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第第5 5章章 光电式传感器光电式传感器v5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述v5.2 5.2 v5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 v5.4 5.4 光电编码器光电编码器v5.5 5.5 光栅传感器光栅传感器1现代传感技术与系统课件5.1 5.1 光电传感器概述光电传感器概述v5.1.1 5.1.1 光电式传感器的组成原理光电式传感器的组成原理v5.1.2 5.1.2 特点及应用特点及应用v5.1.35.1.3 光电式传感器的一般形式光电式传感器的一般形式2现代传感技术与系统课件5.1.1 5.1.1 光电式传感器的组成原理光电式传感器的组成原理工作原理工作原理：：系统组成：系统组成： 光源光源光通路光通路光电元件光电元件测量电路测量电路光光光光电电电电y被测量被测量x1被测量被测量x2 光光 → 敏感元件敏感元件 → 电电敏感元件：光电元件敏感元件：光电元件光电效应光电效应外光电效应外光电效应内光电效应内光电效应测量方式：测量方式： 改变光源：改变光源：改变光路：改变光路：方式：方式：3现代传感技术与系统课件特点：特点：应用：应用：非接触、响应快、性能可靠、精度高非接触、响应快、性能可靠、精度高 光光  光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、光学量：光强、光照度、辐射、气体成分、 几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差几何量：形状、尺寸、位移、距离、表面粗糙度、形位误差 力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度力学量：应变、速度、加速度、振动、流量、密度 生生化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、化量：离子浓度、荧光、电泳、染色体、分子标记、5.1.2 5.1.2 特点及应用特点及应用4现代传感技术与系统课件5.1.35.1.3 光电式传感器的一般形式光电式传感器的一般形式透射式：光透射式：光→被测物被测物→光电元件（透射）光电元件（透射） 测量透明、半透明固体透明度、测量透明、半透明固体透明度、 液体混浊度、气体浓度；液体混浊度、气体浓度；1. 模拟式光电传感器模拟式光电传感器 反射式：光反射式：光→被测物被测物→光电元件（反射）光电元件（反射） 测量物体表面反射率、粗糙度、测量物体表面反射率、粗糙度、 距离、位置、振动；距离、位置、振动；遮光式：光遮光式：光→被测物被测物→光电元件（部分遮光）光电元件（部分遮光） 测量物体位移、振动、速度；测量物体位移、振动、速度；辐射式：被测物辐射式：被测物→光光 →光电元件，辐射强度光电元件，辐射强度 测量辐射温度、放射线；测量辐射温度、放射线；5现代传感技术与系统课件5.1.35.1.3 光电式传感器的一般形式光电式传感器的一般形式转速传感器转速传感器透射式：透射式：2. 脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器 反射式：反射式：转速传感器转速传感器光源光源 －－ 码盘－光电元件码盘－光电元件转速越高转速越高 －－ 脉冲频率越高脉冲频率越高码盘转动－遮光－透光－脉冲码盘转动－遮光－透光－脉冲频闪式：频闪式：6现代传感技术与系统课件5.2 5.2 常用光源常用光源v5.2.1 5.2.1 对光源的要求对光源的要求v5.2.2 5.2.2 热辐射光源热辐射光源v5.2.3 5.2.3 气体放电光源气体放电光源v5.2.4 5.2.4 发光二极管发光二极管(LED)(LED)v5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源7现代传感技术与系统课件5.2.1 5.2.1 对光源的要求对光源的要求紫外紫外 → 可见光可见光 → 红外红外照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度照度要求：足够亮度、光通量，保证信噪比和灵敏度 均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差均匀要求：视场亮度均匀、无阴影，避免测量误差 光谱要求：光波频率、波长光谱要求：光波频率、波长 ：：投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射投影要求：控制光的方向、透射、反射、散射 发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响发热要求：热光源、冷光源，减小发热对测量结果的影响 全光谱全光谱波长：波长：10-1410-1210-1010-810-610-410-21mcmmm m mnmÀ À可见光可见光380 400500600700780nm紫400蓝435橙605红685黄575绿525青470紫外光紫外光红外光红外光可见光：可见光：380nm ～～ 780nm红外光：红外光：780nm ~ 1m紫外光：紫外光：1nm ~ 380nm8现代传感技术与系统课件5.2.2 5.2.2 热辐射光源热辐射光源器件：白炽灯器件：白炽灯 --- 钨丝（钨丝（1879年，爱迪生）年，爱迪生） 特点：特点：应用：可见光源应用：可见光源 --- 宽光谱宽光谱 （滤色片（滤色片 → 窄带光谱，避免杂光干扰窄带光谱，避免杂光干扰 → 仪器）仪器）原理：高温物体原理：高温物体 → 光辐射，温度高光辐射，温度高 → 辐射能大辐射能大卤钨灯卤钨灯 --- 钨丝钨丝+卤素（碘），卤素（碘）， 卤素卤素 + 内壁钨内壁钨 → 卤化钨卤化钨 → 受热受热 分解分解 → 钨钨 → 沉积到钨丝沉积到钨丝谱线丰富，可见光谱线丰富，可见光+红外光，峰值在近红外区红外光，峰值在近红外区 发热大，发热大，>80%能量转化为热能，能量转化为热能， → 热光源热光源寿命短（寿命短（1000小时），易碎，电压高，有危险小时），易碎，电压高，有危险近红外光源近红外光源 --- 红外检测红外检测发光效率低，发光效率低，15%在可见光，在可见光，+ 惰性气体惰性气体 → 提高寿命提高寿命9现代传感技术与系统课件5.2.3 5.2.3 气体放电光源气体放电光源原理：气体分子激发原理：气体分子激发 → 放电放电 → 发光发光器件：器件： 弧光灯弧光灯 --- 碳弧灯碳弧灯特点：特点： 效率高，省电效率高，省电应用：强光、色温要求接近日光应用：强光、色温要求接近日光荧光灯荧光灯 --- 气体放电气体放电+荧光粉，波长更长荧光粉，波长更长日光灯：光谱接近日光日光灯：光谱接近日光节能灯：压缩荧光灯，节能灯：压缩荧光灯，钠弧灯钠弧灯氙弧灯氙弧灯水银弧灯水银弧灯(汞灯汞灯)金卤灯金卤灯功率大，光色接近日光，紫外线丰富功率大，光色接近日光，紫外线丰富有辐射，废弃物有汞污染、易碎有辐射，废弃物有汞污染、易碎频率低，对人眼有损害，频率低，对人眼有损害，10现代传感技术与系统课件5.2.4 5.2.4 发光二极管发光二极管(LED)(LED)原理：半导体，电致发光，原理：半导体，电致发光，器件：器件：特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源特点：体积小，可平面封装，固体光源，无辐射，绿色光源应用：仪器光源、室内照明、应用：仪器光源、室内照明、 单色单色LED：红色、绿色、黄色、：红色、绿色、黄色、 橙色、蓝色橙色、蓝色 白色白色LED：：2001,美国波士顿大学光学研究中心美国波士顿大学光学研究中心应用：指示灯、背光源应用：指示灯、背光源光谱丰富光谱丰富---（篮（篮+黄）黄）/（篮（篮+绿绿+红）红）亮度高亮度高---荧光灯荧光灯5倍，白炽灯的倍，白炽灯的25倍倍功耗低（白炽灯功耗低（白炽灯1/8，荧光灯，荧光灯1/2）、发热少）、发热少寿命长（寿命长（10万小时，是荧光灯的万小时，是荧光灯的10倍倍 ）） 、耐振动、耐振动 响应快（毫秒级响应快（毫秒级 ）、供电电压低、易于数字控制）、供电电压低、易于数字控制 价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，价格较白炽灯贵，功率低，亮度小，11现代传感技术与系统课件5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源原理：原理：特点：特点：外界光外界光 → 光原子光原子 → 能级跃迁能级跃迁 → 受激辐射受激辐射 → 光放大光放大→谐振谐振→辐射激光辐射激光方向性好方向性好---发散角很小发散角很小(约约0.18º)，比普通光小，比普通光小2~3数量数量亮度高亮度高------能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍能量高度集中，亮度比普通光高几百万倍单色性好单色性好---光谱范围极小，频率单一；光谱范围极小，频率单一； （（He-Ne激光激光:λ=632.8nm,Δλ=10-6nm））相干性好相干性好---受激辐射，传播方向受激辐射，传播方向/振动方向振动方向/频率频率/相位一致相位一致 时间相干性、空间相干性均好时间相干性、空间相干性均好LASER：：Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation “受激辐射放大产生的光受激辐射放大产生的光”12现代传感技术与系统课件5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源固体激光器：体积小，坚固，功率高固体激光器：体积小，坚固，功率高气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小；气体激光器：小巧、单色性好、能连续工作、功率小； 高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；高光束质量、高稳定性、长寿命、低噪音、经济；红外固体激光器红外固体激光器绿色固体激光器绿色固体激光器红宝石固体激光器红宝石固体激光器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）13现代传感技术与系统课件半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性半导体激光器：效率高、体积小、重量轻、结构简单、功率小、非线性 蓝色蓝色/紫色激光紫色激光红色激光红色激光近红外小功率近红外小功率染料激光器染料激光器离子激光器离子激光器蓝色激光器蓝色激光器5.2.5 5.2.5 激光光源激光光源14现代传感技术与系统课件5.3 5.3 光电效应及光电元件光电效应及光电元件 v5.3.1 5.3.1 外光电效应及其器件外光电效应及其器件 v5.3.2 5.3.2 内光电效应及器件内光电效应及器件 15现代传感技术与系统课件5.3.1 5.3.1 外光电效应及其器件外光电效应及其器件1. 外光电效应外光电效应特点：速度快特点：速度快 --- 从光照射到释放电子时间不超过从光照射到释放电子时间不超过10-9秒。

