現(xiàn)代傳感新技術(shù)及應(yīng)用(光電傳感器)

光電管

第2章光電式傳感器及其應(yīng)用

光信號（紅外、可見光及紫外光轉(zhuǎn)變

0.010.1110

0.050.55

m|i

m

光電式傳感器2.1光電效應(yīng)和光電器件

1905年，愛因斯坦提出了光子假設(shè):光在空間傳

播時,不僅是連續(xù)的（波動性,也具有粒子性，即

一束光是一束以光速運(yùn)動的粒子流，愛因斯坦把這些

光電效應(yīng)：

2.1光電效應(yīng)和光電器件

內(nèi)光電效應(yīng)（內(nèi)光電器件

外光電效應(yīng)（外光電器件

2.1.1外光電效應(yīng)

在光線作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面,向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。

向外發(fā)射的電子叫光電子。按照能量守恒與轉(zhuǎn)換定律有：

愛因斯坦光電效應(yīng)方程

其中:h——普朗克常數(shù)=6.626x10-34。S

一光的頻率（S-1Q

m—電子質(zhì)量；

2.1光電效應(yīng)和光電器件

2.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

（光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)

當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光

子轟擊,并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶,如圖所示,使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電干和價帶內(nèi)

的空穴濃度-電子-空穴對一電導(dǎo)率增大C

內(nèi)光電效應(yīng)一按其工作原理可分為，光電導(dǎo)效應(yīng)和

光生伏特效應(yīng)（2在光照射下,能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱謂光

生伏特效應(yīng)。

（1在光照射下，材料電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)21.2內(nèi)光電效應(yīng)

+++?--P

N+.光

+-

光生電子一空穴對

光線照射PN結(jié)時,?沒光子能量大于禁帶寬度Eg,使價帶中的電子躍遷到導(dǎo)帶，

產(chǎn)生電子空穴對，在阻擋層內(nèi)電場的作用下，被光激發(fā)的電子移向N區(qū)外側(cè)，被光激發(fā)

的空穴移向P區(qū)外側(cè)，從而使P區(qū)帶正電,N區(qū)帶負(fù)電，形成光電動勢。

原理:光-PN結(jié)一電子-N,空穴-P-電動勢

2.1.3熱釋電效應(yīng)

(1結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.4外光電效應(yīng)器件

光電管可分為兩大類:真空光電管和充氣光電管。它們的結(jié)構(gòu)類似渚R是裝有光

陰極和陽極的真空玻璃管.如圖所示。

內(nèi)形成空間電子流，在外電路就產(chǎn)生電流。

2.1.4外光電效應(yīng)器件

光電管

光電倍增管

2.1.4外光電效應(yīng)器件

停止光照,外電路將無電流輸。

當(dāng)入射光的頻率和光通量確定時，陽極電壓與電流之間的關(guān)系稱陽極電壓增高：

光電流隨之增大。當(dāng)陰極發(fā)射的電子能全

部到達(dá)陽極時，陽極電流便很穩(wěn)定，稱為飽和狀態(tài)。

充氣光電管

陰極倍增極陽極

陽極

聚焦電極

倍增極

導(dǎo)電層

曬囪

聚焦環(huán)

光陰極

入射光

光電倍增管結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.4外光電效應(yīng)器件

幾種光電倍增管的外形

結(jié)構(gòu)和工作原理

特性

2.1.4外光電效應(yīng)器件

在入射光通量小于10-4

較好的線性關(guān)系，當(dāng)光通量再增大時

，呈現(xiàn)非線性特性

特性

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

黑色絕緣玻璃

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏電阻工作過程I

空穴對越多,電阻值越低；

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

x2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

20

406080100硫化鉛光敏電阻的光譜溫度特性曲線波長短的方向移動。

光敏電阻

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

每一光敏電阻都有允許的最大耗散功率過這一數(shù)值，則光敏電阻容易損壞。因

此，光敏電阻工作在任何照度下都必須滿足

IU<Pmax和U分別為通過光敏電阻的電流和它兩端的電壓。因Pmax數(shù)值一

定，滿足（8-39式的圖形為PU

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏電阻的測量電路及伏安特性

max雙曲線在左下部分為允許的工作區(qū)域。

工作區(qū)域

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏電阻

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光敏電阻與負(fù)載的匹配

?圖中繪出光敏電阻的負(fù)載線NBQA及伏安特性O(shè)B、OQ、0A,對應(yīng)的照度

為L<LQ、L〃c

?設(shè)光敏電阻工作在LQ照度下，當(dāng)照度變化時,工作點(diǎn)Q將變至A或B，它的電

流和電壓都改變。?設(shè)照度變化時,光敏電阻值的變化為ARG,?則此時電流為

LGG

E

IIRRR+△=

++△(2-3

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

為

(2-5

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏電阻與負(fù)載的匹配

]0=光敏電阻

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

常用材料光敏電阻的典型參數(shù)

常見光敏電阻

光敏電阻具有光譜特性好、允許的光電流大、靈敏度高、使

用壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，所以應(yīng)用廣泛。此外許多光敏電阻對光敏電阻的缺

點(diǎn)是型號相同的光敏電阻參數(shù)參差不齊,并且

由于光照特性的非線性，不適宜于測量要求線性的場合,常用作

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

L

R2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

1結(jié)構(gòu)和工作原理

2.152光電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(1結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

結(jié)構(gòu)和工作原理

太陽能手機(jī)充電器

志牌

太陽能電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.152光電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(光電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光電池應(yīng)用(a光電追蹤電路

+I2V

R4

R3

R6

R5

R2

R1

W

BG1

BG2

圖(a為光電池構(gòu)成的光電跟蹤電路,用兩只性能相似的同類光電池作為光電接

收器件。當(dāng)入射光通量相同時，執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行跟蹤。當(dāng)系統(tǒng)略

有偏差時,電路輸出差動信號帶動執(zhí)行機(jī)構(gòu)進(jìn)行糾正，以此達(dá)到跟蹤的目的。

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.152光電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光電池應(yīng)用

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光電池應(yīng)用

設(shè)計選型:太陽能電池板功率2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光電池應(yīng)用

