第7章光電型傳感器-1-光敏-色敏20101103

1、第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器 第7章 光電式傳感器2光光電電效效應(yīng)應(yīng)和光和光電電器件器件本章內(nèi)容光光電編碼電編碼器器光光電電效效應(yīng)應(yīng)和光和光電電器件器件7.17.17.27.2電電荷耦合器件（荷耦合器件（CCDCCD）7.37.3光光纖傳纖傳感器感器7.47.4光光柵傳柵傳感器感器7.57.5第7章 光電式傳感器37.17.1光光電電效效應(yīng)應(yīng)和光和光電電器件器件第7章 光電式傳感器指紋鎖指紋鎖指紋門禁指紋門禁光光 電電 鼠鼠 標(biāo)標(biāo)第7章 光電式傳感器光電開關(guān)第7章 光電式傳感器光柵光柵光纖光纖光電管光電管光敏電阻光敏電阻第7章 光電式傳感器第三章 信號的獲取第四節(jié) 光電型傳感器 光

2、敏-色敏式傳感器(1) (1) 零件的識別與定位零件的識別與定位一、應(yīng)用領(lǐng)域：一、應(yīng)用領(lǐng)域：工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事等工業(yè)、農(nóng)業(yè)、航天、軍事等1 1、工業(yè)檢測、工業(yè)檢測例：雙目立體視覺檢測系統(tǒng)例：雙目立體視覺檢測系統(tǒng) 簡單視覺的機(jī)器人系統(tǒng)簡單視覺的機(jī)器人系統(tǒng) 自動連接引線、對準(zhǔn)自動連接引線、對準(zhǔn)芯片和封裝；芯片和封裝； 自動安裝部件，自動焊自動安裝部件，自動焊接或自動切割加工、自接或自動切割加工、自動澆注系統(tǒng)等。動澆注系統(tǒng)等。 光電檢測系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域第三章 信號的獲取第四節(jié) 光電型傳感器 光敏-色敏式傳感器(2) (2) 零件尺寸的在線測量零件尺寸的在線測量(3) (3) 零件外觀及內(nèi)部缺陷檢測

3、零件外觀及內(nèi)部缺陷檢測芯片定位芯片定位芯片管腳檢測芯片管腳檢測鋼板厚度的在線測量鋼板厚度的在線測量 木料檢測原理木料檢測原理例：木料檢測：缺陷、體積例：木料檢測：缺陷、體積 (3) (3) 產(chǎn)品分類、分組產(chǎn)品分類、分組(5) (5) 產(chǎn)品標(biāo)識、編碼識別產(chǎn)品標(biāo)識、編碼識別蘋果分級、分色、配色蘋果分級、分色、配色商品條碼、印鑒、標(biāo)簽商品條碼、印鑒、標(biāo)簽第7章 光電式傳感器“手手-眼眼”定位：定位： 兩個攝像機(jī)兩個攝像機(jī) - 兩幅平面圖像兩幅平面圖像 - 三維場景信息三維場景信息 用于：目標(biāo)識別、道路識別、障礙物判斷、主動導(dǎo)航、自動視覺導(dǎo)航用于：目標(biāo)識別、道路識別、障礙物判斷、主動導(dǎo)航、自動視覺導(dǎo)航

4、 無人駕駛汽車、無人駕駛飛機(jī)、無人戰(zhàn)車、探測機(jī)器人無人駕駛汽車、無人駕駛飛機(jī)、無人戰(zhàn)車、探測機(jī)器人實(shí)例：美國實(shí)例：美國Sojourner系列和系列和Rocky系列火星探測移動機(jī)器人系列火星探測移動機(jī)器人2 2、機(jī)器人導(dǎo)航、機(jī)器人導(dǎo)航第7章 光電式傳感器“機(jī)遇機(jī)遇”號火星車拍攝號火星車拍攝火星土壤的顯微照片火星土壤的顯微照片 “勇氣勇氣”號火星車號火星車發(fā)回的彩色照片發(fā)回的彩色照片美國勇氣號和機(jī)遇號火星探測移動機(jī)器人美國勇氣號和機(jī)遇號火星探測移動機(jī)器人第7章 光電式傳感器3、生物醫(yī)學(xué)圖像分析、生物醫(yī)學(xué)圖像分析（1）醫(yī)學(xué)臨床診斷）醫(yī)學(xué)臨床診斷 ： X射線、射線、B超、超、CT、核磁共振（、核磁共振

5、（MRI）醫(yī)學(xué)影像融合分析醫(yī)學(xué)影像融合分析 細(xì)胞個數(shù)統(tǒng)計細(xì)胞個數(shù)統(tǒng)計 CT圖像圖像 自動檢測：染色體切片、癌細(xì)胞切片、超聲波圖象自動檢測：染色體切片、癌細(xì)胞切片、超聲波圖象第7章 光電式傳感器三維人體掃描三維人體掃描第7章 光電式傳感器（2）生物圖像分析：形狀、組織切片、染色體配對、細(xì)菌、病毒、）生物圖像分析：形狀、組織切片、染色體配對、細(xì)菌、病毒、 病原體外形尺寸檢測、顏色識別、表面損傷檢測以及組織分析病原體外形尺寸檢測、顏色識別、表面損傷檢測以及組織分析葉片細(xì)胞顯微放大圖片葉片細(xì)胞顯微放大圖片 轉(zhuǎn)基因大豆孢子轉(zhuǎn)基因大豆孢子例：水果分類；發(fā)芽土豆；雜草識別例：水果分類；發(fā)芽土豆；雜草識別 第

6、7章 光電式傳感器4 4、遙感圖像分析：、遙感圖像分析：衛(wèi)星遙感圖像衛(wèi)星遙感圖像 - 氣象衛(wèi)星（紅外成象氣象衛(wèi)星（紅外成象 - 云圖云圖 - 氣象狀況）氣象狀況） 資源衛(wèi)星（多光譜成象資源衛(wèi)星（多光譜成象 - 地質(zhì)、礦藏、森林、災(zāi)害）地質(zhì)、礦藏、森林、災(zāi)害） 海洋衛(wèi)星（合成孔徑雷達(dá)成象海洋衛(wèi)星（合成孔徑雷達(dá)成象 - 海洋、海浪、海灘）海洋、海浪、海灘） 航空攝影圖像航空攝影圖像 - （多目成象（多目成象 - 大地測量、測繪）大地測量、測繪）交通交通 - 車輛識別、牌照識別、車型判斷、車輛監(jiān)視、交通流量檢測車輛識別、牌照識別、車型判斷、車輛監(jiān)視、交通流量檢測安全安全 - 指紋判別與匹配、面孔與眼

