光電式傳感器課件

第六章光電式傳感器光電式傳感器的工作原理是：首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。第一節(jié)光源

第二節(jié)光電傳感器

第三節(jié)光纖傳感器

第四節(jié)光柵式傳感器一、光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm紫外線：波長(zhǎng)10—380nm，波長(zhǎng)300—380nm稱為近紫外線波長(zhǎng)200—300nm稱為遠(yuǎn)紫外線波長(zhǎng)10—200nm稱為極遠(yuǎn)紫外線紅外線：波長(zhǎng)780—106nm波長(zhǎng)3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長(zhǎng)超過(guò)3μm的紅外線稱為遠(yuǎn)紅外線。

光譜分布如圖所示。光譜第一節(jié)光源一、熱輻射光源二、氣體放電光源三、電致發(fā)光器件－－發(fā)光二極管四、激光器1.氣體激光器2.固體激光器3.半導(dǎo)體激光器第二節(jié)光電傳感器光電器件的作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡婋娦盘?hào)。

其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)：光作用，使光電器件的電阻率變化。器件：光敏電阻。阻擋層光電效應(yīng)：光作用，使光電器件產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)。器件：光電池，光敏二極管、光敏三極管。光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)光子是具有能量的粒子，每個(gè)光子的能量可表示為在光線作用下，電子逸出物體表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管。光電效應(yīng)方程光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。解釋：當(dāng)光照射物體時(shí)，導(dǎo)致物體的電學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)光電效應(yīng)外光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng)光電導(dǎo)效應(yīng)光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)基于該效應(yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、三極管。光電器件按探測(cè)原理分為：熱探測(cè)型和光子探測(cè)型一、熱探測(cè)器：基于光輻射與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的傳感器（一）測(cè)輻射熱電偶（二）測(cè)輻射熱敏電阻（三）熱釋電探測(cè)器二、光子探測(cè)器基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)光子的能量與頻率的關(guān)系為（一）光電發(fā)射探測(cè)器光電管結(jié)構(gòu)在一個(gè)真空泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和光電陽(yáng)極。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡內(nèi)壁上做成，其感光面對(duì)準(zhǔn)光的照射孔。當(dāng)光線照射到光敏材料上，便有電子逸出，這些電子被具有正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。光電倍增管由于真空光電管的靈敏度較低，因此人們便研制了光電倍增管，其工作原理如下圖。光電池光電池是一種直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件。光電池在有光線作用下實(shí)質(zhì)就是電源,電路中有了這種器件就不需要外加電源。光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)大面積的PN結(jié),當(dāng)光照射到PN結(jié)的一個(gè)面,例如p型面時(shí),若光子能量大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度,那么p型區(qū)每吸收一個(gè)光子就產(chǎn)生一對(duì)自由電子和空穴,電子空穴對(duì)從表面向內(nèi)迅速擴(kuò)散,在結(jié)電場(chǎng)的作用下,最后建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢(shì)。光電池工作原理圖（１）光照特性反映短路電流、開(kāi)路電壓與光照度的關(guān)系。

