《传感器与检测技术》课件 第九章 光电式传感器

控制科学与工程学院-专业基础课程2026年3月传感器与检测技术授课人：联系方式手机/微信：****，邮箱：****课程资源网站：教材：一流本科专业一流本科课程建设第九章光电式传感器PHOTOELECTRICEFFECT内光电效应及器件9.1外光电效应及器件9.2光栅传感器9.3光电传感器镜反射式光电传感器红外漫反射光开关光栅感应器第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.1内光电效应光电式传感器光电式传感器（或称光敏传感器）是利用光电器件把光信号转换成电信号或电参数（电压、电流、电荷、电阻等）的装置。优点：非接触、响应速度快、结构简单、性能可靠、高精度、高分辨率、抗干扰能力强等。应用领域：自动控制、智能设备、导航系统、广播电视、航空航天、军事应用等。定义几种常见的光电式传感器第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.1内光电效应概述内光电效应（InternalPhotoelectricEffect）是指当光子照射到半导体材料时，光子的能量被材料吸收，使得价带中的电子被激发到导带，从而产生电子-空穴对的现象。定义内光电效应原理光生载流子在材料内部的电场作用下分离，导致材料的电学性质发生变化，其基本原理如下图所示。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.1内光电效应概述内光电效应原理光子激发半导体材料，产生电子-空穴对，这些载流子使半导体材料的电导率发生变化，这种现象称为光电导效应，典型应用有光敏电阻、光电导探测器等。光生载流子，在PN结或PIN结构的内建电场作用下分离，形成光电流或光生电压，这种现象称为光生伏特效应，典型应用有光电池、光敏二极管等。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.1内光电效应概述为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光电导材料的禁带宽度，即式中，是普朗克常量；是光速；、分别是入射光的频率和波长。由上式可知，能否实现能级跃迁取决于入射光的波长。半导体材料的能带结构里，禁带宽度位于价带和导带之间（价带和导带之间的能量差），这个范围不允许电子占据，单位为电子伏特（eV），决定了材料的光导性能和用途，禁带窄导电性好，禁带宽导电性差但耐高温。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件1.光电导效应光生载流子的产生：在没有光照时，半导体材料中只有少量的电子因为热激发从价带跃迁到导带，所以电导率较低。有光照射时，光子能量大于或等于禁带宽度，产生的光生载流子（电子-空穴对）增加了材料的导电能力。载流子的迁移：在电场作用下光生载流子进行迁移形成电流。在半导体材料中，电子的迁移率通常比空穴的迁移率高。在外部电场的作用下，电子会向正极移动，空穴会向负极移动。它们的迁移速度和迁移距离决定了光电导效应的大小。如果载流子在迁移过程中遇到杂质或者晶格缺陷，可能会发生复合，从而减少载流子的数量，降低光电导效应。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻光敏电阻由一块两边带有金属电极的光电半导体组成，电极和半导体之间呈欧姆接触，使用时在它的两电极上施加直流或交流工作电压，如右图所示。工作原理光敏电阻是一种利用光电导材料制成的没有极性的光电器件，也称光导管。它的电阻值随着光照强度的增加而减小。光敏电阻通常由半导体材料制成，如硫化镉或硒化镉。定义光敏电阻工作原理第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻无光照射，光敏电阻呈高阻态，回路中仅有微弱的暗电流通过。有光照射，光敏材料吸收光能，其电阻率变小，呈低阻态，此时回路中有较强的亮电流通过，光照越强，阻值越小，亮电流越大。当光照射停止时，光敏电阻又逐渐恢复原值呈高阻态，电路又只有微弱的暗电流通过。光敏电阻工作原理第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻用于制造光敏电阻的材料主要有金属硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料。目前生产的光敏电阻主要是硫化镉，为提高其光灵敏度，在硫化镉中再掺入铜、银等杂质。光敏电阻的外形、结构如下图所示，通常采用涂敷、喷涂等方法在陶瓷基片上涂上栅状光导电体膜（硫化镉多晶体）经烧结而成。材料与结构光敏电阻结构第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，为防止受潮，采用两种封闭方法：①金属外壳，顶部有透明玻璃窗口的密封结构；②没有外壳，但在其表面涂上一层防潮树脂。光敏电阻结构第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻光敏电阻的优点：灵敏度高、工作电流大（可达数毫安）、光谱响应范围宽（可涵盖紫外区域到红外区域）、体积小、重量轻、机械强度高、耐冲击、耐振动、抗过载能力强、寿命长、价格较低、使用方便等。光敏电阻的缺点：响应时间长、频率特性差、强光线性差、受温度影响大等。光敏电阻的应用领域：主要用于红外的弱光探测和开关控制领域。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻①暗电阻、亮电阻与光电流暗电阻：在全暗条件下测得的电阻值。其值一般大于，甚至高达100，此时流过光敏电阻的电流称为暗电流。亮电阻：受到光照时测得的电阻值。一般在几千欧以下，此时电路中的电流叫做亮电流。光电流：亮电流与暗电流之差。光电流越大，光敏电阻灵敏度越高，性能越好。参数及特性第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻②光电灵敏度光电灵敏度：指光敏电阻在不同光照强度下的电阻变化程度，通常用暗电阻与亮电阻的比值来表示，其值一般在~之间。光敏电阻的灵敏度还与光谱响应有关。不同材料的光敏电阻对不同波长的光有不同的响应特性。例如，硫化镉（CdS）光敏电阻在可见光波段的灵敏度最高，常用于灯光自动控制和照相机自动测光等领域。