現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)-李英順-電子教案-第9章.

1、 9.1概述 9.2光電元件 9.3光柵測(cè)量裝置9.1概述 光電式傳感器是一種將被測(cè)量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的光電式傳感器是一種將被測(cè)量通過光量的變化再轉(zhuǎn)換成電量的傳感器，一般都是由光源、光學(xué)元件和光電元件三個(gè)部分組成。光傳感器，一般都是由光源、光學(xué)元件和光電元件三個(gè)部分組成。光電阻傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。此種測(cè)量方電阻傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。此種測(cè)量方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度和反映快等特點(diǎn)。在法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度和反映快等特點(diǎn)。在檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。檢測(cè)和控制領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 光源光源發(fā)射出一定

2、光通量的光線，由光電元件接受，在檢測(cè)時(shí)，發(fā)射出一定光通量的光線，由光電元件接受，在檢測(cè)時(shí)，被測(cè)量使光源發(fā)射出的光通量變化，因而使接收光通量的光電元被測(cè)量使光源發(fā)射出的光通量變化，因而使接收光通量的光電元件在輸出電量時(shí)，也作相應(yīng)的變化，最后用光量來表達(dá)被測(cè)量的件在輸出電量時(shí)，也作相應(yīng)的變化，最后用光量來表達(dá)被測(cè)量的大小。其輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。大小。其輸出的電量可以是模擬量，也可以是數(shù)字量。光電式傳感器基本分類光電式傳感器基本分類 1.光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的輸出端為“有”或“無”電信號(hào)兩種穩(wěn)定狀態(tài)，亦即為“通”或“斷”的開關(guān)狀態(tài)。屬于這一類的為光電式轉(zhuǎn)速表、光電繼電器等。2.光電轉(zhuǎn)換系

3、統(tǒng)中，當(dāng)光作用在光電元件上時(shí)，產(chǎn)生的光電流是光通量的函數(shù)。屬于這一類的為光電式位移計(jì)、光電式測(cè)振計(jì)等。3.光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)將被測(cè)體的形狀直接反映出來，這一類的傳感器是利用電荷耦合攝象器件（CCD）作為光電元件的，主要用于再線的圖案檢查、文字識(shí)別等。光電傳感器應(yīng)用與優(yōu)點(diǎn)光電傳感器應(yīng)用與優(yōu)點(diǎn) 光電傳感器光電傳感器是一種常用的傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域也比是一種常用的傳感器，應(yīng)用領(lǐng)域也比較廣泛，除可直接檢測(cè)光信號(hào)外，還可以用來測(cè)量轉(zhuǎn)較廣泛，除可直接檢測(cè)光信號(hào)外，還可以用來測(cè)量轉(zhuǎn)速、位移、距離、溫度、濃度、濁度等參量，也可以速、位移、距離、溫度、濃度、濁度等參量，也可以用作對(duì)各種產(chǎn)品的計(jì)數(shù)、機(jī)床的保護(hù)裝置。用作對(duì)各

4、種產(chǎn)品的計(jì)數(shù)、機(jī)床的保護(hù)裝置。 光電傳感器具有很多優(yōu)良的特性，例如，精度高、光電傳感器具有很多優(yōu)良的特性，例如，精度高、不受電磁干擾的影響、非接觸測(cè)量、體積小、重量輕、不受電磁干擾的影響、非接觸測(cè)量、體積小、重量輕、造價(jià)低的等優(yōu)點(diǎn)。造價(jià)低的等優(yōu)點(diǎn)。一、光源一、光源 光源是光電式傳感器的一個(gè)組成部分，大多數(shù)的光電傳感器都離不開光源。 我們把通電后而發(fā)光的器件，統(tǒng)稱為電光源，或者叫電光元件。普通的電光源可以分為四類： 熱輻射光源，即白熾燈； 氣體放電燈，如氖泡，日光燈； 固體發(fā)光光源（電致發(fā)光器件),如發(fā)電二極管，場(chǎng)致發(fā)光燈； 激光器。 熱輻射光源：熱輻射光源：v熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射，

