光電信息轉(zhuǎn)換組合器件

光電信息轉(zhuǎn)換組合器件第一頁，共85頁?！?.3.1光電耦合器一、結(jié)構(gòu)和特點圖3.3.1-1光電耦合器結(jié)構(gòu)光電耦合器是將LED和光敏三極管緊密的組裝在一起，密封在一個對外隔光的封裝之內(nèi)，這樣LED的光線能夠落到光敏三極管的表面上。如圖：光電耦合器是以光為媒介傳輸電信號的一種電一光一電轉(zhuǎn)換器件。它由發(fā)光源和受光器兩部分組成。把發(fā)光源和受光器組裝在同一密閉的殼體內(nèi)，彼此間用透明絕緣體隔離。發(fā)光源的引腳為輸入端，受光器的引腳為輸出端。第二頁，共85頁。光電耦合器的另一個重要特性是用IF控制I，信號的傳遞是單向的。輸出端即使有很強的干擾和噪聲，也不會影響反饋到輸入端。二、光電耦合器的類型其類型主要有：普通光電耦合器；達林頓光電耦合器；雙光電耦合器；四光電耦合器；（此四種統(tǒng)稱為隔離光電耦合器）開槽光電耦合器和反射光電耦合器。

光電耦合器的一個重要特性是其輸入端相聯(lián)接的電路可以和其輸出端的電路完全隔開，并且在這兩個電路之間可以安全地存在成百上千伏的電位差而不會對光電耦合器的工作產(chǎn)生不利影響。第三頁，共85頁。

使用單只光敏三極管作輸出級的普通光電耦合器（圖a），通常是密封在一個六引腳的封裝之內(nèi)，而光敏三極管的基極被引到封裝的外面以備使用。在平常的使用中，基極是開路不用的，在此情況下，光電耦合器具有300kHz的有效帶寬。然而，光敏三極管能夠轉(zhuǎn)換為光敏二極管，這只要將基極（引腳6）和發(fā)射極（引腳4）的引出端短接在一起即可，在這種情況下，帶寬卻上升到約30MHz。（a）普通光電耦合器圖3.3.1-2光電耦合器的類型第四頁，共85頁。

達林頓光電耦合器(圖b)也是密封在一個六引腳的封裝當中，而且其光敏三極管的基極亦引到封裝之外以供使用。由于達林頓管的高電流增益，因此其有效帶寬僅為30kHz。

圖c和圖d所示的雙和四光電耦合器都是利用單只光敏三極管作為輸出級的，而這些光敏三極管的基極卻不能外部引用。圖3.3.1-2光電耦合器的類型第五頁，共85頁。

注意：在所有這四種器件里，輸入引腳都是在封裝的某一邊上而輸出引腳則是在封裝的另一邊上。這種結(jié)構(gòu)有利于增加隔離電壓的最大可能值。還要注意的有，在圖3.3.1-2(c)和圖3.3.1-2(d)所示的雙和四光電耦合器件中，盡管它們具有1.5kV的隔離電壓值，但是在相鄰?fù)ǖ乐g所出現(xiàn)的電位差卻絕對不允許超過500V。第六頁，共85頁。第七頁，共85頁。第八頁，共85頁。三、光電耦合器的檢測在檢測輸入端時，一般均參照紅外發(fā)光二極管的檢測方法。檢測輸出端時應(yīng)參照光敏三極管的檢測方法。萬用表置于歐姆檔，紅、黑表筆接入兩個引腳，一次指數(shù)為無窮大，互換后表針為幾千歐，則黑表筆所結(jié)引腳為發(fā)光二極管的正極。在光電耦合器輸入端接入正向電壓，萬用表指針置于電阻檔，紅、黑表筆接入光電耦合器輸出端的兩個引腳。如果一次表針指數(shù)為無窮大，表針互換后電阻值小于100歐，此時黑表所接為NPN型光敏三極管的集電極c、紅表筆所接為發(fā)射集e。切斷輸入端電壓，光敏三極管要截止，電阻應(yīng)為無窮大。第九頁，共85頁。1．用于電平轉(zhuǎn)換圖3.3.1-3是PMOS電路電平轉(zhuǎn)到TTL(晶體管-晶體管邏輯電路)電路電平的電路圖。該電路中，輸入是-20伏到0伏的脈沖，輸出是0伏到5伏的脈沖，前后電路完全是隔離的。圖3.3.1-3電平轉(zhuǎn)換電路由于各種集成電路所用的電源電壓是不同的，如在一個系統(tǒng)中用二種材料的集成電路芯片，則需要進行電平的轉(zhuǎn)換。另外各種傳感器的電源電壓有時也難于與集成電路相同，故進行電平轉(zhuǎn)換有時是必要的。四、光電耦合器的應(yīng)用第十頁，共85頁。圖a為兩個光電耦合器組成的與門電路，如果在輸入端A和B同時輸入高電平“1”，則兩個發(fā)光二極管GY1和GY2都發(fā)光,兩個光敏三極管GG1，和GG2都導通，在輸出端C就呈現(xiàn)高電平“1”。在輸入端A或B中只要有一個為低電平“0”，則其中有一個光敏三極管不導通，輸出端C就為“0”，故為與門電路。2．用于邏輯門電路圖3.3.1-4光電耦合器在門電路中的應(yīng)用第十一頁，共85頁。

