1、主要內容：主要內容：概述概述光信號光信號光電傳感器光電傳感器電信號電信號光柵光柵光電開關光電開關光敏電阻光敏電阻光敏管光敏管 8. 1 光電效應光電效應 光電器件工作原理主要利用各種光電器件工作原理主要利用各種光電效應光電效應J 光電效應可分為：光電效應可分為： 外光電效應外光電效應 光電導效應光電導效應 內光電效應內光電效應 光生伏特效應光生伏特效應 外光電效應外光電效應 在光線作用下電子逸出物體表面向外發射稱在光線作用下電子逸出物體表面向外發射稱外光電效應外光電效應。 Ehh 普朗克常數普朗克常數 ( ) 光的頻率（光的頻率（Hz） 每個光子具有能量每個光子具有能量 J.S1/波長短，頻率

2、高，能量波長短，頻率高，能量大。式中：式中： 入射光的頻譜成分不變時，產生的光電子與光強成正比入射光的頻譜成分不變時，產生的光電子與光強成正比 。 光照射物體時電子吸收入射光子的光照射物體時電子吸收入射光子的能量能量 ，當物體吸入的能量超出物體當物體吸入的能量超出物體逸出功逸出功A A 時，時，電子就會逸出物體表面，產生電子就會逸出物體表面，產生光電子發射光電子發射。 超出的能量就表現在電子逸出的動能上。超出的能量就表現在電子逸出的動能上。 能否產生光電效應，取決于能否產生光電效應，取決于光子的能量是光子的能量是否大于物體表面的電子逸出功。否大于物體表面的電子逸出功。2012EhmvA 光子具

3、有的能量與電子的動能可光子具有的能量與電子的動能可由能量守恒定律由能量守恒定律表示為表示為2012mv 為一個電子逸出的動能（能量）；為一個電子逸出的動能（能量）； m 為電子質量為電子質量 ，0電子逸出物體表面時的速度；電子逸出物體表面時的速度； A 為電子的逸出功。為電子的逸出功。 ( (愛因斯坦光電效應方程愛因斯坦光電效應方程) )光電子光電子光照射光照射e入射光強改變物質導電率的物理現象稱入射光強改變物質導電率的物理現象稱光電導效應。光電導效應。這種效應幾乎所有高電阻率半導體都有，在入射光作用下這種效應幾乎所有高電阻率半導體都有，在入射光作用下電子吸收光子能量電子吸收光子能量，電子從價

4、帶激發到導帶過度到自由狀，電子從價帶激發到導帶過度到自由狀態，同時價帶也因此形成自由空穴，使導帶電子和價帶空態，同時價帶也因此形成自由空穴，使導帶電子和價帶空穴濃度增大引起穴濃度增大引起電阻率減小電阻率減小。8.1.2 內光電效應內光電效應 為使電子從價帶激發到導帶，為使電子從價帶激發到導帶，入射光子的能量應大于禁帶入射光子的能量應大于禁帶 寬度的能量寬度的能量 E0Eg基于光電導效應的光電器件有基于光電導效應的光電器件有光敏電阻光敏電阻。1 1）光電導效應）光電導效應 為什么為什么PN結會因光照產生光生伏特效應呢？結會因光照產生光生伏特效應呢？PN- - - -+ + + +- -+ +光源

5、下面分兩種情況討論：下面分兩種情況討論：2 2） 光生伏特效應光生伏特效應光生伏特效應是半導體材光生伏特效應是半導體材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN結上結上 產生產生電動勢電動勢的效應。的效應。 當光照射在當光照射在P-N結時，如果光電子能量足夠大，就可結時，如果光電子能量足夠大，就可激發出電子激發出電子空穴對，在空穴對，在P-N結內電場作用下空穴結內電場作用下空穴移向移向P區，而電子移向區，而電子移向N區，使區，使P區和區和N區之間產生電區之間產生電壓，這個電壓就是壓，這個電壓就是光生電動勢光生電動勢. 基于這種效應的器件有基于這種效應的器件有光電池。光電池。PN電子電子空穴空穴- -

