傳感器與檢測(cè)技術(shù)光電式傳感器解讀

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1、第七章 光電式傳感器 組成 光電傳感器一般由輻射源、光學(xué)通路、光電器 件組成。 工作原理 首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然 后通過(guò)光電轉(zhuǎn)換元件變換成電信號(hào)。 被測(cè)量通過(guò)對(duì)輻射源或者光學(xué)通路的影響將待 測(cè)信息調(diào)制到光波上，通過(guò)改變光波的強(qiáng)度、 相位、空間分布和頻譜分布等，由光電器件 將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)。電信號(hào)經(jīng)后續(xù)電路 解調(diào)分離出被測(cè)量信息，實(shí)現(xiàn)測(cè)量。 特點(diǎn) 頻譜寬 不受電磁干擾的影響 非接觸測(cè)量 高精度、高分辨力、高可靠性 反應(yīng)快 應(yīng)用 檢測(cè)、控制領(lǐng)域 第一節(jié) 光源 光源是光電式傳感器的重要組成部分。 選擇光源要考慮哪些因素？ 波長(zhǎng) 譜分布 相干性 體積 造價(jià) 功率 常見(jiàn)的光源有哪幾

2、類(lèi)？ 自然光源太陽(yáng)光 天空光 人工光源熱輻射光源 氣體放電光源 激光器 電致發(fā)光器件 一、熱輻射光源 什么是熱輻射光源？ 熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射，基 于這種原理的光源稱(chēng)為熱輻射光源。 哪些光源屬于熱輻射光源？ 白熾燈 鹵鎢燈 熱輻射光源的峰值波長(zhǎng)與什么有關(guān)？ 物體溫度越高，輻射能量越大，波長(zhǎng)越短。 熱輻射光源有哪些特點(diǎn)？ 輸出功率大 響應(yīng)速度慢，調(diào)制頻率低于 1kHz， 不能用 于快速的正弦和脈沖調(diào)制。 白熾燈為可見(jiàn)光源，峰值波長(zhǎng)在近紅外區(qū) 域，可用作近紅外光源。 二、氣體放電光源 什么是氣體放電光源？ 電流通過(guò)氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種 原理制成的光源稱(chēng)為氣體放電光源。 氣體放電

3、光源的光譜與什么有關(guān)？ 其光譜是不連續(xù)的，光譜與氣體的種類(lèi)及 放電條件有關(guān)。 哪些光源屬于氣體放電光源？ 低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈統(tǒng)稱(chēng) 為光譜燈，常用作單色光源。還有氙燈。 三、電致發(fā)光器件發(fā)光二極管 什么是電致發(fā)光器件？ 固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn) 象稱(chēng)為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換 成光能的過(guò)程。利用這種現(xiàn)象制成的器 件稱(chēng)為電致發(fā)光器件。 哪些器件屬于電致發(fā)光器件？ 主要有發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器、電致 發(fā)光屏等。 發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu) 發(fā)光二極管的發(fā)光強(qiáng)度與電流成正比， 這個(gè)電流約在幾十毫安之內(nèi)，太大會(huì)引 起輸出光強(qiáng)飽和，甚至損壞器件，使用 時(shí)常串連一電阻。 電極 控制層

4、N型半導(dǎo)體 電極 絕緣層 P型半導(dǎo)體 發(fā)光二極管有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 體積小 壽命長(zhǎng) 工作電壓低 響應(yīng)速度快 發(fā)熱小 四、激光器 激光器 laser， 是“光受激輻射放大”的 縮寫(xiě)，即 light amplification by stimulated emission of radiation. 某些物質(zhì)的分子、原子、離子吸收外界特定能 量，從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)上，如果處于高能 級(jí)的粒子數(shù)大于低能級(jí)上的粒子數(shù)，就形成了 粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，在特定頻率的光子激發(fā)下，高能 粒子集中地躍遷到低能級(jí)上，發(fā)射出與激發(fā)光 子頻率相同的光子。由于單位時(shí)間受激發(fā)射光 子數(shù)遠(yuǎn)大于激發(fā)光子數(shù)，因此上述現(xiàn)象稱(chēng)為光 的受激輻射放大

5、。具有這種功能的器件稱(chēng)為激 光器。 激光器有哪些優(yōu)點(diǎn)？ 單色性好、方向性好、亮度高、相干性好 激光器有哪幾種？ 固體激光器（紅寶石） 氣體激光器 （ He-Ne） ,（ CO2， 遠(yuǎn)紅外光源） 半導(dǎo)體激光器（ 體積小，能量高，電源簡(jiǎn)單） 液體激光器 第二節(jié) 光電器件 光電器件的 作用 是將光信號(hào)變?yōu)殡娦盘?hào)。 不同種類(lèi)的光電傳感器，對(duì)光電器件在 靈敏度 、 動(dòng)態(tài)特性 、 頻譜接收能力 等方 面的要求也不相同。 光電器件按探測(cè)原理可 分為 ： 熱探測(cè)型 和 光子探測(cè)型 。 一、熱探測(cè)器 熱探測(cè)型器件首先將光信號(hào)的能量變?yōu)樽陨淼?溫度變化，再利用器件某種溫度敏感特性將溫 度變化轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。

6、它是基于光輻射 與物質(zhì)相互作用的熱效應(yīng)制成的傳感器 。 探測(cè) 器對(duì)波長(zhǎng)沒(méi)有選擇性，只與接收到的總能量有 關(guān)，尤其適用于紅外探測(cè)。 種類(lèi) 有：測(cè)輻射的熱電偶、測(cè)輻射的熱敏電阻、 熱釋電探測(cè)器等。 熱釋電傳感器可用于防火、防盜裝置，光譜儀， 紅外測(cè)溫儀 ，熱象儀，紅外遙感技術(shù)等中。 二、光子探測(cè)器 光子探測(cè)型器件基于 光電效應(yīng) 原理，即利用光 子本身能量激發(fā)載流子。這類(lèi)器件有一定的截 止波長(zhǎng)，但響應(yīng)速度快，靈敏度高，使用最為 廣泛。 什么是光電效應(yīng)？ 光是由光子組成的，其能量和頻率關(guān)系為 E=hf 光照在物體上可看成是一連串具有能量為 E的光 子轟擊物體，如果光子能量足夠大，物質(zhì)內(nèi)部 電子在吸收光

