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本章簡(jiǎn)單介紹光電效應(yīng)、光電元件的結(jié)構(gòu)和工作原理及特性，著重介紹光電傳感器的各種應(yīng)用。

第一節(jié) 光電效應(yīng)及光電元件

光電效應(yīng)的分類：

1)在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，基于外光電效應(yīng)的光電元件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

2)在光線的作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)，基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管及光敏晶閘管等。

3)在光線的作用下，物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)，基于光生伏特效應(yīng)的光電元件有光電池等。

(討論3類效應(yīng)的特點(diǎn)和原理有何不同，與光電元件結(jié)構(gòu)的關(guān)系)

一、基于外光電效應(yīng)的光電元件

電子逸出金屬表面的速度v可由能量守恒定律確定

mv2=hf-W (10-1)

(討論物理意義，紅外光能否產(chǎn)生電子發(fā)射?)

二、基于內(nèi)光電效應(yīng)的光電元件

(一)光敏電阻

1.工作原理

光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。

2.光敏電阻的特性和參數(shù)

(1) 暗電阻

(2) 光電特性

(3) 響應(yīng)時(shí)間

討論：特性與應(yīng)用之間的關(guān)系

3.關(guān)于照度(舉例說明教室和戶外的照度)

(二)光敏二極管、光敏三極管(實(shí)物接數(shù)字萬用表，測(cè)光)

1.光敏二極管結(jié)構(gòu)及工作原理

討論光敏二極管結(jié)構(gòu)與一般二極管不同之處：將光敏二極管的PN結(jié)設(shè)置在透明管殼頂部的正下方，可以直接受到光的照射(為什么?)。

目前還研制出幾種新型的光敏二極管，它們都具有優(yōu)異的特性。

(1)PIN光敏二極管

(2)APD光敏二極管(雪崩光敏二極管

2.光敏三極管結(jié)構(gòu)及工作原理及結(jié)構(gòu)

(討論與普通三極管的異同點(diǎn))光敏三極管有兩個(gè)PN結(jié)。有電流增益，光照射在集電區(qū)。

(三)光敏晶體管的基本特性

1.光譜特性

表10-1 幾種光敏材料的光譜峰值波長(zhǎng)

(討論測(cè)量紫光和人體紅外線的材料)

材料名稱 GaAsP GaAs Si HgCdTe Ge GaInAsP AlGaSb GaInAs InSb

峰值波長(zhǎng)/μm 0.6 0.65 0.8 1～2 1.3 1.3 1.4 1.65 5.0

1. 伏安特性(討論與普通三極管的異同點(diǎn))

硅光敏二極管工作在第三象限。流過它的電流與光照度成正比(間隔相當(dāng))，而基本上與反向偏置電壓 Uo無關(guān)。光敏三極管在不同照度下的伏安特性與一般三極管在不同基極電流下的輸出特性相似。

3.光電特性

光敏三極管的光電特性曲線斜率較大，說明什么?其靈敏度較高。

4.溫度特性

溫度變化對(duì)亮電流影響不大，但對(duì)暗電流的影響非常大

5.響應(yīng)時(shí)間

工業(yè)級(jí)硅光敏二極管的響應(yīng)時(shí)間為10-5～10-7s左右，光敏三極管的響應(yīng)時(shí)間比相應(yīng)的二極管約慢一個(gè)數(shù)量級(jí)(比較)

(討論不同場(chǎng)合如何選擇元件)

三、基于光生伏特效應(yīng)的光電元件(實(shí)物演示)

光電池能將入射光能量轉(zhuǎn)換成電壓和電流屬于光生伏特效應(yīng)元件。

(一)結(jié)構(gòu)工作原理及特性

光電池的種類很多，有硅、砷化鎵、硒、氧化銅、鍺、硫化鎘光電池等。其中應(yīng)用最廣的是硅光電池，這是因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射、價(jià)格便宜等。

(二)光電池的基本特性

1.光譜特性

2.光電特性(計(jì)算面積、光照與光電流之間的關(guān)系)

3.伏安特性

4.光電池的溫度特性

5.頻率特性(分析面積與頻率的關(guān)系，不同場(chǎng)合如何選擇不同面積的光電池)

