4.5 光栅传感器
4.5.1 光栅传感器的结构
4.5.2 莫尔条纹形成的原理
4.5.3 莫尔条纹技术的特点
4.5.4 光栅的光路
4.5.5 辨向原理
4.5.6 细分技术
4.5.1 光栅传感器的结构
? 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和
指示光栅）和光电接收元件组成。
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光栅传感器 光源,
? 钨丝灯泡,
输出功率较大，工作范围较宽（ -40℃ 到 +130℃ ）
与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击
条件下工作时，使用寿命将降低。
? 半导体发光器件,
转换效率高，响应特征快速。
如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换
效率最高可达 30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响
应速度约为几十 ns，可以使光源工作在触发状态，从
而减小功耗和热耗散。
。 上一页 下一页 返 回
光栅副：指示光栅＋主光栅
a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）
通常情况下,a=b=W/2
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光电元件
? 包括有 光电池 和 光敏三极管 等部分 。
? 在采用固态光源时, 需要选用敏感波长与光源
相接近的光敏元件, 以获得高的转换效率 。
在光敏元件的输出端, 常接有放大器, 通过放
大器得到足够的信号输出以防干扰的影响 。
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4.5.2 莫尔条纹形成的原理
2t a nt a n
?? ?
横向莫尔条纹的斜率
莫尔条纹间距
???
WWBC
ABB H ????
2
s i n2
2
s i n
莫尔条纹的宽度 BH由
光栅常数与光栅夹角决定
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4.5.3 莫尔条纹技术的特点
（ 1） 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度, 起到了
放大作用, 又提高了测量精度 。
（ 2） 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化, 便于将电信
号作进一步细分, 即采用, 倍频技术, 。 这样可以提
高测量精度或可以采用较粗的光栅 。
（ 3） 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻
线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。
因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。
这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。
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径向光栅进行角度测量
当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动,
测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。
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4.5.4 光栅的光路
? 透射光路
? 反射光路
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（ 1）透射式光路
1-光源
2-准直透镜
3-主光栅
4-指示光栅
5-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。
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（ 2）反射式光路
1反射主光栅
2-指示光栅
3-场镜
4-反射镜
5-聚光镜
6-光源
7-物镜
8-光电电池。
该光路适用于黑白反射光栅。
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4.5.5 辨向原理
单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号,
只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移
动方向, 因而就 不能判别运动零件的运动方向,
以致不能正确测量位移 。
如果能够在物体正向移动时, 将得到的脉冲数
累加, 而物体反向移动时可从已累加的脉冲数
中减去反向移动的脉冲数, 这样就能得到正确
的测量结果 。
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辨向光路设置
在相距的位置上设置两个光电元件 1和 2,
以得到两个相位互差 90° 的正弦信号
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辨向电路
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辨向。
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辨
向
电
路
各
点
波
形
图
4.5.6 细分技术
? 提高分辨力方法,
在选择合适的光栅栅距的前提下，以对
栅距进行测微，电子学中称“细分”，
来得到所需的最小读数值。
? 细分 就是在莫尔条纹变化一周期时，不
只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，
以减小脉冲当量提高分辨力。
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（ 1）直接细分
? 直接细分 又称 位置细分,常用的细分数为 4。
四细分可用 4个依次相距的光电元件，在莫尔
条纹的一个周期内将产生 4个计数脉冲，实现
了四细分。
? 优点,对莫尔条纹信号波形要求不严格, 电路
简单, 可用于静态和动态测量系统 。
缺点,光电元件安放困难, 细分数不能太高 。
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未
细
分(a)
与
细
分(b
)
的
波
形
比
较
（ 2）电阻电桥细分法（矢量和法）
2
21
1
1
21
2 e
RR
Re
RR
RU
sc ????
??
??
c o ss in
)s in (
?
