傳感器原理及應(yīng)用課件：光電式傳感器 -

傳感器原理及應(yīng)用PrincipleandApplicationofSensors光電式傳感器

Photo-electric

sensors

光電效應(yīng)：指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量，從而產(chǎn)生的電效應(yīng)。包括外光電效應(yīng)（ExternalPhoto-electriceffect

）、內(nèi)光電效應(yīng)（internalPhoto-electriceffect）

。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)（Photoconductioneffect

）、光生伏特效應(yīng)（Photo-voltaiceffect

）8.1光電效應(yīng)（Photoelectriceffect）8.1.1外光電效應(yīng)在光線的作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)，向外發(fā)射的電子叫做光電子。基于外光電效應(yīng)的光電元件有紫外光電管、光電倍增管、光電攝像管等。

紫外管當(dāng)入射紫外線照射在紫外管陰極板上時，電子克服金屬表面對它的束縛而逸出金屬表面，形成電子發(fā)射。紫外管多用于紫外線測量、火焰監(jiān)測等。紫外線光子是具有能量的粒子，每個光子的能量：E=hνh—普朗克常數(shù)，6.626×10-34J·s；ν—光的頻率（s-1）根據(jù)愛因斯坦假設(shè)，一個電子只能接受一個光子的能量，所以要使一個電子從物體表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物，從光開始照射至金屬釋放電子所需時間不超過10-9s。該方程稱為愛因斯坦光電效應(yīng)方程。根據(jù)能量守恒定理:式中m—電子質(zhì)量；v0—電子逸出速度。光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0。不同的物質(zhì)具有不同的逸出功，即每一個物體都有一個對應(yīng)的光頻閾值，稱為紅限頻率或波長限。光線頻率低于紅限頻率，光子能量不足以使物體內(nèi)的電子逸出，因而小于紅限頻率的入射光，光強再大也不會產(chǎn)生光電子發(fā)射；反之，入射光頻率高于紅限頻率，即使光線微弱，也會有光電子射出。紅限頻率為：對應(yīng)的波長限為：式中：c為真空中的光速，c

≈

3×108m/s。當(dāng)入射光的頻譜成分不變時，產(chǎn)生的光電流與光強成正比。即光強愈大，意味著入射光子數(shù)目越多，逸出的電子數(shù)也就越多。注意！光電子逸出物體表面具有初始動能mv02/2

，因此外光電效應(yīng)器件（如光電管）即使沒有加陽極電壓，也會有光電子產(chǎn)生。為了使光電流為零，必須加負(fù)的截止電壓，而且截止電壓與入射光的頻率成正比。8.1.2內(nèi)光電效應(yīng)

當(dāng)光照射在物體上，使物體的電阻率ρ發(fā)生變化，或產(chǎn)生光生電動勢的現(xiàn)象叫做內(nèi)光電效應(yīng)，它多發(fā)生于半導(dǎo)體內(nèi)。根據(jù)工作原理的不同，內(nèi)光電效應(yīng)分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)兩類：

1.光電導(dǎo)效應(yīng)在光線作用，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化，這種現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻。過程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時，價帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價帶越過禁帶躍入導(dǎo)帶，如圖，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價帶內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大。導(dǎo)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

式中ν、λ分別為入射光的頻率和波長。為了實現(xiàn)能級的躍遷，入射光的能量必須大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg，即

材料的光導(dǎo)性能決定于禁帶寬度，對于一種光電導(dǎo)材料，總存在一個照射光波長限λ0，只有波長小于λ0的光照射在光電導(dǎo)體上，才能產(chǎn)生電子能級間的躍進，從而使光電導(dǎo)體的電導(dǎo)率增加。2.光生伏特效應(yīng)在光線作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象叫做光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池、光敏二極管、三極管。光生伏特效應(yīng)有兩種：結(jié)光電效應(yīng)(也稱為勢壘效應(yīng))和橫向光電效應(yīng)(也稱為側(cè)向光電效應(yīng))。1)結(jié)光電效應(yīng)如圖，由半導(dǎo)體材料形成的PN結(jié)，在P區(qū)的一側(cè)，價帶中有較多的空穴，而在N區(qū)的一側(cè)，導(dǎo)帶中有較多的電子。由于擴散的結(jié)果，使P區(qū)帶負(fù)電、N區(qū)帶正電，它們積累在結(jié)附近，形成PN結(jié)的自建場，自建場阻止電子和空穴的繼續(xù)擴散，最終達(dá)到動態(tài)平衡，在結(jié)區(qū)形成阻止電子和空穴繼續(xù)擴散的勢壘。在入射光照射下，當(dāng)光子能量hv大于光電導(dǎo)材料的禁帶寬度Eg時，就會在材料中激發(fā)出光生電子-空穴對，破壞結(jié)的平衡狀態(tài)。在結(jié)區(qū)的光生電子和空穴以及新擴散進結(jié)區(qū)的電子和空穴，在結(jié)電場的作用下，電子向N區(qū)移動，空穴向P區(qū)移動，從而形成光生電流。這些可移動的電子和空穴，稱為材料中的少數(shù)載流子。在探測器處于開路的情況下，少數(shù)載流子積累在PN結(jié)附近，降低勢壘高度，產(chǎn)生一個與平衡結(jié)內(nèi)自建場相反的光生電場，也就是光生電動勢。2)橫向光電效應(yīng)當(dāng)半導(dǎo)體光電器件受光照不均勻時，光照部分吸收入射光子的能量產(chǎn)生電子-空穴對，光照部分載流子濃度比未受光照部分的載流子濃度大，就出現(xiàn)了載流子濃度梯度，因而載流子就要擴散。如果電子遷移率比空穴大，那么空穴的擴散不明顯，則電子向未被光照部分?jǐn)U散，就造成光照射的部分帶正電，未被光照射部分帶負(fù)電，光照部分與未被光照部分產(chǎn)生光電動勢。這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)，也稱為側(cè)向光電效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有半導(dǎo)體光電位置敏感器件(PSD)，本章第4節(jié)將重點討論。

