光电传感器与光栅传感器

光电传感器与光栅传感器微机接口与控制专题汇报人：*学 号：*导 师：*2017年12月01光电传感器的概述02光电传感器的应用03光栅传感器的简介04光栅传感器的应用目 录01 工作原理31 分类4 概述2光电传感器的概述 定义分类工作原理概述定义光电传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，一般由光源、光学通路和光电元件3个部分组成。分类工作原理概述定义光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电传感器具有非接触、响应快、高分辨率、性能可靠等特点，加之激光光源、光栅、光学码盘、CCD器件、光导纤维等的相继出现和应用，使得光电传感器在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。分类工作原理概述定义光源发出一定的光，由光电元件接收，在检测时，通过光通量的变化，使接收的光电元件上接收到的光通量也有变化，输出时也有相应的变化，最后通过电量来表达被测量的大小。光 源光电元件发光量收光量感应物体 分类工作原理概述定义光源：半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管等 分类工作原理概述定义光学元件与光路 光电传感器中使用的光学元件通常包括各种反射镜和透镜等，光学示意图分别如下：空气镜子折 射光线从一个介质射到另一个介质里的时候，光线的方向也会发生相应的变化平行光点光源焦点(F)平行光焦点(F)凸透镜有聚光的作用 一组平行光射向凸透镜以后，经过折射，会聚在凸透镜另一侧的焦点上。在凸透镜一侧的焦点上放上一个点光源，经过折射，变成一组平行的光发散出去。分类工作原理概述定义空气镜子光射向镜面的时候，会以与入射角度相同的出射角反射向另一侧。空气玻璃入射角当光线从折射率高的介质射向折射率低的介质时，如果光线的入射角大于该介质的临界入射角时，光线将无法通过该介质折射向另一介质，而是直接镜反射向另一方向。光导纤维中光线的移动路线纤 心包 层纤心的折射率比包层的折射率大，如果入射角度足够的时候，所有的光就可以全部被反射回来了反 射 分类工作原理概述定义光电元件：光电传感器中把光能转变成电能的一种器件，通常有光敏电阻、光电池等。以 光敏电阻为例进行说明：光敏电阻的定义：具有光敏效应的材料叫光敏电阻。(光敏效应是指由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象)光敏电阻的基本特性 光电流：亮电流和暗电流的差值叫光电流。光敏电阻不受光的时候的电阻叫 暗电阻，此时通过的电流叫 暗电流；光敏电阻在受光的时候的电阻叫 亮电阻，此时通过的电流叫 亮电流；伏安特性：光敏电阻上的电压越大，光电流越大；光照特性：光照越强，光电流越大；光谱、频率、光谱温度特性：全部与本身的材料有关分类工作原理概述定义光电传感器的工作基础是光电效应光电效应按其作用原理可分为外光电效应和内光电效应。在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象称为外光电效应。基于外光电效应的光电器件由光电管、光电倍增管等。分类工作原理概述定义受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分为以下两大类。1）光电导效应。在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这种效应的器件有光敏电阻等。2）光生伏特效应。在光线作用下能够使物体产生一定方向电动势的现象叫光生伏特效应。基于该效应的器件有光电池和光敏晶体管等。分类工作原理概述定义按照光电元件输出信号的形式可分为模拟式和脉冲式。（一）模拟式光电传感器被测量使得光通亮连续变化，输出光电流也连续变化。包含以下四种形式：分类工作原理概述定义1、光源本身就是被测物，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。如：光电比色温度计、光照度计等被测物光电元件分类工作原理概述定义被测物光电元件恒光源2、恒定光源发射的光通量穿过被测物，一部分由被测物吸收，剩余部分投射光电元件上，吸收量决定了被测物的某些参数。