传感器原理与应用第八章光电传感器

第 八 章 光 电 传 感 器第 一 节 常 用 光 电 器 件 一 、 光 敏 电 阻 二 、 光 电 池 三 、 光 敏 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 四 、 常 用 光 电 器 件 的 应 用 第 二 节 光 栅 传 感 器 一 、 莫 尔 条 纹 二 、 光 栅 传 感 器 的 组 成 三 、 辨 向 原 理 四 、 细 分 技 术第 三 节 固 态 图 像 传 感 器 一 、 CCD基 本 结 构 二 、 CCD工 作 原 理 三 、 CCD图 像 传 感 器 的 结 构 光 电 传 感 器 常 用 光 源 有 ：白 帜 灯 光 源 、 气 体 放 电 光 源 （ 碳 灯 、 低 压 高 压 水 银 灯 、 钠弧 灯 、 汕 弧 灯 ） 、 气 体 激 光 器 （ 氦 氖 、 二 氧 化 碳 、 氩 离 子激 光 器 ） 、 固 态 激 光 器 、 半 导 体 激 光 器 、 发 光 二 极 管 等 。 第 一 节 常 用 光 电 器 件 光 是 由 具 有 一 定 能 量 的 粒 子 组 成 ， 根 据 爱 因 斯 坦 光 粒子 学 说 ， 每 个 光 子 所 具 有 的 能 量 E 与 其 频 率 f 的 大 小 成 正比 （ 即 E =hf， 式 中 h =6.626 10-34J S， 为 普 朗 克 常 数） 。 光 照 射 在 物 体 上 可 看 成 一 连 串 具 有 能 量 的 光 子 对 物 体的 轰 击 ， 物 体 吸 收 光 子 能 量 而 产 生 相 应 的 电 效 应 ， 即 光 电效 应 。 这 是 实 现 光 电 转 换 的 物 理 基 础 。 光 电 器 件 的 作 用 原理 是 基 于 一 些 物 质 的 光 电 效 应 。 光 电 效 应 依 其 表 现 形 式 的 不 同 ， 通 常 可 分 为 三 大 类 。 光 电 导 效 应 光 照 改 变 半 导 体 的 导 电 率 ， 从 而引 起 半 导 体 电 阻 值 的 变 化 效 应 ， 光 敏 电 阻 属 于 这 类 光 电 效应 器 件 。 光 生 伏 特 效 应 光 照 改 变 半 导 体 PN结 电 场 ， 从而 引 起 PN结 电 势 的 变 化 效 应 ， 故 又 称 PN结 光 电 效 应 ， 光 电池 、 光 敏 晶 体 管 等 属 于 这 类 光 电 效 应 器 件 。 光 电 发 射 效 应 某 些 物 质 （ 如 金 属 丝 ） 在 光 的照 射 下 ， 能 从 表 面 向 外 部 发 射 电 子 的 现 象 ， 称 之 为 光 电 发射 效 应 ， 利 用 这 种 效 应 制 作 的 光 电 器 件 有 光 电 管 和 光 电 倍增 管 。 光 电 发 射 效 应 发 生 在 物 体 的 表 面 ， 因 而 又 称 之 为 外 光电 效 应 ； 相 应 地 ， 光 电 导 效 应 和 光 生 伏 特 效 应 被 称 为 内 光电 效 应 。 本 文 下 面 仅 介 绍 几 种 常 见 的 内 光 电 效 应 器 件 及 其应 用 。 半 导 体 光 电 导 效 应 内 部 机 理 如 图 8 1所 示 。 一 、 光 敏 电 阻 1 光 敏 电 阻 的 光 电 效 应 光 敏 电 阻 是 典 型 的 光 电 导 效 应 器 件 。 无 光 照 时 ， 其 阻值 很 高 ； 有 光 照 时 ， 其 阻 值 大 大 下 降 ， 光 照 越 强 阻 值 越 低； 光 照 停 止 ， 又 恢 复 高 阻 状 态 。图 8 1 光 电 导 效 应 能 带 图 半 导 体 受 光 照 时 ， 其 共 价 键 中 的 价 电 子 吸 收 光 子 能 量 ， 由 价带 穿 越 禁 带 到 达 导 带 ， 成 为 光 生 自 由 电 子 ， 使 得 半 导 体 中 自 由 电 子 空 穴 对 增 加 ， 导 电 率 提 高 ， 电 阻 值 下 降 。 光 照 停 止 时 ， 失 去 光 子能 量 的 光 生 自 由 电 子 又 重 新 迭 落 回 价 带 与 空 穴 复 合 ， 自 由 电 子 空穴 对 减 少 ， 导 电 率 下 降 ， 电 阻 值 提 高 。 图 中 Eg称 为 禁 带 宽 度 ， 价 电子 吸 收 的 光 子 能 量 E Eg时 ， 才 能 穿 越 禁 带 成 为 自 由 电 子 。 光 照 越强 、 具 有 能 量 E的 光 子 数 越 多 ， 光 生 自 由 电 子 -空 穴 对 越 多 ， 电 阻 值越 小 。 光 照 停 止 或 光 强 减 小 使 E Eg时 ， 光 生 自 由 电 子 又 迭 回 价 带 成为 价 电 子 ， 使 电 阻 值 增 加 或 恢 复 高 阻 状 态 。n每 个 光 子 所 具 有 的 能 量 E数 学 表 达 式 ： n E=hf=hc/频 率 越 高 ， 或 波 长 越 短 ， 光 子 所 具 有 的 能 量 就 越 大 。 产 生 自 由 光 生 电 子 的 入 射 光 临 界 波 长 0为 满 足 EEg 有 0 1242/Eg (nm)Si的 禁 带 宽 度 Eg为 1.2ev,Ge0.75ev,硫 化 镉 cds2.4ev,CdSe1.8ev 图 8 2是 光 敏 电 阻 光 电 效 应 实 验 电 路 ， 当 偏 压 U 一定 时 ， 检 流 计 指 示 电 流 I 的 大 小 决 定 于 光 敏 电 阻 上 的 光 照强 度 。 图 8 2 光 敏 电 阻 光 电 效 应 实 验 电 路 无 光 照 时 ， 检 流 计 指 示 的 电 流 很 小 ， 此 时 的 电 流 称 之为 暗 电 流 ； 此 时 光 敏 电 阻 的 阻 值 很 高 ， 相 应 称 之 为 暗 电 阻， 暗 电 阻 通 常 为 兆 欧 级 。 