利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的外光電效應(yīng)而制成的光電器件，一般都是真空的或充氣的光電器件，如光電管和光電倍增管。光電管的結(jié)構(gòu)示意圖

光陽極光電陰極光窗1.光電管及其基本特性1）結(jié)構(gòu)與工作原理

光電管有真空光電管和充氣光電管或稱電子光電管和離子光電管兩類。兩者結(jié)構(gòu)相似，如圖。它們由一個陰極和一個陽極構(gòu)成，并且密封在一只真空玻璃管內(nèi)。陰極裝在玻璃管內(nèi)壁上，其上涂有光電發(fā)射材料。陽極通常用金屬絲彎曲成矩形或圓形，置于玻璃管的中央。8.2常用光電轉(zhuǎn)換器件8.2.1外光電效應(yīng)器件

光電器件的性能主要由伏安特性、光照特性、光譜特性、響應(yīng)時間、峰值探測率和溫度特性來描述。（1）光電管的伏安特性2)基本特性

在一定的光照射下，對光電器件的陰極所加電壓與陽極所產(chǎn)生的電流之間的關(guān)系稱為光電管的伏安特性。光電管的伏安特性如圖所示。它是應(yīng)用光電傳感器參數(shù)的主要依據(jù)。5020μlm40μlm60μlm80μlm100μlm120μlm100150200024681012極間電壓/VIA/μA

（2）

光電管的光照特性

通常指當(dāng)光電管的陽極和陰極之間所加電壓一定時，光通量與光電流之間的關(guān)系為光電管的光照特性。其特性曲線如圖所示。曲線1表示氧銫陰極光電管的光照特性，光電流I與光通量成線性關(guān)系。曲線2為銻銫陰極的光電管光照特性，它成非線性關(guān)系。光照特性曲線的斜率（光電流與入射光光通量之間比）稱為光電管的靈敏度。光電管的光照特性255075100200.51.52.0Φ/1mIA/μA1.02.51

（3）光電管光譜特性由于光陰極對光譜有選擇性，因此光電管對光譜也有選擇性。保持光通量和陰極電壓不變，陽極電流與光波長之間的關(guān)系叫光電管的光譜特性。一般對于光電陰極材料不同的光電管，它們有不同的紅限頻率υ0，因此它們可用于不同的光譜范圍。除此之外，即使照射在陰極上的入射光的頻率高于紅限頻率υ0，并且強度相同，隨著入射光頻率的不同，陰極發(fā)射的光電子的數(shù)量還會不同，即同一光電管對于不同頻率的光的靈敏度不同，這就是光電管的光譜特性。所以，對各種不同波長區(qū)域的光，應(yīng)選用不同材料的光電陰極。

國產(chǎn)GD-4型的光電管，陰極是用銻銫材料制成的。其紅限λ0=7000?，它對可見光范圍的入射光靈敏度比較高，轉(zhuǎn)換效率：25%~30%。它適用于白光光源，因而被廣泛地應(yīng)用于各種光電式自動檢測儀表中。對紅外光源，常用銀氧銫陰極，構(gòu)成紅外傳感器。對紫外光源，常用銻銫陰極和鎂鎘陰極。另外，銻鉀鈉銫陰極的光譜范圍較寬，為3000~8500?，靈敏度也較高，與人的視覺光譜特性很接近，是一種新型的光電陰極；但也有些光電管的光譜特性和人的視覺光譜特性有很大差異，因而在測量和控制技術(shù)中，這些光電管可以擔(dān)負(fù)人眼所不能勝任的工作，如坦克和裝甲車的夜視鏡等。一般充氣光電管當(dāng)入射光頻率大于8000Hz時，光電流將有下降趨勢，頻率愈高，下降得愈多。2.光電倍增管及其基本特性

當(dāng)入射光很微弱時，普通光電管產(chǎn)生的光電流很小，只有零點幾μA，很不容易探測。這時常用光電倍增管對電流進行放大。

1）結(jié)構(gòu)和工作原理由光陰極、倍增電極以及陽極三部分組成。倍增極多的可達(dá)30級；陽極是最后用來收集電子的，收集到的電子數(shù)是陰極發(fā)射電子數(shù)的105~106倍。即光電倍增管的放大倍數(shù)可達(dá)幾萬倍到幾百萬倍。光電倍增管的靈敏度就比普通光電管高幾萬倍到幾百萬倍。2）主要參數(shù)

（1）倍增系數(shù)M

倍增系數(shù)M等于n個倍增電極的二次電子發(fā)射系數(shù)δ的乘積。如果n個倍增電極的δ都相同，則，因此，陽極電流I為

i

—光電陰極的光電流光電倍增管的電流放大倍數(shù)β為：M與所加電壓有關(guān)，M在105~108之間，穩(wěn)定性為1％左右，加速電壓穩(wěn)定性要在0.1％以內(nèi)。如果有波動，倍增系數(shù)也要波動，因此M具有一定的統(tǒng)計漲落。一般陽極和陰極之間的電壓為1000~2500V，兩個相鄰的倍增電極的電位差為50~100V。對所加電壓越穩(wěn)越好，這樣可以減小統(tǒng)計漲落，從而減小測量誤差。

（2）光電陰極靈敏度和光電倍增管總靈敏度一個光子在陰極上能夠打出的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的陰極靈敏度。而一個光子在陽極上產(chǎn)生的平均電子數(shù)叫做光電倍增管的總靈敏度。光電倍增管的最大靈敏度可達(dá)10A/lm，極間電壓越高，靈敏度越高；但極間電壓也不能太高，太高反而會使陽極電流不穩(wěn)。另外，由于光電倍增管的靈敏度很高，所以不能受強光照射，否則將會損壞。

（3）暗電流和本底脈沖一般在使用光電倍增管時，必須把管子放在暗室里避光使用，使其只對入射光起作用；但是由于環(huán)境溫度、熱輻射和其它因素的影響，即使沒有光信號輸入，加上電壓后陽極仍有電流，這種電流稱為暗電流，這是熱發(fā)射所致或場致發(fā)射造成的，這種暗電流通?？梢杂醚a償電路消除。如果光電倍增管與閃爍體放在一處，在完全蔽光情況下，出現(xiàn)的電流稱為本底電流，其值大于暗電流。增加的部分是宇宙射線對閃爍體的照射而使其激發(fā)，被激發(fā)的閃爍體照射在光電倍增管上而造成的，本底電流具有脈沖形式。

