第十三章光電式檢測技術(shù)

1、光電式檢測技術(shù)光電式檢測技術(shù)可見光可見光 光譜光譜The Visible SpectrumThe Visible SpectrumWavelength(nmWavelength(nm) )電電磁磁波波頻頻譜譜光電探測器件光電探測器件 外光電探測器件：光電管外光電探測器件：光電管 內(nèi)光電器件：光電池內(nèi)光電器件：光電池 光敏二極管光敏二極管 光敏三極管光敏三極管 光敏電阻光敏電阻 ( (光釋電器件光釋電器件) )光電管、光電倍增光電管、光電倍增n每個光子所具有的能量每個光子所具有的能量E E為為: :E Eh h n式中式中 h h 普朗克常數(shù)，普朗克常數(shù)，6.6266.6261010-34-34

2、（J JS S）n 光的頻率光的頻率( (Hz)Hz)。Anode=Anode=陽極陽極Cathode=陰極Kn光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路光電管結(jié)構(gòu)示意圖和連接電路AKAKAKIRLE入射光入射光入射光入射光光電管的特性光電管的特性1 1 光電特性光電特性光電特性表示當(dāng)陽極電壓一定時，陽極電流I I與入射在光電陰極上光通量 之間的關(guān)系。在很大區(qū)間上具有線性關(guān)系，但隨著光強的增大，非線性加重。10 0.1 0.2 0.3 0.480604020I/ m m AF/lm光電管的特性光電管的特性 光譜特性光譜特性由于光電陰極對光譜有選擇由于光電陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有性，因此光電管對

3、光譜也有選擇性。保持光通量和陽極選擇性。保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。譜特性。曲線曲線1 1為銫氧銀陰極管的特性為銫氧銀陰極管的特性曲線曲線2 2為銻化銫陰極管的特性為銻化銫陰極管的特性曲線曲線3 3為人眼視覺特性為人眼視覺特性109876543210相對靈敏度相對靈敏度紫外紫外藍(lán)藍(lán) 綠綠橙橙紅外線紅外線1320.2 0.4 0.6 0.8 1.00光電管的特性光電管的特性 伏安特性伏安特性當(dāng)入射光的的頻譜及光通量一當(dāng)入射光的的頻譜及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系叫伏

4、安特性。間的關(guān)系叫伏安特性。當(dāng)陽極電壓比較低的時候，陰當(dāng)陽極電壓比較低的時候，陰極極所發(fā)射的電子只有一部分到所發(fā)射的電子只有一部分到達(dá)陽極，其余部分受光電子在達(dá)陽極，其余部分受光電子在真空中運動時所形成的負(fù)電場真空中運動時所形成的負(fù)電場作用，回到源點陰極。隨著陽作用，回到源點陰極。隨著陽極電壓的增高，光電流隨之增極電壓的增高，光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子全部到大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子全部到達(dá)陽極時，陽極電流便很穩(wěn)定，達(dá)陽極時，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。稱為飽和狀態(tài)。100 20020151050I/ m AI/ m AU/ U/ V V0.15 lm0.1 0.05光電倍增管光電倍增管

5、n一般陽極和陰極之間電壓是一般陽極和陰極之間電壓是 1000 1000V V2500 V2500 V，兩個相鄰兩個相鄰倍增極之間的電位差為倍增極之間的電位差為 50 50V V100 V100 V。 n如果設(shè)每個電子落到任一倍增極上都打出如果設(shè)每個電子落到任一倍增極上都打出d d個電子，則個電子，則陽極電流為陽極電流為I=iI=i0 0d dn n 式中: i0 光電陰極發(fā)出的光電流； n 光電倍增極數(shù)(一般9-11個) n光電陰極與各倍增極和陽級隔開，以防止光電子的散射光電陰極與各倍增極和陽級隔開，以防止光電子的散射和陽極附近形成的正離子向陰極返回，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。和陽極附近形成的正離子向陰

