第5章第1章 現代傳感技術與系統(tǒng)

1、 第第5 5章章 光電式傳感器光電式傳感器v5.1 5.1 光電傳感器概述光電傳感器概述v5.2 5.2 常用光源常用光源v5.3 5.3 光電效應及光電元件光電效應及光電元件 v5.4 5.4 光電編碼器光電編碼器v5.5 5.5 光柵傳感器光柵傳感器5.1 5.1 光電傳感器概述光電傳感器概述v5.1.1 5.1.1 光電式傳感器的組成原理光電式傳感器的組成原理v5.1.2 5.1.2 特點及應用特點及應用v5.1.35.1.3 光電式傳感器的一般形式光電式傳感器的一般形式5.1.1 5.1.1 光電式傳感器的組成原理光電式傳感器的組成原理工作原理工作原理：系統(tǒng)組成：系統(tǒng)組成： 光源光源光

2、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y被測量被測量x1被測量被測量x2 光光 敏感元件敏感元件 電電敏感元件：光電元件敏感元件：光電元件光電效應光電效應外光電效應外光電效應內光電效應內光電效應測量方式：測量方式： 改變光源：改變光源：改變光路：改變光路：方式：方式：特點：特點：應用：應用：非接觸、響應快、性能可靠、精度高非接觸、響應快、性能可靠、精度高 光光 光學量：光強、光照度、輻射、氣體成分、光學量：光強、光照度、輻射、氣體成分、 幾何量：形狀、尺寸、位移、距離、表面粗糙度、形位誤差幾何量：形狀、尺寸、位移、距離、表面粗糙度、形位誤差 力學量：應變、速度、加速度、振動

3、、流量、密度力學量：應變、速度、加速度、振動、流量、密度 生生化量：離子濃度、熒光、電泳、染色體、分子標記、化量：離子濃度、熒光、電泳、染色體、分子標記、5.1.2 5.1.2 特點及應用特點及應用5.1.35.1.3 光電式傳感器的一般形式光電式傳感器的一般形式透射式：光透射式：光被測物被測物光電元件（透射）光電元件（透射） 測量透明、半透明固體透明度、測量透明、半透明固體透明度、 液體混濁度、氣體濃度；液體混濁度、氣體濃度；1. 模擬式光電傳感器模擬式光電傳感器 反射式：光反射式：光被測物被測物光電元件（反射）光電元件（反射） 測量物體表面反射率、粗糙度、測量物體表面反射率、粗糙度、 距離

4、、位置、振動；距離、位置、振動；遮光式：光遮光式：光被測物被測物光電元件（部分遮光）光電元件（部分遮光） 測量物體位移、振動、速度；測量物體位移、振動、速度；輻射式：被測物輻射式：被測物光光 光電元件，輻射強度光電元件，輻射強度 測量輻射溫度、放射線；測量輻射溫度、放射線；5.1.35.1.3 光電式傳感器的一般形式光電式傳感器的一般形式轉速傳感器轉速傳感器透射式：透射式：2. 脈沖式光電傳感器脈沖式光電傳感器 反射式：反射式：轉速傳感器轉速傳感器光源光源 碼盤光電元件碼盤光電元件轉速越高轉速越高 脈沖頻率越高脈沖頻率越高碼盤轉動遮光透光脈沖碼盤轉動遮光透光脈沖頻閃式：頻閃式：5.2 5.2

5、常用光源常用光源v5.2.1 5.2.1 對光源的要求對光源的要求v5.2.2 5.2.2 熱輻射光源熱輻射光源v5.2.3 5.2.3 氣體放電光源氣體放電光源v5.2.4 5.2.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)(LED)v5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源5.2.1 5.2.1 對光源的要求對光源的要求紫外紫外 可見光可見光 紅外紅外照度要求：足夠亮度、光通量，保證信噪比和靈敏度照度要求：足夠亮度、光通量，保證信噪比和靈敏度 均勻要求：視場亮度均勻、無陰影，避免測量誤差均勻要求：視場亮度均勻、無陰影，避免測量誤差 光譜要求：光波頻率、波長光譜要求：光波頻率、波長 ：投影要求：控制

