现代传感新技术及应用(光电传感器)..docx

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1、光电管第2章光电式传感器及其应用光信号（红外、可见光及紫外光转变m p, m光电式传感器2.1光电效应和光电器件1905年，爱因斯坦提出了光子假设:光在空间传播时,不仅是连续的（波动性,也具有粒子性，即一束光是一束以光速运动的粒子流，爱因斯坦把这些光电效应：2.1 光电效应和光电器件内光电效应（内光电器件外光电效应（外光电器件外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。 向外发射的电子叫光电子。按照能量守恒与转换定律有：R4R3R6R5R2R 1WBG 1BG2图(a为光电池构成的光电跟踪电路,用两只性能相似的同类光电池作为光电接 收器件。当入射光通量相同时

2、，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略 有偏差时,电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。内光电效应器件内光电效应器件光电池内光电效应器件(3光电池应用内光电效应器件光电池应用设计选型:太阳能电池板功率内光电效应器件光电池应用内光电效应器件(3光电池应用凝析天然气气液两相流量计量系统的太阳能发电系天阴雨可持续工作。及蓄电池容量负载功率每天工作时数(17/12/当地峰值日照时数/(0.85*0.85五路变送器最大功率：24V*0.02A*5=2.4W。ARM功率:12V*0.33A=4W;太阳能 发电系统设计实例内光电效应器件(3光电池应用2.152光电池内光电效应器件

3、(3光电池应用系统构成:由太阳能电池组、控制器、蓄电池(组组成。太阳能电池板内光电效应器件a光敏二极管2.L5内光电效应器件当光照增加时，光电流IUO+内光电效应器件a光敏二极管内光电效应器件a光敏二极管内光电效应器件bPIN光敏二极管内光电效应器件b PIN光敏二极管光敏管（1结构和工作原理内光电效应器件c雪崩光敏二极管光敏管内光电效应器件d光敏三极管内光电效应器件d光敏三极管内光电效应器件d光敏三极管光敏管（2特性内光电效应器件光敏管（2特性内光电效应器件内光电效应器件光敏二极管和三极管特性的主要差别内光电效应器件光敏二极管的线性较好。光敏二极管和三极管特性的主要差别内光电效应器件光线波长

4、和相对光谱灵敏度之间的关系。内光电效应器件内光电效应器件性也有很大影响光电流变化照度不变时，光电流随温度变化内光电效应器件光电效应器件的选择硅PIN光电二极管硅光电二极管几种硅（褚光电三极管的特性参数光电传感器应用待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调光电传 感器应用防止工业烟尘污染是环保的重要任务之一。为了消除工业烟尘污染，首先 要知道烟尘排放量，因此必须对烟尘源进行监测、自动显示和超标报警。烟道里的 烟尘浊度是用通过光在烟道里传输过程中的变化大小来检测的。如果烟道浊度增加, 光源发出的光被烟尘颗粒的吸收和折射增加，到达光检测器的光减少,因而光检测器 输出信号的强弱便可反映烟道浊度的变化。

5、烟尘浊度监测仪光电传感器应用食品温度测量集成IC温度测量光电传感器应用成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。光、机、电一体化的红外测温系统红外辐射温度计光电传感器应用如图示是目前常见的红外测温仪方框图。它是一个包括光、机、电一体化的红 外测温系统,图中的光学系统是一个固定焦距的透射系统。发射率8调节被测物体光电传感器应用红外辐射温度计光电传感器应用红外辐射温度计 红外测温仪电路比较复杂,包括前置放大,选频放大,温度补偿,线性化,发射率（比辐射率）调节等。目前已有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软 件的功能,大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。滤光片一般采用