6、極返回，產(chǎn)生不穩(wěn)定現(xiàn)象。AKFD1D3D2D4光電倍增管的特性光電倍增管的特性-與普通光電管的特性類似與普通光電管的特性類似(a)(a)光電特性光電特性 (b)(b)光譜特性光譜特性 (c)(c)伏安特性伏安特性108642I/mAF/lm0 0.004 0.012 0.008 0.01610080604020200 400 600 80012108642050 100 150100(mlm)80604020U/ / Vl l/nmI/%I/mA陽極電壓一定陽極電壓一定光通量、陽極電壓一定光通量、陽極電壓一定光通量、入射光頻譜一定光通量、入射光頻譜一定光電倍增管的特點光電倍增管的特點n光電倍增

7、管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)光電倍增管的靈敏度高，頻率特性好，頻率可達(dá)10108 8HzHz或或更高，但它需要高壓直流電源，價貴、體積大，經(jīng)不起機更高，但它需要高壓直流電源，價貴、體積大，經(jīng)不起機械沖擊。此外，由于其靈敏度很高，所以不能承受強光照械沖擊。此外，由于其靈敏度很高，所以不能承受強光照射，否則將會導(dǎo)致光電倍增管損壞射，否則將會導(dǎo)致光電倍增管損壞n使用時，注意暗電流的影響使用時，注意暗電流的影響 實物實物夜視鏡夜視鏡單光子計數(shù)單光子計數(shù) 光子計數(shù)法對于使用光電倍增管探測極微弱光是個有光子計數(shù)法對于使用光電倍增管探測極微弱光是個有效的方法，并在天文光度測量、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光效的方

8、法，并在天文光度測量、化學(xué)發(fā)光和生物發(fā)光等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。等領(lǐng)域有較多應(yīng)用。人眼的敏感度大約為：幾十個光子人眼的敏感度大約為：幾十個光子/ /秒秒( (每個感光點）每個感光點）時間時間離散的輸出脈沖（單光子事件）離散的輸出脈沖（單光子事件）內(nèi)光電效應(yīng)及相應(yīng)的器件內(nèi)光電效應(yīng)及相應(yīng)的器件EIRLRG光敏電阻光敏電阻 光敏電阻的阻值隨光照度的增加而減小，當(dāng)光照停止，其阻光敏電阻的阻值隨光照度的增加而減小，當(dāng)光照停止，其阻值又恢復(fù)原值。光敏電阻的種類很多，最常見的是硫化鎘值又恢復(fù)原值。光敏電阻的種類很多，最常見的是硫化鎘和硒化鎘制成的器件。和硒化鎘制成的器件。n光敏電阻的暗電流是指電壓一定、無光照的情

9、況下通過電光敏電阻的暗電流是指電壓一定、無光照的情況下通過電阻的電流。阻的電流。 光敏電阻的暗電流一般也是隨溫度的升高而增大。光敏電阻的暗電流一般也是隨溫度的升高而增大。 光敏二極管光敏二極管光譜特性光譜特性入射光的波長縮小時，相對靈敏度也下降，這是由于光子入射光的波長縮小時，相對靈敏度也下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的在半導(dǎo)體表面附近就被吸收，透入深度小，在表面激發(fā)的電子空穴對不能達(dá)到電子空穴對不能達(dá)到PNPN結(jié)，因而靈敏度下降。結(jié)，因而靈敏度下降。 硅和鍺光敏二極管硅和鍺光敏二極管( (晶體晶體) )管的光譜特性曲線管的光譜特性曲線相對靈敏度相對靈敏度(

