第八章光電式傳感器學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1第八章光電式傳感器第八章光電式傳感器第一頁，共28頁。 器件(qjin)：3、光電效應(yīng)(un din xio yng)及光電器件 (1) 外光電效應(yīng)(un din xio yng)及其器件 外光電效應(yīng)特點(diǎn)：速度快-從光照射到釋放電子時(shí)間不超過10-9秒。 需足夠光能-光子能力 表面溢出功原理：光 陰極 光電子 陽極 空間電子流外接電阻 壓降U=f(I)原理：光 物體表面 光電子發(fā)射 光電管應(yīng)用：足夠的光強(qiáng)，高速-光電開關(guān) 固體激光器-體積小，堅(jiān)固，功率高 紅寶石、（少用）氣體激光器-小巧、單色性好、能連續(xù)工作、功率小 氦氖、CO2液體激光器-激光波長可連續(xù)調(diào)節(jié)（范圍） 染料半導(dǎo)體激光器

2、-效率高、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單、功率小、非線性 特點(diǎn)：簡單，靈敏度低 （充入惰性氣體氣體轟擊自由電子）第1頁/共28頁第二頁，共28頁。光電倍增(bi zn)管原理(yunl)：光 陰極 光電倍增極 陽極 電流應(yīng)用(yngyng)：開關(guān)測(cè)量 光電開關(guān) ，計(jì)數(shù) (2) 內(nèi)光電效應(yīng) 原理：導(dǎo)帶禁帶價(jià)帶半導(dǎo)體能帶圖光電導(dǎo)效應(yīng)： 器件：光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管原理：光 電子-空穴對(duì) 導(dǎo)電性 電阻光生伏特效應(yīng): 原理： 光PN結(jié)（無偏置） 電子N, 空穴P 電動(dòng)勢(shì) 器件：光電池 （硅，鍺） 特點(diǎn)：光電流大，靈敏度高 倍增率=n , -單極倍增率（36） n-倍增極數(shù)（414）光 半導(dǎo)體 電子

3、吸收能量 躍遷 電子-空穴對(duì)第2頁/共28頁第三頁，共28頁。光敏電阻(un mn din z)： 原理(yunl)：電阻器件，加直流偏壓，無極性 無光照-電子-空穴對(duì)很少-電阻大(暗電阻) 有光照-電子-空穴對(duì)增多-導(dǎo)電性增強(qiáng) 特點(diǎn)(tdin)：靈敏度高，體積小，重量輕，性能穩(wěn)定 批量生產(chǎn)，價(jià)格便宜 應(yīng)用：工業(yè)自動(dòng)化-開關(guān)元件，快速響應(yīng) 家電-(感應(yīng)式節(jié)能燈：判斷照度)特性：光照特性為非線性，光譜特性存在單峰，動(dòng)態(tài)特性好 光照特性結(jié)構(gòu)：金屬封裝-防潮光譜特性動(dòng)態(tài)特性第3頁/共28頁第四頁，共28頁。光敏二極管（光電二極管, PD: Photo-Diode） 原理： 半導(dǎo)體PN結(jié)- 無光時(shí)-高

4、阻特性，微弱(wiru)電流暗電流，A； 光照時(shí)-電子N,空穴P 光電流 光照愈強(qiáng) - 光電流愈大PN光照特性光敏三極管（光電三極管, PT: Photo-Triode） 原理(yunl)：光敏二極管（bc結(jié)）+ 三極管應(yīng)用：線性轉(zhuǎn)換(zhunhun)元件，開關(guān)元件， 特點(diǎn)：靈敏度高于光敏二極管，特性：光照特性-靈敏度和線性好，光譜特性-單峰性光譜特性第4頁/共28頁第五頁，共28頁。特性(txng)：光照特性(txng)-靈敏度高于光敏二極管，線性好 光譜特性(txng)-單峰性 動(dòng)態(tài)特性(txng)-響應(yīng)速度低于光敏二極管應(yīng)用：線性轉(zhuǎn)換(zhunhun)元件，開關(guān)元件 光照(gungzho