秒 原理：光原理：光 → 金属物体表面金属物体表面 → 电子获得光子的能量电子获得光子的能量应用：足够的光强，高速光电开关应用：足够的光强，高速光电开关 光子能量光子能量 > 表面溢出功表面溢出功 → 电子逸出表面电子逸出表面 → 光电子发射光电子发射 需足够光能需足够光能 --- 光子能量光子能量 > 表面溢出功表面溢出功频率下限频率下限f0 --- 当当 f < f0 时无激发电子时无激发电子 → “红限红限”金属金属铯铯Cs钠钠Na锌锌Zn银银Ag铂铂Ptf0/Hz*10150.450.600.811.151.93 0/nm660500372260156器件：光电管、光电倍增管器件：光电管、光电倍增管 16现代传感技术与系统课件5.3.1 5.3.1 外光电效应及其器件外光电效应及其器件原理：光原理：光 → 阴极阴极 → 发射光电子发射光电子 → 阳极阳极 → 空间电子流空间电子流 → 外接电阻外接电阻 → 压降压降U=f(I)2. 光电管光电管特点：结构简单，特点：结构简单，充入惰性气体充入惰性气体→气体轰击气体轰击→自由电子自由电子  →灵敏度灵敏度 灵敏度较高：灵敏度较高：20～～200μA/lm 暗电流小，最低可达暗电流小，最低可达10-14A 体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等。

体积比较大、工作电压高达百伏到数千伏、玻壳容易破碎等 17现代传感技术与系统课件5.3.1 5.3.1 外光电效应及其器件外光电效应及其器件3. 光电倍增管光电倍增管原理：光原理：光 → 阴极阴极 → 光电倍增极光电倍增极→ 阳极阳极 → 电流电流使用电路：使用电路：应用：开关测量应用：开关测量 → 光电开关光电开关 ，计数，计数一般情况下，直流供电，各级电压均相等，约一般情况下，直流供电，各级电压均相等，约80V，总电压约，总电压约1000V并联电容：避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化并联电容：避免阳极脉动电流引起极间电压发生大的变化18现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件原理：原理：导带导带禁带禁带价带价带半导体能带图半导体能带图光光 → 半导体半导体 → 价带电子吸收能量价带电子吸收能量 → 跃迁至导带跃迁至导带 → 电子电子-空穴对空穴对 → 导电特性导电特性种类：内光电效应种类：内光电效应光电导效应光电导效应光生伏特效应光生伏特效应条件：光子能量条件：光子能量 > 材料禁带宽度材料禁带宽度19现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件1. 光电导效应及器件光电导效应及器件 器件：光敏电阻器件：光敏电阻原理：光原理：光 → 半导体半导体→ 电子电子-空穴对空穴对 → 导电性导电性 → 电阻电阻↓原理：半导体电阻器件，加直流偏压，无极性原理：半导体电阻器件，加直流偏压，无极性 无光照无光照---电子电子-空穴对很少空穴对很少---电阻大电阻大(暗电阻暗电阻) 有光照有光照---电子电子-空穴对增多空穴对增多---导电性增强导电性增强 特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定；特点：灵敏度高，体积小，重量轻，性能稳定； 批量生产，价格便宜批量生产，价格便宜 ；；材料：半导体材料：半导体 --- 硫化镉硫化镉CdS、硒化镉、硒化镉CdSe；；20现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件应用：工业自动化应用：工业自动化---开关元件，快速响应开关元件，快速响应 家电家电---(感应式节能灯：判断照度感应式节能灯：判断照度)特性：特性：光谱特性光谱特性:动态特性动态特性:为非线性，为非线性，不易作线性检测元件不易作线性检测元件存在单峰，存在单峰，应与光源光谱匹配应与光源光谱匹配 动态特性较好，动态特性较好，响应时间响应时间0.1S~0.001S结构：梳妆电极结构：梳妆电极: 金属封装：金属封装： 防潮防潮光照特性：光照特性：21现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件2. 光生伏特效应及器件光生伏特效应及器件 原理：原理： 光光 → PN结（无偏置）结（无偏置）→ 电子迁移电子迁移 电子电子 → N, 空穴空穴 → P → 电势电势 器件：光敏二极管（器件：光敏二极管（PD）） 光敏三极管（光敏三极管（PT）） 光电池（硅、锗）光电池（硅、锗） PIN光电二极管光电二极管 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 光可控硅光可控硅 阵列式光电器件阵列式光电器件 象限式光电器件象限式光电器件 位置敏感探测器（位置敏感探测器（PSD）） 光电耦合器件（光电耦合器件（CCDCCD）） 22现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(1) 光敏二极管（光电二极管光敏二极管（光电二极管, PD: Photo-Diode）） 原理：原理： PN结结 PN光照特性光照特性:应用：线性转换元件，开关元件，应用：线性转换元件，开关元件， 特性：特性：光谱特性光谱特性:无光时无光时---高阻特性，微弱电流高阻特性，微弱电流—暗暗电流，电流，μA 