第8章 光电效应及光电器件

1、主要内容：主要内容：概述概述光信号光信号光电传感器光电传感器电信号电信号光栅光栅光电开关光电开关光敏电阻光敏电阻光敏管光敏管 8. 1 光电效应光电效应 光电器件工作原理主要利用各种光电器件工作原理主要利用各种光电效应光电效应J 光电效应可分为：光电效应可分为： 外光电效应外光电效应 光电导效应光电导效应 内光电效应内光电效应 光生伏特效应光生伏特效应 外光电效应外光电效应 在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称在光线作用下电子逸出物体表面向外发射称外光电效应外光电效应。 Ehh 普朗克常数普朗克常数 ( ) 光的频率（光的频率（Hz） 每个光子具有能量每个光子具有能量 J.S1/波长短，频率

2、高，能量波长短，频率高，能量大。式中：式中： 入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比入射光的频谱成分不变时，产生的光电子与光强成正比 。 光照射物体时电子吸收入射光子的光照射物体时电子吸收入射光子的能量能量 ，当物体吸入的能量超出物体当物体吸入的能量超出物体逸出功逸出功A A 时，时，电子就会逸出物体表面，产生电子就会逸出物体表面，产生光电子发射光电子发射。 超出的能量就表现在电子逸出的动能上。超出的能量就表现在电子逸出的动能上。 能否产生光电效应，取决于能否产生光电效应，取决于光子的能量是光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。否大于物体表面的电子逸出功。2012EhmvA 光子具

3、有的能量与电子的动能可光子具有的能量与电子的动能可由能量守恒定律由能量守恒定律表示为表示为2012mv 为一个电子逸出的动能（能量）；为一个电子逸出的动能（能量）； m 为电子质量为电子质量 ，0电子逸出物体表面时的速度；电子逸出物体表面时的速度； A 为电子的逸出功。为电子的逸出功。 ( (爱因斯坦光电效应方程爱因斯坦光电效应方程) )光电子光电子光照射光照射e入射光强改变物质导电率的物理现象称入射光强改变物质导电率的物理现象称光电导效应。光电导效应。这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下这种效应几乎所有高电阻率半导体都有，在入射光作用下电子吸收光子能量电子吸收光子能量，电子从价

4、带激发到导带过度到自由状，电子从价带激发到导带过度到自由状态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空态，同时价带也因此形成自由空穴，使导带电子和价带空穴浓度增大引起穴浓度增大引起电阻率减小电阻率减小。8.1.2 内光电效应内光电效应 为使电子从价带激发到导带，为使电子从价带激发到导带，入射光子的能量应大于禁带入射光子的能量应大于禁带 宽度的能量宽度的能量 E0Eg基于光电导效应的光电器件有基于光电导效应的光电器件有光敏电阻光敏电阻。1 1）光电导效应）光电导效应 为什么为什么PN结会因光照产生光生伏特效应呢？结会因光照产生光生伏特效应呢？PN- - - -+ + + +- -+ +光源

5、下面分两种情况讨论：下面分两种情况讨论：2 2） 光生伏特效应光生伏特效应光生伏特效应是半导体材光生伏特效应是半导体材料吸收光能后，在料吸收光能后，在PN结上结上 产生产生电动势电动势的效应。的效应。 当光照射在当光照射在P-N结时，如果光电子能量足够大，就可结时，如果光电子能量足够大，就可激发出电子激发出电子空穴对，在空穴对，在P-N结内电场作用下空穴结内电场作用下空穴移向移向P区，而电子移向区，而电子移向N区，使区，使P区和区和N区之间产生电区之间产生电压，这个电压就是压，这个电压就是光生电动势光生电动势. 基于这种效应的器件有基于这种效应的器件有光电池。光电池。PN电子电子空穴空穴- -

6、 - -+ + + +- -+ +光源 无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；无光照时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照时，产生光生电子有光照时，产生光生电子空穴对，在外电场作用下，空穴对，在外电场作用下，光生电子光生电子N，空穴，空穴P 运动，形成光电流运动，形成光电流Ig。- -+ + 处于反偏时的处于反偏时的P-N结结（给（给P-N结加电场）结加电场） 电流方向与反向电流一致，电流方向与反向电流一致， 光照强光电流越大。光照强光电流越大。 具有这种性能的器件有：具有这种性能的器件有： 光敏二极管光敏二极管、光敏晶体管光敏晶体管 从原理上讲，不加偏压的光从原理上讲，不加偏压的光 电二极