圖(b)為與非門電路，它的原理與圖(a)相似，但輸出端不同，圖(b)從集電極輸出，當兩個輸入端A和B都為高電平‘1”時，輸出為低電平“0”，故為與非門電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門電路中的應(yīng)用第十二頁，共85頁。

圖(c)為或門電路，它從發(fā)射極輸出，輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，則有一個或兩個光敏三極管被照亮而導通，輸出為高電平“1”，故為或門電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門電路中的應(yīng)用第十三頁，共85頁。

圖(d)的原理與圖(c)相似，但從集電極輸出，輸入端A或B中有一個或兩個為高電平“1”，輸出就為低電平“0”，故為或非門電路。圖3.3.1-4光電耦合器在門電路中的應(yīng)用第十四頁，共85頁。3．起隔離作用

圖3.3.1-5用邏輯電路的信號來觸發(fā)可控硅SCR（是一種很普通的單向低壓控制高壓的器件，可以將其用于光觸發(fā)的形式），可控硅的負載為電感性的開關(guān)電路，采用光電耦合器后，負載所產(chǎn)生的尖峰噪聲不會反饋到邏輯電路。圖3.3.1-5光電隔離作用光電耦合器的應(yīng)用主要體現(xiàn)在電信號的隔離一種是同一設(shè)備內(nèi)的高低壓隔離，另外一種就是兩種不同設(shè)備的電信號傳遞往往都會設(shè)計成隔離:A、設(shè)備內(nèi)高低壓隔離

B、兩個設(shè)備之間為避免有電聯(lián)系問題：為什么要隔離？第十五頁，共85頁。

光電耦合器是近年來發(fā)展起來的新型器件，應(yīng)用范圍和生產(chǎn)量正在急劇增加。由于它具有獨特的優(yōu)點，可組成各種各樣的電路，因而可應(yīng)用在測量儀器、精密儀器、工業(yè)和醫(yī)用電子儀器．自動控制、遙控和遙測、各種通信裝置、計算機系統(tǒng)及農(nóng)業(yè)電子設(shè)備等廣闊領(lǐng)域。第十六頁，共85頁。在開關(guān)電路中的應(yīng)用+VbR+a-bK輸入TK+a-b輸入RT+Vb常閉電路常開電路第十七頁，共85頁。R2J~+EcJSCR+Ec報警裝置

發(fā)光器件發(fā)出的光照射在光敏三極管上，三極管飽和導通，從而使可控硅SCR出于截止狀態(tài)。在有物體通過光路時將會折斷光線，從而使光敏三極管截止，可控硅SCR被觸發(fā)導通，繼電器J吸合，接通音響報警。按下復(fù)位按鈕AN可解除報警。第十八頁，共85頁。應(yīng)用：過壓保護電路過壓保護電路是利用光電耦合器的通斷與否進行控制。電壓正常時，光電耦合器幾乎無輸出，VT管被反偏而截止。當某種原因使電路電壓升高時（零線斷線或零線錯接成相線等），取樣電路次級電壓隨之升高，光電耦合器滿足工作條件。光耦輸出電流增大，使VT管偏置電壓升高并飽和導通，執(zhí)行機構(gòu)繼電器動作吸合，切斷電源進而達到保護電器的目的。若故障消除，電壓隨之正常，該電路立即退出工作，恢復(fù)電路供電。