與直線最大偏離是3%10－1310－1010－910－710－510－310－1在45mA處飽和10－1410－1010－610－2光通量/1m陽極電流/A

（4）光電倍增管的光照特性光照特性反映了光電倍增管的陽極輸出電流與照射在光電陰極上的光通量之間的函數(shù)關(guān)系。對于較好的管子，在很寬的光通量范圍之內(nèi)，這個關(guān)系是線性的，即入射光通量小于10-4lm時，有較好的線性關(guān)系。光通量大，開始出現(xiàn)非線性，如圖所示。1.光敏電阻(LDRs)Light-dependentresistorsphotoresistorsorphotoconductors8.2.2內(nèi)光電效應(yīng)器件暗電流（越小越好）光敏電阻具有很高的靈敏度，很好的光譜特性，光譜響應(yīng)可從紫外區(qū)到紅外區(qū)范圍內(nèi)。而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定、價格便宜，因此應(yīng)用比較廣泛。工作原理演示

光敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖所示。管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導(dǎo)體。光導(dǎo)體吸收光子而產(chǎn)生的光電效應(yīng)，只限于光照的表面薄層，因此光電導(dǎo)體一般都做成薄層。為了獲得高的靈敏度，光敏電阻的電極一般采用梳狀圖案，如圖。1）光敏電阻的結(jié)構(gòu)RG電路符號2）光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性（1）暗電阻、亮電阻、光電流（2）光照特性（3）光譜特性(4)伏安特性(5)頻率特性(6)穩(wěn)定性(7)溫度特性

2.光電池（Photoelectriccell）

光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接轉(zhuǎn)變成電能的器件。由于它可把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽能電池。它是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是發(fā)電式有源元件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動勢。

把光電池的半導(dǎo)體材料的名稱冠于光電池(或太陽能電池)之前。如，硒光電池、硅光電池等。目前,應(yīng)用最廣、最有發(fā)展前途的是硅光電池，有2DR系列和2CR系列兩種。硅光電池價格便宜，轉(zhuǎn)換效率高，壽命長，適于接受紅外光。硒光電池光電轉(zhuǎn)換效率低(0.02％)、壽命短，適于接收可見光(響應(yīng)峰值波長0.56μm)，最適宜制造照度計。砷化鎵光電池轉(zhuǎn)換效率比硅光電池稍高，光譜響應(yīng)特性則與太陽光譜最吻合,工作溫度最高，更耐受宇宙射線的輻射。因此，它在宇宙飛船、衛(wèi)星、太空探測器等電源方面的應(yīng)用是有發(fā)展前途的。PN如圖,在一塊N型硅片上用擴散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)(如硼)形成PN結(jié)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對，光生電子—空穴對的擴散運動使電子通過漂移運動被拉到N型區(qū)，空穴留在P區(qū)，所以在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。若將PN結(jié)兩端用導(dǎo)線連起來，電路中有電流流過，電流的方向由P區(qū)流經(jīng)外電路至N區(qū)。若將外電路斷開，就可測出光生電動勢。1）光電池的結(jié)構(gòu)和工作原理+光－SiO2RL(a)光電池的結(jié)構(gòu)圖I光(b)光電池的工作原理示意圖PN光電池符號基本電路等效電路光電池外形光敏面能提供較大電流的大面積光電池外形光電池在動力方面的應(yīng)用太陽能電動機模型太陽能光電池板太陽能賽車光電池在人造衛(wèi)星上的應(yīng)用2)基本特性(1)光照特性硅光電池的光照特性負(fù)載對光電池輸出性能的影響(2)光譜特性1—硒光電池；2—硅光電池(3)頻率特性1—硒光電池；2—硅光電池(4)溫度特性UOC—開路電壓；ISC—短路電流3.光敏二極管（PD:Photo-Diode）

光電二極管和光電池一樣，其基本結(jié)構(gòu)也是一個PN結(jié)。它和光電池相比，重要的不同點是結(jié)面積小，因此它的頻率特性特別好。光生電勢與光電池相同，但輸出電流普遍比光電池小，一般為幾μA到幾十μA。按材料分，光電二極管有硅、砷化鎵、銻化銦光電二極管等許多種。按結(jié)構(gòu)分，有同質(zhì)結(jié)與異質(zhì)結(jié)之分。其中最典型的是同質(zhì)結(jié)硅光敏二極管。國產(chǎn)硅光敏二極管按襯底材料的導(dǎo)電類型不同，分為2CU和2DU兩種系列。2CU系列以N-Si為襯底，2DU系列以P-Si為襯底。2CU系列的光敏二極管只有兩條引線，而2DU系列光敏二極管有三條引線。1)普通光敏二極管光敏二極管符號光敏二極管的結(jié)構(gòu)與一般二極管相似，裝在透明玻璃外殼中，其PN結(jié)裝在管頂，可直接受到光照射。光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)光敏二極管在沒有光照射時，反向電阻很大，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)，這時只有少數(shù)載流子在反向偏壓的作用下，渡越阻擋層形成微小的反向電流（暗電流）；受光照射時，PN結(jié)附近受光子轟擊，吸收其能量而產(chǎn)生電子-空穴對，從而使P區(qū)和N區(qū)的少數(shù)載流子濃度大大增加，因此在外加反向偏壓和內(nèi)電場的作用下，P區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入N區(qū)，N區(qū)的少數(shù)載流子渡越阻擋層進入P區(qū)，從而使通過PN結(jié)的反向電流大為增加，這就形成了光電流。光敏二極管的光電流I與照度之間呈線性關(guān)系。光敏二極管的光照特性是線性的，所以適合檢測等方面的應(yīng)用。

硅光敏二極管光照特性

硅光敏二極管伏安特性2)

