元件 电信号输出电信号输出 n任意角位置：每个码任意角位置：每个码道：道：透光透光=1/=1/不透光不透光=0=0多多个码个码道道-0101-0101-绝对绝对码；码；外圈外圈码码道道- -低位低位，变化快

31、；，变化快；内圈内圈码码道道- -高高位位，变化慢；，变化慢；日本日本OMRON OMRON 33Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器n码盘：码盘：透光透光/不透光不透光 照相腐蚀照相腐蚀 分度准确、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）分度准确、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）n光电元件：滞后光电元件：滞后 响应速度响应速度 n测量电路：测量电路：放大放大 足够电平足够电平 ，驱动，驱动整形整形 接近理想方波接近理想方波 细分细分 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）n角度分辨率：码道数角度分

32、辨率：码道数 分辨率分辨率 变码器变码器位数位数 n提高精度提高精度n -码道数码道数增加码道增加码道 增大码盘尺寸增大码盘尺寸 有限有限光学细分光学细分 附加码道附加码道34Faculty of Mechanical & Electrical Engineering例：例：1919位光电编码器位光电编码器:14:14位内码道位内码道 + 1+ 1位专用附加码道位专用附加码道360/2360/21414=1.3=1.3 19 19位位 ?附加码道：周期与内码道最低附加码道：周期与内码道最低位位 ( (最外最外) )对应对应光电元件：光电元件：两个，相距两个，相距1/41/4周期周期 正弦波正弦

33、波+ +余弦波余弦波电路处理：电路处理：插值、移相插值、移相 过零脉冲过零脉冲 细分细分 1616正弦波正弦波 3232个等个等分点分点 5 5附加位附加位角分辨率：=360/219=2.47” 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 35Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 2. 2. 编码码制编码码制十进制码：十进制码： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码：二进制码： 0000 0001 0010 0011 0100 0000 00

34、01 0010 0011 0100 格格 雷雷 码：循环码，码：循环码，简单，直观，不易电路处理简单，直观，不易电路处理简单，易于后续电路和计算机处理。简单，易于后续电路和计算机处理。 多位码同时动作多位码同时动作 同步误差同步误差 错码错码0 0 0 1 0 0 1 00 0 0 0：误差：误差20 0 1 1：误差：误差1相邻两数只有一位不同相邻两数只有一位不同每次只有一位变化每次只有一位变化有低位开始依次循环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 036Faculty of Mechanical & Electrical Engineering角度

35、位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光电编码器码制位光电编码器码制37Faculty of Mechanical & Elec

36、trical Engineering3. 3. 特点特点: :结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 摩擦轮摩擦轮编码器编码器4. 4. 应用：小范围绝对位置测量应用：小范围绝对位置测量-角度、直角度、直线位置线位置直接数字量输出直接数字量输出 - - 数字传感器数字传感器绝对码输出绝对码输出 - - 绝对角位置传感器（角度编码器），绝对角位置传感器（角度编码器），测量范围有限测量范围有限 -360-360（可增加记忆圈数来扩大范围）（可增加记忆圈数来扩大范围）速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/ /分）分）- - 光电元件动态相应光电元件动态相应不

37、怕震动、振摆，测量过程不丢数，不怕断电不怕震动、振摆，测量过程不丢数，不怕断电例：直线例：直线 旋转旋转 360WBW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/ /局部误差局部误差 提高精度提高精度5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理44Faculty of Mechanical & Electrical Engineering2. 2. 光栅传感器原理与特点光栅传感器原理与特点 精度高：测长精度高：测长(0.2+210(0.2+210-6-6L L)m)m

38、，测角，测角0.10.1 量程大：透射式量程大：透射式-光栅尺长（光栅尺长（1313米），反射式米），反射式-几十米几十米 几百米几百米响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量增量式：增量码测量增量式：增量码测量 计数计数 断电断电数据消失数据消失成本高：电路复杂成本高：电路复杂原理：位移原理：位移 指示光栅移动指示光栅移动 摩尔条纹摩尔条纹 移动移动 计数测量计数测量特点：特点：要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高温度、湿度、灰尘、振动、移温度、湿度、灰尘、振动、移动精度动精度5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理45Faculty of Mechanical & Electric