7、子后就會(huì)擺脫內(nèi)部力的束縛，成 為自由電子，自由電子可能從物質(zhì)表面逸出， 也可能參與物質(zhì)內(nèi)部的導(dǎo)電過(guò)程，這種現(xiàn)象稱(chēng) 為光電效應(yīng)。 是不是光的強(qiáng)度越大激發(fā)的導(dǎo)電電子越 多，為什么？ 光子探測(cè)器有一定的截止波長(zhǎng)，只能探測(cè) 短于這一波長(zhǎng)的光，當(dāng)光的頻率低于某 一閾值時(shí)，光的強(qiáng)度再大也不能激發(fā)導(dǎo) 電電子。 目前常用的光子探測(cè)型器件有哪幾種？ 光電發(fā)射型探測(cè)器 光電導(dǎo)型探測(cè)器 光電結(jié)型探測(cè)器 光生伏特型探測(cè)器 （一）光電發(fā)射型探測(cè)器 在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的 現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效應(yīng)，用這種原理制成 的光電器件稱(chēng)為光電發(fā)射型探測(cè)器。 主要有： 真空光電管和光電倍增管 概念 紅限 臨界波長(zhǎng) hc/A0

8、圖 7-3 真空光電管的結(jié)構(gòu)及 外接電路 a) 結(jié)構(gòu) b) 外接電路 圖 7-4 光電倍增管的結(jié)構(gòu)原理圖 它在光電陰極和陽(yáng)極之間又增加了若干個(gè)光電倍增極，這些倍增極上涂有 Sb- Cs或 Ag-Mg等光敏材料，并且電位逐級(jí)升高。當(dāng)有入射光照射時(shí)，陰極發(fā)射 的光電子以高速射到倍增極上，引起二次電子發(fā)射。這樣，在陰極和陽(yáng)極間 的電場(chǎng)作用下，逐級(jí)產(chǎn)生二次電子發(fā)射，電子數(shù)量迅速遞增。典型的倍增管 一般有 10個(gè)左右的倍增極，相鄰極之間加有 200400V的電壓， 陰極和陽(yáng)極間 的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為 105左右，它的上升沿時(shí)間可達(dá) 2ns，探測(cè) 光譜為 0.21.0m m之間 。光電倍增管的

9、噪聲主要來(lái)源于陰極發(fā)射和倍增過(guò)程 中的統(tǒng)計(jì)噪聲、以及熱發(fā)射產(chǎn)生的暗電流。由于光電倍增管的高增益，它們 可用于探測(cè)單個(gè)的光子，也就是所說(shuō)的光子探測(cè)模式。 光電管的特性 包括：光電特性 （ I-）、 伏安特性（ I- U）、 光譜特性（ I-） 等 圖 7-5 光電管的特性 a) 光電倍增管的光電特性 b) 光電倍增管的伏安特性 c) 光電管的光譜特性 -銫氧銀陰極 -銻化銀陰極 -人的視覺(jué)光譜特性 （二）光電導(dǎo)型探測(cè)器 半導(dǎo)體材料在光線(xiàn)作用下，其電阻值往 往變小，這種現(xiàn)象稱(chēng)為 光導(dǎo)效應(yīng) ，基于 光導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱(chēng)為 光敏電阻 ，也 叫 光導(dǎo)管 。 特點(diǎn)： 靈敏度高，體積小，重量輕，光 譜響應(yīng)范

10、圍寬，機(jī)械強(qiáng)度高，耐沖擊和 振動(dòng)，壽命長(zhǎng)。純電阻元件，無(wú)源器件， 有電流通過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問(wèn)題。電路 簡(jiǎn)單。適用于紅外探測(cè)。 （三）光電結(jié)型探測(cè)器 與光電導(dǎo)型工作原理相似，利用光子引 起的電子躍遷將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)， 只是光照射在半導(dǎo)體結(jié)上而已，。 主要有： 光電二極管和光電三極管。 圖 7-7 光敏管結(jié)構(gòu)及其符號(hào) a) 光敏二極管 b) 光敏三極管 c) 光敏場(chǎng)效應(yīng)三極管 （四）光生伏特型探測(cè)器 是一種自發(fā)電式的有源器件。這種半導(dǎo)體 器件受到光照射時(shí)就產(chǎn)生一定方向的電動(dòng) 勢(shì)，而不需要外部電源。這種因光照而產(chǎn) 生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱(chēng)為 光生伏特效應(yīng) 。 用可見(jiàn)光作光源的光電池是最常用的光生 伏特型

11、元件，如 硅光電池 。 太陽(yáng)能電池 優(yōu)點(diǎn) ：輕便、簡(jiǎn)單、不會(huì)產(chǎn)生 氣體或熱污染，易于適應(yīng)環(huán)境。 可用于宇宙飛行器的各種儀表電源。 圖 7-8 硅光電池構(gòu)造原理和圖示符號(hào) 半導(dǎo)體光電器件的特性 包括：光電特性、伏安特性、光譜特性、 頻率特性、溫度特性等 圖 7-10 半導(dǎo)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 圖 7-11 半導(dǎo)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 圖 7-12 半導(dǎo)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 圖 7

12、-13 半導(dǎo)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 圖 7-14 半導(dǎo)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 第三節(jié) 電荷耦合器件和位置敏感器件 電荷耦合器件 （ Charge-Coupled Devices） 是 70年代發(fā)展起來(lái)的一種新型器件。它將 MOS 光敏元陣列和讀出移位寄存器集成為一體， 構(gòu)成具有自?huà)呙韫δ艿膱D像傳感器。 應(yīng)用領(lǐng)域：攝像機(jī)、廣播電視、可視電話(huà)、 傳真、自動(dòng)檢測(cè)、控制、軍事、醫(yī)學(xué)、天文、 遙感。 車(chē)身檢測(cè)、鋼管檢測(cè)、芯片檢測(cè)、指紋檢測(cè)、 虹膜檢測(cè)、顯微鏡改造、工件尺寸及缺陷檢 測(cè)、對(duì)刀儀