5、基于這種原理的光熱物體都會(huì)向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大，輻射光譜的峰值波長也就越短。光譜的峰值波長也就越短。v白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。白熾燈就是一種典型的熱輻射光源。氣體放電燈（氣體放電光源）氣體放電燈（氣體放電光源）v電流通過氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光電流通過氣體會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光源稱為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓譜與氣體的種類及放電條件有

6、關(guān)。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。光譜范圍的輻射源。v低壓貢燈、鈉燈、氦燈等是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)低壓貢燈、鈉燈、氦燈等是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。稱為光譜燈。固體發(fā)光光源（電致發(fā)光器件）固體發(fā)光光源（電致發(fā)光器件）v固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)固體發(fā)光材料在電場(chǎng)激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，如發(fā)電二極管，半導(dǎo)體制成的器件稱為電致發(fā)光器件

7、，如發(fā)電二極管，半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏。激光器和電致發(fā)光屏。v發(fā)電二極管與白熾燈相比，它具有體積小、功耗低、壽發(fā)電二極管與白熾燈相比，它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高以及能和集成電路相匹配等命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高以及能和集成電路相匹配等優(yōu)點(diǎn)；因此廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制優(yōu)點(diǎn)；因此廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制等設(shè)備中。等設(shè)備中。二、光學(xué)元件與光路二、光學(xué)元件與光路v在光電式傳感器中，必須采用一定的光學(xué)元件，并按照在光電式傳感器中，必須采用一定的光學(xué)元件，并按照一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的光路。常用的光學(xué)一些光學(xué)定律和原理構(gòu)成各種各樣的光路。常用的光

8、學(xué)元件有各種反射鏡和透鏡。元件有各種反射鏡和透鏡。三、光電元件三、光電元件v光電元件在光電式傳感器中是用來把光量變換成電量的一光電元件在光電式傳感器中是用來把光量變換成電量的一種器件。常用的有光敏電阻，光電池，光敏晶體管，光電種器件。常用的有光敏電阻，光電池，光敏晶體管，光電倍增管。以及一些新型半導(dǎo)體光電器件，如電荷耦合攝像倍增管。以及一些新型半導(dǎo)體光電器件，如電荷耦合攝像器（器（CCDCCD），光電位置敏感器件（），光電位置敏感器件（PSDPSD）等。）等。v傳統(tǒng)的光電器件是利用各種光電效應(yīng)制成的器件。光電器傳統(tǒng)的光電器件是利用各種光電效應(yīng)制成的器件。光電器件的理論基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。件的理論基

9、礎(chǔ)是光電效應(yīng)。v所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收能量所謂光電效應(yīng)即是由于物體吸收能量E E為的光后產(chǎn)生的電為的光后產(chǎn)生的電效應(yīng)。效應(yīng)。 從傳感器的角度看光電效應(yīng)可分為兩大類型：從傳感器的角度看光電效應(yīng)可分為兩大類型：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類。 內(nèi)光電效應(yīng)又分為光導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又分為光導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。 外光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料中的電外光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料中的電子逸出表面的現(xiàn)象。光電管和光電倍增管即屬此子逸出表面的現(xiàn)象。光電管和光電倍增管即屬此類。類。 內(nèi)光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料的電阻內(nèi)光電效應(yīng)是指在光的照射下，材料的電

10、阻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。率發(fā)生改變的現(xiàn)象。光敏電阻即屬此類。9.2光電元件光電元件9.2.1光敏電阻光敏電阻 光敏電阻是用具有內(nèi)光電效應(yīng)的光導(dǎo)材料制成的，為純電阻元件，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。如圖如圖9-11、光敏電阻的工作原理、光敏電阻的工作原理 在黑暗的環(huán)境下它的電阻是很高的，但當(dāng)它受到光線照射時(shí)，若光子能量hy大于本征半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg g，同禁帶中的電子吸收一個(gè)光子后就足以躍遷到導(dǎo)帶，激發(fā)出電子空穴對(duì)，從而加強(qiáng)了導(dǎo)電性能，使阻值降低，且照射的光線愈強(qiáng)阻值也愈低。光照停止，自由電子與空穴逐漸復(fù)合，電阻有恢復(fù)原值。這種由于光線照射強(qiáng)弱而導(dǎo)致半導(dǎo)體電阻值變化的現(xiàn)象，稱為光

