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1、 9.1概述 9.2光电元件 9.3光栅测量装置9.1概述 光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的光电式传感器是一种将被测量通过光量的变化再转换成电量的传感器，一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。光传感器，一般都是由光源、光学元件和光电元件三个部分组成。光电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。此种测量方电阻传感器是将光信号转换为电阻变化的一种传感器。此种测量方法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等特点。在法具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度和反映快等特点。在检测和控制领域获得了广泛的应用。检测和控制领域获得了广泛的应用。光源光源发射出一定光
2、通量的光线，由光电元件接受，在检测时，发射出一定光通量的光线，由光电元件接受，在检测时，被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元被测量使光源发射出的光通量变化，因而使接收光通量的光电元件在输出电量时，也作相应的变化，最后用光量来表达被测量的件在输出电量时，也作相应的变化，最后用光量来表达被测量的大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。大小。其输出的电量可以是模拟量，也可以是数字量。光电式传感器基本分类光电式传感器基本分类 1.光电转换系统的输出端为“有”或“无”电信号两种稳定状态，亦即为“通”或“断”的开关状态。属于这一类的为光电式转速表、光电继电器等。2.光电转换系统
3、中，当光作用在光电元件上时，产生的光电流是光通量的函数。属于这一类的为光电式位移计、光电式测振计等。3.光电转换系统将被测体的形状直接反映出来，这一类的传感器是利用电荷耦合摄象器件（CCD）作为光电元件的，主要用于再线的图案检查、文字识别等。光电传感器应用与优点光电传感器应用与优点 光电传感器光电传感器是一种常用的传感器，应用领域也比是一种常用的传感器，应用领域也比较广泛，除可直接检测光信号外，还可以用来测量转较广泛，除可直接检测光信号外，还可以用来测量转速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可以速、位移、距离、温度、浓度、浊度等参量，也可以用作对各种产品的计数、机床的保护装置。用作对各种
4、产品的计数、机床的保护装置。光电传感器具有很多优良的特性，例如，精度高、光电传感器具有很多优良的特性，例如，精度高、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、重量轻、不受电磁干扰的影响、非接触测量、体积小、重量轻、造价低的等优点。造价低的等优点。一、光源一、光源 光源是光电式传感器的一个组成部分，大多数的光电传感器都离不开光源。我们把通电后而发光的器件，统称为电光源，或者叫电光元件。普通的电光源可以分为四类：热辐射光源，即白炽灯；气体放电灯，如氖泡，日光灯；固体发光光源（电致发光器件),如发电二极管，场致发光灯；激光器。热辐射光源：热辐射光源：v热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光
5、热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。光谱的峰值波长也就越短。v白炽灯就是一种典型的热辐射光源。白炽灯就是一种典型的热辐射光源。气体放电灯（气体放电光源）气体放电灯（气体放电光源）v电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成
