第一節光源第二節光電器件第三節電荷耦合器件和位置敏感器件第四節光纖傳感器第五節光柵式傳感器第六節激光式傳感器第七章光電式傳感器返回主目錄第一節光源第七章光電式傳感器返回主目錄1光電傳感器是將光信號轉換為電信號的一種傳感器。利用這種傳感器測量非電量時，只需將這些非電量的變化轉換成光信號的變化，就可以將非電量的變化轉換成電量的變化而進行檢測。光電式傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度和反應快等特點。第七章光電式傳感器光具有波粒二象性，光的粒子學說認為光是由一群光子組成的，每一個光子具有一定的能量，光子的能量，其中為普朗克常數，，為光的頻率。因此，光的頻率越高，光子的能量也就越大。光照射在物體上會產生一系列的物理或化學效應。例如光合效應、光熱效應、光電效應等。光電傳感器的理論基礎就是光電效應，即光照射在某一物體上，可以看作物體受到一連串能量為的光子所轟擊，被照射物體的材料吸收了光子的能量而發生相應電效應的物理現象，根據產生電效應的不同，光電效應大致可以分為三類：

外光電效應、內光電效應、光生伏特效應第七章光電式傳感器2工作原理：被測量光信號電信號（借助光電器件）；基本組成（見下圖）：輻射源、光學通路、光電器件3部分；第七章光電式傳感器輻射源光電器件光學通路輸出被測量被測量圖7-1光電式傳感器原理圖工作原理：被測量光信號電信號（借助光電器件）；第七章光3工作過程：被測量通過對輻射源或者光學通路的影響將被測信息調整到光波上，可改變光波的強度、相位、空間分布和頻譜分布；光電器件將光信號轉換為電信號；電信號經后續電路解調分離出被測信息，實現測量。特點：頻譜寬、不受電磁干擾影響、非接觸測量、體積小、重量輕、造價低等。第七章光電式傳感器工作過程：第七章光電式傳感器4光電式傳感器對光源的選擇要考慮的因素：波長、譜分布、相干性、體積、造價、功率等。光源分類：熱輻射光源、氣體放電光源、激光器和電致發光光源等。光譜（附加知識點）

光波：波長為10—106nm的電磁波紫外線：波長10—380nm波長300—380nm稱為近紫外線波長200—300nm稱為遠紫外線波長10—200nm稱為極遠紫外線

可見光：波長380—780nm第一節光源光電式傳感器對光源的選擇要考慮的因素：波長、譜分布、相干性、5

紅外線：波長780—106nm

波長3μm（即3000nm）以下的稱近紅外線波長超過3μm的紅外線稱為遠紅外線。光譜分布如圖所示。遠紫外近紫外可見光近紅外遠紅外極遠紫外0.010.11100.050.55波長/μm第一節光源紅外線：波長780—106nm遠紫外近紫外可見光近紅6一、熱輻射光源定義：熱物體都會向空間發出一定的光輻射，也就是利用物體升溫產生光輻射的原理制成的光源，稱為熱輻射光源。物體溫升越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。加熱可以借電流沿導體流動時所釋放的熱量來實現。實例：白熾燈、鹵鎢燈；白熾燈特點：白熾燈為可見光源，但它的能量只有15%左右落在可見光區域，它的峰值波長在近紅外區域，約1－1.5μm，因此可用作近紅外光源。鹵鎢燈特點：鹵鎢燈燈絲溫度較高，紫外線較豐富，因此可用作為紫外光源，發光效率比白熾燈高2~3倍。第一節光源一、熱輻射光源第一節光源7第一節光源白熾燈鹵鎢燈

第一節光源白熾燈鹵鎢燈8二、氣體放電光源定義：電流通過氣體會產生發光現象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。特點：氣體放電光源的光譜不連續，光譜與氣體的種類及放電條件有關。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到主要在某一光譜范圍的輻射源。實例：低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈是光譜儀器中常用的光源，統稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長約為589nm，它們經常用作光電檢測儀器的單色光源。特例：若利用高壓或超高壓的氙氣放電發光，可制成高效率的氙燈，它的光譜與日光非常接近。目前氙燈又可以分為長弧氙燈、短弧氙燈、脈沖氙燈。

第一節光源二、氣體放電光源第一節光源9第一節光源低壓汞燈氫燈鈉燈鎘燈氦燈第一節光源低壓汞燈氫燈鈉燈鎘燈氦燈10三、電致發光器件－發光二極管定義：固體發光材料在電場激發下產生的發光現象稱為電致發光，它是將電能直接轉換成光能的過程。利用這種現象制成的器件稱為電致發光器件，如發光二極管、半導體激光器和電致發光屏等。

發光二極管（LED）的發光原理：在N型半導體上擴散或者外延生長一層P型半導體，PN結兩邊摻雜濃度呈遞減分布。當PN結接正向電壓時，N區電子向P區運動，與P區空穴結合時發出一定頻率的光，光子頻率取決于PN結的價帶和導帶之間的能隙，改變能隙大小可以改變二極管的發光頻譜。

第一節光源三、電致發光器件－發光二極管第一節光源11第一節光源發光二極管第一節光源發光二極管12四、激光器激光產生的過程：某些物質的分子、原子、離子吸收外界特定能量（如特定頻率的輻射），從低能級躍遷到高能級上（受激吸收）；如果處于高能級的粒子數大于低能級上的粒子數，就形成了粒子數反轉，在特定頻率的光子激發下，高能粒子集中地躍遷到低能級上，發射出與激發光子頻率相同的光子（受激輻射）；由于單位時間受激發射光子數遠大于激發光子數，因此上述現象稱為光的受激輻射放大。

具有光的受激輻射放大功能的器件稱為激光器。

第一節光源四、激光器第一節光源13激光器的優點：單色性好、方向性好和亮度高。種類：激光器種類繁多，按工作物質分類—固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體激光器、二氧化碳激光器）半導體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。第一節光源激光器的優點：單色性好、方向性好和亮度高。第一節光源14固體激光器-紅寶石半導體激光器液體激光器二氧化碳激光器固體激光器-紅寶石半導體激光器液體激光器二氧化碳激光器151、固體激光器固體激光器的典型實例就是紅寶石激光器，它是人類發明的第一種激光器，誕生于1960年。紅寶石激光器的工作介質是摻0.5%鉻的氧化鋁（即紅寶石），激光器采用強光燈作泵浦，紅寶石吸收其中的藍光和綠光，形成粒子數反轉，受激發出深紅色的激光（波長約694nm）；Nd:YAG（摻釹的釔鋁石榴石激光器）是另一種常見的固體激光器，與紅寶石激光器相比，對光泵的要求較低，可見光甚至近紅外都可以作其光泵，這種激光器發出的波長為1.06μm的紅外光。固體激光器通常工作在脈沖狀態下，功率大，在光譜吸收測量方面有一些應用。利用阿波羅登月留下的反射鏡，紅寶石激光器還曾成功地用于地球到月球的距離測量。

第一節光源1、固體激光器第一節光源162、氣體激光器特點：氣體介質的密度低得多，因而單位體積能夠實現的離子反轉數目也低得多，為了彌補氣體密度低的不足，氣體激光器的體積一般都比較大。氣體介質均勻，激光穩定性好，另外氣體可在腔內循環，有利于散熱，這是固體激光器所不具備的。由于氣體吸收線寬比較窄，氣體激光器一般不宜采用光泵作激勵，更多的是采用電作激勵。