有 光 照 时 ， 检 流 计 指 示 的 电 流 较 大 ， 此 电 流 称 之 为 亮电 流 ； 此 时 ， 光 敏 电 阻 的 阻 值 显 著 减 小 ， 相 应 称 之 为 亮 电阻 ， 亮 电 阻 一 般 为 千 欧 以 内 。 由 光 照 所 产 生 的 自 由 电 子 空 穴 流 称 之 为 光 电 流 ， 显然 光 电 流 是 亮 电 流 与 暗 电 流 之 差 ， 由 于 暗 电 流 很 小 ， 在 工程 分 析 时 可 把 亮 电 流 看 成 光 电 流 。 2 光 敏 电 阻 种 类 光 敏 电 阻 是 一 个 纯 电 阻 性 两 端 器 件 ， 适 用 于 交 、 直 流电 路 ， 因 而 应 用 广 泛 ， 种 类 很 多 。 对 光 照 敏 感 的 半 导 体 光敏 元 件 都 可 以 制 成 光 敏 电 阻 ， 目 前 人 类 已 开 发 应 用 的 光 波频 谱 范 围 为 0.1HZ 1021HZ， 相 应 的 波 长 为 3 109m 0.3Pm。 半 导 体 光 敏 元 件 的 敏 感 光 波 长 为 纳 米 波 ， 按 其 最 佳 工 作波 长 范 围 可 分 为 三 类 。 （ 1） 对 紫 外 光 敏 感 元 件 紫 外 光 是 指 紫 外 线 （ 波 长 =10 380nm） 的 内 侧 光 波， 波 长 约 300 380nm。 对 这 类 光 敏 感 的 材 料 有 氧 化 锌 （ZnO） 、 硫 化 锌 （ ZnS） 、 硫 化 镉 （ CdS） 、 硒 化 镉 （ CdSe） 等 ， 这 类 敏 感 元 件 适 于 作 、 、 射 线 检 测 及 光 电 控制 电 路 。 （ 2） 对 可 见 光 敏 感 元 件 可 见 光 波 长 范 围 约 380 760nm， 对 这 类 光 敏 感 的 材 料有 硒 （ Se） 、 硅 （ Si） 、 锗 （ Ge） 及 硫 化 铊 （ TiS） 、 硫化 镉 （ CdS） 等 ， 尤 其 是 TiS光 敏 元 件 ， 它 既 适 用 于 可 见 光， 也 适 用 于 红 外 光 。 这 类 敏 感 元 件 适 用 了 光 电 计 数 、 光 电耦 合 、 光 电 控 制 等 场 合 。 （ 3） 对 红 外 光 敏 感 元 件 红 外 光 是 红 外 线 （ 波 长 =760 1 106nm） 的 内 侧 光波 ， 波 长 约 760 6000nm。 对 这 类 光 敏 感 的 材 料 有 硫 化 铅（ PbS） 、 硒 化 铅 （ PbSe） 、 锑 化 铟 （ InSb） 等 ， 这 类 敏感 元 件 主 要 用 来 探 测 不 可 见 目 标 。 图 8 3 部 分 光 敏 元 件的 光 谱 特 性 3 光 敏 电 阻 的 基 本 特 性 （ 1） 光 谱 （ 响 应 ） 特 性 光 敏 电 阻 的 光 谱 特 性 是 指 光 电 流 对 不 同 波 长 单 色 光 的 相 对 灵 敏度 。 图 8 3表 示 部 分 光 敏 元 件 的 光 谱 特 性 ， 其 中 硫 化 锌 对 波 长 为300nm左 右 的 紫 外 光 最 敏 感 ； 硫 化 镉 光 敏 波 长 的 峰 值 在 670nm左 右 ；硫 化 铊 的 敏 感 波 长 范 围 很 宽 ， 约 300 1400nm， 其 峰 值 波 长 为1000nm左 右 ； 硫 化 铅 具 有 很 宽 的 敏 感 波 长 范 围 ， 其 峰 值 波 长 约2300nm。 （ 0.7峰 值 左 右 为 敏 感 波 长 峰 值 范 围 ） （ 2） 光 照 特 性 光 敏 电 阻 的 光 照 特 性 是 指 在 一 定 的 电 压 下 ， 光 电 流 I 与 光 照 强 度 E 的 关 系 。 如 图 8 4所 示 ， 光 敏 电 阻 具 有 很 高的 光 照 灵 敏 度 ， 且 具 有 明 显 的 非 线 性 ， 可 作 控 制 元 件 ， 不宜 作 计 量 元 件 。 图 8 4 光 敏 电 阻 的 光 照 特 性 光 照 强 度 (照 度 ) 是 物体 被 照 明 的 程 度 ， 也即 物 体 表 面 所 得 到 的光 通 量 与 被 照 面 积 之比 ， 单 位 是 Ix(l勒 克 斯是 1流 明 的 光 通 量 均匀 照 射 在 1平 方 米 面积 上 所 产 生 的 照 度 ) 光 照 强 度 的 测 量 用 照度 计 。 （ 3） 伏 安 特 性 光 敏 电 阻 的 伏 安 特 性 是 指 在 一 定 强 度 的 光 照 下 ， 光 敏电 阻 的 端 电 压 与 光 电 流 的 关 系 。 如 图 8 5所 示 ， 伏 安 特 性是 一 个 线 性 关 系 特 性 ， 但 不 同 材 料 的 光 敏 电 阻 具 有 不 同 的伏 安 特 性 ， 且 各 类 光 敏 电 阻 都 有 最 大 允 许 功 耗 和 最 大 允 许电 压 的 要 求 ， 超 过 此 极 限 值 将 会 导 致 元 件 永 久 性 损 坏 。 图 8 5 光 敏 电 阻 的 伏 安 特 性 (4） 频 率 特 性 频 率 特 性 系 指 光 敏 电 阻 上 的 光 电 流 对 入 射 光 调 制 频 率的 响 应 特 性 。 如 图 8 6所 示 ， 一 般 来 说 ， 调 制 频 率 f 越 高， 电 流 相 对 灵 敏 度 Kr 越 低 ， 这 反 映 光 敏 元 件 具 有 一 定 的惰 性 ， 有 的 材 料 光 响 应 时 间 达 几 百 毫 秒 。 光 敏 电 阻 的 响 应时 间 不 但 与 元 件 的 材 料 有 关 ， 而 且 还 与 光 照 强 弱 有 关 ， 光照 越 强 ， 响 应 的 时 间 越 短 。 图 8 6 光 敏 电 阻 的 频 率 特 性光 照 ， 产 生 自 由 电 子 空 穴 对； 光 照 停 止 ， 电 子 空 穴 复 合， 需 要 一 定 时 间 ， （ 5） 温 度 特 性 温 度 特 性 系 指 光 敏 电 阻 工 作 特 性 受 温 度 的 影 响 。 