6、分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到主要在某一光谱范围的辐射源。光谱范围的辐射源。v低压贡灯、钠灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统低压贡灯、钠灯、氦灯等是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。称为光谱灯。固体发光光源（电致发光器件）固体发光光源（电致发光器件）v固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发电二极管，半导体制成的器件称为电致发光器件，如发电二极管，
7、半导体激光器和电致发光屏。激光器和电致发光屏。v发电二极管与白炽灯相比，它具有体积小、功耗低、寿发电二极管与白炽灯相比，它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高以及能和集成电路相匹配等命长、响应快、机械强度高以及能和集成电路相匹配等优点；因此广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制优点；因此广泛地应用于计算机、仪器仪表和自动控制等设备中。等设备中。二、光学元件与光路二、光学元件与光路v在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件，并按照在光电式传感器中，必须采用一定的光学元件，并按照一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学一些光学定律和原理构成各种各样的光路。常用的光学元件有各种反射
8、镜和透镜。元件有各种反射镜和透镜。三、光电元件三、光电元件v光电元件在光电式传感器中是用来把光量变换成电量的一光电元件在光电式传感器中是用来把光量变换成电量的一种器件。常用的有光敏电阻，光电池，光敏晶体管，光电种器件。常用的有光敏电阻，光电池，光敏晶体管，光电倍增管。以及一些新型半导体光电器件，如电荷耦合摄像倍增管。以及一些新型半导体光电器件，如电荷耦合摄像器（器（CCDCCD），光电位置敏感器件（），光电位置敏感器件（PSDPSD）等。）等。v传统的光电器件是利用各种光电效应制成的器件。光电器传统的光电器件是利用各种光电效应制成的器件。光电器件的理论基础是光电效应。件的理论基础是光电效应。v
9、所谓光电效应即是由于物体吸收能量所谓光电效应即是由于物体吸收能量E E为的光后产生的电为的光后产生的电效应。效应。从传感器的角度看光电效应可分为两大类型：从传感器的角度看光电效应可分为两大类型：外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应和内光电效应两大类。内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应。内光电效应又分为光导效应和光生伏特效应。外光电效应是指在光的照射下，材料中的电外光电效应是指在光的照射下，材料中的电子逸出表面的现象。光电管和光电倍增管即属此子逸出表面的现象。光电管和光电倍增管即属此类。类。内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻内光电效应是指在光的照射下，材料的电阻率发生改变的现象。光敏
10、电阻即属此类。率发生改变的现象。光敏电阻即属此类。9.2光电元件光电元件9.2.1光敏电阻光敏电阻 光敏电阻是用具有内光电效应的光导材料制成的，为纯电阻元件，其阻值随光照增强而减小。如图如图9-11、光敏电阻的工作原理、光敏电阻的工作原理 在黑暗的环境下它的电阻是很高的，但当它受到光线照射时，若光子能量hy大于本征半导体材料的禁带宽度Eg g，同禁带中的电子吸收一个光子后就足以跃迁到导带，激发出电子空穴对，从而加强了导电性能，使阻值降低，且照射的光线愈强阻值也愈低。光照停止，自由电子与空穴逐渐复合，电阻有恢复原值。这种由于光线照射强弱而导致半导体电阻值变化的现象，称为光导效应。具有光导效应的材