如：测液体透明度、烟尘浓度等 分类工作原理概述定义被测物光电元件恒光源3、恒定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。如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速表等分类工作原理概述定义4、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。如：测元件尺寸、运动状态等 被测物光电元件恒光源分类工作原理概述定义（二）脉冲式光电传感器脉冲式光电传感器中，光电元件接受的光信号是断续变化的，因此光电元件处于开关工作状态，它输出的光电流通常是只有两种稳定状态的脉冲形式的信号，多用于光电计数和光电式转速测量等场合。分类工作原理概述定义按光源分类NO.类别名称功能特点及差异性1光电式可以感应物体有无；不能感应物体的厚度；对透明物体进行感应时，只能用透过型；价格便宜，调整方法比较难，机械旋钮或机构位置设定要求高；2光纤式可以感应非透明物体有无和厚度（选择对射型）；设定精确，方法简便、多样；根据反光量不同，可以进行色差的判断；价格比较适中；3激光式可以感应一切透明物体的厚度；设定方法简单，但判断精确，可以在有背景的环境下设定；使用时间长，但价格昂贵；分类工作原理概述定义凡是存在于自然界的物体，例如人体、火焰甚至于冰都会放射出红外线，只是其发射的红外线的波长不同而已。人体的温度为3637，所放射的红外线波长为9l0m(属于远红外线区)，加热到400700的物体，其放射出的红外线波长为35m(属于中红外线区)。红外线传感器可以检测到这些物体发射出的红外线，用于测量、成像或控制。用红外线作为检测媒介，来测量某些非电量，比可见光作为媒介的检测方法要好。红外传感器 分类工作原理概述定义红外线也称红外光或红外辐射，它是一种电磁波，其波长范围在电磁波谱中的位置如图所示。由图可见，它是波长位于可见光和微波之间的一种不可见光。红外光的最大特点是具有光热效应，能辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。分类工作原理概述定义 1可昼夜测量 红外线(指中、远红外线)不受周围可见光的影响，故可在昼夜进行测量。2不必设光源 由于待测对象发射出红外线，故不必设光源。3适用于遥感技术 大气对某些特定波长范围的红外线吸收甚少(22.6M，35M，814M三个波段称为“大气窗口”)，故适用于遥感技术。红外光检测的优越性 分类工作原理概述定义激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光传感器常用于长度、距离、振动、速度、方位等物理量的测量，还可用于探伤和大气污染物的监测等。激光传感器 分类工作原理概述定义1.固体激光器：红宝石激光器、掺钕的钇铝石榴石激光器、钕玻璃激光器2.气体激光器：二氧化碳激光器、氦氖激光器、一氧化碳激光器3.液体激光器：有机染料激光器4.半导体激光器：砷化镓激光器 分类工作原理概述定义激光位移传感器半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上；信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到具体的位移。三角法测量原理分类工作原理概述定义激光测距传感器探测系统向目标发射波束，波束被目标表面放射产生回波信号。回波信号中直接或间接地包含待测信息。接收与信号处理系统通过接收和分析回波信号，获得被测量。回波分析法测量02光电传感器的应用案例应用案例分析应用案例烟雾式火灾报警器的核心部件是一个光电传感器，是由红外发光二极管及光敏三极管组成，但两者不在同一个平面上（有一定角度）。在无烟状态时，光敏三极管接收不到红外线；当发生火灾时，产生大量的烟雾，烟雾粒子进入感烟传感器时，由于红外线受烟雾粒的折射作用，光敏三极管接受到红外线，给出烟雾报警信号。烟雾式火灾报警器应用案例包装计数光电传感器的发射端一直不间断地发出红外线，如果传送带上有物体时，接收的传感器收不到红外线，就输出低电平信号，否则输出高电平，这样传送带上每通过一物体时接收的传感器就产生一个脉冲信号，该信号进行滤波处理后，将其视为通过一物体应用案例光电转速传感器下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(A)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。