第十章 光电传感器

第十章  光电传感器

       Ø 教学要求
1．了解光电效应的分类。
2．了解光电元件的结构和工作原理
3．掌握光电元件的及特性。
4．掌握光电元件的基本应用电路。
5．掌握光电传感器的应用。
6．掌握光电开关的结构和分类。
 Ø       教学手段   多媒体课件、多种光电教具演示
        教学课时  3学时Ø
       Ø 教学内容
本章简单介绍光电效应、光电元件的结构和工作原理及特性，着重介绍光电传感器的各种应用。

第一节  光电效应及光电元件

光电效应的分类：
    1）在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
    2）在光线的作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。
    3）在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
（讨论3类效应的特点和原理有何不同，与光电元件结构的关系）
    一、基于外光电效应的光电元件
电子逸出金属表面的速度v可由能量守恒定律确定
mv2=hf－W                           （10-1）
（讨论物理意义，红外光能否产生电子发射？）
    二、基于内光电效应的光电元件
    （一）光敏电阻
    1．工作原理
光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。
2.光敏电阻的特性和参数
（1）        暗电阻
（2）        光电特性
（3）        响应时间
讨论：特性与应用之间的关系
3．关于照度（举例说明教室和户外的照度）
（二）光敏二极管、光敏三极管（实物接数字万用表，测光）
1．光敏二极管结构及工作原理
讨论光敏二极管结构与一般二极管不同之处：将光敏二极管的PN结设置在透明管壳顶部的正下方，可以直接受到光的照射（为什么？）。
目前还研制出几种新型的光敏二极管，它们都具有优异的特性。
（1）PIN光敏二极管  
（2）APD光敏二极管（雪崩光敏二极管
2．光敏三极管结构及工作原理及结构
（讨论与普通三极管的异同点）光敏三极管有两个PN结。有电流增益，光照射在集电区。
（三）光敏晶体管的基本特性
1．光谱特性
表10-1  几种光敏材料的光谱峰值波长
（讨论测量紫光和人体红外线的材料）
材料名称        GaAsP        GaAs        Si        HgCdTe        Ge        GaInAsP        AlGaSb        GaInAs        InSb
峰值波长/μm        0.6        0.65        0.8        1～2        1.3        1.3        1.4        1.65        5.0
1．        伏安特性（讨论与普通三极管的异同点）
硅光敏二极管工作在第三象限。流过它的电流与光照度成正比（间隔相当），而基本上与反向偏置电压 Uo无关。光敏三极管在不同照度下的伏安特性与一般三极管在不同基极电流下的输出特性相似。
3.光电特性
光敏三极管的光电特性曲线斜率较大，说明什么？其灵敏度较高。
4.温度特性
温度变化对亮电流影响不大，但对暗电流的影响非常大
5.响应时间
工业级硅光敏二极管的响应时间为10-5～10-7s左右，光敏三极管的响应时间比相应的二极管约慢一个数量级（比较）
（讨论不同场合如何选择元件）
三、基于光生伏特效应的光电元件（实物演示）
光电池能将入射光能量转换成电压和电流属于光生伏特效应元件。
（一）结构工作原理及特性
光电池的种类很多，有硅、砷化镓、硒、氧化铜、锗、硫化镉光电池等。其中应用最广的是硅光电池，这是因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射、价格便宜等。
（二）光电池的基本特性
1．光谱特性
2．光电特性（计算面积、光照与光电流之间的关系）
3．伏安特性
4．光电池的温度特性
5．频率特性（分析面积与频率的关系，不同场合如何选择不同面积的光电池）

第二节  光电元件的基本应用电路

一、光敏电阻基本应用电路
图10-17  光敏电阻基本应用电路（比较）
a）Uo与光照变化趋势相同的电路  b）Uo与光照变化趋势相反的电路
二、光敏二极管应用电路
图10-18  光敏二极管的一种应用电路（讨论强光照时的输出电压Uo）
三、光敏三极管应用电路
光敏三极管在电路中必须遵守集电结反偏，发射结正偏的原则，这与普通三极管工作在放大区时条件是一样的。
比较图10-19  光敏三极管的两种常用电路：（a）射极输出电路  b）集电极输出电路）在强光照时的输出电压Uo。
分析图10-20  光控继电器电路。
四、光电池的应用电路（举例计算）