種類：氦氖激光器、氬離子激光器、氪離子激光器，以及二氧化碳激光器、準分子激光器。它們的波長覆蓋了從紫外到遠紅外的頻譜區域。

第一節光源2、氣體激光器第一節光源17（1）氦-氖激光器是實驗室常見的激光器，具有連續輸出激光的能力。它能夠輸出從紅外的3.3μm到可見光等一系列譜線，其中632.8nm譜線在光電傳感器中應用最廣，該譜線的相干性和方向性都很好，輸出功率通常小于1mW，可以滿足很多光電傳感器的要求。（2）氬離子、氪離子激光器功率比氦氖激光器大，氬離子發出可見的藍光和綠光，比較典型的譜線有488nm和514.5nm等,氪離子發出的是紅光（647.1－752.5nm）。（3）二氧化碳激光器是目前效率最高的激光器，它的輸出波長為10.6μm，是遠紅外的重要光源。（4）氮氣分子激光器輸出波長為337nm，在脈沖工作方式下功率可達到兆瓦量級，脈沖寬度可達到納秒量級。能夠工作在紫外的還有一些準分子激光器，目前能夠提供從353nm到193nm的激光輸出。第一節光源（1）氦-氖激光器是實驗室常見的激光器，具有連續輸出激光的能183、半導體激光器半導體激光器除了具有一般激光器的特點外，還具有體積小、能量高的特點，特別是它對供電電源的要求極其簡單，使之在很多科技領域得到了廣泛應用。半導體激光器雖然也是固體激光器，但是同紅寶石、Nd:YAG和其它固體激光器相比，半導體的能級寬得多，更類似于發光二極管，但譜線卻比發光二極管窄得多。半導體激光器的特征是通過摻加一定的雜質改變半導體的性質，雜質能夠增加導帶的電子數目或者增加價帶的空穴數目，當半導體接正向電壓時，載流子很容易通過PN結，多余的載流子參加復合過程，能量被釋放發出激光。目前半導體激光器可以選擇的波長主要局限在紅光和紅外。第一節光源3、半導體激光器第一節光源194、液體激光器染液激光器是液體激光器中最普遍采用的激光器，它以燃料作為工作物質。液體激光器多用光泵激勵，有時也用另一個激光器作激勵源。采用不同的燃料溶液和激光器，輸出的波長范圍可達0.32~1μm。第一節光源4、液體激光器第一節光源20光電器件的作用：光信號電信號。光電器件的種類：熱探測型：將光信號的能量變為自身的溫度變化，然后再依賴于器件某種溫度敏感特性將溫度變化轉變為相應的電信號，探測器對波長沒有選擇性，只與接收到的總能量有關，在一些特殊場合具有非常重要的應用價值，尤其是遠紅外區域；光子探測型：基于光電效應原理，即利用光子本身能量激發載流子，這類探測器有一定的截止波長，只能探測短于這一波長的光線，但它們響應速度快，靈敏度高，使用最為廣泛。第二節光電器件光電器件的作用：光信號電信號。第二節光電器件21一、熱探測器原理及特點：基于光輻射與物質相互作用的熱效應制成的傳感器，它的突出優點是能夠接收超低能量的光子，具有寬廣和平坦的光譜響應，尤其適用于紅外的探測。種類：測輻射熱電偶、測輻射熱敏電阻和熱釋電探測器。1、測輻射熱電偶與常規熱電偶相似，只是在電偶的一個接頭上增加光吸收涂層，當有光線照射到涂層上，電偶接頭的溫度隨之升高，造成溫差電勢。2、測輻射熱敏電阻用熱敏電阻代替了熱電偶，當有光線照射到涂層上，首先引起溫度的變化，熱敏電阻再將溫度轉化為電阻值的變化。

第二節光電器件一、熱探測器第二節光電器件22二、光子探測器光子探測器的作用原理是基于一些物質的光電效應。光能是由分離的能團——光子組成，光子的能量E和頻率f的關系

h——普朗克常數，h=6.626×l0-34（J·s）。

光電效應：光照射在物體上可看成是一連串具有能量為E的光子轟擊物體,如果光子的能量足夠大，物質內部電子在吸收光子后就會擺脫內部力的束縛，成為自由電子，自由電子可能從物質表面逸出，也可能參與物質內部的導電過程，這種現象稱為光電效應。

第二節光電器件二、光子探測器第二節光電器件23光電效應的種類：外光電效應：在光線的作用下，物體內的電子逸出物體表面向外發射的現象稱為外光電效應。向外發射的電子叫做光電子。基于外光電效應的光電器件有光電管、光電倍增管、光電攝像管等。第二節光電器件電子逸出物體表面時的初速度電子質量金屬材料的逸出功（金屬表面對電子的束縛）（5-1）光子能量1905年德國物理學家愛因斯坦用光量子學說解釋了光電發射效應，并為此獲得1921年諾貝爾物理學獎光電效應的種類：第二節光電器件電子逸出物體表面時的初速度電24愛因斯坦光電方程的含義愛因斯坦光電方程，它揭示了光電效應的本質。根據愛因斯坦的假設：一個光子的能量只能給一個電子，因此一個單個的光子把全部能量傳給物體中的一個自由電子，使自由電子的能量增加為，這些能量一部分用于克服逸出功，另一部分作為電子逸出時的初動能。由于逸出功與材料的性質有關，當材料選定后，要使金屬表面有電子逸出，入射光的頻率有一最低的限度，當小于時，即使光通量很大，也不可能有電子逸出，這個最低限度的頻率稱為紅限頻率。當大于時，光通量越大，逸出的電子數目也越多，光電流也就越大。愛因斯坦光電方程的含義愛因斯坦光電方程，它揭示了光電效應的本25內光電效應：當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現象稱為光生伏特效應?；诠馍匦墓怆娫骷枪怆姵亍８鶕裙怆娦瞥傻墓怆娫骷泄饷綦娮?、光敏二極管、光敏晶體管和光敏晶閘管等注意事項：光子探測器一般都有一定的截止波長，當光的頻率低于某一閾值時，光的強度再大也不能激發導電電子。

第二節光電器件內光電效應：當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發生變化，或產26（一）光電發射探測器利用外光電效應制成的光電器件稱為光電發射探測器。光電發射探測器主要有真空光電管和光電倍增管等。激發出電子的條件：

要使一個電子從物質表面逸出，光子具有的能量必須大于該物質表面的逸出功A0，不同的材料具有不同的逸出功；因此對某種材料而言便有一個頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時；不論光強多大，也不能激發電子，反之，被照射的物質便能激發出電子，此頻率限稱為“紅限”；其臨界波長λK為

第二節光電器件（一）光電發射探測器第二節光電器件271、真空光電管結構組成：在一個抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內裝有兩個電極：光電陰極2和光電陽極1。光電陰極通常是用逸出功小的光敏材料（如銫）涂敷在玻璃泡內壁上做成，其感光面對準光的照射孔。工作原理：當光線照射到光敏材料上，光子的能量傳遞給陰極表面的電子，當電子獲得的能量足夠大時，就有可能克服金屬表面對電子的束縛（逸出功）而逸出金屬表面形成電子發射，這種電子稱為光電子。當光電管陽極加上適當電壓時，從陰極表面逸出的電子被具有正電壓的陽極所吸引，在光電管中形成電流，稱第二節光電器件圖7-3真空光電管的結構及外接電路a)結構b)外接電路為光電流。光電流正比于光電子數，而光電子數又正比于光通量。如果在外電路中串入一只適當阻值的電阻，則電路中的電流便轉換為電阻上的電壓。這電流或電壓的變化與光強成一定函數關系，從而實現了光電轉換。1、真空光電管工作原理：當光線照射到光敏材料上，光子的能量傳282、光電倍增管結構組成：光電陰極、光電倍增極、陽極。倍增極上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級升高。

