光電傳感器解析實(shí)用教案

1、 3.5.1 光電測(cè)量原理 光電傳感器的工作基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。每個(gè)光子具有的能量為h（為光的頻率，h=6.6262010-34J.s為普朗克常數(shù)）。用光照射某一物體，即為光子與物體的能量交換(jiohun)過(guò)程，這一過(guò)程中產(chǎn)生的電效應(yīng)稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)按其作用原理又分為外光電效應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏打效應(yīng)。 第1頁(yè)/共47頁(yè)第一頁(yè)，共48頁(yè)。 1外光電效應(yīng) 在光照作用下，物體內(nèi)的電子從物體表面逸出的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。在這一過(guò)程中光子所攜帶的電磁能轉(zhuǎn)換為光電子的動(dòng)能。 金屬中存在大量的自由電子，通常，它們?cè)诮饘賰?nèi)部作無(wú)規(guī)則的熱運(yùn)動(dòng)，不能離開(kāi)金屬表面。但當(dāng)電子從外界獲取到等

2、于或大于電子逸出功的能量時(shí)，便可離開(kāi)金屬表面。為使電子在逸出時(shí)具有一定的速度(sd)，就必須使電子具有大于逸出功的能量。這一過(guò)程的定量分析如下。第2頁(yè)/共47頁(yè)第二頁(yè)，共48頁(yè)。 一個(gè)光子(gungz)具有的能量 E=h （3-45） 當(dāng)物體受到光輻射時(shí)，其中的電子吸收了一個(gè)光子(gungz)的能量h，該能量的一部分用于使電子由物體內(nèi)部逸出所作的逸出功A，另一部分則為逸出電子的動(dòng)能 ，即 h= +A （3-46） 式中 m電子質(zhì)量； v電子逸出速度； A物體的逸出功。 式（3-46）稱為愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程式，它闡明了光電效應(yīng)的基本規(guī)律。由上式可知：221mv第3頁(yè)/共47頁(yè)第三頁(yè)，共48頁(yè)。

3、 1）光電子逸出表面的必要條件是hA。因此，對(duì)每一種光電陰極材料，均有一個(gè)確定的光頻率(pnl)閾值。當(dāng)入射光頻率(pnl)低于該值時(shí)，無(wú)論入射光的強(qiáng)度多大，均不能引起光電子發(fā)射。反之，入射光頻率(pnl)高于閾值頻率(pnl)，即使光強(qiáng)極小，也會(huì)有光電子發(fā)射，且無(wú)時(shí)間延遲。對(duì)應(yīng)于此閾值頻率(pnl)的波長(zhǎng)0，稱為某種光電器件或光電陰極的“紅限”，其值為 （3-47） 式中 c光速，c=3108m.s-1。 2）當(dāng)入射光頻率(pnl)成分不變時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)與入射光光強(qiáng)成正比。光強(qiáng)愈大，意味著入射光子數(shù)多，逸出的光電子數(shù)亦愈多。Ahc0第4頁(yè)/共47頁(yè)第四頁(yè)，共48頁(yè)。 3）對(duì)于外

4、光電效應(yīng)器件來(lái)說(shuō)，只要光照射在器件陰極上，即使陰極電壓(diny)為零，也會(huì)產(chǎn)生光電流，這是因?yàn)楣怆娮右莩鰰r(shí)具有初始動(dòng)能。要使光電流為零，必須使光電子逸出物體表面時(shí)的初速度為零。為此要在陽(yáng)極加一反向截止電壓(diny)U0，使外加電場(chǎng)對(duì)光電子所作的功等于光電子逸出時(shí)的動(dòng)能，即 （3-48） 式中 e電子的電荷，e=1.60210-19C。 反向截止電壓(diny)U0僅與入射光頻率成正比，與入射光光強(qiáng)無(wú)關(guān)。 外光電效應(yīng)器件有光電管和光電倍增管等。0221Uemv 第5頁(yè)/共47頁(yè)第五頁(yè)，共48頁(yè)。 2內(nèi)光電效應(yīng) 在光照作用下，物體的導(dǎo)電性能如電阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象稱內(nèi)光電效應(yīng)，又稱光導(dǎo)效應(yīng)。內(nèi)光