6、 - -+ + + +- -+ +光源 無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；無光照時，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照時，產生光生電子有光照時，產生光生電子空穴對，在外電場作用下，空穴對，在外電場作用下，光生電子光生電子N，空穴，空穴P 運動，形成光電流運動，形成光電流Ig。- -+ + 處于反偏時的處于反偏時的P-N結結（給（給P-N結加電場）結加電場） 電流方向與反向電流一致，電流方向與反向電流一致， 光照強光電流越大。光照強光電流越大。 具有這種性能的器件有：具有這種性能的器件有： 光敏二極管光敏二極管、光敏晶體管光敏晶體管 從原理上講，不加偏壓的光從原理上講，不加偏壓的光 電二極

7、管就是光電池。電二極管就是光電池。 光敏二極管通常光敏二極管通常加反向電壓。加反向電壓。PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +光源IgIgE E8.2 光電器件光電器件 8.2.1 光電管光電管RLUI 光強 光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內部有光光電管是一個抽真空或充惰性氣體的玻璃管，內部有光陰極陰極K、陽極、陽極A，光陰極涂有光敏材料；，光陰極涂有光敏材料； 當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量當光線照射在光敏材料上時，如果光子的能量E大于電大于電子的逸出功子的逸出功A（EA），會有電子逸出產生光電子發射），會有電子逸出產生光電子發射. 電子被帶有正電的陽極電子被帶

8、有正電的陽極吸引在光電管內形成電吸引在光電管內形成電子流，電流在回路電子流，電流在回路電阻阻 RL上產生正比于電流大上產生正比于電流大小的壓降。小的壓降。 光照很弱時，光電管產生的電流很小，為提高靈敏度常光照很弱時，光電管產生的電流很小，為提高靈敏度常常使用光電倍增管。常使用光電倍增管。 光電倍增管是利用光電倍增管是利用二次電子釋放二次電子釋放效應，高速電子撞擊固效應，高速電子撞擊固體表面，發出二次電子，將光電流在管內進行放大。體表面，發出二次電子，將光電流在管內進行放大。8.2.2 光電倍增管光電倍增管光電倍增管與普通光電管不同光電倍增管與普通光電管不同,在光陰極和陽極之間加了在光陰極和陽極

9、之間加了許多許多倍增極倍增極（10級左右），在陽極和陰極之間加有幾級左右），在陽極和陰極之間加有幾百上千伏的高壓，每個倍增極間分壓有百上千伏的高壓，每個倍增極間分壓有100200V；光電倍增管的電流增益很大在光電倍增管的電流增益很大在105106之間。倍增極外加之間。倍增極外加電壓電壓Ud與與增益增益G的關系近似為：的關系近似為：NdGKUKN光電倍增管不能直接受強光照光電倍增管不能直接受強光照射射,否則會損壞否則會損壞.通常密封使用。通常密封使用。式中：式中： 常數常數 倍增極數倍增極數 光敏電阻的工作原理是光敏電阻的工作原理是基于光電導效應基于光電導效應 光敏電阻結構光敏電阻結構 是在玻璃

10、底版上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導體物質，兩端 有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。有梳狀金屬電極，然后在半導體上覆蓋一層漆膜。光敏電阻結構光敏電阻結構8.2.3 光敏電阻光敏電阻光敏電阻符號光敏電阻符號光導體光導體8.2.3 光敏電阻光敏電阻 光敏電阻光照特性光敏電阻光照特性 無無光照光照時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；時，內部電子被原子束縛，具有很高的電阻值； 有光照有光照時，電阻值隨光強增加而降低；時，電阻值隨光強增加而降低； 光照停止光照停止時，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。時，自由電子與空穴復合，電阻恢復原值。1.1.伏安特

11、性伏安特性 給定光照度給定光照度，電壓越大光電流越大；，電壓越大光電流越大； 給定偏壓給定偏壓，光照越大光電流越大；，光照越大光電流越大； 光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲、 無飽和，但受最大功耗限制。無飽和，但受最大功耗限制。 基本特性基本特性 光照度為單位面積的光通量光照度為單位面積的光通量 Lx = lm（流明）（流明）/s 光敏電阻光敏電阻靈敏度靈敏度與入射與入射波長波長有關有關; 靈敏度與半導體靈敏度與半導體摻雜摻雜的材料有關，的材料有關，圖例中材料與相對靈敏度峰位波長圖例中材料與相對靈敏度峰位波長硫化鎘（硫化鎘（CdS）0.30.8 (m)硫化鉛（硫化鉛（