例 如温 度 升 高 时 ， 它 的 暗 电 阻 减 小 ， 即 暗 电 流 增 加 、 灵 敏 度 下降 。 同 时 ， 温 度 上 升 还 引 起 光 谱 特 性 曲 线 左 移 ， 导 致 光 敏电 阻 敏 感 波 长 减 小 。 图 8 7是 硫 化 铅 光 谱 温 度 特 性 。 图 8 7 硫 光 铅 光 谱 温 度 特 性 当 光 照 射 到 PN结 上 时 ， 如 果 光 子 能 量 足 够 大 ， 就 将 在PN结 附 近 激 发 出 大 量 的 电 子 空 穴 对 。 在 PN结 电 场 作 用 下 ，N区 的 光 生 空 穴 被 拉向 P区 ， P区 的 光 生 电 子被 拉 向 N区 ； 其 结 果 在 P区聚 积 正 电 荷 ， 带 正 电 ， 在N区 聚 积 负 电 荷 ， 带 负 电 ，即 在 P区 和 N区 间 形 成 一 定伏 特 数 的 电 位 差 ， 称 之为 光 生 电 势 。 图 8 8 光 电 池 的 光 电 效 应 二 、 光 电 池 1 光 电 池 的 光 电 效 应 光 电 池 是 典 型 的 光 生 伏 特 效 应 器 件 。 无 光 照 时 ， 两浓 度 差 很 大 的 杂 质 半 导 体 P和 N因 扩 散 运 动 形 成 一 个 大 面 积的 PN结 ， PN结 电 场 方 向 是 由 N区 指 向 P区 ， 如 图 8 8所 示 。当 光 照 射 到 结 上 时 ， 如 果 光 子 能 量 足 够 大 ， 就 将 在结 附 近 激 发 出 大 量 的 电 子 空 穴 对 。 在 结 电 场 作 用 下 ，区 的 光 生 空 穴 被 拉向 区 ， 区 的 光 生 电 子被 拉 向 区 ； 其 结 果 在 区聚 积 正 电 荷 ， 带 正 电 ， 在区 聚 积 负 电 荷 ， 带 负 电 ，即 在 区 和 区 间 形 成 一 定伏 特 数 的 电 位 差 ， 称 之为 光 生 电 势 。 图 光 电 池 的 光 电 效 应 2 光 电 池 的 基 本 特 性 光 电 池 的 种 类 很 多 ， 如 硒 光 电 池 、 锗 光 电 池 、 硅 光电 池 、 砷 化 镓 光 电 池 、 氧 化 亚 铜 光 电 池 等 。 不 同 种 类 光 电池 性 能 差 异 很 大 ， 其 中 硅 光 电 池 性 能 最 好 ， 其 光 谱 范 围 宽、 频 率 特 性 好 、 换 能 效 率 高 ， 且 工 作 性 能 稳 定 。 （ 1） 光 谱 特 性 光 电 池 对 不 同 波 长 光 的 灵 敏 度 是 不 同 的 ， 不 同 材 料 的光 电 池 对 入 射 光 波 长 的 敏 感 范 围 是 不 同 的 ， 图 8 9为 硅 光电 池 和 硒 光 电 池 的 光 谱 特 性 曲 线 。 从 图 中 可 知 ， 硅 光 电 池 敏 感 波 长 范 围 是 450 1100nm， 峰 值 波 长 为 800nm； 硒 光 电 池 敏 感 波 长 范 围 是 380750nm， 峰 值 波 长 在 500附 近 。 可 见 ， 硅 光 电 池 适 应 光 波 长的 范 围 比 硒 光 电 池 宽 得 很 多 。 图 8 9光 电 池 的 光 谱 特 性 （ 2） 光 照 特 性 光 电 池 在 不 同 光 照 强 度 下 ， 有 不 同 的 光 生 电 势 或 光 生电 流 ， 图 8 10所 示 为 硅 光 电 池 的 光 照 特 性 。 图 8 10 硅 光 电 池 光 照 特 性 图 中 短 路 电 流 是 指 光 电 流 输 出 端 短 路 时 的 电 流 ， 即 光生 电 流 。 硅 光 电 池 短 路 电 流 密 度 约 为 15 30mA/cm2， 此 电流 在 很 宽 的 光 照 范 围 内 都 具 有 线 性 关 系 ， 因 而 光 电 池 宜 作电 流 源 使 用 。 图 中 开 路 电 压 是 指 光 电 池 输 出 端 开 路 时 的 电 压 ， 即 光生 电 势 。 单 片 硅 光 电 池 的 开 路 电 压 约 为 0.45 0.6V， 此 电压 在 2000LX以 内 光 照 下 趋 于 线 性 ， 在 2000LX以 上 为 非 线 性， 因 而 光 电 池 不 宜 作 电 压 源 使 用 。 图 8 11是 光 电 池 开 路 电 压 和 短 路 电 流 的 实 验 电 路 。在 此 实 验 电 路 中 ， 忽 略 了 光 电 池 PN结 结 电 容 及 PN结 漏 电 流的 影 响 。 光 电 池 的 开 路 电 压 等 于 图 （ a） 中 的 光 生 电 势 E， 光 电池 的 短 路 电 流 等 于 图 （ b） 中 的 光 生 电 流 IS 。 实 验 表 明 ，负 载 电 阻 RL越 小 ， 光 照 特 性 的 线 性 关 系 越 好 ， 因 而 在 使 用中 应 尽 量 选 择 负 载 电 阻 小 的 场 合 。 硒 光 电 池 具 有 与 硅 光 电池 相 似 的 光 照 特 性 。图 8-11 光 电 池 光 照 特 性 实 验 电 路 （ a） 开 路 电 压 （ b） 短 路 电 流 （ 3） 频 率 特 性 光 电 池 输 出 光 电 流 随 入 射 光 调 制 频 率 的 关 系 如 图 812所 示 。 由 图 可 知 ， 硅 光 电 池 具 有 较 稳 定 的 频 率 特 性 ， 适用 于 作 高 速 计 数 的 运 算 器 电 池 。 图 8 12 光 电 池 的 频 率 特 性 （ 4） 温 度 特 性 温 度 特 性 是 描 述 光 电 池 的 开 路 电 压 和 短 路 电 流 随 温 度变 化 的 关 系 。 图 8 13是 硅 光 电 池 在 1000LX照 度 下 的 温 度特 性 。 图 8 13 硅 光 电 池 的 温 度 特 性 由 图 可 知 ， 硅 光 电 池 的 开 路 电 压 随 温 度 升 高 而 迅 速 下降 ， 温 度 每 上 升 1 ， 开 路 电 压 约 降 低 3mV。 