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻③伏安特性光敏电阻的伏安特性是指在一定光照条件下，加在光敏电阻两端的电压与光电流之间的关系，如下图所示，虚线为允许功耗线或额定功耗线。伏安特性曲线第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻可以看出，在测量电压范围内，光电流随着外加电压的增加而增加。这是由于外加电压后光电材料内产生电场，光生载流子在电场的作用下各自向相应的电极运动。伏安特性曲线电压较低时，载流子的漂移速度较慢，有一部分载流子在运动过程中被复合而不能达到电极，使电流较小；电压值高时，载流子的漂移速度增加，从产生位置到达电极所需的时间短，复合的机会减少，光电流增加；当电压增加到所有光生载流子在复合前都能达到电极，光电流就达到饱和状态，此时流过外部电路横截面的载流子数目与同一时间内光照产生载流子数目相等。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻④光照特性光敏电阻的光照特性用于描述光敏电阻的光电流与光照强度的关系，绝大多数光敏电阻的光照特性曲线为非线性，如下图所示。光电流与光强关系因为光强增加，所吸收的光子数目增多，产生电子-空穴对数目增加，在正常电压下，载流子的运动速度并不是很大，从其产生位置到达电极需要一定的时间，可能会发生部分复合，光电流会增加但不是线性增加，导致光电流随光强单调地非线性增加。因此，光敏电阻一般在自动控制系统中用作开关式光电转换器，不宜用作线性测量元件。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻⑤光谱特性光谱特性：光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系。不同波长照射时，光敏电阻相对光谱灵敏度不同。光谱特性右图所示为硫化镉（Cds）、硫化铅（PbS）和硫化铊（）几种材料的光谱特性。由图可知，光敏电阻灵敏度与半导体参杂的材料有关，不同材料的光敏电阻灵敏度峰值波长不同。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻一般光敏电阻的电阻值对温度变化很敏感，如光敏电阳本身的噪声较大，将其和信号一起输入到放大器，会使测量产生误差。因此，选择与光敏元件随温度产生相同变化的补偿热敏电阻，以保证信号输出点温度引起的电位不变，这是采用热敏电阻的多匹配偏置方式的机理，常将和放置在相同温度的环境中，并将放在暗盒中防止光的影响。光敏电阻测量电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻右图示出了光敏电阻测量辐射光时所用的匹配偏置—电压放大电路。图中为偏置电源，和分别构成型滤波器，以减小不稳定的影响；和接成电桥的形式。后接具有电流负反馈的结型场效应管共源放大器，适当选择栅极偏置电阻，可使放大器的输入电阻达Ω以上。匹配偏执——电压放大电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻右图是一种工作温度为77K的锑化铟光电导器件的恒流偏置-电压放大电路。图中光敏电阻的暗电阻，负载电阻取值为20kΩ（远大于），即构成恒流偏置方式。晶体管和组成电压串联负反馈电压放大器，输入电阻，远大于源电阻。其性能如下：电压增益250，输出电阻40kΩ，带宽大于1MHz，噪声系数0.8dB。InSb光电导的恒流偏置——电压放大电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻①自控照明装置。下图是简单的自动控制照明装置电路。硫化镉的电阻随光线明暗而变化，在电路中的点处检测出电阻变化引起相应的电压变化。光敏电阻应用如果超过设定电平，其输出信号经运放A和放大，供给晶体管，从而控制灯泡的亮灭。电路中运放加有正反馈，具有一定滞后特性，这样可以改善电路的开关特性。电路中的二极管作为运放A与的接口，使平滑开关动作。自动控制照明装置第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件2.光敏电阻②曝光定时电路。右图是曝光定时电路。的阻值随外部光源变化，时间常数由决定。调节接在发射极的电位器的电阻值大小，控制的通断时间，形成具有设定时间宽度的单稳脉冲。电路中亦起放大作用，起倒相作用。单稳脉冲由集电极输出，脉冲开始时刻由开关确定，结束时刻由电路时间数确定。曝光定时电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器基于光电导效应的另一类应用为光电探测器。基于光电导效应，光敏电阻是通过电导率的改变而改变电阻值，而光电探测器是在内建电场作用下，产生光电流。其典型应用为光敏二极管。常见的光敏二极管有PN型光敏二极管、PIN型光敏二极管、雪崩光敏二极管（AvalanchePhotodiode，APD）以及MSM光电二极管（Metal-Semiconductor-MetalPhotodiode，MSM）。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器①结构与工作原理光敏二极管结构、电路符号与外形如下图a~c所示。光敏二极管的结构与一般二极管相似，它们都有一个PN结，并且都是单向导电的非线性元件。但作为光敏元件，光敏二极管在结构上有特殊之处，一般光敏二极管封装在透明玻璃外壳内，其PN结装在顶，可直接接收阳光照射，为了提高转换效率，增大受光面积，PN结的面积比一般二极管大。PN型光敏二极管第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态，如右图。在没有光照射时，光敏二极管处于截止状态，反向电阻很大。此时，只有少数载流子在反向偏压的作用下，渡越阻挡层形成微小的反向电流，即暗电流。受光照射时，PN结附近受光子轰击，吸收其能量而产生电子-空穴对，从而使P区和N区的少数载流子浓度大大增加。因此，在外加反向偏压和内电场的作用下，P区的少数载流子渡越阻挡层进入N区，N区的少数载流子渡越阻挡层进入P区，从而使通过PN结的反向电流大为增加，这就形成了光电流。光敏二极管工作原理第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器②特性曲线光敏二极管的光电流与照度呈良好的线性关系，如图(a)所示。图(b)为硅光敏二极管的伏安特性曲线，当反向偏压较低时，光电流随反向偏压变化较为敏感，这是由于反向偏压加大了耗尽层的宽度和电场强度。随反向偏压加大，对载流子收集达到极限，光生电流趋于饱和，这时光生电流与所加偏压几乎无关，只取决于光照强度。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器若P区与N区间有一厚厚的本征层I区，可形成PIN结构，如右图所示。P区很薄，光子可透过P区在I区被吸收产生电子-空穴对。在自建电场作用下，PI结中电子向I区漂移，空穴向