10、%)(%)4 8 10 12 14 16 18 20 2220 40 60 80 100硅硅鍺鍺波長波長( X100 nm)頻率特性頻率特性光敏管的頻率響應(yīng)是指用具有光敏管的頻率響應(yīng)是指用具有一定頻率的調(diào)制光照射時，光一定頻率的調(diào)制光照射時，光敏管輸出的光電流敏管輸出的光電流( (或負(fù)載上的或負(fù)載上的電壓）隨頻率的變化關(guān)系。電壓）隨頻率的變化關(guān)系。 光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物光敏管的頻率響應(yīng)與本身的物理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及理結(jié)構(gòu)、工作狀態(tài)、負(fù)載以及入射光波長等因素有關(guān)。入射光波長等因素有關(guān)。對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率對于鍺管，入射光的調(diào)制頻率要求在要求在5kHz5kHz以下，硅管的頻率以下

11、，硅管的頻率響應(yīng)要比鍺管好，實驗證明響應(yīng)要比鍺管好，實驗證明: :光敏晶體管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系光敏晶體管的截止頻率和它的基區(qū)厚度成反比關(guān)系要截止頻率高，基區(qū)就要薄但這要使光電靈敏度下降要截止頻率高，基區(qū)就要薄但這要使光電靈敏度下降0 100 500 1000 5000 1000010080604020(H)硅光敏晶體管頻率響應(yīng)曲線硅光敏晶體管頻率響應(yīng)曲線相對靈敏度相對靈敏度暗電流的溫度特性暗電流的溫度特性Exponential increases in the thermally excited electron-hole pairs resulting in increasi

12、ng dark current. This leakage doubles for each 8 to 10 deg C temperature increase.1000100101Temperature,Deg CDark Current vs TemperatureRelativeDarkCurrent0102030405060708090100光照特性光照特性 光伏應(yīng)用光伏應(yīng)用光照特性中,開路電壓與照度的關(guān)系呈現(xiàn)嚴(yán)重的非線性,因此不能用來測量光強等線性應(yīng)用的場合;而短路電流卻有非常好的線性,因此常被采用.0.30.20.10200 4000.60.40.20光生電流（光生電流（mA）照

13、度（照度（lx）光生電壓（光生電壓（V）開路電壓開路電壓短路電流短路電流應(yīng)用電路應(yīng)用電路1 光電應(yīng)用光電應(yīng)用電壓輸出電壓輸出速度較慢非線性大eoRLPl lBasic Photovoltaic Circuit零偏應(yīng)用零偏應(yīng)用 電流輸出電流輸出速度慢線性很好Zero Bias OperationPl l-+RfVoutARecommended Zero Bias CircuitLight PulseVout00反向偏置提高速度反向偏置提高速度( (減小結(jié)電容減小結(jié)電容) )bias voltage 偏置電壓偏置電壓10001001010 3 6 9 12 15 18 21 24 27 30pF5

14、0 sq mm10 sq mm5 sq mm1 sq mmBias Voltagesq mm=平方毫米平方毫米反偏時的光照特性反偏時的光照特性-U(伏特)50 40 30 20 10 020406080100120-I(uA)20040060080010001200lx光光照照特特性性The output of photodiode when reverse-biased is extremely linear with respect to the illuminance applied to the photodiode junction, as shown in the graph.10

15、-5 10-4 10-3 10-2 10-1 IlluminanceW/cm210-310-410-510-610-7 OutputCurrent AOSD5-0R1=100kW WWVr=20V5V1V0V光導(dǎo)應(yīng)用光導(dǎo)應(yīng)用Photoconductive Operation反向偏置反向偏置速度較快速度較快OptionalOptional可選的；可選的；EP NRL-+Pl l00RfVout(Inverted)Light PulseVoutAOptionalV+ BiasPositive Bias Circuit光敏二極管的等效電路光敏二極管的等效電路Is Il In CdRsRdRleoIs

16、 =signal current Rd =diode parallel shunt resistanceIl =leakage current Rs =diode series resistanceIn =noise current Rl =load resistanceCd =diode junction capacity eo =Is+Il+InRl+RdRl+Rd+Rs光敏三極管光敏三極管NPN結(jié)構(gòu)簡化模型基本電路光光npnnpn型光敏晶體管簡化模型和基本電路型光敏晶體管簡化模型和基本電路bce+-+c-c光電池光電池的符號和連接電路光電池的符號和連接電路BRLIU光電池光電池硅光電池的