硅 光 电 池 的 短路 电 流 随 温 度 升 高 而 缓 慢 上 升 ， 温 度 每 上 升 1 ， 短 路 电流 约 增 加 2 A。 由 于 温 度 变 化 对 光 电 池 的 光 电 转 换 性 能 影 响 很 大 ， 因而 光 电 池 在 作 为 测 量 元 件 使 用 时 ， 一 定 要 有 恒 温 或 温 度 补偿 措 施 。 同 时 ， 在 强 光 照 射 时 必 须 考 虑 光 电 池 PN结 的 热 容限 及 散 热 措 施 。 通 常 ， 硅 光 电 池 使 用 温 度 不 允 许 超 过125 。 三 、 光 敏 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 1 光 敏 管 的 光 电 效 应 光 敏 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 也 是 典 型 的 光 生 伏 特 性 效 应器 件 。 图 8 14是 光 敏 二 极 管 的 原 理 结 构 和 基 本 电 路 。 图 8 14 光 敏 二 极 管 原 理 结 构 和 基 本 电 路 工 作 于 反 向 偏 置 状 态 下 的 光 敏 二 极 管 具 有 典 型 的 光 生伏 特 效 应 。 无 光 照 射 时 ， 处 于 反 偏 状 态 下 的 光 敏 二 极 管 呈高 阻 截 止 状 态 ， 只 有 少 数 载 流 子 形 成 极 小 的 暗 电 流 。 当 有光 照 射 时 ， 光 生 电 子 和 空 穴 在 PN结 电 场 和 外 加 反 向 偏 压 的共 同 作 用 下 ， 形 成 光 电 流 I。 光 照 越 强 ， 光 激 发 的 光 生 电子 和 空 穴 越 多 ， 形 成 的 光 电 流 越 大 ， 光 敏 二 极 管 呈 低 阻 导通 状 态 。 图 8 15是 光 敏 晶 体 管 的 原 理 结 构 和 基 本 电 路 。 图 8 15 光 敏 晶 体 管 原 理 结 构 和 基 本 电 路 光 敏 晶 体 管 是 在 光 敏 二 极 管 的 基 础 上 ， 为 了 获 得 更 大的 电 流 增 益 ， 根 据 一 般 三 极 管 的 电 流 放 大 原 理 ， 利 用 硅 或锗 单 晶 制 成 的 NPN或 PNP结 构 。 如 图 8 15所 示 ， 光 敏 晶 体管 亦 有 发 射 区 、 基 区 和 集 电 区 ， 基 区 是 受 光 区 ， 为 了 扩 大光 的 照 射 面 ， 基 区 的 面 积 比 较 大 。 光 敏 晶 体 管 的 基 区 通 常无 电 极 引 线 ， 工 作 时 相 当 于 基 极 开 路 ， 因 而 无 光 照 射 ， 只能 形 成 很 小 的 暗 电 流 。 当 有 光 照 射 时 ， 基 区 产 生 的 光 生 电子 和 空 穴 形 成 基 极 电 流 ， 此 电 流 在 外 加 集 电 结 反 偏 电 压 作用 下 ， 放 大 而 成 为 集 电 极 电 流 。 由 此 可 见 光 敏 晶 体 管 有 光照 时 的 输 出 电 流 是 光 生 电 流 的 倍 ， 因 而 有 比 光 敏 二 极 管更 高 的 灵 敏 度 。 2 光 敏 管 的 基 本 特 性 （ 1） 光 谱 特 性 光 敏 二 极 管 和 光 敏 晶 体 管 都 是 由 硅 或 锗 材 料 作 敏 感 元件 ， 这 两 种 敏 感 元 件 的 光 谱 特 性 如 图 8 16所 示 。 图 8 16 光 敏 管 的 光 谱 特 性 锗 管 的 敏 感 波 长 范围 是 500 1800nm， 峰值 波 长 约 为 1500nm。 显然 锗 管 的 敏 感 范 围 比 硅管 大 ， 由 于 锗 管 温 度 性能 比 较 差 ， 因 而 测 可 见光 时 ， 主 要 用 硅 管 ， 探测 红 外 光 时 ， 主 要 用 锗管 。 （ 2） 光 照 特 性 光 敏 二 极 管 与 光 敏 晶 体 管 的 光 照 特 性 有 明 显 不 同 ， 以 硅 管 为 例如 图 8 17所 示 。 光 敏 二 极 管 的 光 照 特 性 近 似 为 线 性 关 系 ； 光 敏 晶体 管 的 光 照 特 性 为 非 线 性 ， 照 度 较 小 时 ， 光 电 流 随 光 照 度 加 强 而 缓慢 增 加 ， 当 光 照 度 较 大 时 ， 光 电 流 又 趋 于 饱 和 。 放 大 倍 数 在 小 电 流和 大 电 流 时 都 要 下 降 的 缘 故 ， 光 敏 晶 体 管 不 利 于 弱 光 和 强 光 检 测 。 （ a ） 光 敏 二 极 管 （ b） 光 敏 晶 体 管 图 8 17 硅 光 敏 管 的 光 照 特 性 （ 3） 伏 安 特 性 图 8 18为 硅 光 敏 管 在 不 同 照 度 下 的 伏 安 特 性 。 由 图 可 见 光 敏管 的 输 出 电 流 与 所 加 的 偏 置 电 压 关 系 不 大 ， 具 有 近 似 的 恒 流 特 性 ；光 敏 晶 体 管 比 光 敏 二 极 管 的 光 电 流 大 近 百 倍 ， 因 而 具 有 更 高 的 灵 敏度 ； 光 敏 二 极 管 在 零 偏 压 下 就 有 一 定 的 电 流 输 出 ， 光 敏 晶 体 管 有 一段 死 区 电 压 。 （ a） 光 敏 二 极 管 （ b） 光 敏 晶 体 管 图 8 18 硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性 （ 4） 频 率 特 性 光 敏 二 极 管 的 频 率 特 性 较 好 ， 是 半 导 体 光 敏 器 件 中 最 好 的 一 种， 其 响 应 速 度 达 0.1 s， 截 止 频 率 高 ， 适 用 于 快 速 变 化 的 光 调 制 信号 。 