第七章 光电式传感器
光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号 。
第一节 光源一、热辐射光源二、气体放电光源三、电致发光器件－－发光二极管四、激光器
1.气体激光器
2.固体激光器
3.半导体激光器第二节 光电器件光电器件的作用是将光信号转变为电电信号 。
其工作的物理基础是光电效应 。
h gR?h E
内光电效应：光作用，使光电器件的电阻率变化。
器件：光敏电阻。
阻挡层光电效应：光作用，使光电器件产生一定方向的电动势。
器件：光电池，光敏二极管、光敏三极管。
光电器件按探测原理分为：热探测型和光子探测型一、热探测器,
基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器
（一）测辐射热电偶
（二）测辐射热敏电阻
（三）热释电探测器二、光子探测器基于一些物质的光电效应光子的能量与频率的关系为
E hf?
（一）光电发射探测器光电管结构在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。
光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，
这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。
光电倍增管由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如下图。
光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 。 光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源 。
光电池的工作原理是基于,光生伏特效应,。 它实质上是一个大面积的 PN结,当光照射到 PN结的一个面,例如 p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么 p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势 。
光电池工作原理图
uA
输出电流
mV
输出电压
（１）光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。
开路电压（负载电阻 RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在 2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。
光电池的基本特性
J
M
J1
12V
2A
9012
51K
L
39470uf
4001
～
自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，
产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，
继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。 Lx (W/m2)
(2) 温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况 。
开路电压随温度升高而下降的速度较快,
短路电流随温度升高而缓慢增加 。
把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施 。
（二）光电导探测器采用半导体材料并利用内光电效应组成，在光线作用下其电阻值变小。这种现象称为光导效应，具有光导效应的材料称为光敏电阻，也叫光导管。
一、
１,光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
2.光敏电阻的结构为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大 。
它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,
金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。
3,光敏电阻的主要参数
（ １ ） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,
此时流过的电流称为暗电流 。
（ ２ ） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,
此时流过的电流称为亮电流 。
（ ３ ） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 。
4,光敏电阻的基本特性
（ 1） 伏安特性,在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系
①一定光照,R一定,I正比于 U。
②一定电压,I随着光照 E增强而增大。
E↑→R↓→I↑。
(2) 光照特性（ I～ E）
光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。
如光照度计：农作物日照时数测定。
wR
9013
CR
GR
A 0V
无光照 V0=VL 。 有光照 V0=VH。
输出接单片机的 I/O口，每 2分钟对此口查询 1次，为高电平，
计数一次，为低电平，不计数。 1天查询 720次。
)(247 2 0 hNH
（ 3） 光谱特性 （ Kr%～ ）
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性 。 亦称为光谱响应 。
%100%
m a x0
0
I
IK
r
① 不同材料，其峰值波长不同。
②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。
应根据光源的性质，选择合适的光电元件，
（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。
（ 4） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动 。 因此,硫化铅光敏电阻要在低温,恒温的条件下使用 。 对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些 。
（ 2）光敏电阻工作原理内光电效应。
光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。
h gE?
导带价带
uA
gR
E I
要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足
ghE
或
g
hc
E
0
1293
()
g
nm
E
刚好产生内光电效应的临界波长为需光子能量越高。越小越大,,0?gE?
制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物。
（三）光电结型探测器
1.光电二极管工作原理与光电导型探测器相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。
没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。二极管处于截止状态。
当光照射在 PN结上时,光子打在 PN结附近,使 PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在 PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。
光的照度越大,光电流越大。
3.PIN结构光电二极管具有较高灵敏度和响应速度
2.雪崩二极管是一种具有内部电流倍增放大作用的光电二极管。
4.光电三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
工作原理
（ 1）光电转换
（ 2）电流放大基极开路,集电极与发射极之间加正电压 。 当光照射在集电结上时,在结附近产生电子 -空穴对,电子在结电场的作用下,由 P区向 N区运动,形成基极电流,放大 β倍形成集电极电流 （ 光电流 ）,所以光电三极管有放大作用 。
N P NC
B
E
-
+ - R
U
I
(四 ),光电耦合器件
1．
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种 。 发光元件为发光二极管,受光元件为光敏三极管或光敏可控硅 。 它以光为媒介,实现输入电信号耦合到输出端 。
特点,① 强弱电隔离 。
输入输出极之间绝缘电阻达 1010。 耐压达 2000V以上 。
能避免输出端对输入端地线等的干扰 。
② 对系统内部噪声有很强的抑制作用。
发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，
对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）
光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。
2,光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置 。 可实现限位控制,产品计数,料位检测,越限安全报警及计算机输入接口等用途 。
光电开关结构：透射式和反射式的光电开关 。
利用输出电平的状态判断有无被测物 。
基本电路（透射式）
（ a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
五、光电传感器的类型按输出量的性质分两大类
1,模拟量光电传感器检测系统
（ 1）辐射式物体辐射能量到到光电接受元件，根据测出光电流确定辐射物内部参数。
4
0
4
TMV
T
TM
e
e
光电元件输出电压绝对温度波尔兹曼常数斯特藩比辐射率物体辐射能量为如测炽热金属，用光电比色高温计。暖气热量计量中用热分配表测暖气消耗的热量。
（ 2）透射式被测物置于恒光源于光电元件之间，根据被测物对光源的吸收程度测定被测参数。
对气体的成分分析。 如测气体的透明度、混浊度越小。浓度越高，
的浓度，吸收系数）正比于介质一定，
I
l
eII
l
(
0
(3) 反射式恒光源发出的光照射到被测物表面上，再从表面放射到光电元件上。 根据反射光通量的大小测定被测物表面的性质和状态。 如表面的缺欠、粗糙度。
如用 Y型光纤扫描式检测弹头缺欠。
无缺欠，反射光恒定。
有缺欠，对光的吸收增强，反射光减弱，输出有跳变。接示波器可显示出波形。
（ 4）遮挡式测工件尺寸。
2、开关量光电传感器光电式转速表。
旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，光电元件感光一次。光电流变化曲线如图。经整形电路变为矩形脉冲信号。
送计数器（单片机），由公式算出转速。
六、光电耦合器件电荷耦合器件（ Charge Couple Device,简称
CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（ MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量,尤其 适用于图像识别技术 。
(一 )MOS光敏单元
CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。 CCD器件的基本单元结构是 MOS
