热释电PPT课件.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,1,5,光敏三极管,一、原理与结构,光敏三极管与普通的晶体三极管类似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不受基极电流控制，而是受光通量的控制。所以，光敏三极管的外形由光窗、集电极和发射极的引出脚等组成，制作材料多为半导体硅。,光敏三极管的原理结构如图,(a),所示。正常运行时，集电极为反偏置，发射极为正偏置。集电极为光电结，集电极产生的光电流 向基区注入，同时在集电极产生一个被放大的电流 。,显然,为三极管的电流放大倍数。,1,光敏三极管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的数十倍，故输出电流要比光敏二极管大得多，一般为,毫安级。,但其他特性不如光敏二极管好，在较强的光照下，光电流与照度不成线性关系。频率特性和温度特性也变差，故光敏三极管多用作光电开关或光电逻辑元件。,光敏三极管的电流放大作用可从图,(c),说明，它与普通三极管在偏流电路中接一个光敏三极管的作用是完全相同的，只是用由,替代了 。,光敏三极管的输出电路如图,(a),所示，基本上与光敏二极管输出电路相同，输出电压的计算也同光敏二极管相同，只是灵敏度,S,要比光敏二极管的灵敏度大些。,注意，光敏三极管的输出脚同光敏二极管相同，是二只而不是三只。,2,二、光电达林顿管,为了得到更高的灵敏度和更大的输出电流，把光敏三极管和普通三极管按达林顿联接,方法接在一起，封装在一个管壳内，称为,光电达林顿管,，如图所示。,将场效应管的栅级与沟道之间的,PN,结做成光电结，当有光照时，,PN,结产生光电流 ，相当于场效应管的 ，去控制 ，从而达到光通量控制场效应管输出电流的目的。,光电,场效应管,的电路图如所示。,三、光电场效应管,3,一、热释电效应,3,1,6,热释电,在某些电解质晶体中，不加外电场就存在电极化现象，且具有一定的极化强度，这种极化强度称为,自发极化强度,，,Ps,为自发极化强度方向,。具有自发极化的晶体，由于在晶体发生温度变化时，就会产生热释电效应，因而称为,热释电晶体。,为晶体面积，,是与晶体材料有关的常数。若在两电极间接上负载,Z,，则负载,中就有热释电电流通过，其大小为：,如果热释电晶体中的,Ps,按同一方向排列，则沿垂直于,Ps,方向将晶体切成薄片，并在两表面淀积金属电极时，随着薄片温度的变化，两电极间就会出现一个与温度变化速率成正比的电压 。,为热释电系数。,只与热释电材料的温度变化率有关，与温度本身无关。,适用于对人体和运动目标的检测与跟踪，对温度变化率进行测量，对静物，需要对入射辐射进行调制后才能检测，调制频率一般不高于,100Hz,。,4,二、热释电的构成及特性,由于热释电的输出阻抗很高，可达,10,以上，其输出电压信号又非常微弱，故需要进,行阻抗变换和信号放大。,热释电外形如图,l,所示其内部结构如图,2,所示。实用的热释电由敏感元件、场效应管、高阻电阻、滤光片等组成，并向壳内充入氮气封装起来。敏感元件用红外热释电材料制成很小的薄片，再在薄片两面镀上电极。热释电材料以压电陶瓷和陶瓷氧化物最多，钽酸锂,(LiTa03),，硫酸三甘肽,(LATGS),及钛锆酸铅,(PZT),制成的热释电目前用得极广，近年来开发的具有热释电性能的高分子薄膜聚偏二氟乙烯,(PVF2),，也已用于红外成像器件和火灾报警器。