第8章 光电传感器.ppt

第8章光电效应及普通光电器件,传感器原理与应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,主要内容：8.1光电效应8.2光电器件光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电晶体管、光电池、色敏、其他光电器件8.3光栅传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,光敏器件种类很多，在自动检测及控制系统、计算机系统中应用非常广泛。普通的光电器件包括：光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池、光电倍增管、光电耦合器等。,光电传感器是将被测量的变化通过光信号变化转换成电信号。具有这种功能的材料称为光敏材料，做成的器件称光敏器件。光电传感器是物性型传感器。,被测量,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,料位自动控制,电动扶梯自动启停,光电开关,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,概述,光栅,光电开关,光敏电阻,光电鼠标,光敏管,8.1光电效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏器件主要利用各种光电效应光电效应可分为：外光电效应光电导效应内光电效应光生伏特效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.1.1外光电效应,在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应。,普朗克常数()光的频率（Hz）,每个光子具有能量,J.S,波长短，频率高，能量大。,式中：,入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光照射物体时电子吸收入射光子的能量，当物体吸入的能量超出物体逸出功A时，电子就会逸出物体表面，产生光电子发射。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。,每个光子具有的能量可由能量守恒定律表示为,为一个电子逸出的动能（能量）；m为电子质量，0电子逸出物体表面时的速度；A为电子的逸出功。,(爱因斯坦光电效应方程),8.1.1外光电效应,传感器原理及应用,入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收光子能量，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起电阻率减小。,8.1.2内光电效应,第8章光电式传感器,为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带宽度的能量E0Eg基于光电导效应的光电器件有光敏电阻。,1）光电导效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？,下面分两种情况讨论：不加偏压时的PN结处于反偏时的PN结,2）光生伏特效应,光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在PN结上产生电动势的效应。,传感器原理及应用,当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可激发出电子空穴对，在P-N结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是光生电动势.,基于这种效应的器件有光电池。,不加偏压P-N结,二极管PN结开路电压有,第8章光电式传感器,2）光生伏特效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，产生光生电子空穴对，在外电场作用下，光生电子N，空穴P运动，形成光电流Ig。,处于反偏时的P-N结（给P-N结加电场）,电流方向与反向电流一致，光照强光电流越大。具有这种性能的器件有：光敏二极管、光敏晶体管从原理上讲，不加偏压的光电二极管就是光电池。,光敏二极管通常加反向电压。,2）光生伏特效应,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2光电器件8.2.1光电管,光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极K、阳极A，光阴极涂有光敏材料；当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生光电子发射.,电子被带有正电的阳极吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电阻RL上产生正比于电流大小的压降。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.1光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电管主要用于：分析仪器和各种自动控制装置；如，分光光度计、光电比色计等,8.2.1光电管,电子管,光电管外壳不透明,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。光电倍增管是利用二次电子释放效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。,8.2.2光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了许多倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间分压有100200V；光电倍增管的电流增益很大在105106之间。倍增极外加电压Ud与增益G的关系近似为：,8.2.2光电倍增管,光电倍增管不能直接受强光照射,否则会损坏.通常密封使用。,式中：常数倍增极数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,上式可见，倍增级外加电压Ud的变化将引起光电倍增管增益的变化，因此对供给光电倍增管的电源电压要求较高，必须有极好的稳定性。射线仪器的电源稳定性要求较高，为减少光电倍增管受温度影响，也可以采用稳谱装置，在核探测技术中“稳谱”是数据分析的一个重要内容。,增益变化与外加电压（电源）有关,8.2.2光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,谱线漂移曲线可见，仪器稳定性与光电倍增管的性能指标、参数密切相关。光电倍增管受温度的影响是比较复杂的,温度影响程度与入射光线的波长有关,同一只管子波长不同,同样温度条件下影响不同.,核探测器的温度影响和谱线漂移,8.2.2光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,基于光电倍增管的输入设备滚筒扫描仪,X射线荧光仪闪烁探测器,8.2.2光电倍增管,光电倍增管的阴极前面放一块闪烁体就可构成闪烁计数器.,能谱仪、X射线荧光仪等核仪器中的闪烁探测器使用的光电倍增管做光电转换元件。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.2光电倍增管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻的工作原理是基于光电导效应光敏电阻结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。