11、導(dǎo)效應(yīng)。具有光導(dǎo)效應(yīng)的材料就稱為“光敏電阻”用光敏電阻制成的器件稱為光導(dǎo)管，但通常也叫光敏電阻。 光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外區(qū)域到紅外區(qū)域，且體積小，性能穩(wěn)定，價(jià)格低，所以被外區(qū)域到紅外區(qū)域，且體積小，性能穩(wěn)定，價(jià)格低，所以被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。但是，使用時(shí)需要有外部電源，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)中。但是，使用時(shí)需要有外部電源，同時(shí)當(dāng)有電流通過它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問題。光敏電阻的種類同時(shí)當(dāng)有電流通過它時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱的問題。光敏電阻的種類繁多，一般由金屬的硫化物、硒化物、錫化物等組成。繁多，一般由金屬的硫化物、硒化物、錫化物等

12、組成。圖9-1 光敏電阻的結(jié)構(gòu)及表示符號(hào) 返回課程返回課程2、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性、光敏電阻的主要參數(shù)和基本特性 光電流。光電流。光敏電阻在不受光照射的阻值稱“暗電阻”，此時(shí)流過的電流稱“暗電流”；光敏電阻在受光照射時(shí)的阻值稱“亮電阻”，此時(shí)的電流稱“亮電流”。而亮電流與暗電流之差即為“光電流”。當(dāng)然，希望暗阻愈大愈好，而亮阻愈小愈好，也即光電流要盡可能大，這樣光敏電阻的靈敏度就高。 光敏電阻的伏安特性。光敏電阻的伏安特性。在光敏電阻的兩端所加電壓和電流的關(guān)系曲線，稱為光敏電阻的伏安特性。它是一條直線，所加電壓U越高，光電流I也越大，而且沒有飽和現(xiàn)象。在給定的光照下，電阻值與外加電壓無

13、關(guān)；在給定的電壓下光電流值隨光照的增加而增加。 光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光照特性。光敏電阻的光電流和光強(qiáng)的關(guān)系曲線稱光敏電阻的光照特性。由于光敏電阻的光照特性曲線是非線性的，因此不適宜做線性敏感元件，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。光敏電阻的光譜特性。光敏電阻的光譜特性。光敏電阻對(duì)于不同波長的入射光，其相對(duì)靈敏度也是不同的。只有能量大于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的那些光子才能激發(fā)出光生電子空穴對(duì)。而光子能量的大小與光的波長有關(guān)。光敏電阻的頻率特性。光敏電阻的頻率特性。在使用光敏電阻時(shí)，就應(yīng)注意，它的光電流并不是隨光強(qiáng)改變而立刻作出相應(yīng)的變化，而是具有一定的惰性，這也是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。光敏電阻的光譜溫

14、度特性。光敏電阻的光譜溫度特性。光敏電阻隨著溫度的升高，其暗阻和靈敏度都下降。同時(shí)溫度變化也影響其光譜特性。9.2.2光電池光電池 光電池是基于光生伏特效應(yīng)制成的，是自發(fā)電式有源器件。光電池是把光直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿钠骷?。由于它廣泛用于把太陽能直接變電能，因此又稱為太陽電池。光電池的種類很多，有硒、氧化亞銅、硫化鎘、鍺、硅光電池等。其中最受重視的是硅光電池，因?yàn)樗幸幌盗袃?yōu)點(diǎn)：性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、傳遞效率高、能耐高溫輻射等，以硅光電池為例。 光生伏特效應(yīng)利用光勢(shì)壘效應(yīng)，光勢(shì)壘效應(yīng)是指在光的照射下，物體內(nèi)部產(chǎn)生一定方向的電勢(shì)。9.2光電元件光電元件光電池的工作原理光電池的工作原理 硅光

