1、x1光量光量光量光量電量電量x2輸出輸出常用光源常用光源發光器件發光器件物體輻射光物體輻射光白熾光源白熾光源氣體放電光源氣體放電光源發光二極管發光二極管激光器激光器GaP、SiC可見光可見光LEDGaAs紅外紅外LEDhE 02021Amh02021Amh 電極光電導微安表有光照時光電極光電導微安表無光照時PN光照內E 型型號號 光光譜譜響響應應范范圍圍(A。) 最最佳佳靈靈敏敏度度波波長長(A。) 最最小小陰陰極極靈靈敏敏度度(uA/lm) 陽陽極極工工作作電電壓壓(V) 暗暗電電流流(A) 環環境境溫溫度度() GD-5 2000 6000 3800 4200 30 3 30 0 3 31

2、 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-6 6000 11000 7000 9000 10 3 30 0 8 81 10 0- -1 11 1 5 - 35 GD-7 3000 8500 4500 45 1 10 00 0 8 81 10 0- -1 11 1 40 靈敏度高靈敏度高簡述下圖中廣泛應用于自動曝光照相機中的光控延時簡述下圖中廣泛應用于自動曝光照相機中的光控延時開關的工作原理。開關的工作原理。KA為繼電器。為繼電器。R1為光敏電阻，開關為光敏電阻，開關SA為快門控制開關。（注意：曝光開始前開關斷開為快門控制開關。（注意：曝光開始前開關斷開)A1 AR1+UccKA+VRE

3、FC 光欄光欄R2SANNP光檢測器發射光反射光手指光發射器示顯處理變換信號光傳感器V5LED270k68CB掃描筆光敏三極管發光二極管條形碼卡片條形碼掃描方向光電掃描筆脈沖列OUTU熱釋電紅外傳感器熱釋電紅外傳感器o生物機電2、熱釋電紅外傳感器的應用、熱釋電紅外傳感器的應用n 熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物熱釋電紅外傳感器是一種能檢測人或動物發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電發射的紅外線而輸出電信號的傳感器。熱釋電晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱晶體已廣泛用于紅外光譜儀、紅外遙感以及熱輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理輻射探測器，它可以作為紅外激光的一種較理想的探測

4、器。它目標正在被廣泛的應用到各種想的探測器。它目標正在被廣泛的應用到各種自動化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自自動化控制裝置中。除了在我們熟知的樓道自動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領動開關、防盜報警上得到應用外，在更多的領域應用前景看好。比如：在房間無人時會自動域應用前景看好。比如：在房間無人時會自動停機的空調機、飲水機。電視機能判斷無人觀停機的空調機、飲水機。電視機能判斷無人觀看或觀眾已經睡覺后自動關機的機構。開啟監看或觀眾已經睡覺后自動關機的機構。開啟監視器或自動門鈴上的應用。結合攝影機或數碼視器或自動門鈴上的應用。結合攝影機或數碼照相機自動記錄動物或人的活動等等照相機自動記錄動

5、物或人的活動等等。您。您可以根據自己的奇思妙想，結合其它電路開發可以根據自己的奇思妙想，結合其它電路開發出更加優秀的新產品。或自動化控制裝置。出更加優秀的新產品。或自動化控制裝置。 超小紅外人體檢測組件超小紅外人體檢測組件 模塊引腳說明：模塊引腳說明：1：公共地：公共地線線 2：信號輸出：信號輸出 3：電壓正極：電壓正極 紅外自動干手機紅外自動干手機 制作干手機可參考隨機延時電路和固定延時制作干手機可參考隨機延時電路和固定延時電路。交流負載采用光電耦合式過零模塊為佳。電路。交流負載采用光電耦合式過零模塊為佳。注意：人感器必須隔熱，出風口與感應窗口要分注意：人感器必須隔熱，出風口與感應窗口要分離