17、光譜特性硅光電池的光譜特性硅光電池硅光電池的光譜響應(yīng)峰值的光譜響應(yīng)峰值在在800nm800nm附近，附近，光譜響應(yīng)波光譜響應(yīng)波長范圍從長范圍從400400一一1200nm1200nm硒光電池硒光電池的光譜響應(yīng)峰值的光譜響應(yīng)峰值在在500nm500nm附近，范圍附近，范圍在在380380一一750nm750nm范圍。范圍。0 400 600 800 1000 120010080604020硒硒 硅硅相對靈敏度相對靈敏度入射光線波長入射光線波長 nm硅光電池的光照特性硅光電池的光照特性開路電壓開路電壓 很嚴(yán)重的非線性很嚴(yán)重的非線性短路電流短路電流 很好的線性很好的線性0.30.20.10200 4

18、000.60.40.20光生電流（光生電流（mAmA）照度（照度（lxlx）光生電壓（光生電壓（V V）開路電壓開路電壓短路電流短路電流光電池的頻率特性光電池的頻率特性 1 2 3 4 5 ( f /kHz)100806040200I/21 1 1硒光電池硒光電池；2 2硅光電池硅光電池光電池的頻率響應(yīng)光電池的頻率響應(yīng)光電池作為測量、計算、接收器件時，常用調(diào)制光作為輸入。 光電池的頻率響應(yīng)就是指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系。由圖可知，硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池則較差。因此，在高速計數(shù)的光電轉(zhuǎn)換中一般采用硅光電池光電池受溫度的影響光電池受溫度的影響光電池的溫度特性是指開光電池的溫度

19、特性是指開路電壓和短路電流隨溫度路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。變化的關(guān)系。 由于溫度對光電池的工作由于溫度對光電池的工作有很大影響，因此當(dāng)它作有很大影響，因此當(dāng)它作為測量器件應(yīng)用時，最好為測量器件應(yīng)用時，最好能保證溫度恒定或采取溫能保證溫度恒定或采取溫度補償措施。度補償措施。開路電壓隨溫度上升而下降很快開路電壓隨溫度上升而下降很快 短路電流隨溫度的變化卻是緩慢增加的短路電流隨溫度的變化卻是緩慢增加的6050403020106005004003002001000 30 60 90T/Uoc/mVIsc/mA光電池的穩(wěn)定性光電池的穩(wěn)定性當(dāng)光電池密封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電當(dāng)光電池密

20、封良好、電極引線可靠、應(yīng)用合理時，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長。池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的，使用壽命很長。 硅光電池的性硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定。能比硒光電池更穩(wěn)定。 光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有光電池的性能和壽命除了與光電池的材料及制造工藝有關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關(guān)系。關(guān)外，在很大程度上還與使用環(huán)境條件有密切的關(guān)系。如在高溫和強光照射下，會使光電池的性能變壞，而且如在高溫和強光照射下，會使光電池的性能變壞，而且降低使用壽命，這在使用中要特別注意降低使用壽命，這在使用中要特別注意在電路中的使用在電路中的使用Basic Photovoltaic

21、CircuitBRLIU光電池光電池在電路中的使用在電路中的使用-+RfVoutARecommended Zero Bias CircuitLight PulseVout00輸出電壓計算式輸出電壓計算式foutRiVI 為電池產(chǎn)生的短路電流；為電池產(chǎn)生的短路電流；R Rf f 為反饋電阻阻值為反饋電阻阻值。 復(fù)合光電傳感器復(fù)合光電傳感器 光電組件光電組件遮斷器遮斷器 光隔離器光隔離器 PSD PSD CCD CCD遮斷器遮斷器由一個光發(fā)射器、一個光接收器等由一個光發(fā)射器、一個光接收器等組成。當(dāng)中間有障礙物的時候，光組成。當(dāng)中間有障礙物的時候，光被折斷；當(dāng)障礙物拿掉的時候，光被折斷；當(dāng)障礙物拿掉