12、PbS）1.03.5 (m)硫化鉈（硫化鉈（TlS）1.07.3 (m) 光敏電阻的光譜特性光敏電阻的光譜特性與波長和材料有關與波長和材料有關2.光譜特性光譜特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應。溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應。溫度溫度T上升上升，波長波長變短，曲線向左移動。變短，曲線向左移動。 光敏電阻溫度特性光敏電阻溫度特性3.溫度特性溫度特性 光敏晶體管包括光敏晶體管包括光敏二極管光敏二極管和和光敏三極管光敏三極管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效應光生伏特效應。 光敏晶體管特點：光敏晶體管特點： 響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高響

13、應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高; ; 廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數等領域和裝置。自動報警、自動計數等領域和裝置。8.2.4 光敏晶體管光敏晶體管 結構：與一般二極管相似，它們都有一個結構：與一般二極管相似，它們都有一個PN結，結，并且都是單向導電的非線性元件。并且都是單向導電的非線性元件。 為了提高轉換效率有大面積受光，為了提高轉換效率有大面積受光，光敏二極管光敏二極管P-N結結面積面積比一般二極管大。比一般二極管大。硅光敏二極管結構硅光敏二極管結構 + -+ -+ -光敏二極管光敏二極管電路符號電路符號1

14、）光敏二極管）光敏二極管 光敏二極管光敏二極管工作原理工作原理： 光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態，光敏二極管在電路中一般處于反向偏置狀態， 無光照無光照時，反向電阻很大，反向電流很小；時，反向電阻很大，反向電流很小； 有光照有光照時，時，P-NP-N結處產生光生電子結處產生光生電子- -空穴對；空穴對； 在電場作用下形成光電流，在電場作用下形成光電流， 光照越強光電流越大；光照越強光電流越大； 光電流方向與反向電流一致光電流方向與反向電流一致。 光敏二極管基本電路光敏二極管基本電路 RE EDgDgI+ -發光二極管與光敏二極管工作原理不同，發光二極管是利用發光二極管與光敏二極管工作原

15、理不同，發光二極管是利用固體材料發光（電致發光），加正向電壓時，固體材料發光（電致發光），加正向電壓時，P-N結的電子和結的電子和空穴在結合過程中發射一定頻率的光信號。空穴在結合過程中發射一定頻率的光信號。 材料不同發光顏色不同，是一種將材料不同發光顏色不同，是一種將電能電能光能光能的器件；的器件； + +- - -+ +光敏二極管符號光敏二極管符號 發光二極管符號發光二極管符號 發光二極管發光二極管（LED ）與）與光敏二極管光敏二極管發光二極管工作時加發光二極管工作時加正向電壓，正向電壓，光敏二極管工作時加光敏二極管工作時加反向電壓反向電壓。 光敏二極管光敏二極管基本特性基本特性1.1.光

16、照特性光照特性 硅光敏二極管在小負載電阻情況下，硅光敏二極管在小負載電阻情況下， 光電流與照度成線性關系。光電流與照度成線性關系。 2.2.光譜特性（硅光敏管為例光譜特性（硅光敏管為例) )當入射當入射波長波長0.9m時，響應逐漸時，響應逐漸下降，雖光波長短能量大，但光下降，雖光波長短能量大，但光穿穿透深度小透深度小，使光電流減小；，使光電流減小；當入射當入射波長波長0.9m時，響應下降時，響應下降是因波長長光子能量小，當小于禁是因波長長光子能量小，當小于禁帶寬度時帶寬度時 不產生電子、空穴對。不產生電子、空穴對。/Ehh3.3.伏安特性伏安特性 當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨

17、反當反向偏壓較低時，光電流隨電壓變化比較敏感，隨反向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏向偏壓的加大，反向電流趨于飽和，這時光生電流與所加偏壓幾乎無關，只取決于光照強度。壓幾乎無關，只取決于光照強度。4.4.溫度特性溫度特性 由于反向飽和電流與溫度密切有關，因此光敏二極管的由于反向飽和電流與溫度密切有關，因此光敏二極管的暗電流對溫度變化很敏感。暗電流對溫度變化很敏感。 5.5.頻率響應頻率響應光敏管的頻率響應是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化光敏管的頻率響應是指光敏管輸出的光電流隨頻率的變化關系。關系。光敏管的頻率響應與本身的物理結構、工作狀態、負載以光敏管的頻率響應與本身的物理