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光電池應(yīng)用

凝析天然氣氣液兩相流量計量系統(tǒng)的太陽能發(fā)電系

天陰雨可持續(xù)工作。及蓄電池容量

負(fù)載功率每天工作時數(shù)(17/12/當(dāng)?shù)胤逯等?/p>

照時數(shù)/(0.85*0.85

五路變送器最大功率：24V*0.02A*5=2.4W。ARM功率:12V*0.33A=4W;太陽能

發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計實(shí)例

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光電池應(yīng)用

2.152光電池

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

(3光電池應(yīng)用

系統(tǒng)構(gòu)成:由太陽能電池組、控制器、蓄電池(組組成。

太陽能電池板

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

a光敏二極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

當(dāng)光照增加時，光電流IUO

+

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

a光敏二極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

a光敏二極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

bPIN光敏二極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

bPIN光敏二極管

2.1.5.3光敏管（1結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

c雪崩光敏二極管

2.1.5.3光敏管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

d光敏三極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

d光敏三極管

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

d光敏三極管2.1.53光敏管（2特性

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏管（2特性

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏二極管和三極管特性的主要差別

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光敏二極管的線性較好。

光敏二極管和三極管特性的主要差別

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光線波長和相對光譜靈敏度之間的關(guān)系。2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

性也有很大影響

光電流變化

照度不變時，光電流隨溫度變化

2.1.5內(nèi)光電效應(yīng)器件

光電效應(yīng)器件的選擇

硅PIN光電二極管

硅光電

二極管

幾種硅（銘光電三極管的特性參數(shù)

2.1.6光電傳感器應(yīng)用待測轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)2.1.6光電傳

感器應(yīng)用防止工業(yè)煙塵污染是環(huán)保的重要任務(wù)之一。為了消除工業(yè)煙塵污染，首先

要知道煙塵排放量，因此必須對煙塵源進(jìn)行監(jiān)測、自動顯示和超標(biāo)報警。煙道里的

煙塵濁度是用通過光在煙道里傳輸過程中的變化大小來檢測的。如果煙道濁度增加,

光源發(fā)出的光被煙塵顆泣的吸收和折射增加，到達(dá)光檢測器的光減少,因而光檢測器

輸出信號的強(qiáng)弱便可反映煙道濁度的變化。

煙塵濁度監(jiān)測儀

2.1.6光電傳感器應(yīng)用食品溫度測量

集成IC溫度測量

2.1.6光電傳感器應(yīng)用成若干個不同的規(guī)格，可根據(jù)需要選擇適合的型號。

—光、機(jī)、電一體化的紅外測溫系統(tǒng)

紅外輻射溫度計

2.1.6光電傳感器應(yīng)用

如圖示是目前常見的紅外測溫儀方框圖。它是一個包括光、機(jī)、電一體化的紅

外測溫系統(tǒng),圖中的光學(xué)系統(tǒng)是一個固定焦距的透射系統(tǒng)。

發(fā)射率￡調(diào)節(jié)

被測物體

2.1.6光電傳感器應(yīng)用紅外輻射溫度計2.1.6光電傳感器應(yīng)用紅外輻射溫度計

紅外測溫儀電路比較復(fù)雜,包括前置放大,選頻放大,溫度補(bǔ)償,線性化,發(fā)射率￡

（比輻射率）調(diào)節(jié)等。目前已有一種帶單片機(jī)的智能紅外測溫儀，利用單片機(jī)與軟

件的功能,大大簡化了硬件電路,提高了儀表的穩(wěn)定性、可靠性和準(zhǔn)確性。濾光

片一般采用只允許8?14pirn的紅外輻射能通過的材料。步進(jìn)電機(jī)帶動調(diào)制盤轉(zhuǎn)動，

將被測的紅外輻射調(diào)制成交變的紅外輻射線。紅外探測器一般為（鋁酸鋰）熱釋電

探測器,透鏡的焦點(diǎn)落在其光敏面上。被測目標(biāo)的紅外輻射通過透鏡聚焦在紅外探

測器上,紅外探測器將紅外輻射變換為電信號輸出。紅外測溫儀的光學(xué)系統(tǒng)可以是

透射式,也可以是反射式。反射式光學(xué)系統(tǒng)多采用凹面玻璃反射鏡,并在鏡的表面

鍍金、鋁、銀或鋁等對紅外輻射反射率很高的金屬材料。2.1.6光電傳感器應(yīng)用紅

外輻射溫度計WFHX-632.1.6光電傳感器應(yīng)用紅外輻射溫度計紅外線輻射溫度計

在非接觸溫度測量中的應(yīng)用溫度采集系統(tǒng)利用紅色激光瞄準(zhǔn)被測物（電控柜、

天花板內(nèi)的布線層）2.1.6光電傳感器應(yīng)用紅外輻射溫度計利用紅色激光瞄準(zhǔn)被

測物（冷藏牛奶和面食）紅外線輻射溫度計在非接觸溫度測量中的應(yīng)用2.1.6光

電傳感器應(yīng)用通過測量熱輻射體在兩個波長的光譜輻射兩個波長的光譜輻射光電

高溫比色計被測對象經(jīng)物鏡1成像與光欄3,經(jīng)光導(dǎo)棒4投射到分光鏡6上,它使長

波（紅外線輻射線透過,而使短波（可見光部分反射。透過分光鏡的輻射線再經(jīng)濾光

片9將殘余的短波濾去,爾后被紅外光電元件硅光電池10接收，轉(zhuǎn)換成電量輸出；

由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長波濾去,而被可見光硅光電池8接收；

轉(zhuǎn)換成與波長亮度成函數(shù)關(guān)系的電量輸出。將這茂個電信號輸入自動平衡顯示紀(jì)

錄儀進(jìn)行比較得出光電信號比,即可讀出被測對象的溫度值。光欄3前的平行平面

玻璃2將一部分光線反射到瞄準(zhǔn)反射鏡5上，在經(jīng)反射鏡11、目鏡12和棱鏡13,

便能從觀察系統(tǒng)中看到被觀測對象的狀態(tài)，以便校準(zhǔn)儀器的位置。亮度之比來測

量溫度的儀表，稱為光電比色溫度計。亮度之比圖為光電高溫比色計的工作原理

2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電高溫比色計這種高溫計屬非接觸測量，量程為

800?2000C,精度為0.5%,響應(yīng)速度由光電元件及二次儀表記錄速度而定。其優(yōu)