入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極工作原理：工作時在各電極之間加上規定的電壓。當有入射光照射時，陰極發射的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發射。這樣，在陰極和陽極間的電場作用下，逐級產生二次電子發射，電子數量迅速遞增。典型的倍增管一般有10個左右的倍增極，相鄰極之間加有200－400V的電壓，陰極和陽極間的總電壓差可達幾千伏，電流增益為105左右。

第二節光電器件圖7-4光電倍增管的結構原理圖2、光電倍增管入射光光電陰極第一倍增極陽極第三倍增極工作原理29第二節光電器件第二節光電器件303、光電管的基本特性光電特性：當陽極電壓一定時，光通量Φ與光電流I（陽極電流）間的關系。如圖所示為光電倍增管光電特性曲線，光電特性曲線的斜率稱為光電管的靈敏度。在相當寬的范圍內轉換靈敏度為常數，對于真空光電管靈敏度要比它低。圖7-5a光電管的光電特性第二節光電器件光通量是描述單位時間內光源輻射產生視覺響應強弱的能力，單位是流明，也叫明亮度。流明就是指蠟燭一燭光在一公尺以外的所顯現出的亮度。一個普通40瓦的白熾燈泡，其發光效率大約是每瓦10lm，因此可以發出400lm的光。3、光電管的基本特性圖7-5a光電管的光電特性第二節光31伏安特性：入射光的頻率及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關系。陽極電壓較低時，陰極發射電子只有一部分到達陽極，其余返回陰極（光電子負電場作用）；隨著陽極電壓增高，電流增大，陰極發射的電子全部到達陽極時，電流穩定，處于飽和狀態。圖7-5b光電管的伏安特性第二節光電器件伏安特性：入射光的頻率及光圖7-5b光電管的伏安特性第32光譜特性：光電陰極材料對光譜有選擇性，光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陽極電壓不變，陽極電流與光波波長之間的關系稱為光電管的光譜特性。第二節光電器件

圖7-5c

光電管的光譜特性光譜特性：光電陰極材料對光譜有選擇性，光電管對光譜也有選擇第33（二）光電導探測器當光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發生變化，或產生光生電動勢的現象叫做內光電效應，它多發生于半導體內。根據工作原理的不同，內光電效應分為光電導效應和光生伏特效應兩類。半導體在光線作用下，其電阻值往往變小，這種現象稱為光電導效應?；诠怆妼墓怆娖骷Q為光敏電阻（半導體材料），也叫光導管。基本原理：半導體材料在黑暗的環境下，內部電子為原子所束縛，處于價帶上，不能自由移動，半導體的電阻值很高。當受到光照時，價帶中的電子受到光子激發，由價帶躍遷到導帶，使導帶的電子和價帶的空穴數目增加，半導體材料電導率變大。

電子躍遷條件：hf>Eg

或λ<hc/Eg

。f,

λ分別為入射光的頻率和入射光的波長；Eg價帶與導帶之間的能隙第二節光電器件（二）光電導探測器第二節光電器件34導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存在電子所占能帶價電子所占能帶Eg第二節光電器件導帶價帶禁帶自由電子所占能帶不存35第二節光電器件光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組成，電極和半導體之間呈歐姆接觸，使用時在它的兩電極上施加直流或交流工作電壓，如圖5-3所示。在無光照射時，光敏電阻呈高阻，回路中僅有微弱的電流（稱為暗電流）通過。在有光照射時，光敏材料吸收光能，使電阻率變小，呈低阻態，從而在回路中有較強的電流（稱為亮電流）通過。光照越強，阻值越小，亮電流越大。如果將該亮電流取出，經放大后即可作為其他電路的控制電流。當光照射停止時，光敏電阻又逐漸恢復原有的高阻狀態。第二節光電器件光敏電阻由一塊兩邊帶有金屬電極的光電半導體組36光敏電阻具有精度高、體積小、性能穩定、價格低等特點，所以被廣泛應用在自動化技術中作為開關式光電信號傳感元件。光電導探測器主要用于探測波長較長，光電二極管和倍增管無法探測的紅外區域。如PbS探測器探測波長達3.4μm，靈敏度峰值在2μm。第二節光電器件第二節光電器件372022/11/2938制作光敏電阻的材料種類很多，如金屬的硫化物、硒化物和銻化物等半導體材料。目前生產的光敏電阻主要是硫化鎘，為提高其光靈敏度，在硫化鎘中再摻入銅、銀等雜質。結構如圖5-4所示。通常采用涂敷、噴涂等方法在陶瓷基片上涂上柵狀光導電體膜（硫化鎘多晶體）經燒結而成。為防止受潮，采用兩種封閉方法：①金屬外殼，頂部有透明玻璃窗口的密封結構；②沒有外殼，但在其表面涂上一層防潮樹脂。

光敏電阻結構圖

2022/11/2638制作光敏電阻的材料種類很多，如金屬的2022/11/2939光敏電阻當光敏電阻受到光照時電阻較小2022/11/2639光敏電阻當光敏電阻受到光照時電阻較小2022/11/2940光敏電阻

d）常見光敏電阻外形光敏電阻的結構圖、圖形符號及外形圖2022/11/2640光敏電阻d）常見光敏電阻外形（三）光電結型探測器工作原理基于內光電效應，與光電導型類似，只是光照射在半導體結上。光電結型探測器類型：光電二極管探測器和光電三極管探測器。光電二極管探測器最為常用，又可分為普通光敏二極管和雪崩二極管等。常規的二極管和三極管都用金屬殼密封，以防光照。光電結型的光敏管則必須使P-N結受最大光照射。光敏二極管和普通二極管相比雖然都屬于單向導電的非線性半導體器件，但在結構上有其特殊的地方。第二節光電器件（三）光電結型探測器第二節光電器件411、光敏二極管PN光光敏二極管符號RL