5、電效應(yīng)與外光電效應(yīng)不同，外光電效應(yīng)產(chǎn)生于物體表面層，在光輻射作用下，物體內(nèi)部的自由電子逸出到物體外部，而內(nèi)光電效應(yīng)則不發(fā)生電子逸出。這時(shí)，物體內(nèi)部的原子吸收光能量，獲得能量的電子擺脫原子束縛(shf)成為物體內(nèi)部的自由電子，從而使物體的導(dǎo)電性發(fā)生改變。 內(nèi)光電效應(yīng)器件主要為光敏電阻以及由光敏電阻制成的光導(dǎo)管。第6頁(yè)/共47頁(yè)第六頁(yè)，共48頁(yè)。 3光生伏打效應(yīng) 在光線照射下能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏打效應(yīng)?；诠馍蛐?yīng)的器件有光電池，可見(jiàn)光電池也是一種有源器件。它廣泛用于把太陽(yáng)能直接轉(zhuǎn)換成電能，亦稱為太陽(yáng)能電池。光電池種類很多，有硅、硒、砷化鎵、硫化鎘、硫化鉈光電池等。其中

6、硅光電池由于其轉(zhuǎn)換效率高、壽命長(zhǎng)、價(jià)格便宜而應(yīng)用最為廣泛。硅光電池較適宜(shy)于接收紅外光。硒光電池適宜(shy)于接收可見(jiàn)光，但其轉(zhuǎn)換效率低（僅有002%）、壽命低。它的最大優(yōu)點(diǎn)是制造工藝成熟、價(jià)格便宜，因此仍被用來(lái)制作照度計(jì)。砷化鎵光電池的光電轉(zhuǎn)換效率稍高于硅光電池，其光譜響應(yīng)特性與太陽(yáng)光譜接近，且其工作溫度最高，耐受宇宙射線的輻射，因此可作為宇航電源。 第7頁(yè)/共47頁(yè)第七頁(yè)，共48頁(yè)。常用的硅光電池結(jié)構(gòu)如圖3-44所示。在電阻率為0.11cm的N型硅片上進(jìn)行硼擴(kuò)散以形成P型層，再用引線將P型和N型層引出形成正、負(fù)極，便形成了一個(gè)光電池。接受光輻射時(shí)，在兩極間接上負(fù)載便會(huì)有電流(di

7、nli)通過(guò)。第8頁(yè)/共47頁(yè)第八頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-44 硅光電池結(jié)構(gòu)( jigu) 第9頁(yè)/共47頁(yè)第九頁(yè)，共48頁(yè)。 光電池的作用原理：當(dāng)光輻射至PN結(jié)的P型面上時(shí)，如果光子能量(nngling)h大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，則在P型區(qū)每吸收一個(gè)光子便激發(fā)一個(gè)電子-空穴對(duì)。在PN結(jié)電場(chǎng)作用下，N區(qū)的光生空穴將被拉向P區(qū)，P區(qū)的光生電子被拉向N區(qū)。結(jié)果，在N區(qū)便會(huì)積聚負(fù)電荷，在P區(qū)則積聚正電荷。這樣，在P區(qū)和N區(qū)之間形成電勢(shì)差，若將PN結(jié)兩端以導(dǎo)線連接起來(lái)，電路中就會(huì)有電流流過(guò)。第10頁(yè)/共47頁(yè)第十頁(yè)，共48頁(yè)。 光電池的基本特性包括光照特性、頻率響應(yīng)、光譜特性和溫度特性等。常用的硅光電