15、電池是在一塊N型硅片上用擴(kuò)散的辦法摻入一些P型雜質(zhì)而形成一個(gè)大面積的PN結(jié)。當(dāng)光照射P型面時(shí)，若光子能量hy大于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度Eg g，則在P型區(qū)每吸收一個(gè)光子便產(chǎn)生一個(gè)自由電子空穴對(duì)。在表面對(duì)光子的吸收最多，激發(fā)出的電子空穴對(duì)最多，越向內(nèi)部越小，由于濃度差便形成了從表面向體內(nèi)擴(kuò)散的自然趨勢(shì)?？昭ㄊ荘型區(qū)的多數(shù)載流子，入射光所產(chǎn)生的空穴濃度比原有產(chǎn)生空穴要少得多，而入射光所產(chǎn)生的電子則向內(nèi)部擴(kuò)散。若能在它復(fù)合之前到達(dá)PN結(jié)過渡區(qū)，就相當(dāng)于在結(jié)電場(chǎng)作用下正好將電子推向N型區(qū)。這樣光照射所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。 圖9-2 光電池的構(gòu)造和表示符號(hào)光電池的基本特性光電池的基本特性光電池的光譜特性。光

16、電池的光譜特性。相對(duì)靈敏度Kr和入射光波長間的關(guān)系。在實(shí)際使用時(shí)應(yīng)根據(jù)光源性質(zhì)選擇光電池，但要注意光電池的光譜峰值不僅與制造光電池的材料有關(guān)，同時(shí)也隨使用溫度而變。光電池的光照特性。光電池的光照特性。光生電動(dòng)勢(shì)U與照度Ee間的特性曲線稱為開路電壓曲線；光電流密度Je與照度Ee間的特性曲線稱為短路電流曲線。把光電池作為敏感元件時(shí)，應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點(diǎn)。這是光電池的主要優(yōu)點(diǎn)之一。光電池的頻率特性。光電池的頻率特性。光的調(diào)制頻率f和光電池對(duì)輸出電流Ir的關(guān)系。硅光電池具有較高的頻率響應(yīng)，而硒光電池較差。因此在高速計(jì)數(shù)器、有聲電影以及其它方面多采用硅電池。光

17、電池的溫度特性。光電池的溫度特性。光電池的溫度特性是描述光電池的開路電壓U、短路電流I隨溫度T變化的曲線。由于它關(guān)系到應(yīng)用光電池設(shè)備的溫度漂移，影響到測(cè)量精度或控制精度等主要指標(biāo)，因此它是光電池的重要特性之一。9.2光電元件光電元件9.2.3光敏晶體管光敏晶體管 光敏晶體管是一種利用受光照時(shí)載流子增加的半導(dǎo)體光電元件，它與普通的晶體管一樣，也具有P-N結(jié)。通常，我們把有一個(gè)P-N結(jié)的叫做光敏二極管，而把有兩個(gè)P-N結(jié)的叫做光敏三極管。光敏三極管不一定有三根引出線，有時(shí)常常只裝兩根引出線。 光敏二極管的PN結(jié)裝在管的頂部，可以直接受到光照射，光敏二極管在電路中一般是處于反向工作狀態(tài)，在沒有光照射

18、時(shí)反向電阻很大，反向電流很小。當(dāng)光照射光敏二極管時(shí)，光子打在PN結(jié)附近，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處的內(nèi)電場(chǎng)作用下定向運(yùn)動(dòng)形成光電流。光的照度越大，光電流越大。因此在不受光照射時(shí)，光敏二極管處于截止?fàn)顟B(tài)；受光照射時(shí)，光敏二極管處于導(dǎo)通狀態(tài)。光敏晶體管的工作原理光敏晶體管的工作原理 光敏三極管的工作原理：當(dāng)光照射到PN結(jié)附近時(shí)，使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子空穴對(duì)，它們?cè)赑N結(jié)處于內(nèi)電場(chǎng)作用下，作定向運(yùn)動(dòng)，形成光電流，因此PN結(jié)的反向電流大大增加，由于光照射發(fā)射產(chǎn)生的光電流相當(dāng)于三極管的基極電流，所以集電極電流是光電流的倍。因此光敏三極管比光敏二極管具有更高的靈敏度。圖9-3 光敏二

