光電信息轉(zhuǎn)換組合器件

§3.3光電信息轉(zhuǎn)換組合器件§3.3.1光電耦合器一、結(jié)構(gòu)和特點(diǎn)圖3.3.1-1光電耦合器結(jié)構(gòu)光電耦合器是將LED和光敏三極管緊密的組裝在一起，密封在一個(gè)對(duì)外隔光的封裝之內(nèi)，這樣LED的光線能夠落到光敏三極管的表面上。如圖：光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號(hào)的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。光電耦合器的另一個(gè)重要特性是用IF控制I，信號(hào)的傳遞是單向的。輸出端即使有很強(qiáng)的干擾和噪聲，也不會(huì)影響反饋到輸入端。二、光電耦合器的類型其類型主要有：普通光電耦合器；達(dá)林頓光電耦合器；雙光電耦合器；四光電耦合器；（此四種統(tǒng)稱為隔離光電耦合器）開(kāi)槽光電耦合器和反射光電耦合器。

光電耦合器的一個(gè)重要特性是其輸入端相聯(lián)接的電路可以和其輸出端的電路完全隔開(kāi)，并且在這兩個(gè)電路之間可以安全地存在成百上千伏的電位差而不會(huì)對(duì)光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響。

使用單只光敏三極管作輸出級(jí)的普通光電耦合器（圖a），通常是密封在一個(gè)六引腳的封裝之內(nèi)，而光敏三極管的基極被引到封裝的外面以備使用。在平常的使用中，基極是開(kāi)路不用的，在此情況下，光電耦合器具有300kHz的有效帶寬。然而，光敏三極管能夠轉(zhuǎn)換為光敏二極管，這只要將基極（引腳6）和發(fā)射極（引腳4）的引出端短接在一起即可，在這種情況下，帶寬卻上升到約30MHz。（a）普通光電耦合器圖3.3.1-2光電耦合器的類型

達(dá)林頓光電耦合器(圖b)也是密封在一個(gè)六引腳的封裝當(dāng)中，而且其光敏三極管的基極亦引到封裝之外以供使用。由于達(dá)林頓管的高電流增益，因此其有效帶寬僅為30kHz。

圖c和圖d所示的雙和四光電耦合器都是利用單只光敏三極管作為輸出級(jí)的，而這些光敏三極管的基極卻不能外部引用。圖3.3.1-2光電耦合器的類型

注意：在所有這四種器件里，輸入引腳都是在封裝的某一邊上而輸出引腳則是在封裝的另一邊上。這種結(jié)構(gòu)有利于增加隔離電壓的最大可能值。還要注意的有，在圖3.3.1-2(c)和圖3.3.1-2(d)所示的雙和四光電耦合器件中，盡管它們具有1.5kV的隔離電壓值，但是在相鄰?fù)ǖ乐g所出現(xiàn)的電位差卻絕對(duì)不允許超過(guò)500V。三、光電耦合器的檢測(cè)在檢測(cè)輸入端時(shí)，一般均參照紅外發(fā)光二極管的檢測(cè)方法。檢測(cè)輸出端時(shí)應(yīng)參照光敏三極管的檢測(cè)方法。萬(wàn)用表置于歐姆檔，紅、黑表筆接入兩個(gè)引腳，一次指數(shù)為無(wú)窮大，互換后表針為幾千歐，則黑表筆所結(jié)引腳為發(fā)光二極管的正極。在光電耦合器輸入端接入正向電壓，萬(wàn)用表指針置于電阻檔，紅、黑表筆接入光電耦合器輸出端的兩個(gè)引腳。如果一次表針指數(shù)為無(wú)窮大，表針互換后電阻值小于100歐，此時(shí)黑表所接為NPN型光敏三極管的集電極c、紅表筆所接為發(fā)射集e。切斷輸入端電壓，光敏三極管要截止，電阻應(yīng)為無(wú)窮大。1．用于電平轉(zhuǎn)換圖3.3.1-3是PMOS電路電平轉(zhuǎn)到TTL(晶體管-晶體管邏輯電路)電路電平的電路圖。該電路中，輸入是-20伏到0伏的脈沖，輸出是0伏到5伏的脈沖，前后電路完全是隔離的。圖3.3.1-3電平轉(zhuǎn)換電路由于各種集成電路所用的電源電壓是不同的，如在一個(gè)系統(tǒng)中用二種材料的集成電路芯片，則需要進(jìn)行電平的轉(zhuǎn)換。另外各種傳感器的電源電壓有時(shí)也難于與集成電路相同，故進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換有時(shí)是必要的。四、光電耦合器的應(yīng)用圖a為兩個(gè)光電耦合器組成的與門(mén)電路，如果在輸入端A和B同時(shí)輸入高電平“1”，則兩個(gè)發(fā)光二極管GY1和GY2都發(fā)光,兩個(gè)光敏三極管GG1，和GG2都導(dǎo)通，在輸出端C就呈現(xiàn)高電平“1”。在輸入端A或B中只要有一個(gè)為低電平“0”，則其中有一個(gè)光敏三極管不導(dǎo)通，輸出端C就為“0”，故為與門(mén)電路。2．用于邏輯門(mén)電路圖3.3.1-4光電耦合器在門(mén)電路中的應(yīng)用