第十九頁，共85頁。補充：

可控硅（晶閘管）在自動控制，機電領(lǐng)域，工業(yè)電氣及家電等方面都有廣泛的應(yīng)用?？煽毓枋且环N有源開關(guān)元件，平時它保持在非導通狀態(tài)，直到由一個較少的控制信號對其觸發(fā)或稱“點火”使其導通，一旦被點火就算撤離觸發(fā)信號它也保持導通狀態(tài)，要使其截止，可在其陽極與陰極間加上反向電壓或?qū)⒘鬟^可控硅二極管的電流減少到某一個值以下。SCR（SiliconControlledRectifier）可控硅整流器第二十頁，共85頁。補充：可控硅是P1N1P2N2四層三端結(jié)構(gòu)元件，共有三個PN結(jié)，分析原理時，可以把它看作由一個PNP管和一個NPN管所組成，其等效圖解如圖所示?？煽毓璧刃D解圖IC1IB1AGK電路符號當陽極加正向電壓時，一旦有足夠的門極電流流入，就形成強烈的正反饋：Ig↑→Ib2↑→Ic2(=2Ib2)↑=Ib1↑→Ic1(=1Ib1)↑第二十一頁，共85頁。第二十二頁，共85頁。

可控硅二極管可用兩個不同極性（P-N-P和N-P-N）晶體管來模擬，如圖G1所示。當可控硅的柵極懸空時，BG1和BG2都處于截止狀態(tài)，此時電路基本上沒有電流流過負載電阻RL，當柵極輸入一個正脈沖電壓時，BG2導通，使BG1的基極電位下降，BG1因此開始導通，BG1的導通使得BG2的基極電位進一步升高，BG1的基極電位進一步下降，經(jīng)過這一個正反饋過程使BG1和BG2進入飽和導通狀態(tài)。補充：問題：觀察可控硅的電流流向特性。第二十三頁，共85頁。電路從截止狀態(tài)進入導通狀態(tài)后，這時柵極就算沒有觸發(fā)脈沖電路，由于正反饋的作用將保持導通狀態(tài)不變——可控硅一旦觸發(fā)后，門極對它將失去控制作用。如果此時在陽極和陰極加上反向電壓，由于BG1和BG2均處于反向偏置狀態(tài)，所以電路很快截止，另外如果加大負載電阻RL的阻值使電路電流減少，BG1和BG2的基極電流也將減少，當減少到某一個值時由于電路的正反饋作用，電路將很快從導通狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為截止狀態(tài)，我們稱這個電流為維持電流。在實際應(yīng)用中，我們可通過一個開關(guān)來短路可控硅的陽極和陰極，從而達到可控硅的關(guān)斷。補充：第二十四頁，共85頁。可控硅的特性：①具有單向?qū)щ娦?，電流只能從陽極流向陰極;②具有正向?qū)ǖ目煽靥匦?正向?qū)▋蓚€條件：（1）陽極加上正向電壓；（2）門極和陰極之間加上一定的正向門極電壓Ug。(稱為觸發(fā))③可控硅一旦觸發(fā)后，門極對它將失去控制作用；④使導通的可控硅阻斷：降低陽極電壓或減小陽極電流Ia。第二十五頁，共85頁。

光控可控硅元件又稱作光激可控硅或光控硅晶閘管。特點是在控制極區(qū)以光觸發(fā)代替電觸發(fā)。

光敏二極管、光敏三極管的輸出電流小，在實際的應(yīng)用中往往需要附加放大、整形、輸出等電路；而光控可控硅元件輸出電流可達安培級，并且電流大小不隨光強變化而變化。因此光控可控硅已作為自動控制元件而廣泛應(yīng)用于光繼電器，自控、隔離輸入開關(guān)，光計數(shù)器，紅外探測器，光報警器等方面。光控可控硅元件第二十六頁，共85頁。