8、池的 光譜范圍為 0.451.1m，在800 左右有一個(gè)峰值；而硒光電池的光譜范圍為0.340.57m，比硅光電池的范圍窄得多，它在500 左右有一個(gè)峰值。此外(cwi)，硅光電池的靈敏度為68nAmm-21x-1，響應(yīng)時(shí)間為數(shù)微秒至數(shù)十微秒。第11頁(yè)/共47頁(yè)第十一頁(yè)，共48頁(yè)。 3.5.2 光電元件 1真空光電管或光電管 光電管主要(zhyo)兩種結(jié)構(gòu)形式（見(jiàn)圖3-45），圖a中光電管的光電陰極K由半圓筒形金屬片制成。用于在光照射下發(fā)射電子。陽(yáng)極A為位于陰極軸心的一根金屬絲，用于接收陰極發(fā)射電子。陰極和陽(yáng)極被封裝于一個(gè)抽真空的玻璃罩內(nèi)。 第12頁(yè)/共47頁(yè)第十二頁(yè)，共48頁(yè)。光電管的特性(

9、txng)主要取決于光電陰極材料，不同的陰極材料對(duì)不同波長(zhǎng)的光輻射有不同的靈敏度。表征光電陰極材料特性(txng)的主要參數(shù)是它的頻譜靈敏度、紅限和逸出功。如銀氧銫（Ag-Cs2O）陰極在整個(gè)可見(jiàn)光區(qū)域均有一定的靈敏度，其頻譜靈敏度曲線在近紫外光區(qū)（4.5103 ）和近紅外光區(qū)（7.51038103 ）分別有兩個(gè)峰值。因此常用來(lái)作為紅外光傳感器。它的紅限約為7103 ，逸出功為0.74eV，是所有光電陰極材料中最低的。第13頁(yè)/共47頁(yè)第十三頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-45 光電管的結(jié)構(gòu)形式(xngsh) a）金屬底層光電陰極光電管 b）光透明陰極光電管 第14頁(yè)/共47頁(yè)第十四頁(yè)，共48頁(yè)。 真空

10、光電管的光電特性是指在恒定工作電壓和入射光頻率成分條件下，光電管接收的入射光通量與其輸出光電流I之間的比例關(guān)系（見(jiàn)圖3-46）。圖3-46a給出兩種光電陰極的真空光電管的光電特性。其中(qzhng)氧銫光電陰極的光電管在很寬的入射光通量范圍上都具有良好的線性度，因而氧銫光電管在光度測(cè)量中獲得廣泛的應(yīng)用。 光電管的伏安特性是光電管的另一個(gè)重要性能指標(biāo)，指在恒定的入射光的頻率成分和強(qiáng)度條件下，光電管的光電流I與陽(yáng)極電壓Ua之間的關(guān)系（見(jiàn)圖3-46b）。由圖可見(jiàn)，光通量一定時(shí)，當(dāng)陽(yáng)極電壓Ua增加時(shí)，管電流趨于飽和，光電管的工作點(diǎn)一般選在該區(qū)域中。第15頁(yè)/共47頁(yè)第十五頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-46 真

11、空光電管特性 a）光電特性 b）伏安(f n)特性 1-銻銫光電陰極的光電管 2-氧銫光電陰極的光電管第16頁(yè)/共47頁(yè)第十六頁(yè)，共48頁(yè)。 2.光電倍增管 光電倍增管在光電陰極和陽(yáng)極之間裝了若干個(gè)“倍增極”，或叫“次陰極”。倍增極上涂有在電子轟擊下能反射更多電子的材料，倍增極的形狀和位置設(shè)計(jì)成正好使前一級(jí)倍增極反射的電子繼續(xù)轟擊后一級(jí)倍增極。在每個(gè)倍增極間依次增大加速電壓，如圖3-47a所示。設(shè)每極的倍增率為（一個(gè)電子能轟擊產(chǎn)生出個(gè)次級(jí)電子），若有n次陰極，則總的光電流倍增系數(shù)M=（C）n（C為各次陰極電子收集率），即光電倍增管陽(yáng)極電流I與陰極電流I0之間滿足關(guān)系(gun x)I=I0M=