短路電流在很大范圍內(nèi)與光照強(qiáng)度成線性關(guān)系,光電池工作于短路電流狀態(tài)，可做檢測(cè)元件。開(kāi)路電壓（負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度的關(guān)系是非線性的,并且當(dāng)照度在2000lx時(shí)就趨于飽和了。光電池工作于開(kāi)路電壓狀態(tài)，可做開(kāi)關(guān)元件。光電池的基本特性JMJ112V2A901251KL39470uf4001～自動(dòng)干手器手放入干手器時(shí)，手遮住燈泡發(fā)出的光，光電池不受光照，晶體管基極正偏而導(dǎo)通，繼電器吸合。風(fēng)機(jī)和電熱絲通電，熱風(fēng)吹出烘手。手干抽出后，燈泡發(fā)出光直接照射到光電池上，產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，使三極管基射極反偏而截止，繼電器釋放，從而切斷風(fēng)機(jī)和電熱絲的電源。光照度定義為電位面積上所接收的光的輻射能通量。單位勒克斯。Lx(W/m2)（二）光電導(dǎo)探測(cè)器采用半導(dǎo)體材料并利用內(nèi)光電效應(yīng)組成，在光線作用下其電阻值變小。這種現(xiàn)象稱為光導(dǎo)效應(yīng)，具有光導(dǎo)效應(yīng)的材料稱為光敏電阻，也叫光導(dǎo)管。一、光敏電阻１．光敏電阻的結(jié)構(gòu)與工作原理光敏電阻又稱光導(dǎo)管,它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒(méi)有極性,純粹是一個(gè)電阻器件,使用時(shí)既可加直流電壓,也可以加交流電壓。無(wú)光照時(shí),光敏電阻值（暗電阻）很大,電路中電流（暗電流）很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí),它的阻值（亮電阻）急劇減少,電路中電流迅速增大。一般希望暗電阻越大越好,亮電阻越小越好,此時(shí)光敏電阻的靈敏度高。實(shí)際光敏電阻的暗電阻值一般在兆歐級(jí),亮電阻在幾千歐以下。2.光敏電阻的結(jié)構(gòu)為了防止周圍介質(zhì)的影響,在半導(dǎo)體光敏層上覆蓋了一層漆膜,漆膜的成分應(yīng)使它在光敏層最敏感的波長(zhǎng)范圍內(nèi)透射率最大。它是涂于玻璃底板上的一薄層半導(dǎo)體物質(zhì),半導(dǎo)體的兩端裝有金屬電極,金屬電極與引出線端相連接,光敏電阻就通過(guò)引出線端接入電路。4．光敏電阻的基本特性（1）伏安特性：在一定照度下,流過(guò)光敏電阻的電流與光敏電阻兩端的電壓的關(guān)系①一定光照，R一定，I正比于U。②一定電壓，I隨著光照E增強(qiáng)而增大。E↑→R↓→I↑。(2)光照特性（I～E）光敏電阻的光照特性為非線性，不宜作檢測(cè)元件，主要用于自動(dòng)控制中。如光照度計(jì)：農(nóng)作物日照時(shí)數(shù)測(cè)定。無(wú)光照V0=VL。有光照V0=VH。輸出接單片機(jī)的I/O口，每2分鐘對(duì)此口查詢1次，為高電平，計(jì)數(shù)一次，為低電平，不計(jì)數(shù)。1天查詢720次。

（4）溫度特性

溫度變化影響光敏電阻的光譜響應(yīng)。

硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線,它的峰值隨著溫度上升向波長(zhǎng)短的方向移動(dòng)。因此,硫化鉛光敏電阻要在低溫、恒溫的條件下使用。對(duì)于可見(jiàn)光的光敏電阻,其溫度影響要小一些。（2）光敏電阻工作原理內(nèi)光電效應(yīng)。

光照射到本征半導(dǎo)體上，材料中的價(jià)帶電子吸收了光子能量躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子、空穴對(duì)，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低。光照停止，電子空穴對(duì)又復(fù)合，阻值恢復(fù)。

導(dǎo)帶價(jià)帶uA要使價(jià)帶電電子躍遷到導(dǎo)帶，入射光子的能量滿足或制作光敏電阻的材料一般是金屬硫化物和金屬硒化物。（三）光電結(jié)型探測(cè)器1.光電二極管工作原理與光電導(dǎo)型探測(cè)器相似，利用光子引起的電子躍遷將光信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)，光生電流與光強(qiáng)成正比。沒(méi)有光照射時(shí),反向電阻很大,反向電流很小,這反向電流稱為暗電流。二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí),光子打在PN結(jié)附近,使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴對(duì)。它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng),形成光電流。二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光的照度越大,光電流越大。3.PIN結(jié)構(gòu)光電二極管具有較高靈敏度和響應(yīng)速度2.雪崩二極管是一種具有內(nèi)部電流倍增放大作用的光電二極管。4.光電三級(jí)管光電三極管比具有相同有效面積的光電二極管的光電流大幾十至幾百倍，但相應(yīng)速度較二極管差。

工作原理（1）光電轉(zhuǎn)換（2）電流放大

基極開(kāi)路，集電極與發(fā)射極之間加正電壓。當(dāng)光照射在集電結(jié)上時(shí),在結(jié)附近產(chǎn)生電子-空穴對(duì),電子在結(jié)電場(chǎng)的作用下，由P區(qū)向N區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成基極電流，放大β倍形成集電極電流（光電流）,所以光電三極管有放大作用。NPNCBE-+-RUI(四)、光電耦合器件1．光電耦合器

