傳感器技術(shù)-第4章 光電傳感器原理與應(yīng)用

第四章光電傳感器原理與應(yīng)用4.1光電效應(yīng)和光電器件4.2光電碼盤(pán)8/20/20231光電式傳感器原理首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后通過(guò)光電器件變換成電信號(hào)。輻射源光學(xué)通路光電器件輸出被測(cè)量被測(cè)量特性

頻譜寬、非接觸測(cè)量、體積小、重量輕等8/20/20232光電式傳感器的基本組成光電式傳感器由光路及電路兩大部分組成，光路部分實(shí)現(xiàn)被測(cè)信號(hào)對(duì)光量的控制和調(diào)制，電路部分完成從光信號(hào)到點(diǎn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換；光學(xué)元件：透鏡、濾光片、光闌、光楔、棱鏡、反射鏡、光通量調(diào)制器、光柵及光導(dǎo)纖維等。實(shí)現(xiàn)光參數(shù)的選擇、調(diào)制和處理。可以測(cè)量光學(xué)量或測(cè)量已先行轉(zhuǎn)換為光學(xué)量的其它被測(cè)量，然后輸出電信號(hào)。測(cè)量光學(xué)量時(shí)，光電元件作為敏感元件使用。光電元件：光電管、光敏電阻、光電二極管、光電晶體管、光電池等。實(shí)現(xiàn)檢測(cè)照射其上的光通量。8/20/20233光電式傳感器的基本組成測(cè)量非光學(xué)量時(shí)，光電元件作為轉(zhuǎn)換元件使用，需要配以光源和調(diào)制件。常用光源：白熾燈、發(fā)光二極管和半導(dǎo)體激光器等，實(shí)現(xiàn)提供恒定的光照條件。調(diào)制件：是用來(lái)將光源提供的光量轉(zhuǎn)換成能與被測(cè)量相對(duì)應(yīng)變化的光量元件，調(diào)制件的結(jié)構(gòu)由被測(cè)量及測(cè)量原理而定。8/20/202344.1光電效應(yīng)和光電器件外光電效應(yīng):

在光線作用下使物體的電子逸出表面的現(xiàn)象。如光電管、光電倍增管內(nèi)光電效應(yīng):在光線作用下能使物體電阻率改變的現(xiàn)象，如光敏電阻等屬于這類(lèi)光電器件。阻擋層光電效應(yīng)(光生伏特效應(yīng)):在光線作用下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。如光電池、光敏晶體管等8/20/20235

1.外光電效應(yīng)

一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定：E=hυ式中：h——普朗克常數(shù)=6.626×10-34(J·s)

υ——光的頻率（s-1）。光電效應(yīng)：當(dāng)光照射物體時(shí)，物體受到一連串具有能量的光子的轟擊，物體中的電子吸收入射光子的能量，而發(fā)生相應(yīng)的效應(yīng)（如發(fā)射電子、電導(dǎo)率變化或產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)）。8/20/20236所以光的波長(zhǎng)越短，即頻率越高，其光子的能量也越大；反之，光的波長(zhǎng)越長(zhǎng)，其光子的能量也就越小。在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。向外發(fā)射的電子叫光電子?；谕夤怆娦?yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。光照射物體，可以看成一連串具有一定能量的光子轟擊物體，物體中電子吸收的入射光子能量超過(guò)逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。8/20/20237式中：m——電子質(zhì)量；

v0——電子逸出速度。

上式為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式,由式可知：光子能量必須超過(guò)逸出功A0，才能產(chǎn)生光電子；入射光的頻譜成分不變，產(chǎn)生的光電子與光強(qiáng)成正比；光電子逸出物體表面時(shí)具有初始動(dòng)能 ，因此對(duì)于外光電效應(yīng)器件，即使不加初始陽(yáng)極電壓，也會(huì)有光電流產(chǎn)生，為使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓。

根據(jù)能量守恒定理8/20/20238在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。光電效應(yīng)又有以下兩類(lèi)：