PN光敏二極管接線第二節光電器件1、光敏二極管PN光光敏二極管符號RLPN光敏二極管接線第42工作原理：光敏二極管的PN結裝在透明管殼的頂部，可以直接受到光的照射。使用時要反向接入電路中，即P極接電源負極，N極接電源正極。無光照時，與普通二極管一樣，反向電阻很大，電路中僅有很小的反向飽和漏電流，稱暗電流。當有光照射時，PN結受到光子的轟擊，吸收光子而激發形成光生電子—空穴對，是少數載流子濃度大大增加，因此在反向電壓作用下，反向電流大大增加，形成光電流。光照越強，光電流越大，即反向偏置的PN結受光照控制。同樣的，入射光子必須具有足夠的能量使電子越過材料價帶與導帶之間的能隙。光敏二極管的光譜帶寬與材料有關，硅光敏二極管0.4-1.1μm，峰值0.9μm，鍺光敏二極管帶寬0.6-1.8μm，峰值1.5μm。第二節光電器件工作原理：第二節光電器件432022/11/29442022/11/26442022/11/2945光敏二極管外形光敏二極管陣列2022/11/2645光敏二極管外形光敏二極管陣列2、光敏晶體管（三極管）基本結構：與光敏二極管相似，具有兩個P-N結，基極一般無引出線。光敏晶體管和普通晶體管的結構相類似。不同之處是光敏晶體管必須有一個對光敏感的PN結作為感光面，一般用集電結作為受光結，因此，光敏晶體管實質上是一種相當于在基極和集電極之間接有光敏二極管的普通晶體管。工作原理：殼體頂部用透明材料做成聚光鏡，光線聚焦到N型材料上，增大了P-N結電流。當入射光子在基區及集電區被吸收而產生電子一空穴對時，便形成光電流。由此產生的光生電流由基極進入發射極，從而在集電極回路中得到一個放大了β倍的電流信號。PNP基極集電極發射極光第二節光電器件2、光敏晶體管（三極管）PNP基極集電極發射極光第二節光電46光敏晶體管外形2022/11/29第二節光電器件光敏晶體管外形2022/11/26第二節光電器件47（四）光電伏特型探測器光生伏特效應：半導體器件受到光照射時會產生一定方向的電動勢，而不需要外部電源。光電伏特型光電器件能將入射光能量轉換成電壓和電流。可見光作光源的光電池：硅光電池、硒光電池等。它的制作材料種類很多，如硅、砷化鎵、硒、鍺、硫化錫等，其中應用最廣泛的是硅光電池。硅光電池性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高且價格便宜。從能量轉換角度來看，光電池是作為輸出電能的器件而工作的。例如人造衛星上就安裝有展開達十幾米長的太陽能光電池板。從信號檢測角度來看，光電池作為一種自發電型的光電傳感器，可用于檢測光的強弱以及能引起光強變化的其他非電量。第二節光電器件（四）光電伏特型探測器第二節光電器件48符號＋－接線點接線點光薄P層P-N結N層結構原理第二節光電器件圖7-8硅光電池構造原理和圖示符號硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理：N型硅片上擴散一薄層P型雜質層作為光照敏感面，形成大面積P-N結。P型層做得很薄，從而使光線能穿透到PN結上。P-N結內電場阻止空穴、電子自由擴散。當光照能量足夠大時，在光照結區，光子使電子由價帶躍遷至導帶，結區附近激發出電子－空穴對為光生載流子，內電場將電子推向N區，空穴拉向P區。這種推拉作用的結果，使得N區積累了多余電子而形成為光電池的負極，而P區因積累了空穴而成為光電池的正極，故P區和N區分別帶正、負電，形成電位差，即光生伏特效應。符號＋－接線點接線點光薄P層P-N結N層結構原理第二節光電49硒光電池結構原理和符號：金屬基板沉積一層硒薄膜，然后加熱硒結晶，再把氧化鎘沉積在硒層上形成P-N結。P型硒層N型氧化鎘層金屬基板＋－P-N結光b）符號a)結構原理第二節光電器件圖7-9硒光電池構造原理和圖示符號硒光電池結構原理和符號：金屬基板沉積一層硒薄膜，然后加熱硒P502022/11/2951光電池外形光敏面2022/11/2651光電池外形光敏面2022/11/2952光電池外形能提供較大電流的大面積光電池外形2022/11/2652光電池外形能提供較大電流的大面積光電2022/11/2953光電池在人造衛星上的應用2022/11/2653光電池在人造衛星上的應用（五）半導體光電器件的特性1、光電特性：半導體光電器件產生的光電流I與光照之間的關系。光敏電阻的光電流與其端電壓U和入射光通量之關系為第二節光電器件圖7-10半導體光電器件的光電特性a）硒光敏電阻的光電特性b）光敏晶體管的光電特性c）硅光電池的光電特性（五）半導體光電器件的特性第二節光電器件圖7-10半導542、伏安特性：光照度一定，光電器件的端電壓U與電流I之間的關系。第二節光電器件圖7-11半導體光電器件的伏安特性a）光敏電阻的伏安特性b）鍺光敏晶體管的伏安特性c）硅光電池的伏安特性2、伏安特性：光照度一定，光電器件的端電壓U與電流I之間的關553、光譜特性：半導體光電器件對不同波長的光，靈敏度不同，因只有能量大于半導體材料禁帶寬度的光子才能激發出電子－空穴對。光子能量與波長有關。第二節光電器件圖7-12半導體光電材料的光譜特性a）光敏電阻的光譜特性b）光敏管和光電池的光譜特性3、光譜特性：半導體光電器件對不同波長的光，靈敏度不同，因只564．頻率特性半導體光電器件的頻率特性是指它們的輸出電信號與調制光頻率變化的關系。圖7-13a示出硫化鉛和硫化鉈光敏電阻的頻率特性。第二節光電器件

圖7-13半導體光電器件的頻率特性a）光敏電阻和光電池的頻率特性 b）光敏晶體管的頻率特性4．頻率特性第二節光電器件

圖7-13半導體光電器件的575．溫度特性光敏電阻的溫度特性用電阻溫度系數表示第二節光電器件圖7-14半導體光電器件的溫度特性a）鍺光敏晶體管的溫度特性b）硅光電池的溫度特性式中R1、R2—相對于溫度T1、T2時光敏電阻的阻值，且T2>T1。溫度系數值越小越好。5．溫度特性第二節光電器件圖7-14半導體光電器件的溫58一、電荷耦合器件概念：電荷耦合器件（ChargeCoupledDevices），簡稱CCD歷史：CCD的概念是于20世紀70年代由美國貝爾實驗室提出；結構：集MOS光敏單元陣列和讀出移位寄存器于一體；產品：數碼照相機、攝像機應用：廣播電視、可視電話；工業監控和測量。

1、MOS（MetalOxideSemiconductor）光敏單元MOS光敏單元的結構：P型（或N型）單晶硅基體上，生長一層很薄的SiO2絕緣層，又在其上沉積一層金屬電極，形成了金屬-氧化物-半導體結構單元；第三節電荷耦合器件和位置敏感器件第七章光電式傳感器一、電荷耦合器件第三節電荷耦合器件和位置敏感器件第七章光59勢阱的形成：施加一正電壓UG時，在電場作用下，附近的P型硅中的多數載流子-空穴就被排斥到表面入地，從而形成一個耗盡區，稱為電子勢阱；捕獲光子：光線照射到半導體硅片上，在光子作用下，半導體吸收光子，產生電子-空穴對，其中的光生空穴被電場排斥出耗盡層，而光生電子被附近的勢阱吸收，吸收的光生電子數量與勢阱附近的光強度成正比。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-15MOS光敏元的結構原理圖勢阱的形成：施加一正電壓UG時，在電場作用下，附近的P型硅中602022/11/2961即當器件受到光照時（光可從各電極的縫隙間經SiO2層射入，或經襯底的薄P型硅射入），光子的能量被半導體吸收，產生光生電子—空穴對，這時光生電子被吸引并存儲在勢阱中，光越強，產生的光生電子—空穴對越多，勢阱中收集到的電子就越多，光弱則反之，這樣就把光的強弱變成與其成比例的電荷的多少，實現了光電轉換。勢阱中的電子是在被存儲狀態，即使停止光照，一定時間內也不會損失，這就實現了對光照的記憶。2022/11/2661即當器件受到光照時（光可從各電極的縫像素：一個MOS光敏元為一個像素；電荷包：一個勢阱所收集的光生電荷為一個電荷包；MOS光敏單元陣列：在半導體硅片上制成幾百或幾千個相互獨立的MOS光敏單元（如1024×768

），在金屬電極上加上正電壓，就會形成幾百或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏單元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏單元就形成一幅與光照強度相對應的光生電荷圖像，即將整個圖像的光信號轉換為電荷包陣列。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件像素：一個MOS光敏元為一個像素；第三節電荷耦合器件和位置62讀出移位寄存器的作用：將光生電荷轉移輸出；讀出移位寄存器的結構：其也是MOS結構，但與MOS又有區別在其底部覆蓋有一層遮光層，防止外來光線干擾；它由三組相毗鄰的電極組成一個耦合單元，每個耦合單元用來轉移一個MOS光敏單元形成的電荷包，在三個電極上分別施加φ1、φ2、φ3三個驅動脈沖，三個脈沖的形狀完全相同，但彼此間有相位差（差1/3周期）。2、讀出移位寄存器