PIN光敏二極管PIN光敏二極管是光敏二極管中的一種。它的結(jié)構(gòu)特點是，在P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體之間夾著一層相對很厚的本征半導(dǎo)體I層。由于本征層的引入加大了耗盡層厚度，本征層相對于P、N區(qū)有更高的電阻，反向偏壓在這里形成高電場區(qū)，展寬了光電轉(zhuǎn)換的有效工作區(qū)域，降低了暗電流，從而使靈敏度得以提高。PIN光敏二極管最大特點是頻帶寬，可達(dá)1

GHz。另一個特點是，因為I層很厚，在反偏壓下運用可承受較高的反向電壓，線性輸出范圍寬。PIN光敏二極管的不足是：由于I層電阻很大，管子的輸出電流小，一般多為零點幾微安至數(shù)微安。目前有將PIN光敏二極管與前置運算放大器集成在同一硅片上并封裝于一個管殼內(nèi)的商品出售。PIN光敏二極管可用作各種數(shù)字與模擬光纖傳輸系統(tǒng)，各種家電遙控器的接收管（紅外波段）、UHF頻帶小信號開關(guān)、中波頻帶到1000MHZ之間電流控制、可變衰減器、各種通信設(shè)備收發(fā)天線的高頻功率開關(guān)切換和RF領(lǐng)域的高速開關(guān)等。特殊結(jié)構(gòu)的PIN二極管還可用于測量紫外線或射線等。雪崩光敏二極管是利用PN結(jié)在高反向電壓下產(chǎn)生的雪崩效應(yīng)來工作的一種光敏二極管。這種管子工作電壓很高，100～200

V，接近于反向擊穿電壓。結(jié)區(qū)內(nèi)電場極強，光生電子在這種強電場中可得到極大的加速，同時與晶格碰撞而產(chǎn)生電離雪3)雪崩光敏二極管(APD)崩反應(yīng)。因此，APD有很高的內(nèi)增益，可達(dá)到幾百。當(dāng)電壓等于反向擊穿電壓時，電流增益可達(dá)106，即產(chǎn)生所謂的雪崩效應(yīng)。目前，噪聲大是雪崩光敏二極管的一個主要缺點。由于雪崩反應(yīng)是隨機的，所以它的噪聲較大，特別是工作電壓接近或等于反向擊穿電壓時，噪聲可增大到放大器的噪聲水平，以致無法使用。但由于APD的響應(yīng)時間極短，靈敏度很高，可廣泛應(yīng)用于微光信號檢測、長距離光纖通信、激光測距、激光制導(dǎo)等光電信息傳輸和光電對抗系統(tǒng)。4.光敏三極管(PT:Photo-Triode)

光敏三極管有PNP型和NPN型兩種。與普通三極管相似，有電流增益，靈敏度比光敏二極管高。多數(shù)光敏三極管的基極沒有引出線，只有正負(fù)（c、e）兩個引腳，所以其外型與光敏二極管相似，從外觀上很難區(qū)別。1—集電極引腳2—管芯3—外殼4—玻璃聚光鏡

5—發(fā)射極引腳用N型硅材料為襯底制作的光敏三極管為NPN型結(jié)構(gòu)，稱為3DU型；用P型硅材料為襯底制作的光敏三極管為PNP型結(jié)構(gòu)，稱為3CU型。光敏三極管內(nèi)部結(jié)構(gòu)

a)管芯結(jié)構(gòu)b）結(jié)構(gòu)簡化圖

6—N+襯底,7—N型集電區(qū),8—SiO2保護圈,9—集電結(jié),10—P型基區(qū),11—N型發(fā)射區(qū),12—發(fā)射結(jié)光敏三極管也具有電流增益，只是它的發(fā)射極做的很大，以擴大光的照射面積，且其基極不接引線。當(dāng)集電極加上正電壓，基極開路時，集電極處于反向偏置狀態(tài)。當(dāng)光線照射在集電結(jié)的基區(qū)時,會產(chǎn)生電子-空穴對,在內(nèi)電場的作用下,光生電子被拉到集電極,基區(qū)留下空穴,使基極與發(fā)射極間的電壓升高,這樣便有大量的電子流向集電極,形成輸出電流,且集電極電流為光電流的β倍。光敏三極管外形

1)光譜特性2)伏安特性3)光照特性4)溫度特性

5)光敏三極管的頻率特性8.2.3半導(dǎo)體光電器件的應(yīng)用選擇光電器件光譜響應(yīng)/nm靈敏度/(A/W)輸出電流/mA光電響應(yīng)線性頻率響應(yīng)/MHz暗電流及噪聲應(yīng)用范圍峰值CdS光敏電阻400～9006401

A/lm10～102非線性0.001較低集成或分離式光電開關(guān)CdSe光敏電阻300～12207501

A/lm10～102非線性0.001較低PN結(jié)光敏二極管400～11007500.3～0.6≤1.0好≤10最低光電檢測硅光電池400～11007500.3～0.81～30好0.03～1較低—PIN光敏二極管400～11007500.3～0.6≤2.0好≤100最低高速光電檢測GaAs光敏二極管300～9508500.3～0.6≤1.0好≤100最低高速光電檢測HgCdTe光敏二極管1000～

12000與Cd組分有關(guān)——好≤10較低紅外探測光敏三極管3DU400～11008800.1～21～8線性差≤0.2低光電探測與開關(guān)8.3位置敏感器件(PSD)

位置敏感器件(PositionSensitiveDetector，PSD)是一種對其感光面上入射光點位置敏感的器件，也稱為坐標(biāo)光電池。PSD有兩種，一維PSD和二維PSD。一維PSD用于測定光點的一維坐標(biāo)位置，二維PSD用于測定光點的二維坐標(biāo)位置，其工作原理與一維PSD相似。

PSD器件在光點位置測量方面有許多優(yōu)點。例如，它對光斑的形狀無嚴(yán)格要求，即它的輸出信號與光斑是否聚焦無關(guān)；另外，它可以連續(xù)測量光斑在PSD上的位置，且分辨力高，一維PSD的位置分辨力高達(dá)0.2。8.3.1PSD的工作原理PSD一般為PIN結(jié)構(gòu)。在硅板的底層表面上以膠合的方式制成2片均勻的P和N電阻層，在P和N電阻層之間注入離子而產(chǎn)生I層，即本征層。在P層表面電阻層的兩端各設(shè)置一個輸出電極。