7、管就是光电池。电二极管就是光电池。 光敏二极管通常光敏二极管通常加反向电压。加反向电压。PN电子电子空穴空穴- - - -+ + + +光源IgIgE E8.2 光电器件光电器件 8.2.1 光电管光电管RLUI 光强 光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光光电管是一个抽真空或充惰性气体的玻璃管，内部有光阴极阴极K、阳极、阳极A，光阴极涂有光敏材料；，光阴极涂有光敏材料； 当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量当光线照射在光敏材料上时，如果光子的能量E大于电大于电子的逸出功子的逸出功A（EA），会有电子逸出产生光电子发射），会有电子逸出产生光电子发射. 电子被带有正电的阳极电子被带

8、有正电的阳极吸引在光电管内形成电吸引在光电管内形成电子流，电流在回路电子流，电流在回路电阻阻 RL上产生正比于电流大上产生正比于电流大小的压降。小的压降。 光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常光照很弱时，光电管产生的电流很小，为提高灵敏度常常使用光电倍增管。常使用光电倍增管。 光电倍增管是利用光电倍增管是利用二次电子释放二次电子释放效应，高速电子撞击固效应，高速电子撞击固体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。体表面，发出二次电子，将光电流在管内进行放大。8.2.2 光电倍增管光电倍增管光电倍增管与普通光电管不同光电倍增管与普通光电管不同,在光阴极和阳极之间加了在光阴极和阳极

9、之间加了许多许多倍增极倍增极（10级左右），在阳极和阴极之间加有几级左右），在阳极和阴极之间加有几百上千伏的高压，每个倍增极间分压有百上千伏的高压，每个倍增极间分压有100200V；光电倍增管的电流增益很大在光电倍增管的电流增益很大在105106之间。倍增极外加之间。倍增极外加电压电压Ud与与增益增益G的关系近似为：的关系近似为：NdGKUKN光电倍增管不能直接受强光照光电倍增管不能直接受强光照射射,否则会损坏否则会损坏.通常密封使用。通常密封使用。式中：式中： 常数常数 倍增极数倍增极数 光敏电阻的工作原理是光敏电阻的工作原理是基于光电导效应基于光电导效应 光敏电阻结构光敏电阻结构 是在玻璃

10、底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质，两端 有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。有梳状金属电极，然后在半导体上覆盖一层漆膜。光敏电阻结构光敏电阻结构8.2.3 光敏电阻光敏电阻光敏电阻符号光敏电阻符号光导体光导体8.2.3 光敏电阻光敏电阻 光敏电阻光照特性光敏电阻光照特性 无无光照光照时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值；时，内部电子被原子束缚，具有很高的电阻值； 有光照有光照时，电阻值随光强增加而降低；时，电阻值随光强增加而降低； 光照停止光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值。1.1.伏安特

11、性伏安特性 给定光照度给定光照度，电压越大光电流越大；，电压越大光电流越大； 给定偏压给定偏压，光照越大光电流越大；，光照越大光电流越大； 光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲、 无饱和，但受最大功耗限制。无饱和，但受最大功耗限制。 基本特性基本特性 光照度为单位面积的光通量光照度为单位面积的光通量 Lx = lm（流明）（流明）/s 光敏电阻光敏电阻灵敏度灵敏度与入射与入射波长波长有关有关; 灵敏度与半导体灵敏度与半导体掺杂掺杂的材料有关，的材料有关，图例中材料与相对灵敏度峰位波长图例中材料与相对灵敏度峰位波长硫化镉（硫化镉（CdS）0.30.8 (m)硫化铅（硫化铅（

12、PbS）1.03.5 (m)硫化铊（硫化铊（TlS）1.07.3 (m) 光敏电阻的光谱特性光敏电阻的光谱特性与波长和材料有关与波长和材料有关2.光谱特性光谱特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。温度温度T上升上升，波长波长变短，曲线向左移动。变短，曲线向左移动。 光敏电阻温度特性光敏电阻温度特性3.温度特性温度特性 光敏晶体管包括光敏晶体管包括光敏二极管光敏二极管和和光敏三极管光敏三极管，其工作，其工作原理主要基于原理主要基于光生伏特效应光生伏特效应。 光敏晶体管特点：光敏晶体管特点： 响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高响