,5,热释电输出电路如图所示,场效应管,FET,用来构成源极跟随器，高阻值,Rg,的作用是释放栅级电荷，使场效应管安全正常工作，,FET,和,Rg,一般与热放栅级电荷，使场效应管安全正常工作，,FET,和,Rg,一般与热释电做成一体，是负载电阻，需外接。为输出电压，后接放大器。,一般热释电在,0,2,20,m,光谱范围内的灵敏度是非常平坦的，由于不同检测需要，采用不同材料的滤光片作为窗口，如用于人体探测和防盗报警的热释电，由于人体辐射在,9.4,m,处最强，故红外滤光片选取,7.5,14,m,波段。,6,二、菲涅尔透镜,视场角度范围如图所示。当辐射物在菲涅尔透镜的视场范围内运动时，依次地进入某一单元透镜的视场，又离开这一视场，热释电对运动的辐射一会儿敏感，一会儿又不敏感，这样不断重复，于是运动的辐射不断的改变热释电表面的温度，热释电输出一个又一个对应的信号。不加菲涅尔透镜时，热释电的探测距离为,2,米左右，加上菲涅尔透镜后，探测距离可达,10,米以上。,使用热释电信息转换器件时，一般前面需安装菲涅尔透镜，外来移动的辐射能量通过菲涅尔透镜断续的聚光于热释电上，使热释电输出相应的电信号。同时，,菲涅尔透镜也能增加热释电的探测距离。,每个透镜都有一个不大的视场，而相邻两个透镜的视场不连续，也不重叠，彼此相隔一个微小的盲区。,一种典型的菲涅尔透镜外形如图所示。,7,8,四、热释电的应用,1,热释电防盗报警器,热释电信息转换器件,应用：,防盗报警和安全报警装置,(,防止人们误人危险区,),、自动门、自动照明装置、火灾报警等。,热释电防盗报警器的电路框图如图,电子线路图如图所示,检测放大电路：检测放大电路由热释电信息转换器及滤波放大器,A1,、,A2,等组成。,为热释电的负载,(RL),。来自热释电的信号经 耦合到,A1,上。运放,A1,组成第一级滤波放大电路，它是一个低频放大倍数约为,AFl,R6,R4,27,的低通滤波器，其截止频率为,9,A2,也是一个低通放大器，其低频放大倍数约为,截止频率为,经过两级放大后，,0.2Hz,左右的信号被放大到,4000,倍以上。,图中，为退耦电路；为偏置电路。经 放大的信号经过 电容耦合后输入 放大器,。,在静态时输出约为,4,5V(DC),；为退耦电容。,10,比较器电路：,调节 ，使比较器同相端电压在,2,5,4V左右变化。在无报警信号输入时，比较器反相端电压大于同相端，比较器输出为低电平。当有人入侵时，比较器翻转输出为高电平，,LED,亮，当人体运动时，则输出一串脉冲。,驱动电路：、,555I,和 组成驱动电路。当,A,端输入一个脉冲时，将 少量充电，若没有再来脉冲，则 将通过 放电；若有人在报警区内移动，则会产生一系列脉冲，使 不断充电，当达到一定电压时，使 导通而输出低电平。这个低电平输入到由,555I,组成的单稳态电路的,2,脚，使,555I,触发，,3,脚输出高电平，从而使,VT2,导通，使继电器吸合，从而控制报警器。单稳态的暂态时间由 及 决定，调节 可改变报警的时间。,11,延时电路：,555,组成上电延时电路。当接通电源的瞬间，,555,的,2,、,6,脚处于高电平,(,来不及充电,),，其,3,脚输出为低电平，,3,脚与,555I,的,4,脚相连，所以刚通电瞬间，,555I,的,4,脚为低电平，单稳态电路不能工作，即上电时不会报警。延时的时间取决于 及 。在这一段延时时间内，若有人在报警区内移动也不能报警，防止自己人没走开就报警。延时结束后。,555,的,3,脚为高电平，,555I,即能正常工作，从而使整个系统工作在监视状态。