39、al Engineering透射式透射式-光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧透射光透射光反射式反射式-光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧反射光反射光1-1-主光栅尺（定主光栅尺（定光栅）光栅）2 2 指示光栅指示光栅（动光栅）（动光栅）3 3 光电元件光电元件4 4 透镜透镜 5 5 光源光源透射式光栅透射式光栅（封闭式：）：（封闭式：）：原理：光源原理：光源 指示光栅指示光栅 透射透射 主光栅主光栅 光电元件光电元件德国德国HeidenhainHeidenhain（海德汉）：（海德汉）：量程量程270mm，分辨力分辨力1nm量程量程1440mm，分辨力分辨力0.01m照明照明5.

40、5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构46Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构n反射式光栅反射式光栅： n组成：组成：1 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅）2 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅）3 光电元件光电元件4 透镜透镜5 光源光源n原理：光源原理：光源 主光栅主光栅 反射反射 指示光栅指示光栅 光电元件光电元件英国英国RenishawRenishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）：量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 0.1 m m 0.01 0.01 m m 47Faculty of M

41、echanical & Electrical Engineering直线型直线型：动光栅直线移动：动光栅直线移动 测量直线位移测量直线位移旋转型旋转型：动光栅旋转运动：动光栅旋转运动 测量旋转角度测量旋转角度（主光栅一般为直尺形，莫尔条纹为直线形（主光栅一般为直尺形，莫尔条纹为直线形 ）旋转型：旋转型：主光栅为圆环形主光栅为圆环形 旋转光栅（莫尔条纹为直线形）旋转光栅（莫尔条纹为直线形）主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形 圆光栅（莫尔条纹为圆圆光栅（莫尔条纹为圆/ /弧形）弧形）运动运动直线型：直线型：5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构48Faculty of Mechanical & Ele

42、ctrical Engineering5.5.3 圆光栅圆光栅n1. 径向圆光栅径向圆光栅n光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合偏心叠合n条纹：条纹：在不同区域栅线的交角不同，在不同区域栅线的交角不同，不同曲率半径不同曲率半径- 圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹n条纹宽度不是定值，随位置不同而不条纹宽度不是定值，随位置不同而不同：同：在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹；其他位置上，称为线，称纵向莫尔条纹；其他位置上，称为斜向莫尔条纹斜向莫尔条纹n转动：圆弧摩尔条纹径向转动：圆弧摩尔条纹径向49Facul

43、ty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.3 圆光栅圆光栅n2.切向光栅切向光栅n光栅：光栅：两块光栅，切向刻线（基圆）两块光栅，切向刻线（基圆）切向相同，栅距角相同切向相同，栅距角相同基圆半径不同，栅线面相对同心叠合基圆半径不同，栅线面相对同心叠合n条纹：是以光栅中心为圆心的同心条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇圆簇 -环形莫尔条纹环形莫尔条纹宽度也不是定值，随位置不同而不同宽度也不是定值，随位置不同而不同n转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动n特点：具有全光栅平均效应，用于特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和

44、分度。高精度角度测量和分度。50Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.3 5.5.3 圆光栅圆光栅n3. 环形光栅环形光栅n光栅：光栅：两块光栅，环形刻线，两块光栅，环形刻线，完全相同，偏心叠合，完全相同，偏心叠合，n条纹：近似直线并成辐射方向条纹：近似直线并成辐射方向-辐辐射形莫尔条纹。射形莫尔条纹。 n 转动：辐射摩尔条纹周向转动。转动：辐射摩尔条纹周向转动。51Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统n1. 光电转换光电转换

45、 光电元件：硅光电池光电元件：硅光电池 、光、光电二极管电二极管光栅输出：光强信号光栅输出：光强信号 明明暗条纹暗条纹 同步移动同步移动一点观察：光栅移动一点观察：光栅移动 光光强变化强变化n电路职能：计数、辨向、电路职能：计数、辨向、细分细分（直流分量（直流分量+ +正弦信号）正弦信号）52Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统n2. 辨向原理辨向原理 两个光电元件两个光电元件 相距相距B/4。 两路信号两路信号 相位差相位差pi/2 正弦正弦+余弦余弦整形整形 方波方波 微分微分 窄脉