光電耦合器的發(fā)光和接收元件都封裝在一個(gè)外殼內(nèi),一般有金屬封裝和塑料封裝兩種。發(fā)光元件為發(fā)光二極管，受光元件為光敏三極管或光敏可控硅。它以光為媒介，實(shí)現(xiàn)輸入電信號(hào)耦合到輸出端。特點(diǎn)：①?gòu)?qiáng)弱電隔離。輸入輸出極之間絕緣電阻達(dá)1010。耐壓達(dá)2000V以上。能避免輸出端對(duì)輸入端地線等的干擾。②對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部噪聲有很強(qiáng)的抑制作用。發(fā)光二極管為電流驅(qū)動(dòng)元件，動(dòng)態(tài)電阻很小，對(duì)系統(tǒng)內(nèi)部的噪聲有旁路作用。（濾除噪聲）光電耦合器的組合形式應(yīng)用于自動(dòng)控制電路中的強(qiáng)弱電隔離。

2.光電開(kāi)關(guān)光電開(kāi)關(guān)在制造業(yè)自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？蓪?shí)現(xiàn)限位控制、產(chǎn)品計(jì)數(shù),料位檢測(cè)，越限安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。

光電開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)：透射式和反射式的光電開(kāi)關(guān)。

利用輸出電平的狀態(tài)判斷有無(wú)被測(cè)物?；倦娐罚ㄍ干涫剑╝)(c)無(wú)被測(cè)物，輸出高電平；有被測(cè)物，輸出低電平。(CD4584非門(mén))(b)無(wú)被測(cè)物，輸出低電平；有被測(cè)物，輸出高電平。五、光電傳感器的類型按輸出量的性質(zhì)分兩大類1、模擬量光電傳感器檢測(cè)系統(tǒng)（1）輻射式

物體輻射能量到到光電接受元件，根據(jù)測(cè)出光電流確定輻射物內(nèi)部參數(shù)。如測(cè)熾熱金屬，用光電比色高溫計(jì)。暖氣熱量計(jì)量中用熱分配表測(cè)暖氣消耗的熱量。（2）透射式

被測(cè)物置于恒光源于光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光源的吸收程度測(cè)定被測(cè)參數(shù)。

對(duì)氣體的成分分析。如測(cè)氣體的透明度、混濁度(3)反射式恒光源發(fā)出的光照射到被測(cè)物表面上，再?gòu)谋砻娣派涞焦怆娫?。根?jù)反射光通量的大小測(cè)定被測(cè)物表面的性質(zhì)和狀態(tài)。如表面的缺欠、粗糙度。如用Y型光纖掃描式檢測(cè)彈頭缺欠。無(wú)缺欠，反射光恒定。有缺欠，對(duì)光的吸收增強(qiáng)，反射光減弱，輸出有跳變。接示波器可顯示出波形。（4）遮擋式測(cè)工件尺寸。2、開(kāi)關(guān)量光電傳感器光電式轉(zhuǎn)速表。旋轉(zhuǎn)盤(pán)與指示盤(pán)開(kāi)有相同間距的縫隙。當(dāng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，每轉(zhuǎn)過(guò)一條縫隙，光線便產(chǎn)生一次明暗變化，光電元件感光一次。光電流變化曲線如圖。經(jīng)整形電路變?yōu)榫匦蚊}沖信號(hào)。送計(jì)數(shù)器（單片機(jī)），由公式算出轉(zhuǎn)速。光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器的應(yīng)用一、煙塵濁度監(jiān)測(cè)儀防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先要知道煙塵排放量，因此必須對(duì)煙塵源進(jìn)行監(jiān)測(cè)、自動(dòng)顯示和超標(biāo)報(bào)警。平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正報(bào)警煙道吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道里的煙塵濁度是用通過(guò)光在煙道里傳輸過(guò)程中的變化大小來(lái)檢測(cè)的。如果煙道濁度增加，光源發(fā)出的光被煙塵顆粒的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測(cè)器的光減少，因而光檢測(cè)器輸出信號(hào)的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。二、光電轉(zhuǎn)速傳感器231231(a)(b)光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。圖(a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤(pán)，在調(diào)置盤(pán)一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤(pán)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(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤(pán)，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。六、光電耦合器件電荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，簡(jiǎn)稱CCD），它將光敏二極管陣列和讀出移位寄存器集成為一體，構(gòu)成具有自掃描功能的圖象傳感器。是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件，它以電荷作為信號(hào),基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量,尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。(一)MOS光敏單元CCD器件完成對(duì)物體的成像，在其內(nèi)部形成與光像圖形相對(duì)應(yīng)的電荷分布圖形。這就要求它的基本單元具有存儲(chǔ)電荷的功能，同時(shí)還具有電荷轉(zhuǎn)移輸出功能。CCD器件的基本單元結(jié)構(gòu)是MOS（金屬—氧化物—半導(dǎo)體）結(jié)構(gòu)。即在P型硅襯底上生長(zhǎng)一層SiO2(120nm),再在SiO2層上沉積金屬鋁構(gòu)成MOS結(jié)構(gòu)，它是CCD器件的最小工作單元。A、勢(shì)阱的產(chǎn)生MOS的金屬電極加正壓，電極下的P型硅區(qū)域內(nèi)空穴被趕盡，留下帶負(fù)電荷的負(fù)離子，其中無(wú)導(dǎo)電的載流子，形成耗盡層。它是電子的勢(shì)阱。勢(shì)阱的深淺取決于U的大小。B、電荷的存儲(chǔ)