第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-16a

讀出移位寄存器結構原理圖讀出移位寄存器的作用：將光生電荷轉移輸出；2、讀出移位寄存器63t=t1：φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，電極φ1下出現勢阱，存入電荷。t=t2：φ1、φ2相處于高電平，φ3相處于低電平，電極φ1、φ2下都出現勢阱。因兩電極靠的很近，電荷就從φ1電極下耦合到φ2電極下。t=t3：更多的電荷耦合到電極φ2下。t=t4：只有φ2相處于高電平，電荷全部耦合到電極φ2下。電荷轉移過程：第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-16b

信號電荷傳輸示意圖t=t1：φ1相處于高電平，φ2、φ3相處于低電平，電極φ1643、線陣電荷耦合器件組成：單排MOS光敏元陣列、轉移柵、讀出移位寄存器。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-17線陣CCD結構原理圖3、線陣電荷耦合器件第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-65工作過程：光學成像系統將圖像成像在CCD的光敏面上，光敏單元開始電荷積累，這一過程也稱光積分。施加電壓脈沖φp，勢阱吸收附近的光生電荷，從而將圖像信號按其強度大小轉變為一系列電荷包。轉移柵施加轉移脈沖φt，轉移柵開啟，各光敏單元的光生電荷并行轉移到讀出移位寄存器的相應單元輸出。當轉移柵關閉時，MOS光敏單元陣列開始下一行的光電荷積累過程。讀出移位寄存器串行輸出各位的信息。說明：CCD輸出脈沖的幅度取決于對應光敏元所受光強；輸出脈沖頻率和驅動脈沖φ1等的頻率相一致。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件工作過程：第三節電荷耦合器件和位置敏感器件664、面陣電荷耦合器件組成：光敏元面陣、存儲器面陣、讀出移位寄存器（線陣）。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-19場轉移面陣電荷耦合器件4、面陣電荷耦合器件第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-67工作過程：在光積分時間，各個光敏單元曝光，吸收光生電荷。曝光結束后，在轉移脈沖控制下，光敏元面陣的電荷信號全部迅速轉移到對應的存儲器區暫存。此后光敏元面陣開始第二次光積分。與此同時，存儲器面陣存儲的光生電荷自存儲器底部向下一排一排轉移到讀出移位寄存器中，然后再順次從讀出移位寄存器輸出，完成二維圖像信息向二維電信息的轉換。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件工作過程：第三節電荷耦合器件和位置敏感器件685、CCD應用舉例工件尺寸檢測：依據工件成像輪廓覆蓋的光敏單元數目來計算工件尺寸。參考教材圖7-20。圖7-20工件尺寸測量系統第三節電荷耦合器件和位置敏感器件5、CCD應用舉例圖7-20工件尺寸測量系統第三節電荷69例如：光學系統放大率為1/M，則工件尺寸N-覆蓋的光敏單元數目；d-相鄰光敏單元的中心距離；-圖像末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差。物體缺陷檢查：檢查對象：表面有缺陷的不透明物體；體內有缺陷的透明物體。判斷缺陷的依據：缺陷與材料背景有足夠反差，且缺陷面大于兩個光敏單元，CCD可察覺。實例：磁帶的小孔，鈔票的缺陷；玻璃中的針孔、氣泡、夾雜物。第三節電荷耦合器件和位置敏感器件例如：光學系統放大率為1/M，則工件尺寸物體缺陷檢查：第三節702022/11/29712022/11/26712022/11/29722022/11/26722022/11/2973ＣＣＤ圖象傳感器的分類線陣CCD外形2022/11/2673ＣＣＤ圖象傳感器的分類線陣CCD外形2022/11/2974面陣ＣＣＤ外形面陣CCD在X、y兩個方向都能實現電子自掃描，可以獲得二維圖像2022/11/2674面陣ＣＣＤ外形面陣CCD在X、y兩個2022/11/2975ＣＣＤ圖像傳感器的應用線陣CCD在掃描儀中的應用2022/11/2675ＣＣＤ圖像傳感器的應用線陣CCD在掃2022/11/29762022/11/2676二、位置敏感器件概念：位置敏感器件（PositionSensitiveDetector,），簡稱PSD種類：一維和二維應用：一維PSD用于測定光點的一維坐標位置，二維PSD用于測定光點的二維坐標位置。PSD的基本結構：第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-22PSD的基本結構二、位置敏感器件第三節電荷耦合器件和位置敏感器件圖7-2277光導纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發展速度很快的一種傳感器，光纖不僅可以用來作為光波的傳輸介質在長距離通信中應用，而且光在光纖中傳播時，表征光波的特征參量（振幅、相位、偏振態、波長等）因外界因素（如溫度、壓力、磁場、電場和位移等）的作用而間接或直接地發生變化，從而可將光纖作為傳感元件來探測各種待測量。光纖傳感器分類傳感型—利用外界因素改變光纖中光的特征參量，從而對外界因素進行計量和數據傳輸的。它具有傳光、傳感合一的特點，信息的獲取和傳輸都在光纖之中。傳光型—利用其他敏感元件來感受被測量的變化，光纖僅作為光的傳輸介質。第四節光纖傳感器光導纖維傳感器簡稱為光纖傳感器，是目前發展速度很快的一種傳感78第四節光纖傳感器光纖之父-高錕獲2009年諾貝爾物理學獎光纖傳感器的測量對象涉及位移、加速度、液體、壓力、流量、振動、水聲、溫度、電壓、電流、磁場、核輻射、應變、熒光、PH值、DNA生物量等諸多內容。光纖傳感器和其他傳感器優點：1）抗電磁干擾能力強；2）柔軟性好；3）光纖集傳感器和信號與一體第四節光纖傳感器光纖之父-高錕光纖傳感器的測量對象涉及位移79一、光纖傳感器的基本知識：結構：纖芯、包層、保護層。

n1——纖芯材料的折射率；

n2——包層材料的折射率。

Δ=1-n2/n1，相對折射率差，一般為0.005~0.140。第四節光纖傳感器圖7-24光纖的結構及傳光原理一、光纖傳感器的基本知識：第四節光纖傳感器圖7-24光802022/11/29811.光纖的結構光纖是一種多層介質結構的圓柱體，由石英玻璃或塑料制成。每一根光纖由纖芯、包層和外層組成。纖芯位于光纖的中心，其直徑在5-75，光主要在纖芯中傳輸。圍繞纖芯的是一層圓柱形包層，直徑約在100-200范圍內，包層的折射率比纖芯小。包層外面常有一層尼龍外套，直徑約，其作用一方面是保護光纖不受外界損害，增加光纖的機械強度，另一方面以顏色區分各種光纖。2022/11/26811.光纖的結構2022/11/2982光纖的結構2022/11/2682光纖的結構2022/11/2983各種裝飾性光纖2022/11/2683各種裝飾性光纖2022/11/2984光纜的外形及光纖的拉制2022/11/2684光纜的外形及光纖的拉制2022/11/2985導（傳）傳光原理空中光是直線傳播的。然而入射到光纖中的光線卻能限制在光纖中，而且隨著光纖的彎曲而走彎曲的路線，并能傳送到很遠的地方去。2022/11/2685導（傳）傳光原理空中光是直線傳播的2022/11/2986光纖傳光原理光密介質光疏介質臨界角光疏介質光密介質光纖傳光原理

2022/11/2686光纖傳光原理光密介質光疏介質臨界角光導光原理：光的全反射。-纖芯與包層間的臨界角。注意：實際工作中，光纖可能彎曲，只有滿足全反射定律，光線仍能繼續前進。第四節光纖傳感器發生全反射條件：導光原理：光的全反射。-纖芯與包層間的臨界角。第四87