5、)特性高速光電二極管 PIN結(jié)光電二極管（PIN-PD） ： I-高電阻率的本征半導(dǎo)體 響應(yīng)速度快，靈敏度高，線性好， 用于光通訊，光測(cè)量光譜特性動(dòng)態(tài)特性雪崩光電二極管： PN + P+ APD 響應(yīng)速度快，靈敏度高，線性差， 用于光通訊脈沖編碼第5頁/共28頁第六頁，共28頁。連接(linji)方式：開路電壓輸出-(a) 短路電流輸出-(b) 特性(txng)：光照特性(txng)-開路電壓輸出：非線性(電壓-光強(qiáng))，靈敏度高 短路電流輸出：線性好(電流-光強(qiáng)) ，靈敏度低 光譜特性(txng)-硅電池：0.51.2m(紅-紅外)，峰值0.8 m(近紅外) 鍺電池：0.30.7m(紫-紅)，

6、峰值0.5 m(綠) 光電池原理(yunl)： 光PN結(jié)電子N, 空穴P 電動(dòng)勢(shì) 光電能光電池（硅電池：單晶硅）特點(diǎn)：有源器件，輕便、簡單、無污染，動(dòng)態(tài)特性好（硅） 工作于可見光波段-太陽能電池應(yīng)用：宇航飛行儀器，儀表電源，便攜儀表(計(jì)算器) - 開關(guān)測(cè)量（開路電壓輸出），線性檢測(cè)（短路電流輸出）第6頁/共28頁第七頁，共28頁。四象限(xingxin)光電池位置敏感(mngn)器件（PSD-Positional Sensing Device） 原理(yunl)：光 光電二極管 空穴由N向P移動(dòng) 空穴1端I1 空穴2端I2 121221/xxRRII說明：對(duì)于各種光電元件： （1）暗電流：無光

7、照時(shí)輸出電流 熱噪聲 （2）溫度特性：溫度 靈敏度、光譜特性 降溫、恒溫、溫度補(bǔ)償 （3）器件材料： 硅 好于 鍺原理：集成4光電池 - 四象限 光斑4分量I1 、I2 、I3 、I4 ；3241IIIIx4321IIIIy應(yīng)用：二維位置檢測(cè)，準(zhǔn)直固態(tài)攝像器件： CCD比值：應(yīng)用：位置檢測(cè)(一維、二維)比值：第7頁/共28頁第八頁，共28頁。二、 一般(ybn)形式的光電式傳感器 透射式：光被測(cè)物光電元件，透射 - 測(cè)量(cling)透明度、混濁度；1、模擬式光電傳感器 透射(tu sh)式：光被測(cè)物光電元件，2、脈沖式光電傳感器 反射式：光被測(cè)物光電元件，反射 - 測(cè)量反射率、粗糙度、距離；

8、遮光式：光被測(cè)物光電元件，遮光度 - 測(cè)量位移、振動(dòng)；輻射式：被測(cè)物光 光電元件，輻射強(qiáng)度 - 測(cè)量溫度、放射線；反射式：光被測(cè)物光電元件，第8頁/共28頁第九頁，共28頁。1、絕對(duì)(judu)式光電編碼器 (1) 結(jié)構(gòu)(jigu)與原理 原理(yunl)：平行光源碼盤 光電元件電信號(hào)輸出 碼盤：光學(xué)玻璃，透光/不透光 照相腐蝕 要求：分度準(zhǔn)確（工藝）、 陰暗交替邊緣陡峭（工藝、材質(zhì)）光源：LED 光學(xué)系統(tǒng) 平行光 投影精確 光電元件：硅光電池，光電晶體管 滯后 響應(yīng)速度 碼道：位數(shù)每個(gè)碼道對(duì)應(yīng)一個(gè)光電元件分辨率 角度分辨率：=360/2n n-碼道數(shù)（位數(shù)） 測(cè)量電路：放大 足夠電平 ，驅(qū)動(dòng)