（金属 —氧化物 —半导体）结构。即在 P型硅衬底上生长一层 S iO2 (120nm),再在 S iO2层上沉积金属铝构成 MOS结构，它是 CCD器件的最小工作单元。
A、势阱的产生
MOS的金属电极加正压，电极下的 P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于 U的大小。
B、电荷的存储势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。
CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是 CCD器件中上千个相互独立的 MOS
单元势阱中存储与光像对应的电荷量。
(二 )读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个
MOS元位置转移到另一个 MOS元位置，
并依次转移并传输出来。
A、电荷的定向转移当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻 MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。
要求：
多个 MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。
金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。
B、三相 CCD电极的结构
MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由 3个相位差 120° 时钟脉冲驱动。
1 2 31 4 7 2 5 8 3 6 9驱动（，，） 驱动（,，） （驱动,，）
1 1 2 3 100 1t时刻,为（ ），组电极下形成深势阱，
势阱中存储电荷形成电荷包。
2 3 1 2
12
12
tt时刻至 时刻,电压线性减小,为高电平，
组电极下的势阱变浅，组电极下形成深势阱，
电荷从 组电极下逐渐转移到 组电极下。
向右移，直至输出。、、、依此类推，电荷由势阱中。电荷逐渐全部移入至
N
tt
4321
243?
C、电荷的输出在输出端 P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在 PN结形成耗尽层。输出栅 OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，
通过负载变为电压输出。
3? 1? 2? 3? OG
n
iU
LR
0U
SiP
0I
输出二极管电流法
(三 )线阵电荷耦合器件线阵 CCD结构原理图
（ 1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的
MOS势阱中，光像变为电像 —电荷包。（光积分）
（ 2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。
（ 3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。
图 7-12 各脉冲的波形和相位
(四 )面阵电荷耦合器件光敏区和存储区分开，
光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区 MOS的数量）
光敏区存储区读出寄存器七,CCD图像传感器应用
1,线阵 CCD器件检测工件尺寸
( 2 )L N d d M 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
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～
0,03mm。
2、文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。
读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。
驱动电路分类机构计算机细化二值化 处理传送带
CCD
透镜
1
分类箱
2 3
邮政编码识别系统八、位置敏感器件（ PSD）
PSD是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称光坐标电池。分为一维 PSD和二维 PSD。具有高灵敏度、高分辨力、响应速度快和配置电路简单的优点。
第三节 光纤传感器一,光纤传感器的基本知识
1,光纤结构由纤芯和包层组成 （ 石英玻璃 5—100um)（ n1>n2)。
外层一层尼龙保护套 。
2、传输原理光的全内反射是光纤传输光的基础。
（ 1）光的全反射条件光由纤芯到包层表面,由光的折射定律 。
。时，光在纤芯中全反射当为临界角此时全反射时，
C
CC
C
n
n
nn
1
2
21
s i n
90
s i ns i n
（ 2）数值孔径 NA
光由空气射入光纤端面，与轴成 角。
'
0 1 1
2
11
si n si n si n( 90 )
c os 1 si n
n n n
nn
2
2
2
10
2
2
2
12
1
2
2
10
ar cs i n1
1s i n
nnn
nn
n
n
nn
C
C
光全反射时，
即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）
传输。
。
（
。之为数值孔径反映光纤聚焦本领，称
2
2
2
1s i n
)4.02.0
s i n
nnNA
NA
NA
C
C
希望 NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有 2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。
C?
光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤模的概念光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为 2 的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。
模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。
模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。
/2 r N A?
（梯度型）（阶跃型）
光纤传输模的总数为
42
22
NN
芯径大，折射率差大（ NA大）,N大，多模。
芯径小到 6μm,折射率差小到 0.5%。 N=1光纤只能传输一定波长光，单模。
按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤二、光纤传感器功能型（传感型）和非功能型（传光型）。
1、功能型光纤用单模光纤，既传光又是敏感元件。
（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）
光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。
使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。
2、非功能型光纤（光通讯）
光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用 NA
较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。
增大传输光的通量。
光纤传感器 应用光强调制相位调制
Mach-Zehnder干涉原理图偏振调制光纤电流传感器三,光纤传感器 应用
1,光纤加速度传感器激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束 。 当传感器感受加速度时,由于质量块 M对上下光纤的作用,从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变 。 相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应 。
激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于汇合处 ） 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值 。
由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化
)
4
(
4
2
2
22
2
2
2
11
11
1
d
Sa
dE
Lmn
ma
SE
Ln
LnLn
Ln
L
相位变化为两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，
即而算出加速度。
由于光纤感受温度变化时，光纤的折射率发生变化，而且因光的热胀冷缩使长度变化。使光纤的光程差及相位变化。可测温度和压力。
2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）
C
光纤微弯对传播光的影响当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光外，一部分光透射进入包层。导致光能的损耗。输出光强度减小。
光纤微弯曲传感器第四节 光栅式传感器光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃上被均匀刻上许多宽度相等的刻线而制成。
a为刻线宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。
通常 a=b=W/2,也可刻成 a:b=1.1:0.9。
目前常用的光栅每毫米刻成 10,25,50、
100,250条线条。
一、计量光栅的种类在几何量精密测量领域内，光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。
1．长光栅刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为光栅尺，
用于测量长度或直线位移。
根据栅线型式的不同，长光栅分黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以叫振幅光栅。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光珊。
根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。
2．圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，
用来测量角度或角位移。
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅 。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切二,莫尔条纹
（ 1）概念当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于 挡光效应,两块光栅刻线的相交处形成亮带，
而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为,莫尔条纹,。
（一）莫尔条纹的形成
12
22
1 2 1 22 c o s
WWB
W W W W?