光照时光照时---电子电子→N,空穴空穴→P → 光电流光电流 光照愈强光照愈强 --- 光电流愈大光电流愈大注意：注意：a) 电路连接同一般二极管，电路连接同一般二极管， 输出电流小，一般为数微安到数十微安输出电流小，一般为数微安到数十微安 b) 入射光角度限制入射光角度限制 动态特性动态特性:单峰性单峰性动态特性好动态特性好灵敏度和线性好，灵敏度和线性好，23现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(2) 光敏三极管（光电三极管光敏三极管（光电三极管, PT: Photo-Triode）） 原理：光敏二极管（原理：光敏二极管（bc结）结）+ 三极管三极管特点：光照特性特点：光照特性---灵敏度高于光敏二极管，灵敏度高于光敏二极管， 非线性，不如光电二极管。

非线性，不如光电二极管应用：开关元件：应用：开关元件：光谱特性光谱特性---单峰性单峰性光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、光电鼠标接收器、打印机打印头位置传感器、光电耦合器、车速传感器、红外遥控器、光电耦合器、车速传感器、红外遥控器、注意：注意：a) 电路连接电路连接: b) 入射光角度限制入射光角度限制 24现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件连接方式：连接方式： (a)开路电压输出开路电压输出: (b)短路电流输出短路电流输出:特性：光照特性特性：光照特性---开路电压输出：非线性开路电压输出：非线性(电压电压---光强光强)，灵敏度高，灵敏度高 短路电流输出：线性好短路电流输出：线性好(电流电流---光强光强) ，灵敏度低，灵敏度低 应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表应用：宇航飞行仪器，仪表电源，便携仪表(计算器计算器) --- 开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）开关测量（开路电压输出），线性检测（短路电流输出）特点：有源器件，无污染，轻便、简单、特点：有源器件，无污染，轻便、简单、 动态特性好（硅），动态特性好（硅）， 工作于可见光波段工作于可见光波段---太阳能电池太阳能电池(3) 光电池光电池 原理：原理： 光光 → PN结（无偏置）结（无偏置）→ 电子迁移电子迁移 电子电子 → N, 空穴空穴 → P → 电动势电动势 光谱特性光谱特性---硅电池：硅电池：0.5~1.2μm(红红-红外红外)，峰值，峰值0.8 μm(近红外近红外) 锗电池：锗电池：0.3~0.7μm(紫紫-红红)，峰值，峰值0.5 μm(绿绿) 25现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(4) PIN结光电二极管（结光电二极管（PIN-PD））结构：结构：PN + I I - 高电阻率的本征半导体（厚）高电阻率的本征半导体（厚） PN结双电层的间距加宽，结电容变小结双电层的间距加宽，结电容变小 特点：特点：频带宽，可达频带宽，可达10GHz，响应速度快，，响应速度快， 灵敏度高，灵敏度高， 线性输出范围宽，线性输出范围宽，线性好线性好 输出电流小（数微安），电阻很大输出电流小（数微安），电阻很大应用：用于光通讯，光测量应用：用于光通讯，光测量26现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(5) 雪崩光电二极管雪崩光电二极管 雪崩效应：雪崩效应：工作电压很高（工作电压很高（100～～200V）），， 接近于反向击穿电压。

接近于反向击穿电压 结区内电场极强，结区内电场极强， 光生电子得到极大加速，光生电子得到极大加速， 同时与晶格碰撞，同时与晶格碰撞， 从而产生电离雪崩反应从而产生电离雪崩反应 特点：特点：有很高的内增益，可达到几百，有很高的内增益，可达到几百，灵敏度高灵敏度高 响应速度特别快，带宽可达响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前最快的一种光电二极管，是目前最快的一种光电二极管 噪声大（随机），线性差噪声大（随机），线性差应用：用于光通讯、脉冲编码应用：用于光通讯、脉冲编码27现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(6) 阵列式结型光电器件阵列式结型光电器件 构成：构成：利用集成电路技术利用集成电路技术, , 使几百个光电二极管或光电池排成一行，使几百个光电二极管或光电池排成一行， 集成在一块集成电路片子上，集成在一块集成电路片子上， 即成为阵列式的一维光电器件即成为阵列式的一维光电器件衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，衬底是共用的，而各光敏元都是独立的，分别有各自的前极引出线分别有各自的前极引出线 特点：光敏元密集度大，总尺寸小，特点：光敏元密集度大，总尺寸小， 容易作到各单元多数一致，便于信号处理容易作到各单元多数一致，便于信号处理 应用：可用来辨别光点移动的方向应用：可用来辨别光点移动的方向 28现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件(7) 位置敏感器件（位置敏感器件（PSD-Positional Sensitive Device）） 原理：光原理：光 → 光电二极管光电二极管 → 