13、应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高; ; 广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域和装置。自动报警、自动计数等领域和装置。8.2.4 光敏晶体管光敏晶体管 结构：与一般二极管相似，它们都有一个结构：与一般二极管相似，它们都有一个PN结，结，并且都是单向导电的非线性元件。并且都是单向导电的非线性元件。 为了提高转换效率有大面积受光，为了提高转换效率有大面积受光，光敏二极管光敏二极管P-N结结面积面积比一般二极管大。比一般二极管大。硅光敏二极管结构硅光敏二极管结构 + -+ -+ -光敏二极管光敏二极管电路符号电路符号1

14、）光敏二极管）光敏二极管 光敏二极管光敏二极管工作原理工作原理： 光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态， 无光照无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；时，反向电阻很大，反向电流很小； 有光照有光照时，时，P-NP-N结处产生光生电子结处产生光生电子- -空穴对；空穴对； 在电场作用下形成光电流，在电场作用下形成光电流， 光照越强光电流越大；光照越强光电流越大； 光电流方向与反向电流一致光电流方向与反向电流一致。 光敏二极管基本电路光敏二极管基本电路 RE EDgDgI+ -发光二极管与光敏二极管工作原理不同，发光二极管是利用发光二极管与光敏二极管工作原

15、理不同，发光二极管是利用固体材料发光（电致发光），加正向电压时，固体材料发光（电致发光），加正向电压时，P-N结的电子和结的电子和空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。空穴在结合过程中发射一定频率的光信号。 材料不同发光颜色不同，是一种将材料不同发光颜色不同，是一种将电能电能光能光能的器件；的器件； + +- - -+ +光敏二极管符号光敏二极管符号 发光二极管符号发光二极管符号 发光二极管发光二极管（LED ）与）与光敏二极管光敏二极管发光二极管工作时加发光二极管工作时加正向电压，正向电压，光敏二极管工作时加光敏二极管工作时加反向电压反向电压。 光敏二极管光敏二极管基本特性基本特性1.1.光

16、照特性光照特性 硅光敏二极管在小负载电阻情况下，硅光敏二极管在小负载电阻情况下， 光电流与照度成线性关系。光电流与照度成线性关系。 2.2.光谱特性（硅光敏管为例光谱特性（硅光敏管为例) )当入射当入射波长波长0.9m时，响应逐渐时，响应逐渐下降，虽光波长短能量大，但光下降，虽光波长短能量大，但光穿穿透深度小透深度小，使光电流减小；，使光电流减小；当入射当入射波长波长0.9m时，响应下降时，响应下降是因波长长光子能量小，当小于禁是因波长长光子能量小，当小于禁带宽度时带宽度时 不产生电子、空穴对。不产生电子、空穴对。/Ehh3.3.伏安特性伏安特性 当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随

17、反当反向偏压较低时，光电流随电压变化比较敏感，随反向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏向偏压的加大，反向电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。压几乎无关，只取决于光照强度。4.4.温度特性温度特性 由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的由于反向饱和电流与温度密切有关，因此光敏二极管的暗电流对温度变化很敏感。暗电流对温度变化很敏感。 5.5.频率响应频率响应光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化光敏管的频率响应是指光敏管输出的光电流随频率的变化关系。关系。光敏管的频率响应与本身的物理结构、工作状态、负载以光敏管的频率响应与本身的物理

18、结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。及入射光波长等因素有关。光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线 图中图中硅硅光敏二极管频率响应曲线光敏二极管频率响应曲线说明，说明，调制频率高于调制频率高于1000Hz1000Hz时，时，光敏晶体管灵敏度急剧下降。光敏晶体管灵敏度急剧下降。 结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将结构：与普通晶体管不同的是，光敏晶体管是将基极基极集电极集电极(集电结集电结)作为光敏二极管（控制结）。作为光敏二极管（控制结）。 大多数光敏晶体管的基极无引线，无论大多数光敏晶体管的基极无引线，无论NPN、PNP一般一般集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射

19、到基区。集电结加反偏。玻璃封装上有个小孔，让光照射到基区。光光敏敏三三极极管管结结构构 NNPc cb be e电路电路符号符号2）光敏三极管）光敏三极管 硅（硅（Si Si）光敏三极管）光敏三极管 工作原理工作原理0gCLLUI Ri R晶体管电流放大系数；电流晶体管电流放大系数；电流ig与光强有关与光强有关NNPc cb be e+ +- -光敏三极管光敏三极管等效电路等效电路 在负载电阻上的输出电压为在负载电阻上的输出电压为光敏晶体极管一般是光敏晶体极管一般是NPN结构结构；光照射在集电结的基区产生光生电子光照射在集电结的基区产生光生电子-空穴，空穴，在电场作用下，光生电子被拉向集电极，