第三节  光电传感器的应用

分类：依被测物、光源、光电元件三者之间的关系，可为四种类型
1）        光源本身是被测物，被测物发出的光投射到光电元件上，光电元件的输出反映了光源的某些物理参数（图a）
2）        恒光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射到光电元件上，吸收量决定于被测物的某些参数（图b）
3）        恒光源发出的光通量投射到被测物上，然后从被测物表面反射到光电元件上，光电元件的输出反映了被测物的某些参数（图c）
4）        恒光源发出的光通量在到达光电元件的途中遇到被测物，照射到光电元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光电元件的输出反映了被测物的尺寸（图d）
—、光源本身是被测物的应用实例（以下均演示）
1．红外线辐射温度  
2．热释电传感器在人体检测、报警中的应用
（1）热释电效应
（2）对信号处理电路的要求（讨论运动速度与放大器带通之间的关系）
二、被测物吸收光通量的应用实例——光电式浊度计
（讨论“参比通道”的意义）
三、被测物体反射光通量的应用实例
1．反射式烟雾报警器
讨论火灾发生的判断条件：
物质在燃烧过程中一般有下列现象发生：
（1）产生热量，使环境温度升高  
（2）产生可燃性气体  
（3）产生烟雾  
（4）产生火焰  
2．光电式转速表
（讨论信号流程和波形）
四、被测物遮蔽光通量应用实例——光电线阵测量带材宽度
（讨论能否用于其他哪些领域？）

第四节  光电开关及光电断续器

（讨论与接近开关的异同点）
一、光电开关的结构和分类（以下均演示）
光电开关可分为两类：遮断型和反射型
反射型分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）
二、光电断续器 （讨论与光电开关的异同点）
光电断续器的工作原理与光电开关相同，但其光电发射、接收器做在体积很小的同一塑料壳体中
讨论还有哪些用途

第五节  CCD图像传感器及应用

一、CCD图像传感器的工作原理（讨论与光敏晶体管的区别）
二、CCD图像传感器的分类
三、CCD图像传感器的应用
（讨论还有哪些用途）

作业： 3、4、7；其余课堂讨论。


第十一章  数字式位置传感器

       Ø 教学要求
1．了解直接测量、间接测量、增量式和绝对式测量的特点。
2．了解绝对式码器的分类及其特点。
3．掌握角编码器的应用。
4．了解光栅的类型、结构和工作原理。
5．了解辨向原理和细分技术。
6．掌握了解光栅传感器的应用。
7．了解磁栅传感器的结构、工作原理。
8．了解容栅传感器的结构、工作原理及其在数显尺中的应用。
9．掌握位置测量的数据处理和计算
 Ø       教学手段   多媒体课、实物演示
        教学课时  3学时Ø
       Ø 教学内容
从结构、原理、应用等方面介绍几种常用的数字式位置传感器，如角编码器、光栅传感器、磁栅传感器、容栅传感器等，重点是位置测量的数据处理和计算。

第一节  位置测量的方式

    数字式位置测量的特点：
    （1）将被测的位置量直接转变为脉冲个数或编码，便于显示和处理；
    （2）测量精度取决于分辨力，和量程基本无关；
    （3）输出脉冲信号的抗干扰能力强。
    一、直接测量和间接测量
位置传感器有直线式和旋转式两大类（举例，计算）。
    二、增量式和绝对式测量。（比较）
增量式测量的特点是只能获得位移增量。增量式位置传感器必须有一个零位标志，作为测量起点的标志。
绝对式测量的特点是，每一被测点都有一个对应的编码，常以二进制数据形式来表示。