空穴由空穴由N向向P移动移动 空穴空穴→1端端→I1 空穴空穴→2端端→I2 比值：比值：应用：位置检测应用：位置检测(一维、二维一维、二维)（（8）四象限光电池）四象限光电池原理：集成原理：集成4光电池光电池 --- 四象限四象限 光斑光斑→4分量分量→I1 、、I2 、、I3 、、I4 ；；ⅠⅡⅢⅣ应用：二维位置检测，准直应用：二维位置检测，准直比值：比值：（（9）） 固态摄像器件（固态摄像器件（CCD））29现代传感技术与系统课件5.3.2 5.3.2 内光电效应及其器件内光电效应及其器件说明：对于各种光电元件：说明：对于各种光电元件： （（1）暗电流：无光照时输出电流）暗电流：无光照时输出电流 → 热噪声热噪声 （（2）温度特性：温度）温度特性：温度 → 灵敏度、光谱特性灵敏度、光谱特性 →降温、恒温、温度补偿降温、恒温、温度补偿 （（3）器件材料：）器件材料： 硅硅 好于好于 锗锗30现代传感技术与系统课件5.4 5.4 光电编码器光电编码器v5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 v5.4.2 5.4.2 增量编码器增量编码器 31现代传感技术与系统课件5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器原理：平行光源原理：平行光源 → 码盘码盘 → 光电元件光电元件 → 电信号输出电信号输出 码盘：光学玻璃，透光码盘：光学玻璃，透光/不透光不透光 同心圆环同心圆环 --- 码道码道光源：光源：LED → 光学系统光学系统 → 平行光平行光 → 投影投影 光电元件：硅光电池，光电晶体管光电元件：硅光电池，光电晶体管 每个码道对应一个光电元件每个码道对应一个光电元件任意角位置：每个码道任意角位置：每个码道 ---透光透光=1/不透光不透光=0 多个码道多个码道 --- 0101 --- 绝对码；绝对码； 外圈码道外圈码道 – 低位，变化快；低位，变化快； 内圈码道内圈码道 – 高高位，变化慢；位，变化慢；组成：组成：日本日本OMRON 1. 概述概述32现代传感技术与系统课件5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器提高精度提高精度测量电路：放大测量电路：放大 → 足够电平足够电平 ，驱动，驱动 整形整形 → 接近理想方波接近理想方波 细分细分 → 提高分辨率（光学提高分辨率（光学+电路）电路）角度分辨率：码道数角度分辨率：码道数   分辨率分辨率   变码器变码器位数位数 n -码道数码道数增加码道增加码道  增大码盘尺寸增大码盘尺寸  有限有限光学细分光学细分  附加码道附加码道码盘：透光码盘：透光/不透光不透光 → 照相腐蚀照相腐蚀 分度准确、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）分度准确、阴暗交替边缘陡峭（工艺、材质）光电元件：滞后光电元件：滞后 → 响应速度响应速度 33现代传感技术与系统课件5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 例：例：19位光电编码器位光电编码器:角分辨率：α=360º/219=2.47” 附加码道：周期与内码道最低位附加码道：周期与内码道最低位 (最外最外)对应对应14位内码道位内码道 + 1位专用附加码道位专用附加码道360/214=1.3  → 19位位 ???光电元件：两个，相距光电元件：两个，相距1/4周期周期 → 正弦波正弦波+余弦波余弦波电路处理：插值、移相电路处理：插值、移相 → 过零脉冲过零脉冲 → 细分细分 → 16正弦波正弦波 → 32个等分点个等分点 → 5附加位附加位34现代传感技术与系统课件5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器 2. 编码码制编码码制十进制码：十进制码： 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 二进制码：二进制码： 0000 0001 0010 0011 0100 格格 雷雷 码：循环码，码：循环码，简单，直观，不易电路处理简单，直观，不易电路处理简单，易于后续电路和计算机处理。

简单，易于后续电路和计算机处理 多位码同时动作多位码同时动作 → 同步误差同步误差 → 错码错码0 0 0 1    0 0 1 0®0 0 0 0：误差：误差2®0 0 1 1：误差：误差1相邻两数只有一位不同相邻两数只有一位不同→每次只有一位变化每次只有一位变化有低位开始依次循环变化有低位开始依次循环变化0 0 0 00 0 0 10 0 1 10 0 1 035现代传感技术与系统课件角度位置二进制码十进制码格雷码0.022.545.067.590.0112.5135.0157.5180.0202.5225.0247.5270.0292.5315.0337.5ABCDEFGHIJKLMNOp0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111012345678910111213141500000001001100100110011101010100110011011111111010101011100110004位光电编码器码制位光电编码器码制36现代传感技术与系统课件5.4.1 5.4.1 绝对式光电编码器绝对式光电编码器3. 特点特点: 结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 摩擦轮摩擦轮编码器编码器4. 