19、極管圖9-4 光敏三極管光敏晶體管的基本特性光敏晶體管的基本特性光敏晶體管的光譜特性。光敏晶體管的光譜特性。在可見光或探測(cè)赤熱狀態(tài)物體時(shí)，都采用硅管。但對(duì)紅外光探測(cè)時(shí)，鍺管較為合適。光敏晶體管的伏安特性。光敏晶體管的伏安特性。光敏晶體管在不同照度Ee下的伏安特性，就象一般晶體管在不同的基極電流時(shí)的輸出特性一樣，只要將入射光在發(fā)射極與基極之間的PN結(jié)附近所產(chǎn)生的光電流看作基極電流，就可將光敏晶體管看成一般的晶體管。光敏晶體管的光照特性。光敏晶體管的光照特性。光敏晶體管的輸出電流IC和照度Ee之間可近似地看作是線性關(guān)系。光敏晶體管的溫度特性。光敏晶體管的溫度特性。它給出了溫度對(duì)暗電流及輸出電流的關(guān)

20、系。溫度變化對(duì)輸出電流的影響較小，主要由光照度所決定。而暗電流隨溫度變化很大，所以在應(yīng)用時(shí)應(yīng)在線路上采取措施進(jìn)行溫度補(bǔ)償。光敏晶體管的時(shí)間常數(shù)。光敏晶體管的時(shí)間常數(shù)。一般鍺管的時(shí)間常數(shù)約為210-4s ，而硅管的時(shí)間常數(shù)在10-5s左右。當(dāng)檢測(cè)系統(tǒng)要求快速時(shí)，往往選擇硅光敏晶體管。9.2.49.2.4光電倍增管光電倍增管 當(dāng)入射光很微弱時(shí)，一般光電管能產(chǎn)生的光電流就很小，在這種情況下，即使光電流能被放大，但噪聲也與信號(hào)同時(shí)被放大了，因此在微弱光時(shí)，采用光電倍增管。光電倍增管中，應(yīng)用了電子的二次發(fā)射，所以可使光電靈敏度大大地提高，光電倍增管的放大倍數(shù)可高達(dá)106108；另外它的信噪比也大，比一般

21、光電管大幾百倍，在一般情況下使用，線性度也好；工作頻率也可高達(dá)100MHZ左右，所以它在弱光、光度測(cè)量方面得到了廣泛的應(yīng)用。二次電子發(fā)射二次電子發(fā)射 當(dāng)具有幾百萬伏電子伏動(dòng)能的電子落到物體表面上時(shí)，它將一部分能量傳給該物質(zhì)中的電子，使這些電子能夠從物體表面逸出。由于高速電子沖擊而使物體產(chǎn)生電子發(fā)射的現(xiàn)象稱為二次電子發(fā)射或次級(jí)電子發(fā)射。二次電子發(fā)射數(shù)值，與材料性質(zhì)、物質(zhì)的表面狀況，以及射入的一次電子能量和入射角等因素有關(guān)。 表征二次電子發(fā)射數(shù)值的參數(shù)是二次電子發(fā)射系數(shù)，它是二次發(fā)射電子數(shù)量之比值，即 =I2/I1 二次發(fā)射系數(shù) I1一次電子數(shù) I2二次電子數(shù) 應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的二次電子數(shù)，它除

22、包括由一次應(yīng)當(dāng)指出，這里所指的二次電子數(shù)，它除包括由一次電子打擊出來的二次電子外，還包括有一次電子被彈性反電子打擊出來的二次電子外，還包括有一次電子被彈性反射（散射）回來的一次電子數(shù)及非彈性反射的一次電子數(shù)。射（散射）回來的一次電子數(shù)及非彈性反射的一次電子數(shù)。所謂非彈性反射的一次電子，即入射的電子把部分能量傳所謂非彈性反射的一次電子，即入射的電子把部分能量傳給物質(zhì)以后，它本身又離開物質(zhì)表面的電子。給物質(zhì)以后，它本身又離開物質(zhì)表面的電子。 每個(gè)二次發(fā)射的電子在離開發(fā)射表面時(shí)，所具有的能每個(gè)二次發(fā)射的電子在離開發(fā)射表面時(shí)，所具有的能量是不一樣的，一般具有不超過量是不一樣的，一般具有不超過20eV2