當(dāng)一束具有一定強度的光點從垂直于P的方向照射到PSD的I層時，光點附近就會產(chǎn)生電子-空穴對，在PN結(jié)電場的作用下，空穴進入P區(qū)，電子進入N區(qū)。由于P區(qū)摻雜濃度相對較高，空穴迅速沿著P區(qū)表面向兩側(cè)擴散，最終導(dǎo)致P層空穴橫向(X方向)濃度呈現(xiàn)梯度變化，這時，同一層面上的不同位置呈現(xiàn)一定的電位差，這種現(xiàn)象稱為橫向光電效應(yīng)，也稱側(cè)向光電效應(yīng)。PSD通常工作在反向偏壓狀態(tài)，即PSD的公共極3接正電壓，輸出電極1、2分別接地。這時，流經(jīng)電極3的電流I0與入射光的強度成正比，流經(jīng)電極1、2的電流I1、I2與入射光點的位置有關(guān)，由于P層為均勻電阻層，因此，I1、I2與入射光點到相應(yīng)電極的距離成反比，并且有I0=I1+I2。如果將坐標(biāo)原點設(shè)置在PSD器件的中心點，I1、I2與I0之間存在如下關(guān)系：式中：L為PSD的長度；XA為入射光點的位置。由I1、I2與I0之間的關(guān)系式可以得出可見，PSD的測量結(jié)果XA與I1、I2的比值關(guān)系有關(guān)，而入射光強的變化并不影響測量結(jié)果。這給測量帶來了極大的方便。8.3.2PSD的特性1．受光面積

PSD是檢測受光面上點狀光束的中心(光強度中心)位置的光敏感器件，因此，通常在PSD前面設(shè)置聚光透鏡，在受光面上得到光點，使用時應(yīng)選擇最適宜的受光面積的PSD，確保光點進入受光面。2．信號光源與敏感波長范圍在PSD外部有遮擋的情況下，由于周圍的干擾光不能進入PSD，在其敏感波長范圍內(nèi)，采用任何光源PSD都能正常工作。然而，對于有環(huán)境雜光干擾的情況，過強的環(huán)境光會將來自信號光源的光“淹沒”。這時，要采用可見光截止型窗口材料的PSD，信號光源可以使用紅外LED及白熾燈。3．響應(yīng)速度在PSD受光面上光點高速移動時，若信號光源為調(diào)制信號，PSD的響應(yīng)時間就應(yīng)該考慮。PSD的電極間基本相當(dāng)于電阻工作，因此需要高速響應(yīng)工作時，就應(yīng)該選用電極間電阻小的PSD，在較大的反偏電壓和較小的電容狀態(tài)下使用。4．位置檢測誤差

PSD的位置檢測誤差是指測量時，實際的光點位置與檢測的光點位置的差值，最大為全受光長度的2%～3%。PSD的位置檢測特性近似于線性。圖示為典型一維PSD(S1544)位置檢測誤差曲線，由曲線可知，越接近中心位置的檢測誤差越小。因此，利用PSD來檢測光斑位置時，應(yīng)盡量使光點靠近器件中心。5．位置分辨力位置分辨力是指在PSD受光面上能夠檢測出的最小位置變化，用受光面上的距離表示。

即在電流差較小的情況下，電流I1、I2中含有的噪聲電流分量決定了位置分辨力。8.4固態(tài)圖像傳感器

固態(tài)圖像傳感器(solidstateimagingsensor)是指在同一半導(dǎo)體襯底上生成若干個光敏單元與位移寄存器構(gòu)成一體的集成光電器件,其功能是把按空間分布的光強信息轉(zhuǎn)換成按時序串行輸出的電信號。

CCD—電荷耦合器件(chargecoupleddevice)是其中應(yīng)用最廣泛的一種。CCD自1970年問世以后，由于它的低噪聲等特點，被廣泛應(yīng)用于廣播電視、可視電話和傳真、數(shù)碼照相機、攝像機等方面，在自動檢測和控制領(lǐng)域也顯示出廣闊的應(yīng)用前景。線陣CCD外形面陣CCD外形

線陣CCD在掃描儀中的應(yīng)用

線陣CCD用于字符識別CCD用于圖像記錄

CCD數(shù)碼攝像機

一個完整的CCD器件由光敏元、轉(zhuǎn)移柵、移位寄存器及一些輔助輸入、輸出電路組成。8.4.1CCD的結(jié)構(gòu)和工作原理

光敏元是在P型（或N型）硅襯底上生長一層厚度約為120nm的SiO2，再在SiO2層上依次沉積鋁電極而構(gòu)成MOS的電容式轉(zhuǎn)移器。CCD的工作過程分為三步：1）信號電荷的注入(光敏元陣列)；2）信號電荷的轉(zhuǎn)移(轉(zhuǎn)移柵)；3）信號電荷的讀出(移位寄存器)。1．MOS光敏單元光敏元結(jié)構(gòu)P型Si襯底SiO2絕緣層金屬電極+耗盡區(qū)(勢阱)光線MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)陣列電子光敏元陣列實現(xiàn)了光圖像到電荷圖的轉(zhuǎn)換