可控硅整流器（SCR），是一種很普通的單向低壓控制高壓的器件，可將其用于光觸發(fā)的形式。雙向可控硅是一種很普通的由可控硅整流器即SCR發(fā)展改進的器件，它不僅能代替兩只反極性并聯(lián)的可控硅，而且僅需一個觸發(fā)電路，是比較理想的交流開關(guān)器件。它也可用于光觸發(fā)形式。將一只SCR和一只LED密封在一個封裝中，就可以構(gòu)成一只光耦合的SCR；而將一只雙向可控硅和一只LED密封在一個封裝中就可以制成一只光耦合的雙向可控硅。

圖3.3.1-6和圖3.3.1-7示出它們的典型外形（它們通常被密封在一只六引腳的雙列直插式的封裝中）。五、光電耦合雙向可控硅圖3.3.1-6圖3.3.1-7

典型的光耦合SCR典型的光耦合雙向可控硅第二十七頁，共85頁。硅雙向開關(guān)SBS（SiliconBidirectionalSwitch）也叫雙向觸發(fā)晶體管。它相當于把兩只硅單向開關(guān)反極性并聯(lián)，等效電路及符號如圖所示。硅雙向開關(guān)的正向特性及用途與硅單向開關(guān)相同，而正、反向轉(zhuǎn)折電壓的對稱性又與雙向觸發(fā)二極管相近，區(qū)別只是對稱性更好。補充：T1T2G第二十八頁，共85頁。1.雙向可控硅特性曲線2．雙向可控硅的觸發(fā)方式

工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1＋和1－，工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3＋和3－。

1＋：T1對T2加正電壓，G對T2加正電壓；

1－：T1對T2加正電壓，G對T2加負電壓；

3＋：T1對T2加負電壓，G對T2加正電壓；

3－：T1對T2加負電壓，G對T2加負電壓；四種觸發(fā)方式（應(yīng)用時一般采用第一和第三象限的組合）圖4.2.1-6雙向可控硅特性曲線補充：T1T2G第二十九頁，共85頁。

雙向可控硅觸發(fā)電路舉例

雙向可控硅應(yīng)用電路補充：第三十頁，共85頁。

用光電耦合雙向可控硅去控制另一個大功率雙向可控硅，可達到控制大功率負載的目的。圖3.3.1-8是用光電耦合雙向可控硅控制小功率燈泡的電路圖，而圖3.3.1-9是光電耦合雙向可控硅控制大功率負載的電路圖。圖3.3.1-8小功率燈泡的控制圖3.3.1-9光耦可控硅實現(xiàn)大功率控制第三十一頁，共85頁。采用雙向晶閘管的氣體、煙霧報警電路在出現(xiàn)可燃性氣體時，氣體傳感器TGS308的電導增加，通過電位器RP1滑動點取出電壓，其值從3V有效值增加到20V。此升高的電壓經(jīng)二極管和4.7k電阻加至VT1使之導通，進而使雙向晶閘管2N6070A導通。由此全波交流電壓驅(qū)動交流報警器H產(chǎn)生高達90dB的聲音，實現(xiàn)報警。當氣體從傳感器消失后，電路恢復(fù)到原始狀態(tài)，報警自動停止。H為Deltal6003168型24V交流報警器。第三十二頁，共85頁。氣體傳感器是一種將某種氣體體積分數(shù)轉(zhuǎn)化成對應(yīng)電信號的轉(zhuǎn)換器。問題：如何降低靈敏度？第三十三頁，共85頁。1氣敏電阻氣敏電阻是一種半導體敏感器件，它是利用氣體的吸附而使半導體本身的電導率發(fā)生變化這一機理來進行檢測的。人們發(fā)現(xiàn)某些氧化物半導體材料如SnO2、ZnO、Fe2O3、MgO、NiO、BaTiO3等都具有氣敏效應(yīng)。