13、、復(fù)雜形貌測(cè)量等。 優(yōu)點(diǎn) 固體化、體積小、重量輕、功耗低、可靠性 高、壽命長(zhǎng) 圖像畸變小、尺寸重現(xiàn)性好 光敏元之間幾何尺寸精度高，可得到較高的 定位精度和測(cè)量精度，具有較高分辨力 自?huà)呙瑁哂休^高的光電靈敏度和較大的動(dòng) 態(tài)范圍 視頻信號(hào)便于與微機(jī)接口 它是在半導(dǎo)體基片上（如 P型硅）生長(zhǎng)一種具有介質(zhì)作用的氧化物（如二氧化 硅），又在其上沉積一層金屬電極，形成了金屬 氧化物 半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元 （ MOS）。 當(dāng)在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，在電場(chǎng)的作用下，電極下的 P型硅區(qū)域里的 空穴被趕盡，從而形成一個(gè)耗盡區(qū)，也就是說(shuō)，對(duì)帶負(fù)電的電子而言是一個(gè)勢(shì) 能很低的區(qū)域，稱(chēng)為勢(shì)阱。如果此時(shí)有光線(xiàn)入射到半導(dǎo)體硅

14、片上，在光子的作 用下，半導(dǎo)體硅片上就會(huì)產(chǎn)生電子和空穴，光生電子被附近的勢(shì)阱所俘獲，而 同時(shí)光生空穴則被電場(chǎng)排斥出耗盡區(qū)。此時(shí)勢(shì)阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入 射到勢(shì)阱附近的光強(qiáng)成正比。人們稱(chēng)這樣一個(gè) MOS結(jié)構(gòu)元為 MOS光敏元或叫做 一個(gè)象素，把一個(gè)勢(shì)阱所收集的若干光生電荷稱(chēng)為一個(gè)電荷包。 （一） MOS光敏單元 圖 7-9是 MOS光敏元的結(jié) 構(gòu)原理圖。 通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個(gè)相互獨(dú)立的 MOS光敏元， 若在金屬電極上施加一正電壓時(shí)，則在這半導(dǎo)體硅片上就形成幾 百個(gè)或幾千個(gè)相互獨(dú)立的勢(shì)阱。如果照射在這些光敏元上的是一 幅明暗起伏的圖像，那么這些光敏元就感生出一幅與光照強(qiáng)度相 對(duì)

15、應(yīng)的光生電荷圖像。 （二）讀出移位寄存器 讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路。下圖是讀出移位寄 存器的結(jié)構(gòu)原理圖。它也是 MOS結(jié)構(gòu)，亦即由金屬電極、氧化物 和半導(dǎo)體三部分組成。 （二）讀出移位寄存器 （二）讀出移位寄存器 它由三組（也有二組、四組等）鄰近的電極組成一個(gè)耦合單元 （亦即傳輸單元），在這三個(gè)電極上分別施加脈沖波 1、 2、 3，如圖 7-10b所示。在 t1時(shí)刻 ,第一相時(shí)鐘 1處于高電平， 2、 3處于低電平。這時(shí)第一組電極下形成深勢(shì)阱，信息電荷存貯其 中。在 t2時(shí)刻 , 1、 2處于高電平 , 3處于低電平，電極 1、 2下 都形成勢(shì)阱。由于兩個(gè)電極靠得很近，電荷就從 1電

16、極下耦合到 2電極下。 t3時(shí)刻， 1電壓減小， 2處的電壓升高，在第一組電 極下的勢(shì)阱減小，信息電荷從第一組電極下面向第二組轉(zhuǎn)移。直 到 t4， 2為高壓， 1、 3為低壓，信息電荷全部轉(zhuǎn)移到第二組電 極下面。至此信息電荷轉(zhuǎn)移了一位。經(jīng)過(guò)同樣的過(guò)程， t5時(shí)刻， 電荷又耦合到 3電極下， t6時(shí)刻，電荷就轉(zhuǎn)移到下一位的 1電極 下，這樣，在三相脈沖的控制下，信息電荷不斷向右轉(zhuǎn)移，直到 最后位依次不斷地向外輸出。電荷的輸出，通常采用反偏壓輸出 二極管所形成的深勢(shì)阱把信息電荷收集并送入前臵放大器。根據(jù) 輸出先后可以辨別出電荷是從哪位光敏元來(lái)的，并根據(jù)輸出電荷 量，可知該光敏元受光的強(qiáng)弱。無(wú)光照處

17、則無(wú)光生電荷。 （二）面陣電荷 耦合攝像器件 圖 7-18 各脈沖波形和相位 圖 7-19 場(chǎng)轉(zhuǎn)移面陣電荷耦合器件 三、 CCD應(yīng)用舉例 尺寸測(cè)量 圖 7-20工件尺寸測(cè)量系統(tǒng) 物體缺陷檢測(cè) 圖 7-21 鈔票檢查系統(tǒng)原理圖 四、位置敏感器 (PSD） 位置敏感器件（ Position Sensitive Detector） 是一種對(duì)其感光面上入射光點(diǎn)位置敏感的 器件，也稱(chēng)為坐標(biāo)光電池。 PSD一般為 PIN結(jié)構(gòu)。基于 橫向光電效應(yīng) 而工作。 圖 7-22 PSD的基本結(jié)構(gòu) 光電傳感器的應(yīng)用 一、光電耦合器 光電耦合器是由一發(fā)光元件和一光電傳感器同時(shí) 封裝在一個(gè)外殼內(nèi)組合而成的轉(zhuǎn)換元件 。 絕

18、緣玻璃 發(fā)光二極管 透明絕緣體 光敏三極管 塑料 發(fā)光二極管 光敏三極管 透明樹(shù)脂 1. 光電耦合器的結(jié)構(gòu) 采用金屬外殼和玻璃絕緣的結(jié) 構(gòu) ， 在其中部對(duì)接 ， 采用環(huán)焊 以保證發(fā)光二極管和光敏二極 管對(duì)準(zhǔn) ， 以此來(lái)提高靈敏度 。 (a)金屬密封型 (b)塑料密封型 采用雙列直插式用塑料封裝的結(jié) 構(gòu) 。 管心先裝于管腳上 ， 中間再 用透明樹(shù)脂固定 ， 具有集光作用 ， 故此種結(jié)構(gòu)靈敏度較高 。 2. 光電耦合器的組合形式 光電耦合器的組合形式有多種 ， 如下圖所示 。 (a) (b) (c) (d) 光電耦合器的組合形式 該形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，通常用 于 50kHz以下工作頻率的裝臵內(nèi)。