7、底識別、安全檢查（飛機(jī)、海關(guān)）指紋判別與匹配、面孔與眼底識別、安全檢查（飛機(jī)、海關(guān)）監(jiān)視監(jiān)視 - 超市、商店防盜、銀行監(jiān)控，停車場、電梯閉路電視超市、商店防盜、銀行監(jiān)控，停車場、電梯閉路電視6、軍事與國防：軍事與國防：5、監(jiān)控、安防、交通管理：監(jiān)控、安防、交通管理：超低空雷達(dá)、超視距雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈導(dǎo)航、地形匹配、超低空雷達(dá)、超視距雷達(dá)、導(dǎo)彈制導(dǎo)、導(dǎo)彈導(dǎo)航、地形匹配、單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)場遙測、夜視儀、聲納成象單兵作戰(zhàn)系統(tǒng)、戰(zhàn)場遙測、夜視儀、聲納成象7、辦公與家電：辦公與家電：辦公設(shè)備辦公設(shè)備 - 數(shù)碼復(fù)印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)、繪圖儀數(shù)碼復(fù)印機(jī)、掃描儀、傳真機(jī)、繪圖儀家用電器家用電器 - 數(shù)碼攝

8、像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、可視電話、可視門鈴數(shù)碼攝像機(jī)、數(shù)碼照相機(jī)、可視電話、可視門鈴第7章 光電式傳感器二、視覺系統(tǒng)的一般構(gòu)成二、視覺系統(tǒng)的一般構(gòu)成光源圖像卡場景攝像機(jī)計算機(jī)典型視覺系統(tǒng)典型視覺系統(tǒng)工作原理：工作原理： 光光 敏感元件敏感元件 電電 （光電元件）（光電元件） 光源光源光通路光通路光電元件光電元件測量電路測量電路光光光光電電電電yx1x2傳感器：傳感器：第7章 光電式傳感器單目視覺：一個攝像組件（鏡頭單目視覺：一個攝像組件（鏡頭+攝像機(jī)）攝像機(jī)）多目視覺：多個攝像組件（鏡頭多目視覺：多個攝像組件（鏡頭+ +攝像機(jī)）攝像機(jī)）圖像采集部分、圖像處理部分、通信和圖像采集部分、圖像處理部分、通

9、信和I/O部分以及輸出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)部分以及輸出和執(zhí)行機(jī)構(gòu)圖像采集系統(tǒng)：可視化圖像或特征圖像采集系統(tǒng)：可視化圖像或特征數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)場景場景鏡頭鏡頭光源光源攝像機(jī)攝像機(jī)圖像存儲體圖像存儲體計算機(jī)計算機(jī)輸出輸出鏡頭鏡頭攝像機(jī)攝像機(jī)鏡頭鏡頭攝像機(jī)攝像機(jī)控制控制電纜電纜視覺系統(tǒng)流程圖視覺系統(tǒng)流程圖圖像質(zhì)量好圖像質(zhì)量好 圖像處理簡單、結(jié)果理想圖像處理簡單、結(jié)果理想圖像質(zhì)量差圖像質(zhì)量差 圖象處理麻煩、結(jié)果不理想圖象處理麻煩、結(jié)果不理想由由光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等構(gòu)成光源、鏡頭、攝像機(jī)、圖像采集卡等構(gòu)成第7章 光電式傳感器1、眼睛的結(jié)構(gòu)及成像、眼睛的結(jié)構(gòu)及成像人類視覺人類視覺 眼睛眼睛計算機(jī)視覺計算機(jī)視覺

10、圖像輸入系統(tǒng)圖像輸入系統(tǒng)晶狀體晶狀體 鏡頭；視網(wǎng)膜鏡頭；視網(wǎng)膜 像敏面；像敏面；遠(yuǎn)物體遠(yuǎn)物體 晶狀體扁平晶狀體扁平 屈光能力小屈光能力小 距離大（最大距離大（最大17mm)近物體近物體 晶狀體厚晶狀體厚 屈光能力大屈光能力大 距離?。ㄗ钚【嚯x小（最小14mm)物體第7章 光電式傳感器光譜光譜 - 紫外紫外 可見光可見光 紅外紅外2 2、電磁波譜、電磁波譜可見光譜可見光譜 第7章 光電式傳感器光電式傳感器通常能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號。第7章 光電式傳感器 光信號光信號光電傳感器光電傳感器電信號電信號第7章 光電式傳感器光電式傳感器 將光量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器光電器

11、件的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng) 第7章 光電式傳感器23 19051905年德年德國國物物理理學(xué)學(xué)家家愛愛因斯坦用因斯坦用光量子光量子學(xué)說學(xué)說解解釋釋了了光光電發(fā)電發(fā)射效射效應(yīng)應(yīng)，并并為為此而此而獲獲得得19211921年年諾貝諾貝爾物理爾物理學(xué)獎學(xué)獎。 第7章 光電式傳感器1.光電效應(yīng)及光電器件 (1)外光電效應(yīng) 光線作用下，物質(zhì)內(nèi)的電子逸出物體表面而向外發(fā)射的現(xiàn)象 外光電效應(yīng)根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個光子的能量只能給一個電子電子從物質(zhì)表面逸出，光子能量必須大于物質(zhì)表面的逸出功 A0逸出表面的電子具有動能 Ek： 20012kEmvhvA=-式中： m電子質(zhì)量； v0 電子逸出時的初速度； h普朗克常數(shù)

12、，h=6.2610-34js； v 光的頻率。 第7章 光電式傳感器光電子逸出時的初始動能 Ek與光的頻率有關(guān) 頻率高，則動能大逸出功因材料不同而異材料都有一個頻率限 入射光的頻率低于頻率限，不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)出電子 入射光的頻率高于頻率限，光線微弱也會有光電子發(fā)射 該頻率限稱為“”20012kEmvhvA=-第7章 光電式傳感器 基于外光電效應(yīng)的光電發(fā)射型器件有： 光電管 光電倍增管光電管有： 真空光電管 充氣光電管在一個真空的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極： 光電陰極 光電陽極第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器28 紫外管外形 當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束