应用：应用：小范围绝对位置测量小范围绝对位置测量---角度、直线位置角度、直线位置直接数字量输出直接数字量输出 --- 数字传感器数字传感器绝对码输出绝对码输出 --- 绝对角位置传感器（角度编码器），绝对角位置传感器（角度编码器），测量范围有限测量范围有限 ---360º（可增加记忆圈数来扩大范围）（可增加记忆圈数来扩大范围）速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分）--- 光电元件动态相应光电元件动态相应不怕震动、振摆，测量过程不丢数，不怕断电不怕震动、振摆，测量过程不丢数，不怕断电 例：直线例：直线 → 旋转旋转 < 360º 半闭环位置控制半闭环位置控制 --- 编码器编码器 + 电机电机 伺服电机（控制电机伺服电机（控制电机 + 编码器）编码器）37现代传感技术与系统课件5.4.2 5.4.2 增量编码器增量编码器1. 结构与原理结构与原理 码道：最外码道：最外 --- 增量码道：透光扇形区增量码道：透光扇形区 中间中间 --- 辨向码道：与增量码道错开半个扇形区辨向码道：与增量码道错开半个扇形区 最内最内 --- 零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝→基准脉冲基准脉冲测量电路：放大，整形，驱动，测量电路：放大，整形，驱动，辨向辨向 ,细分细分,计数计数 辨向辨向 --- 判断转动方向判断转动方向 细分细分 --- 提高测量分辨力提高测量分辨力原理：增量码道：透光原理：增量码道：透光/不透光不透光 → 输出脉冲输出脉冲 辨向码道：与增量码道错开辨向码道：与增量码道错开1/4周期周期 正弦信号正弦信号 + 余弦信号余弦信号 正转脉冲正转脉冲 or 反转脉冲反转脉冲 零位码道：透光狭缝零位码道：透光狭缝 → 基准脉冲基准脉冲 → 零位零位38现代传感技术与系统课件5.4.2 5.4.2 增量编码器增量编码器2. 特点特点：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好，：结构简单、精度高、分辨率高，可靠性好， 3. 应用应用：相对位置、位移测量：相对位置、位移测量---角度、直线位置，角度、直线位置， 机床导轨、机械光学鼠标机床导轨、机械光学鼠标 编码器门电路计数器时钟控制器转速输出例：速度测量：例：速度测量：脉冲输出脉冲输出 --- 数字（量）传感器数字（量）传感器测量范围无限测量范围无限 --- 受计数器位数限制受计数器位数限制 速度不高（最高几千转速度不高（最高几千转/分）分） --- 光电元件动态相应光电元件动态相应增量码输出增量码输出 --- 测量角位移（旋转编码器）测量角位移（旋转编码器）怕振动、振摆、断电怕振动、振摆、断电 --- 丢数丢数39现代传感技术与系统课件5.4.2 5.4.2 增量编码器增量编码器应用实例：应用实例： 位标器电锁精度测试仪位标器电锁精度测试仪 注意：注意：1、防震、防尘、防水、防震、防尘、防水2、编码器与转轴连接、编码器与转轴连接 --- 弹性连轴结弹性连轴结要要 求：测角范围：求：测角范围：±45  测量精度：量精度：±2  增量码－增量码－18000脉冲，脉冲，1.2 40现代传感技术与系统课件随堂作业随堂作业v为一个旋转分度头（为一个旋转分度头（ ±90  ）增加角度数显装置，要求分辨力为）增加角度数显装置，要求分辨力为1′请请问：问：v(1) 可采用哪一种编码器，为什么？可采用哪一种编码器，为什么？v(2) 请给出编码器的主要指标。

请给出编码器的主要指标v(3) 核算能够达到的实际分辨力核算能够达到的实际分辨力 解：解： (1) 可采用绝对码编码器，因为需要测量绝对角位置可采用绝对码编码器，因为需要测量绝对角位置 (2) 绝对码编码器的主要指标是位数绝对码编码器的主要指标是位数n：：360/2n≤1/60 2n≥21600 214=16384 215=32768 n=15 (3) 实际分辨力：实际分辨力： 360*60/32768=0.66 ′ 错误错误1：：n=14 错误错误2：： 180/2n 错误错误3：： 180/214=0.66 ′? 41现代传感技术与系统课件5.5 5.5 光栅传感器光栅传感器v5.5.1 5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理 v5.5.2 5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构v5.5.3 5.5.3 圆光栅圆光栅v5.5.4 5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统v5.5.5 5.5.5 零位光栅零位光栅42现代传感技术与系统课件5.5.1 5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理1. 