12、I0（C）n，倍增系數(shù)與所加電壓有關(guān)。第17頁(yè)/共47頁(yè)第十七頁(yè)，共48頁(yè)。 常用的光電倍增管的基本電路如圖3-47b所示，各倍增極電壓由電阻分壓獲得(hud)，流經(jīng)負(fù)載電阻RA的放大電流造成的壓降，給出輸出電壓。一般陽(yáng)極與陰極之間的電壓為10002000V，兩個(gè)相鄰倍增電極的電位差為50100V。 電壓越穩(wěn)定越好，以減少由倍增系數(shù)的波動(dòng)引起的測(cè)量誤差。由于光電倍增管的靈敏度高，所以適合在微弱光下使用，但不能接受強(qiáng)光刺激，否則易于損壞。第18頁(yè)/共47頁(yè)第十八頁(yè)，共48頁(yè)。 3光敏電阻(un mn din z) 某些半導(dǎo)體材料（如硫化鎘等）受到光照時(shí)，若光子能量h大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度，

13、價(jià)帶中的電子吸收一個(gè)光子后便可躍遷到導(dǎo)帶，從而激發(fā)出電子-空穴對(duì)，于是降低了材料的電阻率，增強(qiáng)了導(dǎo)電性能。阻值的大小隨光照的增強(qiáng)而降低，且光照停止后，自由電子與空穴重新復(fù)合，電阻恢復(fù)原來(lái)的值。 光敏電阻(un mn din z)的特點(diǎn)是靈敏度高、光譜響應(yīng)范圍寬，可從紫外一直到紅外，且體積小、性能穩(wěn)定，因此廣泛用于測(cè)試技術(shù)。光敏電阻(un mn din z)的材料種類很多，適用的波長(zhǎng)范圍也不同。如硫化鎘（CdS）、硒化鎘（CdSe）適用于可見(jiàn)光（0.40.75m）的范圍；氧化鋅（ZnO）、硫化鋅（ZnS）適用于紫外光范圍；而硫化鉛（PbS）、硒化鉛（PbSe）、碲化鉛（PbTe）則適用于紅外光范

14、圍。第19頁(yè)/共47頁(yè)第十九頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-47 光電倍增管的結(jié)構(gòu)及電路 a）結(jié)構(gòu) b）電路 1-入射光 2-第一倍增極 3-第三(d sn)倍增極 4-陽(yáng)極A 5-第四倍增極 6-第二倍增極 7-陰極K第20頁(yè)/共47頁(yè)第二十頁(yè)，共48頁(yè)。 光敏電阻的主要特征參數(shù)有以下幾種： （1）光電流、暗電阻、亮電阻 光敏電阻在未受到光照(gungzho)條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“暗電阻”，此時(shí)通過(guò)的電流稱為“暗電流”。光敏電阻在特定光照(gungzho)條件下呈現(xiàn)的阻值稱為“亮電阻”，此時(shí)通過(guò)的電流稱為“亮電流”。亮電流與暗電流之差稱為“光電流”。光電流的大小表征了光敏電阻的靈敏度大小。一般希望暗電

15、阻大，亮電阻小，這樣暗電流小，亮電流大，相應(yīng)的光電流大。光敏電阻的暗電阻大多很高，為兆歐量級(jí)，而亮電阻則在千歐以下。 （2）光照(gungzho)特性 光敏電阻的光電流I與光通量F的關(guān)系曲線稱為光敏電阻的光照(gungzho)特性。一般說(shuō)來(lái)光敏電阻的光照(gungzho)特性曲線呈非線性，且不同材料的光照(gungzho)特性不同。第21頁(yè)/共47頁(yè)第二十一頁(yè)，共48頁(yè)。 （3）伏安(f n)特性 在一定光照下，光敏電阻兩端所施加的電壓與光電流之間的關(guān)系稱為光敏電阻的伏安(f n)特性。當(dāng)給定偏壓時(shí)，光照度越大，光電流也越大。而在一定的照度下，所加電壓越大，光電流也就越大，且無(wú)飽和現(xiàn)象。但電壓