9、 整形 接近理想方波 細(xì)分 提高分辨率（光學(xué)+電路）第9頁/共28頁第十頁，共28頁。例：19位光電編碼器，角分辨率：=360/219=2.47” (2) 編碼(bin m)碼制：提高精度(jn d): 增加碼道、增大碼盤尺寸 有限 光學(xué)細(xì)分 附加碼道 十進(jìn)制碼-簡單，不易電路(dinl)處理二進(jìn)制碼-直觀，易于后續(xù)電路和計(jì)算機(jī)處理。 多位碼同時(shí)動(dòng)作同步誤差錯(cuò)碼格 雷 碼-循環(huán)碼：相鄰兩數(shù)只有一位不同每次只有一位變化轉(zhuǎn)換 14位內(nèi)碼道+1位專用附加碼道 19位附加碼道周期與內(nèi)碼道最低位(最外)對(duì)應(yīng) 正弦波+余弦波過零比較插值、移相過零脈沖細(xì)分16正弦波32個(gè)等分點(diǎn)5附加位第10頁/共28頁第十

10、一頁，共28頁。角度位置二進(jìn)制碼十進(jìn)制碼格雷碼0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光電編碼器碼制第11頁/共28頁第十二頁，共28頁。(3) 特點(diǎn)(td

11、in)與應(yīng)用 特點(diǎn)(tdin)：結(jié)構(gòu)簡單、精度高、分辨率高，可靠性好， 直接數(shù)字量輸出，絕對(duì)碼輸出， 測(cè)量范圍?。?60），速度不高（最高幾千轉(zhuǎn)/分）摩擦輪編碼器2、增量(zn lin)編碼器 (1) 結(jié)構(gòu)與原理 結(jié)構(gòu)： 與絕對(duì)編碼器類似應(yīng)用：小范圍絕對(duì)位置測(cè)量-角度、直線位置 小范圍位移、速度檢測(cè)例：直線 旋轉(zhuǎn) W 光學(xué)放大 提高靈敏度可調(diào)性：夾角 條紋間距B 靈活準(zhǔn)確性：大量刻線 誤差平均效應(yīng) 克服個(gè)別/局部誤差 提高精度 (2) 光柵傳感器分類與結(jié)構(gòu)(jigu)原理 按光學(xué)形式分：透射式-光源與光電元件在兩側(cè)透射光反射式-光源與光電元件同一側(cè)反射光(3) 光柵傳感器特點(diǎn) 精度高：測(cè)長(0

12、.2+210-6L)m，測(cè)角0.1量程大：透射式-光柵尺長（米），反射式-幾十米響應(yīng)快：可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量增量式：增量碼測(cè)量 計(jì)數(shù) 斷電數(shù)據(jù)消失要求高：對(duì)環(huán)境要求高溫度、濕度、灰塵、振動(dòng)、移動(dòng)精度成本高：電路復(fù)雜 按運(yùn)動(dòng)形式分：直線型-主光柵為直尺形直線移動(dòng) 旋轉(zhuǎn)型-主光柵為圓盤形旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)第15頁/共28頁第十六頁，共28頁。(1) 光電轉(zhuǎn)換(zhunhun) 光電元件(yunjin)：硅光電池 光電二極管)/2sin(0WxUUum（直流分量+正弦信號(hào)）(2) 辨向原理 兩路莫爾條紋信號(hào)相位差/2比較 （兩個(gè)光電元件 相距B/4 ） 正向移動(dòng)加計(jì)數(shù) 反向移動(dòng)減計(jì)數(shù)(3) 細(xì)分技術(shù) 1個(gè)計(jì)數(shù)1個(gè)柵

13、距分辨率刻線（條/mm）細(xì)分 二倍頻細(xì)分： 兩個(gè)光電元件兩路信號(hào)(sin,cos)處理2個(gè)脈沖/柵距四倍頻細(xì)分： 2個(gè)光電元件信號(hào)反向4路信號(hào)(sin,cos,-sin,-cos)處理4個(gè)脈沖/柵距 4個(gè)光電元件4路信號(hào)(sin,cos,-sin,-cos)處理4個(gè)脈沖/柵距光電檢測(cè)：光強(qiáng)信號(hào)明暗條紋 一點(diǎn)觀察光強(qiáng)變化第16頁/共28頁第十七頁，共28頁。電橋(din qio)細(xì)分： 4路信號(hào)（sin,cos,-sin,-cos）電橋(din qio)電位器過零比較器多個(gè)脈沖（1260） 電平切割細(xì)分： 4路信號(hào)（sin,cos,-sin,-cos）比較(bjio)器電平幅值切割多個(gè)脈沖（40