23、0eV能量的電子為最多，能量的電子為最多，比這個(gè)能量高的電子數(shù)目逐漸減少。由于在二次發(fā)射電子比這個(gè)能量高的電子數(shù)目逐漸減少。由于在二次發(fā)射電子中，包含有一部分彈性散射的一次電子，它的能量仍保持中，包含有一部分彈性散射的一次電子，它的能量仍保持接近原來入射時(shí)的動(dòng)能；所以二次發(fā)射電子中還有一部分接近原來入射時(shí)的動(dòng)能；所以二次發(fā)射電子中還有一部分接近一次發(fā)射電子能量的電子，但高于一次發(fā)射電子能量接近一次發(fā)射電子能量的電子，但高于一次發(fā)射電子能量的電子幾乎是沒有的。的電子幾乎是沒有的。 另外，二次發(fā)射系數(shù)還受一次電子入射角度影響。當(dāng)另外，二次發(fā)射系數(shù)還受一次電子入射角度影響。當(dāng)入射角在入射角在6060

24、7070時(shí)，達(dá)到最大值，這是因?yàn)樾比肷鋾r(shí)，時(shí)，達(dá)到最大值，這是因?yàn)樾比肷鋾r(shí)，入射電子深入物質(zhì)的深度要小些，因而沿表面逸出的電子入射電子深入物質(zhì)的深度要小些，因而沿表面逸出的電子要多些。要多些。光電倍增管工作原理光電倍增管工作原理 光電倍增管其結(jié)構(gòu)如光電倍增管其結(jié)構(gòu)如圖圖9-59-5所示，在一個(gè)玻璃泡內(nèi)所示，在一個(gè)玻璃泡內(nèi)除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干個(gè)光電倍除裝有光電陰極和光電陽極外，還裝有若干個(gè)光電倍增極，圖中增極，圖中K K為光電陰極，為光電陰極，D D1 1，D D2 2，為二次發(fā)射體，為二次發(fā)射體，又稱為倍增級(jí)，且在光電倍增極上涂以在電子沖擊下又稱為倍增級(jí)，且在光電倍增極上涂以

25、在電子沖擊下可發(fā)射更多次級(jí)電子的材料，倍增極的形狀及位置要可發(fā)射更多次級(jí)電子的材料，倍增極的形狀及位置要正好能使轟擊退行下去，在每個(gè)倍增極間均依次增大正好能使轟擊退行下去，在每個(gè)倍增極間均依次增大加速電壓，設(shè)每級(jí)的倍增率為加速電壓，設(shè)每級(jí)的倍增率為 ，若有，若有n n級(jí)，則光電級(jí)，則光電倍增管的光電流倍增率將為倍增管的光電流倍增率將為n n。光電傳增極一般采用。光電傳增極一般采用SbSb-Cs-Cs涂料或涂料或MgMg合金涂料，倍增極數(shù)可在合金涂料，倍增極數(shù)可在414414之間，之間，A A為陽極或收集陽極。為陽極或收集陽極。 值的范圍是值的范圍是3636。圖9-5 光電倍增管的結(jié)構(gòu)圖光電倍增

26、管的基本特性光電倍增管的基本特性積分靈敏度。積分靈敏度。光點(diǎn)倍增管的積分靈敏度決定于光電陰極的積分靈敏度和光電倍增管的放大倍數(shù)。假定陰極的積分靈敏度為，倍增管的放大倍數(shù)為M，則光電倍增管的積分靈敏度為F可以寫為F = M。 對(duì)于常用的光電倍增管，其積分靈敏度約為106，單位常用表示A/lm。放大倍數(shù)。放大倍數(shù)。電源電壓與放大倍數(shù)有很大關(guān)系。隨著電源電壓的增高，光電倍增管的放大倍數(shù)也將提高。電源電壓與放大倍數(shù)之間的關(guān)系，是光電倍增管的主要特性。陽極特性。陽極特性。光電倍增管的陽極特性為陽極電流對(duì)于最后一級(jí)倍增管和陽極間電壓的關(guān)系。光電特性。光電特性。光電特性是陽極電流Ia與光電陰極接收到的光通量

