1、第六章 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 第二节 光电传感器 第三节 光纤传感器 第四节 光栅式传感器,一、光谱 光波：波长为10106nm的电磁波 可见光：波长380780nm 紫外线：波长10380nm，波长300380nm称为近紫外线波长200300nm称为远紫外线波长10200nm称为极远紫外线 红外线：波长780106nm波长3m（即3000nm）以下的称近红外线波长超过3m 的红外线称为远红外线。光谱分布如图所示。,光 谱,远紫外,近紫外,可见光,近红外,远红外,极远紫外,0.01,0.1
2、,1,10,0.05,0.5,5,波长/m,频率/Hz,光子能量/eV,1015,51014,1014,51013,100,10,1,50,5,0.5,51015,1016,31018,光的波长与频率的关系由光速确定，真空中的光速c=2.997931010cm/s，通常c31010cm/s。光的波长和频率的关系为的单位为Hz，的单位为cm。,=31010cm / s,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 光电传感器,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。,内光电
3、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。,光电效应,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为,在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。 如光电管、光电倍增管。,光电效应方程,光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0。,解释：,当光照射物体时，导致物体的电学性质发生改变，这种现象称为光电效应。,光电效应,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,在光线作用，电子吸收光子能量从键
4、合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化，这种现象被称为光电导效应。 基于这种效应的光电器件有光敏电阻。,光电效应,光电效应,外光电效应,内光电效应,光电导效应,光生伏特效应,在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象叫做光生伏特效应 基于该效应的光电器件有光电池和光敏二极管、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,（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
5、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
6、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,输出电流,输出电压,（）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,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
7、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、 光敏电阻 光敏电阻的结构与工作原
8、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
9、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（） 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。 （） 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。 （） 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 一定光照，R一定，I正比于U。 一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。,(2) 光照特性（IE）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
10、度计：农作物日照时数测定。,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。,（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。,不同材料，其峰值波长不同。 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
11、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。,要使价带电电子跃迁到导带，入射光子的能量满足,或,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
12、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，放大倍形成集电极电
13、流（光电流）, 所以光电三极管有放大作用。,(四)、 光电耦合器件 1 光电耦合器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：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。,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
14、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。(CD4584非门)(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。,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
15、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,(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。
16、,光电传感器的应用,光电传感器的应用,一、烟尘浊度监测仪 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。,平行 光源,光电 探测,放 大,显 示,刻度 校正,报 警,烟道,吸收式烟尘浊度检测系统原理图,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。,二、光电转速传感器,下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白
17、炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,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
18、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
19、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
20、在一起。由3个相位差120时钟脉冲驱动。,电荷注入方法,电荷注入方法 （a） 背面光注入； （b） 电注入,电荷注入即信号电荷的产生。可通过光注入和电注入两种方式得到。 光注入：光照射半导体，产生光生载流子，在栅极电压Ug的作用下，电子被势阱吸收，吸收的光生电子数与入射光强度成正比，实现光信号与电信号的转换。该方式用于图像处理。 电注入：通过输入电压对信号电压和电流进行采样，将信号电压或电流转换为信号电荷。该方式用于信息存储或信息处理,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
21、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。,输出二极管电流法,CCD传感器的分类,线阵型CCD图像传感器（获取一维光信息）,光积分时间内，转移栅关闭，各个光敏元所积累的光电荷存储在各势阱内。光电荷与光强和光积分时间成正比。 积分结束，转移栅打开，各光敏元收集的电荷转移到CCD移位寄存器的相应单元。 转移栅关闭，各个光积分单元开始下一次的光电荷积累，同时将CCD移位寄存器内的上一行信号电荷由移位寄存器串行输出。 重复上述过程,CCD传感器的分类,线阵型CCD图像传感器（获取一维光信息）,为了减少信号电荷在传输中的损失，应尽量减少转移次数，可采用双通道结构。如图 信号电荷分