勢(shì)阱具有存儲(chǔ)電荷的功能，勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。CCD器件將物體的光像形成對(duì)應(yīng)的電像時(shí)，就是CCD器件中上千個(gè)相互獨(dú)立的MOS單元?jiǎng)葳逯写鎯?chǔ)與光像對(duì)應(yīng)的電荷量。(二)讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路研究如何實(shí)現(xiàn)勢(shì)阱下的電荷從一個(gè)MOS元位置轉(zhuǎn)移到另一個(gè)MOS元位置，并依次轉(zhuǎn)移并傳輸出來(lái)。A、電荷的定向轉(zhuǎn)移當(dāng)外加電壓一定時(shí)，勢(shì)阱的深度隨勢(shì)阱中的電荷量的增加而線性減少。由此通過(guò)控制相鄰MOS電容器柵極電壓高低來(lái)調(diào)節(jié)勢(shì)阱的深淺。要求：多個(gè)MOS電容緊密排列且勢(shì)阱相互溝通。金屬電極上加電壓脈沖嚴(yán)格滿足相位要求。B、三相CCD電極的結(jié)構(gòu)MOS上三個(gè)相鄰電極，每隔兩個(gè)所有電極接在一起。由3個(gè)相位差120°時(shí)鐘脈沖驅(qū)動(dòng)。電荷注入方法電荷注入方法（a）背面光注入；（b）電注入電荷注入即信號(hào)電荷的產(chǎn)生?？赏ㄟ^(guò)光注入和電注入兩種方式得到。光注入：光照射半導(dǎo)體，產(chǎn)生光生載流子，在柵極電壓Ug的作用下，電子被勢(shì)阱吸收，吸收的光生電子數(shù)與入射光強(qiáng)度成正比，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。該方式用于圖像處理。電注入：通過(guò)輸入電壓對(duì)信號(hào)電壓和電流進(jìn)行采樣，將信號(hào)電壓或電流轉(zhuǎn)換為信號(hào)電荷。該方式用于信息存儲(chǔ)或信息處理C、電荷的輸出在輸出端P型硅襯底上擴(kuò)散形成輸出二極管，二極管加反壓，在PN結(jié)形成耗盡層。輸出柵OG加壓使電荷轉(zhuǎn)移到二極管的耗盡區(qū)，作為二極管的少數(shù)載流子形成反向電流輸出。輸出電流的大小與電荷大小成正比，通過(guò)負(fù)載變?yōu)殡妷狠敵?。輸出二極管電流法CCD傳感器的分類線陣型CCD圖像傳感器（獲取一維光信息）光積分時(shí)間內(nèi)，轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉，各個(gè)光敏元所積累的光電荷存儲(chǔ)在各勢(shì)阱內(nèi)。光電荷與光強(qiáng)和光積分時(shí)間成正比。積分結(jié)束，轉(zhuǎn)移柵打開(kāi)，各光敏元收集的電荷轉(zhuǎn)移到CCD移位寄存器的相應(yīng)單元。轉(zhuǎn)移柵關(guān)閉，各個(gè)光積分單元開(kāi)始下一次的光電荷積累，同時(shí)將CCD移位寄存器內(nèi)的上一行信號(hào)電荷由移位寄存器串行輸出。重復(fù)上述過(guò)程CCD傳感器的分類線陣型CCD圖像傳感器（獲取一維光信息）為了減少信號(hào)電荷在傳輸中的損失，應(yīng)盡量減少轉(zhuǎn)移次數(shù)，可采用雙通道結(jié)構(gòu)。如圖信號(hào)電荷分別向兩側(cè)的移位寄存器中轉(zhuǎn)移，然后在脈沖的作用下向終端傳輸，在輸出端交替并輸出。這種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移次數(shù)少，效率高，還可縮短器件尺寸，并獲得較高的分辨率。面陣型CCD圖像傳感器光敏元呈二維矩陣排列，能檢測(cè)二維圖像信息，其結(jié)構(gòu)如圖面陣型CCD圖像傳感器行傳輸：光積分結(jié)束后，由行掃描電路一行行將信號(hào)電荷通過(guò)移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中，光積分仍在進(jìn)行，會(huì)產(chǎn)生“拖影”現(xiàn)象。面陣型CCD圖像傳感器禎傳輸：光積分技術(shù)后，在光敏元和暫存區(qū)各自的移柵脈沖驅(qū)動(dòng)下，將信號(hào)電荷快速轉(zhuǎn)移到暫存區(qū)，光敏元開(kāi)始積累第二禎圖像的信號(hào)電荷，同時(shí)暫存區(qū)的電荷在轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動(dòng)下一行行通過(guò)移位寄存器轉(zhuǎn)移到輸出端。面陣型CCD圖像傳感器行間傳輸：光敏元和垂直移位寄存器交替排列。光積分技術(shù)后，光敏元的信號(hào)電荷快速轉(zhuǎn)移到垂直移位寄存器，然后再逐行轉(zhuǎn)移到水平移位寄存器，并沿水平方向轉(zhuǎn)移到輸出端。分辨率分辨率是指攝像器件對(duì)物像中明暗細(xì)節(jié)的分辨能力，是圖像傳感器最重要的特性，主要取決于感光單元之間的距離，用調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF來(lái)表征。當(dāng)光強(qiáng)以正弦變化的圖像作用在傳感器上時(shí)，電信號(hào)幅度隨光像空間頻率的變化稱為調(diào)制轉(zhuǎn)移函數(shù)MTF。