18、結構、工作狀態、負載以及入射光波長等因素有關。及入射光波長等因素有關。光敏二極管頻率響應曲線光敏二極管頻率響應曲線 圖中圖中硅硅光敏二極管頻率響應曲線光敏二極管頻率響應曲線說明，說明，調制頻率高于調制頻率高于1000Hz1000Hz時，時，光敏晶體管靈敏度急劇下降。光敏晶體管靈敏度急劇下降。 結構：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將結構：與普通晶體管不同的是，光敏晶體管是將基極基極集電極集電極(集電結集電結)作為光敏二極管（控制結）。作為光敏二極管（控制結）。 大多數光敏晶體管的基極無引線，無論大多數光敏晶體管的基極無引線，無論NPN、PNP一般一般集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射

19、到基區。集電結加反偏。玻璃封裝上有個小孔，讓光照射到基區。光光敏敏三三極極管管結結構構 NNPc cb be e電路電路符號符號2）光敏三極管）光敏三極管 硅（硅（Si Si）光敏三極管）光敏三極管 工作原理工作原理0gCLLUI Ri R晶體管電流放大系數；電流晶體管電流放大系數；電流ig與光強有關與光強有關NNPc cb be e+ +- -光敏三極管光敏三極管等效電路等效電路 在負載電阻上的輸出電壓為在負載電阻上的輸出電壓為光敏晶體極管一般是光敏晶體極管一般是NPN結構結構；光照射在集電結的基區產生光生電子光照射在集電結的基區產生光生電子-空穴，空穴，在電場作用下，光生電子被拉向集電極，

20、在電場作用下，光生電子被拉向集電極，基區留下正電荷（空穴），使基極與發射極之間的電壓升高；基區留下正電荷（空穴），使基極與發射極之間的電壓升高；同時發射極大量電子經基極流向集電極，形成三極管輸出電流，同時發射極大量電子經基極流向集電極，形成三極管輸出電流，使晶體管具有電流增益。使晶體管具有電流增益。光敏晶體管對光電流具有放大作用光敏晶體管對光電流具有放大作用光敏晶體管伏安特性曲線光敏晶體管伏安特性曲線 光敏晶體管伏安特性光敏晶體管伏安特性光敏晶體管的光譜特性光敏晶體管的光譜特性 硅材料的光敏管峰值波長在硅材料的光敏管峰值波長在0.9m附近（可見光）附近（可見光） 靈敏度最大；靈敏度最大； 探測

21、探測可見光可見光或或赤熱狀赤熱狀物體時波長短，一般物體時波長短，一般用用硅管硅管 0.9 m； 鍺管的峰值波長約為鍺管的峰值波長約為1.5 m（紅外光紅外光）對紅外進行探測時用對紅外進行探測時用鍺管鍺管較適宜。較適宜。光敏晶體管光譜特性光敏晶體管光譜特性 光電池工作原理也是基于光電池工作原理也是基于光生伏特效應光生伏特效應，是直接將，是直接將光能轉換成電能的器件。光能轉換成電能的器件。 有光線作用時就是電源有光線作用時就是電源( (太陽能電池太陽能電池) )，所以廣泛，所以廣泛用于宇航用于宇航電源電源，另一類用，另一類用于檢測和于檢測和自動控制自動控制等。等。8.2.5 光電池光電池光信號光信

22、號光電池光電池電信號電信號 光電池結構：光電池結構：光電池實質是一個大面積光電池實質是一個大面積PN結，上電極為柵狀結，上電極為柵狀受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。受光電極，下面有一抗反射膜，下電極是一層襯底鋁。 原理：原理：當光照射當光照射PN結的一個面時，電子結的一個面時，電子空穴對迅速擴散，空穴對迅速擴散，在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般普在結電場作用下建立一個與光照強度有關的電動勢。一般普通光電池可產生通光電池可產生0.2V0.6V電壓，電壓，50mA電流電流。 光電池結構光電池結構 電路符號電路符號 開路電壓開路電壓光生電動勢與照度之間關系；光生電動