22、别向两侧的移位寄存器中转移，然后在脉冲的作用下向终端传输，在输出端交替并输出。 这种结构转移次数少，效率高，还可缩短器件尺寸，并获得较高的分辨率。,面阵型CCD图像传感器 光敏元呈二维矩阵排列，能检测二维图像信息，其结构如图,面阵型CCD图像传感器 行传输：光积分结束后，由行扫描电路一行行将信号电荷通过移位寄存器转移到输出端。在电荷转移过程中，光积分仍在进行，会产生“拖影”现象。,面阵型CCD图像传感器 禎传输：光积分技术后，在光敏元和暂存区各自的移栅脉冲驱动下，将信号电荷快速转移到暂存区，光敏元开始积累第二禎图像的信号电荷，同时暂存区的电荷在转移脉冲驱动下一行行通过移位寄存器转移到输出端。,
23、面阵型CCD图像传感器 行间传输：光敏元和垂直移位寄存器交替排列。光积分技术后，光敏元的信号电荷快速转移到垂直移位寄存器，然后再逐行转移到水平移位寄存器，并沿水平方向转移到输出端。,分辨率,分辨率是指摄像器件对物像中明暗细节的分辨能力，是图像传感器最重要的特性，主要取决于感光单元之间的距离，用调制转移函数MTF来表征。 当光强以正弦变化的图像作用在传感器上时，电信号幅度随光像空间频率的变化称为调制转移函数MTF。,七、 CCD图像传感器应用1、线阵CCD器件检测工件尺寸,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
24、目前产品情况d0013003mm。,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。,CCD应用,CCD摄像机 被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上，CCD根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出。视频信号连接到监视器或电视机的视频输入
25、端便可以看到与原始图像相同的视频图像。,CCD应用,扫描仪 光源发出的光经扫描对象反射后，通过透镜在线阵CCD上成像，CCD输出信号的电信号反映了扫描对象的亮度信息，经放大、A/D转换和编码后成为数字信号输出。,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5100um)（n1n2)。 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。,（2）数值孔径NA 光由空气射入光纤端面，与轴成 角。,即可实现全反射，光在纤芯内全反射（无损耗）传输。,希望NA越大越好。它表明无论光源发射
26、功率多大，只有2 内的光才能被光纤接受，全反射传输。,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。,芯径大，折射率差大（NA大），N大，多模。 芯径小到6m,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
27、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,
28、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,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
29、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）,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,光纤应力应变传感器,1. 光纤压力传感器按光强度调制原理制成，结构如图4-26所示，其工作原理是:（1）被测力作用于膜片，使光纤与膜片间的气隙减小，使棱镜与光吸收层之间的气隙发生改变。（2）气隙发生改变引起棱镜界面上全（内）反射的局部破坏，造成一部分光离开棱镜的上界面，进入吸收层并被吸收，致使反射回接收光纤的光强度减小。,图4 26 光纤压力传感器结构 1膜片；2光吸
30、收层；3垫圈；4光导纤维；5桥式光接收线路；6发光二极管；7壳体；8棱镜；9上盖。,（3）接收光纤内反射光强度的改变可由桥式光接收器检测出来。（4）桥式光接收器输出信号的大小只与光纤和膜片间的距离和膜片的形状有关。光纤压力传感器不受电磁干扰，响应速度快、尺寸小、重量轻、耐热性好。由于没有导电元件，特别适合于有防爆要求的场合使用。,光电式数字转速表如图4-30（a）所示，在电机的转轴上涂上黑白相间的两色条纹。当电机轴转动时，反光与不反光交替出现，所以光电元件间断的接收光的反射信号，输出电脉冲。再经过放大整形电路（见图4-31），输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电机的转速。,图4-30(b)是
31、在电机轴上固定一个调制盘，上面开一些固定间隔的孔洞，当电机转轴转动时将发光二极管发出的恒定光调制成随时间变化的调制光。同样经光电元件接收，放大整形电路整形，输出整齐的方波脉冲信号。每分钟转速n与输出的方波脉冲频率f以及孔数或黑白条纹数N的关系如下：,图4-30 光电式数字转速表工作原理图,图4-30 光电式数字转速表工作原理图,图4-31 放大整形电路原理图,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
32、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
33、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,长光栅莫尔条纹周期,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
34、之间的关系为: B =W/sinW/ 放大倍数为 1/ ,越小, B越大。例如=0.1时 =0.1=0.12/360 =0.00175432radW=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1010mm2,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)
35、横向莫尔条纹,两光栅的光栅栅距相等 栅线的夹角为 ，则有,说明莫尔条纹的方向与光栅的移动方向(x方向)只差 2角。由于 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,，栅线的夹角,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, 圆弧形莫尔条纹, 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
36、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: ,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。辨向原理位移是矢量, 除了确定其大小之外
37、, 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/2的电信号U1和U2,经过整形后得两个方波信号U1和U2 。当光栅沿A方向移动时,莫尔条纹向B向移动。 U2 超前U1 90。U1经微分电路后产生的脉冲（如图中实线所示）正好发生在U2的“1”电平时, 从而经Y1输出一个加计数脉冲; 而U1经反相并微分后产生的脉冲（如图中虚线所示）则与U2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。U
38、1的微分脉冲发生在U2为“0”电平时, 与门Y1无脉冲输出; 而U1的反相微分脉冲则发生在U2的“1”电平时, 与门Y2输出一个减计数脉冲。则说明U2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, U1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。 U2 为控制信号。 U1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
39、。 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/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/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
40、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 sin U m cos U m sin U m cos。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=0360度 （x=0W）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(i/48 2) X从0到W变化， 从0到1/48 2， 2/48 2， 47/48 2，2 变化，48个电位器中间抽头输出48
41、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u i =U msin ( i/48 2) RI /RI = tg i/48 2 时，保证u i =0。,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,