,光敏电阻结构,8.2.3光敏电阻,光敏电阻符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.3光敏电阻,演示,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻光照特性无光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；有光照时，电阻值随光强增加而降低；光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。,光敏电阻主要参数暗电阻、暗电流,无光照时的电阻、电流；亮电阻、亮电流,受光照时的阻值、电流；亮电流与暗电流之差称光电流。,8.2.3光敏电阻,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,1.伏安特性给定光照度，电压越大光电流越大；给定偏压，光照越大光电流越大；光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、无饱和，但受最大功耗限制。,光敏电阻伏安特性,8.2.3光敏电阻,基本特性,光照度为单位面积的光通量Lx=lm（流明）/s,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻灵敏度与入射波长有关;灵敏度与半导体掺杂的材料有关，图例中材料与相对灵敏度峰位波长硫化镉（CdS）0.30.8(m)硫化铅（PbS）1.03.5(m)硫化铊（TlS）1.07.3(m),光敏电阻的光谱特性与波长和材料,8.2.3光敏电阻,2.光谱特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度T上升，波长变短，曲线向左移动。,光敏电阻温度特性,8.2.3光敏电阻,3.温度特性,几种光敏电阻的特性参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,有光照时，光敏电阻Rg下降,继电器断开;无光照时，光敏电阻Rg上升,VDW1反向饱和导通,继电器闭合.,光敏电阻开关控制电路,Rg,磁电式继电器,8.2.3光敏电阻,应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,白天Rg小，VT2导通VT3截止VT4导通，晶闸管VS截止H灭；晚上Rg大，VT2截止失去对VT3控制，VT3由VT1控制，待机;晚上压电陶瓷片B接收声音触发信号，VT3导通VT4截止，晶闸管VS导通灯亮；同时整流压降突然下降，VT3集电极保持低电压，使VS处于导通状态;,光敏电阻在声光控开关中的应用,H点亮后，C3经电阻缓慢放电，直到不再维持VT4截止。调节C3可调节灯亮时间.,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏电阻在声光控开关中的应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管包括光敏二极管和光敏三极管，其工作原理主要基于光生伏特效应。光敏晶体管特点：响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高;广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。,8.2.4光敏晶体管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。为了提高转换效率有大面积受光，光敏二极管P-N结面积比一般二极管大。,硅光敏二极管结构,光敏二极管电路符号,8.2.4光敏晶体管,1）光敏二极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,1）光敏二极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏二极管工作原理：光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，P-N结处产生光生电子-空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；光电流方向与反向电流一致。,光敏二极管基本电路,I,8.2.4光敏晶体管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,发光二极管与光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用固体材料发光（电致发光），加正向电压时，P-N结的电子和空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。材料不同发光颜色不同，是一种将电能光能的器件；,光敏二极管符号发光二极管符号,8.2.4光敏晶体管,发光二极管（LED）与光敏二极管,发光二极管工作时加正向电压，光敏二极管工作时加反向电压。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏二极管基本特性1.光照特性硅光敏二极管在小负载电阻情况下，光电流与照度成线性关系。,2.光谱特性（硅光敏管为例)当入射波长0.9m时，响应逐渐下降，虽光波长短能量大，但光穿透深度小，使光电流减小；当入射波长0.9m时，响应下降是因波长长光子能量小，当小于禁带宽度时不产生电子、空穴对。,8.2.4光敏晶体管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,3.伏安特性当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。,4.温度特性由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,5.频率响应光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。,光敏二极管频率响应曲线,8.2.4光敏晶体管,图中硅光敏二极管频率响应曲线说明，调制频率高于1000Hz时，光敏晶体管灵敏度急剧下降。,硅光敏二极管基本参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极集电极(集电结)作为光敏二极管（控制结），集电结做受光结，另外发射极的尺寸做的很大，以扩大光照面积。大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。,光敏三极管结构,电路符号,8.2.4光敏晶体管,2）光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,2）光敏三极管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,硅（Si）光敏三极管,晶体管电流放大系数电流ig与光强有关,光敏三极管等效电路,在负载电阻上的输出电压为,光敏晶体极管一般是NPN结构；光照射在集电结的基区产生光生电子-空穴，在电场作用下，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高；同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,由伏安特性曲线可见光敏晶体管对光信号具有放大作用,光敏晶体管伏安特性曲线,8.2.4光敏晶体管,光敏晶体管伏安特性,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏晶体管的光谱特性硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光）灵敏度最大；探测可见光或赤热状物体时波长短，一般用硅管0.9m；锗管的峰值波长约为1.5m（红外光）对红外进行探测时用锗管较适宜。