长光栅莫尔条纹周期
2
1
( 1 )
c o s 2
Wt g c t g
W
由几何光学理论可得长光栅莫尔条纹的斜率为,
(二 )莫尔条纹的特性
1．运动对应关系
2．位移放大作用光栅移动一个栅距 W时,莫尔条纹移动一个间距 B,
莫尔条纹的间距 B与两光栅线纹夹角 θ之间的关系为,
B =W/sinθ≈W/θ
放大倍数为 1/ θ,θ越小,B越大。
例如 θ=0.1° 时
θ=0.1° =0.1× 2π/360 =0.00175432rad
W=0.02mm BH=11.4592mm。
3,误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用 。
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微 。 能在很大程度上消除短周期误差的影响 。
例 W=0.02mm,接收元件尺寸 10× 10mm2,在
10mm范围内有 500条刻线参与工作,某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响 。
(三 )莫尔条纹的种类
1．长光栅的莫尔条纹
(1)横向莫尔条纹两光栅的光栅栅距相等 栅线的夹角为 θ，则有
2
2 s i n
2
tg tg
W
B
说明莫尔条纹的方向与光栅的移动方向 (x方向 )只差 θ ／ 2
角。由于 θ 角根小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为 横向莫尔条纹 。
(2)光闸莫尔条纹两光栅的光栅栅距相等
12W W W
，栅线的夹角
θ＝ 0时：
宽度 B趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为 光闸莫尔条纹 。两光栅相对移动一个栅距，
视场上的亮度明暗变化一次。
2．圆光栅的莫尔条纹
(1)径向光栅的莫尔条纹
① 圆弧形莫尔条纹
② 光闸莫尔条纹
（ 2）切向光栅的莫尔条纹环形莫尔条纹的突出优点是具有全光栅的平均效应，因而用于高精度测量和圆光栅分度误差的检验。
两块切向相同，栅距角相同的切线光栅线面相对同心重合时，形成环形莫尔条纹。
三、光栅式传感器应用
(一 )透射式光栅 位移 传感器指示光栅不动，标尺光栅随工作台移动，
工作台每移动一个栅距，移过一个莫尔条纹间距，光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,
则将光信号转换为电信号,输出的幅值可用光栅位移量 x的正弦函数表示,以电压输出而言,
0
2s in ( )
2m
xU U U
W
将输出的电压信号经过放大,整形变为方波,
经微分电路转换成脉冲信号,再经过辨向电路和可逆计数器计数,则可以数字形式实时地显示出位移量的大小。
光栅位移与光强及输出的电压的关系设计数器记得脉冲数为 N,位移
x=N W
光栅测量位移属于增量式测量 。
位移是矢量,除了确定其大小之外,还应确定其方向 。
可动光栅片向前或向后移动时,莫尔条纹都是作明暗交替的变化,从而无法判别光栅移动的方向 。
在相隔 1/4条纹间距的位置上放置两个光电元件,
得到两个相位差 π/2的电信号 U1和 U2,经过整形后得两个方波信号 U1ˊ 和 U2ˊ 。
当光栅沿 A方向移动时,莫尔条纹向 B向移动 。
U2 超前 U1 90° 。 U1ˊ 经微分电路后产生的脉冲
（ 如图中实线所示 ） 正好发生在 U2ˊ 的,1”电平时,
从而经 Y1输出一个加计数脉冲 ; 而 U1ˊ 经反相并微分后产生的脉冲 （ 如图中虚线所示 ） 则与 U2ˊ 的,0”
电平相遇,与门 Y2被阻塞,无脉冲输出 。
辨向原理图在光栅沿 A方向移动时,莫尔条纹向 B向移动 。
U1 超前 U2 90° 。 U1ˊ 的微分脉冲发生在 U2ˊ 为,0”
电平时,与门 Y1无脉冲输出 ; 而 U1ˊ 的反相微分脉冲则发生在 U2ˊ 的,1”电平时,与门 Y2输出一个减计数脉冲 。 则说明 U2ˊ 的电平状态作为与门的控制信号,
来控制在不同的移动方向时,U1ˊ 所产生的脉冲输出路线 。 这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲,再将其输入可逆计数器,实时显示出相对于某个参考点的位移量 。
U2ˊ 为控制信号 。 U1ˊ 产生计数脉冲 。
细分技术目的,提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。
细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出 n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的 1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之为 n倍频。
细分类型：
电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。
1,四倍频细分在相差 B/4位置上安放两个光电元件,得到两个相差
π/2电压信号 （ S和 C）,将这两个信号整形,反相得到四个依次相差 π/2的电压信号 。 0° （ S）,90°
（ C） 180° （ S） 270° （ C） 。
在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
光栅 A向（右移），
莫尔条纹 B向（下移，）
光电元件 1先感光（ C），
光电元件 2（ S）后感光。
1电压相位超前 2电压相位
90° 。
Q+=ds/dt C+dc/dt S+ds /dt C
+dc/dt S
S与 C信号经过整形电路、微分电路、反相器、与门及或门实现加减计数脉冲输出。
电位器桥（电阻链）细分
（ 1）实现方法及原理四细分后得到的四个相位差为 90度的交流信号
U m sinθ U m cosθ — U m sinθ — U m cosθ。以这四个交流信号为原函数（，两两原函数间各接 12个电位器，构成电位器桥，把 θ=0— 360度
（ x=0— W）分成四个象限。
每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，
电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。
可以推出 u i=Um sin(θ－ i/48 × 2π)
X从 0到 W变化,θ 从 0到 1/48 × 2π,2/48 × 2π，
47/48 × 2π,2 π变化,48个电位器中间抽头输出
48个新函数,48次过零，过零信号经鉴零器、整形等处理，输出 48个脉冲，达到细分。每一个脉冲代表 W/48位移量。
（ 2）电路实现可以证明，当① u i =U msin (θ－ i/48 × 2π)
② R’I /R’’I = tg i/48 × 2π 时，保证 u i =0。
+ +
整形整形
Q+Q-
S C
四、光学编码器编码器的种类很多。 按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器。 由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的,因此旋转式编码器应用更为广泛。
光学编码器是一种绝对式编码器，不需要基准数据及计数系统,它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。
由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。