光 敏 晶 体 管 由 于 基 区 面 积 大 ， 载 流 子 穿 越 基 区 所 需 的 时 间 长 ，因 而 其 频 率 特 性 比 二 极 管 差 。 无 论 是 哪 一 类 光 敏 管 ， 其 负 载 电 阻 越大 ， 频 率 特 性 愈 差 ， 图 8 19 硅 光 敏 晶 体 管 频 率 特 性 图 8 19为 硅 光 敏晶 体 管 的 频 率 特 性 。 锗光 敏 管 比 硅 光 敏 管 频 率特 性 差 。 （ 5） 温 度 特 性 无 论 是 硅 管 还 是 锗 管 ， 对 温 度 的 变 化 都 比 较 敏 感 ， 温 度 升 高 ，热 激 发 产 生 的 电 子 空 穴 对 增 加 ， 使 暗 电 流 上 升 。 尤 其 是 锗 管 ， 其暗 电 流 较 大 ， 温 度 特 性 较 差 ， 如 图 8 20（ a） 所 示 。 温 度 升 高 对 光电 流 影 响 不 大 ， 如 图 8 20（ b） 所 示 。 对 于 在 高 温 低 照 度 下 工 作 的光 敏 晶 体 管 ， 此 时 暗 电 流 上 升 、 亮 电 流 下 降 ， 使 信 噪 比 减 小 ； 为 了提 高 信 噪 比 ， 应 采 取 相 应 的 温 度 补 偿 或 降 温 措 施 。 图 8 20 光 敏 管 的 温 度 特 性 四 、 常 用 光 电 器 件 的 应 用 常 用 光 电 器 件 用 途 很 广 ， 可 组 成 各 种 实 用 的 光 电 传 感器 ， 下 面 仅 举 几 例 。 1 光 电 耦 合 器 光 电 耦 合 器 是 由 一 个 发 光 器 件 和 一 个 光 电 转 换 器 件 组成 ， 一 般 用 金 属 或 塑 料 外 壳 封 装 。 其 中 发 光 器 件 通 常 都 是发 光 二 极 管 ， 光 电 转 换 器 件 一 般 是 光 敏 二 极 管 或 光 敏 晶 体管 ， 如 图 8 21所 示 。 图 8 21 光 电 耦 合 器 的 组 合 形 式（ a） 通 用 光 耦 （ b） 高 速 光 耦 （ c） 高 效 光 耦 （ d） 高 速 高 效 率 光 耦 （ 1） 光 电 转 换 器 光 电 耦 合 器 按 光 电 转 换 器 的 不 同 可 分 为 四 种 类 型 ， 如图 8 21所 示 。 图 中 （ a） 的 光 电 转 换 器 是 一 只 光 敏 晶 体 管， 这 种 光 耦 结 构 简 单 、 成 本 低 ， 常 用 于 50KHZ以 下 工 作 频率 ， 称 之 为 通 用 光 耦 。 图 中 （ b） 的 光 电 转 换 器 是 由 一 只光 敏 二 极 管 和 一 只 高 速 开 关 管 组 成 ， 由 于 光 敏 二 极 管 比 光敏 三 极 管 的 响 应 速 度 快 得 多 ， 光 敏 二 极 管 与 高 速 开 关 管 配合 ， 可 获 得 1 s左 右 的 响 应 速 度 ， 故 称 这 种 光 耦 为 高 速 光耦 。 图 中 （ c） 的 光 电 转 换 器 是 由 一 只 光 敏 晶 体 管 和 一 只放 大 管 组 成 ， 此 时 虽 然 入 射 的 光 很 小 ， 但 输 出 电 流 可 达 几十 mA， 故 称 其 为 高 效 光 耦 ， 可 以 直 接 驱 动 后 级 电 路 或 执 行器 。 图 中 （ d） 的 光 电 转 换 器 是 一 个 具 有 高 速 、 高 效 率 的固 态 光 电 转 换 器 件 ， 称 之 为 高 速 高 效 光 耦 ， 用 于 高 速 大 功率 电 路 中 。 (2） 发 光 二 极 管 发 光 二 极 管 是 只 有 一 个 PN结 的 半 导 体 器 件 。 最 常 用 的发 光 二 极 管 是 砷 化 镓 发 光 二 极 管 ， 它 和 普 通 二 极 管 一 样 ，管 芯 是 一 个 具 有 单 向 导 电 性 能 的 PN结 ； 在 正 向 偏 压 作 用 下， PN结 空 间 电 荷 区 势 垒 下 降 ， 引 起 过 量 的 载 流 子 注 入 ， 注入 的 电 子 与 空 穴 加 速 复 合 时 释 放 出 光 子 能 量 ， 即 把 电 能 转换 成 光 能 。 砷 化 镓 发 光 二 极 管 的 峰 值 波 长 约 880nm 940nm， 发 出 的 是 近 红 外 光 波 ， 对 硅 和 锗 光 敏 器 件 都 比 较 敏 感 。 砷 化 镓 发 光 二 极 管 的伏 安 特 性 如 图 8 22所 示 ，其 正 向 压 降 约 1 2V， 小 功率 管 1 1.3V， 中 功 率 管1.6V左 右 ， 正 向 压 降 的 大小 与 正 向 电 流 有 关 。 砷 化镓 发 光 二 极 管 的 反 向 击 穿电 压 比 较 低 ， 其 反 向 电 压一 般 不 得 超 过 5V， 否 则 可能 引 起 二 极 管 反 向 击 穿 。 图 8 22 砷 化 镓 发 光 二 极 管 伏 安 性 光 电 耦 合 器 输 出 、 入 电 流 间 线 性 关 系 较 差 ， 因 而 不 宜作 运 算 电 路 ， 但 可 以 广 泛 应 用 于 电 平 转 换 、 电 路 隔 离 、 固态 继 电 器 及 无 触 点 开 关 等 控 制 电 路 中 。 2 光 电 转 速 计 图 8 24是 光 电 转 速 计 原 理 图 和 计 数 输 出 电 路 。 这 里的 光 源 可 以 是 自 炽 灯 泡 ， 光 电 转 换 器 是 一 只 光 敏 晶 体 管 。当 旋 转 轴 转 动 时 ， 光 通 过 遮 光 盘 上 的 透 光 孔 照 射 到 光 敏 晶体 管 3DU33上 ， 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 ， 经 4069反 向 器 整形 输 出 电 脉 中 ， 根 据 电 脉 冲 的 个 数 就 知 道 旋 转 轴 的 转 速 。 