漂移，IN结中电子向N区漂移，空穴向I区漂移，形成漂移电流，即光电流I。PIN型光敏二极管光电流的产生第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器要使(改为I)升高，应增加空间电荷区宽度，即加反偏电压（右图），此时I区比P区和N区电阻高，必承受大部分压降，耗尽区加宽，光电效应的有效区加大，灵敏度提高。同时I区的压降大，电场强，光生载流子在强场下加速运动，渡越时间非常短，有利于频率响应的提高。加反压的示意图第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器在设计PIN管的结构时，要保证耗尽层能够吸收大量的入射光，区和

区就要很薄，一般为0.8μm，耗尽层一般应为30μm。如右图所示的穿越结构被应用于硅材料器件中，这是因为耗尽层通过耗尽过程“穿越”I区到达重掺杂的衬底处停止。在要求宽耗尽层的场合，因为轻度掺杂的I层在较低的电压下就能达到耗尽状态，PIN管结构更可取。PIN管结构第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器①工作原理雪崩光电二极管（AvalanchePhotodiode，APD）是一种高灵敏度有源功率半导体探测器，利用PN结加上高反向偏压时，发生雪崩效应而获得电流增益的光电器件，其结构及电路符号见下图。雪崩光敏二极管APD结构及电路符号第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器APD具有配置，如右图所示。PIN光电二极管和APD的结构相似，都包含两个重掺杂区域和两个轻掺杂区域。和是重掺杂区域，而I和P是轻掺杂区域。在本征区域I中，与PIN光电二极管相比，该光电二极管的耗尽层宽度相当薄。P层具有高电阻率，因此所有反向偏压主要施加在P和区域。当反向偏置电压增加时，耗尽层的宽度也会增加。根据掺杂材料的不同，APD可分为硅APD、锗APD和铟镓砷APD。APD结构第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器右图所示为APD工作原理。APD基于光电导效应和雪崩击穿效应，光电导效应产生光生载流子，而雪崩击穿效应放大光电流。由于PN结加高反向偏置电压使耗尽层加厚，在无光入射时，PN结中无电子-空穴对，不会发生雪崩现象；当光入射到PN结并产生电子-空穴对时，强场使光生载流子加速获得足够能量，它们与晶格原子碰撞产生新的电子-空穴对，新载流子对在强场中又被加速，又能与晶格碰撞，再一次产生电子-空穴对，类似“链式”反应，获得载流子的雪崩效应，从而光电流增多。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器这种雪崩效应使得雪崩二极管能够在高电压下稳定工作，并且具有快速的响应速度。与其他光电探测器，如PIN、光电二极管和光敏电阻相比，APD具有高内部增益、高灵敏度的特点，可以检测微弱的光信号，但也具有较大的暗电流和噪声。冲击电离是实现APD倍增的关键，但当微弱信号被放大时，器件内部的暗电流也会被放大，最终会影响器件的性能，这需要优化结构设计以降低噪声。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器②倍增因子APD是高灵敏度的光敏二极管，通常用倍增因子M来描述雪崩二极管的特性，其倍增因子定义为雪崩倍增光电流与无雪崩时的反向饱和电流之比。实验证明式中，是外加电压（偏置电压）；是雪崩击穿电压；d是与材料、器件结构及入射波长有关的常数（一般为1~3）。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器③砷化铟镓（InGaAs）雪崩光电二极管。由于Si材料的禁带宽度Eg=1.12eV，截止波长约为1.1μm，因此限制了基于Si材料制备的APD对1310nm和1550nμm光通信频段中的光吸收。虽然基于Ge的APD可以工作在光通信频段，但其在1.55μm波段附近的量子效率较低，电子与空穴的电离系数比接近1，进而导致大噪声和大暗电流，从而影响器件性能。因此基于IV族材料的APD，限制了其在近红外区域的检测。对于长距离光纤通信，采用可有效吸收1550nm光的III-V族InGaAs材料作为吸收层，制成InGaAs/InPAPD或InGaAs/InAlAsAPD。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器右图为InGaAsAPD结构图。InGaAsAPD与SiAPD相似，不同之处在于增加一个掺杂磷化铟（InP）材料的倍增层（Multiplcation），通过放大电场强度来提高器件性能，具有更高增益、更低噪声，并针对特定波长灵敏度进行优化（适用于近红外至短波红外范围，约为900~1700nm）。本征层掺杂了铟镓砷化物（InGaAs）材料。轻掺杂的P层也掺杂了一层InP材料。InGaAsAPD结构图第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器①路灯的自动控制右图为一个路灯的自动控制电路，可以看出：在无光照时，光敏二极管（反向）截止，电阻上的压降很小，则晶体管截止，截止，继电器不动作，路灯保持亮；有光照时，光敏管产生光电流，电压下降，上升，光强达到某一值时导通、导通，动作常闭端打开，使路灯灭。即白天灯灭，晚上灯亮，起到自动控制作用。