码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区 。
码盘构造如图,它是一个 6位二进制码盘 。 当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经狭缝后,由光敏元件所接收 。 光敏元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号,前者为,1”,后者为,0”。 当码盘旋至不同位置时,光敏元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位移大小 。
绝对码编码器
a) 二进码 b)循环码
光电式传感器的工作原理是：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号 。
第一节 光源一、热辐射光源二、气体放电光源三、电致发光器件－－发光二极管四、激光器
1.气体激光器
2.固体激光器
3.半导体激光器第二节 光电器件光电器件的作用是将光信号转变为电电信号 。
其工作的物理基础是光电效应 。
h gR?h E
内光电效应：光作用，使光电器件的电阻率变化。
器件：光敏电阻。
阻挡层光电效应：光作用，使光电器件产生一定方向的电动势。
器件：光电池，光敏二极管、光敏三极管。
光电器件按探测原理分为：热探测型和光子探测型一、热探测器,
基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器
（一）测辐射热电偶
（二）测辐射热敏电阻
（三）热释电探测器二、光子探测器基于一些物质的光电效应光子的能量与频率的关系为
E hf?
（一）光电发射探测器光电管结构在一个真空泡内装有两个电极：光电阴极和光电阳极。
光电阴极通常是用逸出功小的光敏材料徐敷在玻璃泡内壁上做成，其感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，
这些电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。
光电倍增管由于真空光电管的灵敏度较低，因此人们便研制了光电倍增管，其工作原理如下图。
光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件 。 光电池在有光线作用下实质就是电源,电路中有了这种器件就不需要外加电源 。
光电池的工作原理是基于,光生伏特效应,。 它实质上是一个大面积的 PN结,当光照射到 PN结的一个面,例如 p型面时,若光子能量大于半导体材料的禁带宽度,那么 p型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴,电子空穴对从表面向内迅速扩散,在结电场的作用下,最后建立一个与光照强度有关的电动势 。
光电池工作原理图
uA
输出电流
mV
输出电压
（１）光照特性反映短路电流、开路电压与光照度的关系。
短路电流在很大范围内与光照强度成线性关系,光电池工作于短路电流状态，可做检测元件。
开路电压（负载电阻 RL无限大时）与光照度的关系是非线性的,并且当照度在 2000 lx时就趋于饱和了。光电池工作于开路电压状态，可做开关元件。
光电池的基本特性
J
M
J1
12V
2A
9012
51K
L
39470uf
4001
～
自动干手器手放入干手器时，手遮住灯泡发出的光，光电池不受光照，晶体管基极正偏而导通，继电器吸合。风机和电热丝通电，热风吹出烘手。手干抽出后，灯泡发出光直接照射到光电池上，
产生光生电动势，使三极管基射极反偏而截止，
继电器释放，从而切断风机和电热丝的电源。
光照度定义为电位面积上所接收的光的辐射能通量。单位勒克斯。 Lx (W/m2)
(2) 温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况 。
开路电压随温度升高而下降的速度较快,
短路电流随温度升高而缓慢增加 。
把光电池作为测量器件应用时,应保证温度恒定或采取温度补偿措施 。
（二）光电导探测器采用半导体材料并利用内光电效应组成，在光线作用下其电阻值变小。这种现象称为光导效应，具有光导效应的材料称为光敏电阻，也叫光导管。
一、
１,光敏电阻的结构与工作原理光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性,纯粹是一个电阻器件,使用时既可加直流电压,也可以加交流电压。无光照时,光敏电阻值（暗电阻）很大,电路中电流（暗电流）很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时,它的阻值（亮电阻）急剧减少,电路中电流迅速增大。
一般希望暗电阻越大越好,亮电阻越小越好,此时光敏电阻的灵敏度高。 实际光敏电阻的暗电阻值一般在兆欧级,亮电阻在几千欧以下。
2.光敏电阻的结构为了防止周围介质的影响,在半导体光敏层上覆盖了一层漆膜,漆膜的成分应使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大 。
它是涂于玻璃底板上的一薄层半导体物质,半导体的两端装有金属电极,
金属电极与引出线端相连接,光敏电阻就通过引出线端接入电路。
3,光敏电阻的主要参数
（ １ ） 暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,
此时流过的电流称为暗电流 。
（ ２ ） 亮电阻光敏电阻在受光照射时的电阻称为亮电阻,
此时流过的电流称为亮电流 。
（ ３ ） 光电流亮电流与暗电流之差称为光电流 。
4,光敏电阻的基本特性
（ 1） 伏安特性,在一定照度下,流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系
①一定光照,R一定,I正比于 U。
②一定电压,I随着光照 E增强而增大。
E↑→R↓→I↑。
(2) 光照特性（ I～ E）
光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。
如光照度计：农作物日照时数测定。
wR
9013
CR
GR
A 0V
无光照 V0=VL 。 有光照 V0=VH。
输出接单片机的 I/O口，每 2分钟对此口查询 1次，为高电平，
计数一次，为低电平，不计数。 1天查询 720次。
)(247 2 0 hNH
（ 3） 光谱特性 （ Kr%～ ）
光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性 。 亦称为光谱响应 。
%100%
m a x0
0
I
IK
r
① 不同材料，其峰值波长不同。
②同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。
应根据光源的性质，选择合适的光电元件，
（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。
（ 4） 温度特性温度变化影响光敏电阻的光谱响应 。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性曲线,它的峰值随着温度上升向波长短的方向移动 。 因此,硫化铅光敏电阻要在低温,恒温的条件下使用 。 对于可见光的光敏电阻,其温度影响要小一些 。
（ 2）光敏电阻工作原理内光电效应。
光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。
h gE?