6、只允许814 pirn的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动， 将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射线。红外探测器一般为（锂酸锂）热释电 探测器,透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外辐射通过透镜聚焦在红外探 测器上,红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。红外测温仪的光学系统可以是 透射式,也可以是反射式。反射式光学系统多采用凹面玻璃反射镜,并在镜的表面 镀金、铝、银或将等对红外辐射反射率很高的金属材料。光电传感器应用红 外辐射温度计光电传感器应用红外辐射温度计红外线辐射温度计 在非接触温度测量中的应用温度采集系统利用红色激光瞄准被测物（电控柜、 天花板内的布线层）光电传感器应用红外

7、辐射温度计利用红色激光瞄准被 测物（冷藏牛奶和面食）红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用光 电传感器应用通过测量热辐射体在两个波长的光谱辐射两个波长的光谱辐射光电 高温比色计被测对象经物镜1成像与光栏3,经光导棒4投射到分光镜6上,它使长 波（红外线辐射线透过,而使短波（可见光部分反射。透过分光镜的辐射线再经滤光 片9将残余的短波滤去,尔后被红外光电元件硅光电池10接收，转换成电量输出； 由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去,而被可见光硅光电池8接收； 转换成与波长亮度成函数关系的电量输出。将这两个电信号输入自动平衡显示纪 录仪进行比较得出光电信号比，即可读出被测对象的温度值。光栏

8、3前的平行平面 玻璃2将一部分光线反射到瞄准反射镜5上,在经反射镜11、目镜12和棱镜13, 便能从观察系统中看到被观测对象的状态，以便校准仪器的位置。亮度之比来测 量温度的仪表，称为光电比色温度计。亮度之比图为光电高温比色计的工作原理光电传感器应用光电高温比色计这种高温计属非接触测量，量程为 800-2000,精度为0.5%,响应速度由光电元件及二次仪表记录速度而定。其优 点是测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真 实温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、 玻璃等工业部门。透过分光镜的辐射线再经滤光片透过分光镜的辐射线再经滤光 片9将

9、残余的短波滤去被红外光转换电元件硅光电池10接收，电元件硅光电池10 接收,输出VI（XI ；由分光镜反射的短波辐射线经滤波片7将长波滤去，而被可见 滤波片7将长波滤去,光硅光电池8接收；转换成与波光硅光电池8长亮度成函数 关系的电量输出V2.2。光电传感器应用光电高温比色计对于黑体，则有维 恩公式可推得：所谓黑体是指入射的电磁波全部被吸收，既没有反射，也没有透 射（当然黑体仍然要向外辐射。显然自然界不存在真正的黑体，但许多物体是较 好的黑体近似（在某些波段上。黑体辐射情况只与其温度有关，与组成材料无关。 对于非黑体来说，根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度Tc。比色温 度Tc和实际温

10、度T有如下关系：成与波长亮度成函数关系的电量光电传感 器应用光电高温比色计将V1Q1、V2（X2自动V平衡显示纪录仪进行比较得出光 电信号比,即可读出被测对象的温度值。光电传感器应用光电高温比色计光 电高温比色计：高温计属非接触测量量程为8002000 精度为0.5%。优 点:测温准确度高，反应速度快，测量范围宽，可测目标小，测量温度更接近真实 温度，环境的粉尘，水气，烟雾等对测量结果的影响小。可用于冶金、水泥、玻 璃等工业部 门。1 1 - = T TC ln（ Z2 1 C2 （ XI - 1 X2 T:被测物实际温度；Tc: 比色温度；式中，式1和22是物体的黑度系数，对于灰体来说，8X

11、121,即 比色温度与真实温度是一致的。光电传感器应用反射式烟雾报警器红外 光电传感器应用光电自动门在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直， 烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出红外光敏三极管的红外光无 法到达红外光敏三极管。当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫 反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光 电流输出。有效检测区域光电传感器应用产品自动计数光电传感器应用光电式数字转速表n =60（ 光电传感器应用光电式传感器热释电传感器热释电传感器： 利用热释电效应来检测受光面的温度升高值，得知光的辐射强度，在红外检测中得到 广泛的应用，可用于能产生