光敏二极管的应用路灯自动控制电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器②光电探测器光电探测器信号处理电路，主要包括光电转换、跨阻放大以及高通滤波等三部分。光电转换部分主要由InGaAsAPD组成，实现光信号向电流信号的转换；跨阻放大部分，主要由A1放大器组成，并将其设置于跨阻放大模式，实现光电流信号向电压信号的转换；高通滤波部分，主要由三个二阶滤波器级联组成六阶高通滤波器，从而实现对低频信号抑制，保留高频信号输出。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.2光电导效应及器件3.光敏探测器由式可知，通过改变偏置电压的大小（略低于APD击穿电压的范围），可改变APD的倍增因子，达到设计所需。跨阻放大电路中的与为增益电阻，其值决定了A1放大器的输出电压值。APD光电探测器信号处理电路第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件1.光生伏特效应由半导体材料形成的PN结，在P区的一侧，价带中有较多的空穴，而在N区的一侧，导带中有较多的电子。由于扩散的结果，使P区带负电、N区带正电，它们积累在结附近，形成PN结的自建场，自建场阻止电子和空穴的继续扩散，最终达到动态平衡，在结区形成阻止电子和空穴继续扩散的势垒，如右图所示。半导体PN结势垒和能带在光线作用下，能够使物体产生一定方向电动势的现象叫做光生伏特效应。光生伏特效应有两种：结光电效应（也称为势垒效应）和横向光电效应（也称为侧向光电效应）。基于光生伏特效应的光电器件有光电池、光敏二极管、光敏三极管和光敏场效应晶体管等。定义第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件1.光生伏特效应在入射光照射下，当光子能量大于光电导材料的禁带宽度时，就会在材料中激发出光生电子-空穴对，破坏结的平衡状态。结区的光生电子和空穴以及新扩散进结区的电子和空穴，在结电场的作用下，电子向区移动，空穴向区移动，从而形成光生电流。半导体PN结势垒和能带第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件1.光生伏特效应这些可移动的电子和空穴，称为材料中的少数载流子。在探测器处于开路的情况下，少数载流子积累在结附近，降低势垒高度，产生一个与平衡结内自建场相反的光生电场，也就是光生电动势。利用此效应可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和色敏传感器等。半导体PN结势垒和能带第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池光电池的种类很多，有硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、磷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它具有稳定性好、光谱范围宽、频率特性好、换能效率高、耐高温辐射等一系列优点。下图所示为各种类型的光电池产品。各种类型的光电池第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件，它是一个大面积的PN结。下图为光电池结构及电路符号，其中P区为受光区。当光照射到PN结上时，便在PN结的两端产生电动势（P区为正，N区为负）。光电池结构与原理结构与工作原理第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池当N型半导体和P型半导体结合在一起构成一块晶体时，由于热运动，N区中的电子就向P区扩散，而P区中的空穴则向N区扩散，结果在P区靠近交界处聚集起较多的电子，而在N区靠近交界处聚集起较多的空穴，于是在过渡区形成了一个电场，电场的方向由N区指向P区。这个电场阻止电子进一步向由N区向P区扩散和空穴进一步由P区向N区扩散，但是却能推动N区中的空穴（少数载流子）和P区中的电子（也是少数载流子）分别向对方运动。光电池结构与原理第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池光照到PN结上时，如果光子能量足够大，将在PN结区附近激发电子-空穴对。在PN结电场作用下，N区的非空穴被拉向P区，P区的非电子被拉向N区。结果在N区就聚集了负电荷，带负电；P区聚集了正电荷，带正电。这样N区和P区之间就出现了电位差。工作原理用导线PN结两端连接起来，电路中就有电流流过，电流的方向由P区流经外电路至N区，右图所示为光电池短路电流检测原理。若将电路断开，就可以测出光生电动势。用于检测的普通光电池一般可产生0.2~0.6V电压，50mA电流。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池①光谱特性光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的。下图所示为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线，图中可知，不同材料的光电池，光谱响应峰值所对应的入射光波长是不同的。光电池的光谱特性基本特征硅光电池，光谱响应范围较宽，约为0.45~1.1μm，峰值波长在0.8μm附近。其在红外光区域有较好的响应，因此适用于较宽波长范围的应用场景。硒光电池，光谱响应范围为0.34~0.75μm，峰值波长在0.5μm附近，主要适用于可见光检测。第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池②光照特性右图所示为硅光电池的开路电压和短路电流与光照的关系曲线。由图可见，短路电流在很宽范围内与光照度成线性关系；开路电压（负载电阻无限大时）与光照度的关系是非线性的，而且在光照200lx时就趋向饱和了。因此光电池作为测量元件使用时，应把它当做电流源的形式使用，利用短路电流与光照度成线性关系的优点，而不要把它当做电压源使用。开路电压和短路电流与光照的关系第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池光电池短路电流是指，外接负载电阻相对于它的内阻来说很小的情况下的电流值。从实验可知，负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽（如右图所示）。