11、料就称为“光敏电阻”用光敏电阻制成的器件称为光导管，但通常也叫光敏电阻。光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫光敏电阻具有很高的灵敏度，光谱响应的范围可以从紫外区域到红外区域，且体积小，性能稳定，价格低，所以被外区域到红外区域，且体积小，性能稳定，价格低，所以被广泛应用于自动测试系统中。但是，使用时需要有外部电源，广泛应用于自动测试系统中。但是，使用时需要有外部电源，同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光敏电阻的种类同时当有电流通过它时，会产生热的问题。光敏电阻的种类繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、锡化物等组成。繁多，一般由金属的硫化物、硒化物、锡化物等组成。图9-1 光敏电阻的
12、结构及表示符号 返回课程返回课程2、光敏电阻的主要参数和基本特性、光敏电阻的主要参数和基本特性 光电流。光电流。光敏电阻在不受光照射的阻值称“暗电阻”，此时流过的电流称“暗电流”；光敏电阻在受光照射时的阻值称“亮电阻”，此时的电流称“亮电流”。而亮电流与暗电流之差即为“光电流”。当然，希望暗阻愈大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光电流要尽可能大，这样光敏电阻的灵敏度就高。光敏电阻的伏安特性。光敏电阻的伏安特性。在光敏电阻的两端所加电压和电流的关系曲线，称为光敏电阻的伏安特性。它是一条直线，所加电压U越高，光电流I也越大，而且没有饱和现象。在给定的光照下，电阻值与外加电压无关；在给定的电压下光电流值随
13、光照的增加而增加。光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光照特性。光敏电阻的光电流和光强的关系曲线称光敏电阻的光照特性。由于光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，因此不适宜做线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。光敏电阻的光谱特性。光敏电阻的光谱特性。光敏电阻对于不同波长的入射光，其相对灵敏度也是不同的。只有能量大于半导体材料禁带宽度的那些光子才能激发出光生电子空穴对。而光子能量的大小与光的波长有关。光敏电阻的频率特性。光敏电阻的频率特性。在使用光敏电阻时，就应注意，它的光电流并不是随光强改变而立刻作出相应的变化，而是具有一定的惰性，这也是光敏电阻的缺点之一。光敏电阻的光谱温度特性。光敏电阻的光谱温度特性
14、。光敏电阻随着温度的升高，其暗阻和灵敏度都下降。同时温度变化也影响其光谱特性。9.2.2光电池光电池 光电池是基于光生伏特效应制成的，是自发电式有源器件。光电池是把光直接转变为电能的器件。由于它广泛用于把太阳能直接变电能，因此又称为太阳电池。光电池的种类很多，有硒、氧化亚铜、硫化镉、锗、硅光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、传递效率高、能耐高温辐射等，以硅光电池为例。光生伏特效应利用光势垒效应，光势垒效应是指在光的照射下，物体内部产生一定方向的电势。9.2光电元件光电元件光电池的工作原理光电池的工作原理 硅光电池是在一块N型硅片上用扩散的办
15、法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结。当光照射P型面时，若光子能量hy大于半导体材料的禁带宽度Eg g，则在P型区每吸收一个光子便产生一个自由电子空穴对。在表面对光子的吸收最多，激发出的电子空穴对最多，越向内部越小，由于浓度差便形成了从表面向体内扩散的自然趋势。空穴是P型区的多数载流子，入射光所产生的空穴浓度比原有产生空穴要少得多，而入射光所产生的电子则向内部扩散。若能在它复合之前到达PN结过渡区，就相当于在结电场作用下正好将电子推向N型区。这样光照射所产生的电子空穴对。图9-2 光电池的构造和表示符号光电池的基本特性光电池的基本特性光电池的光谱特性。光电池的光谱特性。相对灵敏度Kr和入
