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項目10：現代新型傳感器

知識點1：光電編碼器

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目錄簡介工作原理分類應用單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART01簡介10.1光電編碼器自動生產線上分揀站，進行物件分揀的時候，常用的方法:根據光電、光纖傳感器進行分揀，缺點是信號有滯后，不準確氣缸推動有誤差。更準確的方法是什么呢？光電編碼器光電編碼器是一種回轉式數字測量元件，通常裝在被檢測軸上，隨被測軸一起轉動，可將被測軸的角位移轉換為增量脈沖形式或絕對式的代碼形式。光電編碼器通過光電轉換將輸出軸上的直線位移或角度變化成脈沖或數字量，屬于非接觸式傳感器。10.1光電編碼器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART02工作原理2.碼盤碼盤是薄的圓盤，有透光區與不透光區。光線透過碼盤的透光區，使光敏元件導通，產生電流，輸出端電壓為高電平。若光線照射到碼盤上的不透光區，則光敏元件不導通，輸出電壓為低電平。碼盤10.1光電編碼器3.碼制按其所用碼制可分為：二進制碼、循環碼（格雷碼）、十進制碼、六十四碼。10.1光電編碼器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART03分類光電編碼器分為相對式編碼器和絕對式編碼器。1.相對式編碼器相對式編碼器又稱為增量式編碼器，是測量旋轉運動最常見的傳感器。圓形碼盤兩邊分別安裝光源及光敏元件。10.1光電編碼器當碼盤隨轉軸同步轉動時，每轉過一個透光區與一個不透光區就產生一次光線的敏感變化，經整形放大，可以得到一個電脈沖信號，將該脈沖信號送到計數器中進行計數，每產生一個輸出脈沖信號就對應于一個增量位移，它能產生與位移增量等值的脈沖信號。光電編碼器每秒輸出脈沖的個數反映了當前電動機的轉速。（1）計算轉速10.1光電編碼器（2）辨向光敏元件所產生的的信號A、B彼此相差90°相位，用于辨向。當碼盤正轉時，A信號超前B信號90°。當碼盤反轉時，B信號超前A信號90°。10.1光電編碼器（3）零標志（一轉信號）在碼盤里圈還有一條狹縫C，每轉能產生一個脈沖，該脈沖信號又稱為“一轉信號”，或領標志脈沖，作為測量的起始基準。10.1光電編碼器2.絕對式編碼器絕對式編碼器的圓形碼盤上沿徑向的若干同心圓稱為碼道，一個光敏元件對準一個碼道。若碼盤上的透光區對應二進制1，不透光區對應二進制0，則沿碼盤徑向由外向內可依次讀出碼道上的二進制數。10.1光電編碼器若碼盤上的透光區對應二進制1，不透光區對應二進制0，則沿碼盤徑向由外向內可依次讀出碼道上的二進制數。絕對式編碼器編碼的設計采用二進制碼或格雷碼。由于格雷碼相鄰數碼之間僅改變一位二進制數，誤差不超過1，因此被大多數光電編碼盤使用。10.1光電編碼器絕對式編碼器的作用不是計數，而是當與轉軸相連的碼盤旋轉時，在轉軸的任意位置讀出一個與位置相對應的數字碼，從而檢測出絕對位置。10.1光電編碼器碼道越多，分辨率就越高。若碼盤上有n條碼道，則碼盤被均分為2n個扇形，該編碼能分辨的最小角度（分辨率）為

10.1光電編碼器增量式編碼器絕對式編碼器優點：原理構造簡單、易于實現；機械平均壽命長，可達幾萬小時以上；分辨率高；抗干擾能力較強，信號傳輸距離較長，可靠性較高。缺點：它無法直接讀出轉動軸的絕對位置信息。主要用于測速。優點：可以直接讀出角度坐標的絕對值；沒有累計誤差；電源切除后位置信息不會丟失；編碼器的精度取決于位數；最高轉速比增量式光電編碼器高。缺點：結構復雜，價格高，光源壽命短等。主要用于角度控制、定位、測長。兩種編碼器的優缺點：10.1光電編碼器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART04應用1.絕對式編碼器在數控機床中的應用t-絲杠轉動一整圈，工作臺的位移

10.1光電編碼器伺服電機編碼器2.絕對式編碼器在伺服電機中的應用轉子磁極位置測量轉速測量角位移測量可進行以下測量：10.1光電編碼器放大整形放大整形DQC

可逆計數器光敏元件光敏元件&延時YPAB

計數脈沖

Q=“0”