點(diǎn)是測溫準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，測量范圍寬，可測目標(biāo)小，測量溫度更接近真

實(shí)溫度，環(huán)境的粉塵，水氣，煙霧等對測量結(jié)果的影響小?？捎糜谝苯?、水泥、

玻璃等工業(yè)部門。透過分光鏡的輻射線再經(jīng)濾光片透過分光鏡的輻射線再經(jīng)濾光

片9將殘余的短波濾去被紅外光轉(zhuǎn)換電元件硅光電池10接收，電元件硅光電池10

接收,輸出vi（XI；由分光鏡反射的短波輻射線經(jīng)濾波片7將長波濾去，而被可見

濾波片7將長波濾去,光硅光電池8接收；轉(zhuǎn)換成與波光硅光電池8長亮度成函數(shù)

關(guān)系的電量輸出V2（入2。2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電高溫比色計對于黑體，則有維

恩公式可推得：所謂黑體是指入射的電磁波全部被吸收，既沒有反射，也沒有透

射（當(dāng)然黑體仍然要向外輻射。顯然自然界不存在真正的黑體，但許多物體是較

好的黑體近似（在某些波段上。黑體輻射情況只與其溫度有關(guān)，與組成材料無關(guān)。

對于非黑體來說，根據(jù)兩個輻射強(qiáng)度的比值所求得是所謂的比色溫度Tc。比色溫

度Tc和實(shí)際溫度T有如下關(guān)系：成與波長亮度成函數(shù)關(guān)系的電量2.1.6光電傳感

器應(yīng)用光電高溫比色計將V1（Q、V2g自動V平衡顯示紀(jì)錄儀進(jìn)行比較得出光

電信號比,即可讀出被測對象的溫度值。2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電高溫比色計光

電高溫比色計：?高溫計屬非接觸測量?量程為80D~200（）C?精度為0.5%。?優(yōu)

點(diǎn):測溫準(zhǔn)確度高，反應(yīng)速度快，測量范圍寬，可測目標(biāo)小，測量溫度更接近真實(shí)

溫度，環(huán)境的粉塵，水氣，煙霧等對測量結(jié)果的影響小?？捎糜谝苯?、水泥、玻

璃等工業(yè)部門。11—=TTC￡In（九1￡入21c2（Q—1入2T:被測物實(shí)際溫度；Tc:

比色溫度；式中，口I和以2是物體的黑度系數(shù)，對于灰體來說，以反以23，即

比色溫度與真實(shí)溫度是一致的。2.1.6光電傳感器應(yīng)用反射式煙霧報警器紅外

LED2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電自動門在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，

煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出紅外光敏三極管的紅外光無

法到達(dá)紅外光敏三極管。當(dāng)煙霧進(jìn)入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫

反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光

電流輸出。有效檢測區(qū)域

2.1.6光電傳感器應(yīng)用產(chǎn)品自動計數(shù)2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表n

=60（f/z2.1.6光電傳感器應(yīng)用光電式傳感器2.1.7熱釋電傳感器熱釋電傳感器：

利用熱釋電效應(yīng)來檢測受光面的溫度升高值,得知光的輻射強(qiáng)度，在紅外檢測中得到

廣泛的應(yīng)用，可用于能產(chǎn)生紅外輻射的人體檢測，如防盜門、賓館大廳自動門、

自動燈的控制等。紅外光硅窗PVDF地電極壓環(huán)環(huán)形電極彈簧△T>0++4P+

-P黑色膜電極（透明FET絕緣環(huán)強(qiáng)電介質(zhì)電極（不透明--當(dāng)一些晶體溫度變

化時，其原子排列將發(fā)生變化，晶體自然極化，在晶體兩表面產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。

2.1.7熱釋電傳感器熱釋電感應(yīng)燈2.1.7熱釋電傳感器熱釋電傳感器在智能空調(diào)中

的應(yīng)用熱釋電傳感器上下范圍左右范圍智能空調(diào)能檢測出屋空調(diào)中，熱釋電傳

感器的菲涅爾內(nèi)是否有人，微處理器據(jù)透鏡做成球形狀，從而能感受到屋內(nèi)比自

動調(diào)節(jié)空調(diào)的出風(fēng)量，以達(dá)到節(jié)能的目的。一定空間角范圍里是否有人，以及人

是靜止還是走動。

2.2新型光電器件小結(jié)：I.光電效應(yīng)有哪些？這些光電效應(yīng)對應(yīng)哪些光電元

件？2.這些光電元件有哪些特點(diǎn)？分別適用于什么場合？2.2.1電荷耦合器件

（ChargeCoupledDevice—CCD具有光電傳換、信息存儲、信息傳輸?shù)裙δ?，具?/p>

集成度高、功耗小、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于微光電攝像、信息存儲和處理

的領(lǐng)域。?圖像是由像素組成行，由行組成幀。?對于黑白圖像來說，每個像素

應(yīng)根據(jù)光的強(qiáng)弱得到不同大小的電信號。主要問題：主要問題：（1）如何獲取

圖像信息？（2）怎樣實(shí)現(xiàn)圖像電信號的存儲和輸出？CCD的功能：①光電轉(zhuǎn)

換：獲得與像素明暗相關(guān)的電荷；②電荷轉(zhuǎn)移：能夠保存電荷，并定向轉(zhuǎn)移到輸

出電路。2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD電

荷耦合器件是二十世紀(jì)七十年代初期（1969~1970年）由Dr.WilllardsBoyle和

Dr.GeorgeE.Smith在BellLaboratories發(fā)明的。CCD的作用是將通過光學(xué)鏡頭投

影到CCD表面上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為與之成比例的電荷包，在CCD像面上形成電

荷圖像，將電荷圖像輸出成為電壓視頻圖像，以后再經(jīng)過數(shù)字化處理，把圖像作

為一個文件存儲起來。2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupled

Device--CCD博伊爾和史密斯由于發(fā)明了CCD圖像傳感器（1969AT&TBell

Labs,獲2009年諾貝爾物理學(xué)獎02.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice--CCD2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupled

Device--CCD

2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型

光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型光電器件

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice——CCD2.2新型光電器件2.2.1電荷耦

合器件（ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件

(ChargeCoupledDevice--CCD(1MOS光敏元結(jié)構(gòu)2.2新型光電器件2.2.1

電荷耦合器件(ChargeCoupledDevice--CCDCCD是由規(guī)則排列的金屬—

(Metal-OxideSemiconductor)氧化物一半導(dǎo)體(MetalOxide

Semiconductor,MOS)電容陣列組成。鋁電極CCD的工作過程：1)信號電荷的產(chǎn)

生；2)信號電荷的存貯；3)信號電荷的傳輸；4)信號電荷的檢測。

(ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型光電器件

(ChargeCoupledDevice--CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理型半導(dǎo)體分布均勻的空穴(多

數(shù)載流子;-柵極加正向電壓，形成電場，排斥

空穴遠(yuǎn)

；對帶負(fù)電的電子而言，這是一個勢能很低的區(qū)域;反型層(電子被表面勢吸引，極

薄，密

反型層形成時的外加電壓稱為閾值電壓；

，光子被半導(dǎo)體吸收，產(chǎn)生電子-空穴對。多數(shù)載流子空

而少數(shù)載流子被吸弓I,存貯到較深的勢阱中，形成電荷此時勢阱中吸收的光生電

子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強(qiáng)成正比。這光敏單元或叫做一個像素。

(p.H

2.2新型光電器件

受光照

勢阱

(ChargeCoupledDevice--CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理2.2新型光電器件

表面勢與柵極電壓的關(guān)系

氧化層厚度對表面勢的影響；

同樣?xùn)艠O電壓下，不同厚度的氧化層有著不同的表面勢。

氧

化層厚度

柵極電壓

氧化層厚度

（ChargeCoupledDevice…-CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理2.2新型光電器件

（3電荷轉(zhuǎn)移

電極電壓的變化使得電荷從一個勢阱轉(zhuǎn)移到另一個勢阱;CCD電極間的距離必

須很小，才能保證電荷的轉(zhuǎn)移。

勢阱合并勢阱及電荷轉(zhuǎn)移一電荷包的轉(zhuǎn)移是由勢阱的不對稱和勢阱耦合引光注

入:當(dāng)光照射到CCD硅片上時，在柵極附近的體內(nèi)產(chǎn)生電子-空穴對，其多數(shù)載流子被

柵極電壓排開，少數(shù)載流子則被其收集在勢阱中形成信號電荷。光注入方式又可分

為正面照射式及背面照射式。

光注入的電荷量Nco與入射的光譜輻射通量成線性關(guān)系。

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCDCCD的結(jié)構(gòu)和工作原

理2.2新型光電器件

（4電荷的注入和檢測

r）qNQin=電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD

CCD中產(chǎn)生電子空穴對,電子向器件中電勢最高的地區(qū)聚集，并在那里形成電荷

包。每個電荷包對應(yīng)一個像元。

CCD中電荷生成與收集

電極結(jié)構(gòu)

n-typesilicon

p-typesilicon

SiO2Insulatinglayer

2.2新型光電器件

（ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型光電器'牛

出兩種，以電壓輸出型為例:有浮置擴(kuò)散放大器（FDA、浮置柵放大器（FGA

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDcvicc--CCD2.2新型光電器件

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

CCD曝光時，每個像元有一個電極處于高電位。硅片中這個電極下的電勢將增

大，成為光電子收集的地方，稱為勢阱。

其附近的電極處于低電位，形成了勢壘，并確定了這個像元的邊界。像元水平方

向上的邊界由溝阻確定。

當(dāng)MOS電容器柵區(qū)大于開啟電壓UG,周圍電子迅速地聚集到電極下的半導(dǎo)

體表面處，形成對于電子的勢阱。

勢阱:深耗盡條件下的表面勢形成的空間區(qū)域。

勢阱填滿:電子在半導(dǎo)休表面堆積后使平面勢下降。

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD2.2新型光電器件

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

1必須使MOS電容陣列的排列足夠緊密，以致相鄰互溝通,即相互耦合。

2控制相鄰MOS電容柵極電壓高低來調(diào)節(jié)勢阱深淺，使信號電荷由勢

阱淺的地方流向勢阱深處。

3電荷的轉(zhuǎn)移必須按照確定的方向。

?在CCD的MOS四列上劃分成以幾個相鄰MOS每一單元稱為一位，將每一位

中對應(yīng)位置上的電容柵吸分別連到各自共同電極上,此共同電極稱相線。

?一位CCD中含的電容個數(shù)即為CCD的相數(shù)。每相電極連接的電容個數(shù)一般

來說即為CCD的位數(shù)。

?通常CCD有二相、三相、四相等幾種結(jié)構(gòu)，它們所施加的時鐘脈沖也分別為

二相、三相、四相。

?當(dāng)這種時序脈沖加到CCD的無限循環(huán)結(jié)構(gòu)上時，將實(shí)現(xiàn)信號電荷的定向轉(zhuǎn)

移。

CCD的基本功能是進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換、電荷的存儲和電荷的轉(zhuǎn)移輸出。(Charge

CoupledDevice一一CCD2.2新型光電器件

二相、三相、四相等結(jié)構(gòu)形式。

三相CCD電極結(jié)構(gòu)二相硅-鋁交疊柵結(jié)構(gòu)

CCD的位

(ChargeCoupledDevice----CCD2.2新型光電器件

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

四相CCD電極結(jié)構(gòu)

123

+5V

-5V+5V-5V+5V三相CCD2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--

CCD2.2新型光電器件

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理（5三相CCD的工作過程

（ChargeCoupledDevice——CCD（ChargeCoupledDevice——CCD2.2.1電荷耦合

器件（ChargeCoupledDevice----CCD2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--

CCD

2.2新型光電器件

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice——CCD

CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

CCD的結(jié)構(gòu)就象一排排輸送帶上并排放滿了

小桶，光線就象雨滴撒入各個小桶,每個小

桶就是一個像素。接下快門拍照的過程，就

是按一定的順序測量一下某一短暫的時間間

隔中，小桶中落進(jìn)了多少“光滴”，并記在文

件中。一般的CCD每原色的光度用8位來記

錄,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在記錄色彩時

可以更精確，尤其是在光線比較暗時。早期

的CCD是隔行掃描的，同一時刻，每兩行小

桶，只有一行被測量,這樣可以提高快門速

度，但圖像精度大為降低。隨著技術(shù)的進(jìn)