七、CCD圖像傳感器應(yīng)用

1、線陣CCD器件檢測(cè)工件尺寸L——工件尺寸，N——覆蓋的光敏單元d——相鄰光敏單元中心距離M——光學(xué)系統(tǒng)放大率2d為圖象末端兩個(gè)光敏單元之間可能的最大誤差。根據(jù)目前產(chǎn)品情況d＝0．013～0．03mm。2、文字圖像識(shí)別系統(tǒng)郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)。寫(xiě)有郵政編碼的信封放在傳送帶上，傳感器光敏元的排列方向與信封的運(yùn)動(dòng)方向垂直，光學(xué)鏡頭將編碼的數(shù)字聚焦到光敏元上。當(dāng)信封運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳感器以逐行掃描的方式把數(shù)字依次讀出。讀出的數(shù)字經(jīng)二值化等處理，與計(jì)算機(jī)中存儲(chǔ)的數(shù)字特征比較，最后識(shí)別出數(shù)字碼。由數(shù)字碼，計(jì)算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)，把信件送入相應(yīng)分類箱中。驅(qū)動(dòng)電路分類機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)細(xì)化二值化處理傳送帶CCD透鏡1分類箱23郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)CCD應(yīng)用

CCD攝像機(jī)被攝物體的圖像經(jīng)過(guò)鏡頭聚焦至CCD芯片上，CCD根據(jù)光的強(qiáng)弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個(gè)像素積累的電荷在視頻時(shí)序的控制下，逐點(diǎn)外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號(hào)輸出。視頻信號(hào)連接到監(jiān)視器或電視機(jī)的視頻輸入端便可以看到與原始圖像相同的視頻圖像。

CCD應(yīng)用

掃描儀光源發(fā)出的光經(jīng)掃描對(duì)象反射后，通過(guò)透鏡在線陣CCD上成像，CCD輸出信號(hào)的電信號(hào)反映了掃描對(duì)象的亮度信息，經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換和編碼后成為數(shù)字信號(hào)輸出。

第三節(jié)光纖傳感器一、光纖傳感器的基本知識(shí)1、光纖結(jié)構(gòu)由纖芯和包層組成（石英玻璃5—100um)（n1>n2)。外層一層尼龍保護(hù)套。2、傳輸原理光的全內(nèi)反射是光纖傳輸光的基礎(chǔ)。（1）光的全反射條件

光由纖芯到包層表面，由光的折射定律。

（2）數(shù)值孔徑NA光由空氣射入光纖端面，與軸成角。即可實(shí)現(xiàn)全反射，光在纖芯內(nèi)全反射（無(wú)損耗）傳輸。希望NA越大越好。它表明無(wú)論光源發(fā)射功率多大，只有2內(nèi)的光才能被光纖接受，全反射傳輸。光纖分類：按傳輸模式分單模光纖、多模光纖