图 8 24 光 电 转 速 计（ a） 原 理 图 （ b） 电 路 图 3 反 射 式 固 体 表 面 粗 糙 度 计 图 8 25是 固 体 表 面 粗 糙 度 计 原 理 图 。 光 源 发 出 一 定照 度 的 光 入 射 到 被 测 固 定 的 表 面 上 ， 一 部 分 被 表 面 吸 收 ，一 部 分 反 射 到 光 电 池 上 ； 被 测 表 面 越 光 滑 ， 反 射 到 光 电 池上 的 光 越 强 ， 光 电 池 输 出 电 压 越 大 。 根 据 电 压 表 指 示 的 电压 数 ， 就 可 以 判 断 被 测 表 面 的 粗 糙 度 。 图 8 25 固 体 表 面 粗 糙 度 计 4 透 射 式 薄 膜 厚 度 计 图 8 26是 薄 膜 厚 度 计 原 理 图 。 光 源 发 出 一 定 照 度 的光 经 准 直 透 镜 调 制 成 平 行 光 束 ， 垂 直 入 射 到 被 测 薄 膜 上 ，一 部 分 被 薄 膜 吸 收 和 反 射 ， 一 部 分 穿 过 薄 膜 出 射 到 光 电 池上 ； 薄 膜 越 薄 ， 出 射 光 越 强 ， 光 电 池 输 出 电 压 越 大 。 根 据这 种 原 理 ， 不 但 可 以 用 于 检 测 薄 膜 的 厚 度 ， 印 刷 机 纸 张 监控 ， 还 可 以 检 测 液 体 的 混 浊 度 ， 或 气 体 和 固 体 的 透 明 度 。 图 8 26 薄 膜 厚 度 计 5 红 外 遥 控 器 红 外 遥 控 器 在 现 代 工 业 控 制 和 家 用 电 器 中 的 应 用 越来 越 广 泛 。 红 外 遥 控 器 由 红 外 遥 控 信 号 发 射 器 、 红 外 遥 控信 号 接 收 器 、 遥 控 指 令 编 码 器 等 部 分 组 成 。 红 外 遥 控 信 号发 射 器 电 路 如 图 8 27所 示 。 图 8 27 红 外 信 号 发 生 器 电 路 图 红 外 遥 控 信 号 发 射 器 由 键 盘 矩 阵 、 M50642AP集 成 电 路信 号 发 生 器 、 陶 瓷 谐 振 器 、 砷 化 镓 红 外 发 光 二 极 管 等 组 成， M50642AP集 成 信 号 发 生 器 主 要 由 键 输 入 编 码 电 路 、 键 位扫 描 脉 冲 电 路 、 键 命 令 译 码 电 路 、 多 重 键 判 别 电 路 、 定 时器 电 路 、 振 荡 电 路 、 编 码 调 制 电 路 和 输 出 缓 冲 电 路 等 组 成。 图 8 28是 红 外 遥 控 信 号 接 收 器 应 用 电 路 ， 由 光 敏 二极 管 和 CX20106集 成 电 路 组 成 。 集 成 电 路 内 部 设 置 有 放 大电 路 、 整 形 电 路 、 滤 波 电 路 及 限 幅 电 路 等 。 红 外 遥 控 信 号发 射 器 发 射 出 的 遥 控 信 号 ， 被 红 外 信 号 接 收 器 接 收 后 ， 调理 成 二 进 制 数 字 脉 冲 由 脚 7输 出 ， 再 送 入 遥 控 器 接 口 电 路 。 红 外 遥 控 器 具 有 电 路 结 构 简 单 、 成 本 低 、 操 作 方 便 、功 能 强 等 优 点 。 红 外 遥 控 器 在 室 内 使 用 时 ， 由 于 近 红 外光 波 具 有 可 见 光 的 反 射 特 性 ， 红 外 信 号 发 射 器 发 射 的 红 外光 波 ， 可 以 通 过 室 内 的 墙 壁 反 射 到 红 外 信 号 接 射 器 的 光 敏二 极 管 上 ， 因 而 发 射 器 不 必 对 准 接 收 器 ， 这 样 可 以 提 高 遥控 的 方 便 性 ， 特 别 适 合 于 家 用 电 器 的 遥 控 。图 8 28 红 外 信 号 接 收 器 电 路 图 第 二 节 光 栅 传 感 器 光 栅 传 感 器 是 用 于 测 位 移 的 光 电 传 感 器 。 光 透 过 光 栅照 射 到 光 电 器 件 上 ， 根 据 光 栅 的 莫 尔 条 纹 现 象 ， 可 实 现 角位 移 或 线 位 移 的 测 量 。 用 来 测 量 角 位 移 的 光 栅 称 作 圆 光 栅， 用 来 测 量 直 线 位 移 的 光 栅 称 作 直 光 栅 ， 其 工 作 原 理 是 一样 的 ， 这 里 仅 介 绍 直 线 位 移 光 栅 传 感 器 。 一 、 莫 尔 条 纹 1 光 栅 光 栅 又 称 光 栅 尺 ， 光 栅 尺 是 由 在 光 学 玻 璃 上 面 均 匀刻 有 许 多 线 条 ， 形 成 规 则 排 列 的 透 光 和 不 透 光 的 明 暗 条 纹所 组 成 ， 如 图 8 29所 示 。 图 中 m 为 暗 条 （ 不 透 光 条 ） 宽 度 ， n 为 亮 条 （ 透 光 条） 宽 度 ， W = m + n 称 之 为 光 栅 的 栅 距 或 光 栅 常 数 。 通 常， 即 亮 条 和 暗 条 具 有 相 同 的 宽 度 ， 亮 条 （ 或 暗 条 ） 密 度 有每 毫 米 10、 25、 50、 100线 /mm等 。 图 8 29 直 光 栅 尺 2 莫 尔 条 纹 形 成 把 光 栅 常 数 W 相 等的 两 光 栅 尺 相 对 叠 合 在一 起 ， 并 使 两 光 栅 尺 栅条 之 间 保 持 很 小 的 夹 角 ， 如 图 8 30（ a） 所示 ， 在 与 栅 条 近 乎 垂 直的 方 向 出 现 明 暗 相 间 的条 纹 ， 称 之 为 莫 尔 条 纹。 图 中 在 a a线 上 的 两光 栅 尺 重 合 ， 光 线 可 从其 缝 隙 中 透 过 ， 形 成 亮带 ； 在 b b线 上 ， 两 光栅 尺 彼 此 错 开 ， 挡 住 光线 通 过 ， 形 成 暗 带 。 