步，人們已能讓CCD記錄在幾十分之一秒，

甚至幾千分之一秒的時間里，落進(jìn)各個“小

桶”的“光滴”的量，所以，新的CCD一般都是

逐行掃描的。

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice----CCD2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice----CCD

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCD射,一方面使響應(yīng)率減低，另

一方面多次反射產(chǎn)生的干涉效應(yīng)使光譜響應(yīng)曲正面照射

背面光照

鍍以增透膜

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice——CCD（ChargcCoupledDevice--

CCD2.2新型光電器件

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice一一CCD

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice—CCD2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice--CCD2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice-iCCD2.2.1電

荷耦合器件（ChargeCoupledDevice——CCD

2.2新型光電器件

2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice——CCD（ChargeCoupledDevice--

CCD

（1線陣CCD在掃措儀中的應(yīng)用

用

2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice----CCD

CCD圖像傳感器的應(yīng)用（2線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)圖2中，照明系統(tǒng)射出

的平行光信號經(jīng)測量工件后，遮擋部分與未被遮擋部分在線陣CCD光敏面上成

不同的像，而遮擋部分所成的像即代表被測工件的直徑尺寸，L和L，之間的關(guān)系

由高斯公式表示[3],如式（I所示。圖2工件成像示意圖《自動化儀表》33（4,

20122.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice――CCD

CCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)2.2新型光電器件2.2.1電

荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣

CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupled

Device--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)CCD

驅(qū)動電路設(shè)計當(dāng)線陣CCD器件MN36I1工作時，需要提供四路脈沖，分別是轉(zhuǎn)移

脈沖SH、驅(qū)動脈沖CR1和CR2、復(fù)位脈沖RS,其時序由CPLD來實(shí)現(xiàn)。CPLD

輸出的四路脈沖經(jīng)反相驅(qū)動器反相后疊加到MN3611的相位管腳上。在這四路驅(qū)

動脈沖的作用下，該器件將輸出OS信號（即經(jīng)過光積分的有效電信號和DOS信

號（即補(bǔ)償信號。硬件線路的連接如圖3所示。2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合

器件（ChargeCoupledDevice--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD非接

觸直徑測量系統(tǒng)轉(zhuǎn)移脈沖驅(qū)動脈沖2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD非接觸直徑測量

系統(tǒng)圖4中，CCD信號檢測電路被設(shè)計為三級，目的在于盡量減小噪聲干擾。第

一級是射極跟隨器電路，CCD器件輸出信號通過第一級射極跟隨器進(jìn)行阻抗匹

配，可以減少相互干擾，防止測量短路或靜電感應(yīng)尖脈沖對CCD器件的損害；同

時，射極跟隨器實(shí)現(xiàn)了增益近似為1、輸出與輸入同相的功能，具有高輸入阻

抗、低輸出阻抗和帶載能第一級射隨器阻抗匹配第二級第三級復(fù)位脈沖CCD

器件MN36I1驅(qū)動脈沖力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。第二級和第三級采用共發(fā)射級-共基電路，既

提高了電路的上限頻率，又改善了信號輸出的信噪比。共發(fā)射級-共基電路

2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDeviceCCD

CCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)2.2新型光電器件2.2.1電

荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用線陣

CCD非接觸直徑測量系統(tǒng)二值化電路設(shè)計在CCD輸出的視頻電壓信號中，低電

平部分表征實(shí)際工件尺寸的大小，高電平部分表征背景光信號的大小，也就是

說，工件與背景光信號的差異在CCD輸出信號中體現(xiàn)為電平的明顯變化。因此，

需要通過二值化處理，二巴CCD視頻信號中工件尺寸部分與背景光部分分離成二值

電平。實(shí)現(xiàn)CCD視頻信號二值化的方法主要有固定閾值法、浮動閾值法[10]

和微分法，一般用硬件電路實(shí)現(xiàn)。無論采用哪種信號處理方式，都是為了從CCD

的輸出信號中提取真正表示被測工件邊界的特征點(diǎn)。本文采用固定閾值法實(shí)現(xiàn)二

值化，線陣CCD二值化電路圖如圖5所示。2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器

件（ChargeCoupledDevice----CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用⑶線陣CCD

器件檢測工件尺寸2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupledDevice--

CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用（4郵政編碼識別系統(tǒng)驅(qū)動電路CCD細(xì)化二值

化處理透鏡計算機(jī)L=（Nd±2dM2d為圖象末端兩個光敏單元之間可能的最大

誤差。根據(jù)目前產(chǎn)品情況d=0.013~0.03mmoL------工件尺寸，N------覆蓋

的光敏單元d——相鄰光敏單元中心距離M——光學(xué)系統(tǒng)放大率分類箱213分類

機(jī)構(gòu)傳送帶郵政編碼識別系統(tǒng)2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（Charge

CoupledDevice--CCD221.4CCD圖像傳感器的應(yīng)用（5拉絲過程中試件直徑與壁

厚測量系統(tǒng)測量拉絲過程中絲的線徑、軋鋼的直徑、機(jī)械加工的軸類或桿類的直

徑等等，這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。玻璃管暗帶暗帶CCD視頻信

號亮帶玻璃管透射率不同2.2新型光電器件2.2.1電荷耦合器件（ChargeCoupled

Device--CCDCCD圖像傳感器的應(yīng)用（5拉絲過程中試件直徑與壁厚測量

系統(tǒng)由于玻璃管的透射率分布的不同，玻璃管成像的兩條暗帶最外邊界距離為玻

璃管外徑大小，中間亮帶反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚像.