?? AU
sc
α由细分数决定（即事先确
定 R1/R2） 用此信号去触发
施密特电路 (θ =- α)
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??? t a n21c o s2,s i n1 ??? RRAeAe,
令
有
电阻电桥细分法用于 10细分
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（ c）电阻链细分法（电阻分割法）
等电阻链细分电路
实质：用电阻衰减器来进行细分。
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第三章 其本要求
? 掌握不同类型的电容式传感器的原理及其用途，
并能设计电容式传感器。
? 理解与分析各种电容式传感器测量电路的特点。
? 了解杂散电容产生原因及解决方法。
? 理解电涡流式传感器的特点、工作原理及应用
方法。
? 了解压磁传感器的工作原理、结构形式、及参
数选取的方法。
第四章 其本要求
? 掌握光电效应及光电器件如：光敏电阻、光敏二极管、
光敏三极管、光电池的基本特性、工作原理和应用方
法。
? 熟悉电荷耦合器件结构原理、工作过程及特性。
? 熟悉码盘式传感器的工作原理、不同码制的特点和相
互转换的方法。
? 掌握光栅传感器结构及莫尔条纹的形成机理、特点以
及如何通过测量电路提高精度和辨向的方法。
? 熟悉光导纤维传光原理和结构形式。
? 掌握光纤传感器结构测量原理及分类、组成单元中光
纤的作用。
第 4章 习题
? 概念类,
? 1、光电效应分几类，说明其原理并指出相应的光电器件。
? 2、何谓光电池的开路电压和短路电流？为什么作为测量元
件时要采用 短路电流 输出的形式。
? 3、光电元件的 光谱特性 和 频率特性 的意义有何区别？在选
用光电元件时应怎样考虑这些特性。
? 4、试说明光栅传感器能测量很微小的位移？为什么能判别
位移的方向。
? 5、为什么光电二极管在不同的光照下的 伏安特性,在零偏
压时，有光电流输出？比较它的 伏安特性 与光敏三极管的
异同。
? 6、书上的习题（除第 2,9,12题）如 3, 5,7,8,10、
11。
等等，掌握光电传感器工作原理、基本特性、主要特点等。
? 计算、分析类,
? 一个 21码道的循环码盘，其最小的 分辨率 是多少？若
该角度对应的圆弧长度至少为 0.001mm,问 码盘直径
为多大？若 5码道循环码盘其最里面的码道输出,1”，
其它输出为,0”，问对应的 角度 为多少？
? 若某光栅的栅线密度为 50线 /mm,主光栅与指示光栅
之间的夹角为 0.01rad,若采用四只光敏二极管接收莫
尔条纹信号，并且光敏二极管 响应时间 为 10-6s，问此
光栅允许最快的运动速度为多少？（需先求出 莫尔间
距 ）
? 3、采用光学分析仪器测量含有一氧化碳的甲烷气体，
已知甲烷的吸收光谱带为 3.3微米及 7.2微米，而一氧
化碳的 吸收光谱 在 4.65微米处，问利用什么材料半导
体光电元件检测合适。
? 4、书上 9题（ 数值孔径、入射角 ）。
主要是基本特性参数的计算和分析。
? 综合类,
1、书上 2题。
2、试用光电二极管、或光敏电阻设计路灯自
动控制电路，使天黑亮、天亮熄。
3、用 CCD可用于文字识别或位置识别（如机
器人足球赛），试分析其的工作过程。
色敏光电传感器
P
+
N
P
SiO2
电极 1 电极 2
电极 3
1
2
3
色敏光电传感器和等效电路
色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊
类型 。 它是两只结深不同的的光电二极管组合体, 其结
构和工作原理的等效电路如图所示 。
双结光电二极管的 P+-N结为浅结, N-P结为深结 。当光
照射时,P+,N,P三个区域及其间的势垒区均有光子吸
收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经
过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高
灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处
被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导
体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一
特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的
组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。
具体使用时，首先对该色敏器件进行标定，也就是测
定在不同波长光照射下，深结的短路电流 ISD2与浅结的
短路电流 ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在长波区较大，
ISD1在短波区较大；因而 ISD2 / ISD1与入射单色光波长的
关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光
的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
用于光学文字识别装置
光学文字识别装置 (OCR)原理
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4.5.1 光栅传感器的结构
4.5.2 莫尔条纹形成的原理
4.5.3 莫尔条纹技术的特点
4.5.4 光栅的光路
4.5.5 辨向原理
4.5.6 细分技术
4.5.1 光栅传感器的结构
? 光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和
指示光栅）和光电接收元件组成。
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光栅传感器 光源,
? 钨丝灯泡,
输出功率较大，工作范围较宽（ -40℃ 到 +130℃ ）
与光电元件相组合的转换效率低。在机械振动和冲击
条件下工作时，使用寿命将降低。
? 半导体发光器件,
转换效率高，响应特征快速。
如砷化镓发光二极管，与硅光敏三极管相结合，转换
效率最高可达 30%左右。砷化镓发光二极管的脉冲响
应速度约为几十 ns，可以使光源工作在触发状态，从
而减小功耗和热耗散。
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光栅副：指示光栅＋主光栅
a+b=W称为光栅的栅距（或光栅常数）
通常情况下,a=b=W/2
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光电元件
? 包括有 光电池 和 光敏三极管 等部分 。
? 在采用固态光源时, 需要选用敏感波长与光源
相接近的光敏元件, 以获得高的转换效率 。
在光敏元件的输出端, 常接有放大器, 通过放
大器得到足够的信号输出以防干扰的影响 。
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4.5.2 莫尔条纹形成的原理
2t a nt a n
?? ?
