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1、燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器第8章 光电式传感器 Photo-electric sensors光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光光电电效效应应：指指物物体体吸吸收收了了光光能能后后转转换换为为该该物物体体中中某某些些电电子子的的能能量，从而产生的电效应。包括量，从而产生的电效应。包括外光电效应外光电效应（External Photo-electric effect ）、内内光光电电效效应应（internal Photo-electric effect） 。内内光光电电
2、效效应应又又分分为为光光电电导导效效应应（Photoconduction effect ）、光生伏特效应光生伏特效应（Photo-voltaic effect ）8.18.1光电效应光电效应（Photoelectric effect）8.1.1 8.1.1 外光电效应外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为表面的现象称为外光电效应外光电效应，向外，向外发射的电子叫做光电子。基于外光发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。光电倍增管、光电摄像管等。 光电式传感器最新(3)课件燕
3、山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 紫外管紫外管 当入射紫外线照射当入射紫外线照射在紫外管阴极板上时，在紫外管阴极板上时，电子克服金属表面对电子克服金属表面对它的束缚而逸出金属它的束缚而逸出金属表面，形成电子发射。表面，形成电子发射。紫外管多用于紫外线紫外管多用于紫外线测量、火焰监测等。测量、火焰监测等。 紫外线紫外线光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：光子是具有能量的粒子，每个光子的能量：E E= =hhh h普朗克常数，普朗克常数，6.62
4、6106.62610-34-34JsJs；光的频率（光的频率（s s-1-1）根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以根据爱因斯坦假设，一个电子只能接受一个光子的能量，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子的能量大于该物体的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光的表面逸出功，超过部分的能量表现为逸出电子的动能。外光电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电效应多发生于金属和金属氧化物，从光开始照射至金属释放电子所需时间不超过电子所需时间不超过1010-9-9s s。 该方程称为爱因斯坦光电效应方
5、程。该方程称为爱因斯坦光电效应方程。根据能量守恒定理根据能量守恒定理: :式中式中 m m电子质量；电子质量；v v0 0电子逸出速度。电子逸出速度。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器n光光电电子子能能否否产产生生，取取决决于于光光电电子子的的能能量量是是否否大大于于该该物物体体的的表表面面电电子子逸逸出出功功A A0 0。不不同同的的物物质质具具有有不不同同的的逸逸出出功功，即即每每一一个个物物体体都都有有一一个个对对应应的的光光频频阈阈值值，称称为为红红限限频频率率或或波波长长限限。光光线线频频率率低低于于红红限限频频
6、率率，光光子子能能量量不不足足以以使使物物体体内内的的电电子子逸逸出出，因因而而小小于于红红限限频频率率的的入入射射光光，光光强强再再大大也也不不会会产产生生光光电电子子发发射射；反反之之，入入射射光光频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。频率高于红限频率，即使光线微弱，也会有光电子射出。红限频率为：红限频率为：对应的波长限为：对应的波长限为：式中：式中：c c为真空中的光速，为真空中的光速，c c3103108 8m/sm/s。n当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。即光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子
7、数也就越多。光强愈大，意味着入射光子数目越多，逸出的电子数也就越多。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器n注意！注意！光电子逸出物体表面具有初始动能光电子逸出物体表面具有初始动能mvmv0 02 2 /2/2 ，因此外光因此外光电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产电效应器件（如光电管）即使没有加阳极电压，也会有光电子产生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与生。为了使光电流为零，必须加负的截止电压，而且截止电压与入射光的频率成正比。入射光的频率成正比。8.1.2 8.1.2 内光电效应内光
8、电效应 当光照射在物体上，使物体的电阻率当光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。根据工作原理的不同，内光电效应分为理的不同，内光电效应分为光电导效应光电导效应和和光生伏特效应光生伏特效应两类：两类： 1. 1. 光电导效应光电导效应 在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，在光线作用，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。基于这种效应
9、的光电器件有效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器过过程程：当当光光照照射射到到半半导导体体材材料料上上时时，价价带带中中的的电电子子受受到到能能量量大大于于或或等等于于禁禁带带宽宽度度的的光光子子轰轰击击，并并使使其其由由价价带带越越过过禁禁带带跃跃入入导导带带，如如图图，使使材材料料中中导导带带内内的的电电子子和和价价带带内内的的空空穴穴浓浓度度增增加加，从而使电导率变大。从而使电导率变大。导带导带价带价带禁带自由电子所占能带自由电子所占能带不存在电子所占能带不存在电子所占能带价电子所占能
10、带价电子所占能带Eg式中式中、分别为入射光的频率和波长。分别为入射光的频率和波长。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度带宽度E Eg g，即，即光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存材料的光导性能决定于禁带宽度，对于一种光电导材料，总存在一个照射光波长限在一个照射光波长限0 0，只有波长小于，只有波长小于0 0的光照射在光电导体的光照射在光电导体上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导
11、率增加。上，才能产生电子能级间的跃进，从而使光电导体的电导率增加。 2. 2.光生伏特效应光生伏特效应 在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应。光生伏特效应。基于该效应的光电器件有基于该效应的光电器件有光电池、光敏二极管、三极管。光电池、光敏二极管、三极管。光光生生伏伏特特效效应应有有两两种种：结结光光电电效效应应( (也也称称为为势势垒垒效效应应) )和和横横向向光光电效应电效应( (也称为侧向光电效应也称为侧向光电效应) )。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电
12、式传感器光电式传感器 1) 1) 结光电效应结光电效应 如如图图，由由半半导导体体材材料料形形成成的的PNPN结结，在在P P区区的的一一侧侧，价价带带中中有有较较多多的的空空穴穴，而而在在N N区区的的一一侧侧，导导带带中中有有较较多多的的电电子子。由由于于扩扩散散的的结结果果，使使P P区区带带负负电电、N N区区带带正正电电，它它们们积积累累在在结结附附近近，形形成成PNPN结结的的自自建建场场，自自建建场场阻阻止止电电子子和和空空穴穴的的继继续续扩扩散散，最最终终达达到到动动态态平平衡衡，在在结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒。在在入入射射光光照
13、照射射下下，当当光光子子能能量量hvhv大大于于光光电电导导材材料料的的禁禁带带宽宽度度E Eg g时时，就就会会在在材材料料中中激激发发出出光光生生电电子子- -空空穴穴对对，破破坏坏结结的的平平衡衡状状态态。在在结结区区的的光光生生电电子子和和空空穴穴以以及及新新扩扩散散进进结结区区的的电电子子和和空空穴穴，在在结结电电场场的的作作用用下下，电电子子向向N N区区移移动动，空空穴穴向向P P区区移移动动，从从而而形形成成光光生生电电流流。这这些些可可移移动动的的电电子子和和空空穴穴，称称为为材材料料中中的的少少数数载载流流子子。在在探探测测器器处处于于开开路路的的情情况况下下，少少数数载载
14、流流子子积积累累在在PNPN结结附附近近，降降低低势势垒垒高高度度，产产生生一一个个与与平平衡衡结结内内自自建建场场相相反反的的光光生生电电场，也就是光生电动势。场，也就是光生电动势。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2) 2) 横向光电效应横向光电效应 当当半半导导体体光光电电器器件件受受光光照照不不均均匀匀时时，光光照照部部分分吸吸收收入入射射光光子子的的能能量量产产生生电电子子- -空空穴穴对对，光光照照部部分分载载流流子子浓浓度度比比未未受受光光照照部部分分的的载载流流子子浓浓度度大大，就就出出现现了了载载流流子
15、子浓浓度度梯梯度度，因因而而载载流流子子就就要要扩扩散散。如如果果电电子子迁迁移移率率比比空空穴穴大大，那那么么空空穴穴的的扩扩散散不不明明显显，则则电电子子向向未未被被光光照照部部分分扩扩散散，就就造造成成光光照照射射的的部部分分带带正正电电，未未被被光光照照射射部部分分带带负负电电，光光照照部部分分与与未未被被光光照照部部分分产产生生光光电电动动势势。这这种种现现象象称称为为横横向向光光电电效效应应，也也称称为为侧侧向向光光电电效效应应。基基于于该该效效应应的的光光电电器器件件有有半半导导体体光光电电位位置置敏敏感感器器件件(PSD)(PSD)，本本章章第第4 4节节将将重点讨论。重点讨论
16、。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，利用物质在光的照射下发射电子的外光电效应而制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管光电管和光电倍增管。光电管的结构示意图光电管的结构示意图 光阳极光电阴极光窗1.1.光电管及其基本特性光电管及其基本特性1 1）结构与工作原理）结构与工作原理 光电管有真空光电管和充气光电管或光电管有真空光电管和充气光电管或称电子光电管和离子光电管两类。两者结称电子光电管和离子光电管两类
17、。两者结构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳构相似，如图。它们由一个阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形，置于玻璃管的中央。圆形，置于玻璃管的中央。8.2 8.2 常用光电转换器件常用光电转换器件8.2.1 8.2.1 外光电效应器件外光电效应器件光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光光电电器器件件的的性性能能主主要要由由伏伏安安