12、红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、 自动灯的控制等。红外光硅窗PVDF地电极压环环形电极弹簧 T 0 + AP + -P黑色膜电极（透明FET绝缘环强电介质电极（不透明- -当一些晶体温度变 化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在晶体两表面产生电荷的现象。热释电传感器热释电感应灯热释电传感器热释电传感器在智能空调中 的应用热释电传感器上下范围左右范围智能空调能检测出屋空调中，热释电传 感器的菲涅尔内是否有人，微处理器据透镜做成球形状，从而能感受到屋内此自 动调节空调的出风量，以达到节能的目的。一定空间角范围里是否有人，以及人 是静止还是走动02.2新型光电器件小结：1.光电效

13、应有哪些？这些光电效应对应哪些光电元 件？ 2.这些光电元件有哪些特点？分别适用于什么场合？ 电荷耦合器件 （Charge Coupled DeviceCCD具有光电传换、信息存储、信息传输等功能，具有 集成度高、功耗小、性能稳定等特点，广泛应用于微光电摄像、信息存储和处理 的领域。图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每个像素 应根据光的强弱得到不同大小的电信号。主要问题：主要问题：（1）如何获取 图像信息？ （2）怎样实现图像电信号的存储和输出？ CCD的功能：光电转 换：获得与像素明暗相关的电荷；电荷转移：能够保存电荷，并定向转移到输 出电路。2.2新型光电器件电荷耦合器件（

14、Charge Coupled Device-CCD电 荷耦合器件是二十世纪七十年代初期（19691970年）由Dr. Willlards Boyle和 Dr.George E. Smith在Bell Laboratories发明的。CCD的作用是将通过光学镜头投 影到CCD表面上的光学图像转换为与之成比例的电荷包，在CCD像面上形成电 荷图像，将电荷图像输出成为电压视频图像，以后再经过数字化处理，把图像作 为一个文件存储起来。2.2新型光电器件221电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD博伊尔和史密斯由于发明了 CCD图像传感器（1969 AT&T Bell Labs

15、,获2009年诺贝尔物理学奖。2.2新型光电器件221电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2 新型光电器件 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2新型 光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2新型光电器件 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD2.2新型光电器件221电荷耦 合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2新型光电器件电荷耦合器件(Cha

16、rge Coupled Device-CCD 2.2.1.1 (1 MOS 光敏元结构 2.2 新型光电器件 221电荷耦合器件(Charge Coupled Device-CCD CCD是由规则排列的金属一(Metal-Oxide Semiconductor) 氧化物一半导体(Metal OxideSemiconductor,MOS)电容阵列组成。铝电极CCD的工作过程：1)信号电荷的产 生；2)信号电荷的存贮；3)信号电荷的传输；4)信号电荷的检测。(Charge Coupled Device一一CCD2.2 新型光电器件(Charge Coupled Device-CCD的结构和工作原理

17、型半导体分布均匀的空穴(多 数载流子;-栅极加正向电压，形成电场，排斥空穴远；对带负电的电子而言，这是一个势能很低的区域;反型层(电子被表面势吸引，极 薄，密反型层形成时的外加电压称为阈值电压；，光子被半导体吸收，产生电子-空穴对。多数载流子空而少数载流子被吸引，存贮到较深的势阱中,形成电荷此时势阱中吸收的光生电 子数量与入射到势阱附近的光强成正比。这光敏单元或叫做一个像素。(p.H2.2新型光电器件受光照势阱(Charge Coupled Device-CCD的结构和工作原理2.2新型光电器件表面势与栅极电压的关系氧化层厚度对表面势的影响；同样栅极电压下，不同厚度的氧化层有着不同的表面势。氧