圖(b)為與非門(mén)電路，它的原理與圖(a)相似，但輸出端不同，圖(b)從集電極輸出，當(dāng)兩個(gè)輸入端A和B都為高電平‘1”時(shí)，輸出為低電平“0”，故為與非門(mén)電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門(mén)電路中的應(yīng)用

圖(c)為或門(mén)電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端A或B中有一個(gè)或兩個(gè)為高電平“1”，則有一個(gè)或兩個(gè)光敏三極管被照亮而導(dǎo)通，輸出為高電平“1”，故為或門(mén)電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門(mén)電路中的應(yīng)用

圖(d)的原理與圖(c)相似，但從集電極輸出，輸入端A或B中有一個(gè)或兩個(gè)為高電平“1”，輸出就為低電平“0”，故為或非門(mén)電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門(mén)電路中的應(yīng)用3．起隔離作用

圖3.3.1-5用邏輯電路的信號(hào)來(lái)觸發(fā)可控硅SCR（是一種很普通的單向低壓控制高壓的器件，可以將其用于光觸發(fā)的形式），可控硅的負(fù)載為電感性的開(kāi)關(guān)電路，采用光電耦合器后，負(fù)載所產(chǎn)生的尖峰噪聲不會(huì)反饋到邏輯電路。圖3.3.1-5光電隔離作用光電耦合器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電信號(hào)的隔離一種是同一設(shè)備內(nèi)的高低壓隔離，另外一種就是兩種不同設(shè)備的電信號(hào)傳遞往往都會(huì)設(shè)計(jì)成隔離:A、設(shè)備內(nèi)高低壓隔離

B、兩個(gè)設(shè)備之間為避免有電聯(lián)系問(wèn)題：為什么要隔離？

電路之間不僅可以電源不同，而且接地點(diǎn)也可分開(kāi)。例如圖e為輸入、輸出與中央運(yùn)算、處理部分的耦合電路，圖中的左邊為13.5V的HTL(數(shù)字集成電路)到5伏的TTL(晶體管邏輯電路)耦合結(jié)構(gòu)，輸入部分由抗干擾能力強(qiáng)的HTL擔(dān)任，其信號(hào)經(jīng)光電混合器送至中央運(yùn)算、處理部的TTL電路。圖中右邊為T(mén)TL到HTL的耦合結(jié)構(gòu)，經(jīng)中央處理部件運(yùn)算后由光電耦合器送至輸出部分，光電耦合器成了TTL和HTL兩種電路的媒介。圖3.3.1-4光電耦合器在門(mén)電路中的應(yīng)用

光電耦合器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的新型器件，應(yīng)用范圍和生產(chǎn)量正在急劇增加。由于它具有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，可組成各種各樣的電路，因而可應(yīng)用在測(cè)量?jī)x器、精密儀器、工業(yè)和醫(yī)用電子儀器．自動(dòng)控制、遙控和遙測(cè)、各種通信裝置、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)電子設(shè)備等廣闊領(lǐng)域。在開(kāi)關(guān)電路中的應(yīng)用+VbR+a-bK輸入TK+a-b輸入RT+Vb常閉電路常開(kāi)電路光電耦合器的停電報(bào)警電路

用透明膠紙將Φ55mm紅色發(fā)光二極管與光敏電阻卷好，放人一段黑色筆桿中，兩端用膠粘好，即成為一個(gè)光電耦合器，它適用于作低頻開(kāi)關(guān)電路，如圖(a)所示。圖(b)為采用光電耦合器的停電報(bào)警電路。當(dāng)平時(shí)有市電時(shí)，光電耦合器中的發(fā)光二極管亮，經(jīng)耦合使光敏電阻阻值變小，VT1截止，VT1、VT2組成的振蕩器不工作。當(dāng)市電停電時(shí)，光敏電阻阻值增加，使VT1導(dǎo)通，振蕩器開(kāi)始工作，發(fā)出報(bào)警聲。R2J~+EcJSCR+Ec報(bào)警裝置