实验证明，当负载电阻为100Ω时，照度在0-1000lx范围内变化时，光谱特性还是比较好的，而负载电阻超过2000Ω以上，其线性逐渐变坏。在不同负载下的光照特性第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池③频率响应光电池作为测量、计算、接收器件时，常用调制光作为输入。光电池的频率响应是指输出电流随调制光频率变化的关系，如右图所示。由图可知，硅光电池具有较高频率响应，而硒光电池则较差。因此，在高速计数的光电转换中一般采用硅光电池。光电池的频率特性第九章9.1内光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.1.3光生伏特效应及器件2.光电池④温度特性光电池温度特性是指光电池的输出参数（如开路电压、短路电流、最大功率等）随温度变化的特性。光电池的温漂特性，将影响测量精度或控制精度。由右图可知，开路电压随温度上升而下降很快，当温度上升1℃时，开路电压约降低了3mV，这个变化是不可逆的，但短路电流随温度的变化却是缓慢增加的，温度每升高1℃，短路电流只增加。硅光电池的温度特性（照度1000lx）第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述这种现象是光电效应的一种，主要发生在金属或其他半导体材料的表面。基于外光电效应的光器件有光电管、光电倍增管等。外光电效应示意图外光电效应，也称为光电发射效应，是指当光照射到物质表面时，物质会发射出电子的现象。如下图所示，向外发射的电子叫做光电子。定义第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述光电子是具有能量的基本粒子，光照射物体时，可以看成是具有一定能量的光电子束轰击这些物体。每个光电子具有的能量可由下式确定式中，h是普朗克常数，；γ是光频率()。可见，光的波长越短，频率就越高，光子的能量也越大；反之，频率越低，光子的能量越小。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述爱因斯坦为解释光电效应提出光子说，假设一个电子只能吸收一个光子，所以要使一个电子从物体表面逸出，必须使其能量一部分用以克服物质对电子的束缚（即表面逸出功），超出部分表现为电子的动能。根据能量守恒定理式中，m是电子质量；是电子逸出速度。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最大动能为式中，为电子的最大速率；为产生光电发射的极限频率。上式表明，光电子最大动能与入射光频率成正比，而与入射光强度无关。若光电子逸出表面，其能量就是上式最大值。若光电子在材料内部，就会发生多次碰撞，且全是弹性碰撞，逸出表面能量还是最大，但一般会有非弹性碰撞发生，所以，逸出电子能量会减小。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述若在发射电子的材料上方放置一个电子接收板，并连接成一个光电发射检测装置，如下图所示，可用于测定逸出电子随光频率和光强度的变化情况。实验发现，若入射光子能量小于，即时，无论光强多大，都无光电子发射，光电流都为0。说明光波长必须小于，才能产生光电子，即存在一个极限频率，电子吸收光子后能量完全用于克服表面逸出功，此时光波长称为阈波长，表示为光电发射检测装置第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.1外光电效应概述若给光电发射材料加反压以阻止电子运动到吸收板上，测量出无电子到达时的电压，即得到逸出电子的最大能量，它与所吸收光子的频率成正比。若光子的波长或频率不变，光强增加只使照射材料的光子数目增多，逸出电子的最大能量保持不变。光电发射检测装置第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管光电管的基本工作原理、外形结构及电路符号如下图所示。1.结构与工作原理光电管是一种将光信号转换为电信号的半导体器件，广泛应用于自动控制、光电检测、光纤通信等领域。光电管是一个抽成真空或充满惰性气体的玻璃管，内部有光阴极和阳极，光阴极涂有光敏材料。定义光电管的结构示意图第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管阴极装在玻璃管内壁上，其上涂有光电发射材料。阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形,置于玻璃管的中央。在阳极与阴极间施加电压，当有满足波长条件的光照射阴极时,就会有电子发射,在两极间及外电路中形成电流。1.结构与工作原理光电管的结构示意图第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管当入射光透过真空型光电管的入射窗照射到光电阴极面上时,光电子就从阴极发射出去，在阴极和阳极之间形成的电场作用下，光电子在极间作加速运动,被高电位的阳极收集,其光电流的大小主要由阴极灵敏度和入射辐射的强度决定。1.结构与工作原理光电管的结构示意图第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管光电管的伏安特性如右图所示（真空型）。它是应用光电传感器参数的主要依据。由图可见，当入射光通量一定时，电流先是随外加偏压升高而增大；当电压增加到一定值后，电流基本维持恒定，此恒定值即饱和电流值，相应的偏压称为饱和工作电压。2.基本特性伏安特性在一定的光照射条件下，光电管产生的电流与所加电压之间的关系称为光电管的伏安特性。定义伏安特性第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管说明只有当偏置电压增加到一定值时，阴极发射的光电子才能全部为阳极所收集。因此，光电管在使用时，应使其工作在饱和状态下。伏安特性曲线还表明，工作偏压一定时，饱和电流随入射到阴极的光通量增大而增大，但在加有工作电压却没有光照射情况下，也仍有光电流输出，这就是暗电流。2.基本特性伏安特性第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管曲线1表示银氧铯阴极光电管的光照特性，光电流Ⅰ与光通量呈线性关系。