6、光的方向、透射、反射、散射投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射 發(fā)熱要求：熱光源、冷光源，減小發(fā)熱對測量結果的影響發(fā)熱要求：熱光源、冷光源，減小發(fā)熱對測量結果的影響 全光譜全光譜波長：波長：10-1410-1210-1010-810-610-410-21mcmmm m mnm 可見光可見光380 400500600700780nm紫400藍435橙605紅685黃575綠525青470紫外光紫外光紅外光紅外光可見光：可見光：380nm 780nm紅外光：紅外光：780nm 1m紫外光：紫外光：1nm 380nm5.2.2 5.2.2 熱輻射光源熱輻射光源器件：白熾燈器件：白熾燈 - 鎢絲（

7、鎢絲（1879年，愛迪生）年，愛迪生） 特點：特點：應用：可見光源應用：可見光源 - 寬光譜寬光譜 （濾色片（濾色片 窄帶光譜，避免雜光干擾窄帶光譜，避免雜光干擾 儀器）儀器）原理：高溫物體原理：高溫物體 光輻射，溫度高光輻射，溫度高 輻射能大輻射能大鹵鎢燈鹵鎢燈 - 鎢絲鎢絲+鹵素（碘），鹵素（碘）， 鹵素鹵素 + 內壁鎢內壁鎢 鹵化鎢鹵化鎢 受熱受熱 分解分解 鎢鎢 沉積到鎢絲沉積到鎢絲譜線豐富，可見光譜線豐富，可見光+紅外光，峰值在近紅外區(qū)紅外光，峰值在近紅外區(qū) 發(fā)熱大，發(fā)熱大，80%能量轉化為熱能，能量轉化為熱能， 熱光源熱光源壽命短（壽命短（1000小時），易碎，電壓高，有危險小時）

8、，易碎，電壓高，有危險近紅外光源近紅外光源 - 紅外檢測紅外檢測發(fā)光效率低，發(fā)光效率低，15%在可見光，在可見光，+ 惰性氣體惰性氣體 提高壽命提高壽命5.2.3 5.2.3 氣體放電光源氣體放電光源原理：氣體分子激發(fā)原理：氣體分子激發(fā) 放電放電 發(fā)光發(fā)光器件：器件： 弧光燈弧光燈 - 碳弧燈碳弧燈特點：特點： 效率高，省電效率高，省電應用：強光、色溫要求接近日光應用：強光、色溫要求接近日光熒光燈熒光燈 - 氣體放電氣體放電+熒光粉，波長更長熒光粉，波長更長日光燈：光譜接近日光日光燈：光譜接近日光節(jié)能燈：壓縮熒光燈，節(jié)能燈：壓縮熒光燈，鈉弧燈鈉弧燈氙弧燈氙弧燈水銀弧燈水銀弧燈(汞燈汞燈)金鹵燈

9、金鹵燈功率大，光色接近日光，紫外線豐富功率大，光色接近日光，紫外線豐富有輻射，廢棄物有汞污染、易碎有輻射，廢棄物有汞污染、易碎頻率低，對人眼有損害，頻率低，對人眼有損害，5.2.4 5.2.4 發(fā)光二極管發(fā)光二極管(LED)(LED)原理：半導體，電致發(fā)光，原理：半導體，電致發(fā)光，器件：器件：特點：體積小，可平面封裝，固體光源，無輻射，綠色光源特點：體積小，可平面封裝，固體光源，無輻射，綠色光源應用：儀器光源、室內照明、應用：儀器光源、室內照明、 單色單色LED：紅色、綠色、黃色、：紅色、綠色、黃色、 橙色、藍色橙色、藍色 白色白色LED：2001,美國波士頓大學光學研究中心美國波士頓大學光學

10、研究中心應用：指示燈、背光源應用：指示燈、背光源光譜豐富光譜豐富-（籃（籃+黃）黃）/（籃（籃+綠綠+紅）紅）亮度高亮度高-熒光燈熒光燈5倍，白熾燈的倍，白熾燈的25倍倍功耗低（白熾燈功耗低（白熾燈1/8，熒光燈，熒光燈1/2）、發(fā)熱少）、發(fā)熱少壽命長（壽命長（10萬小時，是熒光燈的萬小時，是熒光燈的10倍倍 ） 、耐振動、耐振動 響應快（毫秒級響應快（毫秒級 ）、供電電壓低、易于數字控制）、供電電壓低、易于數字控制 價格較白熾燈貴，功率低，亮度小，價格較白熾燈貴，功率低，亮度小，5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源原理：原理：特點：特點：外界光外界光 光原子光原子 能級躍遷能級躍遷 受激