18、化层厚度栅极电压氧化层厚度(Charge Coupled Device-CCD的结构和工作原理2.2新型光电器件(3电荷转移电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另一个势阱;CCD电极间的距离必 须很小，才能保证电荷的转移。势阱合并势阱及电荷转移一电荷包的转移是由势阱的不对称和势阱耦合引光注 入:当光照射到CCD硅片上时，在栅极附近的体内产生电子-空穴对，其多数载流子被 栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷。光注入方式又可分 为正面照射式及背面照射式。光注入的电荷量N eo与入射的光谱辐射通量成线性关系。2.2.1 电荷耦合器件(Charge Coupled DeviceCC

19、D2.2.1.1 CCD 的结构和工作原 理2.2新型光电器件(4电荷的注入和检测r|qN Q in =电荷耦合器件(Charge Coupled DeviceCCDCCD中产生电子空穴对,电子向器件中电势最高的地区聚集，并在那里形成电荷 包。每个电荷包对应一个像元。爱因斯坦光电效应方程其中:h 普朗克常数=6.626x 10-34。su光的频率（s -1 om电子质量；2.1 光电效应和光电器件内光电效应（光电导效应和光生伏特效应当光照射到半导体材料上时，价带中的电子受到能量大于或等于禁带宽度的光 子轰击，并使其由价带越过禁带跃入导带，如图所示，使材料中导带内的电子和价带内 的空穴浓度电子-

20、空穴对一电导率增大。内光电效应一按其工作原理可分为，光电导效应和光生伏特效应（2在光照射下，能够使物体产生一定方向的电动势的现象称谓光 生伏特效应。（1在光照射下，材料电阻率变化的现象称为光电导效应2L2内光电效应HIFPN+-光+-光生电子一空穴对CCD中电荷生成与收集电极结构n-type siliconp-type siliconSiO2 Insulating layer2.2 新型光电器件（Charge Coupled Device-CCD2.2 新型光电器件出两种，以电压输出型为例:有浮置扩散放大器（FDA、浮置栅放大器（FGA2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled D

21、evice-CCD2.2新型光电器件2.2.1.1 CCD的结构和工作原理CCD曝光时，每个像元有一个电极处于高电位。硅片中这个电极下的电势将增 大，成为光电子收集的地方，称为势阱。其附近的电极处于低电位，形成了势垒，并确定了这个像元的边界。像元水平方 向上的边界由沟阻确定。当MOS电容器栅压大于开启电压UG,周围电子迅速地聚集到电极下的半导 体表面处，形成对于电子的势阱。势阱:深耗尽条件下的表面势形成的空间区域。势阱填满:电子在半导体表面堆积后使平面势下降。2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device一一CCD2.2新型光电器件2.2.1.1 CCD的结构和工作原理1

22、必须使MOS电容阵列的排列足够紧密，以致相邻互沟通,即相互耦合。2控制相邻MOS电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处。3电荷的转移必须按照确定的方向。 在CCD的MOS阵列上划分成以几个相邻MOS每一单元称为一位，将每一位 中对应位置上的电容栅极分别连到各自共同电极上,此共同电极称相线。 一位CCD中含的电容个数即为CCD的相数。每相电极连接的电容个数一般 来说即为CCD的位数。 通常CCD有二相、三相、四相等几种结构，它们所施加的时钟脉冲也分别为 二相、三相、四相。 当这种时序脉冲加到CCD的无限循环结构上时，将实现信号电荷的定向转 移。CCD的基本功能是进行

23、光电转换、电荷的存储和电荷的转移输出。(Charge Coupled Device-CCD2.2 新型光电器件二相、三相、四相等结构形式。三相CCD电极结构二相硅-铝交叠栅结构CCD的位(Charge Coupled Device一一CCD2.2 新型光电器件2.2.1.1 CCD的结构和工作原理四相CCD电极结构123+5V-5V +5V -5V +5V 三相 CCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device- CCD2.2新型光电器件2.2.1.1 CCD的结构和工作原理（5三相CCD的工作过程（Charge Coupled DeviceCCD（Charge C