根據斯奈爾折射定律：設當達到臨界角時的入射角為，可得，稱為光纖的數值孔徑。NA的值越大，光源到光纖的耦合效率越高。NA決定于光纖的折射率，與光纖幾何尺寸無關。第四節光纖傳感器根據斯奈爾折射定律：設當達到臨界角時的88分類纖芯材料：玻璃光纖、塑料光纖、混合光纖等。傳輸模式：單模光纖；多模光纖。光纖中傳輸的光，可分解為沿軸向和沿截面徑向傳播的兩種平面波成分。沿截面徑向傳播的光波在纖芯與包層的界面上產生全反射，因此當它在徑向每一次往返傳輸（相鄰兩次反射）的相位變化是2π的整數倍時，就在截面內形成駐波。這只有形成駐波的光才能在光纖中傳播。一個駐波一個模。光纖中只能傳輸有限個模。第四節光纖傳感器分類第四節光纖傳感器89分類折射率分布：階躍型光纖、梯度型光纖。階躍型梯度型第四節光纖傳感器分類階躍型梯度型第四節光纖傳感器90梯度型光纖在中心軸折射率最大，沿徑向逐漸變小，n1的分布規律如下梯度型光纖又稱子聚焦光纖。特點：頻帶寬，信號畸變小，易達到全反射，但制造困難，常用光纖類型參考表7-1.第四節光纖傳感器梯度型光纖在中心軸折射率最大，沿徑向逐漸變小，n1的分布規律91二、光纖傳感器（一）功能型光纖傳感器光纖既是光傳播的介質，又對被測量敏感。光波的振幅（光強）、相位和偏振態隨光纖的環境（如應變、壓力、溫度、電場、磁場等）而改變。（二）非功能型光纖傳感器光纖僅作為光傳播的介質，要與其他敏感元件組成傳感器。第四節光纖傳感器二、光纖傳感器第四節光纖傳感器92（一）功能型光纖傳感器

1、光強度調制型

利用被測量的因素改變光纖中光的強度，再通過光強的變化來測量外界物理量，稱為強度調制。強度調制是光纖傳感器使用最早的調制方法，其特點是技術簡單、可靠，價格低；光源可采用LED和高強度的白熾光等非相干光源。探測器一般用光敏二極管、晶體管和光電池等。被測量通過影響光纖的全內反射實現光強度調制。調制條件為調制途徑：①改變光纖幾何形狀，實現力、位移和壓強等的測量。圖7-27a；②改變纖芯或包層折射率，如可采用不同的包層材料。圖7-27b光強被油滴調制。第四節光纖傳感器（一）功能型光纖傳感器第四節光纖傳感器932、光相位調制型壓力、應變、溫度、磁場等被測量通過影響光纖的長度、折射率和內部應力等引起光信號相位的變化。檢測一般采用干涉儀。馬赫-琴特干涉儀調制相位原理如圖7-27所示：第四節光纖傳感器圖7-27馬赫-琴特干涉儀原理圖2、光相位調制型第四節光纖傳感器圖7-27馬赫-琴特干94信號光纖環境溫度變化，產生一定相移，大小與信號光纖的長度L、折射率n等的變化有關，相移表示如下式中：；玻璃光纖：；結論：折射率n的變化起主要作用。第四節光纖傳感器信號光纖環境溫度變化，產生一定相移，第四節光纖95

3、光偏振態調制型外界因素使光纖中偏振態發生變化，并能加以檢測的光纖傳感器為偏振態調制型。如利用磁旋效應做成的高壓傳輸線用的光纖電流傳感器。第四節光纖傳感器圖7-28光纖電流傳感器原理圖3、光偏振態調制型第四節光纖傳感器圖7-28光纖96沃拉斯特棱鏡光電接收器處在磁場中的光偏振面旋轉角KV-光纖材料的磁光常數。結論：旋轉角度只與電路I成正比，與光纖繞圈的大小和形狀無關，與道題在線圈中的位置無關。沃拉斯特棱鏡將光束分成振動方向互相垂直的偏振光，在送入兩個光電接收器，設接收光信號強度為AV1AV2，標準化后的參數光纖電流傳感器結構：激光器起偏器單模光纖N圈大電流（電流I）導體第四節光纖傳感器

97標準化處理的優點：測量結果不受絕對光強、激光器漂移、光纖衰減的影響。實例分析：硅光纖，分辨力0.1°C傳感器分辨力300A/匝，可測電流10kA.可見，該傳感器量程大，靈敏度高，輸出與輸入端電絕緣。第四節光纖傳感器標準化處理的優點：第四節光纖傳感器98（二）非功能型光纖傳感器

1、光纖位移傳感器光纖傳感器是由許多根光纖組成的光纜。發射和接收光纖的常見組合方式有混合式、對半式、共軸內發射分布三種?；旌鲜降撵`敏度最高，對半式測量范圍最大。2、光纖溫度傳感器常用的半導體材料是GaAs，其透光率達30%以上，厚度為150微米，工作面積約為0.7mm2，其工作面和光纖的端面都要拋光并互相平行。

第四節光纖傳感器（二）非功能型光纖傳感器第四節光纖傳感器99三、光纖光柵傳感器由于光纖材料的光敏性，當外界入射光子和離子相互作用時，會產生纖芯內折射率的永久性變化，進而在纖芯內形成空間相位光柵，即產生光纖光柵。優點：1）是自參考型傳感器，可以實現絕對測量。2）具有更強的抗干擾能力。3）易于組建各種形式的傳感網絡，尤其是采用密集波分復用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）技術構成準分布式光纖光柵傳感器陣列，可進行大面積的多點測量。第四節光纖傳感器三、光纖光柵傳感器第四節光纖傳感器1002022/11/29101光纖傳感器的應用光纖傳感器是最近幾年出現的新技術，可以用來測量多種物理量，比如聲場、電場、壓力、溫度、角速度、加速度、流量等，還可以完成現有測量技術難以完成的測量任務。在狹小的空間里，在強電磁干擾和高電壓的環境里，光纖傳感器都顯示出了獨特的能力。2022/11/26101光纖傳感器的應用光纖傳感器是最近幾2022/11/291021．光纖渦輪流量傳感器將反射型光纖傳感器與傳統的渦輪流量測量原理相結合，制造出具有雙光纖傳感器的渦輪流量計。與傳統的內磁式渦輪流量計相比，光纖渦輪流量計具備了正反流量測量的性能。在檢測原理上，光纖傳感器克服了內磁式傳感器磁性引力帶來的影響，有效地擴大了渦輪流量計的量程比。光纖渦輪流量計，就是把渦輪葉片進行改進使其葉片端面適宜反射光線，利用反射型光纖傳感器及光電轉換電路檢測渦輪葉片的旋轉，從而測量出流量。圖5-27光纖渦輪流量計雙向測量原理2022/11/261021．光纖渦輪流量傳感器將反射型光纖2022/11/291032．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感器的組成結構如圖5-28所示。它是一種簡諧振子的結構形式。激光束通過分光板后分為兩束光，透射光作為參考光束，反射光作為測量光束。當傳感器感受加速度時，由于質量塊M對光纖的作用，從而使光纖被拉伸，引起光程差的改變。相位改變的激光束由單模光纖射出后與參考光束會合產生干涉效應。激光干涉儀的干涉條紋的移動可由光電接收裝置轉換為電信號，經過處理電路處理后便可正確地測出加速度值。

