CH9光电式传感器含答案传感器与检测技术第2版习题及解答

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1、第9章 光电式传感器一、单项选择题1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（ ）。A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（ ）。A. 光电管 B. 光电池C. 光敏电阻 D. 光敏二极管3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（ ）。A. 伏安特性 B. 光照特性C. 光谱特性 D. 频率特性4、下列光电器件是基于光导效应的是（ ）。A. 光电管 B. 光电池C. 光敏电阻 D. 光敏二极管5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（ ）。A. 伏安特性 B. 光

2、照特性C. 光谱特性 D. 频率特性6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（ ）。A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性7、光电式传感器是利用（ ）把光信号转换成电信号。A. 被测量 B. 光电效应 C. 光电管 D. 光电器件8、光敏电阻的特性是（ ）A有光照时亮电阻很大 B无光照时暗电阻很小 C无光照时暗电流很大 D受一定波长范围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（

3、）A光电管 B.光敏电阻C光电池 D.光电倍增管10、CCD以（ ）为信号A. 电压 B.电流C电荷 D.电压或者电流11、构成CCD的基本单元是（ ）A. P型硅 结C. 光电二极管 电容器12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（ ）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。A.位移 B.压力 C.温度 D.光电13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到

4、载波光波上。 A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为( )。A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器16、半导体激光发光是由( )之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.原子 B.分子 C.离子 D.能带17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型( )和玻璃作为工作物质的激光器。A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体18、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称

5、为( )。 A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为( )。 A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以( )作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。 A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻21、光纤是用( )作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。 A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金22、数值孔径NA是光纤的

6、一个重要参数，以下说法不正确的是（ ） A数值孔径反映了光纤的集光能力 B光纤的数值孔径与其几何尺寸有关C数值孔径越大，光纤与光源的耦合越容易 D数值孔径越大，光信号的畸变也越大23、循环码0110对应的二进制码是（ ）。A. 0110 B. 0100 C. 0101 D. 100124、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距（ ）A与栅线的宽度成正比 B.与栅线间宽成正比C与夹角近似成正比 D.与栅距近似成正比25、现有一个采用4位循环码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是0101，则该码盘转动的角度可能会是（ ）A45 26、现有一个采用4位循环

7、码码盘的光电式编码器，码盘的起始位置对应的编码是0011，终止位置对应的编码是1111，则该码盘转动的角度可能会是（ ）A60 27、一个6位的二进制光电式编码器，其测量精度约为（ ）A B. C D. 6028、（ ）属于脉冲盘式编码器。A接触式编码器B光电式编码器C增量编码器D电磁式编码器29、采用50线/mm的计量光栅测量线位移,若指示光栅上的莫尔条纹移动了12条,则被测线位移为（ ）mm A B. 0.12 C D. 二、多项选择题1、光纤传感器用的光纤主要有两种：（ ） A.单模光纤 B.多模光纤 C.单晶光纤 D.多晶光纤2、光纤传感器与传统传感器相比有许多特点，包括以下哪几种？（

8、 ）A.灵敏度高 B.结构简单 C.耗电量小 D.绝缘性好3、光探测器是光纤传感器构成的一个重要部分，它的性能指标将直接影响传感器的性能。光纤传感器对光探测器的要求包括以下那几个？（ ）A.线性好，按比例地将光信号转换为电信号 B.灵敏度高，能敏度微小的输入光信号，并输出较大的电信号 C.产品结构简单，易维护 D.性能稳定，噪声小4、光纤传感器中常用的光探测器有以下哪几种？（ ） A.光电二极管 B.光电倍增管 C.光敏电阻 D.固体激光器5、光纤医用传感器是用来测量人体和生物体内部有关医疗诊断等医学参量的光纤传感器，目前使用的有以下哪几种？（ ）A.光纤氧饱和度传感器 B.光纤pH值传感器