成像物鏡的放大倍率為仇CCD相元尺寸為t,上壁厚、下壁厚分別為nl、n2,

外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元個數(shù)）為N,測量結(jié)果有：dl=d2=D=nltppn2tNt

dl,d2和D分別為上壁厚、下壁厚和外徑尺寸。N為外徑尺寸的脈沖數(shù)（即像元

個數(shù)）。P

2.2新型光電器件222光柵（Grating）式傳感器傳感器由標(biāo)尺光柵、指示光

柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成（見圖）。（移動）標(biāo)尺光柵相對于指示光

柵移動時，形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。這些條紋以光柵的

相對運(yùn)動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈

沖，通過放大、整形、辨向和計數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移

量。傳感器的光路形式有兩種：一種是透射式光柵，它的柵線刻在透明材料（如

工業(yè)用白玻璃、光學(xué)玻璃等）上；另一種是反射式光柵，它的柵線刻在具有強(qiáng)反

射的金屬（不銹鋼）或玻璃鍍金屬膜（鋁膜）上。這種傳感器的優(yōu)點(diǎn)是量程大和

精度高。光柵式傳感器應(yīng)用在程控、數(shù)控機(jī)床和三坐標(biāo)測量機(jī)構(gòu)中，可測量靜、

動態(tài)的直線位移和整圓角位移。在機(jī)械振動測量、變形測量等領(lǐng)域也有應(yīng)用。2.2

新型光電器件2.2.2光柵（Graling）式傳感器光柵的外形及結(jié)構(gòu)尺身尺身安裝孔

防塵保護(hù)罩的內(nèi)部為長光柵（固定反射式掃描頭（與移動部件固定）掃描頭安裝

孔可移動電纜2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.2新型光電器件

2.2.2光柵（Grating）式傳感器光柵的外形及結(jié)構(gòu)（續(xù)）可移動電纜掃描頭（與

移動部件固定）光柵尺構(gòu)成：主光柵一標(biāo)尺光柵，定光柵；指示光柵一動光柵

長度…測量范圍；刻線密度…測量精度（10、25、50、100、125線/mm2.2新型

光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式

傳感器222.1光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（1）光柵光柵------在基體上有等

間距均勻分布刻線的光學(xué)元件。a---透光的縫寬，b-—不透光的線寬w-----光柵

柵距（光柵節(jié)距或光柵常數(shù)W=a+b通常：a=b光柵柵距是光柵尺的一個重要參

數(shù)。光柵柵距光柵柵距或或光柵常數(shù)光柵常數(shù)abW光柵的分類物理光柵光柵

計量光柵長光柵基于光的透射和反射現(xiàn)象透射式光柵反射式光柵基于光的衍射

現(xiàn)象圓光柵光柵尺------是一塊尺面上刻有形狀規(guī)則的刻線，尺上平行等距的刻線

稱為柵線（每毫米10、25、50和100條線）。

2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器光柵、莫爾條紋及光

柵測量裝置（I）光柵?標(biāo)尺光柵--作為測量基準(zhǔn)用，隨被測物體一起移動（或

轉(zhuǎn)動；?指示光柵一-一般固定不動，但在數(shù)控機(jī)床中，標(biāo)尺光柵往往固定在床

身上不動，而指示光柵超拖板一起移動；?在測長系統(tǒng)中，標(biāo)尺光柵的長度一般

由測量范圍來定，而指示光柵一般則只做成一小塊，即只要能獲得足夠的莫爾條

紋區(qū)域即可。2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器光柵、莫爾

條紋及光柵測量裝置（2）莫爾條紋1莫爾條紋光學(xué)原理?兩塊光柵疊合而成，如

兩層紗窗蚊帳等現(xiàn)象；?在H線上，兩光柵的透光部分與透光部分疊加，光線透過

透光部分形成亮帶；?在I線上，兩光柵不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不

過，形成暗帶；?由光柵重疊形成的光學(xué)圖案稱為莫爾條紋，其周期為：B=W2

sin20+（cosO-W22Wl==W21W1W2+W22-W1W2cos02.2新型光電器件

2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.1光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（2）莫爾

條紋1莫爾條紋光學(xué)原理主光柵均勻刻線指示光柵夾角移動明暗相間條紋莫

爾條紋2.2新型光電器件1莫爾條紋光學(xué)原理橫向莫爾條紋的斜率tana=tan92

莫爾條紋間距B=AB=BCsin02=W2sin02-W0莫爾條紋的寬度B由光柵常

數(shù)與光柵夾角決定2.2新型光電器件I莫爾條紋光學(xué)原理02.2新型光電器件1莫

爾條紋光學(xué)原理莫爾現(xiàn)象演示

2.2新型光電器件1莫爾條紋光學(xué)原理2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）

式傳感器光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（2）莫爾條紋2莫爾條蚊的特

點(diǎn)?莫爾條紋的移動量、移動方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對應(yīng)關(guān)系條

紋位置方向不同條紋運(yùn)動方向不同?莫爾條紋間距對光柵柵距具有放大作用夾角

0較小，光柵常數(shù)相等，周期B和W.0之間近似關(guān)系為：令W=0.02mm,

0=0.0017rad（即0.1",則B=11.46mm°即光柵尺移過一個柵距0.02mm,莫爾條

紋移過一個條紋周期11.46mm。這說明莫爾條紋間距對光柵柵距有放大作用,?

莫爾條紋對光柵柵距局部誤差具有消差作用設(shè)光柵柵距W=O.02mm,接收元件采

用lOmmxlOmm硅光電池，在硅光電池10mm寬度范圍內(nèi)，將有500條柵線參與

工作。顯然，在這一區(qū)域內(nèi)個別柵線的柵距誤差，對整個莫爾條紋的位置及形狀

的影響很微小。2.2新型光電器件222光柵（Grating）式傳感器2.221光柵、莫

爾條紋及光柵測量裝置（2）莫爾條紋2莫爾條蚊的特點(diǎn)LB68W2.2新型光電

器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.1光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（2）

莫爾條紋2莫爾條蚊的特點(diǎn)例：一直線光柵，每毫米刻線數(shù)為50.主光柵與指示

光柵的夾角0=1.8。，分辨力、放大倍數(shù)、莫爾條紋的寬度分別為多少？分辨力：△

=W=l/50=0.02mm=20Nm放大倍數(shù)引用=1/（1.8°x3.14/180°31.83莫爾條紋的寬度

B=W/0^0.637mmB=W/sinO條紋間距大大增加2.2新型光電器件2.2.2光柵

（Grating）式傳感器2.221光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（2）莫爾條紋2莫

爾條蚊的特點(diǎn)2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.1光柵、莫爾

條紋及光柵測量裝置（3光柵測量裝置、光柵光學(xué)系統(tǒng)、光柵讀數(shù)頭1）光柵測量

裝置—指利用光柵原理對輸入量（位移量進(jìn)行測量轉(zhuǎn)換、顯示的整個測量裝置。

2）光柵光學(xué)系統(tǒng)----形成和拾取莫爾條紋信號的光學(xué)系統(tǒng)及其光電接收元件。

作用是把標(biāo)尺光柵的位將轉(zhuǎn)換為光電元件的輸出信號。①照明系統(tǒng)……照明系統(tǒng)