19、 該形式采用高速開(kāi)關(guān)管構(gòu)成的高速光 電耦合器 ,適用于較高頻率的裝臵中。 該組合形式采用了放大三極管構(gòu)成的 高傳輸效率的光電耦合器，適用于直 接驅(qū)動(dòng)和較低頻率的裝臵中。 該形式采用功能器件構(gòu)成的高速、高 傳輸效率的光電耦合器。 平行 光源 光電 探測(cè) 放大 顯示 刻度 校正 報(bào)警器 吸收式煙塵濁度檢測(cè)系統(tǒng)原理圖 煙道 二、光電轉(zhuǎn)速傳感器 2 3 1 2 3 1 (a) (b) 光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖 下圖是光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表的工作原理圖。 圖 (a)是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)臵盤(pán)， 在調(diào)臵盤(pán)一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過(guò)盤(pán)上小孔到達(dá) 光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖 信

20、號(hào)，經(jīng)過(guò)放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由 該脈沖頻率決定。 在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固 定一個(gè)涂上黑白相間 條紋的圓盤(pán)，它們具 有不同的反射率。當(dāng) 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與 不反光交替出現(xiàn)，光 電敏感器件間斷地接 收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn) 換為電脈沖信號(hào)。 三、光電池應(yīng)用 光電池主要有兩大類(lèi)型的應(yīng)用： 將光電池作光伏器件使用 ， 利用光伏作用直接將大陽(yáng)能 轉(zhuǎn)換成電能 ， 即太陽(yáng)能電池 。 這是全世界范圍內(nèi)人們所 追求 、 探索新能源的一個(gè)重要研究課題 。 太陽(yáng)能電池已在宇宙開(kāi)發(fā) 、 航空 、 通信設(shè)施 、 太陽(yáng)電池 地面發(fā)電站 、 日常生活和交通事業(yè)中得到廣泛應(yīng)用 。 目前太陽(yáng)電池發(fā)電成本尚不能與常規(guī)能源競(jìng)

21、爭(zhēng) ， 但是隨 著太陽(yáng)電池技術(shù)不斷發(fā)展 ， 成本會(huì)逐漸下降 ， 太陽(yáng)電池 定將獲得更廣泛的應(yīng)用 。 將光電池作光電轉(zhuǎn)換器件應(yīng)用，需要光電池具有靈敏 度高、響應(yīng)時(shí)間短等特性，但不必需要像太陽(yáng)電池那 樣的光電轉(zhuǎn)換效率。 這一類(lèi)光電池需要特殊的制造工藝，主要用于光電檢 測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中。 光電池應(yīng)用舉例如下： 1太陽(yáng)電池電源 太陽(yáng)電池電源系統(tǒng)主要由太陽(yáng)電池方陣、蓄電池組、 調(diào)節(jié)控制和阻塞二極管組成。如果還需要向交流負(fù)載 供電，則加一個(gè)直流交流變換器，太陽(yáng)電池電源系 統(tǒng)框圖如圖。 調(diào)節(jié)控制器 逆 變 器 交 流 負(fù) 載 太陽(yáng) 電池 方陣 直 流 負(fù) 載 太陽(yáng)能電池電源系統(tǒng) 阻塞二極管 2光電池在光電

22、檢測(cè)和自動(dòng)控制方面的應(yīng)用 光電池作為光電探測(cè)使用時(shí) ， 其基本原理 與光敏二極管相同 ， 但它們的基本結(jié)構(gòu)和制造 工藝不完全相同 。 由于光電池工作時(shí)不需要外 加電壓；光電轉(zhuǎn)換效率高 ， 光譜范圍寬 ， 頻率 特性好 ， 噪聲低等 ， 它已廣泛地用于光電讀出 、 光電耦合 、 光柵測(cè)距 、 激光準(zhǔn)直 、 電影還音 、 紫外光監(jiān)視器和燃?xì)廨啓C(jī)的熄火保護(hù)裝臵等 。 (a) 光電追蹤電路 +12V 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(lèi)光電池作為光電接收器件 。 當(dāng)入射光通 量相同時(shí) ， 執(zhí)行機(jī)構(gòu)按預(yù)定的方式工作或進(jìn)行

23、跟蹤 。 當(dāng)系統(tǒng)略有偏差時(shí) ， 電路輸出差動(dòng)信號(hào)帶動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu) 進(jìn)行糾正 ， 以此達(dá)到跟蹤的目的 。 光電池在檢測(cè)和控制方面應(yīng)用中的幾種基本電路 BG2 BG1 +12V C J R1 R2 (b) 光電開(kāi)關(guān) 圖 (b)所示電路為光電開(kāi)關(guān) ， 多用于自動(dòng)控制系 統(tǒng)中 。 無(wú)光照時(shí) ， 系統(tǒng)處于某一工作狀態(tài) ， 如通態(tài)或斷 態(tài) 。 當(dāng)光電池受光照射時(shí) ， 產(chǎn)生較高的電動(dòng)勢(shì) ， 只要光 強(qiáng)大于某一設(shè)定的閾值 ， 系統(tǒng)就改變工作狀態(tài) ， 達(dá)到開(kāi) 關(guān)目的 。 +12V 5G23 (c) 光電池放大電路 C3 -12V W R1 R2 R3 R4 R5 C1 C2 1 8 7 6 5 4 3 2 圖 (c

24、)為光電池放大電路 。 在測(cè)量溶液濃度 、 物體色度 、 紙張的灰度等場(chǎng)合 ， 可用該電路作前臵級(jí) ， 把微弱 光電信號(hào)進(jìn)行線(xiàn)性放大 ， 然后帶動(dòng)指示機(jī)構(gòu)或二次儀 表進(jìn)行讀數(shù)或記錄 。 在實(shí)際應(yīng) 用中 ， 主要利用 光電池的光照特 性 、 光譜特性 、 頻率特性和溫度 特性等 ， 通過(guò)基 本電路與其它電 子線(xiàn)路的組合可 實(shí)現(xiàn)或自動(dòng)控制 的目的 。 第三節(jié) 光纖傳感器 光纖傳感器是七十年代發(fā)展起來(lái)的新型傳感技術(shù)， 與常規(guī)傳感器相比，有很多優(yōu)點(diǎn)： 抗電磁干擾能力強(qiáng)。光纖主要由電絕緣材料做 成，工作時(shí)利用光子傳輸信息，因而不怕電磁場(chǎng) 干擾；此外，光波易于屏蔽，外界光的干擾也很 難進(jìn)入光纖。 光纖直徑