6、。離。 SiO2。帶負電的電子被吸引緊靠帶負電的電子被吸引緊靠Si-SiO2界面，當電壓高到一定值，形成界面，當電壓高到一定值，形成對電子而言的勢阱，電子一旦進入就不能復出，電壓越高，產生的對電子而言的勢阱，電子一旦進入就不能復出，電壓越高，產生的勢阱越深。形象地把勢阱想想像成一個容器，把聚集在里面的電子勢阱越深。形象地把勢阱想想像成一個容器，把聚集在里面的電子想像成液體。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的深度。可見想像成液體。勢阱積累電子的容量取決于勢阱的深度。可見MOS電容器有存儲電荷的作用。電容器有存儲電荷的作用。勢阱的形成：勢阱的形成：二、光固態圖象傳感器二、光固態圖象傳感器 光固態圖象傳

7、感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件光固態圖象傳感器由光敏元件陣列和電荷轉移器件集合而成。集合而成。CCD自自1970年問世以后，由于它的低噪聲年問世以后，由于它的低噪聲等特點，等特點，CCD圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝圖象傳感器廣泛的被應用在微光電視攝像、信息存儲和信息處理等方面。像、信息存儲和信息處理等方面。1 1CCDCCD的結構和基本原理的結構和基本原理襯底型SiP）（nmSiO 1202123nn輸入二極管輸出二極管nn電極金屬Al 當向當向SiO2表面的電極加正偏壓時，表面的電極加正偏壓時， P型硅襯底接型硅襯底接地，地，P型硅襯底中形成耗盡區（勢阱），耗盡區的深型硅襯底中形成耗

8、盡區（勢阱），耗盡區的深度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）度隨正偏壓升高而加大。其中的少數載流子（電子）被吸收到最高正偏壓電極下的區域內（如圖中被吸收到最高正偏壓電極下的區域內（如圖中1極極下），形成電荷包（勢阱）。對于下），形成電荷包（勢阱）。對于N型硅襯底的型硅襯底的CCD器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。器件，電極加正偏壓時，少數載流子為空穴。SiP型123nnS二極管輸入S二極管輸出nn耗盡區123t1t2t3t4t0如何實現電荷定向轉移呢？如何實現電荷定向轉移呢？電荷轉移的控制方法，電荷轉移的控制方法，非常類似于步進電極的步非常類似于步進電極的步進控制方式。也有二相

9、、進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。三相等控制方式之分。結果：結果：隨著控制脈沖的分配，少數載流子便從CCD的一端轉移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數載流子，送入放大器處理，便實現電荷移動。SiP型123nnS二極管輸入S二極管輸出nn耗盡區2 2線型線型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器 線型線型CCD圖像傳感器由一列光敏元件與一列圖像傳感器由一列光敏元件與一列CCD并行且對應的構并行且對應的構成一個主體成一個主體,在它們之間設有一個轉移控制柵在它們之間設有一個轉移控制柵,如圖如圖 (a)所示。在每一所示。在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一

10、個由一個P型溝阻使其在電氣上型溝阻使其在電氣上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上隔開。當入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時梳狀電極施加高電壓時,光敏光敏元件聚集光電荷元件聚集光電荷,進行光積分進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結束時。在光積分時間結束時,轉移柵上的電壓提高轉移柵上的電壓提高(平時低電壓平時低電壓),與與CCD對對應的電極也同時處于高電壓狀態。然后應的電極也同時處于高電壓狀態。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉移到移位寄存器中。當轉移完畢元件中所積累的光電電

11、荷并行地轉移到移位寄存器中。當轉移完畢,轉移柵電壓降低轉移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態梳妝電極電壓回復原來的高電壓狀態,準備下一次光準備下一次光積分周期。同時積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電將存儲的電荷從荷從CCD中轉移中轉移,由輸出端輸出。這個過程重復地進行就得到相繼的由輸出端輸出。這個過程重復地進行就得到相繼的行輸出行輸出,從而讀出電荷圖形。從而讀出電荷圖形。）光積分單元（感光單元不透光的電荷轉移機構輸出轉移柵）光積分單元（感光單元不透光的電荷轉移機構輸出轉移柵L12345678910 目前，實用的線型目前，實