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知識點2：CCD圖像傳感器單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

目錄項目導入結構原理應用單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART01項目導入簡介10.2CCD圖像傳感器ＣＣＤ（ChargeCoupledDevice，感光耦合組件簡稱）是貝爾實驗室的W.S.Boyle和G.E.Smith于1970年發明的,由于它有光電轉換、信息存儲、延時和將電信號按順序傳送等功能,且集成度高、功耗低,因此隨后得到飛速發展,是圖像采集及數字化處理必不可少的關鍵器件,廣泛應用于科學、教育、醫學、商業、工業、軍事和消費領域。CCD圖像傳感器簡介光固態圖像傳感器是高度集成的半導體光敏傳感器，以電荷轉移為核心，可以完成光電信號轉換、存儲、傳輸、處理，具有體積小、重量輕、功耗小、成本低等優點，可探測可見光、紫外光、x射線、紅外光、微光和電子轟擊等，廣泛用于圖像識別和傳送，例如攝像系統、掃描儀、復印機、機器人的眼睛等。固態圖像傳感器按其結構可分為三種:一種是電荷耦合器件(charge-CoupledDevices，簡稱CCD);第二種是MOS型圖像傳感器，又稱自掃描光電二極管陣列（seScannedPhohodiodeArray，簡稱SSPA);第三種是電荷注入器件(chargeInjectionDevice，簡稱CID)。

目前前兩者用得最多，CCD型圖像傳感器噪聲低，在很暗的環境條件下性能仍舊良好;MOS型圖像傳感器質量很高，可用低壓電源驅動，且外圍電路簡單。CCD圖像傳感器實物常見的基于CCD光電耦器件的設備嫦娥二號攜帶的CCD立體攝像機單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART02電耦合器件CCD結構CCD圖像傳感器是按一定規律排列的MOS（金屬—氧化物—半導體）電容器組成的陣列。CCD是一種以電荷包的形式存貯和傳遞信息的半導體表面器件，是在MOS結構電荷存貯器的基礎上發展起來的，所以有人將其稱為“排列起來的MOS電容陣列”。在P型或N型硅襯底上生長一層很薄（約120nm）的二氧化硅,再在二氧化硅薄層上依次序沉積金屬或摻雜多晶硅電極（柵極）,形成規則的MOS電容器陣列，再加上兩端的輸入及輸出二極管就構成了CCD芯片。CCD傳感器的結構CCD基本結構分兩部分：1.MOS（金屬—氧化物—半導體）光敏元陣列；一個MOS電容器是一個光敏元，可以感應一個像素點，則若一個圖像有多少個像素點，就需要同樣多個光敏元，即采集一幅圖像需要含有許多MOS光敏元的大規模集成器件。2.讀出移位寄存器。CCD分辨率分辨率指的是ＣＣＤ中有多少像素，也就是ＣＣＤ上有多少感光組件，分辨率是圖像傳感器的重要特性。（像素=分辨率長寬數值相乘，如：640X480=307200，就是30W像素）CCD分辨率主要取決于CCD芯片的像素數。其次，還受到傳輸效率的影響。高度集成的光敏單元可以獲得高分辨率。但光敏單元的尺寸的減少將導致靈敏度的降低。單擊此處編輯母版文本樣式第二級第三級第四級第五級

PART03工作原理1.信號電荷的產生2.信號電荷的存貯3.信號電荷的傳輸4.信號電荷的檢測

工作原理1.信號電荷的產生

CCD工作過程的第一步是電荷的產生。CCD可以將入射光信號轉換為電荷輸出，依據的是半導體的內光電效應（也就是光生伏特效應）。金屬電極氧化物半導體e-e-e-e-e-e-e-光生電子入射光MOS電容器信號電荷的產生（示意圖）一個MOS結構元為MOS光敏元或一個像素，把一個勢阱所收集的光生電子稱為一個電荷包；CCD器件內是在硅片上制作成百上千的MOS元，每個金屬電極加電壓，就形成成百上千個勢阱；如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么這些光敏元就感生出一幅與光照度響應的光生電荷圖象。這就是電荷耦合器件的光電物理效應基本原理。下圖給出了P型半導體MOS光敏元的結構圖，制備時先在P-Si片上氧化一層SiO2介質層，其上再沉積一層金屬作為柵極，在P-Si半導體上制作下電極。其工作原理為:在柵極上突然加一個VG正脈沖（VG>VT閾值電壓)，金屬電極板上就會充上一些正電荷，電場將P-Si中SiO2界面附近的空穴排斥走，在少數電子還未移動到此區時，在SiO2附近出現耗盡層，耗盡區中的電離物質為負離子。具體存儲過程如下：