,报警,时间,报警器的,灵敏度,12,2,自动门控制电路,电路中的,I,、,部分与,(a),相同，当有人走近门时，比较器,A3,输出一串脉冲。,I,部分的传感器分别安装在门的里、外两边，使人无论进门或出门，门都能自动开关。,二极管组成一个或门，无论,I,、,哪一个有信号输出或两者都有信号，都会使三极管,VT,导通，,VT,输出低电平，此低电平触发集成块,555,的单稳态电路，使其,3,脚输出为高电平，继电器吸合，驱动门电机旋转，使门打开。暂态时间由 、决定，暂态结束后,3,脚为低电平，继电器释放，使驱动电机反转，门自动关上。,13,五、热电成象器件,目前，热释电也可制成探测器阵列，已有,320X240,像敏元的热释电热成象系统上市，主要用于红外摄像机。,另一类热电探测器是碲镉汞,(CMT),器件，这也是一种热成象器件，可以单元使用，也可以线阵或面阵使用，具有极高的灵敏度，已成功的应用在我国风云一号和风云二号卫星上。,但碲镉汞,(CMT),器件使用时一定要制冷，一般采用半导体制冷。,14,3,2,1,位置传感器,(PSD),光电位置敏感器件,PSD(Position Sensitive Detector),是一种对其感光面上入射光点位置敏感的光电器件。,即当入射光点落在器件感光面的不同位置时，,PSD,将对应输出不同的电信号。通过对此输出电信号的处理，即可确定入射光点在,PSD,的位置。入射光点强度和尺寸大小对,PSD,的位置输出信号均无关。,PSD,的位置输出只与入射光点的,“,重心,”,位置有关。,PSD,可分为一维,PSD,和二维,PSD,。一维,PSD,可以测定光点的一维位置坐标，二维,PSD,可测光点的平面位置坐标。由于,PSD,是分割型元件，对光斑的形状无严格的要求，光敏面上无象限分隔线，所以对光斑位置可进行连续测量从而获得连续的坐标信号,3,2,光电信息转换集成器件,15,1,一维,PSD,实用的一维,PSD,为,PIN,三层结构，其截面如图所示。表面,P,层为感光面，两边各有一信号输出电极。底层的公共电极是用来加反偏电压的。当入射光点照射到,PSD,光敏面上某一点时，假设产生的总的光生电流为 。,而 和 的分流关系取决于入射光点位置到两个信号电极间的等效电阻 和 。如果,PSD,表面层的电阻是均匀的，则,PSD,的等效电路为图,(b),所示的电路。由于 很大，而 很小，故等效电路可简化成图,(c),的形式，其中 和 的值取决于入射光点的位置。,由于在入射光点到信号电极间存在横向电势，若在两个信号电极上接上负载电阻，光电流将分别流向两个信号电极，从而从信号电极上分别得到光电流 和 。,显然，和 之和等于光生电流,16,两个信号电极输出光电流之比为入射光点到该电极间距离之比倒数,L,为,PSD,中点到信号电极的距离，,x,为入射光点距,PSD,中点的距离,假设负载电阻 阻值相对于 和 可以忽略，则：,将 ,+,与上式联立得：,17,从以上两式可以看出，当入射光点位置固定时，,PSD,的单个电极输出电流与入射光强度成正比。而当入射光强度不变时，单个电极的输出电流与入射光点距,PSD,中心的距离,x,呈线性关系。若将两个信号电极的输出电流作如下处理：,得到的结果只与光点的位置坐标,x,有关，而与入射光强度无关，此时,PSD,就成为仅对入射光点位置敏感的器件。称为一维,PSD,的位置输出信号。其基本检测和处理电路如图。,18,2,二维,PSD,如图所示，二维,PSD,有两种形式。一种是单面型的，如图,(a),所示，在受光面上设有两对电极，,A,、,B,。