莫尔条纹（莫尔条纹（Moire）原理）原理 构成：主光栅构成：主光栅---标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；条纹宽度：条纹宽度： W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，，a=b=W/2 均匀刻线均匀刻线主光栅主光栅指示光栅指示光栅夹角夹角明暗相间条纹明暗相间条纹莫尔条纹莫尔条纹移动移动指示光栅指示光栅---动光栅动光栅43现代传感技术与系统课件5.5.1 5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理特例：当特例：当 =0, w1=w2 → B=  → 光闸莫尔条纹，光闸莫尔条纹， 当当 =0, w1≠w2 → 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹莫尔条纹特性：莫尔条纹特性： 方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 → 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 → 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角θ很小很小 → B>>W → 光学放大光学放大 → 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角θ↓→ 条纹间距条纹间距B↑ → 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 → 误差平均效应误差平均效应 → 克服个别克服个别/局部误差局部误差 → 提高精度提高精度44现代传感技术与系统课件5.5.1 5.5.1 光栅传感器原理光栅传感器原理2. 光栅传感器原理与特点光栅传感器原理与特点 ①① 精度高：测长精度高：测长±(0.2+2×10-6L)μm，测角，测角±0.1″②② 量程大：透射式量程大：透射式---光栅尺长（光栅尺长（1~3米），反射式米），反射式---几十米几十米~几百米几百米③③响应快：可用于动态测量响应快：可用于动态测量④④增量式：增量码测量增量式：增量码测量 → 计数计数 断电断电→数据消失数据消失⑥⑥成本高：电路复杂成本高：电路复杂原理：位移原理：位移 → 指示光栅移动指示光栅移动 → 摩尔条纹摩尔条纹 移动移动 → 计数测量计数测量特点：特点：⑤⑤要求高：对环境要求高要求高：对环境要求高→温度、湿度、灰尘、振动、移动精度温度、湿度、灰尘、振动、移动精度45现代传感技术与系统课件5.5.2 5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构透射式透射式---光源与光电元件在两侧光源与光电元件在两侧→透射光透射光反射式反射式---光源与光电元件同一侧光源与光电元件同一侧→反射光反射光组成：组成：1 – 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅） 4 – 透镜透镜 2 – 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅） 5 – 光源光源 3 – 光电元件光电元件透射式光栅透射式光栅（（封闭式：封闭式：）：）：原理：光源原理：光源 → 指示光栅指示光栅 → 透射透射 → 主光栅主光栅 →光电元件光电元件德国德国Heidenhain（海德汉）：（海德汉）：量程量程270mm，分辨力分辨力1nm量程量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m照明照明46现代传感技术与系统课件5.5.2 5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构反射式光栅：反射式光栅： 原理：光源原理：光源 → 主光栅主光栅 → 反射反射 → 指示光栅指示光栅 → 光电元件光电元件组成：组成：1 – 主光栅尺（定光栅）主光栅尺（定光栅） 2 – 指示光栅（动光栅）指示光栅（动光栅） 3 – 光电元件光电元件 4 – 透镜透镜 5 – 光源光源英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）： 量程：任意量程：任意分辨力：分辨力： 0.1 m 0.01 m47现代传感技术与系统课件5.5.2 5.5.2 光栅传感器结构光栅传感器结构直线型直线型：动光栅直线移动：动光栅直线移动 → 测量直线位移测量直线位移旋转型旋转型：动光栅旋转运动：动光栅旋转运动 → 测量旋转角度测量旋转角度（主光栅一般为直尺形，莫尔条纹为直线形（主光栅一般为直尺形，莫尔条纹为直线形 ））主光栅为圆环形主光栅为圆环形 →旋转光栅旋转光栅主光栅为圆盘形主光栅为圆盘形 → 圆光栅圆光栅（莫尔条纹为圆（莫尔条纹为圆/弧形）弧形）（莫尔条纹为直线形）（莫尔条纹为直线形）运动运动直线型：直线型：旋转型：旋转型：48现代传感技术与系统课件5.5.3 5.5.3 圆光栅圆光栅 光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合光栅：两块，径向刻线，栅距角相同，偏心叠合条纹宽度不是定值，随位置不同而不同：条纹宽度不是定值，随位置不同而不同：在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹在沿着偏心方向上，条纹近似地平行于栅线，称纵向莫尔条纹其他位置上，称为斜向莫尔条纹其他位置上，称为斜向莫尔条纹条纹：在不同区域栅线的交角不同，条纹：在不同区域栅线的交角不同， 不同曲率半径不同曲率半径--- 圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动。