當(dāng)向電極加正偏壓時，在電場的作用下，電極下的P型硅區(qū)域里的空穴被趕盡，從而形成一個耗盡區(qū)，也就是說，對帶負(fù)電的電子而言是一個勢能很低的區(qū)域，這部分稱為“勢阱”。如果此時有光線入射到半導(dǎo)體硅片上，在光子的作用下，半導(dǎo)體硅片上就產(chǎn)生了光生電子和空穴，光生電子就被附近的勢阱所吸收(或稱為“俘獲”)，而同時產(chǎn)生的空穴則被電場排斥出耗盡區(qū)。此時勢阱內(nèi)所吸收的光生電子數(shù)量與入射到勢阱附近的光強成正比。人們也稱這樣的一個MOS光敏元為一個像素，把一個勢阱所收集的若干光生電荷稱為一個電荷包。通常在半導(dǎo)體硅片上制有幾百或幾千個相互獨立的MOS光敏元，呈線陣或面陣排列。在金屬電極上施加一正電壓時，在半導(dǎo)體硅片上就形成幾百或幾千個相互獨立的勢阱。如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，那么通過這些光敏元就會將其轉(zhuǎn)換成一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。MOS光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片2．讀出移位寄存器讀出移位寄存器是電荷圖像的輸出電路，如圖。它也是MOS結(jié)構(gòu)，但在半導(dǎo)體的底部覆蓋上一層遮光層，防止外來光線的干擾。實現(xiàn)電荷定向轉(zhuǎn)移的控制方法，非常類似于步進電動機的步進控制方式。也有二相、三相等控制方式之分。下面以三相控制方式為例說明讀出移位寄存器控制電荷定向轉(zhuǎn)移的過程。P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3P1P1P2P2P3P3(a)Ф1Ф2Ф3t0t1t2t3tФ(b)電荷轉(zhuǎn)移過程t=t0t=t1t=t2t=t303．電荷的輸出如圖所示為利用二極管的輸出方式。在陣列末端襯底上擴散形成輸出二極管，當(dāng)輸出二極管加上反相偏壓時，在結(jié)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生耗盡層。當(dāng)信號電荷在時鐘脈沖作用下移向輸出二極管，并通過輸出柵極OG轉(zhuǎn)移到輸出二極管耗盡區(qū)內(nèi)時，信號電荷將作為二極管的少數(shù)載流子而形成反向電流Io。輸出電流的大小與信號電荷大小成正比，并通過負(fù)載電阻R1變?yōu)樾盘栯妷篣o輸出。8.4.2線陣CCD圖像傳感器轉(zhuǎn)移柵光積分單元不透光的電荷轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)光積分區(qū)輸出轉(zhuǎn)移柵(a)(b)線型CCD圖像傳感器輸出

在每一個光敏元件上都有一個梳狀公共電極,由一個P型溝阻使其在電氣上隔開。當(dāng)入射光照射在光敏元件陣列上,梳狀電極施加高電壓時,光敏元件聚集光電荷,進行光積分,光電荷與光照強度和光積分時間成正比。在光積分時間結(jié)束時,轉(zhuǎn)移柵上的電壓提高(平時低電壓),與CCD對應(yīng)的電極也同時處于高電壓狀態(tài)。然后,降低梳狀電極電壓，各光敏元件中所積累的光電電荷并行地轉(zhuǎn)移到移位寄存器中。當(dāng)轉(zhuǎn)移完畢,轉(zhuǎn)移柵電壓降低,梳妝電極電壓回復(fù)原來的高電壓狀態(tài),準(zhǔn)備下一次光積分周期。同時,在電荷耦合移位寄存器上加上時鐘脈沖,將存儲的電荷從CCD中轉(zhuǎn)移,由輸出端輸出。這個過程重復(fù)地進行就得到相繼的行輸出,從而讀出電荷圖形。1024單元14μm×14μm二相時鐘(5V)8.4.3面陣CCD圖像傳感器光柵報時鐘二相驅(qū)動輸出寄存器檢波二極管

視頻輸出垂直轉(zhuǎn)移寄存器感光區(qū)二相驅(qū)動

感光單元和存儲單元交替排列。在感光區(qū)光敏元件積分結(jié)束時，轉(zhuǎn)移控制柵打開，電荷信號進入存儲區(qū)。隨后，在每個水平回掃周期內(nèi)，存儲區(qū)中整個電荷圖像一次一行地向上移到水平讀出移位寄存器中。接著這一行電荷信號在讀出移位寄存器中向右移位到輸出器件，形成視頻信號輸出。這種結(jié)構(gòu)的器件操作簡單，但單元設(shè)計復(fù)雜，感光單元面積減小，圖像清晰。目前，面陣CCD圖像傳感器使用得越來越多，發(fā)達(dá)國家所能生產(chǎn)的產(chǎn)品的單元數(shù)也越來越多，高端數(shù)碼相機最多已超過4096×4096像元，我國主流家用數(shù)碼相機的面陣CCD圖像傳感器已經(jīng)達(dá)到500萬～1000萬像素。8.5光電傳感器的應(yīng)用光電傳感器可以應(yīng)用于多種非電量的測量。根據(jù)光通量對光電元件的作用原理不同，按照其輸出量的性質(zhì)可將光電傳感器分為兩類：一類是把被測量轉(zhuǎn)換為與之成單值對應(yīng)關(guān)系的連續(xù)變化的光電流，稱為模擬式光電傳感器；另一類是把被測量轉(zhuǎn)換為斷續(xù)變化的光電流，系統(tǒng)輸出為開關(guān)量的電信號，稱為數(shù)字式光電傳感器。8.5.1模擬式光電傳感器的應(yīng)用

(a)被測物是光源(b)被測物吸收光通量

(c)被測物是有反射能力的表面(d)被測物遮蔽光通量光電式濁度計工作原理——被測物吸收光通量

1—恒流源2—半導(dǎo)體激光器3—半反半透鏡4—反射鏡5—被測水樣6、9—光電池7、10—電流/電壓轉(zhuǎn)換器8—標(biāo)準(zhǔn)水樣參比通道

光電式濁度計和含沙量測量將裝有濁水的試管插入儀器中

煙霧報警器外形

無煙霧時，光敏元件接收到LED發(fā)射的恒定紅外光。而在火災(zāi)發(fā)生時，煙霧進入檢測室，遮擋了部分紅外光，使光敏三極管的輸出信號減弱，經(jīng)閥值判斷電路后，發(fā)出報警信號。煙霧無線煙霧報警器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