發(fā)光器件發(fā)出的光照射在光敏三極管上，三極管飽和導(dǎo)通，從而使可控硅SCR出于截止?fàn)顟B(tài)。在有物體通過(guò)光路時(shí)將會(huì)折斷光線，從而使光敏三極管截止，可控硅SCR被觸發(fā)導(dǎo)通，繼電器J吸合，接通音響報(bào)警。按下復(fù)位按鈕AN可解除報(bào)警。應(yīng)用：過(guò)壓保護(hù)電路過(guò)壓保護(hù)電路是利用光電耦合器的通斷與否進(jìn)行控制。電壓正常時(shí)，光電耦合器幾乎無(wú)輸出，VT管被反偏而截止。當(dāng)某種原因使電路電壓升高時(shí)（零線斷線或零線錯(cuò)接成相線等），取樣電路次級(jí)電壓隨之升高，光電耦合器滿足工作條件。光耦輸出電流增大，使VT管偏置電壓升高并飽和導(dǎo)通，執(zhí)行機(jī)構(gòu)繼電器動(dòng)作吸合，切斷電源進(jìn)而達(dá)到保護(hù)電器的目的。若故障消除，電壓隨之正常，該電路立即退出工作，恢復(fù)電路供電。

補(bǔ)充：

可控硅（晶閘管）在自動(dòng)控制，機(jī)電領(lǐng)域，工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用?？煽毓枋且环N有源開(kāi)關(guān)元件，平時(shí)它保持在非導(dǎo)通狀態(tài)，直到由一個(gè)較少的控制信號(hào)對(duì)其觸發(fā)或稱“點(diǎn)火”使其導(dǎo)通，一旦被點(diǎn)火就算撤離觸發(fā)信號(hào)它也保持導(dǎo)通狀態(tài)，要使其截止，可在其陽(yáng)極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^(guò)可控硅二極管的電流減少到某一個(gè)值以下。SCR（SiliconControlledRectifier）可控硅整流器補(bǔ)充：可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個(gè)PN結(jié)，分析原理時(shí)，可以把它看作由一個(gè)PNP管和一個(gè)NPN管所組成，其等效圖解如圖所示?？煽毓璧刃D解圖IC1IB1AGK電路符號(hào)當(dāng)陽(yáng)極加正向電壓時(shí)，一旦有足夠的門(mén)極電流流入，就形成強(qiáng)烈的正反饋：Ig↑→Ib2↑→Ic2(=2Ib2)↑=Ib1↑→Ic1(=1Ib1)↑

可控硅二極管可用兩個(gè)不同極性（P-N-P和N-P-N）晶體管來(lái)模擬，如圖G1所示。當(dāng)可控硅的柵極懸空時(shí)，BG1和BG2都處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)電路基本上沒(méi)有電流流過(guò)負(fù)載電阻RL，當(dāng)柵極輸入一個(gè)正脈沖電壓時(shí)，BG2導(dǎo)通，使BG1的基極電位下降，BG1因此開(kāi)始導(dǎo)通，BG1的導(dǎo)通使得BG2的基極電位進(jìn)一步升高，BG1的基極電位進(jìn)一步下降，經(jīng)過(guò)這一個(gè)正反饋過(guò)程使BG1和BG2進(jìn)入飽和導(dǎo)通狀態(tài)。補(bǔ)充：?jiǎn)栴}：觀察可控硅的電流流向特性。電路從截止?fàn)顟B(tài)進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)后，這時(shí)柵極就算沒(méi)有觸發(fā)脈沖電路，由于正反饋的作用將保持導(dǎo)通狀態(tài)不變——可控硅一旦觸發(fā)后，門(mén)極對(duì)它將失去控制作用。如果此時(shí)在陽(yáng)極和陰極加上反向電壓，由于BG1和BG2均處于反向偏置狀態(tài)，所以電路很快截止，另外如果加大負(fù)載電阻RL的阻值使電路電流減少，BG1和BG2的基極電流也將減少，當(dāng)減少到某一個(gè)值時(shí)由于電路的正反饋?zhàn)饔茫娐穼⒑芸鞆膶?dǎo)通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為截止?fàn)顟B(tài)，我們稱這個(gè)電流為維持電流。在實(shí)際應(yīng)用中，我們可通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)來(lái)短路可控硅的陽(yáng)極和陰極，從而達(dá)到可控硅的關(guān)斷。補(bǔ)充：可控硅的特性：①具有單向?qū)щ娦?，電流只能從?yáng)極流向陰極;②具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?正向?qū)▋蓚€(gè)條件：（1）陽(yáng)極加上正向電壓；（2）門(mén)極和陰極之間加上一定的正向門(mén)極電壓Ug。(稱為觸發(fā))③可控硅一旦觸發(fā)后，門(mén)極對(duì)它將失去控制作用；④使導(dǎo)通的可控硅阻斷：降低陽(yáng)極電壓或減小陽(yáng)極電流Ia。