22、的時候，光導(dǎo)通。因此它可用來檢測物體的有導(dǎo)通。因此它可用來檢測物體的有無，也可用來對移動物體進(jìn)行限位。無，也可用來對移動物體進(jìn)行限位。打印機、掃描儀、復(fù)印機等中常用打印機、掃描儀、復(fù)印機等中常用的一種器件的一種器件發(fā)射發(fā)射接收接收光電耦合器光電耦合器 Optical Coupler1.1.發(fā)光管芯發(fā)光管芯 2.2.光敏管芯光敏管芯 3.3.透明樹脂透明樹脂 4.4.電極引線電極引線 5.5.陶瓷或玻璃管座陶瓷或玻璃管座 6.6.黑色樹脂黑色樹脂(a)(b)(c)光電隔離器的主要參數(shù)光電隔離器的主要參數(shù)n隔離電壓隔離電壓：指輸出端與輸入端之間可以耐受的安全電指輸出端與輸入端之間可以耐受的安全電壓

23、，當(dāng)大于這個值的時候，有可能產(chǎn)生電擊穿壓，當(dāng)大于這個值的時候，有可能產(chǎn)生電擊穿n輸入輸出間的絕緣電阻輸入輸出間的絕緣電阻 可以想象這個電阻很大，它比可以想象這個電阻很大，它比普通小功率變壓器的初級、次級之間的電阻大得多普通小功率變壓器的初級、次級之間的電阻大得多n輸入與輸出間的耦合電容輸入與輸出間的耦合電容: 輸入電路與輸出電路之間輸入電路與輸出電路之間存在分布電容，它會使交流共模共地信號從輸入端耦存在分布電容，它會使交流共模共地信號從輸入端耦合到輸出端，從而不能徹底、干凈地隔離輸入與輸出。合到輸出端，從而不能徹底、干凈地隔離輸入與輸出。這個值一般為幾個這個值一般為幾個pF。n速度速度: 傳輸

24、信號的速度傳輸信號的速度，可以用脈沖上升時間和下降時可以用脈沖上升時間和下降時間表示間表示光隔離器的用途光隔離器的用途光電耦合器既可傳輸信號，又能實現(xiàn)電路的隔離。其光電耦合器既可傳輸信號，又能實現(xiàn)電路的隔離。其輸入電路和輸出電路在電氣上完全沒有關(guān)聯(lián)，僅僅通輸入電路和輸出電路在電氣上完全沒有關(guān)聯(lián)，僅僅通過光的耦合才把彼此聯(lián)系在一起過光的耦合才把彼此聯(lián)系在一起。輸入輸入輸出輸出輸入輸入輸出輸出光電耦合器的應(yīng)用光電耦合器的應(yīng)用使用低壓脈沖信號控制使用低壓脈沖信號控制電機電機( (步進(jìn)電機、電磁鐵、電磁閥等步進(jìn)電機、電磁鐵、電磁閥等) ) M5 5V V+28+28V V模擬光電隔離器模擬光電隔離器通

25、過反饋改善線性通過反饋改善線性模擬光電隔離器模擬光電隔離器通過通過AD-AD-調(diào)制調(diào)制- -DADA的辦法傳輸?shù)霓k法傳輸HCPL7800HCPL7800 PSDPosition Sensitive Detector（or Photo Sensing Device）PSD1 4PSD1 4象限檢測元件象限檢測元件4 Quadrant DiodeA BC Dquadrantdetectorincidentbeam spotxy Quadrant Diode 位置檢測計算公式位置檢測計算公式a、b、c、d 為個區(qū)塊的電流值為個區(qū)塊的電流值abcdA BC Dquadrantdetectorxy()(