,光敏晶体管光谱特性,硅光敏三极管基本参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,遥控器检测电路:100电阻限流在15mA，无光照时复合管截止，LED不发光；用遥控器对准光敏管按键，LED点亮时说明遥控器有红外线发射。,电视遥控器检测电路,3）应用光电转换电路,8.2.4光敏晶体管,硅管压降0.7V（两只1.5V）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,红外光敏二极管检测方法,用电视遥控器发射光信号检测光敏二极管时，当有红外线光照射在光敏管时，光敏管的电流增加电阻值减小。数字式万用表应表笔正极接光敏管负极，表笔负极接光敏管正极。指针式万用表表笔内电池极性相反。,3）应用光敏管检测,8.2.4光敏晶体管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电器件检测烟雾报警演示,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池工作原理也是基于光生伏特效应，是直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源(太阳能电池)，所以广泛用于宇航电源，另一类用于检测和自动控制等。,8.2.5光电池,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,太阳能手机充电器,太阳能电池,8.2.5光电池,光电池种类很多，有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等。硒、硅光电池转换效率高、价廉；砷化镓材料的光谱响应与太阳光谱吻合、耐高温和宇宙射线，用于航天器。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.5光电池,太阳能交通标志有助于降低成本和减少二氧化碳排放,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.5光电池,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池结构：光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。原理：当光照射PN结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生0.2V0.6V电压，50mA电流。,光电池结构电路符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,开路电压光生电动势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度2000lx趋于饱和。短路电流光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。,光电池光照与负载的关系,光电池光照特性,1）光电池光照特性,实验证明，RL小线性范围好，具体根据光照大小而定，通常RL100,光电池工作原理示意图,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,2）光谱特性,硅光电池的光谱响应峰值在0.8m附近，波长范围0.41.2m。硅光电池可在很宽的波长范围应用。硒光电池光谱响应峰值在0.5m附近，波长范围0.380.75m。,光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵敏度峰值不同。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,3）频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。硅光电池频率响应较好，硒光电池较差。所以高速计数器的转换电路一般采用硅光电池作为传感器元件。,4）温度特性,硅光电池特性参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池作为控制元件，通常接非线性负载，若控制锗管，发射结导通电压为0.2V0.3V；若控制硅管，发射结导通电压为0.6V0.7V，光电池的0.5V电压不能起到控制作用。,光电池电路连接,光电池做电源时当电压源使用;用做控制元件时当电流源使用。,光电池电路符号,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池电路连接,可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电极电流发生倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。光电池作为电源使用，需要电压高时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用。,光电池电路连接,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池应用作检测控制元件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电池应用作检测控制元件,传感器原理及应用,红外反射式色差传感器（DRSC-12-A），它的工作原理是依据不同颜色的物体表面对红外线的吸收率和反射率。在相同的测试距离上，黑色的吸收率最高，白色的吸收率最低。因此，可以根据物体对红外线的反射率来判断物体的表面颜色。在标准测试距离上，随输送线提供的三种测试颜色样品在色差传感器的测试结果如下。,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,物体表面颜色识别原理,反射光物体,吸收率低,吸收率高,发射,接收,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,光电检测方式主要是通过光强和颜色；色敏传感器是一种半导体光敏器件，工作原理基于光电效应，该器件可将不同波长的光信号转换为不同电流信号的输出，视为光辐射探测器。光信号在半导体中传播时的衰减是由于电子吸收光子，从价带跃迁到导带的结果，该过程称为本征吸收，吸收系数随入射波长变化。,本征吸收,半导体色敏传感器,传感器原理及应用,半导体色敏传感器类似晶体管的P-N-P结构但P+-N-P结构不是三极管，而是深、浅不同的两个P-N结二极管，又称光电双结二极管。,色敏器件结构及等效电路,第8章光电式传感器,波长短的光子衰减快，穿透深度较浅，浅结的光电二极管对紫外光（短波）灵敏度高，波长长的光子衰减较慢，穿透较深区域。深结的光电二极管对红外光（长波）灵敏度高；,深结,浅结,这一测波长特征为色敏器件提供了识别颜色的可能。,传感器原理及应用,当有光照射时，P+、N、P三个区域光子吸收效果不同，构成可以测定波长的半导体色敏传感器。对紫外光吸收系数大穿透距离短；对红外光吸收系数小穿透距离长。