光控可控硅元件又稱作光激可控硅或光控硅晶閘管。特點(diǎn)是在控制極區(qū)以光觸發(fā)代替電觸發(fā)。

光敏二極管、光敏三極管的輸出電流小，在實(shí)際的應(yīng)用中往往需要附加放大、整形、輸出等電路；而光控可控硅元件輸出電流可達(dá)安培級(jí)，并且電流大小不隨光強(qiáng)變化而變化。因此光控可控硅已作為自動(dòng)控制元件而廣泛應(yīng)用于光繼電器，自控、隔離輸入開(kāi)關(guān)，光計(jì)數(shù)器，紅外探測(cè)器，光報(bào)警器等方面。光控可控硅元件

可控硅整流器（SCR），是一種很普通的單向低壓控制高壓的器件，可將其用于光觸發(fā)的形式。雙向可控硅是一種很普通的由可控硅整流器即SCR發(fā)展改進(jìn)的器件，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個(gè)觸發(fā)電路，是比較理想的交流開(kāi)關(guān)器件。它也可用于光觸發(fā)形式。將一只SCR和一只LED密封在一個(gè)封裝中，就可以構(gòu)成一只光耦合的SCR；而將一只雙向可控硅和一只LED密封在一個(gè)封裝中就可以制成一只光耦合的雙向可控硅。

圖3.3.1-6和圖3.3.1-7示出它們的典型外形（它們通常被密封在一只六引腳的雙列直插式的封裝中）。五、光電耦合雙向可控硅圖3.3.1-6圖3.3.1-7

典型的光耦合SCR典型的光耦合雙向可控硅硅雙向開(kāi)關(guān)SBS（SiliconBidirectionalSwitch）也叫雙向觸發(fā)晶體管。它相當(dāng)于把兩只硅單向開(kāi)關(guān)反極性并聯(lián)，等效電路及符號(hào)如圖所示。硅雙向開(kāi)關(guān)的正向特性及用途與硅單向開(kāi)關(guān)相同，而正、反向轉(zhuǎn)折電壓的對(duì)稱性又與雙向觸發(fā)二極管相近，區(qū)別只是對(duì)稱性更好。補(bǔ)充：T1T2G1.雙向可控硅特性曲線2．雙向可控硅的觸發(fā)方式

工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1＋和1－，工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3＋和3－。

1＋：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加正電壓；

1－：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓；

3＋：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加正電壓；

3－：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓；四種觸發(fā)方式（應(yīng)用時(shí)一般采用第一和第三象限的組合）圖4.2.1-6雙向可控硅特性曲線補(bǔ)充：T1T2G

雙向可控硅觸發(fā)電路舉例

雙向可控硅應(yīng)用電路補(bǔ)充：

用光電耦合雙向可控硅去控制另一個(gè)大功率雙向可控硅，可達(dá)到控制大功率負(fù)載的目的。圖3.3.1-8是用光電耦合雙向可控硅控制小功率燈泡的電路圖，而圖3.3.1-9是光電耦合雙向可控硅控制大功率負(fù)載的電路圖。圖3.3.1-8小功率燈泡的控制圖3.3.1-9光耦可控硅實(shí)現(xiàn)大功率控制采用雙向晶閘管的氣體、煙霧報(bào)警電路在出現(xiàn)可燃性氣體時(shí)，氣體傳感器TGS308的電導(dǎo)增加，通過(guò)電位器RP1滑動(dòng)點(diǎn)取出電壓，其值從3V有效值增加到20V。此升高的電壓經(jīng)二極管和4.7k電阻加至VT1使之導(dǎo)通，進(jìn)而使雙向晶閘管2N6070A導(dǎo)通。由此全波交流電壓驅(qū)動(dòng)交流報(bào)警器H產(chǎn)生高達(dá)90dB的聲音，實(shí)現(xiàn)報(bào)警。當(dāng)氣體從傳感器消失后，電路恢復(fù)到原始狀態(tài)，報(bào)警自動(dòng)停止。H為Deltal6003168型24V交流報(bào)警器。氣體傳感器是一種將某種氣體體積分?jǐn)?shù)轉(zhuǎn)化成對(duì)應(yīng)電信號(hào)的轉(zhuǎn)換器。問(wèn)題：如何降低靈敏度？1氣敏電阻氣敏電阻是一種半導(dǎo)體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導(dǎo)體本身的電導(dǎo)率發(fā)生變化這一機(jī)理來(lái)進(jìn)行檢測(cè)的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導(dǎo)體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。