第二節(jié) 光電元件的基本應(yīng)用電路

一、光敏電阻基本應(yīng)用電路

圖10-17 光敏電阻基本應(yīng)用電路(比較)

a)Uo與光照變化趨勢(shì)相同的電路 b)Uo與光照變化趨勢(shì)相反的電路

二、光敏二極管應(yīng)用電路

圖10-18 光敏二極管的一種應(yīng)用電路(討論強(qiáng)光照時(shí)的輸出電壓Uo)

三、光敏三極管應(yīng)用電路

光敏三極管在電路中必須遵守集電結(jié)反偏，發(fā)射結(jié)正偏的原則，這與普通三極管工作在放大區(qū)時(shí)條件是一樣的。

比較圖10-19 光敏三極管的兩種常用電路：(a)射極輸出電路 b)集電極輸出電路)在強(qiáng)光照時(shí)的輸出電壓Uo。

分析圖10-20 光控繼電器電路。

四、光電池的應(yīng)用電路(舉例計(jì)算)

第三節(jié) 光電傳感器的應(yīng)用

分類：依被測(cè)物、光源、光電元件三者之間的關(guān)系，可為四種類型

1) 光源本身是被測(cè)物，被測(cè)物發(fā)出的光投射到光電元件上，光電元件的輸出反映了光源的某些物理參數(shù)(圖a)

2) 恒光源發(fā)射的光通量穿過被測(cè)物，一部分由被測(cè)物吸收，剩余部分投射到光電元件上，吸收量決定于被測(cè)物的某些參數(shù)(圖b)

3) 恒光源發(fā)出的光通量投射到被測(cè)物上，然后從被測(cè)物表面反射到光電元件上，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的某些參數(shù)(圖c)

4) 恒光源發(fā)出的光通量在到達(dá)光電元件的途中遇到被測(cè)物，照射到光電元件上的光通量被遮蔽掉一部分，光電元件的輸出反映了被測(cè)物的尺寸(圖d)

—、光源本身是被測(cè)物的應(yīng)用實(shí)例(以下均演示)

1.紅外線輻射溫度

2.熱釋電傳感器在人體檢測(cè)、報(bào)警中的應(yīng)用

(1)熱釋電效應(yīng)

(2)對(duì)信號(hào)處理電路的要求(討論運(yùn)動(dòng)速度與放大器帶通之間的關(guān)系)

二、被測(cè)物吸收光通量的應(yīng)用實(shí)例——光電式濁度計(jì)

(討論“參比通道”的意義)

三、被測(cè)物體反射光通量的應(yīng)用實(shí)例

1.反射式煙霧報(bào)警器

討論火災(zāi)發(fā)生的判斷條件：

物質(zhì)在燃燒過程中一般有下列現(xiàn)象發(fā)生：

(1)產(chǎn)生熱量，使環(huán)境溫度升高

(2)產(chǎn)生可燃性氣體

(3)產(chǎn)生煙霧

(4)產(chǎn)生火焰

2.光電式轉(zhuǎn)速表

(討論信號(hào)流程和波形)

四、被測(cè)物遮蔽光通量應(yīng)用實(shí)例——光電線陣測(cè)量帶材寬度

(討論能否用于其他哪些領(lǐng)域?)

第四節(jié) 光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

(討論與接近開關(guān)的異同點(diǎn))

一、光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類(以下均演示)

光電開關(guān)可分為兩類：遮斷型和反射型

反射型分為兩種情況：反射鏡反射型及被測(cè)物漫反射型(簡(jiǎn)稱散射型)

二、光電斷續(xù)器 (討論與光電開關(guān)的異同點(diǎn))

光電斷續(xù)器的工作原理與光電開關(guān)相同，但其光電發(fā)射、接收器做在體積很小的同一塑料殼體中

討論還有哪些用途

第五節(jié) CCD圖像傳感器及應(yīng)用

一、CCD圖像傳感器的工作原理(討論與光敏晶體管的區(qū)別)

二、CCD圖像傳感器的分類

三、CCD圖像傳感器的應(yīng)用

(討論還有哪些用途)