,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,深结,浅结,一般光电器件是检测在一定波长范围内的光强度或光子数目。而半导体色敏传感器可以直接测量从可见光到近远红外波段内单色辐射波长。,传感器原理及应用,检测光波长（颜色）处理电路彩色信号处理电路,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,用二极管P-N结做反馈元件，利用二极管正向导通的伏安特性成指数规律变化的特征，构成对数运算放大器电路。,传感器原理及应用,色彩识别须获得两个光电二极管的短路电流比，由此确定二者比值与入射波长关系。,色敏传感器检测电路示意图,对数运算电路,检测电路组成：对数电路OP1、OP2，差放OP3；,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,I1是浅结二极管的短路电流，它在短波（紫外）区电流较大；I2是深结二极管的短路电流，它在长波（红外）区电流较大。,传感器原理及应用,C为比例常数,色敏传感器检测电路示意图,对数运算电路,电流较小时，二极管两端电压存在近似对数关系；OP1、OP2输出分别与lnI1、lnI2成比例，由OP3取出差值；最后经A/D转换电路处理后输出。,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,输出电压为短路电流比值,传感器原理及应用,两色敏管的光谱特性,短路电流比波长特性,色敏器件是测定不同波长时两只光电二极管的短路电流比值，具体应用时需要的对器件进行标定；通过判别两只光电二极管光电流的大小判别颜色。,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.6色敏传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,PIN型硅光电二极管，高速光电二极管，响应时间达1nS，适用于遥控装置。雪崩式光电二极管，具有高速响应和放大功能，高电流增益，可有效读取微弱光线，用于0.8m范围的光纤通信、光磁盘受光元件装置。,8.2.7其他光电管,光电闸流晶体管（光激可控硅），由入射光线触发导通的可控硅。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光敏场效应晶体管，具有灵敏度高、线性动态范围大、光谱响应范围宽、输出阻抗低、体积小等优点。广泛用于对微弱信号和紫外光的检测。,8.2.7其他光电管,达林顿光电三极管（光电复合晶体管）输入是光电三极管，输出是普通晶体管，增益大，由I=IgI1I2作驱动。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器件光电耦合器又称光电隔离器（简称“光耦”）由发光元件和接收光敏元件（光敏电阻、光敏晶体管等）集成在一起；器件的光信号封闭在器件内，发光管辐射可见光或红外光，受光器件在光辐射作用下控制输出电流大小。器件通过电光、光电两次转换进行输入输出耦合。,8.2.7其他光电管,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,输入输出完全隔离，有独立的输入输出阻抗，绝缘电阻在1万兆以上。器件有很强的抗干扰能力和隔离性能，可避免振动、噪声干扰。特别适宜工业现场做数字电路开关信号传输；可作逻辑电路隔离器、计算机测量、控制系统中做无触点开关等。,“光耦”集成器件的特点：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器件结构形式,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器用于天然气高压点火器确认电路可避免失火时明火打开点燃天然气。,光电耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电耦合器应用,光电耦合器件,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关（光电断续器）,透射式，当不透明物质位于中间时会阻断光路，接受器件无光电信号输出。反射式，光电开关的发射与接受器件光轴在同一平面上，并以某一角度相交，交点处为待测点，当有物体经过待测点时，接受元件接收到物体表面反射的光线。,器件由发光元件和接收光敏元件组成，分为透射式和反射式；光路信号由外部光信号控制，光敏器件是光敏电阻或光敏管。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关基本电路,8.2.7其他光电管,光电开关结构与外形,限流电阻,ID=100mA,VCC=5V,RX=50,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关,限流电阻,光电开关基本电路,ID=100mA,VCC=5V,RX=50,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关检测方法,电梯平层用光电开关,光电开关器件,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关反射式检测方法,光电开关应用,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光电开关检测方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,运动物体,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.2.8光电器件的应用,光电开关检测运动物体,BUD-30S传感器,BUD-30S传感器特性参数,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,透射式,反射式,反射式、透射式光电开关检测物体方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,计数与标记位置检测方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,目标位置检测方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,工件检测方法,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。这个压力波会引起人体组织毛细血管中血流量的变化，可记录出脉波。光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏电阻，然后夹在耳垂上。心脏压力波引起的毛细血管中血流量的变化导致耳垂的透光率不同，使光敏电阻的阻值变化，阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。,心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,按照电路图接测量电路，制作出简易传感器，经采样、波形和频谱分析，然后可以用它测量自己的心脏跳动频率。