为,x,轴电极，正为,另一种是双面型的如图,(b),所示，正面与背面之间是一个,PN,结，正反面都是均匀的电阻层。,x,轴电极,A,B,安在正面的受光面上，,y,轴电极,C,、,D,垂直与,x,轴安在背面。光点产生的光电流分为正面与背面两部分。对于这种结构，反偏压是加在正面电极与背面电极之间,(,信号电极与,偏置电极不独立,),。,设 分别为电极,A,D,的光电流，代人上式即可求得光点能量中心的位置。,背面衬底共用电极，用它可对正面各电极进行反偏置。设,为电极,A,D,的光电流，则光点能量中心的位置坐标为,19,3,2,2,电荷耦合器,(CCD),CCD:,有结构简单，集成度高，制造工序少，功耗低，信噪比好优点用途,:,工业检测、电视摄像,CCD,的种类：,线阵和面阵,CCD,是半导体集成器件，它由,MOS,光敏元、移位寄存器、电荷转移栅等部分组成。,相邻两光敏元的中心距在,13,16m,范围内。,CCD,的工作原理：,（,1,）,把光信息转换成电脉冲信号,（,2,）,每个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，,（,3,）,脉冲幅度的高低反映该光敏元受光照的强弱，,（,4,）,输出脉冲的顺序反映光敏元的位置，起到了图像传感的作用,20,一、,MOS,光敏元的工作原理,MOS,结构，一般都以硅作为半导体衬底，在其上热生长一层二氧化硅,(Si02),，并光,线在二氧化硅上面淀积具有一定形状的金属层。因为它是由金属,(M),一氧化物,(O),一半导体,(S),三层所组成，故称,MOS,结构。,衬底可以是,P,型或,N,型半导体（以,P,型为例）。当在金属电极上加正电压,U,时，在电场作用下，电极下,P,型区域里的多数载流子空穴被排斥、驱赶，形成一个,“,耗尽区,”,。但对少数载流子电子，电场则吸引它到电极下的耗尽区。,耗尽区对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，术称,“,势阱,”,。如果此时有光线从背面或正面入射到半导体硅片上,(,图中采用背面入射,),，在光子的作用下，半导体硅产生电子一空穴对，由此产生的光生电子被附近的势阱所收集，而空穴则被电场排斥出耗尽区。此时，势阱内吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这,中,MOS,结构单元称光敏单元或像素；而把一个势阱所收集的若干个光生电荷称为一个电荷包。,（,像素,）,M,21,二、移位寄存器,移位寄存器也由金属电极、氧化物介质及半导体三部分组成，也是,MOS,结构，它与上述,MOS,光敏单元的区别是不能使它受光照射，应防止外来光线的干扰。,在二氧化硅表面排列多个金属极 ；,；,等，每三个电极如组成一个传输单元，在三个电极上分别加上三相脉冲电压，它们的波形如图,(b),所示。图,(,图,(,22,电荷如何进行移位,(,传输,),在 时，金属电极正上所加正电压越大，金属电极下的电场越强，多数载流子空穴被排斥的耗尽层越厚，对少数载流子电子则势阱越深，图,(b),示出该瞬时的势阱深度分布，即,极上的电压最高，势阱最深；,上的电压为零，不产生势阱；,的势阱介于两者之间。设,等势阱中已有若干电子,(,如何注入在下面说明,),，在图中以,“,负号,”,的多少表示电子的数量。虽然真实的少数载流子电子位于二氧化硅和硅半导体的界面处，但这个模型在定性描述,CCD,的电荷传输过程时很有用，较形象化，,在 ，。