（2）內(nèi)光電效應(yīng)又稱光電導(dǎo)效應(yīng)。在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量，若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。（3）光生伏特效應(yīng)在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。8/20/20239光電效應(yīng)和光電器件4.1.1光電管4.1.2光電倍增管4.1.3光敏電阻4.1.4光敏二極管和光敏晶體管4.1.5光電池4.1.6光電式傳感器的應(yīng)用上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023104．1．1光電管當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202311真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高.所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023124．1．2光電倍增管在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽(yáng)極上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023138/20/202314光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽(yáng)極倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高 陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射 二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子數(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n，則倍增率為σni為光電陰極的光電流上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202315幾種光電倍增管的外形8/20/2023164．1．3光敏電阻1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)2．光敏電阻的主要參數(shù)3．光敏電阻的基本特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202317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）急劇減小，電路中電流迅速增大。1.光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)8/20/202318當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減少，電流迅速增加上一頁(yè)下一頁(yè)返回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量級(jí)，亮電阻值在幾千歐以下。

8/20/202319光敏電阻的結(jié)構(gòu)光敏電阻的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，圖（a）為金屬封裝的硫化鎘光敏電阻的結(jié)構(gòu)圖。在玻璃底板上均勻地涂上一層薄薄的半導(dǎo)體物質(zhì)，稱為光導(dǎo)層。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。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202320光敏電阻結(jié)構(gòu)(a)光敏電阻結(jié)構(gòu)；(b)光敏電阻電極；(c)光敏電阻接線圖為了提高靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如圖（b）所示。8/20/2023211.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。光敏電阻結(jié)構(gòu)

8/20/2023228/20/202323靈敏度高，光譜特性好，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定如果把光敏電阻連接到外電路中，在外加電壓的作用下，用光照射就能改變電路中電流的大小：

8/20/2023242．光敏電阻的主要參數(shù) （1）暗電阻和暗電流光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值，稱為暗電阻。此時(shí)流過(guò)的電流，稱為暗電流。（2）亮電阻光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。（3）光電流亮電流與暗電流之差，稱為光電流。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023253．光敏電阻的基本特性

（1）伏安特性（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202326（1）伏安特性

在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒(méi)有飽和現(xiàn)象。圖中虛線為允許功耗曲線，由此確定光敏電阻正常工作電壓。8/20/202327（2）光照特性

光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。8/20/202328（3）光譜特性光譜光波：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。遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm8/20/202329光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的在選用光敏電阻時(shí)，要根據(jù)光源考慮。

光敏電阻光敏特性8/20/202330（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202331光敏電阻的頻率特性不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202332（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性溫度系數(shù):定義為：在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202333溫度對(duì)光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)。因此，采取降溫措施，可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023344.1.4光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理2．基本特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023351．工作原理光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似。它裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射。

8/20/202336光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒(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光敏二極管接線圖8/20/202337光的照度越大，光電流越大。因此光敏二極管在不受光照射時(shí)處于截止?fàn)顟B(tài)，受光照射時(shí)處于導(dǎo)通狀態(tài)。

光敏二極管結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖和符號(hào)

8/20/202338PNRE+-If普通二極管8/20/202339PNRE-+Is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。光敏二極管8/20/202340RE-+I當(dāng)光不照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)。PN當(dāng)光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。8/20/2023418/20/2023428/20/202343光敏晶體管光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)PN結(jié)，如下圖（a）所示，只是它的集電極一邊做得很大，以擴(kuò)大光的照射面積。光敏晶體管接線如圖（b）所示。8/20/202344普通三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP8/20/202345光敏三極管ICIBeEBECIERCRbcbNNP基區(qū)很薄，基極一般不接引線；集電極面積較大。8/20/202346ICeECIERCcNNPb具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。當(dāng)集電極加上相對(duì)于發(fā)射極為正的電壓而不接基極時(shí)，集電結(jié)就是反向偏壓。8/20/202347光敏晶體管當(dāng)光照射在集電結(jié)時(shí)，就會(huì)在結(jié)附近產(chǎn)生電子—空穴對(duì)，光生電子被拉到集電極，基區(qū)留下空穴，使基極與發(fā)射極間的電壓升高。這樣便會(huì)有大量的電子流向集電極，形成輸出電流，且集電極電流為光電流的β倍，所以光敏晶體管有放大作用。ICeECIERCcNNPb8/20/202348光敏晶體管的光電靈敏度雖然比光敏二極管高得多，但在需要高增益或大電流輸出的場(chǎng)合，需采用達(dá)林頓光敏管。它是一個(gè)光敏晶體管和一個(gè)晶體管以共集電極連接方式構(gòu)成的集成器件。由于增加了一級(jí)電流放大，所以輸出電流能力大大加強(qiáng)，甚至可以不必經(jīng)過(guò)進(jìn)一步放大，便可直接驅(qū)動(dòng)靈敏繼電器。達(dá)林頓光敏管的等效電路