24、oupled DeviceCCD 2.2.1 电荷耦合 器件（Charge Coupled DeviceCCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device CCD2.2新型光电器件2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD2.2.1.1 CCD的结构和工作原理CCD的结构就象一排排输送带上并排放满了小桶，光线就象雨滴撒入各个小桶,每个小桶就是一个像素。按下快门拍照的过程，就是按一定的顺序测量一下某一短暂的时间间隔中，小桶中落进了多少“光滴”，并记在文件中。一般的

25、CCD每原色的光度用8位来记录,即其小桶上的刻度有8格，也有的是10位甚至12位,10位或12位的CCD在记录色彩时可以更精确，尤其是在光线比较暗时。早期的CCD是隔行扫描的，同一时刻，每两行小桶，只有一行被测量,这样可以提高快门速度，但图像精度大为降低。随着技术的进步，人们已能让CCD记录在几十分之一秒，甚至几千分之一秒的时间里，落进各个“小桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD 一般都是逐行扫描的。2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD电荷耦合器件（Charge Coupled D

26、evice-CCD射,一方面使响应率减低，另 一方面多次反射产生的干涉效应使光谱响应曲正面照射背面光照镀以增透膜2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD（Charge Coupled Device CCD2.2新型光电器件2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1 电 荷耦合器件（Charg

27、e Coupled DeviceCCD2.2新型光电器件2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled DeviceCCD（Charge Coupled Device CCD（1线阵CCD在扫描仪中的应用用2.2 新型光电器件 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用（2线阵CCD非接触直径测量系统图2中，照明系统射出 的平行光信号经测量工件后，遮挡部分与未被遮挡部分在线阵CCD光敏面上成 不同的像，而遮挡部分所成的像即代表被测工件的直径尺寸，L和L，之间的关系 由高斯公式表示3,如式（1所示。图2工件成像示意

28、图自动化仪表33（4, 2012 2.2 新型光电器件 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵CCD非接触直径测量系统2.2新型光电器件电 荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵 CCD非接触直径测量系统2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵CCD非接触直径测量系统CCD 驱动电路设计当线阵CCD器件MN3611工作时，需要提供四路脉冲，分别是转移 脉冲SH、

29、驱动脉冲CR1和CR2、复位脉冲RS,其时序由CPLD来实现。CPLD 输出的四路脉冲经反相驱动器反相后叠加到MN3611的相位管脚上。在这四路驱 动脉冲的作用下，该器件将输出OS信号（即经过光积分的有效电信号和DOS信 号（即补偿信号。硬件线路的连接如图3所示。2.2新型光电器件电荷耦合 器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵CCD非接 触直径测量系统转移脉冲驱动脉冲2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵CCD非接触直径测量 系统图4中，CCD

30、信号检测电路被设计为三级，目的在于尽量减小噪声干扰。第 一级是射极跟随器电路，CCD器件输出信号通过第一级射极跟随器进行阻抗匹 配，可以减少相互干扰，防止测量短路或静电感应尖脉冲对CCD器件的损害；同时，射极跟随器实现了增益近似为1、输出与输入同相的功能，具有高输入阻 抗、低输出阻抗和带载能第一级射随器阻抗匹配第二级第三级复位脉冲CCD 器件MN3611驱动脉冲力强的优点。第二级和第三级采用共发射级-共基电路，既 提高了电路的上限频率，又改善了信号输出的信噪比。共发射级-共基电路2.2 新型光电器件 2.2.1 电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4

31、CCD图像传感器的应用线阵CCD非接触直径测量系统2.2新型光电器件电 荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用线阵 CCD非接触直径测量系统二值化电路设计在CCD输出的视频电压信号中，低电 平部分表征实际工件尺寸的大小，高电平部分表征背景光信号的大小，也就是 说，工件与背景光信号的差异在CCD输出信号中体现为电平的明显变化。因此， 需要通过二值化处理，把CCD视频信号中工件尺寸部分与背景光部分分离成二值 电平。实现CCD视频信号二值化的方法主要有固定阈值法、浮动阈值法10 和微分法，一般用硬件电路实现。无论采用哪种信号处理方式，都