16、射光波长间的关系。在实际使用时应根据光源性质选择光电池，但要注意光电池的光谱峰值不仅与制造光电池的材料有关，同时也随使用温度而变。光电池的光照特性。光电池的光照特性。光生电动势U与照度Ee间的特性曲线称为开路电压曲线；光电流密度Je与照度Ee间的特性曲线称为短路电流曲线。把光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点。这是光电池的主要优点之一。光电池的频率特性。光电池的频率特性。光的调制频率f和光电池对输出电流Ir的关系。硅光电池具有较高的频率响应，而硒光电池较差。因此在高速计数器、有声电影以及其它方面多采用硅电池。光电池的温度特性。光电池的温度特性。
17、光电池的温度特性是描述光电池的开路电压U、短路电流I随温度T变化的曲线。由于它关系到应用光电池设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等主要指标，因此它是光电池的重要特性之一。9.2光电元件光电元件9.2.3光敏晶体管光敏晶体管 光敏晶体管是一种利用受光照时载流子增加的半导体光电元件，它与普通的晶体管一样，也具有P-N结。通常，我们把有一个P-N结的叫做光敏二极管，而把有两个P-N结的叫做光敏三极管。光敏三极管不一定有三根引出线，有时常常只装两根引出线。光敏二极管的PN结装在管的顶部，可以直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态，在没有光照射时反向电阻很大，反向电流很小。当光照
18、射光敏二极管时，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处的内电场作用下定向运动形成光电流。光的照度越大，光电流越大。因此在不受光照射时，光敏二极管处于截止状态；受光照射时，光敏二极管处于导通状态。光敏晶体管的工作原理光敏晶体管的工作原理 光敏三极管的工作原理：当光照射到PN结附近时，使PN结附近产生光生电子空穴对，它们在PN结处于内电场作用下，作定向运动，形成光电流，因此PN结的反向电流大大增加，由于光照射发射产生的光电流相当于三极管的基极电流，所以集电极电流是光电流的倍。因此光敏三极管比光敏二极管具有更高的灵敏度。图9-3 光敏二极管图9-4 光敏三极管光敏晶体管的
19、基本特性光敏晶体管的基本特性光敏晶体管的光谱特性。光敏晶体管的光谱特性。在可见光或探测赤热状态物体时，都采用硅管。但对红外光探测时，锗管较为合适。光敏晶体管的伏安特性。光敏晶体管的伏安特性。光敏晶体管在不同照度Ee下的伏安特性，就象一般晶体管在不同的基极电流时的输出特性一样，只要将入射光在发射极与基极之间的PN结附近所产生的光电流看作基极电流，就可将光敏晶体管看成一般的晶体管。光敏晶体管的光照特性。光敏晶体管的光照特性。光敏晶体管的输出电流IC和照度Ee之间可近似地看作是线性关系。光敏晶体管的温度特性。光敏晶体管的温度特性。它给出了温度对暗电流及输出电流的关系。温度变化对输出电流的影响较小，主
20、要由光照度所决定。而暗电流随温度变化很大，所以在应用时应在线路上采取措施进行温度补偿。光敏晶体管的时间常数。光敏晶体管的时间常数。一般锗管的时间常数约为210-4s，而硅管的时间常数在10-5s左右。当检测系统要求快速时，往往选择硅光敏晶体管。9.2.49.2.4光电倍增管光电倍增管 当入射光很微弱时，一般光电管能产生的光电流就很小，在这种情况下，即使光电流能被放大，但噪声也与信号同时被放大了，因此在微弱光时，采用光电倍增管。光电倍增管中，应用了电子的二次发射，所以可使光电灵敏度大大地提高，光电倍增管的放大倍数可高达106108；另外它的信噪比也大，比一般光电管大几百倍，在一般情况下使用，线性
21、度也好；工作频率也可高达100MHZ左右，所以它在弱光、光度测量方面得到了广泛的应用。二次电子发射二次电子发射 当具有几百万伏电子伏动能的电子落到物体表面上时，它将一部分能量传给该物质中的电子，使这些电子能够从物体表面逸出。由于高速电子冲击而使物体产生电子发射的现象称为二次电子发射或次级电子发射。二次电子发射数值，与材料性质、物质的表面状况，以及射入的一次电子能量和入射角等因素有关。表征二次电子发射数值的参数是二次电子发射系数，它是二次发射电子数量之比值，即=I2/I1 二次发射系数 I1一次电子数 I2二次电子数 应当指出，这里所指的二次电子数，它除包括由一次应当指出，这里所指的二次电子数，
