传感技术课件 (6).ppt

第五章光电式传感器 本章内容 5 1光电传感器概述5 2常用光源5 3光电效应及光电元件5 4光电编码器5 5光栅传感器 现代传感器技术 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 5 1 1光电式传感器的组成原理 5 1 2特点及应用 特点 非接触 响应快 性能可靠 精度高应用 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 现代传感器技术 光 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 5 1 3光电式传感器的一般形式 5 1 3光电式传感器的一般形式 2 脉冲式光电传感器透射式反射式频闪式 现代传感器技术 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 转速传感器 转速传感器 本章内容 5 1光电传感器概述5 2常用光源5 3光电效应及光电元件5 4光电编码器5 5光栅传感器 现代传感器技术 5 2 1对光源的要求 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光谱要求 光波频率 波长 紫外 可见光 红外 现代传感器技术 可见光 紫外光 红外光 可见光 380nm 780nm红外光 780nm 1m紫外光 1nm 380nm 5 2 2热辐射光源 原理 高温物体 光辐射 温度高 辐射能大器件 白炽灯 钨丝 1879年 爱迪生 惰性气体 提高寿命卤钨灯 钨丝 卤素 碘 卤素 内壁钨 卤化钨 受热分解 钨 沉积到钨丝 现代传感器技术 5 2 2热辐射光源 特点 谱线丰富 可见光 红外光 峰值在近红外区发光效率低 15 在可见光 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 有危险应用 可见光源 宽光谱 滤色片 窄带光谱 避免杂光干扰 仪器 近红外光源 红外检测 现代传感器技术 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 钠弧灯 水银弧灯 汞灯 金卤灯荧光灯 气体放电 荧光粉 波长更长日光灯 光谱接近日光节能灯 压缩荧光灯特点 效率高 省电功率大 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 对人眼有损害应用 强光 色温要求接近日光 现代传感器技术 5 2 4发光二极管 LED 原理 半导体 电致发光特点 体积小功耗低 白炽灯1 8 荧光灯1 2 发热少寿命长 10万小时 是荧光灯的10倍 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 器件 单色LED 红色 绿色 黄色 橙色 蓝色应用 指示灯 背光源白色LED 2001 美国波士顿大学光学研究中心光谱丰富 篮 黄 篮 绿 红 亮度高 荧光灯5倍 白炽灯的25倍应用 仪器光源 室内照明 现代传感器技术 5 2 5激光光源 LASER LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation 受激励辐射放大产生的光 原理 外界光 光原子 能级跃迁 受激辐射 光放大 谐振 辐射激光特点 方向性好 发散角很小 约0 18 比普通光小2 3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 现代传感器技术 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 现代传感器技术 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 5 2 5激光光源 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 现代传感器技术 染料激光器 离子激光器 蓝色 紫色激光 红色激光 近红外小功率 蓝色激光器 本章内容 5 1光电传感器概述5 2常用光源5 3光电效应及光电元件5 4光电编码器5 5光栅传感器 现代传感器技术 5 3 1外光电效应及其器件 1 外光电效应原理 光 金属物体表面 电子获得光子的能量光子能量 表面溢出功 电子逸出表面 光电子发射特点 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 光子能量 表面溢出功频率下限f0 当f f0时无激发电子 红限 器件 光电管 光电倍增管 现代传感器技术 5 3 1外光电效应及其器件 2 光电管原理 光 阴极 发射光电子 阳极 空间电子流 外接电阻 压降U f I 特点 结构简单 灵敏度较高 20 200 A lm充入惰性气体 气体轰击 自由电子 灵敏度 暗电流小 最低可达10 14A体积较大 工作电压高达百伏到数千伏 玻壳容易破碎 现代传感器技术 5 3 1外光电效应及其器件 3 光电倍增管原理 光 阴极 光电倍增极 阳极 电流应用 开关测量 光电开关 计数一般情况下 直流供电 各级电压均相等 约80V 总电压约1000V 并联电容 避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化 现代传感器技术 5 3 2内光电效应及其器件 原理 光 半导体 价带电子吸收能量 跃迁至导带 电子 空穴对 导电特性条件 光子能量 材料禁带宽度种类 内光电效应 现代传感器技术 光电导效应 光生伏特效应 5 3 2内光电效应及其器件 1 光电导效应及器件原理 光 半导体 电子 空穴对 导电性 电阻 器件 光敏电阻原理 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 价格便宜 材料 半导体 硫化镉CdS 硒化镉CdSe 现代传感器技术 5 3 2内光电效应及其器件 结构 梳妆电极 特性 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 现代传感器技术 金属封装 防潮 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 1S 0 001S 光照特性 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光电耦合器件 CCD 现代传感器技术 1 光敏二极管 光电二极管 PD Photo Diode 原理 PN结 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 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 光谱特性 单峰性 应用 开关元件 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 5 3 2内光电效应及其器件 连接方式 a 开路电压输出 非线性 电压 光强 灵敏度高 b 短路电流输出 线性好 电流 光强 灵敏度低特性 光谱特性硅电池 0 5 1 2 m 红 红外 峰值0 8 m 近红外 锗电池 0 3 0 7 m 紫 红 峰值0 5 m 绿 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 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 5 3 2内光电效应及其器件 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 II 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 