,在 ，。,在 ，,从 为脉冲电压的一个周期，原来在 极下的电子移向 极，原来在,极下的电子移向 极，依次类推。但还需一个信号输出装置，现用二极管输出来说明其工作原理。,23,输出端的设置见图,3,2,2,2,。在靠近最右电极的一侧扩散一个,N,区作为收集区，它与衬底之间形成,PN,结。电源,E,通过,R,加在该,PN,结两端，使它处于反向偏置状态。如果有,电子传到最后一个电极,cn,下面，就被该收集区收集，在电阻及上有电流流过，并转换成电压的变化，输出一个脉冲。显然，输出脉冲的幅值，依次与原来贮存于,势阱中的电子数成正比，是属于串行输出。从上述可知，信号向右传输直至输出是一个电荷耦合的过程，因此把这类器件称之为电荷耦合器件。,24,三、光敏单元中的电荷向移位寄存器转移,25,26,四、面阵,CCD,面阵,CCD,原理同线阵,CCD,相同，只是信号的输出方式与线阵,CCD,有所不同。面阵,CCD,是按图像信息的处理要求而输出信号的。面阵,CCD,实际上是由许多线阵,CCD,排成二维形式，它主要用于电视摄像中。,面阵,CCD,也可以用作固体摄像传感器来测量各种几何量，俗称摄像测量。固体摄像传感器应用于测量几何量的优点是：,1,扫描时无运动部分，因而可高速扫描；,2,体积小、重量轻、可靠性好；,3,电压低，功耗小；,4,漂移小，信噪比好，光电转换效率高；,5,光敏单元每一位,(bit),的形状小,(13,15,微米,),，集成度高，每一位的几何位置精度较高。,摄像传感器应用,:,测量几何量，如长、宽、直径、液位、面积及表面缺陷等，亦可应用于摄像系统。,27,五、,CCD,输出信号的处理方式,CCD,输出信号一般为负极性视频信号，对,CCD,输出信号的处理方式很多，以下是几种典型的用于检测和控制的信号处理方式。,1,CCD放大,二值化处理一计数。,2,CCD-,放大一滤波一比较整形一高频填脉冲一计数。,3,CCD,放大,同步采样保持,高速,A,D,转换,存储,计算机图像处理。,4,CCD-,放大一滤波一变成全电视信号一存储,(,面阵,CCD),。,六、,CCD,在动态测量直径中的应用,CCD,动态测量细丝直径的原理如图所示。图中的平行线光源是通过点光源经过透镜后用矩形光阑得到的。,CCD,的输出信号是一串幅值不同的方波。图中给出的,是经反相放大后的电压波形。该信号通过二值化处理后直接由计数器计数。一般取输出电压的中值，这样测量精度最高。,28,设所用的,CCD,有,No,个光敏元，每个光敏元的大小为,13,计数器计数为,N,，则细丝直径,D,为：,在上述测量中，由于是用脉冲计数测量，故光源的波动对测量精度影响不大，细丝的抖动也不影响测量精度，故可达到较高的测量精度。如需要测量达到更高的分辨率，可用光学放大，如图所示。如,k=x/y=1/13,则实际上放大了,13,倍，此时,采用光学放大后，细丝在垂直于,CCD,反向的抖动将影响测量精度。,如测量大物体，可用二块,CCD,，距离固定为,L(,如图所示,),，假定,CCDl,的计数值为,N1,，,CCD2,的计数值为,N2,，则,29,如测量大物体，可用二块,CCD,，距离固定为,L(,如图所示,),，假定,CCDl,的计数值为,N1,，,CCD2的计数值为,N2,，则,测量大物体也可用面阵,CCD,进行摄像测量，再用计算机进行数字图像处理得到处理结果。但,测量精度要比用线阵,CCD,测量差些。,30,一、结构与特点,3,3,1,光电耦合器,光电耦合器的一个重要特性是其输入端相连接的电路可以和其输出端的电路完全隔开，并且在这两个电路之间，可以安全地存在成百上千伏的电位差而不会对光电耦合器的工作产生不利影响。