18、特特性性、光光照照特特性性、光光谱谱特特性性、响响应时间、峰值探测率和温度特性来描述。应时间、峰值探测率和温度特性来描述。（1 1） 光电管的伏安特性光电管的伏安特性2)2)基本特性基本特性 在在一一定定的的光光照照射射下下，对对光光电电器器件件的的阴阴极极所所加加电电压压与与阳阳极极所所产产生生的的电电流流之之间间的的关关系系称称为为光光电电管管的的伏伏安安特特性性。光光电电管管的的伏伏安安特特性性如如图图所所示示。它它是是应应用用光光电电传传感感器器参参数数的的主要依据。主要依据。5020lm40lm60lm80lm100lm120lm100150200024681012极间电压/VIA/
19、 A光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 （2 2）光电管的光照特性光电管的光照特性 通常指当光电管的阳极和阴极之间所加通常指当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光电压一定时，光通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性通量与光电流之间的关系为光电管的光照特性。其特性曲线如。其特性曲线如图所示。曲线图所示。曲线1 1表示氧铯阴极光电表示氧铯阴极光电管的光照特性，光电流管的光照特性，光电流I I与光与光通量成线性关系。曲线通量成线性关系。曲线2 2为锑为锑铯阴极的光电管光照特性，铯阴极的光电管光照特性，它成非线性关系。光照特
20、性它成非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射曲线的斜率（光电流与入射光光通量之间比）称为光电光光通量之间比）称为光电管的灵敏度。管的灵敏度。 光电管的光照特性光电管的光照特性255075100200.51.5 2.0/1mIA/ A1.02.51光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 （3 3）光电管光谱特性）光电管光谱特性 由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选由于光阴极对光谱有选择性，因此光电管对光谱也有选择性。择性。保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长之间的保持光通量和阴极电压不变，阳极电流与光波长
21、之间的关系叫光电管的光谱特性。关系叫光电管的光谱特性。一般对于光电阴极材料不同的光电一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的红限频率管，它们有不同的红限频率0 0，因此它们可用于不同的光谱，因此它们可用于不同的光谱范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限范围。除此之外，即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率频率0 0，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射，并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的的光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波灵敏
22、度不同，这就是光电管的光谱特性。所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。长区域的光，应选用不同材料的光电阴极。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 国产国产GD-4GD-4型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限型的光电管，阴极是用锑铯材料制成的。其红限0 0=7000=7000，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：，它对可见光范围的入射光灵敏度比较高，转换效率：25%25%30%30%。它适用于。它适用于白光光源，白光光源，因而被广泛地应用于各种光电式自因而被广泛地应用于各种光电式自动检测仪表中
23、。对动检测仪表中。对红外光源红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。，常用银氧铯阴极，构成红外传感器。对对紫外光源紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的，常用锑铯阴极和镁镉阴极。另外，锑钾钠铯阴极的光谱范围较宽，为光谱范围较宽，为3000300085008500，灵敏度也较高，与人的视觉光谱，灵敏度也较高，与人的视觉光谱特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特特性很接近，是一种新型的光电阴极；但也有些光电管的光谱特性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，性和人的视觉光谱特性有很大差异，因而在测量和控制技术中，这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工
24、作，如坦克和装甲车的这些光电管可以担负人眼所不能胜任的工作，如坦克和装甲车的夜视镜等。夜视镜等。 一般充气光电管当入射光频率大于一般充气光电管当入射光频率大于8000Hz8000Hz时，光电流将有下时，光电流将有下降趋势，频率愈高，下降得愈多。降趋势，频率愈高，下降得愈多。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器2.2.光电倍增管及其基本特性光电倍增管及其基本特性 当当入入射射光光很很微微弱弱时时，普普通通光光电电管管产产生生的的光光电电流流很很小小，只只有有零零点几点几AA，很不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。，很
25、不容易探测。这时常用光电倍增管对电流进行放大。 1 1）结构和工作原理）结构和工作原理由由光光阴阴极极、倍倍增增电电极极以以及及阳阳极极三三部部分分组组成成。倍倍增增极极多多的的可可达达3030级级；阳阳极极是是最最后后用用来来收收集集电电子子的的，收收集集到到的的电电子子数数是是阴阴极极发发射射电电子子数数的的10105 510106 6倍倍。即即光光电电倍倍增增管管的的放放大大倍倍数数可可达达几几万万倍倍到到几几百百万万倍倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。光电倍增管的灵敏度就比普通光电管高几万倍到几百万倍。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程
26、学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2）主要参数）主要参数 （1 1）倍增系数）倍增系数M M 倍倍增增系系数数M M 等等于于n n个个倍倍增增电电极极的的二二次次电电子子发发射射系系数数的的乘乘积积。如如果果n n个倍增电极的个倍增电极的都相同，则都相同，则 ，因此，阳极电流，因此，阳极电流 I I 为为 i 光电阴极的光电流光电阴极的光电流光电倍增管的电流放大倍数光电倍增管的电流放大倍数为：为：M M与与所所加加电电压压有有关关，M M在在10105 510108 8之之间间，稳稳定定性性为为1 1左左右右，加加速速电电压压稳稳定定性性要要在在0.10.1以以内内。如如果果
27、有有波波动动，倍倍增增系系数数也也要要波波动动，因因此此M M具具有有一一定定的的统统计计涨涨落落。一一般般阳阳极极和和阴阴极极之之间间的的电电压压为为100010002500V2500V，两两个个相相邻邻的的倍倍增增电电极极的的电电位位差差为为5050100V100V。对对所所加加电电压压越越稳稳越越好好，这这样样可可以以减减小小统统计涨落，从而减小测量误差。计涨落，从而减小测量误差。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 （2 2）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度）光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度 一个光子在阴极上能
28、够打出的平均电子数叫做光电倍增一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的管的阴极灵敏度阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的做光电倍增管的总灵敏度总灵敏度。 光电倍增管的最大灵敏度可达光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm10A/lm，极间电压越高，极间电压越高，灵敏度越高；灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。流不稳。 另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。照射，否则将会损坏。 光电
29、式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 （3 3）暗电流和本底脉冲）暗电流和本底脉冲 一一般般在在使使用用光光电电倍倍增增管管时时，必必须须把把管管子子放放在在暗暗室室里里避避光光使使用用，使使其其只只对对入入射射光光起起作作用用；但但是是由由于于环环境境温温度度、热热辐辐射射和和其其它它因因素素的的影影响响，即即使使没没有有光光信信号号输输入入，加加上上电电压压后后阳阳极极仍仍有有电电流流，这这种种电电流流称称为为暗暗电电流流，这这是是热热发发射射所所致致或或场场致致发发射造成的，这种暗电流通常可以用补偿电路消除。射造成的，这种
30、暗电流通常可以用补偿电路消除。 如如果果光光电电倍倍增增管管与与闪闪烁烁体体放放在在一一处处，在在完完全全蔽蔽光光情情况况下下，出出现现的的电电流流称称为为本本底底电电流流，其其值值大大于于暗暗电电流流。增增加加的的部部分分是是宇宇宙宙射射线线对对闪闪烁烁体体的的照照射射而而使使其其激激发发，被被激激发发的的闪闪烁烁体体照照射射在在光电倍增管上而造成的，光电倍增管上而造成的，本底电流本底电流具有具有脉冲形式脉冲形式。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器与直线最大偏离是3%10131010109107105103101在 4
31、5mA处饱和10141010106102光通量/1m阳极电流/ A （4 4）光电倍增管的光照特性）光电倍增管的光照特性 光照特性反映了光电倍增管的光照特性反映了光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间的函数关系上的光通量之间的函数关系。对于较好的管子，在很宽的光通。对于较好的管子，在很宽的光通量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于量范围之内，这个关系是线性的，即入射光通量小于1010-4-4lmlm时，时，有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。有较好的线性关系。光通量大，开始出现非线性，如图所示。光电式传感器最新(3)课件燕山
32、大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器1.1.光敏电阻光敏电阻(LDRs) (LDRs) Light-dependent resistorsphotoresistors or photoconductors8.2.2 8.2.2 内光电效应器件内光电效应器件暗电流（越小越好）暗电流（越小越好）光敏电阻具有很高的灵敏度，光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。比较广泛。