8/20/202349紅外線,光敏晶體管光敏晶體管8/20/2023502．基本特性（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202351（1）光譜特性入射光的波長(zhǎng)增加時(shí)，相對(duì)靈敏度要下降硅和鍺光敏二極（晶體）管的光譜特性可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管。在紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則鍺管較為適宜。硅的峰值波長(zhǎng)約為0.9μm，鍺的峰值波長(zhǎng)約為1.5μm。8/20/202352（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性為硅光敏二極管的伏安特性。當(dāng)光照時(shí)，反向電流隨著光照強(qiáng)度的增大而增大，在不同的照度下，伏安特性曲線幾乎平行，所以只要沒(méi)達(dá)到飽和值，它的輸出實(shí)際上不受偏壓大小的影響。為硅光敏晶體管的伏安特性。由于晶體管的放大作用，在同樣照度下，其光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍。8/20/202353（3）光照特性硅光敏管的光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好上一頁(yè)下一頁(yè)返回(a)光敏二極管(b)光敏三極管近似線性關(guān)系。但光照足夠大時(shí)會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。故光敏三極管既可做線性轉(zhuǎn)換元件，也可做開(kāi)關(guān)元件8/20/202354（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。所以在電子線路中應(yīng)該對(duì)暗電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償，否則將會(huì)導(dǎo)致輸出誤差。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202355（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系

硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023564．1．5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時(shí)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。

1.工作原理

2．基本特性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023571.工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。RLI---mAV+++PN8/20/202358

光電池的工作原理是基于“光生伏特效應(yīng)”。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)。RLI---mAV+++PN8/20/202359光電池有硒光電池、砷化鎵光電池、硅光電池、硫化鉈光電池、硫化鎘光電池等。目前，應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池和硒光電池。硅光電池的價(jià)格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長(zhǎng)，適于接受紅外光。硒光電池的光電轉(zhuǎn)換效率低、壽命短，適于接收可見(jiàn)光。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光譜最吻合，且工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。適于宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測(cè)器等方面應(yīng)用。8/20/202360硅光電池原理圖(a)結(jié)構(gòu)示意圖；(b)等效電路8/20/2023612．基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202362（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的上一頁(yè)下一頁(yè)返回不同材料的光電池，光譜響應(yīng)峰值所對(duì)應(yīng)的入射光波長(zhǎng)是不同的，硅光電池波長(zhǎng)在0.8μm附近，硒光電池在0.5μm附近。硅光電池的光譜響應(yīng)波長(zhǎng)范圍為0.4-1.2μm，而硒光電池只能為0.38-0.75μm。硅光電池可以在很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)得到應(yīng)用。8/20/202363(2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的。短路電流與光照度成線性關(guān)系；開(kāi)路電壓（即負(fù)載電阻RL無(wú)限大時(shí)）與光照度是非線性的，并且當(dāng)照度在200lx時(shí)就趨于飽和了。因此用光電池作為測(cè)量元件時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用，不宜用作電壓源。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202364光電池的短路電流短路電流：外接負(fù)載電阻相對(duì)于它的內(nèi)阻來(lái)說(shuō)很小情況下的電流值。

負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬8/20/202365(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系

硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換8/20/202366(4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)開(kāi)路電壓隨溫度升高而下降的速度較快，而短路電流隨溫度升高而緩慢增加。由于溫度對(duì)光電池的工作有很大影響，因此把它作為測(cè)量元件使用時(shí)，最好能保證溫度恒定或采取溫度補(bǔ)償措施。8/20/202367(5)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(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環(huán)境條件上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023684．1．6光電式傳感器的應(yīng)用模擬式傳感器脈沖式傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/2023691．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。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。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202370平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道8/20/2023712．脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。屬于這一類(lèi)的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。上一頁(yè)下一頁(yè)返回8/20/202372光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表上一頁(yè)返回8/20/202373231231(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)制盤(pán)，在調(diào)制盤(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)。8/20/2023743.光電池應(yīng)用

光電池主要有兩大類(lèi)型的應(yīng)用： 1）將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是人們探索新能源的一個(gè)重要研究課題。

太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)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。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)電池將獲得更廣泛的應(yīng)用。8/20/202375太陽(yáng)電池電源

太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負(fù)載太陽(yáng)電池方陣直流負(fù)載阻塞二極管阻塞二極管是用來(lái)控制光伏系統(tǒng)中電流的。任何一個(gè)獨(dú)立光伏系統(tǒng)都必須有防止從蓄電池流向陣列的反向電流的方法或有保護(hù)或失效的單元的方法。

8/20/202376 2）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(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。8/20/2023774.1光電效應(yīng)和光電器件4.1.1光電管4.1.2光電倍增管4.1.3光敏電阻4.1.4光敏二極管和光敏晶體管4.1.5光電池4.1.6光電式傳感器的應(yīng)用8/20/2023784.1.1光電管——原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)陰極受到適當(dāng)波長(zhǎng)的光線照射時(shí)便發(fā)射電子，電子被帶正電位的陽(yáng)極所吸引，在光電管內(nèi)就有電子流，在外電路中便產(chǎn)生了電流。8/20/202379真空光電管的伏安特性充氣光電管的伏安特性充氣光電管:構(gòu)造和真空光電管基本相同，優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，所不同的僅僅是在玻璃泡內(nèi)充以少量的惰性氣體。其靈敏度隨電壓變化的穩(wěn)定性、頻率特性等都比真空光電管差，在測(cè)試中一般選擇真空光電管。4.1.1光電管——伏安特性光電管的工作點(diǎn)應(yīng)選擇在光電流與陽(yáng)極電壓無(wú)關(guān)的區(qū)域！8/20/2023804.1.2光電倍增管在入射光極為微弱時(shí)，光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，光電倍增管：放大光電流組成：光電陰極+若干倍增極+陽(yáng)極8/20/202381光電倍增管的結(jié)構(gòu)與工作原理光電陰極光電倍增極陽(yáng)極 倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高

陰極發(fā)射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射系數(shù)σ=二次發(fā)射電子數(shù)／入射電子數(shù) 若倍增極有n個(gè)，則倍增率為σn8/20/2023824.1.3-1光敏電阻的工作原理及結(jié)構(gòu)當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值(暗電阻)很大，電路中電流很小當(dāng)有光照時(shí)，光敏電阻值(亮電阻)急劇減小，電流迅速增加8/20/202383光敏電阻的結(jié)構(gòu)1.玻璃2.光電導(dǎo)層3.電極4.絕緣襯底5.金屬殼6.黑色絕緣玻璃7.引線光敏電阻的靈敏度易受潮濕的影響，因此要將光電導(dǎo)體嚴(yán)密封裝在帶有玻璃的殼體中。半導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層。光敏電阻的電極一般采用梳狀，可提高光敏電阻的靈敏度。8/20/2023844.1.3-2光敏電阻的主要參數(shù)暗電阻和暗電流：光敏電阻在室溫條件下，在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值稱暗電阻，此時(shí)流通的電流稱暗電流。亮電阻和亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻，此時(shí)流通的電流稱暗電流。光電流：亮電流與暗電流之差，稱為光電流。一般光敏電阻的暗電阻越大，亮電阻越小，則性能越好。暗電阻一般在兆歐數(shù)量級(jí)，亮電阻一般在幾千歐以下，暗電阻與亮電阻之比一般在10^2~10^6之間。8/20/2023854.1.3-3光敏電阻的基本特性（1）伏安特性