14、100） 其他方法： 移相電阻鏈法（1060）、鎖相細(xì)分法（1001000）、矢量法（620）、 載波(zib)調(diào)制法（1001000）、內(nèi)插值法（2540）、光學(xué)調(diào)制法（2001000）3、零位光柵增量碼絕對(duì)零位基準(zhǔn)/標(biāo)志絕對(duì)碼測(cè)量 零位光柵 ： 單刻線：一條透光狹縫，寬度相同 近似三角波信噪比低，匹配難 多刻線：一組不等間距、不等寬度條紋對(duì)稱尖脈沖定位精度高0.1m4、光柵傳感器應(yīng)用 應(yīng)用：實(shí)驗(yàn)室、計(jì)量室 高精度儀器、設(shè)備 幾何量（三坐標(biāo)、萬工顯） 例：立式測(cè)長儀光源1透鏡2平行光標(biāo)尺光柵3+指示光柵5 被測(cè)尺寸測(cè)桿標(biāo)尺光柵移動(dòng)莫爾條紋光電元件6 標(biāo)尺光柵V型滾珠導(dǎo)軌 指示光柵浮動(dòng)盤4無需

15、調(diào)整 技術(shù)指標(biāo)：刻線50條/mm，20倍頻細(xì)分， 范圍050mm，精度1m 第17頁/共28頁第十八頁，共28頁。固態(tài)特性(txng)傳感器 = 電荷轉(zhuǎn)移器件 + 光敏元件陣列+自掃描功能1、CCD的基本原理 最小單元（像素）： P型硅襯底+SiO2層+Al金屬電極 MOS電容器件陣列+輸入(shr)極+輸出極CCD (2) 工作原理： (1) CCD結(jié)構(gòu)：初始狀態(tài)：表面電極+正偏壓襯底形成耗盡區(qū)(勢(shì)阱) 電極吸收電子電荷包CCD的MOS結(jié)構(gòu)電荷轉(zhuǎn)移注入電荷：光注入-攝像器件 電注入-位移寄存器 熱注入-熱像器件電荷轉(zhuǎn)移：3個(gè)電極時(shí)鐘脈沖(相位不同)P1電荷包 P1+P2電荷包P2電荷包電荷包

16、轉(zhuǎn)移 （P1P2）（三相）電荷轉(zhuǎn)移器件（CTD）、 電荷耦合器件（CCD） 電荷輸出：時(shí)鐘脈沖電荷包轉(zhuǎn)移PN結(jié)收集輸出第18頁/共28頁第十九頁，共28頁。2、線陣CCD傳感器 (1) 線陣CCD結(jié)構(gòu)(jigu) 一列感光元件(yunjin)+一列CCD并行(一一對(duì)應(yīng))轉(zhuǎn)移柵 一維陣列 (2) 線陣CCD工作(gngzu)原理 入射光光電元件光電荷光電荷收集（光積分）轉(zhuǎn)移柵電壓升高光電荷并行轉(zhuǎn)移移位寄存器時(shí)鐘脈沖電荷串行輸出 光積分：光電元件收集/積累光電荷與光強(qiáng)、時(shí)間成正比曝光量 (3) 線陣CCD特點(diǎn) 光譜特性：多峰性多晶硅電極+工藝分辨率高：像素?cái)?shù)10246k,像素尺寸613m速度快：光

17、積分時(shí)間相當(dāng)于一個(gè)行時(shí)信號(hào)強(qiáng)度弱：一般需增加光積分時(shí)間 (4) 線陣CCD應(yīng)用 一維測(cè)量：工件尺寸、振動(dòng)振幅、偏擺量、速度、位移、二維測(cè)量：+機(jī)械掃描裝置-攝像、傳真、掃描儀、慢掃描電視 CCD光譜第19頁/共28頁第二十頁，共28頁。3、面陣CCD傳感器 (1) 面陣CCD結(jié)構(gòu)(jigu) 二維陣列感光元件(yunjin)+一列CCD并行（一一對(duì)應(yīng)）行掃描+輸出寄存器 (2) 面陣CCD工作(gngzu)原理 行掃描：隔行掃描/逐行掃描 (3) 面陣CCD特點(diǎn) 光譜特性：多峰性多晶硅電極+工藝 （與線陣CCD相同）分辨率低：像素?cái)?shù)（100*100）（1024*1024）,像素尺寸810m速度