横向莫尔条纹的斜率
莫尔条纹间距
???
WWBC
ABB H ????
2
s i n2
2
s i n
莫尔条纹的宽度 BH由
光栅常数与光栅夹角决定
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4.5.3 莫尔条纹技术的特点
（ 1） 调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度, 起到了
放大作用, 又提高了测量精度 。
（ 2） 莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化, 便于将电信
号作进一步细分, 即采用, 倍频技术, 。 这样可以提
高测量精度或可以采用较粗的光栅 。
（ 3） 光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻
线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的 影响。
因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。
这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。
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径向光栅进行角度测量
当标尺光栅相对于指示光栅转动时，条纹即沿径向移动,
测出条纹移动数目，即可得到标尺光栅相对指示光栅转动的角度。
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4.5.4 光栅的光路
? 透射光路
? 反射光路
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（ 1）透射式光路
1-光源
2-准直透镜
3-主光栅
4-指示光栅
5-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。
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（ 2）反射式光路
1反射主光栅
2-指示光栅
3-场镜
4-反射镜
5-聚光镜
6-光源
7-物镜
8-光电电池。
该光路适用于黑白反射光栅。
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4.5.5 辨向原理
单个光电元件接收一固定点的莫尔条纹信号,
只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移
动方向, 因而就 不能判别运动零件的运动方向,
以致不能正确测量位移 。
如果能够在物体正向移动时, 将得到的脉冲数
累加, 而物体反向移动时可从已累加的脉冲数
中减去反向移动的脉冲数, 这样就能得到正确
的测量结果 。
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辨向光路设置
在相距的位置上设置两个光电元件 1和 2,
以得到两个相位互差 90° 的正弦信号
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辨向电路
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辨向。
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辨
向
电
路
各
点
波
形
图
4.5.6 细分技术
? 提高分辨力方法,
在选择合适的光栅栅距的前提下，以对
栅距进行测微，电子学中称“细分”，
来得到所需的最小读数值。
? 细分 就是在莫尔条纹变化一周期时，不
只输出一个脉冲，而是输出若干个脉冲，
以减小脉冲当量提高分辨力。
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（ 1）直接细分
? 直接细分 又称 位置细分,常用的细分数为 4。
四细分可用 4个依次相距的光电元件，在莫尔
条纹的一个周期内将产生 4个计数脉冲，实现
了四细分。
? 优点,对莫尔条纹信号波形要求不严格, 电路
简单, 可用于静态和动态测量系统 。
缺点,光电元件安放困难, 细分数不能太高 。
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未
细
分(a)
与
细
分(b
)
的
波
形
比
较
（ 2）电阻电桥细分法（矢量和法）
2
21
1
1
21
2 e
RR
Re
RR
RU
sc ????
??
??
c o ss in
)s in (
?