25、只有幾微米到幾百微米。而且光纖柔 軟性好，可深入到機(jī)器內(nèi)部或人體彎曲的內(nèi)臟等 常規(guī)傳感器不宜到達(dá)的部位進(jìn)行檢測(cè)。 光纖集傳感與信號(hào)傳輸于一體，利用它很容易 構(gòu)成分布式傳感測(cè)量。 光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)突出，發(fā)展極快。自 1977年以 來(lái)，已研制出多種光纖傳感器，被測(cè)量遍及位移、 速度、加速度、液位、應(yīng)變、力、流量、振動(dòng)、 水聲、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)和化學(xué)物質(zhì)等。 新的傳感原理及應(yīng)用正在不斷涌現(xiàn)和擴(kuò)大。 光纖傳感器在易燃易爆場(chǎng)合的應(yīng)用 控 制 室 光 纖 各類(lèi)油罐 參數(shù)檢測(cè) 壓力容器 參數(shù)檢測(cè) 核工業(yè)環(huán)境 參數(shù)檢測(cè) 煤礦中 CH4 等參數(shù)檢測(cè) 光纖傳感器在高電壓、強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾場(chǎng)合的 應(yīng)用 控 制 室

26、 光 纖 高壓 變壓器 高壓 電動(dòng)機(jī) 強(qiáng)電磁干擾 電氣設(shè)備 微波 設(shè)備 一、光纖傳感器的基本知識(shí) 光纖是一種傳輸光的細(xì)絲，它能夠?qū)⑦M(jìn)入光纖一端的光線(xiàn)傳到光 纖的另一端。通常光纖由兩層光學(xué)性質(zhì)不同的材料組成，如圖所 示。光纖的中間部分是導(dǎo)光的纖芯，纖芯的周?chē)前鼘?。包層?折射率 n2略小于纖芯的折射率 n1，它們的相對(duì)折射率差 （ =1- n2/n1）通常為 0.005 0.140。 光纖傳光的基礎(chǔ)是光的 全內(nèi)反射。當(dāng)光線(xiàn)以入 射角 進(jìn)入光纖的端面 時(shí)，在端面出發(fā)生折射， 設(shè)折射角為 ，然后光 線(xiàn)以 角入射至纖芯與 包層的界面。 當(dāng) 角大于纖芯與包層間的臨界角 c時(shí) , 即 c=arcsin(

27、n2/n1) 則射入的光線(xiàn)在光纖的界面上發(fā)生全反射，并在光纖內(nèi)部以同樣 的角度反復(fù)逐次反射，直至傳播到另一端面。 實(shí)際工作時(shí)光纖可能彎曲，只要仍滿(mǎn)足全反射定律， 光線(xiàn)仍繼續(xù)前進(jìn)。由于光纖具有一定柔軟性，很容易 使光線(xiàn)“轉(zhuǎn)彎”，這給傳感器的設(shè)計(jì)帶來(lái)了極大的方 便 。 斯乃爾定理 （ Snells Law） 當(dāng)光由光密物質(zhì) (折射率大 )入射至光疏物質(zhì)時(shí)發(fā)生折射， 如圖 (a)，其折射角大于入射角，即 n1 n2時(shí)， r i。 n1 n2 r i (a)光的折射示意圖 可見(jiàn) ， 入射角 i增大時(shí) ， 折射角 r也隨之 增大 ， 且始終 r i。 n1、 n2、 r、 i之間的數(shù)學(xué)關(guān)系為 n1sin

28、i=n2sinr 根據(jù)斯乃爾折射定律， n0sin=n1sin=n1cos =n1(1-sin2 )1/2 設(shè)當(dāng) 達(dá)到臨界角 c時(shí)， 由 c=arcsin(n2/n1) 及 n0sin=n1sin=n1cos =n1(1-sin2 )1/2 可得 ： n0sinc=(n12-n22)1/2 可得 ： n0sinc=(n12-n22)1/2 式中 n0sinc是為光纖的數(shù)值孔徑，用 NA表示。 它表示當(dāng)入射光從折射率為 n0 的外部介質(zhì)進(jìn)入光纖時(shí)， 只有入射角小于 c的光才能在光纖中傳播。否則，光線(xiàn) 會(huì)從包層中逸出而產(chǎn)生漏光。 NA是光纖的一個(gè)重要參數(shù)， NA值越大，光源到光纖的耦合效率越高。

29、從構(gòu)成光纖的材料來(lái)看，除了玻璃光纖外還有塑料光纖， 也有玻璃塑料混合光纖。 光纖按其傳輸?shù)哪Ｊ椒譃閱文９饫w和多模光纖兩類(lèi)。 光在纖芯中傳播就是電場(chǎng)和磁場(chǎng)在光纖中向前傳輸，可 分解為沿軸向和徑向傳播的平面波，沿徑向傳播的平面 波在纖芯和包層的界面上產(chǎn)生反射。如果此波在一個(gè)往 復(fù)（相臨兩次反射）中相位變化為 2 的整數(shù)倍，就能形 成駐波。只有形成駐波的光才能在光纖中傳播，一個(gè)駐 波就是一個(gè)模。在光纖中只能傳輸有限個(gè)模。 例如，纖芯直徑為 5m時(shí)只能傳輸一個(gè)模，稱(chēng)為單模光 纖；纖芯直徑為 50m時(shí)就能傳輸多個(gè)模，稱(chēng)為多模光纖。 光纖按其中的折射率分布可分為階躍型光纖和梯度型光纖。 階躍型是指纖芯和包

30、層 的折射率不連續(xù)的光纖， 如圖 7-16a所示。 梯度型光纖如圖 7-16b所 示，在中心軸上折射率 最大，沿徑向逐漸變小， 界面處 n1=n2。 n1的分布 大多按拋物線(xiàn)規(guī)律，其 關(guān)系式 n1=n(1-Ar2/2) 采用梯度型光纖時(shí)，光射入光纖后會(huì)自動(dòng)地從界面向軸心會(huì)聚， 故也稱(chēng)為自聚焦光纖。這種光纖頻帶寬、信號(hào)畸變小，工作時(shí)極 易達(dá)到全反射，但制造較難。 二、光纖傳感器 按工作原理光纖傳感器分為功能型和非功能型兩大類(lèi)。 （一）功能型（或稱(chēng)物性型、傳感型）光纖傳感器 光纖在這類(lèi)傳感器中不僅作為光傳播的波導(dǎo)而且具有測(cè) 量的功能。因?yàn)楣饫w既是電光材料又是磁光材料，所以 可以利用邁克爾效應(yīng)、法拉