33、工作原理演示工作原理演示光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光光敏敏电电阻阻的的结结构构如如图图所所示示。管管芯芯是是一一块块安安装装在在绝绝缘缘衬衬底底上上带带有有两两个个欧欧姆姆接接触触电电极极的的光光电电导导体体。光光导导体体吸吸收收光光子子而而产产生生的的光光电电效效应应，只只限限于于光光照照的的表表面面薄薄层层，因因此此光光电电导导体体一一般般都都做做成成薄薄层层。为为了了获获得得高高的的灵灵敏敏度度，光光敏敏电电阻阻的的电极一般采用梳状图案，如图。电极一般采用梳状图案，如图。1）光敏电阻的结构）光敏电阻的结构R
34、G电路符号电路符号光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器2）光敏电阻的主要参数和基本特性）光敏电阻的主要参数和基本特性（1 1）暗电阻、亮电阻、光电流）暗电阻、亮电阻、光电流（2 2）光照特性）光照特性（3 3）光谱特性）光谱特性光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器(4) (4) 伏安特性伏安特性 (5) (5) 频率特性频率特性 (6) (6) 稳定性稳定性 (7) (7) 温度特性温度特性 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学
35、院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器2.2.光电池（光电池（Photoelectric cell） 光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。由。由于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于于它可把太阳能直接变电能，因此又称为太阳能电池。它是基于光生伏特效应制成的，是光生伏特效应制成的，是发电式有源元件发电式有源元件。它有较大面积的。它有较大面积的PNPN结，结，当光照射在当光照射在PNPN结上时，在结的两端出现电动势。结上时，在结的两端出现电动势。 把把光光电电池池的的半半导导体体材材料料的的名名称称冠冠于于光光电电
36、池池( (或或太太阳阳能能电电池池) )之之前前。如如，硒硒光光电电池池、硅硅光光电电池池等等。目目前前, ,应应用用最最广广、最最有有发发展展前前途途的的是是硅光电池，有硅光电池，有2DR2DR系列和系列和2CR2CR系列两种系列两种 。l硅光电池价格便宜，硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光转换效率高，寿命长，适于接受红外光。l硒硒光光电电池池光光电电转转换换效效率率低低(0.02(0.02) )、寿寿命命短短，适适于于接接收收可可见见光光( (响响应峰值波长应峰值波长0.560.56m)m)，最适宜制造照度计。最适宜制造照度计。l砷砷化化镓镓光光电电池池转转换换效效率率比
37、比硅硅光光电电池池稍稍高高，光光谱谱响响应应特特性性则则与与太太阳阳光光谱谱最最吻吻合合, ,工工作作温温度度最最高高，更更耐耐受受宇宇宙宙射射线线的的辐辐射射。因因此此，它它在在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器PN如如图图, ,在在一一块块N N型型硅硅片片上上用用扩扩散散的的办办法法掺掺入入一一些些P P型型杂杂质质( (如如硼硼) )形形成成PNPN结结。当当光光照照到到PNPN结结区区时时，如如果果
38、光光子子能能量量足足够够大大，将将在在结结区区附附近近激激发发出出电电子子- -空空穴穴对对，光光生生电电子子空空穴穴对对的的扩扩散散运运动动使使电电子子通通过过漂漂移移运运动动被被拉拉到到N N型型区区，空空穴穴留留在在P P区区，所所以以在在N N区区聚聚积积负负电电荷荷，P P区区聚聚积积正正电电荷荷，这这样样N N区区和和P P区区之之间间出出现现电电位位差差。若若将将PNPN结结两两端端用用导导线线连连起起来来，电电路路中中有有电电流流流流过过，电电流流的的方方向向由由P P区区流流经经外外电电路至路至N N区。若将外电路断开，就可测出光生电动势。区。若将外电路断开，就可测出光生电动
39、势。1）光电池的结构和工作原理光电池的结构和工作原理+光SiO2RL(a) 光电池的结构图I光(b) 光电池的工作原理示意图 P N光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电池符号光电池符号 基本电路基本电路 等效电路等效电路 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电池光电池外形外形光敏面光敏面光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器能提供较大电流的大面积能提供较大电流的大面积光电池光电池外形
40、外形光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电池在动力方面的应用光电池在动力方面的应用太阳能电动机模型太阳能电动机模型太阳能光电池板太阳能光电池板太阳能赛车太阳能赛车光电池在人造卫星上的应用光电池在人造卫星上的应用光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器2)2)基本特性基本特性(1)(1)光照特性光照特性硅硅光光电电池池的的光光照照特特性性 负负载载对对光光电电池池输输出出性性能能的的影影响响 (2)(2)光谱特性光谱特性11硒硒光光电电池池；22硅光电池硅光电
41、池 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器(3) (3) 频率特性频率特性 11硒光电池；硒光电池；22硅光电池硅光电池 (4) (4) 温度特性温度特性 U UOCOC开路电压；开路电压；I ISCSC短路电流短路电流光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器3.3.光敏二极管光敏二极管（PD:Photo-Diode）光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PNPN结。它和结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因
42、此它的频率特性特光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几一般为几AA到几十到几十AA。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、。按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之锑化铟光电二极管等许多种。按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。分。其中最典型的是同质结硅光敏二极管。国国产产硅硅光光敏敏二二极极管管按按衬衬底底材材料料的的导导电电类类型型不不同同，分分为为2CU2CU和和2DU2DU两两种种系系
43、列列。2CU2CU系系列列以以N-SiN-Si为为衬衬底底，2DU2DU系系列列以以P-SiP-Si为为衬衬底底。2CU2CU系系列列的的光光敏敏二二极极管管只只有有两两条条引引线线，而而2DU2DU系系列列光光敏敏二二极极管管有有三条引线。三条引线。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器1) 1) 普通光敏二极管普通光敏二极管光敏二极管符号光敏二极管符号光光敏敏二二极极管管的的结结构构与与一一般般二二极极管管相相似似，装装在在透透明明玻玻璃璃外外壳壳中中，其其PNPN结结装装在在管管顶顶，可可直直接接受受到到光光照照射射。光
44、光敏敏二二极极管管在在电电路路中中一般是处于反向工作状态一般是处于反向工作状态 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光敏二极管在没有光照射时，反光敏二极管在没有光照射时，反向电阻很大，光敏二极管处于截向电阻很大，光敏二极管处于截止状态，这时只有少数载流子在止状态，这时只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流（形成微小的反向电流（暗电流暗电流）；受光照射时，）；受光照射时，PNPN结附近受光子结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子轰击，吸收其能量而产生电子- -空穴对，从而使空
45、穴对，从而使P P区和区和N N区的少数区的少数载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，载流子浓度大大增加，因此在外加反向偏压和内电场的作用下，P P区的少数载流子渡越阻挡层进入区的少数载流子渡越阻挡层进入N N区，区， N N区的少数载流子渡越阻区的少数载流子渡越阻挡层进入挡层进入P P区，从而使通过区，从而使通过PNPN结的反向电流大为增加，这就形成结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管的光电流了光电流。光敏二极管的光电流 I I 与照度之间呈线性关系。光与照度之间呈线性关系。光敏二极管的光照特性是线性的，所以适合检测等方面的应用。敏二极管的光照特性是线性的，所
46、以适合检测等方面的应用。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 硅光敏二极管光照特性硅光敏二极管光照特性 硅光敏二极管伏安特性硅光敏二极管伏安特性 2)PIN2)PIN光敏二极管光敏二极管 PINPIN光光敏敏二二极极管管是是光光敏敏二二极极管管中中的的一一种种。它它的的结结构构特特点点是是，在在P P型型半半导导体体和和N N型型半半导导体体之之间间夹夹着着一一层层相相对对很很厚厚的的本本征征半半导导体体I I层层。由由于于本本征征层层的的引引入入加加大大了了耗耗尽尽层层厚厚度度，本本征征层层相相对对于于P P、N N区区有
47、有更更高高的的电电阻阻，反反向向偏偏压压在在这这里里形形成成高高电电场场区区，展展宽宽了了光光电电转转换换的的有有效效工工作作区区域，降低了暗电流，从而使灵敏度得以提高。域，降低了暗电流，从而使灵敏度得以提高。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器PINPIN光光敏敏二二极极管管最最大大特特点点是是频频带带宽宽，可可达达1GHz1GHz。另另一一个个特特点点是是，因因为为I I层层很很厚厚，在在反反偏偏压压下下运运用用可可承承受受较较高的反向电压，线性输出范围宽。高的反向电压，线性输出范围宽。PINPIN光光敏敏二二极极管管的
48、的不不足足是是：由由于于I I层层电电阻阻很很大大，管管子子的的输输出出电电流流小小，一一般般多多为为零零点点几几微微安安至至数数微微安安。目目前前有有将将PINPIN光光敏敏二二极极管管与与前前置置运运算算放放大大器器集集成成在在同同一一硅硅片片上上并并封封装装于于一一个个管壳内的商品出售。管壳内的商品出售。 PIN PIN光敏二极管可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电光敏二极管可用作各种数字与模拟光纤传输系统，各种家电遥控器的接收管（红外波段）、遥控器的接收管（红外波段）、UHF UHF 频带小信号开关、中波频带频带小信号开关、中波频带到到1000MHZ1000MHZ之间电流控制、可
49、变衰减器、各种通信设备收发天线的之间电流控制、可变衰减器、各种通信设备收发天线的高频功率开关切换和高频功率开关切换和RFRF领域的高速开关等。特殊结构的领域的高速开关等。特殊结构的PINPIN二极二极 管还可用于测量紫外线或射线等。管还可用于测量紫外线或射线等。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管是是利利用用PNPN结结在在高高反反向向电电压压下下产产生生的的雪雪崩崩效效应应来来工工作作的的一一种种光光敏敏二二极极管管 。 这这 种种 管管 子子 工工 作作 电电 压压 很很 高高 ， 10010