11、輻射受激輻射 光放大光放大諧振諧振輻射激光輻射激光方向性好方向性好-發(fā)散角很小發(fā)散角很小(約約0.18)，比普通光小，比普通光小23數量數量亮度高亮度高-能量高度集中，亮度比普通光高幾百萬倍能量高度集中，亮度比普通光高幾百萬倍單色性好單色性好-光譜范圍極小，頻率單一；光譜范圍極小，頻率單一； （He-Ne激光激光:=632.8nm,=10-6nm）相干性好相干性好-受激輻射，傳播方向受激輻射，傳播方向/振動方向振動方向/頻率頻率/相位一致相位一致 時間相干性、空間相干性均好時間相干性、空間相干性均好LASER：Light Amplification by Stimulated Emission

12、 of Radiation “受激輻射放大產生的光受激輻射放大產生的光”5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源固體激光器：體積小，堅固，功率高固體激光器：體積小，堅固，功率高氣體激光器：小巧、單色性好、能連續(xù)工作、功率??；氣體激光器：小巧、單色性好、能連續(xù)工作、功率??； 高光束質量、高穩(wěn)定性、長壽命、低噪音、經濟；高光束質量、高穩(wěn)定性、長壽命、低噪音、經濟；紅外固體激光器紅外固體激光器綠色固體激光器綠色固體激光器紅寶石固體激光器紅寶石固體激光器He-Ne激光器激光器He-Cd激光器激光器He-Cd激光器（制冷）激光器（制冷）半導體激光器：效率高、體積小、重量輕、結構簡單、功率小、非線性半導體

13、激光器：效率高、體積小、重量輕、結構簡單、功率小、非線性 藍色藍色/紫色激光紫色激光紅色激光紅色激光近紅外小功率近紅外小功率染料激光器染料激光器離子激光器離子激光器藍色激光器藍色激光器5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源5.3 5.3 光電效應及光電元件光電效應及光電元件 v5.3.1 5.3.1 外光電效應及其器件外光電效應及其器件 v5.3.2 5.3.2 內光電效應及器件內光電效應及器件 5.3.1 5.3.1 外光電效應及其器件外光電效應及其器件1. 外光電效應外光電效應特點：速度快特點：速度快 - 從光照射到釋放電子時間不超過從光照射到釋放電子時間不超過10-9秒。秒。 原理：光

14、原理：光 金屬物體表面金屬物體表面 電子獲得光子的能量電子獲得光子的能量應用：足夠的光強，高速光電開關應用：足夠的光強，高速光電開關 光子能量光子能量 表面溢出功表面溢出功 電子逸出表面電子逸出表面 光電子發(fā)射光電子發(fā)射 需足夠光能需足夠光能 - 光子能量光子能量 表面溢出功表面溢出功頻率下限頻率下限f0 - 當當 f 材料禁帶寬度材料禁帶寬度5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件1. 光電導效應及器件光電導效應及器件 器件：光敏電阻器件：光敏電阻原理：光原理：光 半導體半導體 電子電子-空穴對空穴對 導電性導電性 電阻電阻原理：半導體電阻器件，加直流偏壓，無極性原理：半

15、導體電阻器件，加直流偏壓，無極性 無光照無光照-電子電子-空穴對很少空穴對很少-電阻大電阻大(暗電阻暗電阻) 有光照有光照-電子電子-空穴對增多空穴對增多-導電性增強導電性增強 特點：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定；特點：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定； 批量生產，價格便宜批量生產，價格便宜 ；材料：半導體材料：半導體 - 硫化鎘硫化鎘CdS、硒化鎘、硒化鎘CdSe；5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件應用：工業(yè)自動化應用：工業(yè)自動化-開關元件，快速響應開關元件，快速響應 家電家電-(感應式節(jié)能燈：判斷照度感應式節(jié)能燈：判斷照度)特性：特性：光譜特性光譜特性:動

16、態(tài)特性動態(tài)特性:為非線性，為非線性，不易作線性檢測元件不易作線性檢測元件存在單峰，存在單峰，應與光源光譜匹配應與光源光譜匹配 動態(tài)特性較好，動態(tài)特性較好，響應時間響應時間0.1S0.001S結構：梳妝電極結構：梳妝電極: 金屬封裝：金屬封裝： 防潮防潮光照特性：光照特性：5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件2. 光生伏特效應及器件光生伏特效應及器件 原理：原理： 光光 PN結（無偏置）結（無偏置） 電子遷移電子遷移 電子電子 N, 空穴空穴 P 電勢電勢 器件：光敏二極管（器件：光敏二極管（PD） 光敏三極管（光敏三極管（PT） 光電池（硅、鍺）光電池（硅、鍺） PIN