32、是为了从CCD 的输出信号中提取真正表示被测工件边界的特征点。本文采用固定阈值法实现二 值化，线阵CCD二值化电路图如图5所示。2.2新型光电器件221电荷耦合器 件（Charge Coupled Device一一CCD 2.2.1.4 CCD 图像传感器的应用（3）线阵 CCD 器件检测工件尺寸2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device- CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用（4邮政编码识别系统驱动电路CCD细化二值 化处理透镜计算机L = （ Nd 土 2d M 2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大 误差。根据目前产品情况d = 0 . 013

33、0 . 03mm。L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率分类箱2 1 3分类 机构传送带邮政编码识别系统2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用（5拉丝过程中试件直径与壁 厚测量系统测量拉丝过程中丝的线径、轧钢的直径、机械加工的轴类或杆类的直 径等等，这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例。玻璃管暗带暗带CCD视频信 号亮带玻璃管透射率不同2.2新型光电器件电荷耦合器件（Charge Coupled Device-CCD 2.2.1.4 CCD图像传感器的应用（5拉丝过程中试件直径与壁厚测量

34、 系统由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的两条暗带最外边界距离为玻 璃管外径大小，中间亮带反映了玻璃管内径大小，而暗带则是玻璃管的壁厚像。 成像物镜的放大倍率为P，CCD相元尺寸为t,上壁厚、下壁厚分别为nl、n2, 外径尺寸的脉冲数（即像元个数）为N,测量结果有：dl=d2 = D = nltppn2tNt dl,d2和D分别为上壁厚、下壁厚和外径尺寸。N为外径尺寸的脉冲数（即像元 个数）。P2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器传感器由标尺光栅、指示光 栅、光路系统和测量系统四部分组成（见图）。（移动）标尺光栅相对于指示光 栅移动时，形成大致按正弦规律分布的明暗相间的

35、叠栅条纹。这些条纹以光栅的 相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉 冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移 量。传感器的光路形式有两种：一种是透射式光栅，它的栅线刻在透明材料（如 工业用白玻璃、光学玻璃等）上；另一种是反射式光栅，它的栅线刻在具有强反 射的金属（不锈钢）或玻璃镀金属膜（铝膜）上。这种传感器的优点是量程大和 精度高。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。2.2 新型光电器件222光栅（Grating）式传感器光栅的外形及结构尺

36、身尺身安装孔 防尘保护罩的内部为长光栅（固定反射式扫描头（与移动部件固定）扫描头安装 孔可移动电缆2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器2.2新型光电器件 222光栅（Grating）式传感器光栅的外形及结构（续）可移动电缆扫描头（与 移动部件固定）光栅尺构成：主光栅一标尺光栅，定光栅，指示光栅-动光栅 长度一测量范围；刻线密度一测量精度（10、25、50、100、125线/mm 2.2新型 光电器件222光栅（Grating）式传感器2.2新型光电器件222光栅（Grating）式 传感器222.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（1）光栅光栅一一在基体上有等 间距均匀分布刻线的

37、光学元件。a透光的缝宽，b不透光的线宽w-光栅 栅距（光栅节距或光栅常数W= a + b通常：a = b光栅栅距是光栅尺的一个重要参 数。光栅栅距光栅栅距或或光栅常数光栅常数a b W光栅的分类物理光栅光栅 计量光栅长光栅基于光的透射和反射现象透射式光栅反射式光栅基于光的衍射现象圆光栅光栅尺一一是一块尺面上刻有形状规则的刻线，尺上平行等距的刻线 称为栅线（每毫米10、25、50和100条线）。2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器2.221光栅、莫尔条纹及光 栅测量装置（1）光栅标尺光栅一-作为测量基准用，随被测物体一起移动（或 转动；指示光栅一-一般固定不动，但在数控机床中，