13、縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線紫外線第7章 光電式傳感器29光光電電管所管所產(chǎn)產(chǎn)生的光生的光電電流很小流很小光光電電倍增管倍增管圖 7.1.2 光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理可以提高可以提高靈靈敏度敏度設(shè)設(shè)每每極極的倍增率的倍增率為為 若有若有n n級級，則則光光電電倍增倍增極極的光的光電電流倍增率流倍增率將為將為n光光電電倍增管倍增管第7章 光電式傳感器光電陰極通常采用逸出功小的光敏材料 如：銫（Cs）光線照射到光敏材料上便有電子逸出逸出電子被具有正電位的陽極所吸引 在光電管內(nèi)形成空間電子流 在外電路中產(chǎn)生電流 若外電路串入電阻電阻上的電壓降或電路中的電流大

14、小與光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系 從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換 第7章 光電式傳感器(2) 內(nèi)光電效應(yīng) 受光照的物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化 或產(chǎn)生光電動勢的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)按工作原理分為兩種： 光電導(dǎo)效應(yīng) 光生伏特效應(yīng) 第7章 光電式傳感器(2) 內(nèi)光電效應(yīng) 半導(dǎo)體材料受到光照會產(chǎn)生電子-空穴對，其導(dǎo)電性能增強(qiáng)光線愈強(qiáng)，阻值愈低 光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件有： 光敏電阻(光電導(dǎo)型) 反向工作的光敏二極管 光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型) 光電導(dǎo)效應(yīng) 第7章 光電式傳感器光敏電阻是一種電阻元件優(yōu)點(diǎn)： 靈敏度高 體積小 重量輕 光譜響應(yīng)范圍寬 機(jī)械強(qiáng)度高 耐沖擊和振動 壽命

15、長 第7章 光電式傳感器光敏電阻演示光敏電阻演示 當(dāng)光敏電當(dāng)光敏電阻受到光阻受到光照時，照時，光光生電子生電子空穴對增空穴對增加，加，阻值阻值減小，電減小，電流增大。流增大。暗電流（越小越好）暗電流（越小越好）第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器在黑暗的環(huán)境下，阻值很高受到光照并且光輻射能量足夠大時，光導(dǎo)材料禁帶中的電子受到能量大于其禁帶寬度VEg的光子激發(fā)由價帶越過禁帶而躍遷到導(dǎo)帶，使其導(dǎo)帶的電子和價帶的空穴增加 電阻率變小光敏電阻常用的半導(dǎo)體材料有： 硫化鎘(CdS，VEg2.4eV) 硒化鎘(CdSe，VEg1.8eV) 光敏電阻的工作原理圖第7章 光電式傳感器(2) 內(nèi)光電效應(yīng) 光

16、敏管工作原理與光敏電阻相似 差別在于光照在半導(dǎo)體結(jié)上光敏二極管的P-N結(jié)裝在管的頂部 上面有一個透鏡制成的窗口 以便入射光集中在P-N結(jié)上 光敏管及其符號第7章 光電式傳感器 光敏二極管在電路中反向偏置無光照時，流過的反向電流很小 因?yàn)镻型材料中的電子和N型材料中的空穴很少光照射在P-N結(jié)上時 耗盡區(qū)內(nèi)吸收光子而激發(fā)的電子-空穴對越過結(jié)區(qū)，使少數(shù)載流子濃度大增，通過P-N結(jié)產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)光電流 漂過光敏二極管結(jié)區(qū)的電子-空穴對立刻被重新俘獲，故增益系數(shù)為1特點(diǎn)：體積小，頻率特性好，弱光下靈敏度低 第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器40 光敏二極管的反向偏置接線光敏二極管的反向偏置接線（參考上頁

17、圖）及光電特性演示（參考上頁圖）及光電特性演示 在沒有光照時，由于二極管反向偏置，反向電流（暗電流）很小。 當(dāng)光照增加當(dāng)光照增加時，光電流時，光電流I I與與光照度成正比關(guān)光照度成正比關(guān)系。系。 光敏光敏二極二極管的反向管的反向偏置接法偏置接法UO+光照光照第7章 光電式傳感器 結(jié)構(gòu)與光敏二極管相似有兩個P-N結(jié)基極大多無引出線僅有集電極和發(fā)射極兩端引線第7章 光電式傳感器 當(dāng)集電極上相對于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時，基極-集電極的結(jié)反向偏置當(dāng)光照射在基極-集電極結(jié)上時，就會在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對，從而形成光電流(約幾A)，輸出到三極管的基極集電極電流是光生電流的倍(是三極管的電流放大倍數(shù)

18、)光敏三極管具有放大作用優(yōu)點(diǎn)：電流靈敏度高 NPN型光敏三極管的結(jié)構(gòu)及圖示符號第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。電池等。光電池光電池外形外形光敏面光敏面第7章 光電式傳感器能提供較大電流的大面積光電池能提供較大電流的大面積光電池外形外形第7章 光電式傳感器光電池在動力方面的應(yīng)用光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能賽車太陽能賽車太陽能電動機(jī)模型太陽能電動機(jī)模型太陽能太陽能 硅光電池板硅光

19、電池板第7章 光電式傳感器47光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能發(fā)電太陽能發(fā)電第7章 光電式傳感器48光電池在動力方面的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用第7章 光電式傳感器(2) 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 光生伏特效應(yīng)光生伏特效應(yīng) 半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后 產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的有源器件常用的光生伏特型器件： 以可見光做光源的光電池常用的光電池材料： 硒、硅、鍺 第7章 光電式傳感器 硅光電池也稱硅太陽能電池用單晶硅制成 在N型硅片上用擴(kuò)散法摻入P型雜質(zhì) 形成一個大面積的P-N結(jié) P層做得很薄 使光線能穿透到P-N結(jié)上第7章 光電式傳感器 硅太陽

20、能電池特點(diǎn)： 輕便 簡單 不會產(chǎn)生氣體或熱污染 易于適應(yīng)環(huán)境凡是不能鋪設(shè)電纜的地方都可采用太陽能電池尤其適用于為宇宙飛行器的各種儀表提供電源第7章 光電式傳感器 光電式傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器 工作原理： 首先將被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號變化 然后通過光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號 可用于檢測直接引起光量變化的非電量，如： 光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等 也可用于檢驗(yàn)?zāi)苻D(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量，如： 零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度、物體形狀、工作狀態(tài)識別等 2.光電式傳感器的形式第7章 光電式傳感器 光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多 優(yōu)點(diǎn)： 非接觸、高精