17、光電二極管光電二極管 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 光可控硅光可控硅 陣列式光電器件陣列式光電器件 象限式光電器件象限式光電器件 位置敏感探測器（位置敏感探測器（PSD） 光電耦合器件（光電耦合器件（CCDCCD） 5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(1) 光敏二極管（光電二極管光敏二極管（光電二極管, PD: Photo-Diode） 原理：原理： PN結結 PN光照特性光照特性:應用：線性轉換元件，開關元件，應用：線性轉換元件，開關元件， 特性：特性：光譜特性光譜特性:無光時無光時-高阻特性，微弱電流高阻特性，微弱電流暗電流，暗電流，A 光照時光照時-電子電子N,

18、空穴空穴P 光電流光電流 光照愈強光照愈強 - 光電流愈大光電流愈大注意：注意：a) 電路連接同一般二極管，電路連接同一般二極管， 輸出電流小，一般為數微安到數十微安輸出電流小，一般為數微安到數十微安 b) 入射光角度限制入射光角度限制 動態(tài)特性動態(tài)特性:單峰性單峰性動態(tài)特性好動態(tài)特性好靈敏度和線性好，靈敏度和線性好，5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(2) 光敏三極管（光電三極管光敏三極管（光電三極管, PT: Photo-Triode） 原理：光敏二極管（原理：光敏二極管（bc結）結）+ 三極管三極管特點：光照特性特點：光照特性-靈敏度高于光敏二極管，靈敏度高于光

19、敏二極管， 非線性，不如光電二極管。非線性，不如光電二極管。應用：開關元件：應用：開關元件：光譜特性光譜特性-單峰性單峰性光電鼠標接收器、打印機打印頭位置傳感器、光電鼠標接收器、打印機打印頭位置傳感器、光電耦合器、車速傳感器、紅外遙控器、光電耦合器、車速傳感器、紅外遙控器、注意：注意：a) 電路連接電路連接: b) 入射光角度限制入射光角度限制 5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件連接方式：連接方式： (a)開路電壓輸出開路電壓輸出: (b)短路電流輸出短路電流輸出:特性：光照特性特性：光照特性-開路電壓輸出：非線性開路電壓輸出：非線性(電壓電壓-光強光強)，靈敏度高，

20、靈敏度高 短路電流輸出：線性好短路電流輸出：線性好(電流電流-光強光強) ，靈敏度低，靈敏度低 應用：宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表應用：宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表(計算器計算器) - 開關測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）開關測量（開路電壓輸出），線性檢測（短路電流輸出）特點：有源器件，無污染，輕便、簡單、特點：有源器件，無污染，輕便、簡單、 動態(tài)特性好（硅），動態(tài)特性好（硅）， 工作于可見光波段工作于可見光波段-太陽能電池太陽能電池(3) 光電池光電池 原理：原理： 光光 PN結（無偏置）結（無偏置） 電子遷移電子遷移 電子電子 N, 空穴空穴 P 電動勢電動勢 光譜特

21、性光譜特性-硅電池：硅電池：0.51.2m(紅紅-紅外紅外)，峰值，峰值0.8 m(近紅外近紅外) 鍺電池：鍺電池：0.30.7m(紫紫-紅紅)，峰值，峰值0.5 m(綠綠) 5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(4) PIN結光電二極管（結光電二極管（PIN-PD）結構：結構：PN + I I - 高電阻率的本征半導體（厚）高電阻率的本征半導體（厚） PN結雙電層的間距加寬，結電容變小結雙電層的間距加寬，結電容變小 特點：特點：頻帶寬，可達頻帶寬，可達10GHz，響應速度快，響應速度快， 靈敏度高，靈敏度高， 線性輸出范圍寬，線性輸出范圍寬，線性好線性好 輸出電流?。?/p>