,光电隔离器,:,它可应用于低压到高压,(,或反过来,),信号的耦合，计算机输出信号与外部电子电路或电动机等的接口，以,“,地,”,为基准的低压电路和脉冲变压器。,重要特性是用 控制 ，,信号的传递是单向的，输出端即使有很强的干扰和噪声，也不会影响反馈到输入端。,如图所示，光电耦合器是将,LED,和光敏三极管紧密的组装在一起，密封在一个对外隔光的封装之内，这样,LED,的光线能够落到光敏三极管的表面上，可避免其他杂散光的干扰。,3,3,光电信息转换组合器件,31,二、光电耦合器的类型,实际可用的光电耦合器件有六种基本的形式，如图所示。这些器件当中的前四种是隔离光电耦合器，后两种是开槽光电耦合器和反射光电耦合器开槽型光电耦合器所具有的典型槽宽约,3mm,，其,带宽为,300kHz,。反射型光电耦合器使用。,一个达林顿输出级，其有效带宽仅为,20kHz,。,32,三、光电耦合器的应用,33,为了充分利用逻辑元件的特点，在组成系统时，往往要用很多种元件。例如,TTL,的逻辑速度快、功耗小，可作为计算机中央处理部件；而,HTL,的抗干扰能力强，噪声容限大，可在噪声大的环境，或在输人、输出装置中使用。但,TTL,、,HTL,及,MOS,等电路的电源电压不同，工作电平不同，直接互相连接有困难，而光电耦合器的输入与输出在电方面是绝缘的，可很好地解决互连问题，可方便地实现不同电源或不同电平的电路之间的互联。电路之间不仅可以电源,(,极性和大小,),不同，而且接地点也可分开。,34,四、光电耦合双向控控硅,六、光敏二极管阵列,35,36,一、,增量式编码器,1.,原理,光电编码器能将角位移或线位移信息经过光电转换变成数字量，具有分辨率高、可靠性好、抗干扰能力强、应用范围广等优点。,按代码形成的方法，光电编码器分为,增量式编码器和绝对式编码,器。普通的计量光栅可看成是一种,增量式编码器,，而,绝对式编码器,是采用二进制等代码进行编码的码盘，用透光和不透光两种状态表示,“,1,”,和,“,0,”,两个状态。,增量式编码器的原理是光栅的莫尔条纹。形成莫尔条纹必须由两块栅距相等的光栅组,成、,(),，如图所示。,3,3,2,光电编码器,37,将作为标准用的主光栅,l,和作为取信号用的指示光栅,2,相叠合，并且使两者的栅线有很小的交角,，在平行光的垂直照射下，在光栅的后面就会出现放大了的明暗相间的条纹，条纹方向同光栅刻划方向垂直，条纹间距,B,与两光栅交角,成反比。莫尔条纹的成因是由两块光栅的遮光和透光效应形成的，也有光,的干涉和衍射效果在内。,当两块光栅相对移动时，莫尔条纹在垂直方向作相应的移动，条纹移动数等于移动光栅刻线数，这样只要检测出莫尔条纹的移动数,N,，就可计算出光栅的相对移动距离,(N,乘以光栅栅距,),。同理，将栅距相等的两块径向圆光栅按微小的偏心,e,相叠合放置，则在偏心的垂直方向也会出现横向莫尔条纹，当一块圆光栅转动时，莫尔条纹也随之移动，移动的莫尔条纹数也等于圆光栅转动的光栅刻线数。如圆光栅刻线数为,3600,根，这样当光栅盘转动,1,分的角度，莫尔条纹就变化一个周期。因此，只要测出莫尔条纹的变化周期数，就可计算出光栅轴的转动角度，这就是增量式编码器的工作原理。,38,2,结构,2),光栅盘,光源采用近红外发光二极管，此类,LED,动态响应快，使用寿命长，发光峰值波长为,0.94m,，与所使用的光电信息转换器件峰值波长相近，外形尺寸为直径,2mm,，长度,5mm,，和环氧树脂透镜封装在一起。