26、)()()bdacxabcdabcdyabcdINCIDIENTINCIDIENTLIGHTLIGHTPSD2 PSD2 位置傳感器位置傳感器nLateral Effect (橫向效應(yīng)橫向效應(yīng))Incident light: Incident light: 入射光入射光XBXAOUTPUT IX1ELECTRODE X1ELECTRODE X2OUTPUT IX2PHOTOCURRENTCOMMONELECTRODERESISTANCE LENGTH LXPLAYERILATERNLAYER原原 理理 (續(xù)續(xù))Io光點產(chǎn)生電流光點產(chǎn)生電流電阻與路線長電阻與路線長度成正比度成正比PINk2I20

27、 1PP1I1k1k0k0IgesIgesk2k2I2I1k1k1Rq2Rq1Fe原原 理理( (續(xù)續(xù)) )IoI1I2xLxRk x1221LLI:I = R :R =(-x):(+x)222121I -I2x=I +IL線性線性PSDPSD的光點位置求解的光點位置求解X1X2Lxx xACTIVE AREAX2X1X1X2I-I2x=I+ILx面形面形PSD的光點位置求解的光點位置求解yxLxY2Y1X1X2LYACTIVE AREAX2X1X1X2Y2Y1Y1Y2YI-I2x=I+ILxI-I2y=I+ILCCD Charge Coupled Device Charge Coupled

28、Device 電荷耦合器件電荷耦合器件 CCDCCD圖像傳感器優(yōu)良的性能圖像傳感器優(yōu)良的性能n體積小，結(jié)構(gòu)緊湊體積小，結(jié)構(gòu)緊湊n分辨率高。分辨率高。FordFord公司近期研制出公司近期研制出4096409640964096CCD,CCD,像元尺寸像元尺寸7.57.5m mm m。由于微細(xì)加工技術(shù)和工藝的進(jìn)展，目前由于微細(xì)加工技術(shù)和工藝的進(jìn)展，目前CCDCCD像元中像元中心距已做到（心距已做到（7 78 8）m mm,m,做到做到4 4m mm m也是完全可能的。也是完全可能的。n高靈敏度，低噪音。其量子效率達(dá)高靈敏度，低噪音。其量子效率達(dá)90%90%以上，電子轉(zhuǎn)移效以上，電子轉(zhuǎn)移效率幾乎達(dá)率

29、幾乎達(dá)100%100%，低溫下工作幾乎無暗電流。帶圖像增強器，低溫下工作幾乎無暗電流。帶圖像增強器的的CCD(ICCD)CCD(ICCD)可在可在1010-6-6lxlx下工作。光動態(tài)范圍可達(dá)下工作。光動態(tài)范圍可達(dá)1010個數(shù)個數(shù)量級。量級。n光譜范圍寬；功耗小，僅幾十毫瓦；幾何尺寸穩(wěn)定，耐過光譜范圍寬；功耗小，僅幾十毫瓦；幾何尺寸穩(wěn)定，耐過度曝光。度曝光。CCD應(yīng)用應(yīng)用 尺寸測量尺寸測量 np1)-fa(=npM1=Lf f所用透鏡焦距；所用透鏡焦距； a a物距；物距；b b像距；像距；M M倍率；倍率；n n線陣傳感器的像素數(shù)；線陣傳感器的像素數(shù)；p p像素間距。像素間距。 熱軋板寬自動

30、測量原理熱軋板寬自動測量原理 (a)(a)基本構(gòu)成基本構(gòu)成(b)(b)原理原理CCD線型傳感器線型傳感器dLLLmLxLL= Lm + LL + Lx三角法測量的原理三角法測量的原理SMRSMR測量范圍起始點；測量范圍起始點；MMRMMR測量范圍中間點；測量范圍中間點；EMREMR測量范圍終止點；測量范圍終止點；FSOFSO全量程輸出全量程輸出( - )( + )GrundabstandMeBbereichMeBbereichLaser-diodeCCD光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用模擬應(yīng)用模擬應(yīng)用(常用于光強測量等常用于光強測量等)開關(guān)式應(yīng)用（常用于通訊）開關(guān)式應(yīng)用（常用于通訊）光電池在電