曲线2为锑铯阴极的光电管光照特性，它呈非线性关系。光照特性曲线的斜率（光电流与入射光光通量之比）称为光电管的灵敏度。2.基本特性光电管的光照特性光电管的光照特性通常指当光电管工作电压和入射光不变时，光通量与光电流之间的关系。定义光照特性第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.2光电管曲线1和2分别为银氧铯阴极、锑铯阴极对应不同波长光线的灵敏度，曲线3为多种成分（锑、钾、钠、铯等）阴极的光谱特性曲线。从图中可以看出，不同材料对不同波长的光有不同的灵敏度。因此，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的光电阴极，以使其最大灵敏度在需要检测的光谱范围内。2.基本特性光电管光谱特不同光电阴极材料的光电管，对同一波长光有不同的灵敏度。同一种阴极材料的光电管对与不同波长的光的灵敏度也不同，这就是光电管的光谱特性。定义光谱特性第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安,很不容易探测。这时常用光电倍增管（PhotoMultiplierTube，PMT)对电流进行放大。一般光电倍增管都具有响应快速、成本低、阴极面积大等优点，常用在光学测量仪器和光谱分析仪器中，还在探测紫外、可见和近红外区等辐射能量的光电探测器中以极高的灵敏度和极低的噪声而得到更广泛的应用。概述第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管下图为光电倍增管的原理结构，它由阴极、多个倍增极、阳极和真空室组成，其中将不同形状的倍增极按适当结构布局排成的结构称为倍增系统。光照射到阴极上将产生光电子，光电子在真空电场作用下被加速而投射到第一个倍增极上，一个光电子可以激发出多个电子，这些电子被后边电场加速投射到下一个倍增极而激发出更多的电子，如此多次后，阳极可以得到大量倍增的电子数目，通过测量阳极电流来测试光信号的强度。1.结构与工作原理光电倍增管外形和结构第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管一般光电倍增管中有11个左右的倍增极，工作时的电极电位从阴极经过各个倍增极到阳极逐级升高；若V1、V2、V3、.....、V11分别为第一、第二、第三、.....、第十一个倍增极上所加的电压，则每个倍增极上的电压应满足V11>…>V3>V2>V1才能使用。1.结构与工作原理光电倍增管外形和结构第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管当具有足够动能的电子轰击倍增极时，该倍增极表面会有电子被激发出来，这种现象称为二次电子发射。将轰击倍增极的电子称为一次电子，被激发出来的电子称为二次电子，发射率称为二次电子发射系数,表示为1.结构与工作原理式中，是二次电子数；是一次电子数。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管若第一个倍增极收集到的光电子数与光照产生的光电子数的比称为收集效率f,n个倍增极中各个倍增极的二次电子发射系数分别为，极间传递效益分别为1.结构与工作原理，则光电倍增管的总增益可表示为如果各个倍增极的增益均为，极间传递效益均为，则总增益简化为第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管一般光电倍增管中，第一倍增极对电子的收集效率与光电阴极的材料和结构有关，传递效益与倍增极的结构和所加电压有关，可通过实验确定最佳值。倍增极材料的二次电子发射系数与入射电子的能量有关，使用时要求二次电子发射系数要高，右图为入射电子能量对二次电子发射系数的影响，可以看出有一个峰值。1.结构与工作原理δ随入射电子能量的变化表第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管倍增系数等于个倍增电极的二次电子发射系数的乘积。如果个倍增电极的都一样，则，因此，阳极电流为2.主要参数倍增系数式中，是光电阴极的光电流。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管光电倍增管的电流放大倍数为2.主要参数与所加电压有关，一般在之间。如果有波动，倍增系数也要波动，因此具有一定的统计涨落。一般阳极和阴极之间电压为1000~2500V，两个相邻倍增电极电位差为50~100V。对所加电压越稳越好，这样可以减小统计涨落，从而减小测量误差。第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.3光电倍增管一个光子在阴极上能够打出的平均电子数叫做光电倍增管的阴极灵敏度。而一个光子在阳极上产生的平均电子数叫做光电倍增管的阳极灵敏度。光电倍增管的最大灵敏度可达10A/lm，极间电压越高，灵敏度越高；但极间电压也不能太高，太高反而会使阳极电流不稳。另外，由于光电倍增管的灵敏度很高，所以不能受强光照射，否则将会损坏。2.主要参数光电阴极灵敏度和光电倍增管总灵敏度第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.4外光电效应器件应用图(a)是对数压缩电路，反馈电路中采用对数二极管，可以对输出电压进行对数压缩，测光范围较宽，一股用于模拟光信号电路。图(b)是定位用传感器电路。采用对偶型光敏二极管，放大与的差动信号。图(c)是与