2312 31(a)(b)光电数字式转速表工作原理图在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。应用案例光电液位检测在液体未升到发光二极管及光敏三极管平面时，红外发光二极管发出的红外线不会被光敏三极管接收；当液位上升到发光二极管及光敏三极管平面时，出于液体的折射，光敏三极管接收到红外信号由此获得液位信号。应用案例光电自动门应用案例模拟量输出漫反射传感器根据三角原理，模拟量输出漫反射传感器通过激光、红外线或红光测量传感器与物体的距离。因此，物体的颜色、形状和表面状况几乎不对测量结果产生任何影响。高度、厚度和距离测量直径检查轮廓测量应用案例槽型传感器传输检查间隙检查接缝检查分类微小物体识别槽、孔和缺口把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电传感器。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。应用案例光纤传感器可连接塑料纤维光缆或玻璃纤维光缆。通用漫反射传感器，既可通过光缆，也可不通过光缆独立使用。光纤传感器分析物体反射的光。可以采用漫反射模式,也可以采用对射模式。同较暗物体相比，较亮物体反射效果更好，可以从更远距离进行识别。对射模式中，物体的颜色对作用距离不会有任何影响。光纤传感器供应控制差距控制检查安装位置边识别狭窄空间应用识别微小物应用案例颜色传感器颜色传感器能够区分精细的色调，比人眼更快、更精确。根据事先设定的参照颜色，自动模式中可以高速选定彩色对象。传感器的脉冲白光对外部光源不敏感能够保证稳定识别颜色。在汽车、包装和纺织和印刷行业等不同领域令之成为必不可少的绝佳仪器。识别印标、标签或包装上的色标根据颜色分类物体LED功能检查涂漆作业时检测色值监控水果成熟度打印进程中对颜色进行光谱测量应用案例透明玻璃检测专用镜反射传感器识别玻璃或透明物体识别PET瓶和玻璃瓶计算玻璃体数量识别透明薄膜透明玻璃检测专用镜反射传感器，能够可靠识别高透明物体，如玻璃、玻璃瓶或薄膜。借助内置极化滤光器，能够可靠地识别较亮、镀铬或反射表面。发射器和接收器位于外壳内，并需要借助反射器工作。若传感器和反射器间的光束中断，输出端切换。镜反射传感器的可见光斑能够降低校正和调试工作量。根据传感器类型，能可靠识别0.1毫米的微小物体，也可远距离识别。应用案例色标传感器色标传感器运用长寿命白光LED进行工作，能够产生较小的光斑。只需使用一只传感器，即可识别色标和背景间的全部亮度和色彩组合。区分多达100种灰度识别高速移动的较小色标识别字样、印花和标签应用案例对比度识别传感器：对比标记识别识别高速条件下的部件和标记电线识别对比度测量传感器：亮度梯度监控监控干燥条件分类物体对比度传感器对比度传感器尤其适合于高速识别对象的对比度差异应用案例非接触温度测量传感器非接触温度测量传感器用于确定由物体释放的红外辐射量并因此确定物体的温度。测量可以快速、非接触进行且无反作用。物体本身不会受到影响。无论材质、大小和设备状态，都能稳定测量不同物体的温度。监控工艺温度 生产线质保 纸张和纸盒生产应用案例光泽度传感器光泽度传感器区分亮光和亚光表面识别白色地板、玻璃和塑料表面上的透明标签。识别物体表面上的胶带。识别漆层和胶层以及干燥状态识别包装中的玻璃安瓿（b）几乎不受间距影响可调的光泽度可靠区分光亮物体和哑光物体03光栅传感器的简介光栅传感器的简介光栅式传感器（optical grating transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器光栅式传感器应用在程控、数控机床和三坐标测量机构中，可测量静、动态的直线位移和整圆角位移。在机械振动测量、变形测量等领域也有应用。按原理和用途：物理光栅和计量光栅物理光栅：刻线细密，利用光的衍射现象,主要用于光谱分析和光波长等量的测量。计量光栅：主要利用莫尔现象实现长度、角度、速度、加速度、振动等几何量的测量。按光的走向：透射式（玻璃）和反射式（金属）透射式光栅：刻划基面采用玻璃材料 反射式光栅：刻划基面采用金属材料光栅传感器的结构原理光栅副是光栅传感器的主要部分。主光栅(标尺光删)指示光栅标尺光栅的有效长度决定了传感器的有效测量长度和范围。光栅传感器构成主光栅和指示光栅之间的距离d可根据光栅的栅距来选择。