31、影膠片中的應(yīng)用光電池在電影膠片中的應(yīng)用我國的很多膠片使用光記錄聲音，還原使用光電池。我國的很多膠片使用光記錄聲音，還原使用光電池。Older and independently produced films have two types of soundtracks: optical and magnetic. (Hollywood now uses digital tracks in addition to optical ones.) Optical tracks are read by projecting a narrow beam of light through the film,

32、 causing a sensor to translate the varying intensity of the light into electrical signals that are further converted to sound. 光記錄的聲道光記錄的聲道from The Magic of Film Sound in Audio 1999/05 位置對中位置對中光電式邊緣位置傳感器原理光電式邊緣位置傳感器原理1 1白織燈白織燈2 2、7 7雙凸透鏡雙凸透鏡3 3半透反射鏡半透反射鏡4 4平凸透鏡平凸透鏡5 5帶材帶材6 6角矩陣反射鏡角矩陣反射鏡8 8光敏晶體管光敏晶體管

33、123456+l -l0樣樣 圖圖轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量測測速速在通訊中的應(yīng)用在通訊中的應(yīng)用由于光器件具有優(yōu)良的高頻特性，可以傳輸很高頻率的由于光器件具有優(yōu)良的高頻特性，可以傳輸很高頻率的信號，因此在光通訊中占據(jù)很重要的位置。信號，因此在光通訊中占據(jù)很重要的位置。家用紅外遙控器利用了紅外光通訊。家用紅外遙控器利用了紅外光通訊。煙霧檢測煙霧檢測反射式煙霧報警器反射式煙霧報警器在沒有煙霧時，由在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)有涂直，煙霧室內(nèi)有涂有黑色吸光材料，有黑色吸光材料，所以紅外所以紅外LEDLED發(fā)出的發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。外光敏三極管。當(dāng)

34、煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射子對紅外光產(chǎn)生漫反射( (圖中只畫出幾圖中只畫出幾個例子的反射示意圖個例子的反射示意圖) )，使部分紅外光，使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。自動水龍頭自動水龍頭光幕光幕木材外形截面積檢測木材外形截面積檢測光電碼盤光電碼盤 角編碼器也稱為碼盤，是一種把轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號的傳感角編碼器也稱為碼盤，是一種把轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器，按其轉(zhuǎn)換方式可分為接觸式編碼器、光電式編碼器和器，按其轉(zhuǎn)換方式可分為接觸式編碼器、光電式編碼器和磁電式編碼器。磁電式編碼器。光電式碼盤的工作原理光電式碼

35、盤的工作原理 1 1 光源光源2 2 透鏡透鏡3 3 碼盤碼盤4 4 狹縫狹縫5 5 光電元件光電元件讀取光電碼盤信號的方式讀取光電碼盤信號的方式光電碼盤的基本類別光電碼盤的基本類別n 絕對編碼碼盤絕對編碼碼盤n 增量式編碼碼盤增量式編碼碼盤絕對編碼碼盤絕對編碼碼盤絕對式碼盤具有固定的零點，輸出的代碼是轉(zhuǎn)角的單值函絕對式碼盤具有固定的零點，輸出的代碼是轉(zhuǎn)角的單值函數(shù)，可靠性高，抗干擾性強，掉電后再啟動無須重新標(biāo)定，數(shù)，可靠性高，抗干擾性強，掉電后再啟動無須重新標(biāo)定，并且能顯示轉(zhuǎn)角的絕對位置及沒有累積誤差，所以被廣泛并且能顯示轉(zhuǎn)角的絕對位置及沒有累積誤差，所以被廣泛使用。這種碼盤的角度分辨率決定