（2）光照特性（3）光譜特性（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性（5）溫度特性8/20/202386（1）伏安特性在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系在給定的偏壓情況下，光照度越大，光電流也就越大；在一定光照度下，加的電壓越大，光電流越大，沒(méi)有飽和現(xiàn)象；光敏電阻的最高工作電壓是由耗散功率決定的，耗散功率又和面積以及散熱條件等因素有關(guān)。8/20/202387

（2）光照特性光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系由于光敏電阻的光照特性呈非線性，因此不宜作為測(cè)量元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中常用作開(kāi)關(guān)式光電信號(hào)傳感元件。8/20/202388（3）光譜特性光敏電阻對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的8/20/202389選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)結(jié)合元件和光源的種類(lèi)考慮！8/20/202390（4）響應(yīng)時(shí)間和頻率特性光電導(dǎo)的弛豫現(xiàn)象：光電流的變化對(duì)于光的變化，在時(shí)間上有一個(gè)滯后。通常用響應(yīng)時(shí)間t表示。8/20/202391不同材料的光敏電阻具有不同的響應(yīng)時(shí)間，所以它們的頻率特性也就不盡相同；硫化鉛使用頻率范圍較大，其它的都比較差！8/20/202392（5）溫度特性光敏電阻受溫度的影響較大。當(dāng)溫度升高時(shí)，它的暗電阻和靈敏度都下降。硫化鎘光敏電阻的溫度特性溫度系數(shù):在一定光照下，溫度每變化1℃，光敏電阻阻值的平均變化率。8/20/202393溫度對(duì)光譜特性影響隨著溫度升高，光譜響應(yīng)峰值向短波方向移動(dòng)；采取降溫措施可以提高光敏電阻對(duì)長(zhǎng)波光的響應(yīng)。硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性8/20/2023944.1.4光敏二極管和光敏晶體管1．工作原理2．基本特性8/20/2023954.1.4-1光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中；在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)的；沒(méi)有光照時(shí)，反向電阻很大，反向電流很??；光照時(shí)，根據(jù)光照度的變化，光電流（外電流）強(qiáng)度相應(yīng)變化；因此光敏二極管能將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。8/20/2023964.1.4-2光敏晶體管與一般晶體管很相似，具有兩個(gè)pn結(jié)。把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)同時(shí)，又將信號(hào)電流加以放大。8/20/2023974.1.4-3基本特性（1）光譜特性（2）伏安特性（3）光照特性（4）溫度特性（5）頻率響應(yīng)8/20/202398（1）光譜特性入射光的波長(zhǎng)增加或縮短時(shí)，相對(duì)靈敏度都要下降；可見(jiàn)光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，一般都用硅管；在紅外光進(jìn)行探測(cè)時(shí)，則鍺管較為適宜。8/20/202399（2）伏安特性硅光敏管的伏安特性光敏晶體管的光電流比同管型的二極管大上百倍；在零偏壓時(shí)，光敏二極管仍有光電流輸出，而三極管沒(méi)有。8/20/2023100