9、C.光纤体温计 D.光纤体压计6、以下传感器中属非接触式的有：（ ）A.电磁式编码器 B.光电式编码器 C.脉冲盘式编码器 D.计量光栅7、计量光栅的特点是（ ）。A测量精度高B成本低C非接触式D对环境要求不高三、填空题1、光电式传感器由 及 两大部分组成。2、光敏电阻 与 之差称为光电流。3、光电池与光敏二极管、光敏三极管都是PN界，主要区别在于后者的PN结。4、CCD的突出特点是以 作为信号。5、光纤工作的基础是 。6、光纤传感器技术是本世纪70年代末发展起来的一门崭新的技术，是传感器技术的新成就，光纤传感器技术是随着 和 的发展而形成的。7、一般来说，固体激光器可以分为四个主要部分：工作

10、物质、 、谐振，冷却系统以及 。8、按照工作原理的不同，可将光电式传感器分为 、红外热释传感器、固体图像传感器和 。9、按照测量光路组成来看，光电式传感器可以分为 、 、辐射式和开关式光电传感器。10、光电传感器的理论基础是光电效应。通常把光线照射到物体表面后产生的光电效应分为三类。第一类是利用在光线作用下光电子逸出物体表面的 效应,这类元件有 ；第二类是利用在光线作用下使材料内部电阻率改变的 效应，这类元件有 ；第三类是利用在光线作用下使物体内部产生一定方向电动势的光生伏特效应，这类元件有光电池、光电仪表。11、循环码1101对应的二进制码是 。12、采用4位二进制码盘能分辨的角度为 。13

11、、计量光栅是利用光栅的 现象进行测量的。14、光栅测量原理是以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为 。15、莫尔条纹有 、 和 这三个重要特点。16、当两块光栅的夹角很小时，光栅莫尔条纹的间距与 近似成反比。17、目前为止，数字式传感器最主要的两种类型是 和 。18、直线式编码器用于测量 ， 用于测量角位移。19、计量光栅主要由 和 两部分组成。20、计量光栅中的光电转换装置包括主光栅、 、 和光电元件。21、为了提高光栅的分辨率，测量比栅距更小的位移量，光栅采用细分技术，常有的细分技术有直接细分、 和 。22、数字式传感器是能够直接将 转换为 的传感器。与模拟式传感器相比，具有测量精

12、度和分辨率高、 、抗干扰能力强、便于与微机接口和适宜 的优点。23、数字式传感器主要有 和 两种类型，可用于 和 测量。24、编码器按结构形式可分为 和 两大类，分别用于测量 和 。25、计量光栅利用光栅的 现象，以线位移和 为基本测试内容，应用于高精度加工机床、光学坐标镗床、制造大规模集成电路的设备及检测仪器等。26、计量光栅按应用范围不同可分为 和 ；按用途不同有测量线位移的 和 ；按光栅结构不同，又可分为 和 。四、简答题1、什么是光电式传感器？2、光电式传感器的基本工作原理是什么？ 3、光电式传感器的基本形式有哪些？4、什么是光电器件？5、典型的光电器件有哪些？6、CCD的电荷转移原理

13、是什么？7、什么是全反射？8、光纤的数值孔径有何意义？9、何谓CCD势阱？ 10、光电器件有哪几种类型？各有何特点？11、光在光纤中是怎样传输的？12、对光纤及入射光的入射角有什么要求？13、试述光敏电阻的工作原理。14、试述光敏二极管的工作原理。15、试述光敏三极管的工作原理。16、试述光电池的工作原理。17、简述什么是光电导效应？18、简述什么是光生伏特效应？19、简述什么是外光电效应？20、典型的光电器件有哪些？21、简述光纤传感器的组成。22、简述光纤传感器的工作原理。23、请简述光导纤维传光原理。24、请简述半导体光吸收型光纤温度传感器的工作原理。25、什么是光电效应? 26、光纤传