,主光栅盘安装在转动轴上，与被测轴连接作同步转动，指示光栅一般不使用整块光栅盘，而是使用光栅的一角，但栅距与主光栅相同。主光栅的刻线数按测量需要决定，从几百到几万不等，两光栅间的间隙尽可能小，这样可以提高莫尔条纹的反差，但为了防止两光栅相对运动时产生摩擦，间隙又不能太小，通常取,0,2,0,5mm,。六、光敏二极管阵列,1),光源,39,3,信号处理电路,3),光电信息转换器件,4),机械结构,光电信息转换器件，也叫光电接收器，一般使用光敏二极管或光敏三极管，与,LED,的峰值波长匹配。实用上一般使用一对光电接收器，放置间距调整到莫尔条纹间距的四分之一，这样两光电接收器输出的信号相位差正好是,90,。,将两路光电接收器输出的信号进行放大、整形和辨向，最后送可逆计数器进行计数，信号处理电路框图如图所示。,安装光栅盘的转轴通过滚珠轴承与机械外壳连接，外壳由金属封闭，以防电磁场的干扰，实际应用时，固定编码器外壳，转动轴与被测轴连接即可。,40,4,增量式编码器应用,1),精确测量角度和角位移。,2),精确测量转速。,3),测量线速度，由测量转速间接求得。,当光栅盘转动时，光电接收器输出近似的正弦信号，经放大后由施密特比较器进行整形，整形后的信号为二路相位差,90,的方波信号。辨向电路的目的是区别光栅盘的正反转情况，辨向电路如图所示。如编码器正转，则,V1,的相位超前,90,，,Vo,输出为,“,1,”,，,控制可逆计数器做加法计数，反之则,V2,的相位超前,90,，,Vo,输出为,“,0,”,，控制可逆计数器做减法计数。,4),测量线性位移，由测量角位移间接求得。,41,二、绝对式编码器,1,原理,2,二进制编码方式,将光学码盘进行绝对式编码，用透光和不透光表示二进制代码的,1,”,和,“,0,”,，编码方式按二进制码或循环码等规律进行。,角度分辨率,与码道数,n,间的关系为,:,将码盘加工成,(,光刻,),数个码道，每个码道有黑白分明的码字组成，外层码道代表二进制的最低位，最里面的码道代表二进制的最高位，码字的排列按二进制规律进行，图,4,为一个由五个码道组成的二进制码盘，图,5,是编码表及展开图。二进制码盘的码道数，,2,和码道编码容量,M,之间关系为：,对应于五个码道,:,对于,21,个码道,:,42,二进制编码的特点是输出直观，不需译码，但会出现错码，尤其是高位读数误差将引起极大的原理误差，故对码盘的制作和安装要求特别严格，调整也相当困难，因而实际上很少采用。,43,3,循环码编码方式,循环码编码的形式很多，有格雷码、周期码、反射码等。,循环码盘的特点,:,1),相邻的两组数码之间只有一位是变化的。,产生的误差最多也不会超过读数的最低位的单位量。任何一位产生延迟或提前进位，产生的误差也只能是,“,1,”,。,2),最外层的码字宽比二进制的大一倍。,这对减少多码道的码盘直径、光源和光电转换器件的安装调整都带来方便。,循环码的缺点,：,是没有固定的权，故很难阅读和计算，实际应用时需将循环码转换成二进制码,。,44,从表可以看出，高位二种码的取值相同，用,C,表示二进制，,R,表示循环码，,i,表示码道数，,i,1,，代表最里层,(,高位,),的码道，则,译码电路如图所示。,例如，循环码,0100,的二进制码为,0111,，这是因为,45,4,绝对式编码器的结构,由光源、码盘、光电信息转换器件、电路和机械结构组成。,接收器输出信号经相应的放大、整形和译码电路处理后，输出绝对的,数字量，由计算机进行并行采集。