第七章光电传感器

光电编码器的输出波形
图中为： A
鉴相
双向计数电路
3片74LS193
三、角编码器的应用
角编码器除了能直接测量角位移或间 接测量直线位移外，可用于数字测速、工 位编码、伺服电机控制等。
编码器在定位加工中的应用
1—绝对式编码器 2—电动机 3—转轴 4—转盘 5—工件 6—刀具
设该增量式光电编码器 的参数为1024 p/r，大、小 皮带轮的传动比为5，若希望 当加工好元件1后紧接着加工 元件8，则电动机转动了多少 分之几圈？应等待编码器给 出多少脉冲数时，电动机停 转？
数控加工中心
编码器在数控 加工中心的刀库选 刀控制中的应用
角编码器与 旋转刀库连接
刀具 旋转刀库 角编码器的输出为 当前刀具号 被加工工件
用不同的刀具 加工复杂的工件
编码器在伺服电机中的应用
利用编码器测 量伺服电机的转速、 转角，并通过伺服 控制系统控制其各 种运行参数。
•转速测量 •转子磁极位置测量 •角位移测量
在上一页图的码盘里圈，还有一根狭缝 C ， 每转能产生一个脉冲，该脉冲信号又称“一转信 号”或零标志脉冲，作为测量的起始基准。
光电编码器的输出波形
A 1
R DG1
&
C DG2
A D G4 & Uo1
1 B DG3 & DG5 Uo2
A B
A B
A B
A U 01 U 02
A B
A U 01 U 02
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
遮光式是指当光源发出的光通量经被测物光遮其中一 部份，使投射到光电元件上的光通量改变，改变的程度与 被测物体在光路位置有关。
二、光电效应
1、定义：
对不同频率ν的光，其光子能量E=hν是不相同的，光波 频率ν越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看作 是一连串能量为hν的光子轰击在这个物体上，此时光子能量 就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个 电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变 化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，这种物理现 象称为光电效应。
一、光电传感器的原理及类型 2、光百度文库传感器的分类
（1）透射式是指被测物体放在光路中，恒光源发出 的光能量穿过被测物，部份被吸收后，透射光投射到光 电元件上，因此又称之为吸收式。
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
漫反射式是指恒光源发出的光投射到被测物上，再
从被测物体表面反射后投射到光电元件上
x θ
滚珠丝杠螺母副
螺母 滚珠丝杠螺母 副能够减小传动 磨檫力，延长使 用寿命，减小间 隙误差。
丝杠
θ x
传动分析
设：螺距t=4mm，丝杠在4s时间里转动了10圈， 求：丝杠的平均转速n(r/min)及螺母移动了多少毫 米？螺母的平均速度v又为多少？
螺距 N=10圈
螺母 丝杠
x=？
二、增量式和绝对式测量
三、主要光电器件及其特点
光敏电阻 1.工作原理 光敏电阻是基于内 光电效应的光电元件 ， 当内光电效应发生时，
当光敏电阻受到光照时， 阻值减小。
固体材料吸收的能量使
部分 价带 电子迁移到 导 带 ，同时在价带中留下
空穴，这样由于材料中
载流子个数的增加， 材料电导率增加。 暗电流（越小越好）
Ic N V P IΦ N U0 RL + μ A b) E c E e
a) 结构示意图和图形符号
基本电路
a)结构示意图
b )基本电路
三、主要光电器件及其特点
光敏二极管和三极管
Ic N V P IΦ N U0 RL + μ A b) E c E e
a) 结构示意图和图形符号
基本电路
a)结构示意图
360 n

11-3
11-4
1 分辨率 n
二、增量式编码器
转轴 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝
A A C
B
光敏元件
盘码及 狭缝 零位标志
B C
光电编码器的输出波形
为了判断码盘旋转的方向，在上图的光栏板上的两个 狭缝距离是码盘上的两个狭缝距离的（m +1/4）倍，m 为 正整数，并设置了两组光敏元件A、B，有时又称为sin、 cos元件。
b )基本电路
三、主要光电器件及其特点
光电池 1.工作原理 硅光电池的工作原理是光生伏特效应。 当光照射在硅光电池的PN结区时，会在半 导体中激发出光生电子一空穴对。 PN结两边的光生电子一空穴对，在内 电场的作用下，属于多数载流子的不能穿 越阻挡层，而少数载流子却能穿越阻挡层。 结果，P区的光生电子进入N区，N区的光生 空穴进入p区，使每个区中的光生电子一空 穴对分割开来。 光生电子在N区的集结使N区带负电， 光生空穴在p区的集结使P区带正电。P区和 N区之间产生光生电动势。当硅光电池接入 负载后，光电流从P区经负载流至N区，负 载中即得到功率输出。