22、數微安），電阻很大輸出電流?。〝滴玻?，電阻很大應用：用于光通訊，光測量應用：用于光通訊，光測量5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(5) 雪崩光電二極管雪崩光電二極管 雪崩效應：雪崩效應：工作電壓很高（工作電壓很高（100200V）， 接近于反向擊穿電壓。接近于反向擊穿電壓。 結區(qū)內電場極強，結區(qū)內電場極強， 光生電子得到極大加速，光生電子得到極大加速， 同時與晶格碰撞，同時與晶格碰撞， 從而產生電離雪崩反應。從而產生電離雪崩反應。 特點：特點：有很高的內增益，可達到幾百，有很高的內增益，可達到幾百，靈敏度高靈敏度高 響應速度特別快，帶寬可達響應速度特別快，帶寬可達1

23、00GHz，是目前最快的一種光電二極管，是目前最快的一種光電二極管 噪聲大（隨機），線性差噪聲大（隨機），線性差應用：用于光通訊、脈沖編碼應用：用于光通訊、脈沖編碼5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(6) 陣列式結型光電器件陣列式結型光電器件 構成：構成：利用集成電路技術利用集成電路技術, , 使幾百個光電二極管或光電池排成一行，使幾百個光電二極管或光電池排成一行， 集成在一塊集成電路片子上，集成在一塊集成電路片子上， 即成為陣列式的一維光電器件即成為陣列式的一維光電器件襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，襯底是共用的，而各光敏元都是獨立的，分別有各自的前極引出線分別

24、有各自的前極引出線 特點：光敏元密集度大，總尺寸小，特點：光敏元密集度大，總尺寸小， 容易作到各單元多數一致，便于信號處理容易作到各單元多數一致，便于信號處理 應用：可用來辨別光點移動的方向應用：可用來辨別光點移動的方向 5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件(7) 位置敏感器件（位置敏感器件（PSD-Positional Sensitive Device） 原理：光原理：光 光電二極管光電二極管 空穴由空穴由N向向P移動移動 空穴空穴1端端I1 空穴空穴2端端I2 121221/xxRRII比值：比值：應用：位置檢測應用：位置檢測(一維、二維一維、二維)（8）四象限光電

25、池）四象限光電池原理：集成原理：集成4光電池光電池 - 四象限四象限 光斑光斑4分量分量I1 、I2 、I3 、I4 ；3241IIIIx4321IIIIy應用：二維位置檢測，準直應用：二維位置檢測，準直比值：比值：（9） 固態(tài)攝像器件（固態(tài)攝像器件（CCD）5.3.2 5.3.2 內光電效應及其器件內光電效應及其器件說明：對于各種光電元件：說明：對于各種光電元件： （1）暗電流：無光照時輸出電流）暗電流：無光照時輸出電流 熱噪聲熱噪聲 （2）溫度特性：溫度）溫度特性：溫度 靈敏度、光譜特性靈敏度、光譜特性 降溫、恒溫、溫度補償降溫、恒溫、溫度補償 （3）器件材料：）器件材料： 硅硅 好于好于

26、 鍺鍺5.4 5.4 光電編碼器光電編碼器v5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器 v5.4.2 5.4.2 增量編碼器增量編碼器 5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器原理：平行光源原理：平行光源 碼盤碼盤 光電元件光電元件 電信號輸出電信號輸出 碼盤：光學玻璃，透光碼盤：光學玻璃，透光/不透光不透光 同心圓環(huán)同心圓環(huán) - 碼道碼道光源：光源：LED 光學系統(tǒng)光學系統(tǒng) 平行光平行光 投影投影 光電元件：硅光電池，光電晶體管光電元件：硅光電池，光電晶體管 每個碼道對應一個光電元件每個碼道對應一個光電元件任意角位置：每個碼道任意角位置：每個碼道 -透光透光=1

27、/不透光不透光=0 多個碼道多個碼道 - 0101 - 絕對碼；絕對碼； 外圈碼道外圈碼道 低位，變化快；低位，變化快； 內圈碼道內圈碼道 高位，變化慢；高位，變化慢；組成：組成：日本日本OMRON 1. 概述概述5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器提高精度提高精度測量電路：放大測量電路：放大 足夠電平足夠電平 ，驅動，驅動 整形整形 接近理想方波接近理想方波 細分細分 提高分辨率（光學提高分辨率（光學+電路）電路）角度分辨率：碼道數角度分辨率：碼道數 分辨率分辨率 變碼器變碼器位數位數 n2360n -碼道數碼道數增加碼道增加碼道 增大碼盤尺寸增大碼盤尺寸 有限有限光學細