在現(xiàn)代社會(huì)的生產(chǎn)和生活中，人們往往會(huì)接觸到各種各樣的氣體，需要對(duì)它們進(jìn)行檢測(cè)和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)；煤氣泄漏：火災(zāi)報(bào)警；燃燒情況的檢測(cè)與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。2、熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導(dǎo)體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負(fù)溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點(diǎn)：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應(yīng)快，廉價(jià)互換性差、測(cè)溫范圍窄在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用

編碼器一般都是用來(lái)定位?？梢允侵本€定位，也可以是圓周定位。特別是在伺服系統(tǒng)里面，編碼器是必不可少的。另外，編碼器也可以用來(lái)檢測(cè)電機(jī)是不是按照系統(tǒng)設(shè)定的方向、速度在運(yùn)行，起到一個(gè)監(jiān)控的作用。例如：汽車轉(zhuǎn)速的測(cè)量？

光電編碼器，是一種通過(guò)光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機(jī)械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。不管是用來(lái)檢測(cè)速度還是位置，都是為了實(shí)現(xiàn)精確控制?！?.3.2光電編碼器光電編碼器是由光柵盤(pán)和光電檢測(cè)裝置組成。光柵盤(pán)是在一定直徑的圓板上等分地開(kāi)通若干個(gè)長(zhǎng)方形孔。由于光電碼盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同軸，電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，光柵盤(pán)與電動(dòng)機(jī)同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測(cè)裝置檢測(cè)輸出若干脈沖信號(hào)，其原理示意圖如圖1所示；通過(guò)計(jì)算每秒光電編碼器輸出脈沖的個(gè)數(shù)就能反映當(dāng)前電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤(pán)還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號(hào)。光電編碼器能將角位移或線位移信息經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，具有分辨率高，可靠性好，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。光電編碼器可分為增量式編碼器和絕對(duì)式編碼器。增量式編碼器的原理是光柵的莫爾條紋。形成莫爾條紋必須由兩塊柵距相等的光柵組成。一、增量式編碼器1．原理圖3.3.2-1直線光柵的莫爾條紋

莫爾條紋是18世紀(jì)法國(guó)研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學(xué)現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個(gè)物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺(jué)結(jié)果，當(dāng)人眼無(wú)法分辨這兩條線或兩個(gè)物體時(shí)，只能看到干涉的花紋，這種光學(xué)現(xiàn)象就是莫爾條紋。光柵線間距0.01～0.1mm由圖3.3.2-1的幾何關(guān)系可得光柵柵距（線紋間距）w、莫爾條紋寬度B和兩光柵線紋間的夾角θ之間的關(guān)系為θ很小時(shí)，由于θ角是很小的數(shù)，因而1/θ是一個(gè)較大的數(shù)，這樣測(cè)量莫爾條紋的寬度就比測(cè)量光柵線紋寬度容易的多，故莫爾條紋具有放大作用。B當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋在垂直方向做相應(yīng)的移動(dòng)，條紋移動(dòng)數(shù)等于移動(dòng)光柵刻線數(shù)，這樣只要檢測(cè)出莫爾條紋的移動(dòng)數(shù)N，就可計(jì)算出光柵的相對(duì)移動(dòng)距離（N乘以光柵柵距）。實(shí)質(zhì)上是一種小量轉(zhuǎn)化為大量。徑向圓光柵的莫爾條紋圓光柵的柵線數(shù)一般在整圓內(nèi)刻劃5400～64800條線。如圓光柵刻線為21600根，當(dāng)光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)1分的角度，莫爾條紋就變化一個(gè)周期。因此，只要測(cè)出莫爾條紋的變化周期數(shù)，就可計(jì)算出光柵軸的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，這就是增量式編碼器的工作原理。2．結(jié)構(gòu)光源一般采用近紅外發(fā)光二極管，此類LED動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，使用壽命長(zhǎng)，發(fā)光峰值波長(zhǎng)為0.94μm，與所使用的光電信息轉(zhuǎn)換器件峰值波長(zhǎng)相近，外形尺寸為直徑2mm，長(zhǎng)度5mm，和環(huán)氧樹(shù)脂透鏡封裝在一起。主光柵盤(pán)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，與被測(cè)軸連接作同步轉(zhuǎn)動(dòng)，指示光柵一般不使用整塊光柵盤(pán)，而是使用光柵的一角，但柵距與主光柵相同。2）光柵盤(pán)3）光電信息轉(zhuǎn)換器件4）機(jī)械結(jié)構(gòu)光電信息轉(zhuǎn)換器件，也叫光電接收器，一般使用光敏二極管或光敏三極管，與LED的峰值波長(zhǎng)匹配。實(shí)用上一般使用一對(duì)光電接收器，放置間距調(diào)整到莫爾條紋間距的四分之一，這樣兩光電接收器輸出的信號(hào)相位差正好是900。安裝光柵盤(pán)的轉(zhuǎn)軸通過(guò)滾珠軸承與機(jī)械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場(chǎng)的干擾，實(shí)際應(yīng)用時(shí)固定編碼器外殼，轉(zhuǎn)動(dòng)軸與被測(cè)軸連接即可。1）光源3．增量式編碼器的應(yīng)用1）精確測(cè)量角度和角位移；2）精確測(cè)量轉(zhuǎn)速；3）測(cè)量線速度，由測(cè)量轉(zhuǎn)速間接求得；4）測(cè)量線性位移，由測(cè)量角位移間接求得。信號(hào)處理電路框圖如圖3.3.2-2所示。