14、感器技术是一门多学科性科学，涉及到的知识面很广泛，请列举至少四门这样的学科。27、光导纤维有哪些优点？光纤式传感器中光纤的主要优点有哪些？ 28、光纤损耗是如何产生的？29、光纤损耗对光纤传感器有哪些影响？30、什么是光电效应和光电器件？31、常用的光电器件有哪几大类？试解释这几类光电器件各自的工作基础并举例。32、利用某循环码盘测得的结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？33、透射式光栅传感器的莫尔条纹是怎样产生的？条纹间距、栅距和夹角的关系是什么？ 34、如何判别光栅传感器的运动方向？ 35、如何实现提高光电式编码器的分辨率？36、二进制码与循环码各有何特点？并说明它们的互换原理。3

15、7、简述光栅莫尔条纹测量位移的三个主要特点?38、简述光栅读数头的组成和工作原理？39、简述计量光栅的结构和基本原理。40、试区分硅光电池和硒光电池的结构与工作原理。41、试介绍MOS光敏单元的工作原理。42、CCD的电荷转移原理是什么？43、试对面阵型CCD图像传感器进行分类，并介绍它们各自有何特点？44、为什么要求CCD器件的电荷转移效率要很高？45、举例说明CCD图像传感器的应用。46、试解释光电式编码器的工作原理。47、计量光栅是如何实现测量位移的？48、计量光栅中为何要引入细分技术？49、细分的基本原理是什么？五、计算题1、试计算n1=,n2=的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如光纤外部

16、介质的n0=1，求最大入射角c的值。2、一个8位光电码盘的最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度至大为0.01mm，则码盘半径应有多大？3、一个21码道的循环码盘，其最小分辨力1=?，若一个1角对应圆弧长度至少为0.001mm，问码盘直径多大？4、若某光栅的栅线密度为50线/mm，主光栅与指标光栅之间夹角。求：(1)求其形成的莫尔条纹间距是多少?(2)若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为，问此时光栅允许最快的运动速度是多少?5、利用一个六位循环码盘测量角位移,其最小分辨率是多少？如果要求每个最小分辨率对应的码盘圆弧长度最大为0.01mm,则码盘半径

17、应有多大?若码盘输出数码为“101101”,初始位置对应数码为“110100”,则码盘实际转过的角度是多少？6、设某循环码盘的电刷初始位置为“0000”，利用该循环码盘测得结果为“0110”，其实际转过的角度是多少？第9章 光电式传感器一、单项选择题题号答案知识点1D光电式传感器的类别2A光电效应与光电器件3B光电效应与光电器件4C光电效应与光电器件5C光电效应与光电器件6D光电效应与光电器件7D概述8D光电效应与光电器件9C光电效应与光电器件10CCCD图像传感器11DCCD图像传感器12A光纤传感器13D光纤传感器14A光纤传感器15D光纤传感器16D光纤传感器17C光纤传感器18B光纤传

18、感器19C光纤传感器20A光纤传感器21B光纤传感器22B光纤传感器23B光电式编码器24D计量光栅25C光电式编码器26C光电式编码器27A光电式编码器28C光电式编码器29C计量光栅二、多项选择题题号答案知识点1AB光纤传感器2ABCD光纤传感器3ABD光纤传感器4ABC光纤传感器5ABCD光纤传感器6ABD光电式传感器7AC计量光栅三、填空题 题号答案知识点1光路；电路光电式传感器的基本形式2亮电流；暗电流光电效应与光电器件3处于反向偏置光电效应与光电器件4电荷CCD固体图像传感器5光的全反射光纤传感器6光导纤维；光通信技术光纤传感器7泵浦系统；滤光系统光纤传感器8光电效应传感器；光纤传

19、感器光纤传感器9透射式；反射式光电式传感器的基本形式10外光电；光电管、光电倍增管；内光电；光敏电阻光电效应与光电器件111001 光电式编码器12光电式编码器13莫尔条纹计量光栅14光栅栅距计量光栅15位移放大；辨别运动方向（辨向）；误差平均效应计量光栅16（刻线）夹角计量光栅17编码器；脉冲数字传感器光电式编码器18线位移；旋转式编码器光电式编码器19光电转换装置；光栅数显表计量光栅20指示光栅；光路系统计量光栅21倍频细分；电桥细分 计量光栅22非电量；数字量；稳定性好；远距离传输光电式编码器23编码器；脉冲数字传感器；位移；计数光电式编码器24直线式；旋转式；线位移；角位移光电式编码器