18、慢：光積分時(shí)間+航掃描時(shí)間 （40ms）色彩：黑白CCD-灰度圖像，8位（256級(jí)）彩色CCD-RGB信號(hào)（Red/Green/Blue）, 8位（24位） (4) 照明方法 照明條件好壞成像質(zhì)量圖像清晰度/細(xì)節(jié)分辨率/對(duì)比度/陰影 漫反射照明：適于表面光滑、形狀規(guī)矩物體 表面特性 透射照明：（背光照明）適于不透光物體黑白二值圖像輪廓識(shí)別 結(jié)構(gòu)光照明：平行光光柵/網(wǎng)格條紋光/網(wǎng)格光物體幾何特性(三維) 定向照明：平行光束 物體表面 反射 表面缺陷/ 第20頁/共28頁第二十一頁，共28頁。(5) 圖像處理(t xin ch l) 濾波(lb)： 圖像(t xin)濾波去噪聲：光電元件熱噪聲、量

19、化誤差、電氣噪聲、輻射噪聲 平滑化處理此丟失圖像(t xin)細(xì)節(jié) 111181111濾波方法：鄰域平均法-平均值新灰度值 中值濾波法-中值新灰度值 數(shù)字濾波器-邊緣檢測(cè)： xf邊緣位置：灰度變化最大處檢測(cè)方法：微分法-df/dx=max 灰度梯度法- 空間灰度矩法 -圖像描述 物體幾何特征：點(diǎn)、線、面擬合 (6) 面陣CCD應(yīng)用 一維測(cè)量：工件尺寸、振動(dòng)振幅、偏擺量、速度、位移、二維測(cè)量：攝像、形狀、識(shí)別(物體、數(shù)字)、二維尺寸(錐角、齒形、螺紋) 第21頁/共28頁第二十二頁，共28頁。1、光纖傳感器的原理(yunl)與特點(diǎn) (1) 光纖波導(dǎo)(b do)原理 12n2n1c全反射：光密介質(zhì)

20、(jizh)1 光疏介質(zhì)(jizh)2 ( n1n2) 2211sinsinnn 190 全反射 臨界角：2=901=C 12/sinnnC光纖波導(dǎo)原理：空氣n0纖芯n1包層n2 (n1n2n0) 空氣纖芯： 1100sinsinnn纖芯包層： 90sin)90sin(211nn（全反射） NAnnn2221001sinNA-數(shù)值孔徑 張角（0） 一般： NA = 0.20.4 對(duì)應(yīng)張角 11.523.6 01第22頁/共28頁第二十三頁，共28頁。(2) 光纖截面(jimin)形式：(3) 光纖的模：2、 光纖傳感器 分類：功能型（FF）- 光纖為敏感元件 傳感型 單模光纖 非功能型(NF)

21、 - 光纖為傳輸(chun sh)介質(zhì) 傳光型 多模光纖階躍型-纖芯折射率恒定不變， 包層界面處突變(tbin)；梯度型-纖芯折射率歲半徑變，包層界面處一致 光聚焦，正弦波軌跡全反射駐波（往返相位變化2）光線組模離散（基模、高次模）多模光纖：模數(shù)多，傳輸頻率高，芯徑大，折射率差大;單模光纖：1基模，傳輸頻率低，芯徑小，折射率差小 特點(diǎn)：靈敏度高、抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、傳輸性好應(yīng)用：位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、速度、加速度、電流、電壓、磁場、 溫度、濕度 第23頁/共28頁第二十四頁，共28頁。3、光纖傳感器應(yīng)用(yngyng) (1) 光纖位移(wiy)傳感器 微彎式：反射(fnsh)調(diào)制式：原理：光源 發(fā)射光纖