當(dāng)光柵盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電接收器輸出近似的正弦信號(hào)，經(jīng)放大后由施密特比較器進(jìn)行整形。辨向電路如圖3.3.2-3所示。如編碼器正轉(zhuǎn)，則

V1的相位超前90o，Vo輸出為“1”，控制可逆計(jì)數(shù)器做加法計(jì)數(shù)，反之則V2的相位超前90o，Vo輸出為“0”，控制可逆計(jì)數(shù)器做減法計(jì)數(shù)。4．信號(hào)處理電路圖中，與非門(mén)用74LS00集成電路。V1、V2為信號(hào)輸入端，V0接示波器。電源用＋5V。

當(dāng)輸入電壓uI

變化使u+=u-=uI

時(shí)，輸出端的狀態(tài)發(fā)生跳變。施密特比較器——遲滯（滯回）比較器D1D2+-AuIuoR3(a)電路圖UREFRR2R1UOHUIHUOLUILuouI0(b)傳輸特性附兩個(gè)門(mén)限電壓：上門(mén)限電壓UIH

和下門(mén)限電壓UIL

，兩者的差值稱為門(mén)限寬度假設(shè)比較器輸出高電平UOH

，則UOH

和UR

共同加到同相輸入端的合成電壓為

U+1就是比較器的上門(mén)限電壓，即UIH=U+1

。當(dāng)比較器輸出為低電平UOL時(shí)，按同樣的分析求得加到同相輸入端的合成電壓為附

U+2就是比較器的下門(mén)限電壓，即UIL=U+2

。相應(yīng)的遲滯寬度為

利用遲滯特性可以有效地克服噪聲和干擾的影響。如圖1.3.3-5所示。采用遲滯比較器，只要噪聲和干擾的大小處在遲滯寬度內(nèi)，就不會(huì)引起錯(cuò)誤的階躍。附圖1.3.3-5過(guò)零檢測(cè)器中的錯(cuò)誤階躍附用施密特觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)波形變換附RS觸發(fā)器真值表指示光柵安裝在運(yùn)動(dòng)部件上，主光柵與指示光柵的夾角最大應(yīng)為多少度。思考并設(shè)計(jì)，手頭上有40線/mm的透射式光柵若干，可分辨2.5mm間隔的光敏元件若干，及相關(guān)配套電子設(shè)備，試設(shè)計(jì)一編碼器。畫(huà)出光路原理圖。θ=0.0025rad畫(huà)出光電測(cè)量系統(tǒng)簡(jiǎn)圖計(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無(wú)關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件尺寸的4倍，否則光敏元件無(wú)法分辨光強(qiáng)的變化。對(duì)25線/mm的長(zhǎng)光柵而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無(wú)法分辨0.04mm的間隔。

計(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無(wú)關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無(wú)法分辨光強(qiáng)的變化。

莫爾條紋移過(guò)的條紋數(shù)與光柵移過(guò)的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了xmm（也就是移過(guò)了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過(guò)的莫爾條紋也是100×x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知道移動(dòng)的實(shí)際距離了。