28、分光學細分 附加碼道附加碼道碼盤：透光碼盤：透光/不透光不透光 照相腐蝕照相腐蝕 分度準確、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質）分度準確、陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質）光電元件：滯后光電元件：滯后 響應速度響應速度 5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器 例：例：19位光電編碼器位光電編碼器:角分辨率：=360/219=2.47” 附加碼道：周期與內碼道最低位附加碼道：周期與內碼道最低位 (最外最外)對應對應14位內碼道位內碼道 + 1位專用附加碼道位專用附加碼道360/214=1.3 19位位 ?光電元件：兩個，相距光電元件：兩個，相距1/4周期周期 正弦波正弦波+余弦波余弦波電

29、路處理：插值、移相電路處理：插值、移相 過零脈沖過零脈沖 細分細分 16正弦波正弦波 32個等分點個等分點 5附加位附加位5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器 2. 編碼碼制編碼碼制十進制碼：十進制碼： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二進制碼：二進制碼： 0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 碼：循環(huán)碼，碼：循環(huán)碼，簡單，直觀，不易電路處理簡單，直觀，不易電路處理簡單，易于后續(xù)電路和計算機處理。簡單，易于后續(xù)電路和計算機處理。 多位碼同時動作多位碼同時動作 同步誤差同步誤差 錯碼錯碼0 0 0 1 0 0 1 00 0 0 0：誤差：誤差2

30、0 0 1 1：誤差：誤差1相鄰兩數只有一位不同相鄰兩數只有一位不同每次只有一位變化每次只有一位變化有低位開始依次循環(huán)變化有低位開始依次循環(huán)變化0 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 0角度位置二進制碼十進制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp00000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110123456789101112131415000000010

31、01100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光電編碼器碼制位光電編碼器碼制5.4.1 5.4.1 絕對式光電編碼器絕對式光電編碼器3. 特點特點:結構簡單、精度高、分辨率高，可靠性好，結構簡單、精度高、分辨率高，可靠性好， 摩擦輪摩擦輪編碼器編碼器4. 應用：應用：小范圍絕對位置測量小范圍絕對位置測量-角度、直線位置角度、直線位置直接數字量輸出直接數字量輸出 - 數字傳感器數字傳感器絕對碼輸出絕對碼輸出 - 絕對角位置傳感器（角度編碼器），絕對角位置傳感器（角度編碼器），測量范圍有限測量范圍有限 -360（可增加記憶圈數來擴

32、大范圍）（可增加記憶圈數來擴大范圍）速度不高（最高幾千轉速度不高（最高幾千轉/分）分）- 光電元件動態(tài)相應光電元件動態(tài)相應不怕震動、振擺，測量過程不丟數，不怕斷電不怕震動、振擺，測量過程不丟數，不怕斷電 例：直線例：直線 旋轉旋轉 W 光學放大光學放大 提高靈敏度提高靈敏度可調性：夾角可調性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準確性：大量刻線準確性：大量刻線 誤差平均效應誤差平均效應 克服個別克服個別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度5.5.1 5.5.1 光柵傳感器原理光柵傳感器原理2. 光柵傳感器原理與特點光柵傳感器原理與特點 精度高：測長精度高：測長(0.2+210-6L)m，測角，測

33、角0.1 量程大：透射式量程大：透射式-光柵尺長（光柵尺長（13米），反射式米），反射式-幾十米幾十米幾百米幾百米響應快：可用于動態(tài)測量響應快：可用于動態(tài)測量增量式：增量碼測量增量式：增量碼測量 計數計數 斷電斷電數據消失數據消失成本高：電路復雜成本高：電路復雜原理：位移原理：位移 指示光柵移動指示光柵移動 摩爾條紋摩爾條紋 移動移動 計數測量計數測量特點：特點：要求高：對環(huán)境要求高要求高：對環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度溫度、濕度、灰塵、振動、移動精度5.5.2 5.5.2 光柵傳感器結構光柵傳感器結構透射式透射式-光源與光電元件在兩側光源與光電元件在兩側透射光透射光反射式反射式

34、-光源與光電元件同一側光源與光電元件同一側反射光反射光組成：組成：1 主光柵尺（定光柵）主光柵尺（定光柵） 4 透鏡透鏡 2 指示光柵（動光柵）指示光柵（動光柵） 5 光源光源 3 光電元件光電元件透射式光柵透射式光柵（封閉式：封閉式：）：）：原理：光源原理：光源 指示光柵指示光柵 透射透射 主光柵主光柵 光電元件光電元件德國德國Heidenhain（海德漢）：（海德漢）：量程量程270mm，分辨力分辨力1nm量程量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m照明照明5.5.2 5.5.2 光柵傳感器結構光柵傳感器結構反射式光柵：反射式光柵： 原理：光源原理：光源 主光柵主光柵 反射反射 指示光柵