50、0200V200V，接接近近于于反反向向击击穿穿电电压压。结结区区内内电电场场极极强强，光光生生电电子子在在这这种种强强电电场场中中可可得得到到极极大大的的加加速速，同同时时与与晶晶格格碰碰撞撞而而产产生生电电离离雪雪 3) 3) 雪崩光敏二极管雪崩光敏二极管(APD)(APD)崩崩反反应应。因因此此，APDAPD有有很很高高的的内内增增益益，可可达达到到几几百百。当当电电压压等等于于反反向向击击穿穿电电压压时时，电电流流增增益益可可达达106106，即即产产生生所所谓谓的的雪雪崩崩效效应应。目目前前，噪噪声声大大是是雪雪崩崩光光敏敏二二极极管管的的一一个个主主要要缺缺点点。由由于于雪雪崩崩反
51、反应应是是随随机机的的，所所以以它它的的噪噪声声较较大大，特特别别是是工工作作电电压压接接近近或或等等于于反反向向击击穿穿电电压压时时，噪噪声声可可增增大大到到放放大大器器的的噪噪声声水水平平，以以致致无无法法使使用用。但但由由于于APDAPD的的响响应应时时间间极极短短，灵灵敏敏度度很很高高，可可广广泛泛应应用用于于微微光光信信号号检检测测、长长距距离离光光纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。纤通信、激光测距、激光制导等光电信息传输和光电对抗系统。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器4.4.光敏三极管光
52、敏三极管(PT:Photo-Triode) 光敏三极管有光敏三极管有PNPPNP型和型和NPNNPN型两种。与型两种。与普通三极管相似，有电流增益，灵敏普通三极管相似，有电流增益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（的基极没有引出线，只有正负（c c、e e）两个引脚，所以其外型与光敏二极）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。管相似，从外观上很难区别。 11集电极引脚集电极引脚 2 2管芯管芯 33外壳外壳 4 4玻璃聚光镜玻璃聚光镜 5 5发射极引脚发射极引脚用用N N型型硅硅材材料料为为衬衬底底制制作作的的光光
53、敏敏三三极极管管为为NPNNPN型型结结构构，称称为为3DU3DU型型；用用P P型型硅硅材材料料为为衬衬底底制制作作的的光光敏敏三三极极管管为为PNPPNP型结构，称为型结构，称为3CU3CU型。型。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光敏三极管内部结构光敏三极管内部结构a)a)管芯结构管芯结构 b b）结构简化图）结构简化图 6N 6N+ + 衬底衬底 ,7N ,7N型集电区型集电区, , 8SiO 8SiO2 2保护圈保护圈 , 9 , 9集电结集电结, , 10P 10P型基区型基区, 11N, 11N型发射区型发
54、射区, , 12 12发射结发射结 光敏三极管也具有电流增益，光敏三极管也具有电流增益，只是它的发射极做的很大，只是它的发射极做的很大，以扩大光的照射面积，且其以扩大光的照射面积，且其基极不接引线。当集电极加基极不接引线。当集电极加上正电压，基极开路时，集上正电压，基极开路时，集电极处于反向偏置状态。电极处于反向偏置状态。当光线照射在集电结的基区当光线照射在集电结的基区时时, ,会产生电子会产生电子- -空穴对空穴对, ,在内在内电场的作用下电场的作用下, ,光生电子被拉光生电子被拉到集电极到集电极, ,基区留下空穴基区留下空穴, ,使使基极与发射极间的电压升高基极与发射极间的电压升高, ,这
55、样便有大量的电子流向集这样便有大量的电子流向集电极电极, ,形成输出电流形成输出电流, ,且集电且集电极电流为光电流的极电流为光电流的倍。倍。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光敏三极管外形光敏三极管外形光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器1) 1) 光谱特性光谱特性2) 2) 伏安特性伏安特性3) 3) 光照特性光照特性光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器4) 4) 温度特性温度特
56、性 5) 5) 光敏三极管的频率特性光敏三极管的频率特性光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.2.3 8.2.3 半导体光电器件的应用选择半导体光电器件的应用选择光电器件光电器件光谱响应光谱响应/nm灵敏度灵敏度/(A/W)输出电流输出电流/mA光电响应光电响应线性线性频率响应频率响应/MHz暗电流及暗电流及噪声噪声应用应用范围范围峰值峰值CdS光敏光敏电阻阻4009006401A/lm1010非非线性性0.001较低低集成或分离集成或分离式光式光电开关开关CdSe光敏光敏电阻阻30012207501A/lm1010非非线
57、性性0.001较低低PN结光敏光敏二极管二极管40011007500.30.61.0好好10最低最低光光电检测硅光硅光电池池40011007500.30.8130好好0.031较低低PIN光敏二光敏二极管极管40011007500.30.62.0好好100最低最低高速光高速光电检测GaAs光敏光敏二极管二极管3009508500.30.61.0好好100最低最低高速光高速光电检测HgCdTe光光敏二极管敏二极管100012000与与Cd组分有关分有关好好10较低低红外探外探测光敏三极管光敏三极管3DU40011008800.1218线性差性差0.2低低光光电探探测与与开关开关光电式传感器最新(
58、3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.3 8.3 位置敏感器件位置敏感器件(PSD)(PSD) 位位置置敏敏感感器器件件(Position (Position Sensitive Sensitive DetectorDetector，PSD)PSD)是是一一种种对对其其感感光光面面上上入入射射光光点点位位置置敏敏感感的的器器件件，也也称称为为坐坐标标光光电电池池。PSDPSD有有两两种种，一一维维PSDPSD和和二二维维PSDPSD。一一维维PSDPSD用用于于测测定定光光点点的的一一维维坐坐标标位位置置，二二维维PSDPSD用用于于测测定
59、定光光点点的的二二维维坐坐标标位位置置，其工作原理与一维其工作原理与一维PSDPSD相似。相似。 PSDPSD器器件件在在光光点点位位置置测测量量方方面面有有许许多多优优点点。例例如如，它它对对光光斑斑的的形形状状无无严严格格要要求求，即即它它的的输输出出信信号号与与光光斑斑是是否否聚聚焦焦无无关关；另另外外，它它可可以以连连续续测测量量光光斑斑在在PSDPSD上上的的位位置置，且且分分辨辨力力高高，一维一维PSDPSD的位置分辨力高达的位置分辨力高达0.2 0.2 。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.3.1 PSD8
60、.3.1 PSD的工作原理的工作原理PSDPSD一一般般为为PINPIN结结构构。在在硅硅板板的的底底层层表表面面上上以以胶胶合合的的方方式式制制成成2 2片片均均匀匀的的P P和和N N电电阻阻层层，在在P P和和N N电电阻阻层层之之间间注注入入离离子子而而产产生生I I层层，即即本本征征层层。在在P P层层表表面面电电阻阻层层的的两两端端各各设设置置一一个个输输出电极。出电极。 当当一一束束具具有有一一定定强强度度的的光光点点从从垂垂直直于于P P的的方方向向照照射射到到PSDPSD的的I I层层时时，光光点点附附近近就就会会产产生生电电子子- -空空穴穴对对，在在PNPN结结电电场场的
61、的作作用用下下，空空穴穴进进入入P P区区，电电子子进进入入N N区区。由由于于P P区区掺掺杂杂浓浓度度相相对对较较高高，空空穴穴迅迅速速沿沿着着P P区区表表面面向向两两侧侧扩扩散散，最最终终导导致致P P层层空空穴穴横横向向( (X X方方向向) )浓浓度度呈呈现现梯梯度度变变化化，这这时时，同同一一层层面面上上的的不不同同位位置置呈呈现现一一定定的的电电位位差差，这这种种现现象象称称为为横横向光电效应，也称侧向光电效应。向光电效应，也称侧向光电效应。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器PSDPSD通通常常工工作作在在
62、反反向向偏偏压压状状态态，即即PSDPSD的的公公共共极极3 3接接正正电电压压，输输出出电电极极1 1、2 2分分别别接接地地。这这时时，流流经经电电极极3 3的的电电流流I I0 0与与入入射射光光的的强强度度成成正正比比，流流经经电电极极1 1、2 2的的电电流流I I1 1、I I2 2与与入入射射光光点点的的位位置置有有关关，由由于于P P层层为为均均匀匀电电阻阻层层，因因此此，I I1 1、I I2 2与与入入射射光光点点到到相相应应电极的距离成反比，并且有电极的距离成反比，并且有I I0 0= =I I1 1+ +I I2 2。如如果果将将坐坐标标原原点点设设置置在在PSDPSD
63、器器件件的的中中心心点点，I I1 1、I I2 2与与I I0 0之之间间存存在在如如下下关系：关系：式中：式中：L L为为PSDPSD的长度；的长度；X XA A为入射光点的位置。为入射光点的位置。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器由由I I1 1、I I2 2与与I I0 0之间的关系式可以得出之间的关系式可以得出可可见见，PSDPSD的的测测量量结结果果X XA A与与I I1 1、I I2 2的的比比值值关关系系有有关关，而而入入射射光光强强的变化并不影响测量结果。这给测量带来了极大的方便。的变化并不影响测量结果
64、。这给测量带来了极大的方便。8.3.2 PSD8.3.2 PSD的特性的特性 1 1受光面积受光面积 PSDPSD是是检检测测受受光光面面上上点点状状光光束束的的中中心心( (光光强强度度中中心心) )位位置置的的光光敏敏感感器器件件，因因此此，通通常常在在PSDPSD前前面面设设置置聚聚光光透透镜镜，在在受受光光面面上上得得到到光光点点，使使用用时时应应选选择择最最适适宜宜的的受受光光面面积积的的PSDPSD，确确保保光光点点进入受光面。进入受光面。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2信号光源与敏感波长范围信号光源
65、与敏感波长范围在在PSDPSD外外部部有有遮遮挡挡的的情情况况下下，由由于于周周围围的的干干扰扰光光不不能能进进入入PSDPSD，在在其其敏敏感感波波长长范范围围内内，采采用用任任何何光光源源PSDPSD都都能能正正常常工工作作。然然而而，对对于于有有环环境境杂杂光光干干扰扰的的情情况况，过过强强的的环环境境光光会会将将来来自自信信号号光光源源的的光光“淹淹没没”。这这时时，要要采采用用可可见见光光截截止止型型窗窗口口材材料料的的PSDPSD，信信号光源可以使用红外号光源可以使用红外LEDLED及白炽灯。及白炽灯。 3 3响应速度响应速度在在PSDPSD受受光光面面上上光光点点高高速速移移动动
66、时时，若若信信号号光光源源为为调调制制信信号号，PSDPSD的的响响应应时时间间就就应应该该考考虑虑。PSDPSD的的电电极极间间基基本本相相当当于于电电阻阻工工作作，因因此此需需要要高高速速响响应应工工作作时时，就就应应该该选选用用电电极极间间电电阻阻小小的的PSDPSD，在较大的反偏电压和较小的电容状态下使用。在较大的反偏电压和较小的电容状态下使用。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 4 4位置检测误差位置检测误差 PSDPSD的的位位置置检检测测误误差差是是指指测测量量时时，实实际际的的光光点点位位置置与与检检测测的
67、的光点位置的差值，最大为全受光长度的光点位置的差值，最大为全受光长度的2%2%3%3%。PSDPSD的的位位置置检检测测特特性性近近似似于于线线性性。图图示示为为典典型型一一维维PSD(S1544)PSD(S1544)位位置置检检测测误误差差曲曲线线，由由曲曲线线可可知知，越越接接近近中中心心位位置置的的检检测测误误差差越越小小。因因此此，利利用用PSDPSD来来检检测测光光斑斑位位置置时时，应应尽尽量量使使光光点点靠靠近近器件中心。器件中心。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 5 5位置分辨力位置分辨力位位置置分分辨辨力