20、25莫尔条纹；角位移计量光栅26透射光栅；射光栅；长光栅；圆光栅；幅值（黑白）光栅；相位（闪耀）光栅计量光栅四、简答题1、答：光电式传感器（或称光敏传感器）：利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电流、电阻等）的装置。知识点：概述2、答：光电式传感器的基本工作原理是基于光电效应的，即因光照引起物体的电学特性而改变的现象。知识点：概述3、答：光电式传感器按测量光路组成来看，可分为4种基本形式：透射式光电传感器反射式光电传感器辐射式光电传感器开关式光电传感器知识点：光电式传感器的基本形式4、答：光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部件。知识点：光电效应与光电器件5、

21、答：典型的光电器件有基于外光电效应的光电管和光电倍增管，基于内光电效应的光电池、光敏电阻、光敏二极管以及光敏三极管。知识点：光电效应与光电器件6、答：CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 知识点：CCD图像传感器7、答：当入射角大于临界角时，光线就不会透过其界面而全部反射到光密介质内部，即发生全反射。知识点：光纤传感器8、答：光纤的数值孔径是光纤的一个重要参数，它

22、能反映光纤的集光能力，光纤的NA越大，表面它可以在较大入射角范围内输入全反射光，集光能力就越强，光纤与光源的耦合越容易，且保证实现全反射向前传播。但NA越大，光信号的畸变也越大，所以要适当选择NA的大小。知识点：光纤传感器9、答：如果MOS电容器中的半导体是P型硅，当在金属电极上施加一个正电压Ug时，P型硅中的多数载流子（空穴）受到排斥，半导体内的少数载流子（电子）吸引到P-Si界面处来，从而在界面附近形成一个带负电荷的耗尽区， 也称CCD势阱。知识点：CCD图像传感器10、答：光电器件有两种类型，一种是基于内光电效应的光电器件，一种是基于外光电效应的光电器件。外光电效应光电器件是基于外光电效

23、应的，当光照射到金属或金属氧化物的光电材料上时，光子的能量传给光电材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子会克服正离子对它的吸引力，脱离材料表面而进入外界空间，这种现象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象。这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种。知识点：光电效应与光电器件11、答：光在同一种介质中是直线传播的，当光线以不同的角度入射到光纤端面时，在端面发生折射进入光纤后，又入射到折射率较大的光密介质（纤芯）与折射率较小的

24、光疏介质（包层）的交界面，光线在该处有一部分投射到光疏介质，一部分反射回光密介质。对光纤的要求是包层和纤芯的折射率不同，且纤芯的折射率大于包层的折射率。知识点：光纤传感器12、答：对入射角的要求是入射角小于临界角。知识点：光纤传感器13、答：光敏电阻是基于光电导效应。在光线作用下，对于半导体材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半导体材料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度增加，半导体的导电性增加，阻值减低的现象。知识点：光电效应与光电器件14、答：光电池是基于光生伏特效应。在光线的作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。如光电池。 知识点：光电效应与光电器件15、答：

25、光敏二极管是基于内光电效应中的光生伏特效应。知识点：光电效应与光电器件16、答：光敏三极管是基于内光电效应中的光生伏特效应。知识点：光电效应与光电器件17、答：光电导效应是指在光线作用下，半导体材料吸收入射光子的能量，如果入射光子的能量大于或等于半导体材料的禁带宽度，将激发出电子空穴对，使载流子浓度增加，导电性增加，阻值降低的现象。知识点：光电效应与光电器件18、答：光生伏特效应是指在光线作用下，能使物体产生一定方向的电动势的现象。知识点：光电效应与光电器件19、答：外光电效应是指在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象。知识点：光电效应与光电器件20、答：光电导效应的典型光电器件是光敏电阻；