转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动1. 径向圆光栅径向圆光栅49现代传感技术与系统课件5.5.3 5.5.3 圆光栅圆光栅2. 切向光栅切向光栅光栅：两块光栅，切向刻线（基圆），光栅：两块光栅，切向刻线（基圆）， 切向相同，栅距角相同切向相同，栅距角相同 基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，基圆半径不同，栅线面相对同心叠合，条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹：是以光栅中心为圆心的同心圆簇 --- 环形莫尔条纹环形莫尔条纹宽度也不是定值，随位置不同而不同宽度也不是定值，随位置不同而不同转动：转动：圆弧摩尔条纹径向辐射移动圆弧摩尔条纹径向辐射移动特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度特点：具有全光栅平均效应，用于高精度角度测量和分度50现代传感技术与系统课件5.5.3 5.5.3 圆光栅圆光栅光栅：两块光栅，环形刻线，光栅：两块光栅，环形刻线， 完全相同，偏心叠合，完全相同，偏心叠合，3. 环形光栅环形光栅条纹：近似直线并成辐射方向条纹：近似直线并成辐射方向 --- --- 辐射形莫尔条纹。

辐射形莫尔条纹 转动：转动：辐射摩尔条纹周向转动辐射摩尔条纹周向转动51现代传感技术与系统课件5.5.4 5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统1. 光电转换光电转换 光电元件：硅光电池光电元件：硅光电池 、光电二极管、光电二极管（直流分量（直流分量+正弦信号）正弦信号）光栅输出：光强信号光栅输出：光强信号 → 明暗条纹明暗条纹→ 同步移动同步移动一点观察：光栅移动一点观察：光栅移动 → 光强变化光强变化电路职能：计数、辨向、细分；电路职能：计数、辨向、细分；52现代传感技术与系统课件5.5.4 5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统2. 辨向原理辨向原理 两个光电元件两个光电元件 → 相距相距B/4 正向移动：正向移动：两路信号两路信号 → 相位差相位差π/2 →正弦正弦+余弦 整形整形 → 方波方波 → 微分微分 → 窄脉冲窄脉冲 反向移动：反向移动：u1正脉冲，正脉冲，u2高电平高电平 → Y1输出输出 →正计数正计数u1负脉冲，负脉冲，u2低电平低电平 → Y2无输出无输出u1正脉冲，正脉冲，u2高电平高电平 → Y1无输出无输出u1负脉冲，负脉冲，u2低电平低电平 → Y2输出输出 →负计数负计数53现代传感技术与系统课件5.5.4 5.5.4 光栅传感器的电路系统光栅传感器的电路系统1个计数值个计数值 → 1个条纹宽度个条纹宽度 → 1个栅距个栅距 → 分辨力分辨力两个光电元件两个光电元件 → 两路信号两路信号(sin,cos) → 处理处理 → 2个脉冲个脉冲/栅距栅距2个光电元件个光电元件 → 信号反向信号反向 → 4路信号路信号(± sin, ± cos) → 处理处理 → 4个脉冲个脉冲/栅距栅距4个光电元件个光电元件 → 4路信号路信号(± sin, ± cos) → 处理处理 → 4个脉冲个脉冲/栅距栅距3. 细分技术细分技术 4路信号（路信号（±sin, ± cos））→ 电桥电桥 → 过零比较器过零比较器 → 多个脉冲（多个脉冲（12~60）） 分辨力：分辨力： 取决于栅距取决于栅距 → 刻线多少（刻线多少（50条条/mm，，0.02mm））→ 细分细分(1) 二倍频细分：二倍频细分：(2) 四倍频细分：四倍频细分：(3) 电桥细分：电桥细分：(4) 电平切割细分：电平切割细分：(5) 其他方法：其他方法：4路信号（路信号（ ± sin, ± cos））→ 比较器比较器 → 电平幅值切割电平幅值切割 → 多个脉冲（多个脉冲（40~100））54现代传感技术与系统课件5.5.5 5.5.5 零位光栅零位光栅光栅输出信号：增量码光栅输出信号：增量码 → 无绝对零位无绝对零位零位光栅零位光栅 ：在光栅特定区域单独刻划标志刻线：在光栅特定区域单独刻划标志刻线 以此电作为光栅的绝对零位以此电作为光栅的绝对零位单刻线：一条透光狭缝，宽度相同单刻线：一条透光狭缝，宽度相同 近似三角波近似三角波→信噪比低，匹配难信噪比低，匹配难绝对零位：基准绝对零位：基准/标志标志 → 绝对码测量绝对码测量多刻线：一组不等间距、不等宽度条纹多刻线：一组不等间距、不等宽度条纹 对称尖脉冲对称尖脉冲→定位精度高定位精度高0.1μm55现代传感技术与系统课件思考题思考题1、简述几何光学的四个定律。

简述几何光学的四个定律2、什么叫光的干涉、衍射、辐射与吸收？、什么叫光的干涉、衍射、辐射与吸收？3、简述光电式传感器的组成及特点简述光电式传感器的组成及特点4、传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？、传感器用光源有什么特点？常用哪些光源？5、简述光电探测器的原理、特点和基本类型简述光电探测器的原理、特点和基本类型6、简述弱信号探测方法简述弱信号探测方法7、简述激光传感技术的原理、方法简述激光传感技术的原理、方法8、什么叫红外线、大气窗口？红外线是什么？、什么叫红外线、大气窗口？红外线是什么？9、简述红外辐射的基本定律简述红外辐射的基本定律10、简述红外探测器的原理、种类、特点、应用简述红外探测器的原理、种类、特点、应用11、举例说明光电传感器的应用举例说明光电传感器的应用 56现代传感技术与系统课件参考资料参考资料（插（插 图）图）57现代传感技术与系统课件58现代传感技术与系统课件59现代传感技术与系统课件60现代传感技术与系统课件61现代传感技术与系统课件62现代传感技术与系统课件63现代传感技术与系统课件64现代传感技术与系统课件65现代传感技术与系统课件。