绝对式光电编码器的测量精度取决于它所
能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n
有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： α=360°/2n 分辨率=1/2n
增量式光电编码器的分辨力及分辨率
增量式光电编码器的测量精度取决于它所能 分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹 数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：
A 1 & C DG2
R DG1
A D G4
&
Uo1
1 B
DG3
& DG5
Uo2
辨向信号和零标志
光电编码器的光栏板上有 A 组与 B 组两组狭缝，彼此错 开 1/4 节距，两组狭缝相对应 的光敏元件所产生的信号 A 、 B彼此相差90相位，用于辩向。 当编码正转时， A 信号超前 B 信号90；当码盘反转时，B信 号超前A信号90。 (请画出反转时信号B的波形）
三、主要光电器件及其特点
光电管 结构原理 光电管是利用外光电效应制成的光电元件。
如下图所示：半圆筒形金属片制成的阴极 K 和位于阴极轴心
的阳极 A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时， 单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，
从而使自由电子的能量增加 hν 。当电子能量大于阴极材料的逸
工作台
工作台运动方向
光栅
2.间接测量
工作台 丝杠 x θ 进给电机
编码器
在间接测量 中，多使用旋转式 位置传感器。测量 到的回转运动参数 仅仅是中间值，但 可由这中间值再推 算出与之关联的移 动部件的直线位移 间接测量须使用丝 杠-螺母、齿轮-齿 条等传动机构。
传动机构
齿距
齿轮
齿条
滚珠丝杠螺母 副、齿轮-齿条副 等传动机构能够 将旋转运动转换 成直线运动。但 应设法消除传导 过程产生的间隙 误差。
可移动电缆 扫描头（与移动部件固定） 光栅尺
反射式光栅
透射式光栅
莫尔条纹演示
手动演示
莫尔条纹的光学放大作用
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠 合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹 角θ。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两 光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。
10码道光电绝对式码盘
透光区
不透光区
绝对式码盘与增量 式码盘有何区别？
零位标志
绝对式接触式编码器演示
4个电刷
4位二进制 码盘 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 α=360°/2n
2．绝对式光电编码器
低位 高位
a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道）
绝对式光电编码器的分辨力及分辨率
第二节 数字式角编码器
（参考德国沃申道夫公司资料）
信号航空插头
其他角编码器外形
其他角编码器外形（续）
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
其他角编码器外形
（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）
一、绝对式编码器
绝对式编码器按照 角度直接进行编码， 可直接把被测转角用 数字代码表示出来。 根据内部结构和检测 方式有接触式、光电 式等形式。
三、主要光电器件及其特点
光敏电阻 2.结构 光敏电阻是薄膜元件， 它是由在陶瓷底衬上覆一 层光电半导体材料（金属
硫化物、硒化物和锑化
物）。 目前生产的光敏电阻
主要是硫化镉。
三、主要光电器件及其特点
光敏二极管和三极管 基本原理 其结构如下图所示，只是它的 PN 结装在管壳顶部，光线通过透镜制成 的窗口，可以集中照射在 PN 结上，有 光照时反向导通。
L≈W/θ ， （θ 为主光栅和 指示光栅刻线的 夹角，弧度）
光栅的刻线宽度W 莫尔条纹的宽度L
莫尔条纹光学放大作用 举例
有一直线光栅，每毫米刻线数为50，主光栅与 指示光栅的夹角 =1.8，则： 分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的宽度是栅距的32倍： L ≈W/θ = 0.02mm/（1.8 *3.14/180 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察” 莫尔条纹光强的变化。