包括光源及聚光系統(tǒng)。②光柵副……標(biāo)尺光柵及指示光柵，兩者在平行光照射下

形成莫爾條。③光電接收系統(tǒng)一--光電接收元件，光柵副形成的莫爾條紋變化轉(zhuǎn)換

為電量。運(yùn)動對應(yīng)關(guān)系通過莫爾條紋的運(yùn)動特性判別光柵的運(yùn)動特性光柵移動一

個柵距，莫爾條紋移動一個條紋間隔；光柵改變運(yùn)動方向，莫爾條紋隨之改變運(yùn)

動方向。當(dāng)移動的刻線數(shù)i和角度。一定時，莫爾條紋間距B與移動距離x成正

比，即：Wx/ixB=0=0=i0

2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.1光柵、莫爾條紋及光

柵測量裝置（3光柵測量裝置、光柵光學(xué)系統(tǒng)、光柵讀數(shù)頭3）光柵讀數(shù)頭------由

照明系統(tǒng)、指示光柵和光電接收元件組成?在光柵測量裝置中，光柵讀數(shù)頭或固

定不動，或隨機(jī)床拖板移動。?測量時，它與標(biāo)尺光柵作相對位移，讀出移動工

件的位移量。2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.221光柵、莫爾

條紋及光柵測量裝置（4光柵測量特點(diǎn)①高精度--誤差0.2~0.4Pm/m；測量裝

置的測量精度高達(dá)0.5~3gm/1500mm,分辨率可達(dá)0.1pm;圓光柵盤精度可達(dá)

o.l”~0.2"；圓分度測量裝置的精度可達(dá)0.15”；分辨率可達(dá)到0.1”,②可實(shí)現(xiàn)

動態(tài)測量、自動測量及數(shù)字顯示。③高分辨率，大量程。④抗干擾能力強(qiáng)。⑤

價格較高。2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.221光柵、莫爾條

紋及光柵測量裝置（5光柵光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)1透射式直接接收光學(xué)系統(tǒng)1-光源2.準(zhǔn)直

透鏡3-主光柵4-指示光柵5-光電元件2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳

感器光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（5光柵光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)1透射式直接接

收光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)光源光電元件此光路適合于粗柵距的黑白透射光柵。特點(diǎn)：結(jié)

構(gòu)簡單，位置緊湊，調(diào)整使用方便，應(yīng)用廣泛。透鏡光柵副2.2新型光電器俗

2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.221光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（5光柵光學(xué)

系統(tǒng)特點(diǎn)1透射式光柵透射式光柵2.2新型光電器件222光柵（Grating）式傳感

器光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（5光柵光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)1透射式圓光柵透

射式圓光柵

2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.1光柵、莫爾條紋及光

柵測量裝置（5光柵光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)反射鏡2反射式直接接收光學(xué)系統(tǒng)①光源5經(jīng)

聚光鏡6投向物鏡3,并投向標(biāo)尺光柵1；②標(biāo)尺光柵I反射光線與指示光柵2相

互作用形成莫爾條紋;③莫爾條紋通過物鏡組成像并由光電元件所接收。物鏡指

示光柵主光柵/標(biāo)尺光柵光源2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器

2.221光柵、莫爾條紋及光柵測量裝置（5光柵光學(xué)系統(tǒng)特點(diǎn)2反射式直接接收光

學(xué)系統(tǒng)光電元件聚光鏡物鏡組反射式光柵2.2新型光電器件2.2.2光柵

（Grating）式傳感器光柵傳感器的辨向原理如果傳感器只安裝一套光電元

件，則在實(shí)際應(yīng)用中，無論光柵作正向移動還是反向移動，光敏元件都產(chǎn)生相同

的正弦信號，無法分辨位移的方向。ul光電元件B/4輸出信號u2光電元件2.2新

型光電器件222光柵（Grating）式傳感器2.222光柵傳感器的辨向原理正向移

動時脈沖數(shù)累加；反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到的脈

沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可以辨向。ulul整形整形放大放大微微分

分u）u2,Y1加法脈沖Y1加法脈沖L光源u2u2整形整形放大放大透鏡光柵副

為了能夠辨別方向，還要在間隔1/4個莫爾條紋間距B的地方設(shè)置另一個光電元

件（類似于增量式光電編碼器的辨向）。因此，光柵輸出的信號要經(jīng)過一定的處

理才能使用。反反相相微微分分Y2減法脈沖Y2減法脈沖2.2新型光電器件

U1111整形整形放大放大ul'ur微微分分Y1Y1加法脈沖加法脈沖2.2新型光

電器件Ulul整形整形放大放大u「u「微微分分Y1Y1加法脈沖加法脈沖

2.2.2光柵（Graling）式傳感器2.222光柵傳感器的辨向原理u2u2整形整形放大

放大uh2.2.2光柵（Grating）式傳感器u2u2放大222.2光柵傳感器的辨向原

理放大整形整形u2,u2'反反相相ulff微微ul分分Y2Y2減法脈沖減法脈沖

反反相相ulf『微微ul分分Y2Y2減法脈沖減法脈沖正向移動時u2u2ulul

反向移動時u2u2ululu2'u2'ul*ul1u2'u2*ul*ul*ulffululff*ul

2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.2光柵傳感器的辨向原

理公共信號完整的辨向電路辨向電路各點(diǎn)波形圖整形放大后反向后微分后

正向移動時脈沖數(shù)累加，反向移動時，便從累加的脈沖數(shù)中減去反向移動所得到

的脈沖數(shù)，這樣光柵傳感器就可辨向。2.2新型光電器件222光柵（Grating）式

傳感器222.3光柵傳感器的細(xì)分原理2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳

感器光柵傳感器的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器為光柵設(shè)計的專用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)接器（光柵計數(shù)