20、在电场作用下，光生电子被拉向集电极，基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高；基区留下正电荷（空穴），使基极与发射极之间的电压升高；同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，同时发射极大量电子经基极流向集电极，形成三极管输出电流，使晶体管具有电流增益。使晶体管具有电流增益。光敏晶体管对光电流具有放大作用光敏晶体管对光电流具有放大作用光敏晶体管伏安特性曲线光敏晶体管伏安特性曲线 光敏晶体管伏安特性光敏晶体管伏安特性光敏晶体管的光谱特性光敏晶体管的光谱特性 硅材料的光敏管峰值波长在硅材料的光敏管峰值波长在0.9m附近（可见光）附近（可见光） 灵敏度最大；灵敏度最大； 探测

21、探测可见光可见光或或赤热状赤热状物体时波长短，一般物体时波长短，一般用用硅管硅管 0.9 m； 锗管的峰值波长约为锗管的峰值波长约为1.5 m（红外光红外光）对红外进行探测时用对红外进行探测时用锗管锗管较适宜。较适宜。光敏晶体管光谱特性光敏晶体管光谱特性 光电池工作原理也是基于光电池工作原理也是基于光生伏特效应光生伏特效应，是直接将，是直接将光能转换成电能的器件。光能转换成电能的器件。 有光线作用时就是电源有光线作用时就是电源( (太阳能电池太阳能电池) )，所以广泛，所以广泛用于宇航用于宇航电源电源，另一类用，另一类用于检测和于检测和自动控制自动控制等。等。8.2.5 光电池光电池光信号光信

22、号光电池光电池电信号电信号 光电池结构：光电池结构：光电池实质是一个大面积光电池实质是一个大面积PN结，上电极为栅状结，上电极为栅状受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。受光电极，下面有一抗反射膜，下电极是一层衬底铝。 原理：原理：当光照射当光照射PN结的一个面时，电子结的一个面时，电子空穴对迅速扩散，空穴对迅速扩散，在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势。一般普通光电池可产生通光电池可产生0.2V0.6V电压，电压，50mA电流电流。 光电池结构光电池结构 电路符号电路符号 开路电压开路电压光生电动势与照度之间关系；光生电动

23、势与照度之间关系；开路电压与光照度关系是非线性关系，开开路电压与光照度关系是非线性关系，开路电压在照度路电压在照度2000lx 趋于饱和。趋于饱和。短路电流短路电流光电流与照度之间关系称短路光电流与照度之间关系称短路电流曲线，短路电流是指外接负载相对内电流曲线，短路电流是指外接负载相对内阻很小时的光电流。阻很小时的光电流。光电池光照特性光电池光照特性 1）光电池光照特性）光电池光照特性PN电子电子空穴空穴- - - -+ + + +- -+ +光源光电池工作原理示意图光电池工作原理示意图 2 2）光谱特性）光谱特性硅光电池硅光电池的光谱响应峰值的光谱响应峰值在在0.8m附近，波长范围附近，波长

24、范围0.41.2m。硅光电池可。硅光电池可在很宽的波长范围应用。在很宽的波长范围应用。硒光电池硒光电池光谱响应峰值在光谱响应峰值在0.5m附近，波长范围附近，波长范围0.380.75m。光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵光电池对不同波长的光灵敏度不同，不同材料光灵敏度峰值不同。敏度峰值不同。3 3）频率特性）频率特性 指光电池相对输出电流与光的调制指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。频率之间关系。硅光电池频率响应较好，硅光电池频率响应较好，硒光电池硒光电池较差较差。所以。所以高速计数器高速计数器的转换电路的转换电路一般采用硅光电池作为传感器元件。一般采用硅光电池作为传感器元件

25、。 光电池作为光电池作为控制元件，控制元件，通常接非线性负载，若控制锗管，通常接非线性负载，若控制锗管，发射结导通电压为发射结导通电压为0.2V0.3V；若控制硅管，发射结导通；若控制硅管，发射结导通电压为电压为0.6V0.7V，光电池的，光电池的0.5V电压不能起到控制作用。电压不能起到控制作用。 光电池电路连接光电池电路连接 光电池做电源时当光电池做电源时当电压源电压源使用使用; 用做控制元件时当用做控制元件时当电流源电流源使用。使用。光电池光电池电路符号电路符号光电池电路连接光电池电路连接 可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二极管产可将两个光电池串联后接入基极，或用偏压电阻、二