31、第效應(yīng)等，制成測(cè)量強(qiáng)電流、 高電壓等傳感器； 其次可利用光纖的傳輸特性把輸入量變?yōu)檎{(diào)制的光信號(hào)。 因?yàn)楸碚鞴獠ㄌ匦缘膮⒘?，如振幅（光?qiáng)）、相位、和 偏振態(tài)會(huì)隨著光纖的環(huán)境（如應(yīng)變、壓力、溫度、電場(chǎng)、 射線(xiàn)等）而改變，故利用這些特性便可實(shí)現(xiàn)傳感測(cè)量。 1光強(qiáng)度調(diào)制型 光強(qiáng)度調(diào)制是光纖傳感器最基本的調(diào)制形式。被測(cè)量 通過(guò)影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出光強(qiáng)度的調(diào)制。 從幾何光學(xué)的角度講，調(diào)制的條件是 arcsin(n2/n1) 式中 : 光線(xiàn)從纖芯到包層的入射角； n1 、 n2: 分別為纖芯和包層的折射率。 調(diào)制的具體途徑又可分為兩大類(lèi)： 改變光纖的幾何形狀，從而改變光線(xiàn)的傳播入射角 ； 改變光纖纖

32、芯或者包層的折射率。 圖 7-27a為光纖彎曲時(shí)傳光特性示意圖。可見(jiàn)，在纖芯中 傳輸?shù)墓庥幸徊糠竹詈系桨鼘又?，原?lái)光束以大于臨界 角的角度在纖芯中傳播為全內(nèi)反射，但在彎曲處，光束 以小于臨界角 arcsin (n2/n1)的角度入射到界面，部分光逸 出散射到包層。這種檢測(cè)原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)力、位移和壓 強(qiáng)等物理量的測(cè)量。 改變光纖折射率實(shí)現(xiàn)調(diào)制的方法也很常用，對(duì)于不同的 測(cè)量對(duì)象可以采用不同的材料作包層，例如電光材料、 磁光材料、光彈材料等，圖 7-27b所示為光纖中光強(qiáng)被 油滴所調(diào)制的情況。有一種光纖溫度傳感器就是利用纖 芯和包層折射率的溫度系數(shù)不一致，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的測(cè)量。 2光相位調(diào)制型 光纖相

33、位調(diào)制是光纖比較容易實(shí)現(xiàn)的調(diào)制形式，所有能 夠影響光纖長(zhǎng)度、折射率和內(nèi)部應(yīng)力的被測(cè)量都會(huì)引起 相位變化， 例如壓力、應(yīng)變、溫度和磁場(chǎng)等。相位調(diào)制型光纖傳感 器比強(qiáng)度型復(fù)雜一些，一般采用干涉儀檢測(cè)相位的變化， 因此，這類(lèi)傳感器靈敏度非常高。常用的干涉儀有四種： 邁克爾遜（ Mich1son）、馬赫 -琴特（ Mach-Zehnder）、 薩古納克（ Sagnac）、法布里 -珀羅（ Fabry-perot）。 它們的共同點(diǎn)是：光源發(fā)出的光都要分成兩束或更多束 的光，沿不同的路徑傳播后，分離的光束又組合在一起， 產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。 圖 7-28表示馬赫 -琴特干涉儀原理圖。 立方棱鏡把激光束一分為二，

34、一束經(jīng)參考臂用布拉格調(diào)制器產(chǎn)生 頻移或用光纖延伸器和集成光學(xué)相移器來(lái)調(diào)制相位，另一束用暴 露于被測(cè)場(chǎng)中的信號(hào)光纖（或叫傳感光纖）來(lái)傳輸，兩束光在棱 鏡處重新匯合，為光電器件接收。 當(dāng)信號(hào)光纖周?chē)臏囟劝l(fā)生變化時(shí)，信號(hào)光纖會(huì)產(chǎn)生 一定量的相移 ，相移 的大小與信號(hào)光纖的長(zhǎng)度 L、 折射率 n和橫截面的變化有關(guān)，由于光纖直徑受溫度變 化影響很小，可忽略。相移可以表示為： / L/L+n/n (7-14 ) ;)/(n ;)/( TTnTTLL 式中： 對(duì)于玻璃光纖， ;/10)/( ;/105)/( 0507 CTnCTL 可見(jiàn)在此， n起主要作用 ； （二）非功能型（或稱(chēng)結(jié)構(gòu)型、傳光型）光纖傳感

35、器 光纖在非功能型光纖傳感器中只作為傳光的介質(zhì)，還需 加上其它敏感器件才能組成傳感器。非功能型傳感器的 特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，能夠充分利用其它敏感器件和光 纖本身的優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展很快。 1光纖位移傳感器 圖 7-30a為反射式光纖位移傳感器原理圖。 從發(fā)射光纖出射的光經(jīng)被測(cè)物表面直接或間接反射后，由接收光 纖傳到光電器件上，光量隨反射面相對(duì)光纖端面的位移 (x)而變 化，其關(guān)系如圖 7-30b所示。當(dāng) (x) 很小時(shí)，反射到接收光纖的光 量很少、因?yàn)檫@時(shí)兩光纖的光錐角重疊部分很小。隨著 (x) 的增 加接收光量增大并達(dá)到最大值，這段曲線(xiàn)靈敏度高、線(xiàn)性好，其 線(xiàn)性段適于測(cè)微小位移，峰值處適于測(cè)表面

36、粗糙度等。 (x) 繼續(xù) 加大，曲線(xiàn)從峰值開(kāi)始下降。 實(shí)際上，這種光纖傳感器是由許多根光纖組成的光纜。發(fā)射和接 收光纖的 常見(jiàn)的組合方式有混合式、對(duì)半分式、共軸內(nèi)發(fā)射分布 三種。混合式的靈敏最高，而對(duì)半分式測(cè)量范圍最大。 另一種非常有價(jià)值的多模光纖位移傳感器如圖 7-31a所示 兩光纖端面斜切，端面對(duì)光纖軸線(xiàn)有相同的角度，斜切面拋光， 以便光線(xiàn)在接收光纖頭內(nèi)形成全反射。當(dāng)兩光纖距離較遠(yuǎn)時(shí)，沒(méi) 有光透過(guò)斜切面耦合到接收光纖。但是，當(dāng)兩斜切面非常接近時(shí)， 情況將發(fā)生變化。 由于光是一種電磁波，全內(nèi) 反射時(shí)雖然沒(méi)有光能進(jìn)入相 鄰介質(zhì)，但是電磁波卻能進(jìn) 入相鄰介質(zhì)一定深度，這個(gè) 深度大約為波長(zhǎng)量級(jí)，進(jìn)