,4,）、轴系,5,）、电路系统,1,）、光源,一般一个码道用一只,LED,，,LED,的外形尺寸应尽可能选得小些，至少要小于码道的宽度，目前大多选用,lmm,的,LED,。,2,）、码盘,3,）、读出系统,一般在光电接收器前放置狭缝装置。光电,46,5,绝对式编码器的特点,2),如测量值大于,360,度，则需要用二个码盘，由齿轮精确传动，使大码盘转一周，小码盘转一个单位,(1,位,),。这样，只要读出大 码盘和小码盘的值，就可测出较大的角度范围。,1),能反映被测值,(,角度、位移等,),的绝对值，也能测出变化量的,相对值,(,读出初始值和终值,),，不怕掉电。,3),抗干扰特强，测量精度高，适合生产第一线使用。,4),码盘的码道数增加，分辨率也增加，精度提高，但尺寸增大，造价昂贵。码道宽度由光电接收器的几何参数和物理特性决定。,47,3,3,3,光纤陀螺,光纤陀螺是基于,Sagnac,效应，用光纤构成环状光路，组成光纤,Sagnac,干涉仪。,Sagnac,效应是指在任意几何形状的闭合光路中，从某一点观察点发出的一对光波沿相反方向运行一周后又回到该观察点时，这对光波的相位,(,或它们经历的光程,),将由于该闭合环形光路相对于惯性空间的旋转而不同，其相位差,(,光程差,),的大小与闭合光路的转速速成正比。,光纤陀螺可以满足动载器从智能式制导、导航与控制系统发展为分布式制导、导航和控制系统的要求，,目前光纤陀螺正进一步从军用向军民两用方向发展。,二、光纤陀螺,一、,Sagnac,效应,48,L,引起的相应的相位差为,图所示，来自光源的光束被分束器路分成两束光，分别从光纤圈的两端耦合进光纤敏感线圈，沿顺、逆时针方向传播。从光纤圈两端出来的两束光，再经过合束器,BS,1,而叠加产生干涉。当光纤圈处于,静止状态时，从,光纤圈两端出来的两束光，光程差为零。当光纤圈以角速率 旋转时由于,Sagna,效应，顺、逆时针方向传播的两束光产生光程差,L,可表示为,CW,表示顺时针方向；,CCW,表示逆时针方向；,R,光纤圈半径；,L,光纤长度；,A,光纤光路所包含的面积，,N,光纤圈匝数；,光的波长；,c,光在介质中传播速度。,49,50,光纤陀螺的光路系统如图所示。除光源、探测器,(,光电信息转换器件,),、偏振器和传感光纤圈外，还包括两个分束器和装在闭合回路一端的调制器。图中，光源一般、,选用半导体激光器,LD,发光二极管,LED,和超辐射发光二极管,SLD,，由于,SLD,的性能介于,LD,和,LED,之间，既有较高的输出功率，又有较大的光谱宽度，是光纤陀螺较为理想的光源。而探测器则采用,PIN,光敏二极管。,三、光纤陀螺的光路系统,51,1,导航,2,制导,导弹实际上是无人驾驶的飞行器，导弹必须有制导设备，以对它飞行的全过程或某些阶段进行控制。制导，实际上是指自动控制和引导飞行体按预定轨道或飞行路线准确到达目标的过程。,光纤陀螺用来探测或测定导弹相对于目标的飞行情况，供计算机计算导弹的实际位置与预定位置飞行偏差，形成引导指令，并操纵导弹改变飞行方向，使其沿预定的轨道飞向目标。,导航是引导载体到达预定目的地的过程。导航系统可以说是一个测量装置，所提供的导航参数供驾驶员操作载体之用，用于人工能自由操纵的航行体，如舰船、飞机及地面战车等。如导航系统与自动驾驶仪联用，导航系统提供的导航信息作为自动驾驶的输入量，由自动驾驶仪自动操纵引导载体，这就是自动导航。,目前光纤陀螺导航可用于的载体有军用飞机、民用飞机、军舰、轮船、坦克、装甲战车、自行火炮、民用火车、汽车和机器人等。,四、光纤陀螺的应用,52,