（3）光照特性光敏二極管的光照特性曲線的線性較好光敏晶體管在光照度較大的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象8/20/2023101（4）溫度特性其暗電流及光電流與溫度的關(guān)系溫度變化對(duì)光電流影響很小，而對(duì)暗電流影響很大。8/20/2023102（5）頻率響應(yīng)具有一定頻率的調(diào)制光照射時(shí)，光敏管輸出的光電流(或負(fù)載上的電壓)隨頻率的變化關(guān)系硅光敏晶體管的頻率響應(yīng)8/20/20231034.1.5光電池有光線作用下實(shí)質(zhì)上就是電源，電路中有了這種器件就不再需要外加電源。8/20/20231044.1.5-1.工作原理直接將光能轉(zhuǎn)換為電能的光電器件，是一個(gè)大面積的pn結(jié)。當(dāng)光照射到pn結(jié)上時(shí)，便在pn結(jié)的兩端產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)(p區(qū)為正，n區(qū)為負(fù))。用導(dǎo)線將pn結(jié)兩端用導(dǎo)線連接起來(lái)，就有電流流過(guò)，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至n區(qū)。若將電路斷開(kāi)，就可以測(cè)出光生電動(dòng)勢(shì)。8/20/20231054.1.5-2基本特性(1)光譜特性(2)光照特性(3)頻率響應(yīng)(4)溫度特性(5)穩(wěn)定性8/20/2023106（1）光譜特性光電池對(duì)不同波長(zhǎng)的光，靈敏度是不同的；硒光電池峰值位置在人眼的視覺(jué)范圍，因此常用在分析、測(cè)量?jī)x表中；硅光電池的波長(zhǎng)范圍較寬。8/20/2023107(2)光照特性不同光照度下，光電流和光生電動(dòng)勢(shì)是不同的；短路電流與光照度成線性關(guān)系；開(kāi)路電壓與光照度是非線性的；光電池作為測(cè)量元件使用時(shí)，應(yīng)把它當(dāng)作電流源的形式來(lái)使用；注：光電池的內(nèi)阻隨著光照度的增加而減小。8/20/2023108負(fù)載越小，光電流與照度之間的線性關(guān)系越好，而且線性范圍越寬8/20/2023109(3)頻率響應(yīng)指輸出電流隨調(diào)制光頻率變化的關(guān)系硅光電池具有較高的頻率響應(yīng),用于高速計(jì)數(shù)的光電轉(zhuǎn)換8/20/2023110(4)溫度特性開(kāi)路電壓和短路電流隨溫度變化的關(guān)系。關(guān)系到應(yīng)用光電池的儀器的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等重要指標(biāo)硅光電池的溫度特性(照度1000lx)8/20/2023111(5)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(shí)，光電池的性能是相當(dāng)穩(wěn)定的 硅光電池的性能比硒光電池更穩(wěn)定影響性能和壽命因素： 光電池的材料及制造工藝 使用環(huán)境條件8/20/20231124.1.6光電式傳感器的應(yīng)用利用光源發(fā)出一個(gè)恒定光通量的光，并使之穿過(guò)被測(cè)對(duì)象，其中一部分光被吸收，其余的光則到達(dá)光電元件上，轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)輸出；光電元件上輸出的光電流是被測(cè)對(duì)象所吸收光通量的函數(shù)；應(yīng)用在測(cè)量液體、氣體和固體的透明度和渾濁度等參數(shù)。8/20/2023113將恒定光源發(fā)出的光透射到被測(cè)對(duì)象上，由光電元件接收其反射光通量；反射光通量的變化反映出被測(cè)對(duì)象的特性，如通過(guò)光通量變化的大小，可以反映出被測(cè)量物體的表面光潔度；通過(guò)光通量的變化頻率，可以反映出被測(cè)量物體的轉(zhuǎn)速。8/20/2023114光源本身就是被測(cè)對(duì)象，即被測(cè)對(duì)象就是輻射源；光電元件接收輻射能的強(qiáng)弱變化；光通量的強(qiáng)弱與被測(cè)參數(shù)有關(guān)（如溫度的高低）。8/20/2023115在光源與光電元件間的光路上，有物體時(shí)，光路被切斷，沒(méi)有物體時(shí)，光路暢通；光敏元件上表現(xiàn)有光就有電信號(hào)，無(wú)光時(shí)則無(wú)電信號(hào)，即僅為“1”，“0”兩種開(kāi)關(guān)狀態(tài)；應(yīng)用在開(kāi)關(guān)、計(jì)數(shù)及編碼上。8/20/20231161.模擬式光電傳感器基于光電器件的光電流隨光通量而發(fā)生變化，是光通量的函數(shù)。 對(duì)于光通量的任意一個(gè)選定值，對(duì)應(yīng)的光電流就有一個(gè)確定的值，而光通量又隨被測(cè)非電量的變化而變化，這樣光電流就成為被測(cè)非電量的函數(shù)。8/20/2023117光電比色高溫計(jì)1－物鏡；2－平面玻璃；3－光闌；4－光導(dǎo)棒；5－分光鏡；6－濾光片；7－硅光電池；8－濾光片；9－硅光電池；10－瞄準(zhǔn)反射鏡；11－圓柱反射鏡；12－目鏡；13－多夫棱鏡14、15－硅光電池負(fù)載電阻；16－可逆電機(jī)；17－電子電位差計(jì)8/20/20231182.脈沖式光電傳感器光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。屬于這一類(lèi)的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。8/20/2023119光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表8/20/2023120五、光譜特性光譜光波：波長(zhǎng)為10—106nm的電磁波紫外線：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)紫外線可見(jiàn)光：波長(zhǎng)380—780nm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。遠(yuǎn)紫外近紫外可見(jiàn)光近紅外遠(yuǎn)紅外極遠(yuǎn)紫外0.010.11100.050.55波長(zhǎng)/μm8/20/2023121鎢絲燈的相對(duì)光譜功率分布鎢絲燈發(fā)出的光中有很多是我們看不見(jiàn)的8/20/2023122峰值波長(zhǎng)和溫度的關(guān)系：溫度升高向短波方向移動(dòng)