圖5-28光纖加速度傳感器的組成結構測量光束參考光束M2022/11/261032．光纖加速度傳感器光纖加速度傳感2022/11/291043．光纖圖像傳感器圖像光纖是由數目眾多的光纖組成一個圖像單元（或像素單元），典型數目為3千到1萬股，每一股光纖的直徑約為10，光纖圖像傳感器的原理如圖5-29所示。在光纖的兩端，所有的光纖都是按同一規律整齊排列的。投影在光纖束一端的圖像被分解成許多像素，然后，圖像是作為一組強度與顏色不同的光點傳送，并在另一端重建原圖像。工業用內窺鏡用于檢查系統的內部結構，它采用光纖圖像傳感器，將探頭放入系統內部，通過光速的傳輸在系統外部可以觀察監視。圖5-29光纖圖像傳感器2022/11/261043．光纖圖像傳感器圖像光纖是由數目2022/11/29105光纖傳感器的應用2022/11/26105光纖傳感器的應用2022/11/291062022/11/261062022/11/291072022/11/261072022/11/291082022/11/261082022/11/29109返回本章目錄2022/11/26109返回本章目錄光柵：在玻璃（或金屬）尺或玻璃（或金屬）尺盤上進行刻劃，可得到一系列黑白相間、間隔細小的條紋，不刻劃處透光，刻劃處不透光，這種具有周期性的刻線分布的光學元件稱為光柵。第五節光柵式傳感器第七章光電式傳感器圖7-32柵線放大圖光柵：在玻璃（或金屬）尺或玻璃（或金屬）尺盤上進行刻劃，可得110光柵式傳感器的特點：精度高。大量程測量兼有高分辨力?？蓪崿F動態測量，易于實現測量及數據處理的自動化。具有較強的抗干擾能力。光柵式傳感器的應用：幾何量、振動、速度、應力、應變。第五節光柵式傳感器光柵式傳感器的特點：第五節光柵式傳感器111一、計量光柵的種類計量光柵：利用莫爾條紋現象進行精密測量的光柵。種類：按基體材料的不同主要可分為金屬光柵和玻璃光柵；按刻線的形式不同可分為振幅光柵和相位光柵；按光線的走向又可分為透射光柵和反射光柵；按其用途可分為長光柵和圓光柵兩類。第五節光柵式傳感器一、計量光柵的種類第五節光柵式傳感器1121、長光柵測量對象：長度、直線位移；特點：刻線相互平行，又稱光柵尺。柵線密度：每毫米長度內的柵線數，表示長光柵柵線的疏密程度。例如柵線間距W=0.02mm時，柵線密度為50線/mm。第五節光柵式傳感器圖7-33透射長光柵1、長光柵第五節光柵式傳感器圖7-33透射長光柵113長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。振幅光柵是對入射光波的振幅進行調制，也叫黑白光柵，它又可分為透射光柵和反射光柵兩種。在玻璃的表面上制作透明與不透明間隔相等的線紋，可制成透射光柵；在金屬的鏡面上或玻璃鍍膜（如鋁膜）上制成全反射或漫反射相間，二者間還有吸收的線紋，可制成反射光柵。柵線密度20~125線/mm。相位光柵（閃耀光柵）是對入射光波的相位進行調制，它也有透射光柵和反射光柵兩種形式。柵線密度600線/mm以上。第五節光柵式傳感器圖7-34玻璃相位光柵的斷面長光柵有振幅光柵和相位光柵兩種形式。第五節光柵式傳感器圖71142、圓光柵定義：刻劃在玻璃圓盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤。測量對象：角度或角位移。

主要參數：整圓刻線數；柵距角（也稱節距角）δ，它是指圓光柵上相鄰兩條柵線之間的夾角。種類：徑向光柵，其柵線的延長線全部通過光柵盤的圓心；切向光柵，其全部柵線與一個和光柵盤同心的直徑只有零點幾到幾個毫米的小圓相切。第五節光柵式傳感器2、圓光柵第五節光柵式傳感器115二、莫爾條紋（一）形成的光學原理：莫爾條紋通常是由兩塊光柵疊加形成的，為了避免摩擦，光柵之間留有間隙，對于柵距較大的振幅光柵，可以忽略光的衍射。圖7-36為兩光柵以很近的距離重疊的情況。W1——標尺光柵1的光柵常數；W2——指示光柵2的光柵常數；θ——兩光柵柵線的夾角。第五節光柵式傳感器圖7-36莫爾條紋的形成二、莫爾條紋W1——標尺光柵1的光柵常數；第五節光柵式傳116在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透過透光部分形成亮帶；在b-b線上，兩光柵透光部分分別另一光柵的不透光部分疊加，互相遮擋，光線透不過形成暗帶，這種由光柵重疊形成的明案相間的光學圖案稱為莫爾條紋。長光柵莫爾條紋的周期為

第五節光柵式傳感器在a-a線上，兩光柵的柵線透光部分與透光部分疊加，光線透過透117第五節光柵式傳感器第五節光柵式傳感器118第五節光柵式傳感器第五節光柵式傳感器119莫爾條紋形成的衍射理論分析：前提：柵距很小的光柵（W＜0.005mm），或相位光柵。分析：光柵G1產生了0,±1,±2,……等n級衍射光，光柵G1的衍射光束到達光柵G2時將進一步被衍射，G1的n級衍射光，其中每一級的衍射光束對光柵G2來說都是一組入射光束，并由光柵G2又衍射成n級衍射光（因為兩光柵的W相同，又是單色光），所以從光柵副出射的衍射光束的數目為n2個。

第五節光柵式傳感器圖7-37雙光柵的衍射莫爾條紋形成的衍射理論分析：第五節光柵式傳感器圖7-37120每支衍射光束都用它在兩個光柵上衍射的級次序號來表示，例如經光柵G1衍射的0級光束，經過光柵G2后衍射成0級、±1級、…等衍射光束就用（0,0）、（0,1）、（0，-1）、……表示。由光柵G1產生的第p級衍射光又經光柵G2產生的第q級衍射光束就可以用（p、q）表示。p+q相等的光束，用其p+q值來稱作該組光束為某級組，如0級組，1級組，-1級組，……。理論推導可以證明，每一級組中的光束是相互平行的，即光束方向相同。每一級組中的諸光束相互干涉，就形成了莫爾條紋。其中，p+q=1和p+q=-1級組光束強度變化幅度最大，它們形成莫爾條紋的基波條紋。其它各光束級組形成莫爾條紋的高次諧波。第五節光柵式傳感器每支衍射光束都用它在兩個光柵上衍射的級次序號來表示，例如經光121（二）莫爾條紋的特性1、運動對應關系莫爾條紋的移動量和移動方向與兩光柵的相對位移量和位移方向有著嚴格的對應關系。在圖7-36中，當主光柵1向右運動一個柵距W1時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距B；如果主光柵1向左運動，莫爾條紋則向上移動。光柵傳感器在測量時，可以根據莫爾條紋的移動量和移動方向判定光柵的位移量和位移的方向。第五節光柵式傳感器（二）莫爾條紋的特性第五節光柵式傳感器122第五節光柵式傳感器第五節光柵式傳感器1232、位移放大作用由于兩光柵的夾角θ很小，若它們的光柵常數相等，設為W，從式（7-33）可得到如下近似關系明顯看出，莫爾條紋有放大作用，其放大倍數為1/θ