26、极管产生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流生附加电压。有光照度变化时，引起基极电流Ib变化，集电变化，集电极电流发生极电流发生倍的变化。电流倍的变化。电流Ic与光照近似线性关系。与光照近似线性关系。光电池作为光电池作为电源使用电源使用，需要电压高时应将光电池，需要电压高时应将光电池串联串联使用；使用；需要大电流时应将光电池需要大电流时应将光电池并联并联使用。使用。 光电池电路连接光电池电路连接当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。当心脏跳动时，一个压力波会沿着动脉血管以每秒几米的速度传递。这个压力波会引起人体组织毛细血管中血流量的变化，可记录出脉波。这个压力波会引起人

27、体组织毛细血管中血流量的变化，可记录出脉波。光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏光学测量法是，在一个夹子的两边分别装一个红外发光管和一个光敏电阻，然后夹在耳垂上。电阻，然后夹在耳垂上。心脏压力波引起的毛细血管中血流量的变化导致耳垂的透光率不同，心脏压力波引起的毛细血管中血流量的变化导致耳垂的透光率不同，使光敏电阻的阻值变化，阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。使光敏电阻的阻值变化，阻值的变化周期就是每秒心跳的次数。1）心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）心脏跳动测量传感器（光敏电阻受光）8.3 光电器件的应用光电器件的应用2022-3-25402.）烟雾报警器 无烟雾时，光

28、敏元件接收到LED发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。 烟雾烟雾报警报警2022-3-2541无线烟雾报警器内部结构 可发出高分贝笛鸣声的蜂鸣器2022-3-25423）光电自动门自动门光电传感器自动门光电传感器放大图放大图有效检测区域有效检测区域2022-3-25434）遮断式光电开关原理 遮断式光电开关遮断式光电开关由相互分离且相对安由相互分离且相对安装的光发射器和光接装的光发射器和光接受器组成。当被检测受器组成。当被检测物体位于发射器和接物体位于发射器和接受器之间时，光线被受器之间时，光线被阻断，

29、接受器接受不阻断，接受器接受不到红外线而产生开关到红外线而产生开关信号。信号。被检测物体被检测物体光发射器光发射器光接收器光接收器2022-3-2544定区域反射式光电开关定区域反射式光电开关 定区域式光电定区域式光电开关有一个非常确定开关有一个非常确定的检测区域，不经过的检测区域，不经过该区域的被测物体不该区域的被测物体不会引起光电开关产生会引起光电开关产生开关信号。开关信号。检测距离检测距离检测距离检测距离2022-3-25458.3 8.3 光栅式传感器光栅式传感器v 光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。光栅是一种光学元件，用于测量的光栅称为计量光栅。v 光栅是光栅是光栅尺光

30、栅尺的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻的简称。光栅尺是一块尺子，尺面上刻有排列规则和形状规则的刻线。有排列规则和形状规则的刻线。v 光栅式传感器主要用于光栅式传感器主要用于高精度的机械位移测量高精度的机械位移测量以及精以及精密测量系统的传感装置。密测量系统的传感装置。v 光栅式传感器的特点：精度高；可实现光栅式传感器的特点：精度高；可实现动态测量动态测量；大量程测量兼有高分辨率；具有较强的抗干扰能力。大量程测量兼有高分辨率；具有较强的抗干扰能力。1）计量光栅的种类）计量光栅的种类 长长光栅，用于长度或直线位光栅，用于长度或直线位移的测量，刻线相互平行；移的测量，刻线相互平行； 圆光栅，用来测量

31、角度或角圆光栅，用来测量角度或角位移，在圆盘玻璃上刻线；位移，在圆盘玻璃上刻线； 根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为根据光栅用途的不同，可将光栅尺分为长光栅，圆光栅盘：长光栅，圆光栅盘：长长光光栅栅圆圆光光栅栅在玻璃板上设计，其中透光缝宽为在玻璃板上设计，其中透光缝宽为b ，不透光线宽为，不透光线宽为 a ，一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即一般情况下，光栅的透光缝宽等于不透光的线宽，即a=b。图中图中W = a + b，称为（光栅节距或光栅常数）。，称为（光栅节距或光栅常数）。光栅栅距是光栅尺的重要参数。光栅栅距是光栅尺的重要参数。 长光栅尺的设计：长光栅尺的设计：W = a +