23、勢與照度之間關系；開路電壓與光照度關系是非線性關系，開開路電壓與光照度關系是非線性關系，開路電壓在照度路電壓在照度2000lx 趨于飽和。趨于飽和。短路電流短路電流光電流與照度之間關系稱短路光電流與照度之間關系稱短路電流曲線，短路電流是指外接負載相對內電流曲線，短路電流是指外接負載相對內阻很小時的光電流。阻很小時的光電流。光電池光照特性光電池光照特性 1）光電池光照特性）光電池光照特性PN電子電子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源光電池工作原理示意圖光電池工作原理示意圖 2 2）光譜特性）光譜特性硅光電池硅光電池的光譜響應峰值的光譜響應峰值在在0.8m附近，波長范圍附近，波長

24、范圍0.41.2m。硅光電池可。硅光電池可在很寬的波長范圍應用。在很寬的波長范圍應用。硒光電池硒光電池光譜響應峰值在光譜響應峰值在0.5m附近，波長范圍附近，波長范圍0.380.75m。光電池對不同波長的光靈敏度不同，不同材料光靈光電池對不同波長的光靈敏度不同，不同材料光靈敏度峰值不同。敏度峰值不同。3 3）頻率特性）頻率特性 指光電池相對輸出電流與光的調制指光電池相對輸出電流與光的調制頻率之間關系。頻率之間關系。硅光電池頻率響應較好，硅光電池頻率響應較好，硒光電池硒光電池較差較差。所以。所以高速計數器高速計數器的轉換電路的轉換電路一般采用硅光電池作為傳感器元件。一般采用硅光電池作為傳感器元件

25、。 光電池作為光電池作為控制元件，控制元件，通常接非線性負載，若控制鍺管，通常接非線性負載，若控制鍺管，發射結導通電壓為發射結導通電壓為0.2V0.3V；若控制硅管，發射結導通；若控制硅管，發射結導通電壓為電壓為0.6V0.7V，光電池的，光電池的0.5V電壓不能起到控制作用。電壓不能起到控制作用。 光電池電路連接光電池電路連接 光電池做電源時當光電池做電源時當電壓源電壓源使用使用; 用做控制元件時當用做控制元件時當電流源電流源使用。使用。光電池光電池電路符號電路符號光電池電路連接光電池電路連接 可將兩個光電池串聯后接入基極，或用偏壓電阻、二極管產可將兩個光電池串聯后接入基極，或用偏壓電阻、二

26、極管產生附加電壓。有光照度變化時，引起基極電流生附加電壓。有光照度變化時，引起基極電流Ib變化，集電變化，集電極電流發生極電流發生倍的變化。電流倍的變化。電流Ic與光照近似線性關系。與光照近似線性關系。光電池作為光電池作為電源使用電源使用，需要電壓高時應將光電池，需要電壓高時應將光電池串聯串聯使用；使用；需要大電流時應將光電池需要大電流時應將光電池并聯并聯使用。使用。 光電池電路連接光電池電路連接當心臟跳動時，一個壓力波會沿著動脈血管以每秒幾米的速度傳遞。當心臟跳動時，一個壓力波會沿著動脈血管以每秒幾米的速度傳遞。這個壓力波會引起人體組織毛細血管中血流量的變化，可記錄出脈波。這個壓力波會引起人

27、體組織毛細血管中血流量的變化，可記錄出脈波。光學測量法是，在一個夾子的兩邊分別裝一個紅外發光管和一個光敏光學測量法是，在一個夾子的兩邊分別裝一個紅外發光管和一個光敏電阻，然后夾在耳垂上。電阻，然后夾在耳垂上。心臟壓力波引起的毛細血管中血流量的變化導致耳垂的透光率不同，心臟壓力波引起的毛細血管中血流量的變化導致耳垂的透光率不同，使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數。使光敏電阻的阻值變化，阻值的變化周期就是每秒心跳的次數。1）心臟跳動測量傳感器（光敏電阻受光）心臟跳動測量傳感器（光敏電阻受光）8.3 光電器件的應用光電器件的應用2022-4-28402.）煙霧報警器 無煙霧時，光