12、用的線型CCD圖像傳感器為雙行結構，如圖像傳感器為雙行結構，如圖（圖（b）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉）所示。單、雙數光敏元件中的信號電荷分別轉移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作移到上、下方的移位寄存器中，然后，在控制脈沖的作用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就用下，自左向右移動，在輸出端交替合并輸出，這樣就形成了原來光敏信號電荷的順序。形成了原來光敏信號電荷的順序。光積分區不透光的電荷轉移機構輸出轉移柵不透光的電荷轉移機構3 3面型面型CCDCCD圖像傳感器圖像傳感器 面型面型CCD圖像傳感器由感光區、信號存儲區圖像傳感器由感光區、信號存儲區和輸出轉移部

13、分組成。目前存在三種典型結構和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式。形式。 圖圖(a)所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄所示結構由行掃描電路、垂直輸出寄存器、感光區和輸出二極管組成。行掃描電路存器、感光區和輸出二極管組成。行掃描電路將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上將光敏元件內的信息轉移到水平（行）方向上，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極，由垂直方向的寄存器將信息轉移到輸出二極管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像管，輸出信號由信號處理電路轉換為視頻圖像信號。這種結構易于引起圖像模糊。信號。這種結構易于引起圖像模糊。二相驅動視頻輸出 行行掃掃描描發發生生器器輸出寄存器檢波二極

14、管二相驅動感光區溝阻P1 P2P3P1 P2P3P1 P2P3 感光區 存儲區析像單元 視頻輸出輸出柵串行讀出面型CCD圖像傳感器結構(a)(b) 圖（b）所示結構增加了具有公共水平方向電極的不透光的信息存儲區。在正常垂直回掃周期內，具有公共水平方向電極的感光區所積累的電荷同樣迅速下移到信息存儲區。在垂直回掃結束后，感光區回復到積光狀態。在水平消隱周期內，存儲區的整個電荷圖像向下移動，每次總是將存儲區最底部一行的電荷信號移到水平讀出器，該行電荷在讀出移位寄存器中向右移動以視頻信號輸出。當整幀視頻信號自存儲移出后，就開始下一幀信號的形成。該CCD結構具有單元密度高、電極簡單等優點，但增加了存儲器

15、。光柵報時鐘光柵報時鐘二相驅動二相驅動輸出寄存器輸出寄存器檢波二極管檢波二極管 視頻輸出視頻輸出垂直轉移垂直轉移寄存器寄存器感光區感光區二相驅動二相驅動(c) 圖圖(c)所示結構是用得最所示結構是用得最多的一種結構形式。它將圖多的一種結構形式。它將圖(b)中感光元件與存儲元件中感光元件與存儲元件相隔排列。即一列感光單元相隔排列。即一列感光單元，一列不透光的存儲單元交，一列不透光的存儲單元交替排列。在感光區光敏元件替排列。在感光區光敏元件積分結束時，轉移控制柵打積分結束時，轉移控制柵打開，電荷信號進入存儲區。開，電荷信號進入存儲區。隨后，在每個水平回掃周期隨后，在每個水平回掃周期內，存儲區中整個

16、電荷圖像內，存儲區中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結形成視頻信號輸出。這種結構的器件操作簡單，但單元構的器件操作簡單，但單元設計復雜，感光單元面積減設計復雜，感光單元面積減小，圖像清晰。小，圖像清晰。 數字式傳感器數字式傳感器: 把輸入量轉換成數字量輸出把輸入量轉換成數字量輸出優點優點：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強，：測量精度和分辨力高，抗干擾能力強， 能避免在讀標尺和曲線圖時產生的人為能避免在讀

17、標尺和曲線圖時產生的人為 誤差，便于用計算機處理。誤差，便于用計算機處理。最簡單的數字式傳感器是最簡單的數字式傳感器是編碼器編碼器(ADE) 角度數字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）角度數字編碼器（碼盤）或直線位移編碼器（碼尺）原理分類：電觸式、電容式、感應式和光電式等原理分類：電觸式、電容式、感應式和光電式等 l用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形用光電方法把被測角位移轉換成以數字代碼形式表示的電信號的轉換部件。式表示的電信號的轉換部件。1光源光源 2柱面鏡柱面鏡 3碼盤碼盤 4狹縫狹縫 5元件元件 6位二進制碼盤位二進制碼盤根據碼盤的起始和終止位置確定轉角，與轉動的中間過程無關。