在現(xiàn)代社會的生產(chǎn)和生活中，人們往往會接觸到各種各樣的氣體，需要對它們進行檢測和控制。比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制；煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警；環(huán)境污染情況的監(jiān)測；煤氣泄漏：火災(zāi)報警；燃燒情況的檢測與控制等等。氣敏電阻傳感器就是一種將檢測到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號的傳感器。第三十四頁，共85頁。2、熱敏電阻熱敏電阻熱敏電阻是用金屬氧化物或半導體材料作為電阻體的溫敏元件。有三種基本類型：正溫度系數(shù)，PTC負溫度系數(shù)，NTC臨界溫度系數(shù)CTC特點：溫度系數(shù)大、靈敏度高電阻值大、引線電阻可忽略體積小，熱響應(yīng)快，廉價互換性差、測溫范圍窄在汽車、家電領(lǐng)域得到大量應(yīng)用第三十五頁，共85頁。第三十六頁，共85頁。

編碼器一般都是用來定位?？梢允侵本€定位，也可以是圓周定位。特別是在伺服系統(tǒng)里面，編碼器是必不可少的。另外，編碼器也可以用來檢測電機是不是按照系統(tǒng)設(shè)定的方向、速度在運行，起到一個監(jiān)控的作用。例如：汽車轉(zhuǎn)速的測量？

光電編碼器，是一種通過光電轉(zhuǎn)換將輸出軸上的機械幾何位移量轉(zhuǎn)換成脈沖或數(shù)字量的傳感器。不管是用來檢測速度還是位置，都是為了實現(xiàn)精確控制?！?.3.2光電編碼器第三十七頁，共85頁。光電編碼器是由光柵盤和光電檢測裝置組成。光柵盤是在一定直徑的圓板上等分地開通若干個長方形孔。由于光電碼盤與電動機同軸，電動機旋轉(zhuǎn)時，光柵盤與電動機同速旋轉(zhuǎn)，經(jīng)發(fā)光二極管等電子元件組成的檢測裝置檢測輸出若干脈沖信號，其原理示意圖如圖1所示；通過計算每秒光電編碼器輸出脈沖的個數(shù)就能反映當前電動機的轉(zhuǎn)速。此外，為判斷旋轉(zhuǎn)方向，碼盤還可提供相位相差90o的兩路脈沖信號。第三十八頁，共85頁。光電編碼器能將角位移或線位移信息經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換變成數(shù)字量，具有分辨率高，可靠性好，抗干擾能力強，應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點。光電編碼器可分為增量式編碼器和絕對式編碼器。增量式編碼器的原理是光柵的莫爾條紋。形成莫爾條紋必須由兩塊柵距相等的光柵組成。一、增量式編碼器1．原理圖3.3.2-1直線光柵的莫爾條紋第三十九頁，共85頁。