导带价带
uA
gR
E I
要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足
ghE
或
g
hc
E
0
1293
()
g
nm
E
刚好产生内光电效应的临界波长为需光子能量越高。越小越大,,0?gE?
制作光敏电阻的材料一般是金属硫化物和金属硒化物。
（三）光电结型探测器
1.光电二极管工作原理与光电导型探测器相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变成电信号，光生电流与光强成正比。
没有光照射时,反向电阻很大,反向电流很小,这反向电流称为暗电流。二极管处于截止状态。
当光照射在 PN结上时,光子打在 PN结附近,使 PN结附近产生光生电子和光生空穴对。它们在 PN结处的内电场作用下作定向运动,形成光电流。二极管处于导通状态。
光的照度越大,光电流越大。
3.PIN结构光电二极管具有较高灵敏度和响应速度
2.雪崩二极管是一种具有内部电流倍增放大作用的光电二极管。
4.光电三级管光电三极管比具有相同有效面积的光电二极管的光电流大几十至几百倍，但相应速度较二极管差。
工作原理
（ 1）光电转换
（ 2）电流放大基极开路,集电极与发射极之间加正电压 。 当光照射在集电结上时,在结附近产生电子 -空穴对,电子在结电场的作用下,由 P区向 N区运动,形成基极电流,放大 β倍形成集电极电流 （ 光电流 ）,所以光电三极管有放大作用 。
N P NC
B
E
-
+ - R
U
I
(四 ),光电耦合器件
1．
光电耦合器的发光和接收元件都封装在一个外壳内,一般有金属封装和塑料封装两种 。 发光元件为发光二极管,受光元件为光敏三极管或光敏可控硅 。 它以光为媒介,实现输入电信号耦合到输出端 。
特点,① 强弱电隔离 。
输入输出极之间绝缘电阻达 1010。 耐压达 2000V以上 。
能避免输出端对输入端地线等的干扰 。
② 对系统内部噪声有很强的抑制作用。
发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，
对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）
光电耦合器的组合形式应用于自动控制电路中的强弱电隔离。
2,光电开关光电开关在制造业自动化包装线及安全装置中作光控制和光探测装置 。 可实现限位控制,产品计数,料位检测,越限安全报警及计算机输入接口等用途 。
光电开关结构：透射式和反射式的光电开关 。
利用输出电平的状态判断有无被测物 。
基本电路（透射式）
（ a)(c)无被测物，输出高电平；有被测物，输出低电平。
(b)无被测物，输出低电平；有被测物，输出高电平。
五、光电传感器的类型按输出量的性质分两大类
1,模拟量光电传感器检测系统
（ 1）辐射式物体辐射能量到到光电接受元件，根据测出光电流确定辐射物内部参数。
4
0
4
TMV
T
TM
e
e
光电元件输出电压绝对温度波尔兹曼常数斯特藩比辐射率物体辐射能量为如测炽热金属，用光电比色高温计。暖气热量计量中用热分配表测暖气消耗的热量。
（ 2）透射式被测物置于恒光源于光电元件之间，根据被测物对光源的吸收程度测定被测参数。
对气体的成分分析。 如测气体的透明度、混浊度越小。浓度越高，
的浓度，吸收系数）正比于介质一定，
I
l
eII
l
(
0
(3) 反射式恒光源发出的光照射到被测物表面上，再从表面放射到光电元件上。 根据反射光通量的大小测定被测物表面的性质和状态。 如表面的缺欠、粗糙度。
如用 Y型光纤扫描式检测弹头缺欠。
无缺欠，反射光恒定。
有缺欠，对光的吸收增强，反射光减弱，输出有跳变。接示波器可显示出波形。
（ 4）遮挡式测工件尺寸。
2、开关量光电传感器光电式转速表。
旋转盘与指示盘开有相同间距的缝隙。当旋转盘转动时，每转过一条缝隙，光线便产生一次明暗变化，光电元件感光一次。光电流变化曲线如图。经整形电路变为矩形脉冲信号。
送计数器（单片机），由公式算出转速。
六、光电耦合器件电荷耦合器件（ Charge Couple Device,简称
CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（ MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和电荷的转移输出。 广泛应用于自动控制和自动测量,尤其 适用于图像识别技术 。
(一 )MOS光敏单元
CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。 CCD器件的基本单元结构是 MOS
（金属 —氧化物 —半导体）结构。即在 P型硅衬底上生长一层 S iO2 (120nm),再在 S iO2层上沉积金属铝构成 MOS结构，它是 CCD器件的最小工作单元。
A、势阱的产生
MOS的金属电极加正压，电极下的 P型硅区域内空穴被赶尽，留下带负电荷的负离子，其中无导电的载流子，形成耗尽层。它是电子的势阱。势阱的深浅取决于 U的大小。
B、电荷的存储势阱具有存储电荷的功能，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。
CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是 CCD器件中上千个相互独立的 MOS
单元势阱中存储与光像对应的电荷量。
(二 )读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个
MOS元位置转移到另一个 MOS元位置，
并依次转移并传输出来。
A、电荷的定向转移当外加电压一定时，势阱的深度随势阱中的电荷量的增加而线性减少。由此通过控制相邻 MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。
要求：
多个 MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。
金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。
B、三相 CCD电极的结构
MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由 3个相位差 120° 时钟脉冲驱动。
1 2 31 4 7 2 5 8 3 6 9驱动（，，） 驱动（,，） （驱动,，）
1 1 2 3 100 1t时刻,为（ ），组电极下形成深势阱，
势阱中存储电荷形成电荷包。
2 3 1 2
12
12
tt时刻至 时刻,电压线性减小,为高电平，
组电极下的势阱变浅，组电极下形成深势阱，
电荷从 组电极下逐渐转移到 组电极下。
向右移，直至输出。、、、依此类推，电荷由势阱中。电荷逐渐全部移入至
N
tt
4321
243?