36、于碼道數(shù)使用。這種碼盤的角度分辨率決定于碼道數(shù)N N。N N越大，所越大，所分的扇區(qū)數(shù)分的扇區(qū)數(shù)2 2N N就越多，分辨率也就越高。就越多，分辨率也就越高。編碼方式 n角編碼器的核心就是碼盤。角編碼器的核心就是碼盤。n碼盤常用的編碼方式：碼盤常用的編碼方式：n 二進(jìn)制碼二進(jìn)制碼n 十進(jìn)制嗎十進(jìn)制嗎n 循環(huán)格雷碼循環(huán)格雷碼 二進(jìn)制編碼方式二進(jìn)制編碼方式(4(4位實例位實例) ) 問題：容易出現(xiàn)錯碼A：1 0 0 1B：0 1 0 1大錯誤大錯誤(中間留空白中間留空白)A道B道C道D道格格雷雷碼：碼：每每次次只只允允許許一一個個位位置置跳跳變變格雷碼格雷碼由于編碼連續(xù)，因此改進(jìn)了性能，由于編碼連續(xù)

37、，因此改進(jìn)了性能，不再會出現(xiàn)編碼隔級跳動的問題。不再會出現(xiàn)編碼隔級跳動的問題。A: 0 0B: 1 0只有兩種狀態(tài)只有兩種狀態(tài)(中間留空白中間留空白)增量式碼盤增量式碼盤 碼碼盤盤的的辨辨向向整圈整圈標(biāo)示標(biāo)示絕對式與增量式的對比絕對式與增量式的對比n絕對式不怕掉電，在任何時候都能恢復(fù)絕對式不怕掉電，在任何時候都能恢復(fù)n增量式怕掉電，一旦掉電會產(chǎn)生很大錯誤增量式怕掉電，一旦掉電會產(chǎn)生很大錯誤n絕對式需要較多的連線絕對式需要較多的連線n增量式連線很少增量式連線很少帶碼盤的直流電機帶碼盤的直流電機碼盤部分碼盤部分電機部分電機部分碼盤實物碼盤實物透明碼盤透明碼盤碼碼盤盤實實物物 鼠標(biāo)里的碼盤鼠標(biāo)里的碼

38、盤鼠標(biāo)里的鼠標(biāo)里的光電傳感器光電傳感器光電接收管光電接收管(2(2單元合成單元合成) )光電發(fā)射管光電發(fā)射管碼盤碼盤鼠標(biāo)鼠標(biāo)光柵光柵透射式計量光柵的結(jié)構(gòu)原理透射式計量光柵的結(jié)構(gòu)原理 光柵莫爾條紋的形成光柵莫爾條紋的形成 2 sin2WWB光源光源透鏡透鏡標(biāo)尺光柵標(biāo)尺光柵指示光柵指示光柵光電元件光電元件WBaa摩爾條紋摩爾條紋光光柵柵的的應(yīng)應(yīng)用用容柵的使用容柵的使用容容 柵柵磁磁 柵柵光纖傳感器光纖傳感器 光纖傳感器是光纖傳感器是7070年代發(fā)展起來的新型傳感器，和前面所年代發(fā)展起來的新型傳感器，和前面所介紹的傳統(tǒng)傳感器相比，有著重大的差別。介紹的傳統(tǒng)傳感器相比，有著重大的差別。 光纖本來用于傳

39、輸光信號。在傳輸光信號的過程中，由光纖本來用于傳輸光信號。在傳輸光信號的過程中，由于光纖物理性質(zhì)或位置的改變，會引起輸出端光信號的于光纖物理性質(zhì)或位置的改變，會引起輸出端光信號的性質(zhì)的改變，從而給我們提供了一種通過輸出端光信號性質(zhì)的改變，從而給我們提供了一種通過輸出端光信號來判斷某些引起這些變化的物理量。來判斷某些引起這些變化的物理量。 光纖不是一種直接的電量變換元件，只是一種中間變換光纖不是一種直接的電量變換元件，只是一種中間變換元件，與用于壓力測量中的膜片的功能類似。元件，與用于壓力測量中的膜片的功能類似。光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理光纖的結(jié)構(gòu)和傳光原理 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu) 光在光纖的傳播光在光纖的傳播 2221