莫爾條紋是18世紀法國研究人員莫爾先生首先發(fā)現(xiàn)的一種光學現(xiàn)象。從技術(shù)角度上講，莫爾條紋是兩條線或兩個物體之間以恒定的角度和頻率發(fā)生干涉的視覺結(jié)果，當人眼無法分辨這兩條線或兩個物體時，只能看到干涉的花紋，這種光學現(xiàn)象就是莫爾條紋。第四十頁，共85頁。光柵線間距0.01～0.1mm由圖3.3.2-1的幾何關(guān)系可得光柵柵距（線紋間距）w、莫爾條紋寬度B和兩光柵線紋間的夾角θ之間的關(guān)系為θ很小時，由于θ角是很小的數(shù)，因而1/θ是一個較大的數(shù)，這樣測量莫爾條紋的寬度就比測量光柵線紋寬度容易的多，故莫爾條紋具有放大作用。第四十一頁，共85頁。B當兩塊光柵相對移動時，莫爾條紋在垂直方向做相應(yīng)的移動，條紋移動數(shù)等于移動光柵刻線數(shù)，這樣只要檢測出莫爾條紋的移動數(shù)N，就可計算出光柵的相對移動距離（N乘以光柵柵距）。實質(zhì)上是一種小量轉(zhuǎn)化為大量。第四十二頁，共85頁。徑向圓光柵的莫爾條紋圓光柵的柵線數(shù)一般在整圓內(nèi)刻劃5400～64800條線。如圓光柵刻線為21600根，當光柵盤轉(zhuǎn)動1分的角度，莫爾條紋就變化一個周期。因此，只要測出莫爾條紋的變化周期數(shù)，就可計算出光柵軸的轉(zhuǎn)動角度，這就是增量式編碼器的工作原理。第四十三頁，共85頁。2．結(jié)構(gòu)光源一般采用近紅外發(fā)光二極管，此類LED動態(tài)響應(yīng)快，使用壽命長，發(fā)光峰值波長為0.94μm，與所使用的光電信息轉(zhuǎn)換器件峰值波長相近，外形尺寸為直徑2mm，長度5mm，和環(huán)氧樹脂透鏡封裝在一起。主光柵盤安裝在轉(zhuǎn)動軸上，與被測軸連接作同步轉(zhuǎn)動，指示光柵一般不使用整塊光柵盤，而是使用光柵的一角，但柵距與主光柵相同。2）光柵盤3）光電信息轉(zhuǎn)換器件4）機械結(jié)構(gòu)光電信息轉(zhuǎn)換器件，也叫光電接收器，一般使用光敏二極管或光敏三極管，與LED的峰值波長匹配。實用上一般使用一對光電接收器，放置間距調(diào)整到莫爾條紋間距的四分之一，這樣兩光電接收器輸出的信號相位差正好是900。安裝光柵盤的轉(zhuǎn)軸通過滾珠軸承與機械外殼連接，外殼由金屬封閉，以防電磁場的干擾，實際應(yīng)用時固定編碼器外殼，轉(zhuǎn)動軸與被測軸連接即可。1）光源第四十四頁，共85頁。3．增量式編碼器的應(yīng)用1）精確測量角度和角位移；2）精確測量轉(zhuǎn)速；3）測量線速度，由測量轉(zhuǎn)速間接求得；4）測量線性位移，由測量角位移間接求得。第四十五頁，共85頁。

當輸入電壓uI

變化使u+=u-=uI

時，輸出端的狀態(tài)發(fā)生跳變。施密特比較器——遲滯（滯回）比較器D1D2+-AuIuoR3(a)電路圖UREFRR2R1UOHUIHUOLUILuouI0(b)傳輸特性附第四十六頁，共85頁。兩個門限電壓：上門限電壓UIH

和下門限電壓UIL

，兩者的差值稱為門限寬度假設(shè)比較器輸出高電平UOH

，則UOH

和UR

共同加到同相輸入端的合成電壓為

U+1就是比較器的上門限電壓，即UIH=U+1

。當比較器輸出為低電平UOL時，按同樣的分析求得加到同相輸入端的合成電壓為附第四十七頁，共85頁。

U+2就是比較器的下門限電壓，即UIL=U+2

。相應(yīng)的遲滯寬度為

利用遲滯特性可以有效地克服噪聲和干擾的影響。如圖1.3.3-5所示。采用遲滯比較器，只要噪聲和干擾的大小處在遲滯寬度內(nèi)，就不會引起錯誤的階躍。附第四十八頁，共85頁。圖1.3.3-5過零檢測器中的錯誤階躍附用施密特觸發(fā)器實現(xiàn)波形變換第四十九頁，共85頁。附RS觸發(fā)器真值表第五十頁，共85頁。指示光柵安裝在運動部件上，主光柵與指示光柵的夾角最大應(yīng)為多少度。思考并設(shè)計，手頭上有40線/mm的透射式光柵若干，可分辨2.5mm間隔的光敏元件若干，及相關(guān)配套電子設(shè)備，試設(shè)計一編碼器。畫出光路原理圖。θ=0.0025rad畫出光電測量系統(tǒng)簡圖計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件尺寸的4倍，否則光敏元件無法分辨光強的變化。第五十一頁，共85頁。對25線/mm的長光柵而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。

計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。

莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（也就是移過了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100×x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號計數(shù)，就可知道移動的實際距離了。第五十二頁，共85頁。

代表性產(chǎn)品：

德國Heidenhain（海德漢光柵尺）：價格：5700

元(人民幣)