68、力是是指指在在PSDPSD受受光光面面上上能能够够检检测测出出的的最最小小位位置置变变化化，用受光面上的距离表示。用受光面上的距离表示。 即在电流差较小的情况下，电流即在电流差较小的情况下，电流I I1 1、I I2 2中含有的噪声电流分量决中含有的噪声电流分量决定了位置分辨力。定了位置分辨力。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.4 8.4 固态图像传感器固态图像传感器 固态图像传感器固态图像传感器(solid state imaging sensor)(solid state imaging sensor)是指在同一半
69、是指在同一半导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄存器构成一体的集成导体衬底上生成若干个光敏单元与位移寄存器构成一体的集成光电器件光电器件, ,其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串其功能是把按空间分布的光强信息转换成按时序串行输出的电信号。行输出的电信号。 CCD CCD 电荷耦合器件电荷耦合器件( (chargecoupleddevice) )是其中应用最广是其中应用最广泛的一种。泛的一种。CCDCCD自自19701970年年问问世世以以后后，由由于于它它的的低低噪噪声声等等特特点点，被被广广泛泛应应用用于于广广播播电电视视、可可视视电电话话和和传传真真、数数码码照照相相机机、摄摄像像
70、机机等等方方面面，在在自动检测和控制领域也显示出广阔的应用前景。自动检测和控制领域也显示出广阔的应用前景。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器线阵线阵CCD外形外形 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器面阵面阵CCD外形外形光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 线阵线阵CCD在扫描仪中的应用在扫描仪中的应用 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章
71、章 光电式传感器光电式传感器 线阵线阵CCD用于字符识别用于字符识别光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器CCD用于图像记录用于图像记录 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器CCD数码摄像机数码摄像机光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 一个完整的一个完整的CCDCCD器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一器件由光敏元、转移栅、移位寄存器及一些辅助输入、输出电路组成。些辅助输入、输出电路组成
72、。8.4.1 CCD8.4.1 CCD的结构和工作原理的结构和工作原理 光敏元是在光敏元是在P P型（或型（或N N型）硅衬底上生长一层厚度约为型）硅衬底上生长一层厚度约为120nm120nm的的SiOSiO2 2，再在，再在SiOSiO2 2层上依次沉积铝电极而构成层上依次沉积铝电极而构成MOSMOS的电的电容式转移器。容式转移器。CCDCCD的工作过程分为三步：的工作过程分为三步：1 1）信号电荷的注入）信号电荷的注入( (光敏元阵列光敏元阵列) )；2 2）信号电荷的转移）信号电荷的转移( (转移栅转移栅) )；3 3）信号电荷的读出）信号电荷的读出( (移移位寄存器位寄存器) )。1
73、1MOSMOS光敏单元光敏单元光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光敏元结构光敏元结构P型型Si衬底衬底SiO2绝缘层绝缘层金属电极金属电极+耗尽区耗尽区(势阱势阱)光线光线MOS(金属金属-氧化物氧化物-半导体半导体)阵列阵列电子电子光敏元阵列实现了光图像到电荷图的转换光敏元阵列实现了光图像到电荷图的转换光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 当当向向电电极极加加正正偏偏压压时时，在在电电场场的的作作用用下下，电电极极下下的的P P型型硅硅区区域域里里的的
74、空空穴穴被被赶赶尽尽，从从而而形形成成一一个个耗耗尽尽区区，也也就就是是说说，对对带带负负电电的的电电子子而而言言是是一一个个势势能能很很低低的的区区域域，这这部部分分称称为为“势势阱阱”。如如果果此此时时有有光光线线入入射射到到半半导导体体硅硅片片上上，在在光光子子的的作作用用下下，半半导导体体硅硅片片上上就就产产生生了了光光生生电电子子和和空空穴穴，光光生生电电子子就就被被附附近近的的势势阱阱所所吸吸收收( (或或称称为为“俘俘获获”)”)，而而同同时时产产生生的的空空穴穴则则被被电电场场排排斥斥出出耗耗尽尽区区。此此时时势势阱阱内内所所吸吸收收的的光光生生电电子子数数量量与与入入射射到到
75、势势阱阱附附近近的的光光强强成成正正比比。人人们们也也称称这这样样的的一一个个MOSMOS光光敏敏元元为为一一个个像像素素，把把一一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。 通通常常在在半半导导体体硅硅片片上上制制有有几几百百或或几几千千个个相相互互独独立立的的MOSMOS光光敏敏元元，呈呈线线阵阵或或面面阵阵排排列列。在在金金属属电电极极上上施施加加一一正正电电压压时时，在在半半导导体体硅硅片片上上就就形形成成几几百百或或几几千千个个相相互互独独立立的的势势阱阱。如如果果照照射射在在这这些些光光敏敏元元上上的的是是一一幅幅明明暗暗起起伏伏的的图图像
76、像，那那么么通通过过这这些些光光敏敏元元就就会会将其转换成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。将其转换成一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器MOS光敏元及数据面的显微照片光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器读出移位寄存器的的数据面显微照片数据面显微照片光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2读出移位寄存器读出移位寄存器 读读出出移移位位寄寄存存器器是是电电荷荷图图像像的的输输
77、出出电电路路，如如图图。它它也也是是MOSMOS结结构构，但但在在半半导导体体的的底底部部覆覆盖盖上上一一层层遮遮光光层层，防防止止外外来来光光线线的的干干扰。扰。实实现现电电荷荷定定向向转转移移的的控控制制方方法法，非非常常类类似似于于步步进进电电动动机机的的步步进进控控制制方方式式。也也有有二二相相、三三相相等等控控制制方方式式之之分分。下下面面以以三三相相控控制制方方式式为为例例说说明明读读出出移移位位寄寄存存器器控控制制电电荷荷定定向向转转移的过程。移的过程。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 P1 P1 P2 P
78、2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3 P1 P1 P2 P2 P3 P3P1P1P2P2P3P3(a)123t0t1t2t3t(b)电荷转移过程t=t0t=t1t=t2t=t30光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 3 3电荷的输出电荷的输出如如图图所所示示为为利利用用二二极极管管的的输输出出方方式式。在在阵阵列列末末端端衬衬底底上上扩扩散散形形成成输输出出二二极极管管，当当输输出出二二极极管管加加上上反反相相偏偏压压时时，在在结结区区内内产产生生耗耗尽尽层层。当当信信号号电电荷荷在在时时钟钟脉脉冲冲作作用用下
79、下移移向向输输出出二二极极管管，并并通通过过输输出出栅栅极极OGOG转转移移到到输输出出二二极极管管耗耗尽尽区区内内时时，信信号号电电荷荷将将作作为为二二极极管管的的少少数数载载流流子子而而形形成成反反向向电电流流I Io o。输输出出电电流流的的大大小小与与信信号电荷大小成正比，并通过负载电阻号电荷大小成正比，并通过负载电阻R R1 1变为信号电压变为信号电压U Uo o输出。输出。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.4.2 8.4.2 线阵线阵CCDCCD图像传感器图像传感器转移栅光积分单元不透光的电荷转移结构光积
80、分区输出转移栅(a)(b)线型CCD图像传感器输出光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极在每一个光敏元件上都有一个梳状公共电极, ,由一个由一个P P型沟型沟阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上阻使其在电气上隔开。当入射光照射在光敏元件阵列上, ,梳状梳状电极施加高电压时电极施加高电压时, ,光敏元件聚集光电荷光敏元件聚集光电荷, ,进行进行光积分光积分, ,光电荷光电荷与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时与光照强度和光积分时间成正比。在光积分时间结束时, ,转移
81、转移栅上的电压提高栅上的电压提高( (平时低电压平时低电压),),与与CCDCCD对应的电极也同时处于对应的电极也同时处于高电压状态。然后高电压状态。然后, ,降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累降低梳状电极电压，各光敏元件中所积累的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕的光电电荷并行地转移到移位寄存器中。当转移完毕, ,转移栅转移栅电压降低电压降低, ,梳妆电极电压回复原来的高电压状态梳妆电极电压回复原来的高电压状态, ,准备下一次准备下一次光积分周期。同时光积分周期。同时, ,在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲在电荷耦合移位寄存器上加上时钟脉冲, ,将存储的电荷从将存储的电荷从CCD
82、CCD中转移中转移, ,由输出端输出。这个过程重复地由输出端输出。这个过程重复地进行就得到相继的行输出进行就得到相继的行输出, ,从而读出电荷图形。从而读出电荷图形。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器1024单元单元14m14m二相时钟二相时钟(5V)光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.4.3 8.4.3 面阵面阵CCDCCD图像传感器图像传感器光栅报时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动光电式传感器最新(3)课件燕山
83、大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 感光单元和存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分感光单元和存储单元交替排列。在感光区光敏元件积分结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，结束时，转移控制栅打开，电荷信号进入存储区。随后，在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行在每个水平回扫周期内，存储区中整个电荷图像一次一行地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号地向上移到水平读出移位寄存器中。接着这一行电荷信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号在读出移位寄存器中向右移位到输出器件，形成视频信号输出。这种结构的器件操作简
