第四章光电式传感器

4. 应用
安装套
角编码器外形
安装轴
拉线式角编 码器利用线轮， 能将直线运动转 换成旋转运动。
转轴 LED
光栏板及辨向用的A、B狭缝
AB
A
C
B
C
光敏元件
盘码及 狭缝
零位标志
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
编码器在数控 加工中心的刀库选刀
硅光电池，硒光电池和砷化镓电池
1）硅光电池：应用广泛，价格低，光电转换 率高，适于接收红外光；
2）硒光电池，转换效率低，工艺成熟，适于 接收可见光；
3）砷化镓电池：转换效率低，光谱响应特性 与太阳光吻合。耐辐射，在宇宙电源方面应 用广泛。
光电池外形 光敏面
能提供较大电流的大 面积光电池外形
光电池在动力方面的应用 太阳能赛车
2.码盘和码制
6 位 二 进 制 码 盘
根据码盘的起始和终止位置就可确定转角， 与转动的中间过程无关。
二进制码盘主要特点：
（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，
最小分辨力θ1＝3600／2n；
（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，…，Ci对应于
由零位算起的转角为： n
C
i
2i
禁带
价带
不存在电子所占能带 价电子所占能带
为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导
材料的禁带宽度Eg，即 h hc 1.24 Eg
光敏电阻
当光敏电阻受 到光照时， 阻值减 小。
光敏电阻的主要参数
1.暗电阻、亮电阻、光电流 1）暗电阻－在室温下全暗的条件下，测量所得的电
阻。一般可在MΩ到100 MΩ级。此时，在一定电 压下流过的电流 暗电流 2）亮电阻－在光照下的阻值，一般为KΩ级，对应的 电流 亮电流。 3）光电流－亮电流与暗电流之差称为光电流，越大 越好。光电流大，相应光敏电阻的灵敏度K增大。
当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产 生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分 红外光到达光敏三极管，有光电流输出。
光电式转速表
光电式转 速表属于反射 式光电传感器， 它可以在距被 测物数十毫米 外非接触地测 量其转速。
n =60( f /z )
第11次课结束
二、 光电码盘
数字式传感器:把输入量转换成数字量输出。 优点：测量精度和分辨力高，抗干扰能力强，
❖ 消除粗大误差方法： 双读数头法; 循环码代替二进制码;
双读数头示意图
缺点：读数头的个数增加了一倍。当编码器位数很多时， 光电元件安装位置也有困难。
六 位 的 循 环 码 码 盘
(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码； (2)循环码为无权码； (3)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，
暗电流（越小越好）
2）光生伏特效应（光电池，光电二极管） 在光线作用下能够使物体产生一定方向的
电动势的现象叫做光生伏特效应。
有下面两种情况： 不加偏压的PN结 处于反偏的PN结
不加偏压的PN结（光电池）
当没有光照时，电子处于价带上，不能自由移动。
当光照射在PN结时，如果电子能量大于半导体禁 带宽度（E0 ＞ Eg）,可激发出电子——空穴对， 在PN结内电场作用下空穴移向P区，而电子移向 N区，使P区和N区之间产生电压，这个电压就是 光生电动势.