28、敏元件接收到LED發射的恒定紅外光。而在火災發生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經閥值判斷電路后，發出報警信號。 煙霧煙霧報警報警2022-4-2841無線煙霧報警器內部結構 可發出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器2022-4-28423）光電自動門自動門光電傳感器自動門光電傳感器放大圖放大圖有效檢測區域有效檢測區域2022-4-28434）遮斷式光電開關原理 遮斷式光電開關遮斷式光電開關由相互分離且相對安由相互分離且相對安裝的光發射器和光接裝的光發射器和光接受器組成。當被檢測受器組成。當被檢測物體位于發射器和接物體位于發射器和接受器之間時，光線被受器之間時，光線被阻斷，

29、接受器接受不阻斷，接受器接受不到紅外線而產生開關到紅外線而產生開關信號。信號。被檢測物體被檢測物體光發射器光發射器光接收器光接收器2022-4-2844定區域反射式光電開關定區域反射式光電開關 定區域式光電定區域式光電開關有一個非常確定開關有一個非常確定的檢測區域，不經過的檢測區域，不經過該區域的被測物體不該區域的被測物體不會引起光電開關產生會引起光電開關產生開關信號。開關信號。檢測距離檢測距離檢測距離檢測距離2022-4-28458.3 8.3 光柵式傳感器光柵式傳感器v 光柵是一種光學元件，用于測量的光柵稱為計量光柵。光柵是一種光學元件，用于測量的光柵稱為計量光柵。v 光柵是光柵是光柵尺光

30、柵尺的簡稱。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻的簡稱。光柵尺是一塊尺子，尺面上刻有排列規則和形狀規則的刻線。有排列規則和形狀規則的刻線。v 光柵式傳感器主要用于光柵式傳感器主要用于高精度的機械位移測量高精度的機械位移測量以及精以及精密測量系統的傳感裝置。密測量系統的傳感裝置。v 光柵式傳感器的特點：精度高；可實現光柵式傳感器的特點：精度高；可實現動態測量動態測量；大量程測量兼有高分辨率；具有較強的抗干擾能力。大量程測量兼有高分辨率；具有較強的抗干擾能力。1）計量光柵的種類）計量光柵的種類 長長光柵，用于長度或直線位光柵，用于長度或直線位移的測量，刻線相互平行；移的測量，刻線相互平行； 圓光柵，用來測量

31、角度或角圓光柵，用來測量角度或角位移，在圓盤玻璃上刻線；位移，在圓盤玻璃上刻線； 根據光柵用途的不同，可將光柵尺分為根據光柵用途的不同，可將光柵尺分為長光柵，圓光柵盤：長光柵，圓光柵盤：長長光光柵柵圓圓光光柵柵在玻璃板上設計，其中透光縫寬為在玻璃板上設計，其中透光縫寬為b ，不透光線寬為，不透光線寬為 a ，一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線寬，即一般情況下，光柵的透光縫寬等于不透光的線寬，即a=b。圖中圖中W = a + b，稱為（光柵節距或光柵常數）。，稱為（光柵節距或光柵常數）。光柵柵距是光柵尺的重要參數。光柵柵距是光柵尺的重要參數。 長光柵尺的設計：長光柵尺的設計：W = a +

32、 b 光柵柵距光柵柵距 形成莫爾條紋的光學原理形成莫爾條紋的光學原理2 ）莫爾條紋）莫爾條紋莫爾條紋通常是由兩塊光柵（莫爾條紋通常是由兩塊光柵（標尺標尺光柵、光柵、指示指示光柵）疊合光柵）疊合而成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，而成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加；兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加；光線透過透光部分光線透過透光部分形成形成亮帶亮帶；光柵不；光柵不透光部分疊加，互透光部分疊加，互相遮擋，形成相遮擋，形成暗帶暗帶. .這種由光柵重疊形這種由光柵重疊形成的光學圖案稱為成的光學圖案稱為莫爾條紋莫爾條紋。 122212122cosWWBWWWW