模的概念

光纖傳輸光波，可分解為沿縱向和橫向傳輸兩種平面波成分。橫向波在纖芯和包層界面上產(chǎn)生全反射。當(dāng)它在橫向往返依次的相位變化為2的整數(shù)倍時(shí)，形成駐波。形成駐波的光線組成為模。模是離散存在的。一定材質(zhì)一定尺寸的光纖只能傳輸特定模數(shù)的光波。

模的確定

光纖傳輸模數(shù)由歸一化頻率確定。芯徑大，折射率差大（NA大），N大，多模。芯徑小到6μm,折射率差小到0.5%。N=1光纖只能傳輸一定波長(zhǎng)光，單模。按折射率分布：階躍型光纖和梯度型光纖二、光纖傳感器功能型（傳感型）和非功能型（傳光型）。1、功能型光纖用單模光纖，既傳光又是敏感元件。（單模光纖只能傳輸某一角度和波長(zhǎng)的單色光）光纖的傳輸特性受被測(cè)物理量作用而發(fā)生變化。使光纖中傳輸光的屬性（相位、強(qiáng)度、波長(zhǎng)、偏振態(tài)）被調(diào)制。光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型。測(cè)溫度、壓力、位移等。2、非功能型光纖（光通訊）光纖只作為光的傳輸回路。為了得到較大的受光量和傳輸光功率。非功能型光纖傳感器采用NA較大和芯徑較大的階躍型多模光纖。增大傳輸光的通量。光纖傳感器應(yīng)用光強(qiáng)調(diào)制相位調(diào)制Mach-Zehnder干涉原理圖偏振調(diào)制光纖電流傳感器

三、光纖傳感器應(yīng)用

1、光纖加速度傳感器激光束通過(guò)分光板后分為兩束光,透射光作為參考光束,反射光作為測(cè)量光束。當(dāng)傳感器感受加速度時(shí),由于質(zhì)量塊M對(duì)上下光纖的作用,

從而使光纖被拉伸,引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會(huì)合產(chǎn)生干涉效應(yīng)。激光干涉儀的干涉條紋的移動(dòng)可由光電接收裝置轉(zhuǎn)換為電信號(hào),(光電探測(cè)器置于匯合處）經(jīng)過(guò)處理電路處理后便可正確地測(cè)出加速度值。由于光纖長(zhǎng)度的變化，引起光束光程差的變化兩束光經(jīng)干涉儀產(chǎn)生相干條紋，相干條紋移過(guò)的數(shù)目與相位差成正比。一般用光電探測(cè)器計(jì)下干涉條紋移過(guò)的數(shù)目，經(jīng)處理電路可算出相位差，即而算出加速度。由于光纖感受溫度變化時(shí)，光纖的折射率發(fā)生變化，而且因光的熱脹冷縮使長(zhǎng)度變化。使光纖的光程差及相位變化?？蓽y(cè)溫度和壓力。2、光纖微彎曲位移和壓力傳感器（光強(qiáng)調(diào)制型）光纖微彎對(duì)傳播光的影響當(dāng)光線射入微彎曲段時(shí)，入射角小于臨界角。此時(shí)，除反射光外，一部分光透射進(jìn)入包層。導(dǎo)致光能的損耗。輸出光強(qiáng)度減小。光纖微彎曲傳感器光纖應(yīng)力應(yīng)變傳感器

1.光纖壓力傳感器按光強(qiáng)度調(diào)制原理制成，結(jié)構(gòu)如圖4-26所示，其工作原理是:（1）被測(cè)力作用于膜片，使光纖與膜片間的氣隙減小，使棱鏡與光吸收層之間的氣隙發(fā)生改變。（2）氣隙發(fā)生改變引起棱鏡界面上全（內(nèi)）反射的局部破壞，造成一部分光離開(kāi)棱鏡的上界面，進(jìn)入吸收層并被吸收，致使反射回接收光纖的光強(qiáng)度減小。圖4–26光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu)