16、實(shí)際上受到光敏電阻額定功率、額定電流的限制，因此不可能無(wú)限制地增加。 （4）光譜特性 對(duì)不同波長(zhǎng)的入射光，光敏電阻的相對(duì)靈敏度是不一樣的。光敏電阻的光譜與材料性質(zhì)、制造工藝有關(guān)。如硫化鎘光敏電阻隨著摻銅濃度的增加其光譜峰值從500nm移至640nm；而硫化鉛光敏電阻則隨材料薄層的厚度減小其峰值也朝短波方向移動(dòng)。因此在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)當(dāng)把元件與光源結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得所希望的效果。 第22頁(yè)/共47頁(yè)第二十二頁(yè)，共48頁(yè)。 （5）響應(yīng)時(shí)間特性 光敏電阻的光電流對(duì)光照強(qiáng)度的變化有一定的響應(yīng)時(shí)間，通常用時(shí)間常數(shù)來(lái)描述(mio sh)這種響應(yīng)特性。光敏電阻自光照停止到光電流下降至原值的63%時(shí)所經(jīng)

17、過(guò)的時(shí)間稱為光敏電阻的時(shí)間常數(shù)。不同的光敏電阻的時(shí)間常數(shù)不同，因而其響應(yīng)時(shí)間特性也不相同。 （6）光譜溫度特性 與其他半導(dǎo)體材料相同，光敏電阻的光學(xué)與化學(xué)性質(zhì)也受溫度影響。溫度升高時(shí)，暗電流和靈敏度下降。溫度的變化也影響到光敏電阻的光譜特性。因此有時(shí)為提高光敏電阻對(duì)較長(zhǎng)波長(zhǎng)光照（如遠(yuǎn)紅外光）的靈敏度，要采用降溫措施。第23頁(yè)/共47頁(yè)第二十三頁(yè)，共48頁(yè)。 4光敏晶體管 光敏晶體管分光敏二極管和光敏晶體管，其結(jié)構(gòu)原理分別如圖3-48、圖3-49所示。光敏二極管的PN結(jié)安裝在管子頂部，可直接接受光照，在電路中一般處于反向工作狀態(tài)（見(jiàn)圖3-48b）。在無(wú)光照時(shí)，暗電流很小。當(dāng)有光照時(shí)，光子打在PN

18、結(jié)附近，從而在PN結(jié)附件產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。它們(t men)在內(nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。光電流隨光照度的增加而增加。因此在無(wú)光照時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)有光照時(shí)，二極管導(dǎo)通。第24頁(yè)/共47頁(yè)第二十四頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-48光敏二極管 a）光敏二極管符號(hào)(fho) b）光敏二極管的連接 第25頁(yè)/共47頁(yè)第二十五頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-49光敏晶體管 a）光敏晶體管符號(hào)(fho) b）光敏晶體管的連接 第26頁(yè)/共47頁(yè)第二十六頁(yè)，共48頁(yè)。 光敏晶體管有NPN型和PNP型兩種，結(jié)構(gòu)與一般晶體三極管相似。由于光敏晶體管是由光致導(dǎo)通的，因此它的發(fā)射極通常做得很小，以擴(kuò)大光的照射面

19、積。當(dāng)光照到三極管的PN結(jié)附近時(shí)，在PN結(jié)附件(fjin)有電子-空穴對(duì)產(chǎn)生，它們?cè)趦?nèi)電場(chǎng)作用下作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流。這樣使PN結(jié)的反向電流大大增加。由于光照發(fā)射極所產(chǎn)生的光電流相對(duì)于晶體管的基極電流，因此集電極的電流為光電流的倍，因此光敏晶體管的靈敏度比光敏二極管的靈敏度高。 光敏晶體管的基本特性有： （1）光照特性 光敏二極管特性曲線的線性度要好于光敏晶體管，這與三極管的放大特性有關(guān)。第27頁(yè)/共47頁(yè)第二十七頁(yè)，共48頁(yè)。（2）伏安特性 在不同照度下，光敏二極管和光敏晶體管的伏安特性曲線跟一般晶體管在不同基極電流時(shí)的輸出特性一樣。并且光敏晶體管的光電流比相同管型的二極管的光電流大數(shù)百倍