组合的调制光传感器电路。用于光控电路，响应速度快，噪声低，它是一种调制光等的交流专用放大器，但不适合于模拟信号电路中。1.光电管的应用光电管应用电路实例第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.4外光电效应器件应用光电倍增管主要用于检测微弱光信号，其具有的高灵敏度、高增益和快速响应的特点，广泛应用于以下领域：(1)光谱分析：光电倍增管可以用于光谱仪、光度计等光学仪器中，实现对光的强度、波长等参数的测量。(2)粒子物理、核物理实验：光电倍增管可以用于粒子探测器、核探测器等仪器中，测量粒子的能量、轨迹、速度等信息。(3)生物医学：光电倍增管可以用于荧光探针、放射性同位素标记等生物医学实验中，实现对生物分子、细胞、组织等的检测和成像。(4)光学成像：光电倍增管可以用于光学显微镜、光学成像仪等设备中，实现高灵敏度的光学成像。2.光电倍增管的应用第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.4外光电效应器件应用如闪烁计数器是一种通用的精密核辐射探测器，其原理如下图所示。图中闪烁体是一类吸收高能粒子或射线后能够发光的材料，将其加工成晶体的称为闪烁晶体，可以是固体、液体和气体闪烁体，典型的有铊激活的碘化钠晶体，即Nal(TI)、或CsI(TI)、CsI(Na)、ZnS(Ag）和蒽、芪、萘等。光导即光纤，用于传光给光阴极，也可以用玻璃。2.光电倍增管的应用闪烁计数器原理图第九章9.2外光电效应及器件1.1.1什么是传感器9.2.4外光电效应器件应用当核辐射源辐射的粒子能量被闪烁体(荧光体）吸收后，会转换为闪光(光子)，闪光经光导传输到倍增管的光阴极转换为光电子，经倍增后输出电脉冲信号，再经放大器放大后输出。只要探测出脉冲信号的数目及幅度，便可以测出射线的强弱与能量的大小。光电倍增管输出的脉冲信号由于传递方式不同，通常采用高输入阻抗的电压放大器和低输入阻抗的电流放大器两种，以满足各种应用需求。2.光电倍增管的应用闪烁计数器原理图第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.1光栅的结构与种类光栅传感器是根据莫尔条纹原理制成的一种计量光栅，多用于位移及与位移相关的物理量的测量，如速度、振动、质量、表面轮廓等。1.光栅的结构透射长光栅在一块长条形镀膜玻璃上均匀刻制许多有明暗相间、等间距分布的细小条纹（称为刻线），这就是光栅，如右图所示。图中为栅线的宽度（不透光），为栅线的间距（透光），称为光栅的栅距（也叫作光栅常数），通常。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.1光栅的结构与种类（1）按光栅的形状和用途分为长光栅和圆光栅。长光栅用于测量长度，圆光栅用于测量角度。其中，圆光栅又分为径向光栅和切向光栅。径向光栅是通过沿圆形基体的周边在直径方向上刻划栅线而形成的，而切向光栅沿周边刻划的全部栅线都与光栅中央的一个半径为r的小圆相切。（2）按光线的路径分为透射光栅和反射光栅。透射光栅是在透明玻璃上均匀地刻划间距、宽度相等的栅线形成的；反射光栅则是在具有强发射能力的基体（一般用不锈钢或镀金属膜的玻璃做基体）上，均匀地刻划间距、宽度相等的栅线形成的。2.光栅的分类第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的，莫尔条纹是光栅传感器工作的基础。对于栅距较大的振幅光栅，可以忽略光的衍射效应。如下图所示，若将两块光栅重叠，之间留很小的缝隙，且使它们的刻线相交一个微小的夹角，则在与光栅线纹大致垂直的方向上，将产生出亮暗相间的条纹，这些条纹称为“莫尔条纹”。1.形成莫尔条纹的光学原理当光照射光栅尺时，由于挡光效应，两光栅栅线透光部分与透光部分叠加，光线可以透过形成亮带，如图中b-b线，相邻亮带之间的距离用表示；而两光栅透光部分与不透光部分叠加形成暗带，如图中a-a线，相邻暗带之间的距离用表示。莫尔条纹的形成第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理当光栅的栅线宽度和栅距相等时（），则形成的亮带和暗带的宽度相等，即，将它们统称条纹间距。当夹角减小时，条纹间距增大，适当调整可获得所需的条纹间距。长光栅莫尔条纹的宽度可表示为1.形成莫尔条纹的光学原理式中，是标尺光栅1（也称为主光栅）的光栅常数；是指示光栅2的光栅常数；是两光栅栅线的夹角。莫尔条纹的形成第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理莫尔条纹的移动量、移动方向与两光栅的相对位移量和位移方向有着严格的对应关系，在右图中，当主光栅向右运动一个栅距时，莫尔条纹向下移动一个条纹间距；如果主光栅向左运动，则莫尔条纹向上移动。光栅传感器在测量时，可以根据莫尔条纹的移动量和移动方向，来判定主光栅（或指示光栅）的位移量和位移方向。2.莫尔条纹的特性运动对应关系莫尔条纹的形成第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理若两光栅栅距相同，两光栅栅线的夹角很小，可得2.莫尔条纹的特性位移放大作用根据上式可看出，莫尔条纹有位移放大作用，放大倍数为，两光栅夹角越小，莫尔条纹宽度B的值越大。所以，在测量中，尽管光栅的栅距很小（一般难以观察），但是莫尔条纹却清晰可见。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理每毫米有50条刻线的光栅，如果刻线夹角为0.1°，求：栅距放大倍数。解：由题意可得栅线间距为2.莫尔条纹的特性则光栅栅距W为例9-1第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理刻线夹角，则条纹间距为2.莫尔条纹的特性则放大倍数为例9-1第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理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，从而提高了光栅传感器的测量精度。如其中某一刻线的加工误差为，根据误差理论，它所引起的光栅测量系统的整体误差可表示为2.莫尔条纹的特性误差平均效应式中，是光电元件能接收到对应信号的光栅刻线的条数。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理对50线/mm的光栅，用4mm宽的光电元件进行接收，假设某一栅线位置偏移了1μm，试探讨该栅线对测量误差有没有影响。解：由题意可得栅线总数为2.莫尔条纹的特性该栅线引起的误差为例9-2该栅线引起的误差由以上计算可知，该栅线引起的误差非常的小，对系统的测量误差几乎没有影响。说明莫尔条纹的误差平均效应使得它在应用中对光栅质量的要求可以大大降低，这对高精度的测量非常的有利。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理当改变和栅线夹角时，根据式可以得到不同的莫尔条纹图案。①横向莫尔条纹。