可發(fā)出高分貝笛鳴聲的蜂鳴器無線火災(zāi)煙霧傳感器

無線火災(zāi)煙霧傳感器可以固定在墻體或者天花板上。它內(nèi)部使用一節(jié)9伏層疊電池供電，工作在警戒狀態(tài)時，工作電流僅為15微安，報警發(fā)射時工作電流為20毫安。當(dāng)探測到初期明火或者煙霧達(dá)到一定濃度時，傳感器的報警蜂鳴器立即發(fā)出90分貝的連續(xù)報警，工作指示燈快速連續(xù)閃爍，無線發(fā)射器發(fā)出無線報警信號，通知遠(yuǎn)方的接收主機，將報警信息傳遞出去。無線發(fā)射器的報警距離在空曠地可以達(dá)到200米，在有阻擋的普通家庭環(huán)境中可以達(dá)到20米。光電式帶材跑偏檢測器——被測物遮擋光通量的應(yīng)用實例

光電傳感器

帶材走偏時，邊緣經(jīng)常與傳送機械發(fā)生碰撞，易出現(xiàn)卷邊，造成廢品。

當(dāng)帶材處于正確位置（中間位置）時，放大器輸出電壓Uo為零；當(dāng)帶材左偏時，遮光面積減小，輸出電壓反映了帶材跑偏的方向及大小。

光電式帶材跑偏檢測控制器原理1—

被測帶材；2—卷取電機；3—卷取輥；4—液壓缸；5—活塞；6—滑臺；7—光電檢測裝置；8—光源；9、10—透鏡；11-光敏電阻R1

；12—遮光罩

被測物體反射光通量的應(yīng)用實例

反射式煙霧報警器

在沒有煙霧時，由于紅外對管相互垂直，煙霧室內(nèi)又涂有黑色吸光材料，所以紅外LED發(fā)出的紅外光無法到達(dá)紅外光敏三極管。

當(dāng)煙霧進入煙霧室后，煙霧的固體粒子對紅外光產(chǎn)生漫反射（圖中只畫出幾個微粒的反射示意），使部分紅外光到達(dá)光敏三極管，有光電流輸出。

光源本身是被測物的應(yīng)用實例

照度計光的照度E的單位是lx（勒克斯），它是常用的光度學(xué)單位之一，它表示受照物體被照亮程度的物理量，可以用照度計來測量。光電池（外加柔光罩）

紅外線輻射溫度計用于食品溫度測量紅外線輻射溫度計：紅外線輻射溫度計用于人體額溫測量線陣CCD器件精密檢測工件直徑

光電式轉(zhuǎn)速表

光電式轉(zhuǎn)速表屬于反射式光電傳感器，它可以在距被測物數(shù)十毫米外非接觸地測量其轉(zhuǎn)速。

n=60(f/z)

8.5.2數(shù)字式光電傳感器的應(yīng)用水泵轉(zhuǎn)速測量8.6光柵傳感器(Opticalgratings)

在一塊長條形(圓形)光學(xué)玻璃(或金屬)上進行均勻刻劃，可得到一系列密集刻線，如圖所示，這種具有周期性刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。圖中，a為光柵刻線寬度，b為光柵縫隙寬度，a+b=W稱為光柵的柵距(也稱光柵常數(shù)(Gratingperiod))。為了方便處理，通常取a=b=W/2。

光柵式傳感器有如下的特點：(1)大量程兼有高分辨力和高精度。在大量程長度與直線位移測量方面，長光柵測量精度僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?；圓分度和角位移測量方面，圓光柵測量精度最高。一般長光柵測量精度達(dá)(0.5～3)/3000

mm，分辨力達(dá)0.1，圓光柵測量精度達(dá)0.15″，分辨力達(dá)0.1″。(2)可實現(xiàn)動態(tài)測量，易于實現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化。(3)具有較強的抗干擾能力，適合一般實驗室條件和環(huán)境較好的車間現(xiàn)場。光柵式傳感器在幾何量測量領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，所有與長度(位移)和角度(角位移)測量有關(guān)的精密儀器中都經(jīng)常使用光柵式傳感器，此外，在測量振動、速度、應(yīng)力、應(yīng)變等機械測量中也常有應(yīng)用。

8.6.1計量光柵的種類利用光柵的莫爾條紋(Moirepatterns)現(xiàn)象進行精密測量的光柵稱為計量光柵。根據(jù)基材不同，分為金屬光柵與玻璃光柵；根據(jù)刻劃形式不同，分為振幅光柵與相位光柵；根據(jù)光線的走向，分為透射光柵與反射光柵；根據(jù)用途不同，分為長光柵與圓光柵。1．長光柵

刻劃在玻璃尺上的光柵稱為長光柵，也稱為光柵尺(Gratingruler)，用于測量長度或直線位移。其刻線相互平行，一般以每毫米長度內(nèi)的柵線數(shù)(即柵線密度)來表示長光柵的特性。根據(jù)柵線型式的不同，長光柵分黑白光柵和閃耀光柵。黑白光柵是指只對入射光波的振幅或光強進行調(diào)制的光柵，所以又稱振幅光柵。閃耀光柵是對入射光波的相位進行調(diào)制，也稱相位光柵。振幅光柵的柵線密度一般為20～125線/mm，相位光柵的柵線密度通常在600線/mm以上。GratingruleropaquetransparentGratingrulerglassplateLightsourcePhoto-detectorreflectiveNon-reflectivesteelplateGratingrulerLightsourcePhoto-detector2．圓光柵刻劃在玻璃盤上的光柵稱為圓光柵，也稱光柵盤(Gratingdisk)，用來測量角度或角位移。圓光柵的參數(shù)多數(shù)是以整圓上刻線數(shù)或柵距角(也稱為節(jié)距角)γ來表示，它是指圓光柵上相鄰兩柵線之間的夾角，如圖所示。根據(jù)柵線刻劃的方向，圓光柵分兩種，一種是徑向光柵，另一種是切向光柵，切向光柵適用于精度要求較高的場合。8.6.2莫爾條紋(MoiréPatterns)長光柵莫爾條紋的寬度為式中：W1為標(biāo)尺光柵1(也稱為主光柵)的光柵常數(shù)；W2為指示光柵2的光柵常數(shù)；θ為兩光柵柵線的夾角。2．莫爾條紋的特性莫爾條紋有如下的重要特性：