38、标尺光栅往往固定在床 身上不动，而指示光栅随拖板一起移动；在测长系统中，标尺光栅的长度一般 由测量范围来定，而指示光栅一般则只做成一小块，即只要能获得足够的莫尔条 纹区域即可。2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器2.221光栅、莫尔 条纹及光栅测量装置（2）莫尔条纹1莫尔条纹光学原理两块光栅叠合而成，如 两层纱窗蚊帐等现象;在II线上，两光栅的透光部分与透光部分叠加，光线透过 透光部分形成亮带；在I线上，两光栅不透光部分叠加，互相遮挡，光线透不 过，形成暗带；由光栅重叠形成的光学图案称为莫尔条纹，其周期为：B=W2 sin 2 6 + （cos O-W2 2W1= = W21

39、W1W2 + W22 - W1W2 cos 9 2.2 新型光电器件 222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（2）莫尔 条纹1莫尔条纹光学原理主光栅均匀刻线指示光栅夹角移动明暗相间条纹莫 尔条纹2.2新型光电器件1莫尔条纹光学原理横向莫尔条纹的斜率tan a = tan。2 莫尔条纹间距B = AB = BC sin 9 2 = W 2 sin 9 2 W 9莫尔条纹的宽度B由光栅常 数与光栅夹角决定2.2新型光电器件1莫尔条纹光学原理9 2.2新型光电器件1莫 尔条纹光学原理莫尔现象演示2.2新型光电器件1莫尔条纹光学原理2.2新型光电器件光栅（Grati

40、ng） 式传感器2.221光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（2）莫尔条纹2莫尔条蚊的特 点莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系条 纹位置方向不同条纹运动方向不同莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用夹角 。较小，光栅常数相等，周期B和W,。之间近似关系为：令W=0.02mm, 0=0.0017 rad （即0.1,则B=11.46mm。即光栅尺移过一个栅距0.02mm,莫尔条 纹移过一个条纹周期11.46 mm。这说明莫尔条纹间距对光栅栅距有放大作用。 莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用设光栅栅距W=O.02mm,接收元件采用lOmmxlOmm硅光电池，在硅光电池10m

41、m宽度范围内，将有500条栅线参与 工作。显然，在这一区域内个别栅线的栅距误差，对整个莫尔条纹的位置及形状 的影响很微小。2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫 尔条纹及光栅测量装置（2）莫尔条纹2莫尔条蚊的特点LB0 6W2.2新型光电 器件222光栅（Grating）式传感器2.221光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（2） 莫尔条纹2莫尔条蚊的特点例：一直线光栅，每毫米刻线数为50,主光栅与指示 光栅的夹角B=L8。，分辨力、放大倍数、莫尔条纹的宽度分别为多少？分辨力： =W =l/50=0.02mm=20nm 放大倍数刃/。= 1/（1.8 x3.14/18

42、0 31.83 莫尔条纹的宽度 B=W/90.637mm B=W/sin9条纹间距大大增加2.2新型光电器件光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（2）莫尔条纹2莫 尔条蚊的特点2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔 条纹及光栅测量装置（3光栅测量装置、光栅光学系统、光栅读数头1）光栅测量 装置指利用光栅原理对输入量（位移量进行测量转换、显示的整个测量装置。 2）光栅光学系统-形成和拾取莫尔条纹信号的光学系统及其光电接收元件。 作用是把标尺光栅的位移转换为光电元件的输出信号。照明系统一一照明系统 包括光源及聚光系统。光栅副一一标