封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開放式：量程1440mm，分辨力0.01m開放式：量程270mm

分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）：量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國長春光機所：量程：1000mm分辨力：0.01m增量式編碼器第五十三頁，共85頁。二、絕對式編碼器1．原理2．二進制編碼方式將碼盤加工成數(shù)個碼道，每個碼道有黑白分明的碼字組成，外層碼道代表二進制的最低位，最里面的碼道代表二進制的最高位，碼字的排列按二進制規(guī)律進行，圖3.3.2-4是由五個碼道組成的5位二進制碼盤，圖3.3.2-5是編碼表及展開圖。將光學碼盤進行絕對式編碼，用透光和不透光表示二進制代碼的“1”和“0”，編碼方式按二進制碼或循環(huán)碼等規(guī)律進行。第五十四頁，共85頁。十進制二進制編碼表碼道展開0123456789101112131415161718192021222324252627282930310000000001000100001100100001010011000111010000100101010010110110001101011100111110000100011001010011101001010110110101111100011001110101101111100111011111011111■■■■■■■■■□■■■□■■■■□□■■□■■■■□■□■■□□■■■□□□■□■■■■□■■□■□■□■■□■□□■□□■■■□□■□■□□□■■□□□□□■■■■□■■■□□■■□■□■■□□□■□■■□■□■□□■□□■□■□□□□□■■■□□■■□□□■□■□□■□□□□□■■□□□■□□□□□■□□□□□圖3.3.2-5編碼表及展開圖第五十五頁，共85頁。二進制碼盤的碼道數(shù)n和碼道編碼容量M之間關(guān)系為：

M＝2n角度分辨率γ與碼道數(shù)n間的關(guān)系為

γ＝360o/M＝360o/2n對應(yīng)于五個碼道，γ＝360/M＝360/25＝11.25o對于21個碼道，γ＝0.68”。第五十六頁，共85頁。3．循環(huán)碼編碼方式循環(huán)碼編碼的形式有格雷碼，周期碼，反射碼等。循環(huán)碼盤的特點:(1)相鄰的兩組數(shù)碼之間只有一位是變化的。圖3.3.2-6是一種典型的格雷碼圖案，有五個碼道構(gòu)成。第五十七頁，共85頁。十進制循環(huán)碼編碼表碼道展開0123456789101112131415161718192021222324252627282930310000000001000110001000110001110010100100011000110101111011100101001011010010100011000110011101111010111101111111101111001010010101101111011010010100111000110000■■■■■■■■■□■■■□□■■■□■■■□□■■■□□□■■□■□■■□■■■□□■■■□□■□■□□□□■□□□■■□■□■■□■□□■□■■□■□■■■□□■■■□□■■□□□■□□□□■□■□□□□■□□□□□□□□■□□□□■■□■□■■□■□■□□■□□□□■□□■□■■□■□■■□□□■■■□□■■■■圖3.3.2-7格雷碼的編碼表及展開圖圖3.3.2-6典型的格雷碼圖案第五十八頁，共85頁。(2)最外層的碼字寬比二進制的大一倍。(3)沒有固定的權(quán)，故很難閱讀和計算，實際應(yīng)用時需將循環(huán)碼轉(zhuǎn)換成二進制碼。從表3.3.2-1可以看出，高位二種碼的取值相同，用C表示二進制，R表示循環(huán)碼，i表示碼道數(shù)，i＝1，代表最里層（高位）的碼道。十進制二進制循環(huán)制DC4321R4321012345678910111213141500000001001000110100010101100111100010011010101111001101111011110000000100110010011001110101010011001101111111101010101110011000表3.3.2-1第五十九頁，共85頁。4．絕對式編碼器的結(jié)構(gòu)

絕對式編碼器由光源、碼盤、光電信息轉(zhuǎn)換器件、電路和機械結(jié)構(gòu)組成。在基體上形成透明和不透明碼區(qū)的循環(huán)碼盤，其制成方法是利用一個精密設(shè)計制造的母碼盤，通過光刻方法復(fù)制生產(chǎn)出使用的碼盤，碼盤的制造精度直接影響編碼器的輸出精度。