1)運動對應(yīng)關(guān)系莫爾條紋的移動量與移動方向與兩光柵的相對位移量和位移方向有著嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)主光柵向右運動一個柵距W1時，莫爾條紋向下移動一個條紋間距B；如果主光柵向左運動，則莫爾條紋向上移動。所以，光柵傳感器在測量時，可以根據(jù)莫爾條紋的移動量和移動方向，來判定主光柵(或指示光柵)的位移量和位移方向。2)位移放大作用若兩光柵柵距W相同，兩光柵柵線的夾角θ很小，則有可明顯看出，莫爾條紋有位移放大作用，放大倍數(shù)為1/3)誤差平均效應(yīng)莫爾條紋由光柵的大量刻線形成，對線紋的刻劃誤差有平均作用，幾條刻線的柵距誤差或斷裂對莫爾條紋的位置和形狀影響甚微，從而提高了光柵傳感器的測量精度。3．莫爾條紋的種類

1)長光柵的莫爾條紋

(1)橫向莫爾條紋。兩光柵的光柵柵距相等，即W=W1=W2，以夾角相交形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。(2)光閘莫爾條紋。兩光柵的光柵柵距相等，柵線的夾角=0時，莫爾條紋寬度B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。兩光柵相對移動一個柵距，視場上的亮度明暗變化一次。

(a)刻線對齊(b)錯開W/4(c)錯開W/2(d)錯開3W/42)圓光柵的莫爾條紋

(1)徑向光柵的莫爾條紋。在幾何量的測量中，徑向光柵主要使用兩種莫爾條紋：圓弧形莫爾條紋和光閘莫爾條紋。①圓弧形莫爾條紋。兩塊柵距角γ相同的徑向光柵以不大的偏心疊合，在光柵的各個部分，柵線的夾角均不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。②光閘莫爾條紋。兩塊柵距角相同的兩塊圓光柵同心疊合時，得到與長光柵中類似的光閘莫爾條紋。主光柵每轉(zhuǎn)過一個柵距角，透光亮度就變化一個周期。(2)切向光柵的莫爾條紋。兩塊切向相同、柵距角相同的切線光柵線面相對同心重合時，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為環(huán)形莫爾條紋，如圖所示。環(huán)形莫爾條紋的突出優(yōu)點是具有全光柵的平均效應(yīng)，因而用于高精度測量和圓光柵分度誤差的檢驗。

8.6.3光柵式傳感器光柵式傳感器有多種不同的光學(xué)系統(tǒng)，其中，比較常見的有透射式光柵傳感器和反射式光柵傳感器。1．透射式光柵傳感器

光電元器件輸出電信號的幅值可用光柵位移量x的正弦函數(shù)表示，以電壓輸出而言有：式中：U0為輸出信號中的平均直流分量，對應(yīng)莫爾條紋的平均光強；Um為輸出信號的幅值，對應(yīng)莫爾條紋明暗的最大變化。將輸出的電壓信號經(jīng)過放大、整形變?yōu)榉讲ǎ?jīng)微分電路轉(zhuǎn)換成脈沖信號，再經(jīng)過辨向電路和可逆計數(shù)器計數(shù)，就可以數(shù)字形式實時地顯示出位移量的大小。

若指示光柵采用裂相光柵，一般由4個部分構(gòu)成，每一部分的刻線間距與對應(yīng)的標(biāo)尺光柵完全相同，但各個部分之間在空間上依次錯開的距離(n為整數(shù))，若用光電器件分別接收裂相光柵4個部分的透射光，可以得到相位依次相差的4路信號如下：將4路信號中U1與U3、U2與U4分別相減，消除信號的直流電平，可得到兩路相位差為90°的信號，然后將它們送入細(xì)分和辨向電路，即可實現(xiàn)對位移的測量。2．反射式光柵傳感器如圖所示，平行光以一定的角度射向裂相指示光柵，莫爾條紋是由標(biāo)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。反射式光柵傳感器一般用在數(shù)控機床上，主光柵為金屬光柵，它堅固耐用，而且線膨脹系數(shù)與機床基體的接近，能減小溫度誤差。3．光柵測量辨向原理1、2—光電元件；3—指示光柵；4—莫爾條紋4．細(xì)分技術(shù)

為了進一步提高光柵傳感器分辨力，測量比柵距更小的位移量，在測量系統(tǒng)中往往采用細(xì)分技術(shù)。細(xì)分技術(shù)的基本思想是，在一個柵距即一個莫爾條紋信號變化周期內(nèi)，發(fā)出n個脈沖，每個脈沖代表原來柵距的1/n，由于細(xì)分后計數(shù)脈沖頻率提高了n倍，因此也稱為n倍頻。以電子四倍頻細(xì)分為例來說明細(xì)分原理。

前述辨向原理中，在B/4的位置上安放了兩個光電元件，得到兩個相差/2的電壓信號U01和U02(設(shè)為S和C)，將這兩個信號整形、反相得到4個依次相差/2的電壓信號0°(S)，90°(C)，180°()，270°()，將4個信號送入電路中，進行與、或邏輯運算。在正向移過一個光柵柵距時，可得到4個加計數(shù)脈沖；反向移過一個光柵柵距時，得到4個減計數(shù)脈沖，從而實現(xiàn)了四倍頻細(xì)分。

8.7光學(xué)編碼器光學(xué)編碼器是一種集光、機、電為一體的數(shù)字化檢測裝置，它具有分辨力高、精度高、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用可靠、易于維護、性價比高等優(yōu)點，近十多年來，已發(fā)展為一種成熟的多規(guī)格、高性能的系列工業(yè)化產(chǎn)品，在數(shù)控機床、機器人、雷達(dá)、光電經(jīng)緯儀、地面指揮儀、高精度閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。按照工作原理編碼器可分為增量式和絕對式兩類。增量式編碼器(簡稱增量編碼器)是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號，再把這個電信號轉(zhuǎn)變成計數(shù)脈沖，用脈沖的個數(shù)表示位移的大小。絕對式編碼器(簡稱絕對編碼器)的每一個位置對應(yīng)一個確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測量的起始和終止位置有關(guān)，而與測量的中間過程無關(guān)。光電碼盤實