C、电荷的输出在输出端 P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在 PN结形成耗尽层。输出栅 OG加压使电荷转移到二极管的耗尽区，作为二极管的少数载流子形成反向电流输出。输出电流的大小与电荷大小成正比，
通过负载变为电压输出。
3? 1? 2? 3? OG
n
iU
LR
0U
SiP
0I
输出二极管电流法
(三 )线阵电荷耦合器件线阵 CCD结构原理图
（ 1）光照光敏元，各光敏元中的光敏二极管产生光生电子空穴对，电子注入对应的
MOS势阱中，光像变为电像 —电荷包。（光积分）
（ 2）积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。
（ 3）转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。
图 7-12 各脉冲的波形和相位
(四 )面阵电荷耦合器件光敏区和存储区分开，
光敏区在积分时间内，产生与光像对应的电荷包，在积分周期结束后，利用时钟脉冲将整帧信号转移到读出寄存器。然后，整帧信号再向下移，进入水平读出移位寄存器，串行输出。（一帧对应光敏区 MOS的数量）
光敏区存储区读出寄存器七,CCD图像传感器应用
1,线阵 CCD器件检测工件尺寸
( 2 )L N d d M 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
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～
0,03mm。
2、文字图像识别系统邮政编码识别系统。写有邮政编码的信封放在传送带上，传感器光敏元的排列方向与信封的运动方向垂直，光学镜头将编码的数字聚焦到光敏元上。当信封运动时，传感器以逐行扫描的方式把数字依次读出。
读出的数字经二值化等处理，与计算机中存储的数字特征比较，最后识别出数字码。由数字码，计算机控制分类机构，把信件送入相应分类箱中。
驱动电路分类机构计算机细化二值化 处理传送带
CCD
透镜
1
分类箱
2 3
邮政编码识别系统八、位置敏感器件（ PSD）
PSD是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称光坐标电池。分为一维 PSD和二维 PSD。具有高灵敏度、高分辨力、响应速度快和配置电路简单的优点。
第三节 光纤传感器一,光纤传感器的基本知识
1,光纤结构由纤芯和包层组成 （ 石英玻璃 5—100um)（ n1>n2)。
外层一层尼龙保护套 。
2、传输原理光的全内反射是光纤传输光的基础。
（ 1）光的全反射条件光由纤芯到包层表面,由光的折射定律 。
。时，光在纤芯中全反射当为临界角此时全反射时，
C
CC
C
n
n
nn
1
2
21
s i n
90
s i ns i n
（ 2）数值孔径 NA
光由空气射入光纤端面，与轴成 角。
'
0 1 1
2
11
si n si n si n( 90 )
c os 1 si n
n n n
nn
2
2
2
10
2
2
2
12
1
2
2
10
ar cs i n1
1s i n
nnn
nn
n
n
nn
C
C
光全反射时，
即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）
传输。
。
（
。之为数值孔径反映光纤聚焦本领，称
2
2
2
1s i n
)4.02.0
s i n
nnNA
NA
NA
C
C
希望 NA越大越好。它表明无论光源发射功率多大，只有 2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。
C?
光纤分类：按传输模式分单模光纤、多模光纤模的概念光纤传输光波，可分解为沿纵向和横向传输两种平面波成分。横向波在纤芯和包层界面上产生全反射。当它在横向往返依次的相位变化为 2 的整数倍时，形成驻波。形成驻波的光线组成为模。
模是离散存在的。一定材质一定尺寸的光纤只能传输特定模数的光波。
模的确定光纤传输模数由归一化频率确定。
/2 r N A?