20、。由于光敏二極管的光生(un shn)伏打效應(yīng)使得光敏二極管即使在零偏壓時(shí)仍有光電流輸出。（3）光譜特性 當(dāng)入射波長(zhǎng)增加時(shí)，光敏晶體管的相對(duì)靈敏度均下降，這是由于光子能量太小，不足以激發(fā)電子-空穴對(duì)。而當(dāng)入射波長(zhǎng)太短時(shí)，靈敏度也會(huì)下降，這是由于光子在半導(dǎo)體表面附近激發(fā)的電子-空穴對(duì)不能到達(dá)PN結(jié)的緣故。 第28頁(yè)/共47頁(yè)第二十八頁(yè)，共48頁(yè)。 （4）溫度特性 光敏晶體管的暗電流受溫度變化的影響較大，而輸出電流受溫度變化的影響較小。使用應(yīng)考慮溫度因素的影響，采取補(bǔ)償措施。 （5）響應(yīng)時(shí)間 光敏管的輸出與光照之間有一定的響應(yīng)時(shí)間，一般(ybn)鍺管的響應(yīng)時(shí)間為210-4s左右，硅管為110-5s

21、左右。第29頁(yè)/共47頁(yè)第二十九頁(yè)，共48頁(yè)。 3.5.3 光電傳感器的應(yīng)用 光電傳感器可應(yīng)用于檢測(cè)多種非電量。由于光通量對(duì)光電元件作用方式的不同所涉及的光學(xué)裝置是多種多樣的，按其輸出性質(zhì)可分為兩類： 1模擬量光電傳感器 把被測(cè)量(cling)轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，它與被測(cè)量(cling)間呈單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。屬于這一類的光電元件有以下幾種形式： 1）光源本身是被測(cè)物（見(jiàn)圖3-50a）其能量輻射到光電元件上。這種形式的光電傳感器可用于光電比色高溫計(jì)中，它的光輻射的強(qiáng)度和光譜的強(qiáng)度分布都是被測(cè)溫度的函數(shù)。第30頁(yè)/共47頁(yè)第三十頁(yè)，共48頁(yè)。 2）恒光源(gungyun)所輻射的光穿過(guò)被測(cè)物，部分

22、被吸收，而后到達(dá)光電元件上（見(jiàn)圖3-50b）。吸收量取決于被測(cè)物質(zhì)的被測(cè)參數(shù)。例如，測(cè)液體、氣體的透明度、混濁度的光電比色計(jì)、混濁度計(jì)的傳感器等。 3）恒光源(gungyun)所輻射的光照到被測(cè)物（見(jiàn)圖3-50c），由被測(cè)物反射到達(dá)光電元件上。表面反射狀態(tài)取決于該表面的性質(zhì)，因此成為被測(cè)非電量的函數(shù)。如測(cè)量表面粗糙度等儀器的傳感器。 4）恒光源(gungyun)所輻射的光遇到被測(cè)物，部分被遮擋，而后到達(dá)光電元件上（見(jiàn)圖3-50d），由此改變了照射到光電元件上的光通量。在某些檢測(cè)尺寸或振動(dòng)的儀器中，常采用這類傳感器。第31頁(yè)/共47頁(yè)第三十一頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-50應(yīng)用光電元件的幾種形式 a）

23、被測(cè)量(cling)是光源 b）被測(cè)量(cling)吸收光能量 c）被測(cè)量(cling)反射光能量 d）被測(cè)量(cling)阻擋光能量 1-被測(cè)物 2-光電元件 3-恒光源 第32頁(yè)/共47頁(yè)第三十二頁(yè)，共48頁(yè)。 2開(kāi)關(guān)量光電傳感器 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的光電流，而自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的為開(kāi)關(guān)量或數(shù)字電信號(hào)。屬于這一類的傳感器大多(ddu)用在光機(jī)電結(jié)合的檢測(cè)裝置中。如電子計(jì)算機(jī)的光電輸入機(jī)、轉(zhuǎn)速表的光電傳感器與用于精確角度測(cè)量的光電式編碼器。 這類傳感器為數(shù)字傳感器，具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1）能借助于微電子技術(shù)，達(dá)到足夠高的精度，避免了人為的讀數(shù)誤差； 2）易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的快速、自動(dòng)和數(shù)字化； 3）