26、光生伏特效应的典型光电器件是光电池；外光电效应的典型光电器件是光电管（光电二极管、光电晶体管）、倍增管。知识点：光电效应与光电器件21、答：光纤传感器由光源、（光纤或非光纤的）敏感元件、光纤、光探测器、信号处理系统等组成。知识点：光纤传感器22、答：光纤传感器的工作原理：由光源发出的光通过源光纤引到敏感元件，被测参数（温度、压力、应变、振动等）作用于敏感元件，在光的调制区内，使光的某一性质（光强、波长/频率、相位、偏振态）受到被测量的调制，调制后的光信号经过接收光纤耦合到光探测器，将光信号转换为电信号，最后经过信号处理得到所需要的被测量。知识点：光电效应与光电器件23、答：当光线从折射率为n1

27、的介质入射到折射率为的介质时，在介质分界面上将产生折射现象。其规律是：入射角于折射角的正弦之比与两种介质的折射率成反比，即：，其中是光纤纤芯的折射率，是其包层介质的折射率。因为 ，则，当入射角增大到某一角度时，折射率将等于90，这时入射光线不再进入包层介质，而开始产生全反射的入射角称为临界角，当继续增大时，发生了全反射，于是光便在光纤中沿轴向前传播。这就是光纤的传光原理。不满足全反射条件的光线，由于在界面上只能部分反射，势必有一些能量会辐射到包层中去，致使光能量不能有效传播。通常能在波导再传播的光为传输模（导模），不能传播的光为辐射模。知识点：光电效应与光电器件24、答：半导体光吸收型光纤温度

28、传感器利用半导体的光吸收响应随温度高低而变化的特性，根据透过半导体的光强变化检测温度。温度变化时，半导体的透光率亦随之变化。当温度升高时，其透过光强将减弱，测出光强变化就可知对应的温度变化。这类温度计的测温范围为-30300。知识点：光电效应与光电器件25、答：当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。这种现象称为光电效应。知识点：光电效应与光电器件26、答：纤维光学、光电技术、弹性力学、电磁学、电子技术以及微型计算机技术等等。知识点：光电效应与光电器件27、答：光导纤维工作的基础是光的全内

29、反射，当射入的光线的入射角大于纤维包层间的临界角时，就会在光纤的接口上产生全内反射，并在光纤内部以后的角度反复逐次反射，直至传递到另一端面。它的优点有：具有优良的传旋光性能，传导损耗小；频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；能在恶劣的环境下工作，能进行远距离信号的传送。功能型光纤传感器其光纤不仅作为光传播的波导，而且具有测量的功能。它可以利用外界物理因素改变光纤中光的强度、相位、偏振态或波长，从而对外界因素进行测量和数据传输。知识点：光电效应与光电器件28、答：光纤损耗产生的原因有：吸收性损耗：吸收损耗与组成光纤的材料的中子受激和分子共振有关，当光的频率与分子的振动频率接近或相等时，会发

30、生共振，并大量吸收光能量，引起能量损耗。散射性损耗：是由于材料密度的微观变化、成分起伏，以及在制造过程中产生的结构上的不均匀性或缺陷引起。一部分光就会散射到各个方向去，不能传输到终点，从而造成散射性损耗。辐射性损耗：当光纤受到具有一定曲率半径的弯曲时，就会产生辐射磁粒。知识点：光电效应与光电器件29、答：光纤损耗对光纤传感器的影响有：弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲；微弯曲：当把光纤组合成光缆时，可能使光纤的轴线产生随机性的微曲。知识点：光电效应与光电器件30、答：所谓光电效应，是指物体吸收了具有一定能量的光子后所产生的的电效应。根据光电效应原理工作的光电转换元件称为光电器件。知识点：光电效应与

31、光电器件31、答：常用的光电器件主要有外光电效应器件和内光电效应器件两大类。外光电效应器件的工作基础是基于外光电效应。所谓外光电效应，是指在光线作用下，电子逸出物体表面的现象。相应光电器件主要有光电管和光电倍增管。内光电效应器件的工作基础是基于内光电效应。所谓内光电效应，是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的现象，它可分为光导效应和光生伏特效应。内光电效应器件主要有：光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管。知识点：光电效应与光电器件32、答：循环码“0110”对应的二进制码是“0100”，转换成十进制数是4，该4位码盘的最小分辨率为360/24=所以实际转过的角度为4=9