作業(yè)： 3、4、7;其余課堂討論。

第十一章 數(shù)字式位置傳感器

? 教學(xué)要求

1.了解直接測(cè)量、間接測(cè)量、增量式和絕對(duì)式測(cè)量的特點(diǎn)。

2.了解絕對(duì)式碼器的分類及其特點(diǎn)。

3.掌握角編碼器的應(yīng)用。

4.了解光柵的類型、結(jié)構(gòu)和工作原理。

5.了解辨向原理和細(xì)分技術(shù)。

6.掌握了解光柵傳感器的應(yīng)用。

7.了解磁柵傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理。

8.了解容柵傳感器的結(jié)構(gòu)、工作原理及其在數(shù)顯尺中的應(yīng)用。

9.掌握位置測(cè)量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算

? 教學(xué)手段 多媒體課、實(shí)物演示

教學(xué)課時(shí) 3學(xué)時(shí)?

? 教學(xué)內(nèi)容

從結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用等方面介紹幾種常用的數(shù)字式位置傳感器，如角編碼器、光柵傳感器、磁柵傳感器、容柵傳感器等，重點(diǎn)是位置測(cè)量的數(shù)據(jù)處理和計(jì)算。

第一節(jié) 位置測(cè)量的方式

數(shù)字式位置測(cè)量的特點(diǎn)：

(1)將被測(cè)的位置量直接轉(zhuǎn)變?yōu)槊}沖個(gè)數(shù)或編碼，便于顯示和處理;

(2)測(cè)量精度取決于分辨力，和量程基本無關(guān);

(3)輸出脈沖信號(hào)的抗干擾能力強(qiáng)。

一、直接測(cè)量和間接測(cè)量

位置傳感器有直線式和旋轉(zhuǎn)式兩大類(舉例，計(jì)算)。

二、增量式和絕對(duì)式測(cè)量。(比較)

增量式測(cè)量的特點(diǎn)是只能獲得位移增量。增量式位置傳感器必須有一個(gè)零位標(biāo)志，作為測(cè)量起點(diǎn)的標(biāo)志。

絕對(duì)式測(cè)量的特點(diǎn)是，每一被測(cè)點(diǎn)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的編碼，常以二進(jìn)制數(shù)據(jù)形式來表示。

第二節(jié) 數(shù)字式角編碼器

什么叫角編碼器：又稱碼盤，是一種旋轉(zhuǎn)式位置傳感器，它的轉(zhuǎn)軸通常與被測(cè)軸連接，隨被測(cè)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)

一、絕對(duì)式編碼器(多媒體演示)

1.接觸式編碼器(注意分辨力與分辨率的區(qū)別，數(shù)值高低對(duì)測(cè)量的影響，并舉例計(jì)算)

若是n位二進(jìn)制碼盤，就有n圈碼道，且圓周均分2 n個(gè)數(shù)據(jù)來分別表示其不同位置，所能分辨的角度α為

α=360°/2n (11-1)

分辨率=1/2n (11-2)

2.絕對(duì)式光電編碼器

絕對(duì)式光電編碼器與接觸式編碼器結(jié)構(gòu)相似，只是其中的黑白區(qū)域不表示導(dǎo)電區(qū)和絕緣區(qū)，而是表示透光或不透光區(qū)。(拆開看內(nèi)部結(jié)構(gòu))

表11-1 十進(jìn)制數(shù)與8421二進(jìn)制碼以及格雷碼的對(duì)照表

(比較二進(jìn)制碼以及格雷碼的區(qū)別)

十進(jìn)制數(shù) 自然二進(jìn)制數(shù) 格雷碼 十進(jìn)制數(shù) 自然二進(jìn)制數(shù) 格雷碼

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、增量式編碼器

光電編碼器的測(cè)量精度取決于它所能分辨的最小角度，而這與碼盤圓周上的狹縫條紋數(shù)n有關(guān)，即分辨角度為

。(拆開看內(nèi)部結(jié)構(gòu))(注意分辨力與分辨率的計(jì)算方法與絕對(duì)式有何不同，并舉例計(jì)算)°例如，條紋數(shù)為1024，則能分辨的最小角度α=360°/1024=0.352

分析圖11-5：光電編碼器的輸出波形

三、角編碼器的應(yīng)用(多媒體演示)

1. 數(shù)字測(cè)速

(1)M法測(cè)速

(2)T法測(cè)速

(3)M/T法測(cè)速(與M、T法比較，優(yōu)點(diǎn)?)