?? AU
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α由细分数决定（即事先确
定 R1/R2） 用此信号去触发
施密特电路 (θ =- α)
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??? t a n21c o s2,s i n1 ??? RRAeAe,
令
有
电阻电桥细分法用于 10细分
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（ c）电阻链细分法（电阻分割法）
等电阻链细分电路
实质：用电阻衰减器来进行细分。
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第三章 其本要求
? 掌握不同类型的电容式传感器的原理及其用途，
并能设计电容式传感器。
? 理解与分析各种电容式传感器测量电路的特点。
? 了解杂散电容产生原因及解决方法。
? 理解电涡流式传感器的特点、工作原理及应用
方法。
? 了解压磁传感器的工作原理、结构形式、及参
数选取的方法。
第四章 其本要求
? 掌握光电效应及光电器件如：光敏电阻、光敏二极管、
光敏三极管、光电池的基本特性、工作原理和应用方
法。
? 熟悉电荷耦合器件结构原理、工作过程及特性。
? 熟悉码盘式传感器的工作原理、不同码制的特点和相
互转换的方法。
? 掌握光栅传感器结构及莫尔条纹的形成机理、特点以
及如何通过测量电路提高精度和辨向的方法。
? 熟悉光导纤维传光原理和结构形式。
? 掌握光纤传感器结构测量原理及分类、组成单元中光
纤的作用。
第 4章 习题
? 概念类,
? 1、光电效应分几类，说明其原理并指出相应的光电器件。
? 2、何谓光电池的开路电压和短路电流？为什么作为测量元
件时要采用 短路电流 输出的形式。
? 3、光电元件的 光谱特性 和 频率特性 的意义有何区别？在选
用光电元件时应怎样考虑这些特性。
? 4、试说明光栅传感器能测量很微小的位移？为什么能判别
位移的方向。
? 5、为什么光电二极管在不同的光照下的 伏安特性,在零偏
压时，有光电流输出？比较它的 伏安特性 与光敏三极管的
异同。
? 6、书上的习题（除第 2,9,12题）如 3, 5,7,8,10、
11。
等等，掌握光电传感器工作原理、基本特性、主要特点等。
? 计算、分析类,
? 一个 21码道的循环码盘，其最小的 分辨率 是多少？若
该角度对应的圆弧长度至少为 0.001mm,问 码盘直径
为多大？若 5码道循环码盘其最里面的码道输出,1”，
其它输出为,0”，问对应的 角度 为多少？
? 若某光栅的栅线密度为 50线 /mm,主光栅与指示光栅
之间的夹角为 0.01rad,若采用四只光敏二极管接收莫
尔条纹信号，并且光敏二极管 响应时间 为 10-6s，问此
光栅允许最快的运动速度为多少？（需先求出 莫尔间
距 ）
? 3、采用光学分析仪器测量含有一氧化碳的甲烷气体，
已知甲烷的吸收光谱带为 3.3微米及 7.2微米，而一氧
化碳的 吸收光谱 在 4.65微米处，问利用什么材料半导
体光电元件检测合适。
? 4、书上 9题（ 数值孔径、入射角 ）。
主要是基本特性参数的计算和分析。
? 综合类,
1、书上 2题。
2、试用光电二极管、或光敏电阻设计路灯自
动控制电路，使天黑亮、天亮熄。
3、用 CCD可用于文字识别或位置识别（如机
器人足球赛），试分析其的工作过程。
色敏光电传感器
P
+
N
P
SiO2
电极 1 电极 2
电极 3
1
2
3
色敏光电传感器和等效电路
色敏光电传感器实际上是光电传感器的一种特殊
类型 。 它是两只结深不同的的光电二极管组合体, 其结
构和工作原理的等效电路如图所示 。
双结光电二极管的 P+-N结为浅结, N-P结为深结 。当光
照射时,P+,N,P三个区域及其间的势垒区均有光子吸
收，但是吸收的效率不同。紫外光部分吸收系数大，经
过很短距离就被吸收完毕；因此，浅结对紫外光有较高
灵敏度。而红外光部分吸收系数小，光子主要在深结处
被吸收；因此，深结对红外光有较高的灵敏度。即半导
体中不同的区域对不同波长分别具有不同灵敏度。这一
特性为识别颜色提供了可能性。利用不同结深二极管的
组合，即可构成测定波长的半导体色敏传感器。
具体使用时，首先对该色敏器件进行标定，也就是测
定在不同波长光照射下，深结的短路电流 ISD2与浅结的
短路电流 ISD1的比值 ISD2 / ISD1 。 ISD2在长波区较大，
ISD1在短波区较大；因而 ISD2 / ISD1与入射单色光波长的
关系就可以确定。根据标定曲线，实测出某一单色光
的短路电流比值，即可确定该单色光的波长。
用于光学文字识别装置
光学文字识别装置 (OCR)原理
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