32、 b 光栅栅距光栅栅距 形成莫尔条纹的光学原理形成莫尔条纹的光学原理2 ）莫尔条纹）莫尔条纹莫尔条纹通常是由两块光栅（莫尔条纹通常是由两块光栅（标尺标尺光栅、光栅、指示指示光栅）叠合光栅）叠合而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，而成的，为了避免摩擦，光栅之间留有间隙，两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；两光栅的栅线透光部分与透光部分叠加；光线透过透光部分光线透过透光部分形成形成亮带亮带；光栅不；光栅不透光部分叠加，互透光部分叠加，互相遮挡，形成相遮挡，形成暗带暗带. .这种由光栅重叠形这种由光栅重叠形成的光学图案称为成的光学图案称为莫尔条纹莫尔条纹。 122212122cosWWBWWWW

33、2W1W 标尺光栅常数标尺光栅常数 指示光栅常数指示光栅常数 两光栅的夹角两光栅的夹角式中：式中： 长光栅莫尔条纹的周期（长光栅莫尔条纹的周期（条纹间距条纹间距B） 长光栅横向莫尔条纹长光栅横向莫尔条纹莫尔条纹的重要特性：莫尔条纹的重要特性： 运动对应关系运动对应关系：主光栅向右运动一个栅距：主光栅向右运动一个栅距W1时时(W0.005mm)， 莫尔条纹向下移动一个条纹间距莫尔条纹向下移动一个条纹间距B ;位移放大作用：位移放大作用：两光栅夹角很小，若两光栅夹角很小，若W1=W2 ，莫尔条纹得近似关系莫尔条纹得近似关系B W /；莫尔条纹放大倍数为莫尔条纹放大倍数为1/。虽栅距很小但莫尔条纹清

34、楚可见；虽栅距很小但莫尔条纹清楚可见；误差平均效应：误差平均效应：莫尔条纹的大栅莫尔条纹的大栅线对光栅刻划误差有平均作用线对光栅刻划误差有平均作用.122212122cosWWBWWWW光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）光栅测量装置是指利用光栅原理对输入量（位移量）进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分：进行转换、显示的整个测量装置。包含三大部分： 光栅光学系统；光栅光学系统； 实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统； 相应的机械结构。相应的机械结构。 v 光栅传感器构成原理：光栅传感器构成原理：光栅式传感器又称光栅式读数头，光栅式传感器又称

35、光栅式读数头，由由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等组成。等组成。2 ）光栅传感器构成原理）光栅传感器构成原理 光栅读数头光栅读数头光栅读数头主要由光栅读数头主要由标尺光栅标尺光栅、指示光栅指示光栅、光路系统光路系统和和光电元件光电元件等等组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。组成。标尺光栅的有效长度即为测量范围。指示光栅比标尺光栅短得多指示光栅比标尺光栅短得多，但两者一般刻有同样的栅距，使用，但两者一般刻有同样的栅距，使用时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。时两光栅互相重叠，两者之间有微小的空隙。标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其

36、长度标尺光栅一般固定在被测物体上，随被测物体一起移动，其长度取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。取决于测量范围，指示光栅相对于光电元件固定。两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到两条暗带中心线之间的光强变化是从最暗到渐暗，到渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。渐亮，一直到最亮，又从最亮再到最暗的渐变过程。 主光栅移动一个栅距主光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，若用光，光强变化一个周期，若用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，则将光信号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，接近于正弦周期函数。转换为电信号，接近于正弦周期函数。WxUUumoo

37、22sin式中：式中：uo 光电元件输出的电压信号；光电元件输出的电压信号； Uo 输出信号中的平均直流分量；输出信号中的平均直流分量； Um 输出信号中正弦交流分量的幅值输出信号中正弦交流分量的幅值相距相距B/4放置四个光电元件，光栅移动时光的放置四个光电元件，光栅移动时光的信号强弱变化信号强弱变化。光栅位移与光强、输出电压的关系光栅位移与光强、输出电压的关系直接接收式光学系统可以装调成四相型系统。对于横向莫尔直接接收式光学系统可以装调成四相型系统。对于横向莫尔条纹，为了获得四相信号，相距条纹，为了获得四相信号，相距B/4放置四个光电元件；放置四个光电元件；光电元件可采用四极硅光电池或光敏二极管，并调整莫尔条光电元件可采用四极硅光电池或光敏二极管，并调整莫尔条纹的宽度使其和纹的宽度使其和四极硅光电池四极硅光电池的宽度的宽度S相同。相同。 辨向逻辑工作原理辨向逻辑工作原理 光栅测量电路光栅测量电路光栅读数头实现位移量由非电量转换为电量，位移是向量，光栅读数头实现位移量由非电量转换为电量，位移是向量， 因而对位移量的测量除了确定大小之外，还应确定其方向