46、冲窄脉冲 n正向移动：正向移动：u1正脉冲，正脉冲，u2高电平高电平 Y1输出输出 正正计数计数u1负脉冲，负脉冲，u2低电平低电平 Y2无输出无输出n反向移动：反向移动：u1正脉冲，正脉冲，u2高电平高电平 Y1无输出无输出u1负脉冲，负脉冲，u2低电平低电平 Y2输出输出 负负计数计数53Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统n3. 细分技术细分技术 1个计数值个计数值 1个条纹宽度个条纹宽度 1个栅距个栅距 分辨力分辨力分辨力：分辨力： 取决于栅距取决于栅距 刻线多少（刻线多少（50

47、条条/mm，0.02mm）n(1) 二倍频细分：二倍频细分：两个光电元件两个光电元件 两路信号两路信号(sin,cos) 处理处理2个脉冲个脉冲/栅距栅距n(2) 四倍频细分：四倍频细分：2个光电元件个光电元件 信号反向信号反向 4路信号路信号( sin, cos) 处理处理 4个个脉冲脉冲/栅距栅距4个光电元件个光电元件 4路信号路信号( sin, cos) 处理处理 4个脉冲个脉冲/栅距栅距n(3) 电桥细分：电桥细分：4路信号路信号(sin, cos)电桥电桥 过零比较器过零比较器 多个脉冲多个脉冲(1260) n(4) 电平切割细分：电平切割细分：4路信号（路信号（ sin, cos）

48、 比较器比较器 电平幅值切割电平幅值切割 多个脉冲多个脉冲（40100）54Faculty of Mechanical & Electrical Engineering5.5.5 零位光栅零位光栅n光栅输出信号：增量码光栅输出信号：增量码 无绝对无绝对零位零位绝对零位：基准绝对零位：基准/标志标志 绝对码测量绝对码测量零位光栅零位光栅 ：在光栅特定区域单独刻划：在光栅特定区域单独刻划标志刻线，以此作为光栅的绝对零位标志刻线，以此作为光栅的绝对零位n单刻线：单刻线：一条透光狭缝，宽度相同一条透光狭缝，宽度相同 近似三角波近似三角波信噪比低，匹配难信噪比低，匹配难n多刻线：多刻线：一组不等间距、不

49、等宽度条纹一组不等间距、不等宽度条纹对称尖脉冲对称尖脉冲定位精度高定位精度高0.1m55Faculty of Mechanical & Electrical Engineering思考题思考题n1、简述几何光学的四个定律。、简述几何光学的四个定律。n2、什么叫光的干涉、衍射、辐射与吸收？、什么叫光的干涉、衍射、辐射与吸收？n3、简述光电式传感器的组成及特点。、简述光电式传感器的组成及特点。n4、传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？、传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？n5、简述光电探测器的原理、特点和基本类型。、简述光电探测器的原理、特点和基本类型。n6、简述弱信号探测方法。、简述弱信号探

50、测方法。n7、简述激光传感技术的原理、方法。、简述激光传感技术的原理、方法。n8、什么叫红外线、大气窗口？红外线是什么？、什么叫红外线、大气窗口？红外线是什么？n9、简述红外辐射的基本定律。、简述红外辐射的基本定律。n10、简述红外探测器的原理、种类、特点、应用。、简述红外探测器的原理、种类、特点、应用。n11、举例说明光电传感器的应用。、举例说明光电传感器的应用。 56Faculty of Mechanical & Electrical Engineering参考资料参考资料（插（插 图）图）57Faculty of Mechanical & Electrical Engineering58

51、Faculty of Mechanical & Electrical Engineering59Faculty of Mechanical & Electrical Engineering60Faculty of Mechanical & Electrical Engineering61Faculty of Mechanical & Electrical Engineering62Faculty of Mechanical & Electrical Engineering63Faculty of Mechanical & Electrical Engineering64Faculty of Mechanical & Electrical Engineering65Faculty of Mechanical & Electrical Engineering谢谢谢谢Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Faculty of Mechanical & Electrical Engineering, Kunming University of Science & TechnologyScience & Technology66