27、之間的關(guān)系。噪聲。噪聲。光電倍增管的噪聲由很多部分構(gòu)成。它包括光電陰極電子發(fā)射噪聲，倍增管二次發(fā)射噪聲，電阻熱噪聲等。它們共有的現(xiàn)象是在外界入射光保持絕對(duì)恒定的，光電倍增管的輸出，不是穩(wěn)定不變的，而是有一定的起伏。9.3光柵測(cè)量裝置 光柵很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，但應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域只有一百多年的歷史。光柵很早就被人們發(fā)現(xiàn)了，但應(yīng)用于技術(shù)領(lǐng)域只有一百多年的歷史。早期人們是利用光柵的衍射效應(yīng)進(jìn)行光譜分析和光波波長的測(cè)量，到早期人們是利用光柵的衍射效應(yīng)進(jìn)行光譜分析和光波波長的測(cè)量，到了了2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測(cè)量，年代人們才開始利用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測(cè)量

28、，從而出現(xiàn)了光柵測(cè)量裝置。光柵測(cè)量裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量精度從而出現(xiàn)了光柵測(cè)量裝置。光柵測(cè)量裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)，如測(cè)量精度高。在圓分度和角位移測(cè)量方面，一般認(rèn)為光柵測(cè)量裝置是精度最高高。在圓分度和角位移測(cè)量方面，一般認(rèn)為光柵測(cè)量裝置是精度最高的一種，可實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)量兼有高分辨率；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)的一種，可實(shí)現(xiàn)大量程測(cè)量兼有高分辨率；可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化；且具有較強(qiáng)的抗干擾能力等?，F(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化；且具有較強(qiáng)的抗干擾能力等。 因此，近些年來，光柵測(cè)量裝置在精密測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了因此，近些年來，光柵測(cè)量裝置在精密測(cè)量領(lǐng)域中的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。光柵測(cè)量裝

29、置迅速發(fā)展。光柵測(cè)量裝置( (或稱光柵測(cè)量系統(tǒng)或稱光柵測(cè)量系統(tǒng)) )是指利用光柵原理對(duì)輸是指利用光柵原理對(duì)輸入量入量( (位移量位移量) )進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。它包括三大部分：光進(jìn)行轉(zhuǎn)換、顯示的整個(gè)測(cè)量裝置。它包括三大部分：光柵光學(xué)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機(jī)械柵光學(xué)系統(tǒng)；實(shí)現(xiàn)細(xì)分、辨向和顯示等功能的電子系統(tǒng)；相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。9.3.1光柵光學(xué)系統(tǒng)光柵光學(xué)系統(tǒng)基本工作原理 在玻璃尺或玻璃盤上類似于刻線標(biāo)尺那樣，進(jìn)行長刻線(一盤為1012mm)的密集刻劃，得到如圖所示的黑白相間、間隔細(xì)小的條紋，沒有刻劃的白處透光，刻劃的黑處不透光，這就是光柵。 光柵上的刻

30、線稱為柵線，柵線的寬度為a，縫隙寬度為b，一般都取a=b，而a+b=d稱為光柵柵距。光柵柵距是光柵的重要參數(shù)。 如圖9-6圖9-6 光柵柵線放大圖返回課程返回課程光柵光學(xué)系統(tǒng)是由光源、透鏡、主光柵、指示光柵和光電元件構(gòu)成的，而光柵是光柵光學(xué)系統(tǒng)的主要元件。光源一般采用鎢絲燈泡；光電接收一般采用光電池和光敏三極管。 光柵光學(xué)系統(tǒng)的基本工作原理是用光柵的莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行測(cè)量的。取兩塊光柵柵距相同的光柵，其中一個(gè)為主光柵3，另一個(gè)為指示光柵4，指示光柵比主光柵要短，這兩者刻面相對(duì)，中間留有很小的間隙d，便組成光柵副。將其置于有光源1和透鏡2形成的平行光束的光路中，若兩光柵柵線之間有很小的夾角，則在近

31、似垂直于柵線方向上就顯現(xiàn)出比柵距d寬得多的明暗相間的條紋，這就是莫爾條紋。 如圖9-7圖9-7 光柵光學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)成原理圖返回課程返回課程莫爾條紋 由圖9-8可見，莫爾條紋中間為亮帶，上下為兩條暗帶。 相鄰的兩明暗條紋之間的距離稱為莫爾條紋間距，以表示。 圖9-8 莫爾條紋形成示意圖返回課程返回課程莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵尺的位移量、位移方莫爾條紋的移動(dòng)量、移動(dòng)方向與光柵尺的位移量、位移方向具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。向具有對(duì)應(yīng)關(guān)系。 在光柵測(cè)量中，一方面莫爾條紋的移動(dòng)量與光柵尺的位移量之間有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系；另一方面在兩塊光柵尺的柵線交角一定的條件下，莫爾條紋的移動(dòng)方向與光柵尺的位移方向之間也有嚴(yán)格的