2. 在交流伺服電動(dòng)機(jī)中的應(yīng)用

3. 工位編碼(舉例計(jì)算從工位3～工位4的脈沖數(shù)。)

第三節(jié) 光柵傳感器

一、光柵的類型和結(jié)構(gòu)

光柵分類：物理光柵和計(jì)量光柵。

計(jì)量光柵分類：透射式光柵和反射式光柵。

結(jié)構(gòu)：光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。

(舉例計(jì)算每毫米刻線數(shù)與分辨力的關(guān)系)

二、光柵的工作原理

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ。

莫爾條紋有如下特征：(用兩塊刻線玻璃演示)

1)莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2)當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)(兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂直);指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)。在圖11-13中，當(dāng)指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。

3)莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。由于θ很小，所以其關(guān)系可用下式表示

L=W/sinθ≈W/θ (11-8)

4)莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。

三、辨向及細(xì)分(討論必要性)

(一)辨向原理

如果傳感器只安裝一套光電元件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動(dòng)還是反向移動(dòng)，光敏元件都產(chǎn)生相同的正弦信號(hào)，是無法分辨移動(dòng)方向的。為此，必須設(shè)置辨向電路。

(二)細(xì)分技術(shù)

細(xì)分電路能在不增加光柵刻線數(shù)(線數(shù)越多，成本越昂貴)的情況下提高光柵的分辨力。

(三)零位光柵

在增量式光柵中，為了尋找坐標(biāo)原點(diǎn)、消除誤差積累，在測(cè)量系統(tǒng)中需要有零位標(biāo)記(位移的起始點(diǎn))，因此在光柵尺上除了主光柵刻線外，還必須刻有零位基準(zhǔn)的零位光柵

四、光柵傳感器的應(yīng)用

由于光柵具有測(cè)量精度高等一系列優(yōu)點(diǎn)，若采用不銹鋼反射式光柵，測(cè)量范圍可達(dá)十幾米，而且不需接長(zhǎng)，信號(hào)抗干擾能力強(qiáng)，因此在國(guó)內(nèi)外受到重視和推廣，但必須注意防塵、防震問題。

1.光柵數(shù)顯表

2.光柵傳感器在位置控制中的應(yīng)用

3.軸環(huán)式數(shù)顯表(拆開看內(nèi)部結(jié)構(gòu))

第四節(jié) 磁柵傳感器

磁柵分類：長(zhǎng)磁柵和圓磁柵兩大類。用途：長(zhǎng)磁柵主要用于直接位移測(cè)量，圓磁柵主要用于角位移測(cè)量。

一、磁柵結(jié)構(gòu)及工作原理

磁柵傳感器結(jié)構(gòu)：磁尺、磁頭和信號(hào)處理電路等。(了解)

二、磁柵數(shù)顯示表及其應(yīng)用(多媒體演示)

隨著材料技術(shù)的進(jìn)步，目前帶狀磁柵可做成開放式的，長(zhǎng)度可達(dá)幾十米，并可卷曲。安裝時(shí)可直接用特殊的材料粘貼在被測(cè)對(duì)象的基座上，讀數(shù)頭與控制器(如可編程控制器PLC)相連并進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，可隨意對(duì)行程進(jìn)行顯示和控制。

第五節(jié) 容柵傳感器

容柵傳感器是一種新型大位移數(shù)字式傳感器，它是一種基于變面積工作原理的電容傳感器。(多媒體演示)

一、結(jié)構(gòu)及工作原理

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式，容柵傳感器可分為三類，即直線型容柵傳感器、圓形容柵傳感器和圓筒形容柵傳感器。

二、容柵傳感器在數(shù)顯尺中的應(yīng)用(多媒體動(dòng)畫)