2.内光电效应
当光照射在物体上 半导体的电阻率ρ发生变化 产生光生电动势
根据工作原理的不同，内光电效应分 为光电导效应和光生伏特效应两类：
1）光电导效应（光敏电阻）
当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到 能量大于或等于禁带宽度的光子轰击，并使其由价 带越过禁带跃入导带。
导带
自由电子所占能带
Eg
等。
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
光电倍增管
倍增极上涂有光敏材料，并且电位逐级升高，阴极发射 的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。
转等）的器件； ●可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它
的恶劣环境。 ●容易实现对被测信号的远距离监控。
光的全反射实验
各种装饰性光导纤维
发光 二极管产 生多种颜 色的光线， 通过光导 纤维传导 到东方明 珠球体的 表面。在 计算机控 制下，可 产生动态 图案。
上海东方明珠
1. 光导纤维的结构和导光原理
第四章 光电式传感器
主要内容
非电量－光量－电量 一、光电效应和光电器件 二、光电码盘 三、电荷耦合器件 四、光纤传感器 五、光栅传感器
漫反射型光电开关的应用
光电自动门
自动门光电传感器 放大图
有效检测区域
红外线辐射温度计用于人体额温测量
1905年德国物 理学家爱因斯坦用光 量子学说解释了光电 发射效应，并为此而 获得1921年诺贝尔物 理学奖。
红外发射管
红外接收管
结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳 中。在电路中一般是处于反向工作状态的
光敏二极管
将光敏二极管的 PN 结设置在透明管 壳顶部的正下方，光 照射到光敏二极管的 PN结时，电子-空穴 对数量增加，光电流 与照度成正比。
光敏三极管
工作原理分两个过程：一是光电转换，二是光电流 放大。在集电极-基极结区内进行。光激发电子空 穴对，电子空穴在电场的作用下移动形成电流，该 电流作为基区的基极电流被晶体管放大。
当θr =90°的临界状态时， sin i0 n12 n22
Sin θi0定义为“数值孔径”NA（Numerical Aperture）
结论：
（1）当θr=90º时 sinθi0=NA
θi0=arcsin NA
（2）当θr>90º时，光线发生全反射，则θi<θi0=arcsin NA
（3）当θr<90º时，sinθi>NA，θi>arcsin NA，光线在包 层中消失。
多层结构
●纤芯：石英玻璃，直径5－75um，以二氧化硅为主， 掺杂微量元素； ●包层：直径100－200um，也是玻璃，但折射率略 低于纤芯； ●涂敷层：硅酮，隔离杂光；
光缆的外形及光 纤的拉制
斯乃尔定理
光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射
（a）折射角大于入射角：n1 sini n2 sin r
太阳能 硅光电池板
太阳能电动机模型
光电池在动力方面的应用 光电池在人造卫星上的应用
处于反偏的PN结（光敏二极管、光敏晶体管 ）
无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；
有光照时，光子能量足够大产生光生电子—空穴对 在PN结电场作用下，形成光电流，电流方向与反向 电流一致，光照越大光电流越大。
百度文库
红外发射、接收对管外形
2、控制相邻MOS栅电压高低来调节势阱深浅，使 信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。
三相CCD信息电荷传输原理图
CCD的信号输出结构
2.CCD图像传感器
四、光纤传感器
优点：
●灵敏度较高； ●几何形状具有良好的适应性，可制成任意形状的
光纤传感器； ●可以传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋
NA范围：0.2－ 0.4 问题：NA越大越好吗？
2.光纤的类型
光纤的类型（折射率、传输模式） 1）按折射率 a）阶跃型
纤芯与包层的折射率是突变的； b）渐变型
纤芯中心处折射率最大，由中心向外折射 率逐渐变小到包层折射率。
（b）临界状态： i0 arcsin(n2 / n1 ) （c）全反射 ： i i0
第12次课结束
光纤导光原理
n0sinθi=n1sinθj
n1sinθk=n2sinθr
sinθi=(n1/n0)sinθj sinθk=(n2/n1)sinθr 因θj=90º－θk 所以
s in i
n1 n0
c－光速 λ－光波长
光谱
光波：波长为10—106nm的电磁波； 紫外线：波长10—380nm； 可见光：波长380—780nm； 红外线：波长780—106nm。
0.01
波长/μm
0.05 0.1
1 0.5
极远紫外