43、尺光栅及指示光栅，两者在平行光照射下 形成莫尔条。光电接收系统一-光电接收元件，光栅副形成的莫尔条纹变化转换 为电量。运动对应关系通过莫尔条纹的运动特性判别光栅的运动特性光栅移动一 个栅距，莫尔条纹移动一个条纹间隔；光栅改变运动方向，莫尔条纹随之改变运 动方向。当移动的刻线数i和角度。一定时，莫尔条纹间距B与移动距离x成正 比，即：W x/i x B= 0 = 0 = i02.2新型光电器件光栅（Grating）式传感器2.221光栅、莫尔条纹及光 栅测量装置（3光栅测量装置、光栅光学系统、光栅读数头3）光栅读数头-由 照明系统、指示光栅和光电接收元件组成在光栅测量装置中，光栅读数头或固 定不

44、动，或随机床拖板移动。测量时，它与标尺光栅作相对位移，读出移动工 件的位移量。2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔 条纹及光栅测量装置（4光栅测量特点高精度-一误差0.20.4Mm / m ；测量装 置的测量精度高达0.53um/1500 mm,分辨率可达0.1pm;圆光栅盘精度可达o.l ” 0.2” ；圆分度测量装置的精度可达0.15” ；分辨率可达到0.1”,可实现 动态测量、自动测量及数字显示。高分辨率，大量程。抗干扰能力强。 价格较高。2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔条 纹及光栅测量装置（5光栅光学系统特

45、点1透射式直接接收光学系统1-光源2-准直 透镜3-主光栅4-指示光栅5-光电元件2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传 感器222.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（5光栅光学系统特点1透射式直接接 收光学系统结构光源光电元件此光路适合于粗栅距的黑白透射光栅。特点：结 构简单，位置紧凑，调整使用方便，应用广泛。透镜光栅副2.2新型光电器件 222光栅（Grating）式传感器222.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（5光栅光学 系统特点1透射式光栅透射式光栅2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感 器2.2.2.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（5光栅光学系统特点1透射式圆

46、光栅透 射式圆光栅2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器2.221光栅、莫尔条纹及光 栅测量装置（5光栅光学系统特点反射镜2反射式直接接收光学系统光源5经 聚光镜6投向物镜3,并投向标尺光栅1;标尺光栅1反射光线与指示光栅2相 互作用形成莫尔条纹;莫尔条纹通过物镜组成像并由光电元件所接收。物镜指 示光栅主光栅/标尺光栅光源2.2新型光电器件222光栅（Grating）式传感器 2.2.2.1光栅、莫尔条纹及光栅测量装置（5光栅光学系统特点2反射式直接接收光 学系统光电元件聚光镜物镜组反射式光栅2.2新型光电器件光栅（Grating）式传感器光栅传感器的辨向原理如果传感器只安装一

47、套光电元 件，则在实际应用中，无论光栅作正向移动还是反向移动，光敏元件都产生相同 的正弦信号，无法分辨位移的方向。ul光电元件B/4输出信号u2光电元件2.2新 型光电器件222光栅（Grating）式传感器222.2光栅传感器的辨向原理正向移 动时脉冲数累加；反向移动时，便从累加的脉冲数中减去反向移动所得到的脉 冲数，这样光栅传感器就可以辨向。ulul整形整形放大放大uu微微分 分u21 u21 Y1加法脉冲Y1加法脉冲L光源u2 u2整形整形放大放大透镜光栅副 为了能够辨别方向，还要在间隔1/4个莫尔条纹间距B的地方设置另一个光电元 件（类似于增量式光电编码器的辨向）。因此，光栅输出的信号要经过一定的处光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg ,使价带中的电子跃迁到导带， 产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发 的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电,N区带负电，形成光电动势。原理:光一PN结一电子一N,空穴一P 一电动势热释电效应(1结构和工作原理外光电效应器件光电管可分为两大类:真空光电管和充气光电管。它们的结构类似，都是装有光 阴极和阳极的真空玻璃管，如图所示。内形成空间电子流，在外电路就产生电流。外光电效应器件光电管光电倍