84、单，但单元设计复杂，感光输出。这种结构的器件操作简单，但单元设计复杂，感光单元面积减小，图像清晰。单元面积减小，图像清晰。 目前，面阵目前，面阵CCDCCD图像传感器使用得越来越多，发达国家图像传感器使用得越来越多，发达国家所能生产的产品的单元数也越来越多，高端数码相机最多所能生产的产品的单元数也越来越多，高端数码相机最多已超过已超过4096409640964096像元，我国主流家用数码相机的面阵像元，我国主流家用数码相机的面阵CCDCCD图像传感器已经达到图像传感器已经达到500500万万10001000万像素。万像素。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8
85、 8章章 光电式传感器光电式传感器8.5 8.5 光电传感器的应用光电传感器的应用光光电电传传感感器器可可以以应应用用于于多多种种非非电电量量的的测测量量。根根据据光光通通量量对对光光电电元元件件的的作作用用原原理理不不同同，按按照照其其输输出出量量的的性性质质可可将将光光电电传传感感器器分分为为两两类类：一一类类是是把把被被测测量量转转换换为为与与之之成成单单值值对对应应关关系系的的连连续续变变化化的的光光电电流流，称称为为模模拟拟式式光光电电传传感感器器；另另一一类类是是把把被被测测量量转转换换为为断断续续变变化化的的光光电电流，系统输出为开关量的电信号，称为流，系统输出为开关量的电信号，
86、称为数字式光电传感器。数字式光电传感器。8.5.1 8.5.1 模拟式光电传感器的应用模拟式光电传感器的应用 (a)被被测物是光源物是光源(b)被被测物吸收光通量物吸收光通量 (c)被被测物是有反射能力的表面物是有反射能力的表面(d)被被测物遮蔽光通量物遮蔽光通量光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电式浊度计工作原理光电式浊度计工作原理被测物吸收光通量被测物吸收光通量 11恒流源恒流源 2 2半导体激光器半导体激光器 3 3半反半透镜半反半透镜 4 4反射镜反射镜 55被测水样被测水样 6 6、99光电池光电池 7 7、1
87、010电流电流/ /电压转换器电压转换器 88标准水样标准水样 参比通道参比通道 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光电式浊度计和含沙量测量光电式浊度计和含沙量测量将装有浊水的试将装有浊水的试管插入仪器中管插入仪器中光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器烟雾报警器外形烟雾报警器外形 无烟雾时，光敏元件无烟雾时，光敏元件接收到接收到LEDLED发射的恒定红外发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部雾进入检测室，遮挡了
88、部分红外光，使光敏三极管分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信判断电路后，发出报警信号。号。 烟雾烟雾光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器无线无线烟雾报警器内部结构烟雾报警器内部结构 可发出高分贝笛鸣可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器声的蜂鸣器光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器无线火灾烟雾传感器无线火灾烟雾传感器 无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它无线火灾烟雾传感器可以固定在墙体或者天花板上。它内部
89、使用一节内部使用一节9 9伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工伏层叠电池供电，工作在警戒状态时，工作电流仅为作电流仅为1515微安，报警发射时工作电流为微安，报警发射时工作电流为2020毫安。当探毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出鸣器立即发出9090分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪分贝的连续报警，工作指示灯快速连续闪烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，烁，无线发射器发出无线报警信号，通知远方的接收主机，将报警信息传递出去。将报警信息传递出去。 无线发射器的报警距离在空旷地可以达到无线发射
90、器的报警距离在空旷地可以达到200200米，在有米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到阻挡的普通家庭环境中可以达到2020米。米。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电式带材跑偏检测器光电式带材跑偏检测器被测物遮挡光通量的应用实例被测物遮挡光通量的应用实例 光电传感器光电传感器 带材走偏时，带材走偏时，边缘经常与传送边缘经常与传送机械发生碰撞，机械发生碰撞，易出现卷边，造易出现卷边，造成废品。成废品。 当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压当带材处于正确位置（中间位置）时，放大器输出电压U Uo o为零；当带材左偏
91、时，遮光面积减小，输出电压反映了带为零；当带材左偏时，遮光面积减小，输出电压反映了带材跑偏的方向及大小。材跑偏的方向及大小。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电式带材跑偏检光电式带材跑偏检测控制器原理测控制器原理1 1 被测带材；被测带材；22卷取卷取电机电机 ；33卷取辊；卷取辊；44液液压缸；压缸；55活塞；活塞；66滑台；滑台；77光电检测装置；光电检测装置；88光源；光源；9 9、1010透镜；透镜；11-11-光敏电阻光敏电阻R R1 1 ；1212遮光罩遮光罩 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院
92、燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器被测物体反射光通量的应用实例被测物体反射光通量的应用实例 反射式烟雾报警器反射式烟雾报警器 在没有烟雾时，由在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外吸光材料，所以红外LEDLED发出的红外光无发出的红外光无法到达红外光敏三极法到达红外光敏三极管。管。 当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有
93、光电流输出。光敏三极管，有光电流输出。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光源本身是被测物的应用实例光源本身是被测物的应用实例 照度计照度计光的照度光的照度E E的单位是的单位是lxlx（勒克斯），它是（勒克斯），它是常用的光度学单位之常用的光度学单位之一，它表示受照物体一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。可以用照度计来测量。 光电池（外光电池（外加柔光罩）加柔光罩）光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 红外线辐
94、射温度计红外线辐射温度计用于用于食品温度测量食品温度测量红外线辐射温度计：红外线辐射温度计：光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器红外线辐射温度计用于人体额温测量红外线辐射温度计用于人体额温测量光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器线阵线阵CCDCCD器件精密检测工件直径器件精密检测工件直径 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光电式转速表光电式转速表 光电式转速表属光电式转速表属于反射式
95、光电传于反射式光电传感器，它可以在感器，它可以在距被测物数十毫距被测物数十毫米外非接触地测米外非接触地测量其转速。量其转速。 n =60(f /z ) 8.5.2 8.5.2 数字式光电传感器的应用数字式光电传感器的应用光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器水泵水泵转速测量转速测量光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.6 8.6 光栅传感器光栅传感器(Optical gratings) 在在一一块块长长条条形形( (圆圆形形) )光光学学玻玻璃璃( (或或
96、金金属属) )上上进进行行均均匀匀刻刻划划，可可得得到到一一系系列列密密集集刻刻线线，如如图图所所示示，这这种种具具有有周周期期性性刻刻线线分分布布的的光学元件称为光栅。光学元件称为光栅。图图中中，a为为光光栅栅刻刻线线宽宽度度，b为为光光栅栅缝缝隙隙宽宽度度，a+b=W 称称为为光光栅栅的的栅栅距距( (也也称称光光栅栅常常数数( (Gratingperiod)。为为了了方方便便处处理理，通常取通常取a=b=W/2。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光栅式传感器有如下的特点：光栅式传感器有如下的特点：(1) (1) 大
97、大量量程程兼兼有有高高分分辨辨力力和和高高精精度度。在在大大量量程程长长度度与与直直线线位位移移测测量量方方面面，长长光光栅栅测测量量精精度度仅仅低低于于激激光光干干涉涉传传感感器器；圆圆分分度度和和角角位位移移测测量量方方面面，圆圆光光栅栅测测量量精精度度最最高高。一一般般长长光光栅栅测测量量精精度度达达(0.5(0.53)/3000mm3)/3000mm，分分辨辨力力达达0.10.1，圆圆光光栅栅测测量量精精度度达达0.150.15，分分辨辨力达力达0.10.1。(2) (2) 可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化。(3) (3)
98、具具有有较较强强的的抗抗干干扰扰能能力力，适适合合一一般般实实验验室室条条件件和和环环境境较较好好的的车间现场。车间现场。 光光栅栅式式传传感感器器在在几几何何量量测测量量领领域域有有着着广广泛泛的的应应用用，所所有有与与长长度度( (位位移移) )和和角角度度( (角角位位移移) )测测量量有有关关的的精精密密仪仪器器中中都都经经常常使使用用光光栅栅式式传传感感器器，此此外外，在在测测量量振振动动、速速度度、应应力力、应应变变等等机机械械测测量量中中也也常有应用。常有应用。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 8.6.1
99、8.6.1 计量光栅的种类计量光栅的种类 利利用用光光栅栅的的莫莫尔尔条条纹纹(Moire Moire patterns)patterns)现现象象进进行行精精密密测测量量的的光光栅栅称称为为计计量量光光栅栅。根根据据基基材材不不同同，分分为为金金属属光光栅栅与与玻玻璃璃光光栅栅；根根据据刻刻划划形形式式不不同同，分分为为振振幅幅光光栅栅与与相相位位光光栅栅；根根据据光光线线的的走走向向，分分为为透透射射光光栅栅与与反反射射光光栅栅；根根据据用用途途不不同同，分分为为长长光光栅栅与与圆光栅。圆光栅。1 1长光栅长光栅 刻刻划划在在玻玻璃璃尺尺上上的的光光栅栅称称为为长长光光栅栅，也也称称为为光