當光照射到MOS電容器上時，半導體吸收光子能量，產生電子-空穴對，少數電子會被吸收到勢阱中。光強越大，產生電子-空穴對越多，勢阱中收集的電子數就越多;反之，光越弱，收集的電子數越少。因此勢阱中電子數目的多少可以反映光的強弱，從而說明圖像的明暗程度。于是，這種MOS電容器實現了光信號向電荷信號的轉變。若給光敏元陣列同時加上VG，整個圖像的光信號將同時變為電荷包陣列。當有部分電子填充到勢阱中時，耗盡層深度和表面勢將隨著電荷的增加而減小（由于電子的屏蔽作用，在一定光強下一定時間內勢阱會被電子充滿），所以收集電子的量要調整適當。e-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+Uthe-e-勢阱入射光MOS電容器+UGe-e-e-e-e-e-+UthUG<Uth

時UG>Uth

時信號電荷的存儲（示意圖）在柵極G電壓為零時，P型半導體中的空穴(多數載流子)的分布是均勻的。當施加正偏壓UG(此時UG小于p型半導體的閩值電壓Uth)，空穴被排斥，產生耗盡區。電壓繼續增加，則耗盡區將進一步向半導體內延伸。3、信號電荷的傳輸（耦合）

CCD工作過程的第三步是信號電荷包的轉移，就是將所收集起來的電荷包從一個像元轉移到下一個像元，直到全部電荷包輸出完成的過程。

通過按一定的時序在電極上施加高低電平，可以實現光電荷在相鄰勢阱間的轉移。

每個光敏元（像素）對應有三個相鄰的轉移柵電極1、2、3,所有電極彼此間離得足夠近,以保證使硅表面的耗盡區和電荷的勢阱耦合及電荷轉移。所有的1電極相連并施加時鐘脈沖φ1,所有的2、3也是如此,并施加時鐘脈沖φ2、φ3。這三個時鐘脈沖在時序上相互交迭。

三個時鐘脈沖的時序圖中CCD的四個電極彼此靠的很近。假定一開始在偏壓為10V的(1)電極下面的深勢阱中，其他電極加有大于閾值的較低的電壓(例如2V)，如圖(a)所示。一定時刻后，(2)電極由2V變為10V，其余電極保持不變，如圖(b)。因為(1)和(2)電極靠的很近(間隔只有幾微米)，它們各自的對應勢阱將合并在一起，原來在(1)下的電荷變為(1)和(2)兩個電極共有，圖(C)示。此后，改變(1)電極上10V電壓為2V，(2)電極上10V不變，如圖(d)示，電荷將轉移到(2)電極下的勢阱中。由此實現了深勢阱及電荷包向右轉移了一個位置。4、信號電荷的檢測CCD工作過程的第四步是電荷的檢測，就是將轉移到輸出級的電荷轉化為電流或者電壓的過程。輸出類型，主要有以下兩種:1）浮置擴散輸出端2）浮置柵極輸出端CCD工作過程示意圖浮置擴散輸出端：信號電荷注入末級浮置擴散的PN結后，所引起的電位改變作用于MOSFET的柵極。電位改變調制源-漏極間電流，被調制的電流即可作為輸出信號。浮置柵極式：當信號電荷在浮置柵極下方通過時，浮置柵極輸出端電位必然改變，檢測出此改變值即可輸出信號。CCD工作過程示意圖按照像素排列方式的不同，可以將CCD分為線型和面型兩大類。CCD結構類型目前，實用的線型CCD圖像傳感器為雙行結構，如圖（b）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。轉移柵光積分單元不透光的電荷轉移結構光積分區輸出轉移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出1.線型傳感器積分區用來感應輸入光的強度積分區光敏元件的數量就是傳感器能夠達到的靈敏度，一般稱之為像素。面型CCD圖像傳感器由感光區、信號存儲區和輸出轉移部分組成。目前存在三種典型結構形式，線轉移型、幀轉移型、隔離轉移型。2.面型傳感器（a）線轉移型圖(a)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。