37、入 相鄰介質(zhì)的電磁波稱(chēng)為瞬逝 波。當(dāng)兩切面距離小于光波 波長(zhǎng)時(shí)，將有部分光透過(guò)間 隙耦合到接收光纖，距離越 近，耦合能量越大，如圖 7- 21b所示。根據(jù)這個(gè)原理，可 以制成光纖位移傳感器。這 種傳感器的測(cè)量范圍為光波 波長(zhǎng)量級(jí)，靈敏度可達(dá)到納 米量級(jí)。 2光纖溫度傳感器 光纖測(cè)溫技術(shù)除了前面介紹的方法外，尚有很多方法，其中一 種結(jié)構(gòu)是把半導(dǎo)體材料夾持在發(fā)射光纖和接收光纖之間，當(dāng)溫 度變化時(shí)半導(dǎo)體的透光率隨之變化，接收光纖接收到的光量也 變化。當(dāng)前常用的半導(dǎo)體材料是 GaAs，其透光率達(dá) 30以上， 厚度為 150m，工作面積約為 0.7mm2，其工作面和光纖的端面都 要拋光并相互平行。 3光

38、波長(zhǎng)分布（顏色）傳感器 光纖光波長(zhǎng)調(diào)制型傳感器大多是非功能型的，光纖只作導(dǎo)光用。 波長(zhǎng)測(cè)量有兩個(gè)步驟 : 首先是實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)牟ㄩL(zhǎng)分離，這可以用多種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：從棱 鏡或光柵光譜儀到干涉濾光片，以及簡(jiǎn)單的彩色玻璃濾光器。 其次是測(cè)量在這些波長(zhǎng)上的光功率，利用光纖傳導(dǎo)、光電器件 接收可方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)接收功率的監(jiān)測(cè)。 利用光波長(zhǎng)調(diào)制可開(kāi)發(fā)的傳感器主要有：利用指示劑溶液濃度 實(shí)現(xiàn)遙控化學(xué)分析的 pH探頭；利用磷光和熒光隨溫度變化而做 成的光纖溫度計(jì)；利用法布里 -珀羅敏感標(biāo)準(zhǔn)具做成靈敏的位移 傳感器等。 4光頻率調(diào)制型光纖傳感器 光頻率調(diào)制是基于被測(cè)物體的入射光頻率與其反射光的多普勒 效應(yīng)，所以主要用來(lái)測(cè)

39、量運(yùn)動(dòng)物體的速度。如果頻率為 fi的光照 射在相對(duì)速度為 v的運(yùn)動(dòng)物體上，則從該運(yùn)動(dòng)體反射光頻率 fs變 為： )/1(/1 cvfcvff iis 其中 c:光速。 根據(jù)這種原理可以組成光纖激光 多普勒測(cè)振儀，測(cè)量靈敏度 非常高。例如用 He-Ne激光器做光源， 1ms-1速度的頻移達(dá) 1.6MHz，可測(cè)范圍為 1100ms-1。 可見(jiàn) ,光纖傳感器與以電為基礎(chǔ)的傳統(tǒng)傳感器相比較 ， 在測(cè)量 原理上有本質(zhì)的差別 。 傳統(tǒng)傳感器是以機(jī) 電測(cè)量為基礎(chǔ) ， 而光 纖傳感器則以光學(xué)測(cè)量為基礎(chǔ) 。 分類(lèi) 內(nèi)容 光纖傳感器 電類(lèi)傳感器 調(diào)制參量 振幅：吸收 、 反射等 相位：偏振 電阻、電容、電感等 敏

40、感材料 溫 -光敏、力 -光敏、 磁 -光敏 溫 -電敏、力 -電敏、 磁 -電敏 傳輸信號(hào) 光 電 傳輸介質(zhì) 光纖、光纜 電線(xiàn)、電纜 第四節(jié) 光柵傳感器 隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用泛應(yīng)用，信號(hào) 的檢測(cè)、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化時(shí)代。通常采用 模擬式傳感器獲隨著微型計(jì)算機(jī)的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng) 用泛應(yīng)用，信號(hào)的檢測(cè)、控制和處理已進(jìn)入的數(shù)字化 時(shí)代。 通常采用模擬式傳感器獲取模擬信號(hào)，利用 A/D轉(zhuǎn)換器 將信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，再用微機(jī)和其他數(shù)字設(shè)備處理 進(jìn)行處理，這種方法簡(jiǎn)便易行，但系統(tǒng)的構(gòu)成也很復(fù)雜。 數(shù)字式傳感器就是為了解決這些問(wèn)題而出現(xiàn)的，它能把 被測(cè)模擬量直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸出。 光

41、柵是常用的數(shù)字式傳感器 4.1 光柵基礎(chǔ) 4.1.1 光柵分類(lèi)及結(jié)構(gòu) 1.光柵分類(lèi) 光柵按其原理和用途可以分為物理光柵和計(jì)量光柵。 物理光柵主要是利用光的衍射現(xiàn)象，常用于光譜分析 和光波波長(zhǎng)測(cè)定，而在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。 計(jì)量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象（莫爾條紋）， 常用于位移長(zhǎng)度、角度、速度、加速度等的測(cè)量，有 很高的分辨力。 2. 光柵結(jié)構(gòu) 所謂光柵，是在刻畫(huà)及面上等間距（或不等間距）地 密集刻劃，使刻線(xiàn)處不透光，未刻線(xiàn)處透光，形成透 光與不透光相間排列構(gòu)成的光電器件。 常用的光柵每毫米有 10、 25、 50、 100和 250條線(xiàn)。 主光柵的刻線(xiàn)一般比指示光柵長(zhǎng)。若劃線(xiàn)寬

42、度為 a 縫隙寬度為 b，則光柵節(jié)距或柵距 W為 W a + b。 通常取 a = b W /2。 4.1.2光柵的原理 光柵通常包括一長(zhǎng)和一短兩塊配套使用，其中長(zhǎng)的稱(chēng) 為標(biāo)尺光柵或長(zhǎng)光柵，一般固定在移動(dòng)部件上，短的 為指示光柵或短光柵，裝在固定部件上。 透射式光柵傳感器 透射式長(zhǎng)光柵傳感器 透射式圓光柵傳感器 反射式光柵傳感器 圖 7-46 反射式長(zhǎng)光柵傳感器 當(dāng)指示光柵上的線(xiàn)紋與標(biāo)尺光柵上的線(xiàn)紋成一小角度 放臵時(shí)，兩光柵尺上線(xiàn)紋互相交叉。在光源的照射下， 交叉點(diǎn)附近的小區(qū)域內(nèi)黑線(xiàn)重疊，形成黑色條紋，其 它部分為明亮條紋，這種明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條 紋 。莫爾條紋與光柵線(xiàn)紋幾乎成垂直方向排