24、測(cè)量系統(tǒng)量程大，長(zhǎng)度可達(dá)數(shù)米甚至更長(zhǎng)，可在360范圍內(nèi)進(jìn)行角度測(cè)量； 4）測(cè)量系統(tǒng)安裝方便、使用維護(hù)簡(jiǎn)單、工作性能可靠。第33頁(yè)/共47頁(yè)第三十三頁(yè)，共48頁(yè)。 由于上述優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)床業(yè)的數(shù)控、自動(dòng)化以及計(jì)量業(yè)中廣泛應(yīng)用。本節(jié)著重介紹角度-數(shù)字編碼器。 角度-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，廣泛用于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)械系統(tǒng)中。按工作原理加以區(qū)分，可分為脈沖盤(pán)式和碼盤(pán)式兩種。 （1）脈沖盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器 脈沖盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器的結(jié)構(gòu)如圖3-51所示。在個(gè)圓盤(pán)的邊緣上開(kāi)有相等角距的狹縫（分成透明及不透明的部分），在開(kāi)縫(ki fn)圓盤(pán)的兩邊分別安裝光源及光敏元件。使圓盤(pán)隨工作軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。每轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)縫隙就發(fā)

25、生一次光線的明暗變化，經(jīng)過(guò)光敏元件，就產(chǎn)生一次電信號(hào)的變化，再經(jīng)整形放大，可以得到一定幅值和功率的電脈沖輸出信號(hào)。脈沖數(shù)等于轉(zhuǎn)過(guò)的縫隙數(shù)。若將得到的脈沖信號(hào)送到計(jì)數(shù)器中，則計(jì)數(shù)碼即可反映圓盤(pán)轉(zhuǎn)過(guò)的角度。第34頁(yè)/共47頁(yè)第三十四頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-51 脈沖盤(pán)式角度(jiod)-數(shù)字編碼器的結(jié)構(gòu)示意圖 第35頁(yè)/共47頁(yè)第三十五頁(yè)，共48頁(yè)。 若采用兩套光電轉(zhuǎn)換(zhunhun)裝置，使其相對(duì)位置有一定的關(guān)系，以保證它們產(chǎn)生的信號(hào)在相位上相差1/4周期，這樣可以判斷軸的旋轉(zhuǎn)方向。如圖3-52所示。 正轉(zhuǎn)時(shí)光敏元件2比光敏元件1先感光，此時(shí)與門(mén)DA1有輸出，將加減控制觸發(fā)器置“1”，使可逆計(jì)數(shù)

26、器的加法母線為高電位。同時(shí)DA1的輸出脈沖又經(jīng)或門(mén)送到可逆計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)輸入端，計(jì)數(shù)器進(jìn)行加法計(jì)數(shù)。反轉(zhuǎn)時(shí)光敏元件1比光敏元件2先感光，計(jì)數(shù)器進(jìn)行減法計(jì)數(shù)。這樣就可以區(qū)別旋轉(zhuǎn)方向，自動(dòng)進(jìn)行加法或減法計(jì)數(shù)。第36頁(yè)/共47頁(yè)第三十六頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-52 辨向環(huán)節(jié)(hunji)的邏輯電路圖第37頁(yè)/共47頁(yè)第三十七頁(yè)，共48頁(yè)。 （2）碼盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器 碼盤(pán)式角度-數(shù)字編碼器是按角度直接進(jìn)行編碼的傳感器，通常把它裝在檢測(cè)軸上。按其結(jié)構(gòu)可把它分為接觸式、光電式和電磁式。碼盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖3-53所示。 圖3-53a為一個(gè)接觸式四位二進(jìn)制碼盤(pán)，涂黑部分為導(dǎo)電區(qū)。所有導(dǎo)電部分連接在一起接高電位?？瞻?/p>