1—膜片；2—光吸收層；3—墊圈；4—光導(dǎo)纖維；5—橋式光接收線路；6—發(fā)光二極管；7—?dú)んw；8—棱鏡；9—上蓋。（3）接收光纖內(nèi)反射光強(qiáng)度的改變可由橋式光接收器檢測(cè)出來(lái)。（4）橋式光接收器輸出信號(hào)的大小只與光纖和膜片間的距離和膜片的形狀有關(guān)。光纖壓力傳感器不受電磁干擾，響應(yīng)速度快、尺寸小、重量輕、耐熱性好。由于沒(méi)有導(dǎo)電元件，特別適合于有防爆要求的場(chǎng)合使用。光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表如圖4-30（a）所示，在電機(jī)的轉(zhuǎn)軸上涂上黑白相間的兩色條紋。當(dāng)電機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，所以光電元件間斷的接收光的反射信號(hào)，輸出電脈沖。再經(jīng)過(guò)放大整形電路（見(jiàn)圖4-31），輸出整齊的方波信號(hào)，由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。圖4-30(b)是在電機(jī)軸上固定一個(gè)調(diào)制盤(pán)，上面開(kāi)一些固定間隔的孔洞，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將發(fā)光二極管發(fā)出的恒定光調(diào)制成隨時(shí)間變化的調(diào)制光。同樣經(jīng)光電元件接收，放大整形電路整形，輸出整齊的方波脈沖信號(hào)。每分鐘轉(zhuǎn)速n與輸出的方波脈沖頻率f以及孔數(shù)或黑白條紋數(shù)N的關(guān)系如下：

a)發(fā)光二極管電機(jī)

數(shù)字頻率計(jì)光電元件放大整形電路圖4-30光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖b)發(fā)光二極管電機(jī)數(shù)字頻率計(jì)光電元件放大整形電路調(diào)制盤(pán)調(diào)制盤(pán)圖4-30光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表工作原理圖

R1R3R22C1R4R5R6R7R8R9R10

BG1

BG3C2BG2U0+E有光照無(wú)光照?qǐng)D4-31放大整形電路原理圖

第四節(jié)光柵式傳感器光柵是在一塊長(zhǎng)條型（圓形）光學(xué)玻璃上被均勻刻上許多寬度相等的刻線而制成。a為刻線寬度,b為縫隙寬度,a+b=W稱為光柵的柵距（也稱光柵常數(shù)）。通常a=b=W/2,也可刻成a:b=1.1:0.9。目前常用的光柵每毫米刻成10、25、50、100、250條線條。一、計(jì)量光柵的種類在幾何量精密測(cè)量領(lǐng)域內(nèi)，光柵按其用途分長(zhǎng)光柵和圓光柵兩類。1．長(zhǎng)光柵刻劃在玻璃尺上的光柵稱為長(zhǎng)光柵，也稱為光柵尺，用于測(cè)量長(zhǎng)度或直線位移。根據(jù)柵線型式的不同，長(zhǎng)光柵分黑白光柵和閃耀光柵。黑白光柵是指只對(duì)入射光波的振幅或光強(qiáng)進(jìn)行調(diào)制的光柵，所以叫振幅光柵。閃耀光柵是對(duì)入射光波的相位進(jìn)行調(diào)制，也稱相位光珊。根據(jù)光線的走向，長(zhǎng)光柵還分為透射光柵和反射光柵。2．圓光柵刻劃在玻璃盤(pán)上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤(pán)，用來(lái)測(cè)量角度或角位移。若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。

根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，其柵線的延長(zhǎng)線全部通過(guò)光柵盤(pán)的圓心；另一種是切向光柵，其全部柵線與一個(gè)和光柵盤(pán)同心的直徑只有零點(diǎn)兒或幾個(gè)毫米的小圓相切二、莫爾條紋（1）概念

當(dāng)指示光柵和標(biāo)尺光柵的刻線相交一個(gè)微小的夾角時(shí),光源照射光柵尺，由于擋光效應(yīng)，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯(cuò)開(kāi)處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上,產(chǎn)生出亮暗相間的條紋,這些條紋稱為“莫爾條紋”。（一）莫爾條紋的形成長(zhǎng)光柵莫爾條紋周期由幾何光學(xué)理論可得長(zhǎng)光柵莫爾條紋的斜率為：(二)莫爾條紋的特性1．運(yùn)動(dòng)對(duì)應(yīng)關(guān)系2．位移放大作用光柵移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí),莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)間距B,莫爾條紋的間距B與兩光柵線紋夾角θ之間的關(guān)系為:B=W/sinθ≈W/θ放大倍數(shù)為1/θ,θ越小,B越大。例如θ=0.1°時(shí)θ=0.1°=0.1×2π/360=0.00175432radW=0.02mmBH=11.4592mm。

3.誤差的平均效應(yīng)光電元件對(duì)光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成,對(duì)線紋的刻劃誤差有平均抵消作用,幾條刻線的柵距誤差或斷裂對(duì)莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。