100、光栅栅尺尺( (Grating ruler) )，用用于于测测量量长长度度或或直直线线位位移移。其其刻刻线线相相互互平平行行，一一般般以以每每毫米长度内的栅线数毫米长度内的栅线数( (即栅线密度即栅线密度) )来表示长光栅的特性。来表示长光栅的特性。 根根据据栅栅线线型型式式的的不不同同，长长光光栅栅分分黑黑白白光光栅栅和和闪闪耀耀光光栅栅。黑黑白白光光栅栅是是指指只只对对入入射射光光波波的的振振幅幅或或光光强强进进行行调调制制的的光光栅栅，所所以以又又称称振振幅幅光光栅栅。闪闪耀耀光光栅栅是是对对入入射射光光波波的的相相位位进进行行调调制制，也也称称相相位位光光栅栅。振振幅幅光光栅栅的的栅栅
101、线线密密度度一一般般为为2020125125线线/mm/mm，相相位位光光栅栅的的栅栅线线密密度度通常在通常在600600线线/mm/mm以上。以上。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器Grating ruleropaquetransparentGrating ruler glass plateLight sourcePhoto-detector光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器reflectiveNon-reflective steel plateGr
102、ating rulerLight sourcePhoto-detector光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器2 2圆光栅圆光栅刻刻划划在在玻玻璃璃盘盘上上的的光光栅栅称称为为圆圆光光栅栅，也也称称光光栅栅盘盘( (Grating disk) )，用用来来测测量量角角度度或或角角位位移移。圆圆光光栅栅的的参参数数多多数数是是以以整整圆圆上上刻刻线线数数或或栅栅距距角角( (也也称称为为节节距距角角)来来表表示示，它它是是指指圆圆光光栅栅上上相相邻邻两两栅线之间的夹角，如图所示。栅线之间的夹角，如图所示。根根据据栅栅线线刻刻划
103、划的的方方向向，圆圆光光栅栅分分两两种种，一一种种是是径径向向光光栅栅，另另一一种种是是切切向向光光栅栅，切向光栅适用于精度要求较高的场合。切向光栅适用于精度要求较高的场合。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器8.6.2 8.6.2 莫尔条纹莫尔条纹(MoirPatterns)长光栅莫尔条纹的宽度为长光栅莫尔条纹的宽度为式式中中：W W1 1为为标标尺尺光光栅栅1(1(也也称称为为主主光光栅栅) )的的光光栅栅常常数数；W W2 2为为指指示示光光栅栅2 2的的光光栅栅常常数数；为为两两光栅栅线的夹角。光栅栅线的夹角。光电式
104、传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2莫尔条纹的特性莫尔条纹的特性 莫尔条纹有如下的重要特性：莫尔条纹有如下的重要特性： 1) 1) 运动对应关系运动对应关系 莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动量量与与移移动动方方向向与与两两光光栅栅的的相相对对位位移移量量和和位位移移方方向向有有着着严严格格的的对对应应关关系系。当当主主光光栅栅向向右右运运动动一一个个栅栅距距W W1 1时时，莫莫尔尔条条纹纹向向下下移移动动一一个个条条纹纹间间距距B B ；如如果果主主光光栅栅向向左左运运动动，则则莫莫尔尔条条纹纹向向上上移移动动。所所以以，光
105、光栅栅传传感感器器在在测测量量时时，可可以以根根据据莫莫尔尔条条纹纹的的移移动动量量和和移移动动方方向向，来来判判定定主主光光栅栅( (或或指指示示光光栅栅) )的的位位移移量量和位移方向。和位移方向。 2) 2) 位移放大作用位移放大作用若两光栅栅距若两光栅栅距W W相同，两光栅栅线的夹角相同，两光栅栅线的夹角很小，则有很小，则有可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为可明显看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为1/ 1/ 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 3) 3) 误差平均效应误差平均效应 莫莫尔尔条条纹纹
106、由由光光栅栅的的大大量量刻刻线线形形成成，对对线线纹纹的的刻刻划划误误差差有有平平均均作作用用，几几条条刻刻线线的的栅栅距距误误差差或或断断裂裂对对莫莫尔尔条条纹纹的的位位置置和和形形状状影影响响甚甚微，从而提高了光栅传感器的测量精度。微，从而提高了光栅传感器的测量精度。 3 3莫尔条纹的种类莫尔条纹的种类 1) 1) 长光栅的莫尔条纹长光栅的莫尔条纹 (1) (1) 横横向向莫莫尔尔条条纹纹。两两光光栅栅的的光光栅栅栅栅距距相相等等，即即W W= =W W1 1= =W W2 2，以以夹夹角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹。(2) (2) 光光闸闸莫莫
107、尔尔条条纹纹。两两光光栅栅的的光光栅栅栅栅距距相相等等，栅栅线线的的夹夹角角= =0 0时时，莫莫尔尔条条纹纹宽宽度度B B趋趋于于无无穷穷大大。两两光光栅栅相相对对移移动动时时，对对入入射射光光就就像像闸闸门门一一样样时时启启时时闭闭，故故称称为为光光闸闸莫莫尔尔条条纹纹。两两光光栅栅相相对对移移动动一一个栅距，视场上的亮度明暗变化一次。个栅距，视场上的亮度明暗变化一次。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 (a) (a) 刻线对齐刻线对齐 (b) (b) 错开错开W W/4 (c) /4 (c) 错开错开W W/2 (d
108、) /2 (d) 错开错开3 3W W/4/4 2) 2) 圆光栅的莫尔条纹圆光栅的莫尔条纹 (1) (1) 径径向向光光栅栅的的莫莫尔尔条条纹纹。在在几几何何量量的的测测量量中中，径径向向光光栅栅主主要要使使用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。用两种莫尔条纹：圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹。 圆圆弧弧形形莫莫尔尔条条纹纹。两两块块栅栅距距角角相相同同的的径径向向光光栅栅以以不不大大的的偏偏心心叠叠合合，在在光光栅栅的的各各个个部部分分，栅栅线线的的夹夹角角均均不不同同，便便形形成成了了不不同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。同曲率半径的圆弧形莫尔条纹。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气
109、工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光光闸闸莫莫尔尔条条纹纹。两两块块栅栅距距角角相相同同的的两两块块圆圆光光栅栅同同心心叠叠合合时时，得得到到与与长长光光栅栅中中类类似似的的光光闸闸莫莫尔尔条条纹纹。主主光光栅栅每每转转过过一一个个栅栅距距角角，透光亮度就变化一个周期。透光亮度就变化一个周期。(2) (2) 切切向向光光栅栅的的莫莫尔尔条条纹纹。两两块块切切向向相相同同、栅栅距距角角相相同同的的切切线线光光栅栅线线面面相相对对同同心心重重合合时时，形形成成的的莫莫尔尔条条纹纹是是以以光光栅栅中中心心为为圆圆心心的的同同心心圆圆簇簇，称称为为环环形形莫莫尔尔条
110、条纹纹，如如图图所所示示。环环形形莫莫尔尔条条纹纹的的突突出出优优点点是是具具有有全全光光栅栅的的平平均均效效应应，因因而而用用于于高高精精度度测测量量和和圆圆光光栅栅分分度误差的检验。度误差的检验。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 8.6.3 8.6.3 光栅式传感器光栅式传感器 光光栅栅式式传传感感器器有有多多种种不不同同的的光光学学系系统统，其其中中，比比较较常常见见的的有有透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。透射式光栅传感器和反射式光栅传感器。1 1透射式光栅传感器透射式光栅传感器光电式传感器最新(3)课件燕山大
111、学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光光电电元元器器件件输输出出电电信信号号的的幅幅值值可可用用光光栅栅位位移移量量x的的正正弦弦函函数数表表示，以电压输出而言有：示，以电压输出而言有：式式中中：U U0 0为为输输出出信信号号中中的的平平均均直直流流分分量量，对对应应莫莫尔尔条条纹纹的的平平均均光光强；强；U Um m为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化。为输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化。将将输输出出的的电电压压信信号号经经过过放放大大、整整形形变变为为方方波波，经经微微分分电电路路转转换换成成脉脉冲冲信信号号，再再经经过过辨辨向向
112、电电路路和和可可逆逆计计数数器器计计数数，就就可可以以数数字字形式实时地显示出位移量的大小。形式实时地显示出位移量的大小。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 若若指指示示光光栅栅采采用用裂裂相相光光栅栅，一一般般由由4 4个个部部分分构构成成，每每一一部部分分的的刻刻线线间间距距与与对对应应的的标标尺尺光光栅栅完完全全相相同同，但但各各个个部部分分之之间间在在空空间间上上依依次次错错开开的的距距离离( (n n为为整整数数) )，若若用用光光电电器器件件分分别别接接收收裂裂相相光光栅栅4 4个部分的透射光，可以得到相位依次
113、相差的个部分的透射光，可以得到相位依次相差的4 4路信号如下：路信号如下：将将4 4路路信信号号中中U U1 1与与U U3 3、U U2 2与与U U4 4分分别别相相减减，消消除除信信号号的的直直流流电电平平，可可得得到到两两路路相相位位差差为为9090的的信信号号，然然后后将将它它们们送送入入细细分分和和辨辨向向电路，即可实现对位移的测量。电路，即可实现对位移的测量。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2反射式光栅传感器反射式光栅传感器 如如图图所所示示，平平行行光光以以一一定定的的角角度度射射向向裂裂相相指指示
114、示光光栅栅，莫莫尔尔条条纹纹是是由由标标尺尺光光栅栅的的反反射射光光与与指指示示光光栅栅作作用用形形成成，光光电电器器件件接接收收莫莫尔尔条条纹纹的的光光强强。反反射射式式光光栅栅传传感感器器一一般般用用在在数数控控机机床床上上，主主光光栅栅为为金金属属光光栅栅，它它坚坚固固耐耐用用，而而且且线线膨膨胀胀系系数数与与机机床床基基体体的的接近，能减小温度误差。接近，能减小温度误差。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器3 3光栅测量辨向原理光栅测量辨向原理1 1、22光电元件；光电元件；33指示光栅；指示光栅；44莫尔条纹莫尔条
115、纹光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器4 4细分技术细分技术 为为了了进进一一步步提提高高光光栅栅传传感感器器分分辨辨力力，测测量量比比栅栅距距更更小小的的位位移移量量，在在测测量量系系统统中中往往往往采采用用细细分分技技术术。细细分分技技术术的的基基本本思思想想是是，在在一一个个栅栅距距即即一一个个莫莫尔尔条条纹纹信信号号变变化化周周期期内内，发发出出n n个个脉脉冲冲，每每个个脉脉冲冲代代表表原原来来栅栅距距的的1/1/n n，由由于于细细分分后后计计数数脉脉冲冲频频率率提提高高了了n n倍倍，因因此也称为此也称为n n
116、倍频。以电子四倍频细分为例来说明细分原理。倍频。以电子四倍频细分为例来说明细分原理。 前前述述辨辨向向原原理理中中，在在B B/4/4的的位位置置上上安安放放了了两两个个光光电电元元件件，得得到到两两个个相相差差/2/2的的电电压压信信号号U U0101和和U U0202( (设设为为S S和和C C) )，将将这这两两个个信信号号整整形形、反反相相得得到到4 4个个依依次次相相差差 /2/2的的电电压压信信号号0(S)0(S)，90(90(C C) )，180( 180( ) )，270( 270( ) )，将将4 4个个信信号号送送入入电电路路中中，进进行行与与、或或逻逻辑辑运运算算。在在