21、度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快 種類： 激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維 光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域應(yīng)用廣泛 光電傳感器按接收狀態(tài)可分為： 模擬式光電傳感器 脈沖式光電傳感器 第7章 光電式傳感器 工作原理是基于光電元件的光電特性 光通量隨被測量而變，光電流就成為被測量的函數(shù) 故又稱為函數(shù)運(yùn)用狀態(tài)型光電傳感器(1)模擬式光電傳感器 第7章 光電式傳感器被測物體位于恒定光源與光電元件之間根據(jù)被測物對光的吸收程度或?qū)ζ渥V線的選擇來測定被測參數(shù)，如： 測量液體、氣體的透明度、混濁度 對氣體進(jìn)行成分分析 測定液體中某種物質(zhì)的含量(1)模擬式光電傳感器 吸收式第7章 光電式傳感器恒定光源發(fā)

22、出的光投射到被測物體上被測物體把部分光通量反射到光電元件上根據(jù)反射的光通量多少測定被測物表面狀態(tài)和性質(zhì)，如： 測量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等(1)模擬式光電傳感器 反射式第7章 光電式傳感器被測物體位于恒定光源與光電元件之間光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物遮去其一部分 使作用在光電元件上的光通量減弱 減弱的程度與被測物在光學(xué)通路中的位置有關(guān)利用原理可以測量：長度、厚度、線位移、角位移、振動等(1)模擬式光電傳感器 遮光式第7章 光電式傳感器被測物體本身就是輻射源直接照射在光電元件上或經(jīng)過一定的光路后作用在光電元件上，如： 光電高溫計、比色高溫計、紅外偵察和紅外遙感等可以用于防火報警和制成光

23、照度計等 (1)模擬式光電傳感器 輻射式第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器脈沖式光電傳感器的作用方式是光電元件的輸出僅有兩種穩(wěn)定狀態(tài) “通”的開-關(guān)狀態(tài) 光電元件的開關(guān)運(yùn)用狀態(tài)這類傳感器要求光電元件靈敏度高，光電特性的線性要求不高主要用在零件或產(chǎn)品的自動計數(shù)、光控開關(guān)、計算機(jī)的光電輸入設(shè)備、光電編碼器及光電報警裝置等 (2)脈沖式光電傳感器 第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器光電轉(zhuǎn)換器信號放大、濾波示波器顯示波形指 端 脈搏信息1.光電脈搏傳感器：光電脈搏傳感器：原理： 利用光電池的光生電流大小與被測光的照度成正比的特性，用光電池作為光電變換器件。 生物體組織對波長大于600nm的

24、紅光和近紅外光線吸收的較少，透過較多。但是，血液卻極易吸收這種光線，特別是對波長700-800nm范圍的光線，無論是氧和血紅蛋白還是還原血紅蛋白都能大量的吸收它。利用紅外發(fā)光二極管照射手指尖部，因?yàn)橹讣庋苤醒喝莘e變化體現(xiàn)動脈搏動情況，當(dāng)血液充盈（容積變大）時，紅光透過的少，否則透過的多。 利用光電池把透過指尖的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)化為電壓信號。第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器65圖圖 7.1.7 光光電電比色比色計計的工作原理的工作原理2.2.光光電電比色比色計計：第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器683.3.光電式濁度計和含沙量測量光電式濁度計

25、和含沙量測量將裝有濁水的試管將裝有濁水的試管插入儀器中插入儀器中第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器70光電式濁度計工作原理 1恒流源 2半導(dǎo)體激光器 3半反半透鏡 4反射鏡 5被測水樣 6、9光電池 7、10電流/電壓轉(zhuǎn)換器 8標(biāo)準(zhǔn)水樣 參比通道參比通道 被被測測物吸收光通量物吸收光通量第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器75圖圖7.1.8 光光電轉(zhuǎn)電轉(zhuǎn)速速計計的工作原理的工作原理4.4.光電轉(zhuǎn)速計光電轉(zhuǎn)速計分為反射式和透射式兩類：分為反射式和透射式兩類：第7章 光電式傳感器2312 31(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理

26、圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖(a)是在待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。 在待測轉(zhuǎn)速的軸上固定一個涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號。第7章 光電式傳感器77 此光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。 n =60( f /z ) 第7章 光電式傳感器78水泵轉(zhuǎn)速測量第7章 光電式

27、傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器815.光電式帶材跑偏檢測器光電式帶材跑偏檢測器 光電傳感器光電傳感器 帶材走偏帶材走偏時，邊緣經(jīng)常時，邊緣經(jīng)常與傳送機(jī)械發(fā)與傳送機(jī)械發(fā)生碰撞，易出生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成現(xiàn)卷邊，造成廢品。廢品。 當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶為零；當(dāng)帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。材跑偏的方向及大小。 第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器6.光電自動門光電自動門自動門光電傳感器自動門光電傳感

28、器放大圖放大圖有效檢測區(qū)域有效檢測區(qū)域第7章 光電式傳感器7.光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類型的應(yīng)用：將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽能電池。這是全世界范圍內(nèi)人們所追求、探索新能源的一個重要研究課題。太陽能電池已在宇宙開發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽電池地面發(fā)電站、日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。目前太陽電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競爭，但是隨著太陽電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會逐漸下降，太陽電池定將獲得更廣泛的應(yīng)用。將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏度高、響應(yīng)時間短等特性，但不必需要像太陽電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。這一類光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電

29、檢測和自動控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 第7章 光電式傳感器（1）. 光電電源光電電源n光電池組:若干型號相同的光電池，經(jīng)串、并聯(lián)。n有光照時光電池組發(fā)電，為負(fù)載供電，并對蓄電池充電。n無光照時，蓄電池向負(fù)載供電。n二極管的作用:防止無光照時，蓄電池通過光電池組放電.n光電池是航天工業(yè)的重要電源，也可作為航標(biāo)燈、高速公路警示燈等野外無人值守設(shè)備的電源。圖圖 7.1.9 光光電電池池電電源源電電路框路框圖圖第7章 光電式傳感器(a) 光電追蹤電路+12VR4R3R6R5R2R1WBG1BG2 圖 (a)為光電地構(gòu)成的光電跟蹤電路，用兩只性能相似的同類光電池作為光電接收器件。當(dāng)入射光通量相同