代表性產(chǎn)品：

德國(guó)Heidenhain（海德漢光柵尺）：價(jià)格：5700

元(人民幣)

封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開(kāi)放式：量程1440mm，分辨力0.01m開(kāi)放式：量程270mm

分辨力1nm英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：量程：1000mm分辨力：0.01m增量式編碼器二、絕對(duì)式編碼器1．原理2．二進(jìn)制編碼方式將碼盤(pán)加工成數(shù)個(gè)碼道，每個(gè)碼道有黑白分明的碼字組成，外層碼道代表二進(jìn)制的最低位，最里面的碼道代表二進(jìn)制的最高位，碼字的排列按二進(jìn)制規(guī)律進(jìn)行，圖3.3.2-4是由五個(gè)碼道組成的5位二進(jìn)制碼盤(pán)，圖3.3.2-5是編碼表及展開(kāi)圖。將光學(xué)碼盤(pán)進(jìn)行絕對(duì)式編碼，用透光和不透光表示二進(jìn)制代碼的“1”和“0”，編碼方式按二進(jìn)制碼或循環(huán)碼等規(guī)律進(jìn)行。十進(jìn)制二進(jìn)制編碼表碼道展開(kāi)0123456789101112131415161718192021222324252627282930310000000001000100001100100001010011000111010000100101010010110110001101011100111110000100011001010011101001010110110101111100011001110101101111100111011111011111■■■■■■■■■□■■■□■■■■□□■■□■■■■□■□■■□□■■■□□□■□■■■■□■■□■□■□■■□■□□■□□■■■□□■□■□□□■■□□□□□■■■■□■■■□□■■□■□■■□□□■□■■□■□■□□■□□■□■□□□□□■■■□□■■□□□■□■□□■□□□□□■■□□□■□□□□□■□□□□□圖3.3.2-5編碼表及展開(kāi)圖十進(jìn)制二進(jìn)制編碼表碼道展開(kāi)0123456789101112131415161718192021222324252627282930310000000001000100001100100001010011000111010000100101010010110110001101011100111110000100011001010011101001010110110101111100011001110101101111100111011111011111■■■■■■■■■□■■■□■■■■□□■■□■■■■□■□■■□□■■■□□□■□■■■■□■■□■□■□■■□■□□■□□■■■□□■□■□□□■■□□□□□■■■■□■■■□□■■□■□■■□□□■□■■□■□■□□■□□■□■□□□□□■■■□□■■□□□■□■□□■□□□□□■■□□□■□□□□□■□□□□□圖3.3.2-5編碼表及展開(kāi)圖二進(jìn)制碼盤(pán)的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為：

M＝2n角度分辨率γ與碼道數(shù)n間的關(guān)系為

γ＝360o/M＝360o/2n對(duì)應(yīng)于五個(gè)碼道，γ＝360/M＝360/25＝11.25o對(duì)于21個(gè)碼道，γ＝0.68”。3．循環(huán)碼編碼方式循環(huán)碼編碼的形式有格雷碼，周期碼，反射碼等。循環(huán)碼盤(pán)的特點(diǎn):(1)相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位是變化的。圖3.3.2-6是一種典型的格雷碼圖案，有五個(gè)碼道構(gòu)成。十進(jìn)制循環(huán)碼編碼表碼道展開(kāi)0123456789101112131415161718192021222324252627282930310000000001000110001000110001110010100100011000110101111011100101001011010010100011000110011101111010111101111111101111001010010101101111011010010100111000110000■■■■■■■■■□■■■□□■■■□■■■□□■■■□□□■■□■□■■□■■■□□■■■□□■□■□□□□■□□□■■□■□■■□■□□■□■■□■□■■■□□■■■□□■■□□□■□□□□■□■□□□□■□□□□□□□□■□□□□■■□■□■■□■□■□□■□□□□■□□■□■■□■□■■□□□■■■□□■■■■圖3.3.2-7格雷碼的編碼表及展開(kāi)圖圖3.3.2-6典型的格雷碼圖案(2)最外層的碼字寬比二進(jìn)制的大一倍。(3)沒(méi)有固定的權(quán)，故很難閱讀和計(jì)算，實(shí)際應(yīng)用時(shí)需將循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制碼。從表3.3.2-1可以看出，高位二種碼的取值相同，用C表示二進(jìn)制，R表示循環(huán)碼，i表示碼道數(shù)，i＝1，代表最里層（高位）的碼道。十進(jìn)制二進(jìn)制循環(huán)制DC4321R4321012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000表3.3.2-14．絕對(duì)式編碼器的結(jié)構(gòu)