例W=0.02mm,接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范圍內(nèi)有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對(duì)莫爾條紋位置和形狀基本無(wú)影響。(三)莫爾條紋的種類1．長(zhǎng)光柵的莫爾條紋(1)橫向莫爾條紋兩光柵的光柵柵距相等柵線的夾角為θ，則有說(shuō)明莫爾條紋的方向與光柵的移動(dòng)方向(x方向)只差θ／2角。由于θ角根小，條紋近似與柵線的方向垂直，故稱為橫向莫爾條紋。(2)光閘莫爾條紋兩光柵的光柵柵距相等，柵線的夾角θ＝0時(shí)：寬度B趨于無(wú)窮大，兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)入射光就像閘門(mén)一樣時(shí)啟時(shí)閉，故稱為光閘莫爾條紋。兩光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)柵距，視場(chǎng)上的亮度明暗變化一次。2．圓光柵的莫爾條紋(1)徑向光柵的莫爾條紋①圓弧形莫爾條紋②光閘莫爾條紋（2）切向光柵的莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點(diǎn)是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測(cè)量和圓光柵分度誤差的檢驗(yàn)。兩塊切向相同，柵距角相同的切線光柵線面相對(duì)同心重合時(shí)，形成環(huán)形莫爾條紋。三、光柵式傳感器應(yīng)用(一)透射式光柵位移傳感器指示光柵不動(dòng)，標(biāo)尺光柵隨工作臺(tái)移動(dòng)，工作臺(tái)每移動(dòng)一個(gè)柵距，移過(guò)一個(gè)莫爾條紋間距，光電元件接收莫爾條紋移動(dòng)時(shí)光強(qiáng)的變化,則將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào),輸出的幅值可用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示,以電壓輸出而言:將輸出的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、整形變?yōu)榉讲?經(jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號(hào),再經(jīng)過(guò)辨向電路和可逆計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù),則可以數(shù)字形式實(shí)時(shí)地顯示出位移量的大小。光柵位移與光強(qiáng)及輸出的電壓的關(guān)系

設(shè)計(jì)數(shù)器記得脈沖數(shù)為N，位移

x=NW

光柵測(cè)量位移屬于增量式測(cè)量。辨向原理

位移是矢量,除了確定其大小之外,還應(yīng)確定其方向?？蓜?dòng)光柵片向前或向后移動(dòng)時(shí),莫爾條紋都是作明暗交替的變化,從而無(wú)法判別光柵移動(dòng)的方向。在相隔1/4條紋間距的位置上放置兩個(gè)光電元件,得到兩個(gè)相位差π/2的電信號(hào)U1和U2,經(jīng)過(guò)整形后得兩個(gè)方波信號(hào)U1ˊ和U2ˊ。當(dāng)光柵沿A方向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋向B向移動(dòng)。U2超前U190°。U1ˊ經(jīng)微分電路后產(chǎn)生的脈沖（如圖中實(shí)線所示）正好發(fā)生在U2ˊ的“1”電平時(shí),從而經(jīng)Y1輸出一個(gè)加計(jì)數(shù)脈沖;而U1ˊ經(jīng)反相并微分后產(chǎn)生的脈沖（如圖中虛線所示）則與U2ˊ的“0”電平相遇,與門(mén)Y2被阻塞,無(wú)脈沖輸出。辨向原理圖

在光柵沿A方向移動(dòng)時(shí),莫爾條紋向B向移動(dòng)。U1超前U290°。U1ˊ的微分脈沖發(fā)生在U2ˊ為“0”電平時(shí),與門(mén)Y1無(wú)脈沖輸出;而U1ˊ的反相微分脈沖則發(fā)生在U2ˊ的“1”電平時(shí),與門(mén)Y2輸出一個(gè)減計(jì)數(shù)脈沖。則說(shuō)明U2ˊ的電平狀態(tài)作為與門(mén)的控制信號(hào),來(lái)控制在不同的移動(dòng)方向時(shí),U1ˊ所產(chǎn)生的脈沖輸出路線。這樣就可以根據(jù)運(yùn)動(dòng)方向正確的給出加計(jì)數(shù)脈沖或減計(jì)數(shù)脈沖,再將其輸入可逆計(jì)數(shù)器,實(shí)時(shí)顯示出相對(duì)于某個(gè)參考點(diǎn)的位移量。U2ˊ為控制信號(hào)。U1ˊ產(chǎn)生計(jì)數(shù)脈沖。

細(xì)分技術(shù)

目的：提高分