117、正正向向移移过过一一个个光光栅栅栅栅距距时时，可可得得到到4 4个个加加计计数数脉脉冲冲；反反向向移移过过一一个个光光栅栅栅栅距距时时，得得到到4 4个个减减计计数数脉脉冲冲，从从而而实现了四倍频细分。实现了四倍频细分。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 8.7 8.7 光学编码器光学编码器 光光学学编编码码器器是是一一种种集集光光、机机、电电为为一一体体的的数数字字化化检检测测装装置置，它它具具有有分分辨辨力力高高
118、、精精度度高高、结结构构简简单单、体体积积小小、使使用用可可靠靠、易易于于维维护护、性性价价比比高高等等优优点点，近近十十多多年年来来，已已发发展展为为一一种种成成熟熟的的多多规规格格、高高性性能能的的系系列列工工业业化化产产品品，在在数数控控机机床床、机机器器人人、雷雷达达、光光电电经经纬纬仪仪、地地面面指指挥挥仪仪、高高精精度度闭闭环环调调速速系系统统、伺伺服服系系统统等等诸诸多多领领域域中得到了广泛的应用。中得到了广泛的应用。按按照照工工作作原原理理编编码码器器可可分分为为增增量量式式和和绝绝对对式式两两类类。增增量量式式编编码码器器( (简简称称增增量量编编码码器器) )是是将将位位移
119、移转转换换成成周周期期性性的的电电信信号号，再再把把这这个个电电信信号号转转变变成成计计数数脉脉冲冲，用用脉脉冲冲的的个个数数表表示示位位移移的的大大小小。绝绝对对式式编编码码器器( (简简称称绝绝对对编编码码器器) )的的每每一一个个位位置置对对应应一一个个确确定定的的数数字字码码，因因此此它它的的示示值值只只与与测测量量的的起起始始和和终终止止位位置置有有关关，而而与与测测量的中间过程无关。量的中间过程无关。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光电码盘实物图光电码盘实物图 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院
120、燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 8.7.1 8.7.1 绝对编码器绝对编码器 1 1绝对编码器的码盘绝对编码器的码盘 绝绝对对编编码码器器的的码码盘盘采采用用照照相相腐腐蚀蚀工工艺艺，在在一一块块圆圆形形光光学学玻玻璃璃上上刻刻有有透透光光与与不不透透光光的的码码形形。绝绝对对编编码码器器光光码码盘盘上上有有许许多多道道刻刻线线，每每道道刻刻线线依依次次以以2 2线线、4 4线线、8 8线线、1616线线编编排排，这这样样，在在编编码码器器的的每每一一个个位位置置，通通过过读读取取每每道道刻刻线线的的通通、暗暗，可可获获得得一一组组从从2 2的的零零次次方方到到2
121、 2的的n n-1-1次次方方的的唯唯一一的的编编码码，这这就就称称为为n n位位绝绝对对编编码码器器。这这样样的的编编码码器器是是由由码码盘盘的的机机械械位位置置决决定定的的，它它不不受受停停电电、干干扰扰的的影影响响，没没有有累累积积误差。误差。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器绝对式接触式编码器绝对式接触式编码器演示演示4 4个电刷个电刷 4 4位二进制位二进制码盘码盘 +5V +5V输入输入 公共码道公共码道 最小分辨角度为最小分辨角度为=360/2n光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程
122、学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2绝对编码器的工作原理绝对编码器的工作原理 光光电电式式绝绝对对编编码码器器的的基基本本结结构构如如图图所所示示，它它由由光光源源、绝绝对对式式光光码盘、接收光电元件及后续光电读出装置组成。码盘、接收光电元件及后续光电读出装置组成。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 以以4 4位位绝绝对对码码盘盘的的光光电电读读出出装装置置为为例例，如如图图，由由最最外外向向内内依依次次为为2 20 0，2 21 1，2 22 2，2 23 3位位，图图中中4 4个个光光敏敏晶晶体体管管的
123、的读读出出值值表表明明装装置置正正处处在在码码盘盘第第8 8号号角角度度位位置置，只只有有最最里里面面码码道道的的光光敏敏晶晶体体管管对对着着不不透光区，不受光照，管子截止，输出电平为透光区，不受光照，管子截止，输出电平为B B4=14=1。其他。其他3 3个码个码道道光光敏敏晶晶体体管管均均对对着着透透光光区区，受受光光照照而而导导通通，输输出出电电平平均均为为00。因因此此，码码盘盘第第8 8号号角角度度位位置置对对应应的的输输出出数数码码为为10001000。码码盘盘转转动动某某一一角角度度，光光电电读读出出装装置置就就输输出出一一个个数数码码。码码盘盘转转动动一一周周，光光电电读读出出
124、装装置置就就输输出出1616种种不不同同的的4 4位位二进制数码。二进制数码。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 3 3提高分辨力的措施提高分辨力的措施绝对码盘所能分辨的旋转角度，即码盘的分辨力绝对码盘所能分辨的旋转角度，即码盘的分辨力为为式中：式中：n n为码道数。为码道数。 可可见见，码码道道数数越越多多，能能分分辨辨的的角角度度越越小小，就就越越精精确确。为为了了提提高高角角位位移移的的分分辨辨力力，常常规规方方法法就就是是增增加加码码盘盘的的码码道道数数。当当然然这这要要受受到到制制作作工工艺艺的的限限制制。为为此
125、此，可可以以采采用用多多级级码码盘盘，以以达达到到提提高高分分辨辨力的目的。力的目的。 4 4减小误码率减小误码率采采用用二二进进制制的的码码盘盘，对对码码盘盘的的制制作作和和安安装装要要求求很很严严格格，否否则则会会产产生生严严重重的的错错码码。为为了了提提高高精精度度，限限制制错错码码率率，常常用用循循环环码码盘盘。循循环环码码的的特特点点是是相相邻邻两两个个数数的的代代码码只只有有一一位位码码是是不不同同的的，故故用用循循环环码码( (格雷码格雷码) )来代替直接二进制码，就可消除多位错码现象。来代替直接二进制码，就可消除多位错码现象。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大
126、学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 8.7.2 8.7.2 增量编码器增量编码器 1 1增量编码器的结构与工作原理增量编码器的结构与工作原理 增增量量编编码码器器又又称称脉脉冲冲盘盘式式编编码码器器，在在增增量量编编码码器器的的圆圆盘盘上上等等角角距距地地在在两两条条码码道道上上开开有有透透光光的的缝缝隙隙，内内外外码码道道( (A A、B B码码道道) )的的相相邻两缝距离错开半条缝宽，如图所示。邻两缝距离错开半条缝宽，如图所示。 增增量量编编码码器器的的第第三三条条码码道道是是在在最最外外圈圈只只开开有有一一个个透透光光狭狭缝缝，表表示示码码盘盘零零位位。在在圆圆盘盘两
127、两侧侧面面分分别别安安装装光光源源和和光光电电接接收收元元件件。当当码码盘盘转转动动时时，光光源源经经过过透透光光和和不不透透光光的的区区域域，每每个个码码道道将将有有一一系系列列光光脉脉冲冲由由光电元件输出，码道上有多少缝隙就有多少个脉冲输出。光电元件输出，码道上有多少缝隙就有多少个脉冲输出。 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 2 2旋转方向的判别旋转方向的判别 为为了了辨辨别别码码盘盘旋旋转转方方向向，可可采采用用图图示示电电路路实实现现。经经过过放放大大整整形形后后的的A A、B B两两相相脉脉冲冲分分别别输输入入
128、到到D D型型触触发发器器的的D D端端和和CPCP端端。由由于于A A、B B两两列列脉脉冲冲相相差差9090，D D触触发发器器在在A A脉脉冲冲(CP)(CP)的的上上升升沿沿触触发发。当当正正转转时时，B B脉脉冲冲超超前前A A脉脉冲冲9090，故故Q=“1”Q=“1”，表表示示正正转转；当当反反转转时时，A A脉脉冲冲超超前前B B脉脉冲冲9090，D D触触发发器器在在A A脉脉冲冲(CP)(CP)上上升升沿沿触触发发时时，D D输输入入端端的的B B脉脉冲冲为为低低电电平平“0”“0”，故故Q=“0”Q=“0”，而而=“1”=“1”，表表示示反反转转。分分别别用用Q Q和和控制
129、可逆计数器是正向还是反向计数，即可将光脉冲变成编码输出控制可逆计数器是正向还是反向计数，即可将光脉冲变成编码输出光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 3 3增量式光电编码器的特点增量式光电编码器的特点 增增量量式式光光电电编编码码器器的的缺缺点点是是它它无无法法直直接接读读出出转转动动轴轴的的绝绝对对位位置信息。其优点包括：置信息。其优点包括：(1) (1) 原理构造简单、易于实现；原理构造简单、易于实现；(2) (2) 机械平均寿命长，可达到几万小时以上；机械平均寿命长，可达到几万小时以上；(3) (3) 分辨力高；分辨力
130、高；(4) (4) 抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。抗干扰能力较强，信号传输距离较长，可靠性较高。光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 图图为为利利用用光光栅栅传传感感器器直直接接测测量量数数控控机机床床工工作作台台位位移移量量的现场照片。的现场照片。 工作台工作台光栅光栅工作台运动方向工作台运动方向光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 采用编码器间接采用编码器间接测量工作台位移。测测量工作台位移。测量到的回转运动参数量到的回转运动参数仅仅是
131、中间值，但可仅仅是中间值，但可由这中间值再推算出由这中间值再推算出与之关联的移动部件与之关联的移动部件的直线位移。间接测的直线位移。间接测量须使用丝杠量须使用丝杠- -螺母、螺母、齿轮齿轮- -齿条等传动机齿条等传动机构。构。 工作台工作台丝杠丝杠编码器编码器进给电机进给电机x光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器光栅在机床上的安装位置（光栅在机床上的安装位置（3个自由度）个自由度）数显表数显表光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 安装有直线光栅的数控机床加
132、工实况安装有直线光栅的数控机床加工实况 防护罩内为直线光栅防护罩内为直线光栅光栅扫描头光栅扫描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角编码器安角编码器安装在夹具的装在夹具的端部端部光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器 编码器在数控编码器在数控加工中心加工中心的刀库选刀控制中的刀库选刀控制中的应用的应用旋转刀库旋转刀库被加工工件被加工工件刀具刀具角编码器的输出角编码器的输出为当前刀具号为当前刀具号角编码器与旋角编码器与旋转刀库连接转刀库连接光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器编码器在定位编码器在定位加工中的加工中的应用应用11绝对式编码器绝对式编码器 2 2电动机电动机 33转轴转轴 4 4转盘转盘 5 5工件工件 66刀具刀具 光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器安装套安装套编码器的安装方式编码器的安装方式 1. 1.编码器的套式安装编码器的套式安装光电式传感器最新(3)课件燕山大学电气工程学院燕山大学电气工程学院第第8 8章章 光电式传感器光电式传感器安装轴安装轴 2. 2.编码器的轴式安装编码器的轴式安装光电式传感器最新(3)课件