絕對(duì)式編碼器由光源、碼盤(pán)、光電信息轉(zhuǎn)換器件、電路和機(jī)械結(jié)構(gòu)組成。在基體上形成透明和不透明碼區(qū)的循環(huán)碼盤(pán)，其制成方法是利用一個(gè)精密設(shè)計(jì)制造的母碼盤(pán)，通過(guò)光刻方法復(fù)制生產(chǎn)出使用的碼盤(pán)，碼盤(pán)的制造精度直接影響編碼器的輸出精度。

*光學(xué)碼盤(pán)的工作原理

光源1發(fā)出的光束經(jīng)柱面透鏡2聚光成狹長(zhǎng)的強(qiáng)光束后，通過(guò)每一碼道的透光和不透光部分，使光電接收器4輸出透光為“1”而不透光為“0”的二進(jìn)制代碼輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)角度的數(shù)字編碼，通過(guò)適當(dāng)?shù)淖g碼電路和計(jì)數(shù)電路，進(jìn)行軸角的數(shù)字測(cè)量與顯示。31241-光源2-柱面透鏡3-碼道4-光電接收器

R1R2R3R4C1C2C3C4……圖3.3.2-8譯碼電路編碼器在擴(kuò)展軸上編碼器在實(shí)體軸上絕對(duì)編碼器分解器臨近傳感器通用編碼器安裝在擴(kuò)展軸上實(shí)物展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖5．絕對(duì)式編碼器的特點(diǎn)1）能反映被測(cè)值（角度，位移等）的絕對(duì)值，也能測(cè)出變化量的相對(duì)值（讀出初始值和終值）。2）如測(cè)量值大于360度，則需要用二個(gè)碼盤(pán)，由齒輪精確傳動(dòng)，使大碼盤(pán)轉(zhuǎn)一周，小碼盤(pán)轉(zhuǎn)一個(gè)單位（1位）。這樣，只要讀出大碼盤(pán)和小碼盤(pán)的值，就可測(cè)出較大的角度范圍。3）抗干擾特強(qiáng)，測(cè)量精度高，適合生產(chǎn)第一線使用。4）碼盤(pán)的碼道數(shù)增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造價(jià)昂貴。碼道寬度由光電接收器的幾何參數(shù)和物理特性決定。光纖陀螺是近十多年發(fā)展起來(lái)的一種組合光電器件，它可以滿足動(dòng)載器從智能式制導(dǎo)導(dǎo)航與控制系統(tǒng)發(fā)展為分布式制導(dǎo)/導(dǎo)航和控制系統(tǒng)的要求，目前光纖陀螺正進(jìn)一步從軍用向軍民兩用方向發(fā)展?！?.3.3光纖陀螺光纖陀螺是屬于慣性技術(shù)范疇的一種慣性儀表，光纖陀螺也是光電子技術(shù)范疇的一種光傳感器，光纖陀螺是慣性技術(shù)與光電子技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

精度可達(dá)到0.00001度/小時(shí)。GS1810-120光纖陀螺儀

問(wèn)題：如何導(dǎo)航及導(dǎo)航的重要性？

1911年Sagnac發(fā)明了一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干涉儀。將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。這就是Sagnac效應(yīng)。當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)整個(gè)儀器時(shí)，干涉條紋會(huì)產(chǎn)生移動(dòng)。儀器測(cè)到的是相對(duì)于慣性系的絕對(duì)旋轉(zhuǎn)。一、Sagnac效應(yīng)ω

Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一觀察點(diǎn)發(fā)出的一對(duì)光波沿相反方向運(yùn)行一周后又回到該觀察點(diǎn)時(shí)，這對(duì)光波的相位（或它們經(jīng)歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對(duì)于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)速速率成正比。

Sagnac效應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，精度最高的這樣的儀器可以達(dá)到的精度是0.00001度/小時(shí)。二、光纖陀螺光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)，用光纖構(gòu)成環(huán)狀光路，組成光纖Sagnac干涉儀。如圖3.3.3－1所示，來(lái)自光源的光束被分束器BS分成兩束光，分別從光纖圈的兩端藕合進(jìn)光纖敏感線圈，沿順、逆時(shí)針?lè)较騻鞑ァ墓饫w圈兩端出來(lái)的兩束光，再經(jīng)過(guò)合束器BS而疊加產(chǎn)生干涉。當(dāng)光纖圈處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，從光纖圈兩端出來(lái)的兩束光，光程差為零。當(dāng)光纖圈以角速率Ω旋轉(zhuǎn)時(shí)由