18、根據碼盤的起始和終止位置確定轉角，與轉動的中間過程無關。 （1）n位位(n個碼道個碼道)的二進制碼盤具有的二進制碼盤具有2n種不同編碼，稱其種不同編碼，稱其容量為容量為2n， 其最小分辨力其最小分辨力136002n，它的最外圈角節，它的最外圈角節距為距為21；（2）二進制碼為有權碼，編碼）二進制碼為有權碼，編碼Cn,Cn-1，C1對應于由零對應于由零位算起的轉角為：位算起的轉角為：（3）碼盤轉動中，）碼盤轉動中，CK變化時，所有變化時，所有Cj(jK)應同時變化。應同時變化。1112iniiC上一頁下一頁返 回l研究背景：研究背景： 要求各個碼道刻劃精確，彼此對準，這給碼要求各個碼道刻劃精確，

19、彼此對準，這給碼盤制作造成很大困難。盤制作造成很大困難。由于微小的制作誤差，由于微小的制作誤差，只要有只要有個碼道提前或延后改變，就可能造個碼道提前或延后改變，就可能造成輸出的粗大誤差。成輸出的粗大誤差。 要達到要達到1/左右的分辨率，二進制碼盤需要采左右的分辨率，二進制碼盤需要采用用20或或21位碼盤。一個刻劃直徑為位碼盤。一個刻劃直徑為400mm的的20位碼盤其外圈的間隔為稍大于位碼盤其外圈的間隔為稍大于1m。l消除粗大誤差方法：消除粗大誤差方法：雙讀數頭法，循環碼代替二進制碼雙讀數頭法，循環碼代替二進制碼雙讀數頭的缺點是讀數頭的個數增加了雙讀數頭的缺點是讀數頭的個數增加了一倍。當編碼器位

20、數很多時，光電元件一倍。當編碼器位數很多時，光電元件安裝位置也有困難。安裝位置也有困難。 (a) 四位二進制碼盤展開圖四位二進制碼盤展開圖 (b) 采用雙讀數頭消除粗大誤差的示意圖采用雙讀數頭消除粗大誤差的示意圖 圖圖a：A-A正確的值是：正確的值是：1110，若，若A-A中的中的C1碼道過長，導致碼道過長，導致A-A值為：值為：0110。或。或A-A中的中的C4碼道過長，導致碼道過長，導致A-A的值為：的值為：0000（正確的是：（正確的是：1000）。缺點：）。缺點：1110變變為為1000時，每一位相鄰的碼道都要改變。時，每一位相鄰的碼道都要改變。圖圖b：第：第i碼道碼道ai與與bi兩狹

21、縫的讀數為：兩狹縫的讀數為：Ai和和Bi， 而第而第i-1碼道的示數為碼道的示數為Ci-1。已知：已知：Ci= Ai，若，若Ci-1=0，則，則Ci= Bi , 若若Ci-1=1，則，則Ci= Ai 即：若低一位的讀數為即：若低一位的讀數為1，則按高一位，則按高一位Ai的的 讀數；若低一位的讀數為讀數；若低一位的讀數為0，則按高一，則按高一 位位Bi的讀數；的讀數；(1)n位循環碼碼盤具有位循環碼碼盤具有2n種不同編碼；種不同編碼；(2)循環碼碼盤具有軸對稱性，其最高位相反，其余各位相同；循環碼碼盤具有軸對稱性，其最高位相反，其余各位相同；(3)循環碼為無權碼；循環碼為無權碼；(4)循環碼碼盤

22、轉到相鄰區域時，編碼中只有一位發生變化，循環碼碼盤轉到相鄰區域時，編碼中只有一位發生變化， 不會產生粗誤差。不會產生粗誤差。 iiiiiinnCCRRCCRC114位二進制碼與循環碼的對照表位二進制碼與循環碼的對照表(a) 并行變換電路并行變換電路 (b)串行變換電路串行變換電路 (a) 并行變換電路并行變換電路 (b)串行變換電路串行變換電路 循環碼是無權碼，直接譯碼有困難，一般先轉換為循環碼是無權碼，直接譯碼有困難，一般先轉換為二進制碼后再譯碼。二進制碼后再譯碼。 光柵傳感器光柵傳感器一一. .光柵及其測量系統光柵及其測量系統1.1.光柵的結構類型光柵的結構類型 1 1）長光柵尺）長光柵尺