35、指示光柵 光電元件光電元件組成：組成：1 主光柵尺（定光柵）主光柵尺（定光柵） 2 指示光柵（動光柵）指示光柵（動光柵） 3 光電元件光電元件 4 透鏡透鏡 5 光源光源英國英國Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 m 0.01 m5.5.2 5.5.2 光柵傳感器結構光柵傳感器結構直線型直線型：動光柵直線移動：動光柵直線移動 測量直線位移測量直線位移旋轉型旋轉型：動光柵旋轉運動：動光柵旋轉運動 測量旋轉角度測量旋轉角度（主光柵一般為直尺形，莫爾條紋為直線形（主光柵一般為直尺形，莫爾條紋為直線形 ）主光柵為圓環(huán)形主光柵為圓環(huán)形 旋轉光柵旋轉光柵

36、主光柵為圓盤形主光柵為圓盤形 圓光柵圓光柵（莫爾條紋為圓（莫爾條紋為圓/弧形）弧形）（莫爾條紋為直線形）（莫爾條紋為直線形）運動運動直線型：直線型：旋轉型：旋轉型：5.5.3 5.5.3 圓光柵圓光柵 光柵：兩塊，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合光柵：兩塊，徑向刻線，柵距角相同，偏心疊合條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同：條紋寬度不是定值，隨位置不同而不同：在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋在沿著偏心方向上，條紋近似地平行于柵線，稱縱向莫爾條紋其他位置上，稱為斜向莫爾條紋其他位置上，稱為斜向莫爾條紋條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同，條紋：在不同區(qū)域柵線的交角不同， 不同曲率半徑

37、不同曲率半徑- 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋轉動：圓弧摩爾條紋徑向輻射移動。轉動：圓弧摩爾條紋徑向輻射移動。1. 徑向圓光柵徑向圓光柵5.5.3 5.5.3 圓光柵圓光柵2. 切向光柵切向光柵光柵：兩塊光柵，切向刻線（基圓），光柵：兩塊光柵，切向刻線（基圓）， 切向相同，柵距角相同切向相同，柵距角相同 基圓半徑不同，柵線面相對同心疊合，基圓半徑不同，柵線面相對同心疊合，條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋：是以光柵中心為圓心的同心圓簇 - 環(huán)形莫爾條紋環(huán)形莫爾條紋寬度也不是定值，隨位置不同而不同。寬度也不是定值，隨位置不同而不同。轉動：轉動：圓弧摩爾條紋徑向輻射移動。圓弧摩爾條紋徑向輻射移動

38、。特點：具有全光柵平均效應，用于高精度角度測量和分度。特點：具有全光柵平均效應，用于高精度角度測量和分度。5.5.3 5.5.3 圓光柵圓光柵光柵：兩塊光柵，環(huán)形刻線，光柵：兩塊光柵，環(huán)形刻線， 完全相同，偏心疊合，完全相同，偏心疊合，3. 環(huán)形光柵環(huán)形光柵條紋：近似直線并成輻射方向條紋：近似直線并成輻射方向 - - 輻射形莫爾條紋。輻射形莫爾條紋。 轉動：轉動：輻射摩爾條紋周向轉動。輻射摩爾條紋周向轉動。5.5.4 5.5.4 光柵傳感器的電路系統(tǒng)光柵傳感器的電路系統(tǒng)1. 光電轉換光電轉換 光電元件：硅光電池光電元件：硅光電池 、光電二極管、光電二極管)/2sin(0WxUUum（直流分量（直流分量+正弦信號）正弦信號）光柵輸出：光強信號光柵輸出：光強信號 明暗條紋明暗條紋 同步移動同步移動一點觀察：光柵移動一點觀察：光柵移動 光強變化光強變化電路職能：計數、辨向、細分；電路職能：計數、辨向、細分；5.5.4 5.5.4 光柵傳感器的電路系統(tǒng)光柵傳感器的電路系統(tǒng)2. 辨向原理辨向原理 兩個光電元件兩個光電元件 相距相距B/4。 正向移動：正向移動：兩路信號兩路信號 相位差相位差/2 正弦正弦+