卡）內(nèi)部包含以下電路：放大、整形、細(xì)分、辨向、報警、阻抗變換等。組分技

術(shù)?提高分辨力方法：在選擇合適的光柵柵距的前提下，對柵距進(jìn)行測微，電子

學(xué)中稱為“細(xì)分二來得到所需的最小讀數(shù)值。?細(xì)分技術(shù)：細(xì)分就是在莫爾條紋變

化一周期時，不只輸出一個脈沖，而是輸出若干個脈沖，以減小脈沖當(dāng)量提高分

辨力。http://blog.163.com/vipwdp@126/blog/static/150224366201011191314899/2.2

新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.225光柵傳感器的應(yīng)用2.2新型光

電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器222.5光柵傳感器的應(yīng)用數(shù)顯表光柵在機(jī)

床上的安裝位置（2個自由度）光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個自由度）

2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.225光柵傳感器的應(yīng)用2.2

新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.225光柵傳感器的應(yīng)用2自由度光

柵數(shù)顯表3自由度光柵數(shù)顯表X位移顯示Y位移顯示2.2新型光電器件2.2.2光柵

（Grating）式傳感器光柵傳感器的應(yīng)用工作臺工作臺Pee位置指令位置指

令2.2新型光電器件2.2.2光柵（Grating）式傳感器2.225光柵傳感器的應(yīng)用安裝

有直線光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)況角編碼器安裝在夾具的端部切削刀具光柵傳感

器傳感器比較比較電路電路PeeP位置偏差位置偏差驅(qū)動裝置伺服伺服電動

機(jī)電動機(jī)Pff位置反饋位置反饋被加工工件信號處理電路信號處理電路光柵掃

描頭防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵數(shù)控機(jī)床的位置控制系統(tǒng)2.2新型光電器件2.2.2光柵

（Grating）式傳感器光柵傳感器的應(yīng)用2.2新型光電器件2.2.3激光

（Laser）式傳感器2.231激光的特點(diǎn)（1）高方向性精細(xì)位移難測量應(yīng)用光柵來

幫忙要想真正測得準(zhǔn)莫爾條紋最關(guān)緊如何保證精度高辨向細(xì)分少不了高方向性

就是高平行度，即光束的發(fā)散角小。激光束的發(fā)散角已達(dá)到幾分甚至更小。所以

通常稱激光是平行光。（2）高亮度激光在單位面積上集中的能量很高。一臺較

高水平的紅寶石脈沖激光器亮度達(dá)比太陽的發(fā)光亮度高出很多倍。把這種高亮度

的激光束會聚后能產(chǎn)生幾百萬攝氏度的高溫。在這種高溫下，就是最難熔的金

屬，在一瞬間也會熔化。

2.2新型光電器件2.2.3激光（Laser）式傳感器223.1激光的特點(diǎn)（3）單色

性好單色光是指譜線寬度很窄的一段光波。用九表示波長，△九表示譜線寬度，

△入則越小，單色性越好。在普通光源中最好的單色光源是氮（Kr86燈。它的而普

通的氨窗激光器所產(chǎn)生的激光倍，因此激光是最好的單色光源。（4）高相干性

相干性就是指相干波在疊加區(qū)得到穩(wěn)定的干涉條紋所表現(xiàn)的性質(zhì)。普通光源是非

相干光源，而激光是極好的相干光源。由于激光具有上述特點(diǎn)，因此利用激光可

以導(dǎo)向；做成激光干涉儀測量物體表面的平整度、長度、速度、轉(zhuǎn)角等；切割硬

質(zhì)材料等。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，激光的應(yīng)用會更加普遍。用于切割的激光刀，

比任何機(jī)械刀具更鋒利有效2.2新型光電器件2.2.3激光（Laser）式傳感器223.2

激光器種類激光器的種類很多。按其工作物質(zhì)可以分為氣體、液體、固體、半導(dǎo)

體激光器。（1）氣體激光器氣體激光器通常是利用激光管中的氣體放電過程來進(jìn)

行激勵的。氨就激光器是應(yīng)用最廣泛的氣體激光器。它有內(nèi)腔式、外腔式兩種。

在放電管內(nèi)充有一定氣壓和一定氮凝混合比的氣體。氨凝激光器的轉(zhuǎn)換效率較

低，輸出功率一般為毫瓦級。二氧化碳（C02激光器是典型的分子氣體激光器。它

的工作物質(zhì)是C02氣體，常加入氮、氨及一些其他輔助氣體。最常用的激光波長

是10.6的紅外光。CO2激光器的能量轉(zhuǎn)換效率很高，可達(dá)百分之十幾到30%。它

的輸出功率大，可有幾十到上萬瓦。因此它可用于打孔、焊接、通信等方面。入=

605.7nm,AX=0.00047nmA,=638.8nm,△入v10-8nm從上面數(shù)字可以看出：激

光的譜線寬度比普通光源相比提高了幾萬2.2新型光電器件2.2.3激光（Laser）式

傳感器223.2激光器種類中國1963年研制成第一臺氨就激光器2.2新型光電器件

（2）固體激光器固體激光器的工作物質(zhì)主要是摻雜晶體和摻雜玻璃，最常用的是

紅寶石（摻銘、鉉玻璃（摻被、軌鋁石榴石（摻被。在橢圓形聚光器4內(nèi)密封紅寶石

棒2和脈沖伍燈3。紅寶石棒的基質(zhì)為A12O3。摻入重量比約0.05%的絡(luò)離子

Cr3+,作為增益介質(zhì)，以形成受激輻射。I960年，T.H.梅曼發(fā)明脈沖銀燈利用貯

的紅寶石激光器就是固體激存的電能或化學(xué)能，在極短時間光器，也是世界上第

一臺激內(nèi)發(fā)生高強(qiáng)度閃光器。固體激光器一般由激光。光工作物質(zhì)、激勵源、聚

光腔、諧振腔反射鏡和電源等部分構(gòu)成。圖4-123紅寶石激光器的原理a）結(jié)構(gòu)

圖b）能級圖1-全反射鏡2-紅寶石棒3-脈沖笳燈4-聚光器5-部分反射鏡

2.2.3激光（Laser）式傳感器2.232激光器種類是除激光外亮度最高的人造光源

氨頰激光器內(nèi)腔式氨頰激光器射頻管充氣CO2激光器1960年12月，出生于伊朗

的美國科學(xué)家賈萬率人終于成功地制造并運(yùn)轉(zhuǎn)了