30、時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時，電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。光電池在檢測和控制方面應(yīng)用中的兩種基本電路第7章 光電式傳感器BG2BG1+12VC J R1 R2(b) 光電開關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開關(guān)，多用于自動控制系統(tǒng)中。無光照時，系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài)，如通態(tài)或斷態(tài)。當(dāng)光電池受光照射時，產(chǎn)生較高的電動勢，只要光強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值，系統(tǒng)就改變工作狀態(tài)，達(dá)到開關(guān)目的。第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器7.白度計白度計n 白度白度:衡量物體表面對可見光全波長輻射反射率的衡量物體表面對可見光全波長輻射反射率的一個參數(shù)，在紡織、絲綢

31、、造紙、化工等行業(yè)中有廣一個參數(shù)，在紡織、絲綢、造紙、化工等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用泛的應(yīng)用。90由于被測物的白度小于由于被測物的白度小于100%100%（度），所（度），所以標(biāo)準(zhǔn)電勢總是大于被測電勢。以標(biāo)準(zhǔn)電勢總是大于被測電勢。pRG調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)使檢流計使檢流計兩端的電位相等，便可通過白度計兩端的電位相等，便可通過白度計的指針指示出被測物的白度。的指針指示出被測物的白度。 圖圖7.1.10 白度白度計計原理原理第7章 光電式傳感器二、色敏式傳感器 檢測白色光中含有的固有波長范圍光的一種傳感器結(jié)構(gòu)類型： 集成型(非晶硅） 多層型主要用于顏色的識別、錄像機(jī)中的白色平衡1. 色敏傳感器的原理第7章 光電式傳

32、感器1. 色敏傳感器的原理第7章 光電式傳感器將紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三原色敏傳感器一體化結(jié)構(gòu)的色敏傳感器它由分解R、G和B三色的3個濾色器和3個光敏二極管組成光譜靈敏度特性對于三原色都同等處理將三原色進(jìn)行適當(dāng)分解，就能識別其中包含的12種以上的顏色第7章 光電式傳感器利用光譜靈敏度特性隨光敏二極管PN結(jié)深度而不同，即： 波長越長，則光子越能侵入到半導(dǎo)體內(nèi)部的傳感器不用濾色器，元件少而且經(jīng)濟(jì)色判斷電路復(fù)雜 需要溫度補(bǔ)償電路等1. 色敏傳感器的原理第7章 光電式傳感器第7章 光電式傳感器根據(jù)普郎克輻射法則： 對于由兩個不同光譜靈敏度特性的受光元件構(gòu)成的色敏傳感器， 在受到光源照射時，受光元

33、件各自輸出電流之比的對數(shù)與光源的色溫度成反比，即：2色敏傳感器的應(yīng)用 (3-43) 式中： T 光源的色溫度； Il與I2 色敏傳感器中光譜靈敏度特性不同的 兩個受光元件在短路時輸出電流。 216ln10IIT第7章 光電式傳感器取出色敏傳感器中光譜靈敏度特性不同的兩個受光元件的輸出電流之比，就可構(gòu)成簡單的色溫度計GP1W04內(nèi)有對紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)三色敏感的元件 其輸出電流為IR，IG和IB，經(jīng)片內(nèi)對數(shù)變換電路轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的輸出電壓UO(R)，UO(G)和UO(B) 若將輸出UO(B)與UO(G)以及UO(G)與UO(R)的差電壓經(jīng)Al和A2進(jìn)行放大，就得到與IB/IG及IG/IR成

34、比例(色溫度成比例)的輸出電壓UO(B/G)和UO(G/R)由此可測得光源的溫度。 2色敏傳感器的應(yīng)用 第7章 光電式傳感器 第7章 光電式傳感器3.3.色標(biāo)傳感器色標(biāo)傳感器 色飽和色飽和圖圖 色標(biāo)傳感器常用于檢測色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。接測量顏色。人眼對各色光的敏感程度人眼對各色光的敏感程度第7章 光電式傳感器色標(biāo)傳感器的用途色標(biāo)傳感器的用途 現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中，顏色檢測和顏色識別等的應(yīng)用越來越多。例如，在包裝生

35、識別等的應(yīng)用越來越多。例如，在包裝生產(chǎn)中機(jī)器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的產(chǎn)中機(jī)器要確定哪種產(chǎn)品放在什么顏色的包裝中、如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒包裝中、如何保證產(chǎn)品的正面朝向包裝盒的玻璃紙窗口等等。色標(biāo)傳感器常用于檢的玻璃紙窗口等等。色標(biāo)傳感器常用于檢測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與測特定色標(biāo)或物體上的斑點(diǎn)，它是通過與非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是非色標(biāo)區(qū)相比較來實(shí)現(xiàn)色標(biāo)檢測，而不是直接測量顏色。直接測量顏色。第7章 光電式傳感器各種色標(biāo)傳感器外形各種色標(biāo)傳感器外形色標(biāo)傳感器色標(biāo)傳感器能識別能識別紅、綠、藍(lán)等顏色紅、綠、藍(lán)等顏色第7章 光電式傳感器色標(biāo)傳感器外形（續(xù)）色標(biāo)傳感器外形（

36、續(xù)）第7章 光電式傳感器色標(biāo)傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色色標(biāo)傳感器在流水線上檢測產(chǎn)品的顏色第7章 光電式傳感器 用多個色標(biāo)傳感器測用多個色標(biāo)傳感器測量薄板的顏色量薄板的顏色第7章 光電式傳感器產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選產(chǎn)品包裝色彩檢測、分選第7章 光電式傳感器7.2.3 其他光電傳感器的應(yīng)用 、光源本身是被測物的應(yīng)用實(shí)、光源本身是被測物的應(yīng)用實(shí)例例 光的照度光的照度E的單位是的單位是lx（勒勒克斯），它是?？怂梗?，它是常用的光度學(xué)單位用的光度學(xué)單位之一，它表示受之一，它表示受照物體被照亮程照物體被照亮程度的物理量，可度的物理量，可以用照度計來測以用照度計來測量。量。 光電池光電池（外加柔（外加柔

37、光罩）光罩）第7章 光電式傳感器1.1.紅外線輻射溫度計：紅外線輻射溫度計： 紅外輻射溫度計既可用于高溫紅外輻射溫度計既可用于高溫測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，測量，又可用于冰點(diǎn)以下的溫度測量，所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售所以是輻射溫度計的發(fā)展趨勢。市售的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從的紅外輻射溫度計的溫度范圍可以從-30-3030003000，中間分成若干個不同，中間分成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。第7章 光電式傳感器紅外線輻射溫度計外形紅外線輻射溫度計外形 激光僅激光僅 用于瞄準(zhǔn)用于瞄準(zhǔn)第7章 光電式傳感器紅外線輻射溫度計外形紅外線