图 8 30（ a） 莫 尔 条 纹 的 形 成 WWOBOCBH 222sin 由 图 8 30（ b） 可 求 出 莫 尔 条 纹 的 间 距 BH与 光 栅 常 数的 关 系 为 由 图 8 30（ b） 还可 求 出 = / 2 ， 由 于角 很 小 ， 即 莫 尔 条 纹 的 方向 与 x方 向 夹 角 很 小 ， 因而 莫 尔 条 纹 的 方 向 近 乎 垂直 于 直 光 栅 尺 的 栅 条 。（ 8 1） 图 8 30（ b） 莫 尔 条 纹 的 间 距 3 莫 尔 条 纹 的 主 要 特 性 （ 1） 莫 尔 条 纹 的 间 距 对 光 栅 常 数 W 具 有 放 大 作 用 由 式 （ 8 1） 可 知 ， 由 于 形 成 莫 尔 条 纹 的 两 光 栅 尺 的 夹 角 1rad ， 即 BH等 于 1/ 倍 的 W。 例 如 ， 当 W=0.02mm， =0.01rad时 ， 则 BH=2mm， 将 W放 大 了 100倍 。 （ 2） 莫 尔 条 纹 具 有 消 除 光 栅 尺 局 部 缺 陷 引 起 的 误 差 由 于 光 栅 尺 在 制 作 时 工 艺 的 分 散 性 ， 难 免 有 的 光 栅 尺 的 栅 条 或栅 条 间 距 存 在 着 局 部 缺 陷 ， 但 这 些 缺 陷 不 会 引 起 莫 尔 条 纹 的 误 差 。因 为 在 测 量 时 ， 光 电 元 件 上 接 收 到 的 光 信 号 ， 是 透 过 众 多 栅 条 形 成亮 带 的 光 信 号 ， 光 栅 尺 的 局 部 缺 陷 对 亮 带 透 光 量 影 响 极 小 。 （ 3） 莫 尔 条 纹 的 移 动 大 小 和 方 向 可 以 反 映 两 光 栅 尺 相对 移 动 大 小 和 方 向 由 图 8 30可 知 ， 当 固 定 斜 光 栅 尺 、 左 右 移 动 直 光 栅 尺 时 ， 莫尔 条 纹 则 作 上 下 移 动 。 若 被 测 体 跟 随 直 光 栅 尺 移 动 ， 则 可 根 据 莫 尔条 纹 移 动 的 大 小 和 方 向 ， 判 断 被 测 体 移 动 的 大 小 和 方 向 。 二 、 光 栅 传 感 器 的 组 成 根 据 莫 尔 条 纹 特 性 制 作 的 光 栅 位 移 传 感 器 ， 按 光 路 形成 方 式 可 分 为 两 大 类 ， 即 反 射 式 光 栅 传 感 器 和 透 射 式 光 栅传 感 器 。 1 透 射 式 光 栅 传 感 器 图 8 31是 透 射 式 光 栅 传 感 器 原 理 图 。 图 8 31 透 射 式 光 栅 传 感 器 图 （ 2） 透 镜 的 作 用 是 把 光 源 发 出 的 光 变 换 成 平 行 光 束 ，垂 直 投 射 到 主 光 栅 上 。 （ 3） 主 光 栅 又 称 标 尺 光 栅 ， 它 有 固 定 的 光 栅 常 数 W、亮 条 宽 度 n和 暗 条 宽 度 m， 通 常 ,测 位 移 时 ， 被 测 体 保 持 与主 光 栅 相 同 的 位 移 大 小 和 方 向 。 （ 1） 光 源 常 用 钨 丝 灯 泡 或 砷 化 镓 发 光 二 极 管 ， 钨 丝 灯泡 有 较 大 的 输 出 功 率 ， 较 宽 的 工 作 温 度 范 围 （ -40 130 ） ， 但 使 用 寿 命 短 ， 要 定 期 更 换 ； 砷 化 镓 发 光 二 极管 输 出 功 率 低 ， 工 作 温 度 范 围 （ 66 100 ） 也 略 小， 但 其 与 光 敏 晶 体 管 组 合 比 钨 丝 灯 泡 与 光 敏 晶 体 管 组 合 转换 效 率 高 （ 约 30%） ， 且 响 应 速 度 快 （ 约 2 s） ， 可 使 光源 工 作 在 触 发 状 态 ， 以 减 小 功 耗 和 热 耗 散 。 （ 4） 指 示 光 栅 比 主 光 栅 短 得 多 ， 通 常 具 有 与 主 光 栅 相同 的 光 栅 常 数 和 亮 、 暗 条 宽 度 。 测 位 移 时 ， 指 示 光 栅 不 动， 主 光 栅 移 动 。 （ 5） 光 电 元 件 常 用 光 电 池 或 光 敏 晶 体 管 ， 在 光 电 元 件输 出 端 常 接 放 大 器 ， 以 获 得 尽 可 能 大 的 信 号 输 出 ， 以 提 高抗 干 扰 能 力 。 2 反 射 式 光 栅 传 感 器 图 8 32是 反 射 式 光 栅 传 感 器 原 理 图 。 光 源 发 射 的 光， 经 聚 光 镜 和 物 镜 后 形 成 平 行 光 束 ， 以 一 定 的 角 度 穿 过 指示 光 栅 、 射 向 主 光 栅 。 这 里 的 主 光 栅 不 形 成 透 射 光 ， 照 射到 主 光 栅 上 的 光 产 生 反 射 光 后 与 指 示 光 栅 形 成 莫 尔 条 纹 ，此 莫 尔 条 纹 光 再 经 反 射 镜 反 射 、 物 镜 组 聚 焦 后 投 射 到 光 电元 件 上 ， 以 实 现 位 移 的 测 量 。 8 32 反 射 式 光 栅 传 感 器 三 、 辨 向 原 理 利 用 莫 尔 条 纹 测 量 位 移 时 ， 由 单 个 光 电 元 件 接 收 的 莫尔 条 纹 光 信 号 ， 只 能 是 随 莫 尔 条 纹 移 动 而 强 弱 变 化 的 光 信号 ， 这 种 光 强 变 化 不 能 反 映 莫 尔 条 纹 的 移 动 方 向 。 为 了 辨别 莫 尔 条 纹 移 动 方 向 ， 至 少 需 要 两 个 光 电 元 件 接 收 莫 尔 条纹 光 信 号 ， 如 图 8 33（ a） 所 示 。 在 相 距 1/4莫 尔 条 纹 间距 BH上 分 别 安 装 一 个 光 电 元 件 1和 2， 当 主 光 栅 移 动 时 ， 透过 莫 尔 条 纹 的 光 照 射 到 两 光 电 元 件 上 ， 两 光 电 元 件 将 产 生相 位 差 为 /2的 电 信 号 。 透 过 莫 尔 条 纹 的 光 理 论 上 是 三 角波 ， 但 由 于 光 的 衍 射 作 用 ， 其 结 果 照 射 到 光 电 元 件 上 的 光波 接 近 正 弦 波 ， 因 而 光 电 元 件 输 出 的 电 压 u 1和 u2是 相 差 /2的 正 弦 波 。 