,心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,心脏跳动测量传感器（光电晶体管受光）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,烟雾测量传感器（光电晶体管受光）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,小车行驶路线,2003年全国大学生电子设计大赛题目：自动寻迹小车,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,传感器安装位置,自动寻迹避障小车,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,反射式红外光电（开关）传感器应用,障碍传感器安装位置速度传感器安装位置,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,自动寻迹、避障小车检测方法可设计为自动存储记忆,寻迹传感器安装位置寻迹过程中的常见的情况,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,反射式红外传感器工作原理和电路形式,FS-1WF-045W反射式光电开关应用,第8章光电式传感器,8.3光栅式传感器,光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。光栅是光栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。光栅式传感器主要用于高精度的机械位移测量以及精密测量系统的传感装置。,光栅式传感器的特点：精度高；可实现动态测量；大量程测量兼有高分辨率；具有较强的抗干扰能力。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3光栅式传感器,8.3.1计量光栅的种类,长光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；,根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅尺（用作线值测量），圆光栅盘：,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3.1计量光栅的种类,长光栅,圆光栅,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,在玻璃板上设计，其中透光缝宽为b，不透光线宽为a，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即a=b。图中W=a+b，称为（光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的重要参数。,长光栅尺的设计：,8.3.2莫尔条纹,传感器原理及应用,W=a+b,光栅栅距,第8章光电式传感器,形成莫尔条纹的光学原理,8.3.2莫尔条纹,莫尔条纹通常是由两块光栅（标尺光栅、指示光栅）叠合而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；,传感器原理及应用,光线透过透光部分形成亮带；光栅不透光部分叠加，互相遮挡，形成暗带.这种由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹。,第8章光电式传感器,标尺光栅常数指示光栅常数两光栅的夹角,式中：,8.3.2莫尔条纹,长光栅莫尔条纹的周期（条纹间距B）,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3.2莫尔条纹,长光栅莫尔条纹的周期演示,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,长光栅横向莫尔条纹,莫尔条纹的重要特性：运动对应关系：主光栅向右运动一个栅距W1时(W0.005mm)，莫尔条纹向下移动一个条纹间距B;,8.3.2莫尔条纹,位移放大作用：两光栅夹角很小，若W1=W2，莫尔条纹得近似关系BW/；莫尔条纹放大倍数为1/。虽栅距很小但莫尔条纹清楚可见；误差平均效应：莫尔条纹的大栅线对光栅刻划误差有平均作用.,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。,传感器原理及应用,光栅传感器构成原理：光栅式传感器又称光栅式读数头，由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。,8.3.3光栅传感器,第8章光电式传感器,光栅传感器构成原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光栅传感器构成原理,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,8.3.3光栅传感器,光栅读数头,光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,光栅读数头,两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号转换为电信号，接近于正弦周期函数。,式中：uo光电元件输出的电压信号；Uo输出信号中的平均直流分量；Um输出信号中正弦交流分量的幅值,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,相距B/4放置四个光电元件，光栅移动时光的信号强弱变化。,光栅读数头,光栅位移与光强、输出电压的关系,直接接收式光学系统可以装调成四相型系统。对于横向莫尔条纹，为了获得四相信号，相距B/4放置四个光电元件；光电元件可采用四极硅光电池或光敏二极管，并调整莫尔条纹的宽度使其和四极硅光电池的宽度S相同。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,辨向逻辑工作原理,光栅测量电路,光栅读数头实现位移量由非电量转换为电量，位移是向量，因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向。,在相隔BH/4间距的位置上,放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量）,经过整形后得两个方波信号u1和u2。,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,辨向电路原理,（1）辨向原理,在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；,而u1的反相微分脉冲则发生在u2的“1”电平时，与门Y2输出一个计数脉冲。,当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲,正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞无脉冲输出。,传感器原理及应用,光栅测量电路,第8章光电式传感器,辨向电路原理框图,（1）辨向原理,用u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时u1所产生的脉冲输出。这样就可以根据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲；再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。,传感器原理及应用,光栅测量电路,辨向电路信号输出,第8章光电式传感器,辨向电路各点波形,8.3.3光栅传感器,左移右移,传感器原理及应用,第8章光电式传感器,细分与末分比较,8.3.3光栅传感器,(2)细分技术,光栅尺以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。为了提高分辨率和测量比栅距更小的位移量，可采用