两光栅的光栅栅距相等，即，以夹角相交形成的莫尔条纹称为横向莫尔条纹，如下图所示。3.莫尔条纹的种类长光栅的莫尔条纹莫尔条纹的形成第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理②光闸莫尔条纹。当两光栅的光栅栅距相等，栅线的夹角时，由式可知莫尔条纹宽度B趋于无穷大。当两光栅相对移动时，由于栅线间距的变化，莫尔条纹的可见性会发生变化，这种变化类似于闸门的开启和关闭，因此形象地称为光闸莫尔条纹。这种现象在光学测量和干涉测量中具有重要的应用价值，可以用来检测光栅的位移和变形。两光栅相对移动一个栅距，视场上的亮度明暗变化一次，如下图所示。3.莫尔条纹的种类光闸莫尔条纹第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理莫尔条纹在长光栅中应用得最多。在时，若栅线的夹角，可得到纵向莫尔条纹；若栅线的夹角，可得到斜向莫尔条纹。但是，这两种莫尔条纹极少应用。3.莫尔条纹的种类光闸莫尔条纹第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.2光栅的工作原理圆光栅的莫尔条纹种类繁多，而且有些形状很复杂。圆光栅的莫尔条纹主要分为径向光栅的莫尔条纹和切向光栅的莫尔条纹。其中径向光栅的莫尔条纹主要包括圆弧形莫尔条纹和光闸莫尔条纹，如下图所示。3.莫尔条纹的种类圆光栅的莫尔条纹径向莫尔条纹第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类光栅传感器是一种根据莫尔条纹原理进行测量和控制的传感器，通常由光源、光栅和光接收器组成，如右图所示。在长度计量中应用的光栅通常称为计量光栅，它主要由主光栅（也称为标尺光栅）和指示光栅组成。当指示光栅相对于标尺光栅移动时，形成亮暗交替变化的莫尔条纹。利用光接收器（光电接收元件）将莫尔条纹亮暗变化的光信号，转换成电脉冲信号，并用数字显示，便可测量出标尺光栅的移动距离。1.光栅传感器的结构光栅传感器的结构第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类光栅是光栅传感器的主要部件，如右图所示。主光栅是一个长光栅，通常安装在被测物体上，可以随被测物体移动，其长度取决于测量范围，刻线密度一般为每毫米10、25、50或100线。指示光栅是一个较短的光栅，通常固定在传感器的读数头或固定部件上。它与主光栅的栅距相等，但两者之间会有一个微小的夹角，以便形成莫尔条纹。指示光栅的零位光栅排列规律与主光栅反向，即主光栅的零位光栅的起始点就是指示光栅的零位光栅的终点。指示光栅的刻线密度通常与主光栅相同。1.光栅传感器的结构光栅的组成第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类光接收器主要由光电转换元件、光学元件和信号处理电路组成，用以实现光电转换和信号放大与处理。常见的光电转换元件包括光电二极管和光电三极管，这些元件对光的强度和波长具有高度的敏感性，能够将光信号有效地转换为电信号。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。在接收器前方，通常会配备透镜和光圈等光学元件，以提高光线接收效率和减少干扰。在光敏元件的输出端，常接有信号处理电路，实现对光电转换后的电信号进行放大、滤波和整形等，确保信号的准确性和稳定性。1.光栅传感器的结构第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类下图为透射式长光栅传感器和透射式圆光栅传感器工作原理图。在光源的照射下，标尺光栅和指示光栅形成莫尔条纹。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，莫尔条纹移过一个莫尔条纹间距，光电元器件接收莫尔条纹移动时光强的变化，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。2.透射式光栅传感器透射式光栅传感器第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类以电压输出而言有2.透射式光栅传感器式中，是输出信号中的平均直流分量，对应莫尔条纹的平均光强；是输出信号的幅值，对应莫尔条纹明暗的最大变化；和是光栅栅距和光栅位移。由上式可见，输出电压反映了瞬时位移量的大小。当从0变化到时，相当于角度变化了360°，一个栅距对应一个周期。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.3光栅传感器的结构及分类如果采用50线/mm的光栅，当主光栅移动了mm，指示光栅上的莫尔条纹就移动了50条（对应光电元件检测到莫尔条纹的亮条纹或暗条纹的条数，即脉冲数），将此条数用计数器记录，就可知道移动的相对距离（一个条纹对应一条刻线），即2.透射式光栅传感器式中，是光栅的刻线密度（线/mm）；是检测到的脉冲数。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技术，就可以数字形式实时地显示出位移量的大小。第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.4辨向与细分技术在光栅传感器的测量中，由于位移是矢量，除了确定其大小之外，还应确定其方向。但动光栅向前或向后运动时，莫尔条纹都是作明暗交替的变化，单独一路光电信号无法实现位移辨向。为了辨向，需要两个有一定相位差的光电信号，光栅辨向原理如右图所示。1.辨向原理光栅传感器辨向工作原理示意图1~2-光电元件3-指示光栅4-莫尔条纹第九章9.3光栅传感器1.1.1什么是传感器9.3.4辨向与细分技术在相隔1/4莫尔条纹间距的位置上放置两个光电元件，得到两个相位差π/2的正弦信号和，经过整形后得两个方波信号和。当光栅沿方向移动时，莫尔条纹向方向移动。超前相位90°，经微分电路后产生的脉冲正好发生在的高电平时，从而经与门输出一个计数脉冲；而的反相微分脉冲则发生在的高电平时，与门输出计数脉冲。如果用、输出的脉冲分别作为计数器的加、减计数脉冲，则计数器的工作状态就可以正确反映光栅尺的移动状态。1.辨向原理光栅传感器辨向工作原理示意图1~2-光电元件3-指示光栅4-莫尔条纹第九章9.3光栅