例1：燒紅的火鉗

0.6微米0.78微米3~5微米8~14微米溫度高－－通紅溫度低－－暗紅8/20/2023123－－人工光源，如黑體輻射器、白熾燈、激光器等，可組成主動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，其信息源來(lái)自人造光源對(duì)目標(biāo)的反射、透射和散射等光輻射，它一般需要人為精心設(shè)計(jì)光發(fā)射系統(tǒng)，如激光制導(dǎo)、光電精密微小尺寸測(cè)量、光電磁場(chǎng)測(cè)量······8/20/2023124漆黑環(huán)境中的人和鐵絲網(wǎng)的溫差溫度低溫度高－－自然光源，如太陽(yáng)、導(dǎo)彈尾焰、人體等，可組成被動(dòng)探測(cè)系統(tǒng)，其信息源直接來(lái)自目標(biāo)自身的輻射或外來(lái)光輻射，它沒(méi)有人為的光發(fā)射系統(tǒng)，如天文光電探測(cè)、紅外跟蹤制導(dǎo)、微光夜視儀······8/20/2023125例1．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。煙道里的煙塵濁度是可以通過(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。8/20/2023126平行光源光電探測(cè)放大顯示刻度校正 報(bào)警器吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖煙道8/20/2023127脈沖式光電傳感器 光電器件的輸出僅有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，也就是“通”與“斷”的開(kāi)關(guān)狀態(tài)。 光電器件受光照時(shí)，有電信號(hào)輸出，光電器件不受光照時(shí)，無(wú)電信號(hào)輸出。屬于這一類(lèi)的大多是作繼電器和脈沖發(fā)生器應(yīng)用的光電傳感器，如測(cè)量線位移、線速度、角位移、角速度(轉(zhuǎn)速)的光電脈沖傳感器等等。8/20/2023128例2．光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表8/20/2023129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)。在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)制盤(pán)，在調(diào)制盤(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。8/20/2023130光電池應(yīng)用

光電池主要有兩大類(lèi)型的應(yīng)用： 1）將光電池作光伏器件使用，利用光伏作用直接將大陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能，即太陽(yáng)能電池。這是人們探索新能源的一個(gè)重要研究課題。

太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā)、航空、通信設(shè)施、太陽(yáng)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。隨著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展，成本會(huì)逐漸下降，太陽(yáng)電池將獲得更廣泛的應(yīng)用。8/20/2023131例3．太陽(yáng)電池電源

太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載供電，則加一個(gè)直流－交流變換器，太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)框圖如圖。

調(diào)節(jié)控制器逆變器交流負(fù)載太陽(yáng)電池方陣直流負(fù)載阻塞二極管阻塞二極管是用來(lái)控制光伏系統(tǒng)中電流的。任何一個(gè)獨(dú)立光伏系統(tǒng)都必須有防止從蓄電池流向陣列的反向電流的方法或有保護(hù)或失效的單元的方法。