（梯度型）（阶跃型）
光纤传输模的总数为
42
22
NN
芯径大，折射率差大（ NA大）,N大，多模。
芯径小到 6μm,折射率差小到 0.5%。 N=1光纤只能传输一定波长光，单模。
按折射率分布：阶跃型光纤和梯度型光纤二、光纤传感器功能型（传感型）和非功能型（传光型）。
1、功能型光纤用单模光纤，既传光又是敏感元件。
（单模光纤只能传输某一角度和波长的单色光）
光纤的传输特性受被测物理量作用而发生变化。
使光纤中传输光的属性（相位、强度、波长、偏振态）被调制。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。
2、非功能型光纤（光通讯）
光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率。非功能型光纤传感器采用 NA
较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。
增大传输光的通量。
光纤传感器 应用光强调制相位调制
Mach-Zehnder干涉原理图偏振调制光纤电流传感器三,光纤传感器 应用
1,光纤加速度传感器激光束通过分光板后分为两束光,透射光作为参考光束,反射光作为测量光束 。 当传感器感受加速度时,由于质量块 M对上下光纤的作用,从而使光纤被拉伸,引起光程差的改变 。 相位改变的激光束由单模光纤射出后与参考光束会合产生干涉效应 。
激光干涉仪的干涉条纹的移动可由光电接收装置转换为电信号,(光电探测器置于汇合处 ） 经过处理电路处理后便可正确地测出加速度值 。
由于光纤长度的变化，引起光束光程差的变化
)
4
(
4
2
2
22
2
2
2
11
11
1
d
Sa
dE
Lmn
ma
SE
Ln
LnLn
Ln
L
相位变化为两束光经干涉仪产生相干条纹，相干条纹移过的数目与相位差成正比。一般用光电探测器计下干涉条纹移过的数目，经处理电路可算出相位差，
即而算出加速度。
由于光纤感受温度变化时，光纤的折射率发生变化，而且因光的热胀冷缩使长度变化。使光纤的光程差及相位变化。可测温度和压力。
2、光纤微弯曲位移和压力传感器（光强调制型）
C
光纤微弯对传播光的影响当光线射入微弯曲段时，入射角小于临界角。此时，除反射光外，一部分光透射进入包层。导致光能的损耗。输出光强度减小。
光纤微弯曲传感器第四节 光栅式传感器光栅是在一块长条型（圆形）光学玻璃上被均匀刻上许多宽度相等的刻线而制成。
a为刻线宽度,b为缝隙宽度,a+b=W称为光栅的栅距（也称光栅常数）。
通常 a=b=W/2,也可刻成 a:b=1.1:0.9。
目前常用的光栅每毫米刻成 10,25,50、
100,250条线条。
一、计量光栅的种类在几何量精密测量领域内，光栅按其用途分长光栅和圆光栅两类。
1．长光栅刻划在玻璃尺上的光栅称为长光栅，也称为光栅尺，
用于测量长度或直线位移。
根据栅线型式的不同，长光栅分黑白光栅和闪耀光栅。黑白光栅是指只对入射光波的振幅或光强进行调制的光栅，所以叫振幅光栅。闪耀光栅是对入射光波的相位进行调制，也称相位光珊。
根据光线的走向，长光栅还分为透射光栅和反射光栅。
2．圆光栅刻划在玻璃盘上的光栅称为圆光栅也称光栅盘，
用来测量角度或角位移。
若按光线的走向，圆光栅只有透射光栅 。
根据栅线刻划的方向，圆光栅分两种，一种是径向光栅，其栅线的延长线全部通过光栅盘的圆心；另一种是切向光栅，其全部栅线与一个和光栅盘同心的直径只有零点儿或几个毫米的小圆相切二,莫尔条纹
（ 1）概念当指示光栅和标尺光栅的刻线相交一个微小的夹角时,光源照射光栅尺，由于 挡光效应,两块光栅刻线的相交处形成亮带，
而在刻线彼此错开处形成暗带。在与光栅线纹大致垂直的方向上,产生出亮暗相间的条纹,这些条纹称为,莫尔条纹,。
（一）莫尔条纹的形成
12
22
1 2 1 22 c o s
WWB
W W W W?
长光栅莫尔条纹周期
2
1
( 1 )
c o s 2
Wt g c t g
W
由几何光学理论可得长光栅莫尔条纹的斜率为,
(二 )莫尔条纹的特性
1．运动对应关系
2．位移放大作用光栅移动一个栅距 W时,莫尔条纹移动一个间距 B,
莫尔条纹的间距 B与两光栅线纹夹角 θ之间的关系为,
B =W/sinθ≈W/θ
放大倍数为 1/ θ,θ越小,B越大。
例如 θ=0.1° 时
θ=0.1° =0.1× 2π/360 =0.00175432rad
W=0.02mm BH=11.4592mm。
3,误差的平均效应光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用 。
莫尔条纹由光栅的大量刻线形成,对线纹的刻划误差有平均抵消作用,几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微 。 能在很大程度上消除短周期误差的影响 。
例 W=0.02mm,接收元件尺寸 10× 10mm2,在
10mm范围内有 500条刻线参与工作,某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响 。
(三 )莫尔条纹的种类
1．长光栅的莫尔条纹
(1)横向莫尔条纹两光栅的光栅栅距相等 栅线的夹角为 θ，则有
2
2 s i n
2
tg tg
W
B
说明莫尔条纹的方向与光栅的移动方向 (x方向 )只差 θ ／ 2
角。由于 θ 角根小，条纹近似与栅线的方向垂直，故称为 横向莫尔条纹 。
(2)光闸莫尔条纹两光栅的光栅栅距相等
12W W W
，栅线的夹角
θ＝ 0时：
宽度 B趋于无穷大，两光栅相对移动时，对入射光就像闸门一样时启时闭，故称为 光闸莫尔条纹 。两光栅相对移动一个栅距，
视场上的亮度明暗变化一次。
2．圆光栅的莫尔条纹
(1)径向光栅的莫尔条纹