38、輻射溫度計外形 紅外線輻射溫度紅外線輻射溫度計計用于食品溫度用于食品溫度測量測量第7章 光電式傳感器紅外線輻射溫度計紅外線輻射溫度計在非接觸體溫測量中的應(yīng)用在非接觸體溫測量中的應(yīng)用耳溫儀耳溫儀第7章 光電式傳感器紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量第7章 光電式傳感器 紅外線輻射溫度計在非接紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用觸溫度測量中的應(yīng)用集成集成IC 溫度測量溫度測量第7章 光電式傳感器 紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）中的應(yīng)用（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（冷藏牛奶和面食）物（冷藏牛奶和面食

39、）第7章 光電式傳感器紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用（續(xù)）（續(xù)）利用紅色激光瞄準(zhǔn)被利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、天花測物（電控柜、天花板內(nèi)的布線層）板內(nèi)的布線層）溫度溫度 采集系統(tǒng)采集系統(tǒng)第7章 光電式傳感器比色式溫度傳感器溫度非接觸比色式溫度傳感器溫度非接觸測量中的應(yīng)用測量中的應(yīng)用 比色式溫度傳感器采用比色比色式溫度傳感器采用比色式（雙波段）測溫原理實(shí)現(xiàn)對被測式（雙波段）測溫原理實(shí)現(xiàn)對被測目標(biāo)的非接觸測溫，用戶不需知道目標(biāo)的非接觸測溫，用戶不需知道物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣物質(zhì)的發(fā)射率。它抗煙霧、水蒸氣和灰塵能力較強(qiáng)，不受窗口玻璃影和灰

40、塵能力較強(qiáng)，不受窗口玻璃影響，能瞄準(zhǔn)響，能瞄準(zhǔn) , ,測量小目標(biāo)，可不考測量小目標(biāo)，可不考慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充慮距離系數(shù)，可以不完全被目標(biāo)充滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。滿，不需調(diào)焦就可準(zhǔn)確測量。 比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如比色溫度計適于環(huán)境條件惡劣的工業(yè)現(xiàn)場中使用，如 : :煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴(yán)重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)煙霧、水蒸氣、灰塵比較嚴(yán)重的鋼鐵、焦化和爐窯等應(yīng)用現(xiàn)場。場。第7章 光電式傳感器2.2.熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用熱釋電傳感器在人體檢測、報警中的應(yīng)用 熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣熱釋電元件在紅外線檢測中得到廣泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)

41、生遠(yuǎn)紅外輻射泛的應(yīng)用。它可用于能產(chǎn)生遠(yuǎn)紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、自動燈的控制等。門、自動燈的控制等。 熱釋電元件外形熱釋電元件外形 第7章 光電式傳感器熱釋電傳感器簡介熱釋電傳感器簡介 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發(fā)射的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在的紅外線而輸出電信號的傳感器。早在1938年，有人年，有人提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重提出過利用熱釋電效應(yīng)探測紅外輻射，但并未受到重視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和視，直到六十年代才又興起了對熱釋電效應(yīng)的研究和對熱

42、釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光對熱釋電晶體的應(yīng)用。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器。除了在樓道自動開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)開關(guān)、防盜報警上得到應(yīng)用外，在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用。比如：在房間無人時會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水用。比如：在房間無人時會自動停機(jī)的空調(diào)機(jī)、飲水機(jī)；電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)；電視機(jī)能判斷無人觀看或觀眾已經(jīng)睡覺后自動關(guān)機(jī)的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)機(jī)的電路；開啟監(jiān)視器或自動門鈴上的應(yīng)用；攝影機(jī)或數(shù)碼照相機(jī)自動記錄動物或人的活動等等或數(shù)碼照相機(jī)自

43、動記錄動物或人的活動等等 您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其他電路開您可以根據(jù)自己的奇思妙想，結(jié)合其他電路開發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品?；蜃詣踊刂蒲b置。發(fā)出更加優(yōu)秀的新產(chǎn)品?；蜃詣踊刂蒲b置。第7章 光電式傳感器熱釋電傳感器的內(nèi)部電路熱釋電傳感器的內(nèi)部電路兩塊反向兩塊反向串聯(lián)的熱串聯(lián)的熱釋電晶片釋電晶片場效應(yīng)管場效應(yīng)管第7章 光電式傳感器熱釋電傳感器工作原理熱釋電傳感器工作原理 熱釋電晶片表面必須罩上一塊由熱釋電晶片表面必須罩上一塊由一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透一組平行的棱柱型透鏡所組成菲涅爾透鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視鏡，每一透鏡單元都只有一個不大的視場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍

44、中場角，當(dāng)人體在透鏡的監(jiān)視視野范圍中運(yùn)動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透運(yùn)動時，順次地進(jìn)入第一、第二單元透鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱鏡的視場，晶片上的兩個反向串聯(lián)的熱釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)釋電單元將輸出一串交變脈沖信號。當(dāng)然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元然，如果人體靜止不動地站在熱釋電元件前面，它是件前面，它是“視而不見視而不見”的。的。 第7章 光電式傳感器菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡菲涅爾透菲涅爾透鏡鏡熱釋電晶片熱釋電晶片第7章 光電式傳感器菲涅爾透鏡外形菲涅爾透鏡外形 傳感器不加菲涅爾傳感器不加菲涅爾透鏡時，其檢測距離透鏡時，其檢測距離小于小于2m，而加上該透，而加上該透鏡后

45、，其檢測距離可鏡后，其檢測距離可增加增加3倍以上。倍以上。第7章 光電式傳感器熱釋電套件熱釋電套件第7章 光電式傳感器熱釋電報警器熱釋電報警器菲涅爾透菲涅爾透鏡鏡設(shè)定按鈕設(shè)定按鈕高分貝喇叭高分貝喇叭第7章 光電式傳感器熱釋電報警器（續(xù)）熱釋電報警器（續(xù)）菲涅爾透鏡菲涅爾透鏡 5mm接插件接插件第7章 光電式傳感器熱釋電報警器（續(xù)）熱釋電報警器（續(xù)） 吸頂式吸頂式 熱釋電報警熱釋電報警器器第7章 光電式傳感器熱釋電傳感器應(yīng)用熱釋電傳感器應(yīng)用 熱釋電熱釋電傳感器用于傳感器用于自動亮燈，自動亮燈，當(dāng)然也可以當(dāng)然也可以用于防盜用于防盜熱釋電傳感器熱釋電傳感器的感應(yīng)范圍的感應(yīng)范圍第7章 光電式傳感器熱釋