主光栅和指示光栅在平行光的照射下，形成莫尔条纹。主光栅的精度决定了整个装置的精度。光电元件把光栅形成的莫尔条纹的明暗强弱变化转换为电量输出，主要有光电池和光敏晶体管。光电元件 包括有光电池和光敏三极管等部分。在采用固态光源时，需要选用敏感波长与光源相接近的光敏元件，以获得高的转换效率。在光敏元件的输出端，常接有放大器，通过放大器得到足够的信号输出以防干扰的影响。光栅副：指示光栅主光栅 光栅副是光栅传感器的核心部分。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅。透射光栅是在一块长方形的光学玻璃上均匀地刻上许多条纹，形成规则排列的明暗线条，如图所示。a为刻线宽度，b为刻线间的缝隙宽度a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）通常情况下，a=b=W/2 光栅的外形及结构光栅的外形及结构光栅的外形及结构扫描头（与移动部件固定光栅尺可移动电缆莫尔条纹的形成当指示光栅和主光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于挡光效应，两块光栅刻线的相交处形成暗带，而在刻线彼此错开处形成亮带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为“莫尔条纹”。当移动时，形成的莫尔条纹产生亮暗交替变化，利用光电接收元件将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用标尺光栅相对于指示光栅数字显示，从而测量出标尺光栅的移动距离。长光栅莫尔条纹长光栅光闸莫尔条纹圆弧莫尔条纹光闸莫尔条纹04光栅传感器的应用由于光栅传感器测量精度高、动态测量范围广、可进行无接触测量、易实现系统的自动化和数字化，因而在机械工业中得到了广泛的应用。光栅传感器通常作为测量元件应用于机床定位、长度和角度的计量仪器中，并用于测量速度、加速度、振动等。优点：测量精度高，分辨率高，测量范围大，动态性能好，适合非接触动态测量，易于实现自动控制，广泛用于数控机床和精密测量设备中。缺点：对工作环境要求较高，不能承受大冲击和振动，要求密封，防止尘埃、油污、铁屑的污染，成本高。1、光栅式万能测长仪光源：红外发光二极管主光栅：透射式黑白振幅光栅；指示光栅：四裂相光栅，得到四路相位差依次为 /2 的原始信号；光电元件：光电三极管 四路原始信号经差分放大器放大、移相电路分相、整形电路整形、倍频电路细分、辩相电路辩相后进入可逆计数器计数，由显示器显示读出。2、长度计遵循阿贝原则，测量杆和测量基准精确地在一条直线上，所构成的测量环的部件，如测量基准、测量杆、支架和扫描头都按照机械稳定和热稳定性最好的原则设计，以确保长度计尽可能有高的精度。计量和生产控制 量块检定和测量设备的检测量块检定火花塞制造中的检测站多点检测设备位置测量3、数控机床4、在航天器及船舶中的应用先进的复合材料抗疲劳、抗腐蚀性能较好，而且可以减轻船体或航天器的重量，对于快速航运或飞行具有重要意义，因此复合材料越来越多地被用于制造航空航海工具（如飞机的机翼）。为全面衡量船体的状况，需要了解其不同部位的变形力矩、剪切压力、甲板所受的抨击力，普通船体大约需要100个传感器，因此波长复用能力极强的光纤光栅传感器最适合于船体检测。光纤光栅传感系统可测量船体的弯曲应力，而且可测量海浪对湿甲板的抨击力。具有干涉探测性能的16路光纤光栅复用系统成功实现了带宽为5kHz范围内、分辨率小于10ne/(Hz)1/2的动态应变测量。另外，为了监测一架飞行器的应变、温度、振动，起落驾驶状态、超声波场和加速度情况，通常需要100多个传感器，故传感器的重量要尽量轻，尺寸尽量小，因此最灵巧的光纤光栅传感器是最好的选择。另外，实际上飞机的复合材料中存在两个方向的应变，嵌人材料中的光纤光栅传感器是实现多点多轴向应变和温度测量的理想智能元件。智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳。智能光电传感器的功能有:自补偿能力，自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能。随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。光电传感器的智能化发展