① 圆弧形莫尔条纹
② 光闸莫尔条纹
（ 2）切向光栅的莫尔条纹环形莫尔条纹的突出优点是具有全光栅的平均效应，因而用于高精度测量和圆光栅分度误差的检验。
两块切向相同，栅距角相同的切线光栅线面相对同心重合时，形成环形莫尔条纹。
三、光栅式传感器应用
(一 )透射式光栅 位移 传感器指示光栅不动，标尺光栅随工作台移动，
工作台每移动一个栅距，移过一个莫尔条纹间距，光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化,
则将光信号转换为电信号,输出的幅值可用光栅位移量 x的正弦函数表示,以电压输出而言,
0
2s in ( )
2m
xU U U
W
将输出的电压信号经过放大,整形变为方波,
经微分电路转换成脉冲信号,再经过辨向电路和可逆计数器计数,则可以数字形式实时地显示出位移量的大小。
光栅位移与光强及输出的电压的关系设计数器记得脉冲数为 N,位移
x=N W
光栅测量位移属于增量式测量 。
位移是矢量,除了确定其大小之外,还应确定其方向 。
可动光栅片向前或向后移动时,莫尔条纹都是作明暗交替的变化,从而无法判别光栅移动的方向 。
在相隔 1/4条纹间距的位置上放置两个光电元件,
得到两个相位差 π/2的电信号 U1和 U2,经过整形后得两个方波信号 U1ˊ 和 U2ˊ 。
当光栅沿 A方向移动时,莫尔条纹向 B向移动 。
U2 超前 U1 90° 。 U1ˊ 经微分电路后产生的脉冲
（ 如图中实线所示 ） 正好发生在 U2ˊ 的,1”电平时,
从而经 Y1输出一个加计数脉冲 ; 而 U1ˊ 经反相并微分后产生的脉冲 （ 如图中虚线所示 ） 则与 U2ˊ 的,0”
电平相遇,与门 Y2被阻塞,无脉冲输出 。
辨向原理图在光栅沿 A方向移动时,莫尔条纹向 B向移动 。
U1 超前 U2 90° 。 U1ˊ 的微分脉冲发生在 U2ˊ 为,0”
电平时,与门 Y1无脉冲输出 ; 而 U1ˊ 的反相微分脉冲则发生在 U2ˊ 的,1”电平时,与门 Y2输出一个减计数脉冲 。 则说明 U2ˊ 的电平状态作为与门的控制信号,
来控制在不同的移动方向时,U1ˊ 所产生的脉冲输出路线 。 这样就可以根据运动方向正确的给出加计数脉冲或减计数脉冲,再将其输入可逆计数器,实时显示出相对于某个参考点的位移量 。
U2ˊ 为控制信号 。 U1ˊ 产生计数脉冲 。
细分技术目的,提高分辨力（测量比栅距更小的位移量）。
细分思想：在一个栅距即一个莫尔条纹信号变化周期内,发出 n脉冲,每个脉冲代表原来栅距的 1/n。由于细分后计数脉冲频率提高了 n倍,因此也称之为 n倍频。
细分类型：
电子细分又分为四倍频直接细分和电位器桥细分。
1,四倍频细分在相差 B/4位置上安放两个光电元件,得到两个相差
π/2电压信号 （ S和 C）,将这两个信号整形,反相得到四个依次相差 π/2的电压信号 。 0° （ S）,90°
（ C） 180° （ S） 270° （ C） 。
在光栅作相对运动时，经过微分电路，在正向运动时，得到四个微分脉冲（加计数脉冲）；反向运动时，得到四个微分脉冲（减计数脉冲）。
光栅 A向（右移），
莫尔条纹 B向（下移，）
光电元件 1先感光（ C），
光电元件 2（ S）后感光。
1电压相位超前 2电压相位
90° 。
Q+=ds/dt C+dc/dt S+ds /dt C
+dc/dt S
S与 C信号经过整形电路、微分电路、反相器、与门及或门实现加减计数脉冲输出。
电位器桥（电阻链）细分
（ 1）实现方法及原理四细分后得到的四个相位差为 90度的交流信号
U m sinθ U m cosθ — U m sinθ — U m cosθ。以这四个交流信号为原函数（，两两原函数间各接 12个电位器，构成电位器桥，把 θ=0— 360度
（ x=0— W）分成四个象限。
每一个象限，由于电压的合成与电位器的移相作用，
电阻链上各电位器中间抽头得到幅值各不相同的一系列移相信号（新函数）。
可以推出 u i=Um sin(θ－ i/48 × 2π)
X从 0到 W变化,θ 从 0到 1/48 × 2π,2/48 × 2π，
47/48 × 2π,2 π变化,48个电位器中间抽头输出
48个新函数,48次过零，过零信号经鉴零器、整形等处理，输出 48个脉冲，达到细分。每一个脉冲代表 W/48位移量。
（ 2）电路实现可以证明，当① u i =U msin (θ－ i/48 × 2π)
② R’I /R’’I = tg i/48 × 2π 时，保证 u i =0。
+ +
整形整形
Q+Q-
S C
四、光学编码器编码器的种类很多。 按其结构形式有直线式编码器和旋转式编码器。 由于许多直线位移是通过转轴的运动产生的,因此旋转式编码器应用更为广泛。
光学编码器是一种绝对式编码器，不需要基准数据及计数系统,它在任意位置都可给出与位置相对应的固定数字码输出。
由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、狭缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。
码盘由光学玻璃制成,其上刻有许多同心码道,每位码道上都有按一定规律排列的透光和不透光部分,即亮区和暗区 。
码盘构造如图,它是一个 6位二进制码盘 。 当光源将光投射在码盘上时,转动码盘,通过亮区的光线经狭缝后,由光敏元件所接收 。 光敏元件的排列与码道一一对应,对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号,前者为,1”,后者为,0”。 当码盘旋至不同位置时,光敏元件输出信号的组合,反映出按一定规律编码的数字量,代表了码盘轴的角位移大小 。
绝对码编码器
a) 二进码 b)循环码