22、它除包括由一次电子打击出来的二次电子外，还包括有一次电子被弹性反电子打击出来的二次电子外，还包括有一次电子被弹性反射（散射）回来的一次电子数及非弹性反射的一次电子数。射（散射）回来的一次电子数及非弹性反射的一次电子数。所谓非弹性反射的一次电子，即入射的电子把部分能量传所谓非弹性反射的一次电子，即入射的电子把部分能量传给物质以后，它本身又离开物质表面的电子。给物质以后，它本身又离开物质表面的电子。每个二次发射的电子在离开发射表面时，所具有的能每个二次发射的电子在离开发射表面时，所具有的能量是不一样的，一般具有不超过量是不一样的，一般具有不超过20eV20eV能量的电子为最多，能量的电子为最多，比
23、这个能量高的电子数目逐渐减少。由于在二次发射电子比这个能量高的电子数目逐渐减少。由于在二次发射电子中，包含有一部分弹性散射的一次电子，它的能量仍保持中，包含有一部分弹性散射的一次电子，它的能量仍保持接近原来入射时的动能；所以二次发射电子中还有一部分接近原来入射时的动能；所以二次发射电子中还有一部分接近一次发射电子能量的电子，但高于一次发射电子能量接近一次发射电子能量的电子，但高于一次发射电子能量的电子几乎是没有的。的电子几乎是没有的。另外，二次发射系数还受一次电子入射角度影响。当另外，二次发射系数还受一次电子入射角度影响。当入射角在入射角在60607070时，达到最大值，这是因为斜入射时，时，
24、达到最大值，这是因为斜入射时，入射电子深入物质的深度要小些，因而沿表面逸出的电子入射电子深入物质的深度要小些，因而沿表面逸出的电子要多些。要多些。光电倍增管工作原理光电倍增管工作原理 光电倍增管其结构如光电倍增管其结构如图图9-59-5所示，在一个玻璃泡内所示，在一个玻璃泡内除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍除装有光电阴极和光电阳极外，还装有若干个光电倍增极，图中增极，图中K K为光电阴极，为光电阴极，D D1 1，D D2 2，为二次发射体，为二次发射体，又称为倍增级，且在光电倍增极上涂以在电子冲击下又称为倍增级，且在光电倍增极上涂以在电子冲击下可发射更多次级电子的材料，倍增极的
25、形状及位置要可发射更多次级电子的材料，倍增极的形状及位置要正好能使轰击退行下去，在每个倍增极间均依次增大正好能使轰击退行下去，在每个倍增极间均依次增大加速电压，设每级的倍增率为加速电压，设每级的倍增率为 ，若有，若有n n级，则光电级，则光电倍增管的光电流倍增率将为倍增管的光电流倍增率将为n n。光电传增极一般采用。光电传增极一般采用SbSb-Cs-Cs涂料或涂料或MgMg合金涂料，倍增极数可在合金涂料，倍增极数可在414414之间，之间，A A为阳极或收集阳极。为阳极或收集阳极。值的范围是值的范围是3636。图9-5 光电倍增管的结构图光电倍增管的基本特性光电倍增管的基本特性积分灵敏度。积分
26、灵敏度。光点倍增管的积分灵敏度决定于光电阴极的积分灵敏度和光电倍增管的放大倍数。假定阴极的积分灵敏度为，倍增管的放大倍数为M，则光电倍增管的积分灵敏度为F可以写为F=M。对于常用的光电倍增管，其积分灵敏度约为106，单位常用表示A/lm。放大倍数。放大倍数。电源电压与放大倍数有很大关系。随着电源电压的增高，光电倍增管的放大倍数也将提高。电源电压与放大倍数之间的关系，是光电倍增管的主要特性。阳极特性。阳极特性。光电倍增管的阳极特性为阳极电流对于最后一级倍增管和阳极间电压的关系。光电特性。光电特性。光电特性是阳极电流Ia与光电阴极接收到的光通量之间的关系。噪声。噪声。光电倍增管的噪声由很多部分构成
27、。它包括光电阴极电子发射噪声，倍增管二次发射噪声，电阻热噪声等。它们共有的现象是在外界入射光保持绝对恒定的，光电倍增管的输出，不是稳定不变的，而是有一定的起伏。9.3光栅测量装置 光栅很早就被人们发现了，但应用于技术领域只有一百多年的历史。光栅很早就被人们发现了，但应用于技术领域只有一百多年的历史。早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长的测量，到早期人们是利用光栅的衍射效应进行光谱分析和光波波长的测量，到了了2020世纪世纪5050年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，年代人们才开始利用光栅的莫尔条纹现象进行精密测量，从而出现了光栅测量装置。光栅测量装置具有许多优点，如