光电倍增管
当有光子入射到光阴极K上，只要光子的能量大于光阴极材料的 脱出功，就会有电子从阴极的表面逸出而成为光电子。在K和D1之间 的电场作用下，光电子被加速后轰击第一倍增极D1，从而使D1产生二 次电子发射，每一个电子的轰击约可产生3～5个二次电子，这样就实 现了电子数目的放大。D1产生的二次电子被D2和D1之间的电场加速 后轰击D2，……。这样的过程一直持续到最后一级倍增极Dn，每经过 一级倍增极，电子数目便被放大一次，倍增极的数目有8～13个，最后 一级倍增极Dn发射的二次电子被阳极A收集。若倍增电极有n级，各级 的倍增率为б，则光电倍增管的倍增率可以认为是б n，因此，光电倍 增管有极高的灵敏度。
第七章
光电传感器
本次课主要讲述内容：
1、光电传感器原理及类型
2、光电效应
3、主要光电器件及其特点
一、光电传感器的原理及类型 1、原理 光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到 红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号 的器件，原理如下图。
一、光电传感器的原理及类型 2、光电传感器的分类
按光电元件输出量性质可分二类，即模拟式光电传 感器和脉冲(开关)式光电传感器。 模拟式光电传感器是将被测量转换成连续变化的光 电流，它与被测量间呈单值关系。 模拟式光电传感器按被测量(检测目标物体)方法可 分为：透射(吸收)式、 漫反射式、 遮光式(光束阻档)三大类。
移，则该测量方式为 直接测量。例如直接用于直线 位移测量的直线光栅和长磁栅等；直接用于角度测 量的角编码器、圆光栅、圆磁栅等。 若旋转式位置传感器测量的回转运动只是中间值，
再由它推算出与之关联的移动部件的直线位移，则该
测量方式为间接测量。
1.直接测量
直接测 量的误差较 小。 图为利 用光栅传感 器测量数控 机床工作台 位移量的现 场照片。
在增量式测量中，移动 部件每移动一个基本长度单 位，位置传感器便发出一个 测量信号，此信号通常是脉 冲形式。这样，一个脉冲所 代表的基本长度单位就是分 辨力，对脉冲计数，便可得 到位移量。 增量式测量得到的脉冲波形
绝对式测量的特点是：
每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式 来表示。绝对式测量即使断电之后再重新上电，也能读出当前 位置的数据。典型的绝对式位置传感器有绝对式角编码器。
二、光电效应
2、光电效应的分类： 1)在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外 光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍 增管等。 2)在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内 光电效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏 晶体管等。 3)在光线作用下，物体产生一定方向电动势的现象称 为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池 等。
补充：数字式位置传感器
本章学习几种常用数字式位置传感器的结
构、原理，如角编码器、光栅传感器、磁栅传 感器、容栅传感器等，并讨论他们在直线位移 和角位移中测量、控制的应用。
第一节
位置测量的方式
一、直接测量和间接测量 位置传感器有直线式和旋转式两大类。 若位置传感器所测量的对象就是被测量本身，即
用直线式传感器测直线位移，用旋转式传感器测角位
第三节
光栅传感器
一、光栅的类型和结构
计量光栅可分为透射式光栅和反射式 光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元 件三大部分组成。 计量光栅按形状又可分为长光栅和圆 光栅。
光栅的外形及结构
尺身 尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长磁栅
反射式扫描头
（与移动部件固定）
扫描头安装孔
可移动电缆
光栅的外形及结构（续）
出功A时，它就逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子。
A K
IΦ E RL U0
三、主要光电器件及其特点
光电倍增管 由于真空光电管的灵敏度低，因此人们研制了具有放 大光电流能力的光电倍增管。
K
光电倍增管主要由光阴极K、倍增极D和阳极A组成， 并根据要求采用不同性能的玻璃壳进行真空封装。
三、主要光电器件及其特点