43、列。 嚴(yán)格地說(shuō)，莫爾條紋是與兩片光柵線(xiàn)紋夾角的平分線(xiàn) 相垂直。 直線(xiàn)光柵的莫爾條紋 由于光柵的刻線(xiàn)非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少 個(gè)柵距，而利用莫爾條紋的實(shí)際價(jià)值就在于： 能讓光敏元件 “ 看清 ” 隨光柵刻線(xiàn)移動(dòng)所帶來(lái)的光強(qiáng) 變化。 4.1.3 莫爾條紋特點(diǎn) 1. 位移的放大作用 根據(jù)右圖，莫爾條紋間距 B與柵距 W和 夾角 之間有如下關(guān)系： WWWB 2/ 2/ )2/s i n ( 2/ 越小，莫爾條紋間距 B越大 越小， B越大， 當(dāng)小于 1 以后，可使 BW， 即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。 因此，讀出莫爾條紋的數(shù)目比讀光柵刻線(xiàn)的數(shù)目要 方便得多。通過(guò)光柵柵距的位移和莫爾條紋位移

44、的 對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以容易地測(cè)量莫爾條紋移動(dòng)數(shù)，獲 取小于光柵柵距的微小位移量。 2. 莫爾條紋的移動(dòng)與柵距的移動(dòng)成比例 當(dāng)光柵尺移動(dòng)一個(gè)柵距 W時(shí)，莫爾條紋也剛好移動(dòng)了一 個(gè)條紋寬度 B。只要通過(guò)光電元件測(cè)出莫爾條紋的數(shù)目， 就可知道光柵移動(dòng)了多少個(gè)柵距，移動(dòng)的距離就可以計(jì) 算出來(lái)。若光柵移動(dòng)方向相反，則莫爾條紋移動(dòng)方向也 相反 3.均化誤差作用 莫爾條紋是由光柵的大量刻線(xiàn)共同組成，例如， 200條 /mm的光柵， 10mm寬的光柵就由 2000條線(xiàn)紋組成， 這樣?xùn)啪嘀g的固有相鄰誤差就被平均化了，消除了柵 距之間不均勻造成的誤差。 4.1.3 莫爾條紋測(cè)量位移原理 當(dāng)光電元件 Ta或 Tb接

45、收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù) 光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè) 柵距 W時(shí)，電信號(hào)則變化了一個(gè)周期 這樣光敏元件輸出波形為： w xUUU mO 2s in w xUUU mO 2s in 無(wú)論莫爾條紋上移或下移，從一固定位臵看其明暗變化 是相同的。為了確定運(yùn)動(dòng)方向，至少要放臵兩個(gè)光電元 件，兩者相距 1/4莫爾條紋寬度。當(dāng)光柵移動(dòng)時(shí)，莫爾 條紋通過(guò)兩個(gè)光電元件的時(shí)間不同，所以?xún)蓚€(gè)光電元件 所獲得的電信號(hào)雖然波形相同，但相位相差 90度。根據(jù) 兩光電元件輸出信號(hào)的超前和滯后，可以確定標(biāo)尺光柵 移動(dòng)方向。 4.1.4 位移辨向原理 辯向邏輯電路 4.2 莫爾條紋細(xì)分技術(shù) 如果僅

46、以光柵的柵距作其分辨單位，只能讀到整數(shù)莫 爾條紋；倘若要讀出位移為 0.1m，勢(shì)必要求每毫米 到線(xiàn) 1萬(wàn)條，這是目前工藝水平無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。 如果采用柵距細(xì)分技術(shù)可以獲得更高的測(cè)量精度。常 用的細(xì)分方法有： 1.增加光柵刻線(xiàn)密度 2. 對(duì)電信號(hào)進(jìn)行電子插值 ，把一個(gè)周期變化的莫爾條 紋信號(hào)再細(xì)分，即增加一個(gè)周期的脈沖數(shù) 3.機(jī)械和光學(xué)細(xì)分 光電元件直接細(xì)分 在一個(gè)莫爾條紋寬度上并列放臵四個(gè)光電元件，如右 下圖 (a)所示，得到相位分別相差 /2 的四個(gè)正弦周期信 號(hào)。用適當(dāng)電路處理這些信號(hào)，使其合并得到如右下 圖 (b)所示的脈沖信號(hào)。每個(gè)脈沖分別和四個(gè)周期信號(hào) 的零點(diǎn)相對(duì)應(yīng)，則電脈沖的周期反應(yīng)了

47、 1/4個(gè)莫爾條紋 寬度。 用計(jì)數(shù)器對(duì)這一列脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可以讀到 1/4個(gè)莫 爾條紋寬度的位移量，這將是光柵固有分辨率的四倍。 此種方法被稱(chēng)為四倍頻細(xì)分法。 莫爾條紋光學(xué)細(xì)分法 這種方法采用密光柵作為指示光柵，稀光柵作為標(biāo)尺光柵，稀光 柵的柵距是密光柵的整數(shù)倍 。 可由下式表示為： r s W W 4.1.3 莫爾條紋測(cè)量位移原理 當(dāng)光電元件 Ta或 Tb接收到明暗相間的正弦信號(hào)時(shí)，根據(jù) 光電轉(zhuǎn)換原理將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。當(dāng)光柵移動(dòng)一個(gè) 柵距 W時(shí)，電信號(hào)則變化了一個(gè)周期 這樣光敏元件輸出波形為： w xUUU mO 2s in w xUUU mO 2s in 辯向邏輯電路 由圖可知，當(dāng)莫爾條紋上移是 Ua Ub的電平變化序列 為 00 01 11 10 00 ； 當(dāng)莫爾條紋下移時(shí)， Ua Ub的電平變化序列為： 為 00 10 11 01 00； 莫爾條紋上移 上次 uaub 本次 uaub 10 00 00 01 01 11 11 10 10 00 莫爾條紋下移 上次 uaub 本次 uaub 01 00 00 10 10 11 11 01 01 00