28、测量精度从而出现了光栅测量装置。光栅测量装置具有许多优点，如测量精度高。在圆分度和角位移测量方面，一般认为光栅测量装置是精度最高高。在圆分度和角位移测量方面，一般认为光栅测量装置是精度最高的一种，可实现大量程测量兼有高分辨率；可实现动态测量，易于实的一种，可实现大量程测量兼有高分辨率；可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；且具有较强的抗干扰能力等。现测量及数据处理的自动化；且具有较强的抗干扰能力等。因此，近些年来，光栅测量装置在精密测量领域中的应用得到了因此，近些年来，光栅测量装置在精密测量领域中的应用得到了迅速发展。光栅测量装置迅速发展。光栅测量装置(或称光栅测量系统或称光栅测量系
29、统)是指利用光栅原理对输是指利用光栅原理对输入量入量(位移量位移量)进行转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光进行转换、显示的整个测量装置。它包括三大部分：光栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械栅光学系统；实现细分、辨向和显示等功能的电子系统；相应的机械结构。结构。9.3.1光栅光学系统光栅光学系统基本工作原理 在玻璃尺或玻璃盘上类似于刻线标尺那样，进行长刻线(一盘为1012mm)的密集刻划，得到如图所示的黑白相间、间隔细小的条纹，没有刻划的白处透光，刻划的黑处不透光，这就是光栅。光栅上的刻线称为栅线，栅线的宽度为a，缝隙宽度为b，一般都取a=b，而a+b=d称为
30、光栅栅距。光栅栅距是光栅的重要参数。如图9-6图9-6 光栅栅线放大图返回课程返回课程光栅光学系统是由光源、透镜、主光栅、指示光栅和光电元件构成的，而光栅是光栅光学系统的主要元件。光源一般采用钨丝灯泡；光电接收一般采用光电池和光敏三极管。光栅光学系统的基本工作原理是用光栅的莫尔条纹现象进行测量的。取两块光栅栅距相同的光栅，其中一个为主光栅3，另一个为指示光栅4，指示光栅比主光栅要短，这两者刻面相对，中间留有很小的间隙d，便组成光栅副。将其置于有光源1和透镜2形成的平行光束的光路中，若两光栅栅线之间有很小的夹角，则在近似垂直于栅线方向上就显现出比栅距d宽得多的明暗相间的条纹，这就是莫尔条纹。如图
31、9-7图9-7 光栅光学系统的构成原理图返回课程返回课程莫尔条纹 由图9-8可见，莫尔条纹中间为亮带，上下为两条暗带。相邻的两明暗条纹之间的距离称为莫尔条纹间距，以表示。图9-8 莫尔条纹形成示意图返回课程返回课程莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方莫尔条纹的移动量、移动方向与光栅尺的位移量、位移方向具有对应关系。向具有对应关系。在光栅测量中，一方面莫尔条纹的移动量与光栅尺的位移量之间有严格的对应关系；另一方面在两块光栅尺的栅线交角一定的条件下，莫尔条纹的移动方向与光栅尺的位移方向之间也有严格的对应关系。莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。莫尔条纹间距对光栅栅距具有放大作用。在两
32、光栅栅尺线夹角较小的情况下，莫尔条纹宽度和光栅栅距d、栅线夹角间有下列近似关系：莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。莫尔条纹对光栅栅距局部误差具有消差作用。在光栅测量中，光电元件接收的是一个区域内所含众多的栅线所形成的莫尔条纹。例如，设光栅栅距d=0.02mm，接收元件采用10mm10mm的硅光电池，则在硅光电池100mm宽度范围内，将有500条栅线参与工作。显然，在这一区域内个别栅线的栅距误差，或个别栅线的断裂或其它疵病，对整个莫尔条纹的位置和形状的影响很微小，即莫尔条纹具有减小光栅栅距局部误差的作用。莫尔条纹测量位移的原理 用光栅的莫尔条纹测量位移，长度与测量反相一致的标尺光栅（主光栅