图 8 33（ b） 是 辨 向 电 路 。 （ a） 两 光 电 元 件 （ b） 辨 向 电 路 图 8 33 光 栅 传 感 器 辨 向 原 理 （ c） 主 光 栅 左 移 （ d） 主 光 栅 右 移 图 8 33 光 栅 传 感 器 辨 向 原 理 （ c） 主 光 栅 左 移 （ d） 主 光 栅 右 移 图 8 33 光 栅 传 感 器 辨 向 原 理 WXUu WXUu mm 2sin 2cos21 （ 8 2） 图 8 33（ c） 和 （ d） 是 当 主 光 栅 移 动 时 辨 向 电 路 各点 的 输 出 波 形 。 当 主 光 栅 向 左 移 （ A向 ） 时 ， 莫 尔 条 纹 则 上 移 （ B向 ） 。此 时 光 电 元 件 感 光 的 先 后 是 先 1后 2， 因 而 光 电 元 件 1和 2输出 电 压 u1超 前 、 u2滞 后 ， 相 位 差 为 /2， 如 图 8 33（ c）所 示 ， 即 电 压 u1和 u2经 放 大 整 形 电 路 处 理 后 输 出 矩 形 波 u1 和u2 ， 此 矩 形 波 通 过 辨 向 电 路 ， 使 输 出 端 y1无 信 号 ， y2端 输出 正 脉 冲 。 且 主 光 栅 每 左 移 一 个 光 栅 栅 距 W 的 距 离 ， y2输 出 一 个 正 脉 冲 ， 此 正 脉 冲 将 触 发 加 减 计 数 器 作 加 1计 数。 此 时 辨 向 电 路 输 出 端 y2无 信 号 ， y1端 输 出 正 脉 冲 。 即当 主 光 栅 每 右 移 一 个 光 栅 栅 距 W 的 距 离 ， y1输 出 一 个 正脉 冲 ， 此 正 脉 冲 将 触 发 加 减 计 数 器 作 减 1计 数 。 由 此 可 见， 根 据 加 减 计 数 器 的 计 数 状 态 ， 就 可 以 辨 别 主 光 栅 位 移 的大 小 和 方 向 。 WXUu WXUu mm 2cos 2sin21 （ 8 3） 当 主 光 栅 向 右 移 （ A 向 ） 时 ， 莫 尔 条 纹 则 下 移 （ B 向 ） 。 此 时 光 电 元 件 感 光 的 先 后 是 先 2后 1， 因 而 光 电 元件 1和 2输 出 电 压 u1滞 后 u2相 位 /2 ,如 图 8 33（ d） 所 示， 即 四 、 细 分 技 术 由 前 面 分 析 可 知 ， 主 光 栅 每 位 移 一 个 栅 距 W， 辨 向 电路 就 产 生 一 个 电 脉 冲 ， 即 分 辨 率 为 一 个 栅 距 。 例 如 ， 若 光栅 尺 刻 线 密 度 为 每 毫 米 100条 ， 则 栅 距W=1000m/100=10m， 即 分 辨 率 为 10m 。 增 加 光 栅 尺 刻线 密 度 ,可 以 提 高 分 辨 率 ， 但 加 大 了 光 栅 尺 的 制 作 难 度 。为 了 提 高 分 辨 率 ， 目 前 普 遍 采 取 的 方 法 是 ： 在 选 择 合 适 的栅 距 W 前 提 下 ， 对 栅 距 W进 行 细 分 ， 即 使 主 光 栅 每 位 移 一个 栅 距 ， 产 生 多 个 脉 冲 输 出 。 即 减 小 辨 向 电 路 输 出 脉 冲 间隔 ， 提 高 计 数 脉 冲 的 频 率 ， 故 又 称 倍 频 细 分 。 下 面 介 绍 两种 基 本 的 细 分 技 术 。 1 四 倍 频 直 接 细 分 （ 1） 用 四 个 相 距 1/4莫 尔 条 纹 间 距 BH 光 电 元 件 当 采 用 四 个 相 距 1/4莫 尔 条 纹 间 距 BH光 电 元 件 接 收 莫尔 条 纹 的 透 过 光 时 ， 在 四 个 光 电 元 件 上 将 产 生 依 次 相 差 /2相 角 的 四 个 正 弦 电 压 信 号 。 用 鉴 零 器 分 别 取 4个 信 号的 零 电 平 ， 即 在 每 个 信 号 有 负 到 正 过 零 点 时 发 出 一 个 脉 冲。 此 时 ， 主 光 栅 每 位 移 一 个 栅 距 ， 辨 向 电 路 将 输 出 四 个 电脉 冲 ， 实 现 四 倍 频 直 接 细 分 。 这 种 细 分 的 方 法 受 到 安 装 光电 元 件 个 数 的 限 制 ， 不 可 能 得 到 很 高 的 细 分 。 在 采 用 四 细分 情 况 下 ， 栅 距 为 4（ 每 mm250条 刻 线 ） 的 光 栅 ， 分 辨率 可 从 4 提 高 到 1。 （ 2） 对 u 1 和 u2 都 取 反 如 图 8 33（ b） 辨 向 电 路 ， 若 对 u2 也 取 反 ， 则 可 得到 u1 、 u1 和 u2 、 u2 四 个 矩 形 脉 冲 ， 即 在 主光 栅 位 移 一 个 栅 距 W期 间 ， 可 以 得 到 四 个 等 间 隔 的 计 数 触发 脉 冲 ， 从 而 实 现 四 倍 频 直 接 细 分 。 但 这 种 细 分 的 方 法 受到 辨 向 电 路 结 构 的 限 制 ， 也 不 可 能 得 到 很 高 的 细 分 。 四 倍 频 直 接 细 分 方 法 简 单 ， 可 用 于 分 辨 率 要 求 不 太 高 的 场 合。 2 电 阻 桥 路 细 分 图 8 34是 电 阻 桥 路 细 分 原 理 图 ， 依 弥 尔 曼 定 理 得 ： LO RRR RuRuu 111 21 2211 式 中 u1和 u2是 两 光 电 元 件输 出 电 压 ， 式 中 “ ” 号 表示 u1和 u2相 位 相 反 ； uO是 电阻 桥 输 出 电 压 。 （ 8 4）图 8 34 电 阻 桥 路 细 分 原 理 图 此 时 电 阻 桥 平 衡 的 条 件 为 u1R2=u2R1。21 1221 RR RuRuuO （ 8 5） 图 8 34电 阻 桥 路 输 出 端 开 路 (RL= )时 ， 式 （ 8 4）