第六十頁，共85頁。*光學碼盤的工作原理

光源1發(fā)出的光束經(jīng)柱面透鏡2聚光成狹長的強光束后，通過每一碼道的透光和不透光部分，使光電接收器4輸出透光為“1”而不透光為“0”的二進制代碼輸出信號，實現(xiàn)角度的數(shù)字編碼，通過適當?shù)淖g碼電路和計數(shù)電路，進行軸角的數(shù)字測量與顯示。31241-光源2-柱面透鏡3-碼道4-光電接收器

第六十一頁，共85頁。R1R2R3R4C1C2C3C4……圖3.3.2-8譯碼電路第六十二頁，共85頁。第六十三頁，共85頁。實物展開結(jié)構(gòu)圖第六十四頁，共85頁。5．絕對式編碼器的特點1）能反映被測值（角度，位移等）的絕對值，也能測出變化量的相對值（讀出初始值和終值）。2）如測量值大于360度，則需要用二個碼盤，由齒輪精確傳動，使大碼盤轉(zhuǎn)一周，小碼盤轉(zhuǎn)一個單位（1位）。這樣，只要讀出大碼盤和小碼盤的值，就可測出較大的角度范圍。3）抗干擾特強，測量精度高，適合生產(chǎn)第一線使用。4）碼盤的碼道數(shù)增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造價昂貴。碼道寬度由光電接收器的幾何參數(shù)和物理特性決定。第六十五頁，共85頁。光纖陀螺是近十多年發(fā)展起來的一種組合光電器件，它可以滿足動載器從智能式制導導航與控制系統(tǒng)發(fā)展為分布式制導/導航和控制系統(tǒng)的要求，目前光纖陀螺正進一步從軍用向軍民兩用方向發(fā)展?！?.3.3光纖陀螺光纖陀螺是屬于慣性技術(shù)范疇的一種慣性儀表，光纖陀螺也是光電子技術(shù)范疇的一種光傳感器，光纖陀螺是慣性技術(shù)與光電子技術(shù)緊密結(jié)合的產(chǎn)物。

精度可達到0.00001度/小時。GS1810-120光纖陀螺儀

問題：如何導航及導航的重要性？第六十六頁，共85頁。

1911年Sagnac發(fā)明了一種可以旋轉(zhuǎn)的環(huán)形干涉儀。將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們在同一個環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會合，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉。這就是Sagnac效應(yīng)。當轉(zhuǎn)動整個儀器時，干涉條紋會產(chǎn)生移動。儀器測到的是相對于慣性系的絕對旋轉(zhuǎn)。一、Sagnac效應(yīng)ω第六十七頁，共85頁。

Sagnac效應(yīng)是指在任意幾何形狀的閉合光路中，從某一觀察點發(fā)出的一對光波沿相反方向運行一周后又回到該觀察點時，這對光波的相位（或它們經(jīng)歷的光程）將由于該閉合環(huán)形光路相對于慣性空間的旋轉(zhuǎn)而不同，其相位差（光程差）的大小與閉合光路的轉(zhuǎn)速速率成正比。

Sagnac效應(yīng)現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用，精度最高的這樣的儀器可以達到的精度是0.00001度/小時。第六十八頁，共85頁。二、光纖陀螺光纖陀螺是基于Sagnac效應(yīng)，用光纖構(gòu)成環(huán)狀光路，組成光纖Sagnac干涉儀。如圖3.3.3－1所示，來自光源的光束被分束器BS分成兩束光，分別從光纖圈的兩端藕合進光纖敏感線圈，沿順、逆時針方向傳播。從光纖圈兩端出來的兩束光，再經(jīng)過合束器BS而疊加產(chǎn)生干涉。當光纖圈處于靜止狀態(tài)時，從光纖圈兩端出來的兩束光，光程差為零。當光纖圈以角速率Ω旋轉(zhuǎn)時由于Sagnac效應(yīng)，順、逆時針方向傳播的兩束光產(chǎn)生光程差L可表示為：圖3.3.3-1光纖陀螺原理圖GS1810-120光纖陀螺儀

第六十九頁，共85頁。式中CW—