33、）固定在运动零件上，随零件一起运动。短的指示光栅与光电元件固定不动。当两块光栅相对移动时，对某一点观察，可以观察到莫尔条纹的光强的变化。设初始位置为接收亮带信号，随着光栅移动，光强的变化，由亮进入稍暗，然后半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮。莫尔条纹的变化经历了一个周期，即移动了一个条纹间距，也就是说光栅移动一个栅距。光强的变化规律由图9-9所示，为一近似的正弦曲线。图9-9 光强变化曲线 返回课程返回课程v光电元件把接收到的光强变化转换为电信号输出，输出与位移的关系由下式表示：v式中，U0直流电压分量；d栅距；x位移。v光栅移动一个栅距，莫尔条纹走过一个条纹间距，电压输出的正弦变化正好经历一个周
34、期，可通过电路整形处理，变成一个脉冲输出。脉冲数（条纹数）与移过的栅距数是一一对应的，因此位移量为x=Nd。据此可知运动零件的位移量。光栅的种类光栅的种类 光栅的种类很多，若按工作原理分，有物理光栅和计量光栅两种，前者用于光谱仪器，作色散元件，后者主要用于精密测量和精密机械的自动控制中。而计量光栅按其用途可分为长光栅和圆光栅两类。9.3.2辨向原理和细分电路辨向原理和细分电路辨向原理辨向原理v在实际应用中，大部分被测物体的移动往往不是单向的，既有正向运动，也可能有反向运动。单个光电元件接收一固定的莫尔条纹信号，只能判别明暗的变化而不能辨别莫尔条纹的移动方向，因此就不能判别光栅的运动方向，以至不
35、能正确测量位移。v如果能够在物体正向移动时，将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数，这样就能得到正确的测量结果。v完成这样一个辨向任务的电路是辨向电路。细分电路细分电路v上述辨向逻辑电路的分辨率为一个光栅极距上述辨向逻辑电路的分辨率为一个光栅极距d d，为了提，为了提高分辨率，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办高分辨率，可以增大刻线密度来减小栅距，但这种办法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，法受到制造工艺的限制。另一种方法是采用细分技术，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，使光栅每移动一个栅距时输出均匀分布的几个脉冲，从而使分辨
36、率提高到从而使分辨率提高到d/nd/n。细分的方法有多种，这里介。细分的方法有多种，这里介绍常用的直接细分法和电位器桥细分法。绍常用的直接细分法和电位器桥细分法。直接细分也称为位置细分直接细分也称为位置细分，常用细分数为常用细分数为4 4，故又称为，故又称为四倍频细分。这种细分法是在一个莫尔条纹宽度内，四倍频细分。这种细分法是在一个莫尔条纹宽度内，按一定间隔适当地放置四个光电元件，使这四个光电按一定间隔适当地放置四个光电元件，使这四个光电元件输出的电信号相位依次差元件输出的电信号相位依次差9090。对于长光栅系统，。对于长光栅系统，由于莫尔条纹方程是直线方程，故可以均布四块硅光由于莫尔条纹方程
37、是直线方程，故可以均布四块硅光电池来获得四相正交信号以实现四细分。电池来获得四相正交信号以实现四细分。四倍频细分线路简单，对信号无严格要求，又可实现可四倍频细分线路简单，对信号无严格要求，又可实现可逆技术和动、静态测量，其分辨率也可满足一般数控机床的逆技术和动、静态测量，其分辨率也可满足一般数控机床的要求，因而获得广泛的应用。同时四倍频细分信号获取法要求，因而获得广泛的应用。同时四倍频细分信号获取法（获得四相信号）又是多种电子细分的基础，故十分重要。（获得四相信号）又是多种电子细分的基础，故十分重要。电位器桥（电阻链）细分，电位器桥（电阻链）细分，此种细分电路，细分数较大（一此种细分电路，细分数较大（一般为般为12126060），精度较高；对莫尔条纹信号的波形、幅值、），精度较高；对莫尔条纹信号的波形、幅值、直流电平和原始信号直流电平和原始信号U Um msinsin 、U Um mcoscos的正交性均有严格要的正交性均有严格要求。可用于动、静态测量系统中。直流放大器的零点漂移等求。可用于动、静态测量系统中。直流放大器的零点漂移等对细分精度影响较大。此外，电路较为复杂，对电位器阻值对细分精度影响较大。此外，电路较为复杂，对电位器阻值稳定性，过零触发器的触发精度均有较高要求。稳定性，过零触发器的触发精度均有较高要求。