27、部分為絕緣區(qū)。在每圈碼道上都有一個(gè)電刷，電刷經(jīng)電阻接地。當(dāng)碼盤(pán)與軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電刷上將出現(xiàn)相應(yīng)的電位，對(duì)應(yīng)一定的數(shù)碼。 若采用n位碼盤(pán)，則能分辨的角度為 位數(shù)n越大，能分辯的角度越小，測(cè)量精度越高。二進(jìn)制碼盤(pán)很簡(jiǎn)單，但實(shí)際應(yīng)用中對(duì)碼盤(pán)的制作和電刷（或光電元件）的安裝要求十分嚴(yán)格，否則就會(huì)出錯(cuò)。例如，當(dāng)電刷（0111）向（1000）位過(guò)渡時(shí)，若電刷位置安裝不準(zhǔn)，可能(knng)出現(xiàn)815之間的任一十進(jìn)制數(shù)，這是不允許的。這種誤差屬于非單值誤差。n2360第38頁(yè)/共47頁(yè)第三十八頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-53 碼盤(pán)結(jié)構(gòu)(jigu)見(jiàn)圖 a）二進(jìn)制碼盤(pán) b）四位循環(huán)碼盤(pán)第39頁(yè)/共47頁(yè)第三十九頁(yè)，共

28、48頁(yè)。 為了消除非單值誤差，通常用循環(huán)碼代替二進(jìn)制碼（見(jiàn)圖3-53b）。循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰的兩個(gè)數(shù)碼只有一位是變化的，因此即使制作和安裝不準(zhǔn)，產(chǎn)生的誤差最大也只是一位數(shù)。 接觸式碼盤(pán)的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單、體積小、輸出信號(hào)功率大；缺點(diǎn)是有磨損、壽命短、轉(zhuǎn)速不能太高。 （3）光電式角度-數(shù)字編碼器 近年來(lái)，大部分編碼器采用光電式結(jié)構(gòu)( jigu)。通常它的碼盤(pán)是用玻璃制成的，碼盤(pán)上有代表編碼的透明和不透明的圖形。這些圖形是采用照相制板真空鍍膜工藝形成的，相當(dāng)于接觸式編碼器碼盤(pán)上的導(dǎo)電區(qū)和非導(dǎo)電區(qū)。第40頁(yè)/共47頁(yè)第四十頁(yè)，共48頁(yè)。 一個(gè)完整的光電式角度-數(shù)字編碼器包括：光源、光學(xué)系統(tǒng)、碼盤(pán)、讀數(shù)系統(tǒng)

29、和電路系統(tǒng)。結(jié)構(gòu)如圖3-54所示。編碼器的精度主要由碼盤(pán)的精度決定，目前(mqin)的分辨率可以達(dá)到0.15，徑向線條寬度為0.06rads。為了保證精度，碼盤(pán)的透明和不透明的圖形邊緣必須清晰、銳利，以減少光電元件在電平轉(zhuǎn)換時(shí)產(chǎn)生的過(guò)渡噪聲。光學(xué)系統(tǒng)的邊緣效應(yīng)是限制編碼器精度的重要因素之一。第41頁(yè)/共47頁(yè)第四十一頁(yè)，共48頁(yè)。 圖3-54 光電式角度-數(shù)字編碼器結(jié)構(gòu)示意圖 1-光源(gungyun) 2-透鏡 3-碼盤(pán) 4-狹縫 5-光電元件第42頁(yè)/共47頁(yè)第四十二頁(yè)，共48頁(yè)。 為了提高編碼器的分辨率，在光電式角度-數(shù)字編碼器中采用了二進(jìn)制碼盤(pán)、脈沖增量式碼盤(pán)再加細(xì)分電路構(gòu)成的高位數(shù)絕對(duì)( judu)式角度數(shù)字編碼器。 例如，有1219分之一分辨率的編碼器，它的碼盤(pán)內(nèi)有14條碼道，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生14位二進(jìn)制數(shù)字輸出碼。外層碼道有兩路增