现代传感器技术 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 100 200V 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 现代传感器技术 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 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 可用来辨别光点移动的方向 现代传感器技术 5 3 2内光电效应及其器件 7 位置敏感器件 PSD PositionalSensitiveDevice 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 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 比值 应用 二维位置检测 现代传感器技术 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 现代传感器技术 本章内容 5 1光电传感器概述5 2常用光源5 3光电效应及光电元件5 4光电编码器5 5光栅传感器 现代传感器技术 5 4 1绝对式光电编码器 1 概述组成 光源 LED 光学系统 平行光 投影码盘 光学玻璃 透光 不透光 同心圆环 码道光电元件 硅光电池 光电晶体管 每个码道对应一个光电元件原理 平行光源 码盘 光电元件 电信号输出任意角位置 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 现代传感器技术 日本OMRON 5 4 1绝对式光电编码器 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 角度分辨率 码道数 分辨率 变码器位数提高精度 现代传感器技术 n 码道数 增加码道 增大码盘尺寸 有限 光学细分 附加码道 例 19位光电编码器 14位内码道 1位专用附加码道360 214 1 3 19位 附加码道 周期与内码道最低位 最外 对应光电元件 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附加位角分辨率 360 219 2 47 5 4 1绝对式光电编码器 5 4 1绝对式光电编码器 现代传感器技术 2 编码码制 十进制码 0123456789 二进制码 00000001001000110100 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 0001 0010 0000 误差20011 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 0000000100110010 4位光电编码器码制 3 特点 结构简单 精度高 分辨率高 可靠性好 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 360 半闭环位置控制 编码器 电机伺服电机 控制电机 编码器 5 4 1绝对式光电编码器 5 4 2增量编码器 1 结构与原理码道 最外 增量码道 透光扇形区中间 辨向码道 与增量码道错开半个扇形区最内 零位码道 透光狭缝 基准脉冲原理 增量码道 透光 不透光 输出脉冲辨向码道 与增量码道错开1 4周期正弦信号 余弦信号正转脉冲or反转脉冲测量电路 放大 整形 驱动 辨向 细分 计数辨向 判断转动方向细分 提高测量分辨力 现代传感器技术 2 特点 结构简单 精度高 分辨率高 可靠性好 3 应用 相对位置 位移测量 角度 直线位置 机床导轨 机械光学鼠标 例 速度测量 脉冲输出 数字 量 传感器 测量范围无限 受计数器位数限制 速度不高 最高几千转 分 光电元件动态相应 增量码输出 测量角位移 旋转编码器 怕振动 振摆 断电 丢数 5 4 2增量编码器 应用实例 位标器电锁精度测试仪 注意 1 防震 防尘 防水 2 编码器与转轴连接 弹性连轴结 要求 测角范围 45 测量精度 2 增量码 18000脉冲 1 2 5 4 2增量编码器 本章内容 5 1光电传感器概述5 2常用光源5 3光电效应及光电元件5 4光电编码器5 5光栅传感器 现代传感器技术 1 莫尔条纹 Moire 原理 构成 主光栅 标尺光栅 定光栅 条纹宽度 W 栅距 a 线宽 b 缝宽 W a b a b W 2 指示光栅 动光栅 5 5光栅传感器 特例 当 0 w1 w2 B 光闸莫尔条纹 当 0 w1 w2 纵向莫尔条纹 莫尔条纹特性 方向性 垂直于角平分线 当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性 光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性 夹角 很小 B 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 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 2 10 6L m 测角 0 1 量程大 透射式 光栅尺长 1 3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 5 5 1光栅传感器原理 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 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 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 01 m 照明 5 5 2光栅传感器结构 5 5 2光栅传感器结构 反射式光栅 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 光源原理 光源 主光栅 反射 指示光栅 光电元件 现代传感器技术 英国Renishaw 雷尼绍 量程 任意分辨力 0 1 m0 01 m 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 旋转型 主光栅为圆环形 旋转光栅 莫尔条纹为直线形 主光栅为圆盘形 圆光栅 莫尔条纹为圆 弧形 运动 直线型 5 5 2光栅传感器结构 5 5 3圆光栅 1 径向圆光栅光栅 两块 径向刻线 栅距角相同 偏心叠合条纹 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 称为斜向莫尔条纹转动 圆弧摩尔条纹径向 现代传感器技术 5 5 3圆光栅 2 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 现代传感器技术 5 5 3圆光栅 3 环形光栅光栅 两块光栅 环形刻线 完全相同 偏心叠合 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 现代传感器技术 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 光电二极管光栅输出 光强信号 明暗条纹 同步移动一点观察 光栅移动 光强变化电路职能 计数 辨向 细分 现代传感器技术 直流分量 正弦信号 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 两路信号 相位差pi 2 正弦 余弦整形 方波 微分 窄脉冲正向移动 u1正脉冲 u2高电平 Y1输出 正计数u1负