46、電感應(yīng)燈熱釋電感應(yīng)燈熱釋電熱釋電傳感器傳感器第7章 光電式傳感器自動感應(yīng)燈自動感應(yīng)燈（參考施特朗公司資料）（參考施特朗公司資料）第7章 光電式傳感器熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用熱釋電傳感器在智能空調(diào)中的應(yīng)用 智能空調(diào)能檢測智能空調(diào)能檢測出屋內(nèi)是否有人，微出屋內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)處理器據(jù)此自動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。到節(jié)能的目的。 空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾空調(diào)中，熱釋電傳感器的菲涅爾透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)一定空間角范圍里是否有人，以及人一定空間角范圍里是否有人，以及人是靜止著還是走動著。是靜止著還是走動著。

47、上下范圍上下范圍左右范圍左右范圍第7章 光電式傳感器7.2 光電編碼器7.2 7.2 光光電編碼電編碼器器130第7章 光電式傳感器（參參考德考德國國沃申道夫公司沃申道夫公司資資料）料）光光電編碼電編碼器外形器外形131第7章 光電式傳感器其他角編碼器外形132第7章 光電式傳感器其他角編碼器外形（續(xù)） 拉拉線線式式角角編編碼碼器利用器利用線輪線輪，能能將將直直線運(yùn)動轉(zhuǎn)線運(yùn)動轉(zhuǎn)換換成旋成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動轉(zhuǎn)運(yùn)動。133第7章 光電式傳感器其他角編碼器外形（參考德國圖爾克傳感與自動化技術(shù)專業(yè)公司）134第7章 光電式傳感器光柵編碼盤碼道轉(zhuǎn)軸發(fā)光二極管光敏三極管光柵7.2.1 7.2.1 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)及原理及原

48、理圖圖7.2.1 典型光典型光電編碼電編碼器器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原理原理圖圖 當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動編碼盤轉(zhuǎn)動時當(dāng)轉(zhuǎn)軸帶動編碼盤轉(zhuǎn)動時，遮，遮擋擋或或?qū)?dǎo)通光路，通光路，從從而使光而使光電電三三極極管收到光脈沖或管收到光脈沖或數(shù)數(shù)字信字信號輸號輸入，通入，通過過后后續(xù)續(xù)的放大的放大，整形，整形電電路后，路后，輸輸出相出相應(yīng)應(yīng)的的數(shù)數(shù)字式信字式信號輸號輸出。出。計數(shù)計數(shù)器根器根據(jù)據(jù)輸輸出的脈沖出的脈沖數(shù)數(shù)目及目及頻頻率，便可以率，便可以測測出出軸轉(zhuǎn)過軸轉(zhuǎn)過的角度或的角度或轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速。速。135第7章 光電式傳感器7.2.2碼盤碼盤和和碼碼制制1 增量型光增量型光電編碼電編碼器的器的碼盤碼盤2 2 絕對絕對型光型光電編碼電

49、編碼器的器的碼盤碼盤 136第7章 光電式傳感器1、增量式編碼器 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)軸盤碼盤碼及及狹縫狹縫光敏元件光敏元件光光欄欄板及辨向用的板及辨向用的A A、B B狹縫狹縫LEDLEDA AB BC C零位零位標(biāo)標(biāo)志志A AB BC C137第7章 光電式傳感器光電編碼器的輸出波形 為了判斷碼盤旋轉(zhuǎn)的方向，在上圖的光欄板上的兩個狹縫距離是碼盤上的兩個狹縫距離的（m +1/4）倍，m 為正整數(shù)，并設(shè)置了兩組光敏元件A、B，有時又稱為sin、cos元件。138第7章 光電式傳感器辨向信號和零標(biāo)志 光電編碼器的光欄板上有光電編碼器的光欄板上有A A組與組與B B組兩組狹縫，彼此錯開組兩組狹縫，彼此錯開1/4

50、1/4節(jié)距，節(jié)距，兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生兩組狹縫相對應(yīng)的光敏元件所產(chǎn)生的信號的信號A A、 B B彼此相差彼此相差9090 相位，用相位，用于辨向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，于辨向。當(dāng)編碼正轉(zhuǎn)時，A A信號超信號超前前B B信號信號9090 ；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，；當(dāng)碼盤反轉(zhuǎn)時，B B信號信號超前超前A A信號信號9090 。( (請畫請畫出反出反轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)時信信號號B B的波形）的波形） 在上一在上一頁圖頁圖的的碼盤碼盤里圈，里圈，還還有一根有一根狹縫狹縫C C，每每轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)能能產(chǎn)產(chǎn)生一生一個個脈沖，脈沖，該該脈沖信脈沖信號號又又稱稱“ “一一轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)信信號號” ”或零或零標(biāo)標(biāo)志脈沖，作志脈沖，作為測為測量的起始

51、基準(zhǔn)。量的起始基準(zhǔn)。139第7章 光電式傳感器增量式光電編碼器的分辨力及分辨率 增量式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n 有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為： 360 n1 n分辨率140第7章 光電式傳感器2. 絕對式編碼器 絕對絕對式式碼盤碼盤 絕對式編碼器按照角絕對式編碼器按照角度直接進(jìn)行編碼，可直度直接進(jìn)行編碼，可直接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代接把被測轉(zhuǎn)角用數(shù)字代碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部碼表示出來。根據(jù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸結(jié)構(gòu)和檢測方式有接觸式、光電式等形式。式、光電式等形式。 透光透光區(qū)區(qū)不透光不透光區(qū)區(qū)零位零位標(biāo)標(biāo)志志增量式增量式碼盤碼盤141第

52、7章 光電式傳感器絕對式接觸式編碼器演示4個電刷 4 4位位二二進(jìn)進(jìn)制制碼盤碼盤 +5V +5V輸輸入入 公共公共碼碼道道 最小分辨角度最小分辨角度為為 =360=360 /2/2n n 142第7章 光電式傳感器2絕對式光電編碼器 a）光電碼盤的平面結(jié)構(gòu)（8碼道） b）光電碼盤與光源、光敏元件的對應(yīng)關(guān)系（4碼道） 高位高位低位低位143第7章 光電式傳感器絕對式光電編碼器的分辨力及分辨率 絕對式光電編碼器的測量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤上的碼道數(shù)n 有關(guān)，即最小能分辨的角度及分辨率為： =360/2n分辨率=1/2n144第7章 光電式傳感器145圖圖7.2.4 絕對絕對光光