8/20/2023132 2）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(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。8/20/20231334.2光電碼盤(pán)數(shù)字式傳感器:把輸入量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量輸出優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量精度和分辨力高，抗干擾能力強(qiáng)，能避免在讀標(biāo)尺和曲線圖時(shí)產(chǎn)生的人為誤差，便于用計(jì)算機(jī)處理。8/20/2023134最簡(jiǎn)單的數(shù)字式傳感器是編碼器，它能把角位移或線位移經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，相應(yīng)的編碼器是角度數(shù)字編碼器（碼盤(pán)）或直線位移編碼器（碼尺）。比相同尺寸的模擬式傳感器具有更高的分辨率、可靠性和精度。原理分類(lèi)：電觸式、電容式、感應(yīng)式和光電式等其中，光電式性價(jià)比最高，它作為精密位移傳感器在自動(dòng)測(cè)量和自動(dòng)控制技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。目前我國(guó)已有23位光電編碼器，為科學(xué)研究、軍事、航天和工業(yè)生產(chǎn)提供了對(duì)位移量進(jìn)行精密檢測(cè)的手段。8/20/20231354.2光電碼盤(pán)4.2.1工作原理4.2.2碼盤(pán)和碼制4.2.3二進(jìn)制碼與循環(huán)碼的轉(zhuǎn)換4.2.4分類(lèi)4.2.5應(yīng)用8/20/20231364.2.1工作原理光電碼盤(pán)式傳感器是用光電方法把被測(cè)角位移轉(zhuǎn)換成以數(shù)字代碼形式表示的電信號(hào)的轉(zhuǎn)換部件。1－光源2－柱面鏡3－碼盤(pán)4－狹縫5－光電元件8/20/2023137工作原理由光源1發(fā)出的光線，經(jīng)柱面鏡2變成一束平行光或會(huì)聚光，照射到碼盤(pán)3上。碼盤(pán)由光學(xué)玻璃制成，其上刻有許多同心碼道，每位碼道上都有按一定規(guī)律排列的透光和不透光部分，即亮區(qū)和暗區(qū)。通過(guò)亮區(qū)的光線經(jīng)狹縫4后，形成一束很窄的光束照射在元件5上。8/20/2023138光敏元件的排列與碼道一一對(duì)應(yīng)，對(duì)應(yīng)于亮區(qū)和暗區(qū)的光敏元件輸出的信號(hào)，前者為“1”，后者為“0”。當(dāng)碼盤(pán)旋至不同位置時(shí)，光敏元件輸出信號(hào)的組合，反映出按一定規(guī)律編碼的數(shù)字量，代表了碼盤(pán)軸的角位移大小。8/20/20231394.2.2碼盤(pán)和碼制根據(jù)碼盤(pán)的起始和終止位置就可確定轉(zhuǎn)角，與轉(zhuǎn)動(dòng)的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。8/20/2023140二進(jìn)制碼盤(pán)主要特點(diǎn)：（1）n位(n個(gè)碼道)的二進(jìn)制碼盤(pán)具有2n種不同編碼，稱其容量為2n，其最小分辨力θ1＝3600／2n；對(duì)應(yīng)于五個(gè)碼道，θ1＝3600／2n＝360/25＝11.25o；對(duì)于21個(gè)碼道，θ1＝0.618”（2）二進(jìn)制碼為有權(quán)碼，編碼Cn，Cn-1，…，C1對(duì)應(yīng)于由零位算起的轉(zhuǎn)角為：（3）碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)中，Ci變化時(shí)，所有Cj(j<i)應(yīng)同時(shí)變化。8/20/2023141N=an-1×rn-1＋an-2×rn-2＋…＋a0×r0＋a-1×r-1＋…＋a-m×r-mr進(jìn)制數(shù)的十進(jìn)制數(shù)N可表示為：R進(jìn)制數(shù)用r個(gè)基本符號(hào)（例如0，1，2，…，r-1）表示系數(shù)基數(shù)權(quán)系數(shù)678.34=6×102+7×101+8×100+3×10-1+4×10-28/20/202314