第二节  数字式角编码器

什么叫角编码器：又称码盘，是一种旋转式位置传感器，它的转轴通常与被测轴连接，随被测轴一起转动
    一、绝对式编码器（多媒体演示）
    1.接触式编码器（注意分辨力与分辨率的区别，数值高低对测量的影响，并举例计算）
若是n位二进制码盘，就有n圈码道，且圆周均分2 n个数据来分别表示其不同位置，所能分辨的角度α为
α=360°/2n                                    （11-1）
分辨率=1/2n                                    （11-2）
2．绝对式光电编码器
绝对式光电编码器与接触式编码器结构相似，只是其中的黑白区域不表示导电区和绝缘区，而是表示透光或不透光区。（拆开看内部结构）

表11-1  十进制数与8421二进制码以及格雷码的对照表
（比较二进制码以及格雷码的区别）
十进制数        自然二进制数        格雷码        十进制数        自然二进制数        格雷码
0        0000        0000        8        1000        1100
1        0001        0001        9        1001        1101
2        0010        0011        10        1010        1111
3        0011        0010        11        1011        1110
4        0100        0110        12        1100        1010
5        0101        0111        13        1101        1011
6        0110        0101        14        1110        1001
7        0111        0100        15        1111        1000

    二、增量式编码器
光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n有关，即分辨角度为
。（拆开看内部结构）（注意分辨力与分辨率的计算方法与绝对式有何不同，并举例计算）°例如，条纹数为1024，则能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352
分析图11-5：光电编码器的输出波形
三、角编码器的应用（多媒体演示）
1．        数字测速
（1）M法测速  
（2）T法测速
（3）M/T法测速（与M、T法比较，优点？）
2．        在交流伺服电动机中的应用
3．        工位编码（举例计算从工位3～工位4的脉冲数。）

第三节  光栅传感器

一、光栅的类型和结构
光栅分类：物理光栅和计量光栅。
计量光栅分类：透射式光栅和反射式光栅。
结构：光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。
（举例计算每毫米刻线数与分辨力的关系）
    二、光栅的工作原理
在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角θ。
    莫尔条纹有如下特征：（用两块刻线玻璃演示）
    1）莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。
    2）当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图11-13中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。
    3）莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。由于θ很小，所以其关系可用下式表示
                       L＝W/sinθ≈W/θ                              (11-8)
4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。
三、辨向及细分（讨论必要性）
    （一）辨向原理
如果传感器只安装一套光电元件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同的正弦信号，是无法分辨移动方向的。为此，必须设置辨向电路。
    （二）细分技术
细分电路能在不增加光栅刻线数（线数越多，成本越昂贵）的情况下提高光栅的分辨力。
（三）零位光栅
在增量式光栅中，为了寻找坐标原点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅
四、光栅传感器的应用
由于光栅具有测量精度高等一系列优点，若采用不锈钢反射式光栅，测量范围可达十几米，而且不需接长，信号抗干扰能力强，因此在国内外受到重视和推广，但必须注意防尘、防震问题。
    1．光栅数显表
2．光栅传感器在位置控制中的应用
    3．轴环式数显表（拆开看内部结构）

第四节  磁栅传感器

磁栅分类：长磁栅和圆磁栅两大类。用途：长磁栅主要用于直接位移测量，圆磁栅主要用于角位移测量。
    一、磁栅结构及工作原理
磁栅传感器结构：磁尺、磁头和信号处理电路等。（了解）
二、磁栅数显示表及其应用（多媒体演示）
随着材料技术的进步，目前带状磁栅可做成开放式的，长度可达几十米，并可卷曲。安装时可直接用特殊的材料粘贴在被测对象的基座上，读数头与控制器（如可编程控制器PLC）相连并进行数据通信，可随意对行程进行显示和控制。

第五节  容栅传感器

容栅传感器是一种新型大位移数字式传感器，它是一种基于变面积工作原理的电容传感器。（多媒体演示）
    一、结构及工作原理
根据结构形式，容栅传感器可分为三类，即直线型容栅传感器、圆形容栅传感器和圆筒形容栅传感器。
二、容栅传感器在数显尺中的应用（多媒体动画）

作业：3、6；其余课堂讨论。