远 近可见光 近红外 紫紫 外外
10 5 远红外
光电效应的形式
从变换效果来看有以下两大类型：
②电荷转移：能够将电荷进行保存，并定向转移到输 出电路。
1.电荷耦合器件的结构和工作原理
❖ CCD是一种半导体器件
1．金属 2．绝缘层SiO2
有信号电荷的势阱
❖ 当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地 聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。
光电转换的实现
信号电荷转移
1、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相 邻MOS电容的势阱相互沟通，即相互耦合。
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
三、电荷耦合器件
CCD：charge-coupled-device
◆图像是由像素组成行，由行组成帧。 ◆对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到 不同大小的电信号。
问题： （1）如何获取图像信息？ （2）怎样实现图像电信号的存储和输出？ CCD的功能： ①光电转换：获得与像素明暗相关的电荷；
1.外光电效应
是指在光照的作用下，物体内的电子逸出物体 表面，向外发射的现象。 光电管
光子能量：
E
h
1 2
mV02
A0
A0 －电子逸出表面的功
由此可知：
①物体内电子吸收入射光子能量足以克服逸出功A0时， 电子就能逸出物体表面。刚好从物体表面能打出光 电子的入射光波频率，称为红限频率。
②当入射光的频谱成分不变时，产生的光电效应与光 强度成正比。即光强愈大，逸出电子愈多。
sin(90 k )
n1 n0
cos K
n1 n0
1 sin 2 K
s in i
n1 n0
1
n2 n1
2
sinr
1 n0
n12 n22 sin 2 r
s in i
1 n0
n12 n22 sin 2 r
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n0≈1
sini n12 n22 sin 2 r
能避免在读标尺和曲线图时产生的人为误差， 便于用计算机处理。 最简单的数字式传感器是编码器(ADE)。
1. 工作原理
❖ 用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形 式表示的电信号的转换部件。
1－光源 2－柱面镜 3－码盘 4－狭缝 5－光电元件
码盘
绝对接触式编码器演示
4个光电元件
4位二进制码盘
最小分辨角度为 α=360°/2n
一、光电效应和光电器件
◆光电效应
光是由具有一定能量的光粒子组成，每个光子所具 有的能量E正比于其光的频率。光射在物体上可以 看成是一串具有能量的光粒子轰击在物体上，物体 吸收了能量为E的光后产生了电效应。
其光子能量： E h h c
其中：h－普朗克常数，6.626×10-34J·s
γ－光频率
1 1
i 1
（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj( j<K)应同时变
化。
某6码道的二进制光电码盘，光线照射时得到 编码为011000，则转角为多少？
1350
二进制码盘的粗大误差
4位码盘展开图
二进制码盘的粗大误差及消除
❖ 要求各个码道刻划精确，彼此对准，这给码盘 制作造成很大困难。由于微小的制作误差，只 要有—个码道提前或延后改变，就可能造成输 出的粗大误差。
光敏三极管外形
烟雾报警器外形
无烟雾时，光敏 元件接收到LED发射 的恒定红外光。而在 火灾发生时，烟雾进 入检测室，遮挡了部 分红外光，使光敏三 极管的输出信号减弱， 经阀值判断电路后， 发出报警信号。
报警 烟雾
无线烟雾报警器内部结构
可发出高分 贝笛鸣声的蜂 鸣器
反射式烟雾报警器
在没有烟雾 时，由于红外对 管相互垂直，烟 雾室内又涂有黑 色吸光材料，所 以红外LED发出 的红外光无法到 达红外光敏三极 管。
不会产生粗误差。
3.二进制码与循环码的转换
Cn Rn Ci Ci1 Ri Ri Ci1 Ci 某6码道的循环码光电码盘，光线照射时得到 编码为011000，则转角为多少？ 900
二进制码转换为循环码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路
循环码转变为二进制码的电路
(a) 并行变换电路 (b)串行变换电路 循环码是无权码，直接译码有困难，一般先转换为二进制码后再译码
③电子逸出表面具有一定的动能，会有光电流产生。
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电子 流，在外电路中便产生了电流。
紫外管外形
当入射紫外
紫外线
线照射在紫外管阴
极板上时，电子克
服金属表面对它的
束缚而逸出金属表
面，形成电子发射。
紫外管多用于紫外
线测量、火焰监测