。例如：W=0.02mm，θ=0.1°，則B=11.4592mm，放大倍數約為573倍。所以盡管柵距很小，難以觀察到，但莫爾條紋卻清晰可見。這非常有利于布置接收莫爾條紋信號的光電器件。第五節光柵式傳感器2、位移放大作用第五節光柵式傳感器1243、誤差平均效應莫爾條紋是由光柵的大量柵線（常為數百條）共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，在很大程度上消除了柵線的局部缺陷和短周期誤差的影響,個別柵線的柵距誤差或斷線及疵病對莫爾條紋的影響很微小，從而提高了光柵傳感器的測量精度。第五節光柵式傳感器3、誤差平均效應第五節光柵式傳感器125（三）莫爾條紋的種類1、長光柵的莫爾條紋（1）橫向莫爾條紋當兩光柵柵距相等W1＝W2=W時，以夾角θ相交形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。（2）光閘莫爾條紋當W1=W2=W，且θ=0時，莫爾條紋的寬度趨于無窮大，兩光柵相對移動時，對入射光就像閘門一樣時啟時閉，故稱為光閘莫爾條紋。第五節光柵式傳感器圖7-38光閘莫爾條紋（三）莫爾條紋的種類第五節光柵式傳感器圖7-38光閘莫1262、圓光柵的莫爾條紋（1）徑向光柵莫爾條紋圓弧形莫爾條紋兩塊柵距角δ相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，如圖7-39所示。在光柵的各部分柵線的交角θ不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。主要特點：莫爾條紋是對稱的兩簇圓形條紋，它們的圓心排列在兩光柵中心連線的垂直平分線上。莫爾條紋的寬度不是定值，它隨條紋位置的不同而不同。位于偏心方向垂直位置上的條紋近似垂直于柵線，稱這部分為橫向莫爾條紋。沿著偏心方向的條紋近似平行于柵線，成為縱向莫爾條紋。在實際使用中，主要應用橫向莫爾條紋這部分。第五節光柵式傳感器2、圓光柵的莫爾條紋第五節光柵式傳感器127光閘莫爾條紋將柵距角δ相同的兩塊圓光柵同心疊合時，得到與長光柵中相類似的光閘莫爾條紋。主光柵轉過一個柵距角δ

，透光亮度變化一個周期。

第五節光柵式傳感器圖7-39圓弧形莫爾條紋光閘莫爾條紋將柵距角δ相同的兩塊圓光柵同心疊合時，得到與長128（2）切向光柵的莫爾條紋兩塊切向相同、柵距角δ相同的切向光柵柵線面相對同心疊合時，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為環形莫爾條紋。第五節光柵式傳感器圖7-40環形莫爾條紋（2）切向光柵的莫爾條紋第五節光柵式傳感器圖7-40環129三、零位光柵零位光柵一般是在主光柵和指示光柵的原有光柵之外，另刻一組透明狹縫，用單獨的光電器件和電子線路來給出計數器的置零信號。第五節光柵式傳感器圖7-41零位光柵刻線規律示意圖三、零位光柵第五節光柵式傳感器圖7-41零位光柵刻線規130第五節光柵式傳感器圖7-42SN(u)~N關系曲線第五節光柵式傳感器圖7-42SN(u)~N關系曲線131四、光柵式傳感器基本組成：光源、標尺光柵、指示光柵和光電器件。常見形式：透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。第五節光柵式傳感器圖7-43光柵式傳感器原理圖四、光柵式傳感器第五節光柵式傳感器圖7-43光柵式傳感132B第五節光柵式傳感器B第五節光柵式傳感器133（一）透射式光柵傳感器類型：透射式長光柵傳感器、透射式圓光柵傳感器。光源：發光二極管（有的本身集成透鏡、有的需要外加透鏡）、白熾燈。

指示光柵特點：裂相光柵，一般由四部分組成，每一部分的刻線間距與對應的標尺光柵完全相同，但各個部分之間在空間上依次錯開nW+W/4。第五節光柵式傳感器圖7-44透射式長光柵傳感器（一）透射式光柵傳感器第五節光柵式傳感器圖7-44透射134輸出信號：U0——電信號的直流電平，對應于莫爾條紋的平均光強；Um——電信號的幅值，對應于莫爾條紋明暗的最大變化。信號處理方式：首先將u1、u3和u2、u4分別兩兩相減，消除信號中的直流電平，得到兩路相位差為90°的信號，然后將它們送入專門的電子細分和辨向電路，可以實現對位移的測量。

第五節光柵式傳感器輸出信號：U0——電信號的直流電平，對應于莫爾條紋的平均光強135（二）反射式光柵傳感器1、反射式長光柵傳感器：發光二極管經聚光透鏡形成平行光，平行光以一定角度射向裂相指示光柵，莫爾條紋是由標尺光柵的反射光與指示光柵作用形成，光電器件接收莫爾條紋的光強。

1－反射主光柵2－指示光柵3－場鏡4－反射鏡5－聚光鏡6－光源7－物鏡8－光電元件第五節光柵式傳感器圖7-47反射分光式光學系統（二）反射式光柵傳感器1－反射主光柵第五節光柵式傳感器圖71362、反射分光式光柵傳感器組成：光源1、準直透鏡2、分光棱鏡3、閃耀光柵4（等腰三角形）；光柵工作在自準狀態，光束垂直投射線槽面，最大強度衍射光沿原路反射回3。A、B兩處返回的兩路衍射光經3投向透鏡5，二者相干，相遇干涉，干涉條紋由光電器件6接收。柵線刻劃面與光柵平面夾角φ

，控制φ可以使要求的光譜級次m發生在最大光強方向，產生主閃耀條件：式中，m—具有最大光強的光譜級次；—入射波波長；

W—光柵的柵距。第五節光柵式傳感器2、反射分光式光柵傳感器第五節光柵式傳感器137工作時，光柵4沿x方向移動，入射光EB光程變化2BB1：相應的變化另一光束射到A處的光線相位變化第五節光柵式傳感器工作時，光柵4沿x方向移動，入射光EB光程變化2138光柵移動，兩束相干光相位差變化若要求光譜級次m1=m2=2有最大光強結論：光柵移動一個柵距，相干光束相位變化，干涉條紋變化4個周期。故光學系統具有光學四細分作用。第五節光柵式傳感器光柵移動，兩束相干光相位差變化第五節光柵式傳感器139一、激光干涉傳感器(一)工作原理典型應用：邁克爾遜雙光束干涉系統反射鏡M2移動半個光波波長，干涉條紋明暗變化一次，測量位移x計算公式如下：式中，n—空氣折射率；—真空中光波波長；

N—干涉條紋亮暗變化數目。第六節激光式傳感器圖7-48邁克爾遜干涉系統第七章光電式傳感器一、激光干涉傳感器第六節激光式傳感器圖7-48邁克爾140（二）單頻激光干涉儀圖7-49單頻激光干涉儀光路原理圖1、5-1/4波片2-偏振分光鏡3、4-角錐棱鏡6-分光鏡7-反射鏡8、9-偏振片10、11-光電器件第六節激光式傳感器（二）單頻激光干涉儀圖7-49單頻激光干涉儀光路原理圖141（三）雙頻激光干涉儀圖7-50雙頻激光干涉儀光路原理圖1-分光鏡2-1/4波片3-偏振分光鏡4、5-角錐棱鏡6-反射鏡7、8-檢偏器9、10-光電器件第六節激光式傳感器（三）雙頻激光干涉儀圖7-50雙頻激光干涉儀光路原理圖142二、激光測微測頭絕對距離傳感器，利用激光的方向性好的特點。三角法測頭原理圖圖7-51激光三角法測頭原理圖第六節激光式傳感器二、激光測微測頭圖7-51激光三角法測頭原理圖第六節143測量原理：利用幾何三角關系測位移。激光聚焦成小光斑，成像于光電探測器，投影光軸與成像光軸夾角θ，被測位移x近似計算如下：式中，d0

—被測點到成像物鏡的距離；

d1—光電探測器到成像物鏡的距離。因此，只要求出像點偏移即可實現對位移x的測量。第六節激光式傳感器測量原理：利用幾何三角關系測位移。激光聚焦成小光斑，成像于光144三、激光掃描傳感器（一）基本工作原理氦氖激光器發出激光細束