33、2W1W 標尺光柵常數標尺光柵常數 指示光柵常數指示光柵常數 兩光柵的夾角兩光柵的夾角式中：式中： 長光柵莫爾條紋的周期（長光柵莫爾條紋的周期（條紋間距條紋間距B） 長光柵橫向莫爾條紋長光柵橫向莫爾條紋莫爾條紋的重要特性：莫爾條紋的重要特性： 運動對應關系運動對應關系：主光柵向右運動一個柵距：主光柵向右運動一個柵距W1時時(W0.005mm)， 莫爾條紋向下移動一個條紋間距莫爾條紋向下移動一個條紋間距B ;位移放大作用：位移放大作用：兩光柵夾角很小，若兩光柵夾角很小，若W1=W2 ，莫爾條紋得近似關系莫爾條紋得近似關系B W /；莫爾條紋放大倍數為莫爾條紋放大倍數為1/。雖柵距很小但莫爾條紋清

34、楚可見；雖柵距很小但莫爾條紋清楚可見；誤差平均效應：誤差平均效應：莫爾條紋的大柵莫爾條紋的大柵線對光柵刻劃誤差有平均作用線對光柵刻劃誤差有平均作用.122212122cosWWBWWWW光柵測量裝置是指利用光柵原理對輸入量（位移量）光柵測量裝置是指利用光柵原理對輸入量（位移量）進行轉換、顯示的整個測量裝置。包含三大部分：進行轉換、顯示的整個測量裝置。包含三大部分： 光柵光學系統；光柵光學系統； 實現細分、辨向和顯示等功能的電子系統；實現細分、辨向和顯示等功能的電子系統； 相應的機械結構。相應的機械結構。 v 光柵傳感器構成原理：光柵傳感器構成原理：光柵式傳感器又稱光柵式讀數頭，光柵式傳感器又稱

35、光柵式讀數頭，由由標尺光柵標尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統光路系統和和光電元件光電元件等組成。等組成。2 ）光柵傳感器構成原理）光柵傳感器構成原理 光柵讀數頭光柵讀數頭光柵讀數頭主要由光柵讀數頭主要由標尺光柵標尺光柵、指示光柵指示光柵、光路系統光路系統和和光電元件光電元件等等組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。組成。標尺光柵的有效長度即為測量范圍。指示光柵比標尺光柵短得多指示光柵比標尺光柵短得多，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用，但兩者一般刻有同樣的柵距，使用時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。時兩光柵互相重疊，兩者之間有微小的空隙。標尺光柵一般固定在被測物體上，隨被測物體一起移動，其

36、長度標尺光柵一般固定在被測物體上，隨被測物體一起移動，其長度取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。取決于測量范圍，指示光柵相對于光電元件固定。兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到兩條暗帶中心線之間的光強變化是從最暗到漸暗，到漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過程。漸亮，一直到最亮，又從最亮再到最暗的漸變過程。 主光柵移動一個柵距主光柵移動一個柵距W，光強變化一個周期，若用光，光強變化一個周期，若用光電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號電元件接收莫爾條紋移動時光強的變化，則將光信號轉換為電信號，接近于正弦周期函數。轉換為電信號，接近于正弦周期函數。WxUUumoo

37、22sin式中：式中：uo 光電元件輸出的電壓信號；光電元件輸出的電壓信號； Uo 輸出信號中的平均直流分量；輸出信號中的平均直流分量； Um 輸出信號中正弦交流分量的幅值輸出信號中正弦交流分量的幅值相距相距B/4放置四個光電元件，光柵移動時光的放置四個光電元件，光柵移動時光的信號強弱變化信號強弱變化。光柵位移與光強、輸出電壓的關系光柵位移與光強、輸出電壓的關系直接接收式光學系統可以裝調成四相型系統。對于橫向莫爾直接接收式光學系統可以裝調成四相型系統。對于橫向莫爾條紋，為了獲得四相信號，相距條紋，為了獲得四相信號，相距B/4放置四個光電元件；放置四個光電元件；光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調整莫爾條光電元件可采用四極硅光電池或光敏二極管，并調整莫爾條紋的寬度使其和紋的寬度使其和四極硅光電池四極硅光電池的寬度的寬度S相同。相同。 辨向邏輯工作原理辨向邏輯工作原理 光柵測量電路光柵測量電路光柵讀數頭實現位移量由非電量轉換為電量，位移是向量，光柵讀數頭實現位移量由非電量轉換為電量，位移是向量， 因而對位移量的測量除了確定大小之外，還應確定其方向