53、電編碼電編碼器器碼盤結(jié)構(gòu)碼盤結(jié)構(gòu)示意示意圖圖 標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)二準(zhǔn)二進(jìn)進(jìn)制制碼盤碼盤缺陷缺陷光光電電探探測測器位于器位于兩個區(qū)兩個區(qū)域域連連接接處時處時，可能，可能編碼輸編碼輸出出錯誤錯誤0 0區(qū)區(qū)逆逆時針時針7 7區(qū)區(qū)時時， “000”“000”變變到到“ “111”111”“000”“000”變變到到“ “100”100” 再到再到“ “101”101”到到“ “111”111”0 0區(qū)區(qū)，跳到，跳到4 4區(qū)區(qū)，順時針轉(zhuǎn)順時針轉(zhuǎn)到到5 5區(qū)區(qū)后又后又轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)到到7 7區(qū)區(qū)由于光由于光電電器件不可能排成一器件不可能排成一條條完美的直完美的直線線，內(nèi)碼內(nèi)碼道光道光電電器件先被遮器件先被遮擋擋，其次是外，其次

54、是外碼碼道，最后是中道，最后是中間碼間碼道。道。第7章 光電式傳感器解決辦法采用二進(jìn)制循環(huán)碼盤（格雷碼）n使相鄰區(qū)域的編碼只有一位是變化的，碼盤從一個區(qū)域轉(zhuǎn)到另一個區(qū)域時，只有一個碼道的光電探測器是被開或關(guān)的，其它碼道的光電探測器保持狀態(tài)不變，因此，可以避免標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼盤不同碼道光電探測器不是同時被開關(guān)而產(chǎn)生的錯誤。n格雷碼是一種特別設(shè)計的編碼，格雷碼數(shù)的任一數(shù)增一或減一后，下一數(shù)只有一個數(shù)據(jù)位變化，格雷碼本質(zhì)上是一種對二進(jìn)制的加密處理，每位不再具有固定的權(quán)值，因此它不便于運(yùn)算，必須經(jīng)過解碼過程將格雷碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼后，才能得到位置信息。第7章 光電式傳感器147表表7.2.1 3位二位二進(jìn)進(jìn)

55、制制碼與碼與循循環(huán)碼對環(huán)碼對照表照表十進(jìn)十進(jìn)制數(shù)制數(shù)自然二進(jìn)自然二進(jìn)制數(shù)制數(shù)格雷碼格雷碼十進(jìn)制十進(jìn)制數(shù)數(shù)自然二進(jìn)制自然二進(jìn)制數(shù)數(shù)格雷碼格雷碼00000004100110100100151011112010011611010130110107111100第7章 光電式傳感器7.2.3二二進(jìn)進(jìn)制制碼碼和格雷和格雷碼碼的的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換 1 二二進(jìn)進(jìn)制制碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換成格雷成格雷碼碼 二二進(jìn)進(jìn)制制碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換成二成二進(jìn)進(jìn)制格雷制格雷碼碼的方法的方法為為：二：二進(jìn)進(jìn)制制碼碼的最高位保留作的最高位保留作為為格雷格雷碼碼的最高位，而次高位格的最高位，而次高位格雷雷碼為碼為二二進(jìn)進(jìn)制制碼碼的高位的高位與與次高位相次

56、高位相異異或，其余各位或，其余各位與與次高位的求法相次高位的求法相類類似。似。 148如二進(jìn)制數(shù)為如二進(jìn)制數(shù)為1221nnBBB B其對應(yīng)的格雷碼為其對應(yīng)的格雷碼為1221nnGGG G最高位最高位: :11nnGB1,(2,3,1)iiiGBBinn其它各位其它各位: :第7章 光電式傳感器2 格雷格雷碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換成二成二進(jìn)進(jìn)制制碼碼二二進(jìn)進(jìn)制格雷制格雷碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換成自然二成自然二進(jìn)進(jìn)制制碼碼是二是二進(jìn)進(jìn)制制碼轉(zhuǎn)換碼轉(zhuǎn)換成格雷成格雷碼碼的逆的逆過過程，程，14911nnBG1,(2,3,1)iiiBBGinn最高位二進(jìn)制碼最高位二進(jìn)制碼其余二進(jìn)制碼的位為其余二進(jìn)制碼的位為第7章 光電式傳感器

57、硬件硬件轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路是利用集成路是利用集成異異或或電電路路來實(shí)現(xiàn)兩來實(shí)現(xiàn)兩種碼種碼之之間間的相互的相互轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換(a)二二進(jìn)進(jìn)制制碼轉(zhuǎn)換為碼轉(zhuǎn)換為格雷格雷碼碼 (b) 格雷格雷碼轉(zhuǎn)換為碼轉(zhuǎn)換為二二進(jìn)進(jìn)制制碼碼圖圖7.2.5二二進(jìn)進(jìn)制制編碼與編碼與格雷格雷碼碼相互相互轉(zhuǎn)換電轉(zhuǎn)換電路路150第7章 光電式傳感器7.2.4光光電編碼電編碼器的器的應(yīng)應(yīng)用用光光電編碼電編碼器可以非常方便地器可以非常方便地測測量出角位移，量出角位移，并并且且輸輸出都出都為數(shù)為數(shù)字信字信號號無需無需A/DA/D轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換，因此光，因此光電編碼電編碼器廣泛器廣泛應(yīng)應(yīng)用于工用于工業(yè)業(yè)控制中定位、速度控制中定位、速度測測量、角度量、角度測測量等。量等。1.1.機(jī)械鼠機(jī)械鼠標(biāo)標(biāo)2.2.測測量量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速速151第7章 光電式傳感器電腦電腦的機(jī)械鼠的機(jī)械鼠標(biāo)標(biāo)便是利用增量型光便是利用增量型光電編碼電編碼器器進(jìn)進(jìn)行定位和位移行定位和位移測測量的，量的，其原理其原理結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意示意圖圖如如圖圖7.2.6(a)所示。手在所示。手在桌桌面上移面上移動動鼠鼠標(biāo)時標(biāo)時就就會帶動會帶動鼠鼠標(biāo)內(nèi)標(biāo)內(nèi)的的滾滾球球，而，而滾滾球的球的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)動又又帶動兩個帶動兩個垂直安置光垂直安置光電碼盤電碼盤和和（分（分別對應(yīng)別對應(yīng)于于X軸軸方向和