32、對(duì)應(yīng)關(guān)系。莫爾條紋間距對(duì)光柵柵距具有放大作用。莫爾條紋間距對(duì)光柵柵距具有放大作用。在兩光柵柵尺線夾角較小的情況下，莫爾條紋寬度和光柵柵距d、柵線夾角間有下列近似關(guān)系： dSind22莫爾條紋對(duì)光柵柵距局部誤差具有消差作用。莫爾條紋對(duì)光柵柵距局部誤差具有消差作用。 在光柵測(cè)量中，光電元件接收的是一個(gè)區(qū)域內(nèi)所含眾多的柵線所形成的莫爾條紋。例如，設(shè)光柵柵距d=0.02mm，接收元件采用10mm10mm的硅光電池，則在硅光電池100mm寬度范圍內(nèi)，將有500條柵線參與工作。顯然，在這一區(qū)域內(nèi)個(gè)別柵線的柵距誤差，或個(gè)別柵線的斷裂或其它疵病，對(duì)整個(gè)莫爾條紋的位置和形狀的影響很微小，即莫爾條紋具有減小光柵柵

33、距局部誤差的作用。莫爾條紋測(cè)量位移的原理 用光柵的莫爾條紋測(cè)量位移，長度與測(cè)量反相一致的標(biāo)尺光柵（主光柵）固定在運(yùn)動(dòng)零件上，隨零件一起運(yùn)動(dòng)。短的指示光柵與光電元件固定不動(dòng)。當(dāng)兩塊光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，對(duì)某一點(diǎn)觀察，可以觀察到莫爾條紋的光強(qiáng)的變化。設(shè)初始位置為接收亮帶信號(hào)，隨著光柵移動(dòng)，光強(qiáng)的變化，由亮進(jìn)入稍暗，然后半亮半暗，全暗，半暗半亮，全亮。莫爾條紋的變化經(jīng)歷了一個(gè)周期，即移動(dòng)了一個(gè)條紋間距，也就是說光柵移動(dòng)一個(gè)柵距。光強(qiáng)的變化規(guī)律由圖9-9所示，為一近似的正弦曲線。圖9-9 光強(qiáng)變化曲線 返回課程返回課程v光電元件把接收到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，輸出與位移的關(guān)系由下式表示： v式中，U0直

34、流電壓分量；d柵距；x位移。v光柵移動(dòng)一個(gè)柵距，莫爾條紋走過一個(gè)條紋間距，電壓輸出的正弦變化正好經(jīng)歷一個(gè)周期，可通過電路整形處理，變成一個(gè)脈沖輸出。脈沖數(shù)（條紋數(shù)）與移過的柵距數(shù)是一一對(duì)應(yīng)的，因此位移量為x=Nd。據(jù)此可知運(yùn)動(dòng)零件的位移量。wxSinUUum220光柵的種類光柵的種類 光柵的種類很多，若按工作原理分，有物理光柵和計(jì)量光柵兩種，前者用于光譜儀器，作色散元件，后者主要用于精密測(cè)量和精密機(jī)械的自動(dòng)控制中。而計(jì)量光柵按其用途可分為長光柵和圓光柵兩類。 9.3.2辨向原理和細(xì)分電路辨向原理和細(xì)分電路辨向原理辨向原理v在實(shí)際應(yīng)用中，大部分被測(cè)物體的移動(dòng)往往不是單向的，既有正向運(yùn)動(dòng)，也可能有反向運(yùn)動(dòng)。單個(gè)光電元件接收一固定的莫爾條紋信號(hào)，只能判別明暗的變化而不能辨別莫爾條紋的移動(dòng)方向，因此就不能判別光柵的運(yùn)動(dòng)方向，以至不能正確測(cè)量位移。v如果能夠在物體正向移動(dòng)時(shí)，將得到的