23、 主光柵主光柵 指示光柵指示光柵a是柵線是柵線的寬度的寬度b是柵線的是柵線的縫隙寬度縫隙寬度W 是柵距是柵距W =a+b2）圓光柵）圓光柵 刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤，刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵也稱光柵盤，用來測量角度或角位移。用來測量角度或角位移。 根據柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，根據柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是一種是徑向光柵，徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；另一種是另一種是切向光柵，切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點兒或幾個毫米的小圓相切心的直徑只有零點兒或幾個毫米的小

24、圓相切若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。若按光線的走向，圓光柵只有透射光柵。徑向光柵徑向光柵切向光柵切向光柵2.2.光柵測量系統（光柵讀數頭）光柵測量系統（光柵讀數頭）二二. .光柵傳感器的工作原理光柵傳感器的工作原理 當指示光柵和標尺光柵的刻線相交一個微小當指示光柵和標尺光柵的刻線相交一個微小的夾角時的夾角時, , 光源照射光柵尺，由于擋光效應，兩光源照射光柵尺，由于擋光效應，兩塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯塊光柵刻線的相交處形成亮帶，而在刻線彼此錯開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上開處形成暗帶。在與光柵線紋大致垂直的方向上, , 產生出亮暗相間的條紋產生出亮暗相間的條

25、紋, , 這些條紋稱為這些條紋稱為“莫爾條莫爾條紋紋”（莫爾：法語絲綢的波紋）。（莫爾：法語絲綢的波紋）。1.莫爾條紋的形成及其特征莫爾條紋的形成及其特征(重點掌握重點掌握)莫爾條紋間距莫爾條紋間距光柵柵距光柵柵距1、指示光柵、指示光柵 2、主光柵、主光柵兩柵尺的夾角兩柵尺的夾角兩柵尺的夾角兩柵尺的夾角莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征1) 放大作用放大作用WWBCABBH2422sin22結論：結論：放大倍數為放大倍數為 1/,1/, 越小越小,B,B越大。越大。例如例如=0.1=0.1時時 =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432

26、radW=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592mm。 如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋如主光柵沿著刻線垂直方向向右移動時，莫爾條紋將沿著指示光柵的柵線向上移動；反之，當主光柵向將沿著指示光柵的柵線向上移動；反之，當主光柵向左移動時，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動。左移動時，莫爾條紋沿著指示光柵的柵線向下移動。 因此根據莫爾條紋移動方向就可以對主光柵的運動進因此根據莫爾條紋移動方向就可以對主光柵的運動進行辨向。行辨向。 莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征（2） 莫爾條紋移動方向莫爾條紋移動方向莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征（2） 莫爾條紋移動方向

27、與光柵移動方向的對應關系莫爾條紋移動方向與光柵移動方向的對應關系 即：辨別方向性即：辨別方向性主光柵相對指示主光柵相對指示光柵的轉角光柵的轉角主光柵相對指示主光柵相對指示光柵的移動方向光柵的移動方向莫爾條紋的移動莫爾條紋的移動方向方向順時針轉動順時針轉動角角 向左向左向上向上向右向右向下向下逆時針轉動逆時針轉動角角 向左向左向下向下向右向右向上向上 光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。光電元件對光柵的柵距誤差具有消差作用。莫爾條紋由光柵的大量刻線形成莫爾條紋由光柵的大量刻線形成, 對線紋的刻劃誤差對線紋的刻劃誤差有平均抵消作用有平均抵消作用, 幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除條紋的位置和形狀影響甚微。能在很大程度上消除短周期誤差的影響。短周期誤差的影響。 （3） 誤差的平均效應誤差的平均效應莫爾條紋的特征莫爾條紋的特征例：例：W=0.02mm, 接收元件尺寸接收元件尺寸1010mm2,在在10mm范范圍內有圍內有500條刻線參與工作，某幾條刻線誤差對莫爾條條刻線參與工作，某