32、0。知识点：光电式编码器33、答： 把两块栅距相等的光栅（光栅1、光栅2）叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，这样就可以看到在近于垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，这些条纹叫莫尔条纹。在d - d线上，两块光栅的栅线重合，透光面积最大， 形成条纹的亮带， 它是由一系列四棱形图案构成的；在f - f线上，两块光栅的栅线错开，形成条纹的暗带，它是由一些黑色叉线图案组成的。因此莫尔条纹的形成是由两块光栅的遮光和透光效应形成的。 莫尔条纹的间距BH与两光栅线纹夹角之间的关系为：知识点：计量光栅34、答：为了能够辨向，需要有相位差为/2的两个电信号。 在相隔BH/4间距

33、的位置上，放置两个光电元件1和2，得到两个相位差/2的电信号u1和u2（图中波形是消除直流分量后的交流分量），经过整形后得两个方波信号u1和u2。 当光栅沿A方向移动时，u1经微分电路后产生的脉冲, 正好发生在u2的“1”电平时，从而经Y1输出一个计数脉冲；而u1经反相并微分后产生的脉冲，则与u2的“0”电平相遇，与门Y2被阻塞，无脉冲输出。在光栅沿A方向移动时，u1的微分脉冲发生在u2为“0”电平时，与门Y1无脉冲输出；而u1的反相微分脉冲则发生在u2 的“1”电平时， 与门Y2输出一个计数脉冲。u2的电平状态作为与门的控制信号，来控制在不同的移动方向时，u1所产生的脉冲输出。 这样就可以根

34、据运动方向正确地给出加计数脉冲或减计数脉冲， 再将其输入可逆计数器，实时显示出相对于某个参考点的位移量。 知识点：计量光栅35、答：光电式编码器的分辨率与码道数有关，如果分辨率要求很高，采用单盘方式不仅要求圆盘直径增大，而且精度也难以达到，因此可考虑采用双编码器，用两个较低分辨率的码盘来组合成一个较高分辨率的编码器。知识点：光电式编码器36、答：二进制码盘简单，但在实际应用中，对码盘的制作和电刷的安装要求十分严格，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗误差。这主要是因为二进制码当某一较高的数码改变时，所有比它低的各位数码均需同时改变。 为了消除粗误差，可用循环码代替二进制码。循环码是一种无权码

35、，从任何数变到相邻数时，仅有一位数码发生变化。如果任一码道刻划有误差，只要误差不太大，且只可能有一个码道出现读数误差，产生的误差最多等于最低位的一个比特。二进制码转循环码：循环码转二进制码：知识点：光电式编码器37、答：光栅莫尔条纹测位移的三个主要特点：（1）位移的放大作用：光栅每移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个宽度，莫尔条纹的间距与两光栅夹角的关系为：由此可见，越小，越大，相当于把W放大了1/倍。即光栅具有位移放大作用，从而可提高测量的灵敏度。 （2）莫尔条纹移动方向：当固定一个光栅时，另一个光栅向右移动时，则莫尔条纹将向上移动；反之，如果另一个光栅向左移动，则莫尔条纹将向下移动。因此，莫

36、尔条纹的移动方向有助于判别光栅的运动方向。 （3）误差的平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线形成的，对线纹的刻划误差有平均抵消作用。 知识点：计量光栅38、答：光栅读数头主要由标尺光栅、指示光栅、光路系统和光电元件等组成。其工作原理：标尺光栅固定在被测物体上，指示光栅相对于光电元件固定，两光栅在光照下可形成具有明暗相间带的莫尔条纹。标尺光栅移动一个栅距W，光强变化一个周期，用光电元件接收莫尔条纹移动时光强的变化，就可将光信号转换为接近于正弦周期函数的电信号输出，从而可知被测物体移动位移的大小。知识点：计量光栅39、答：计量光栅传感器的结构包括两个部分：光电转换装置和光栅数显表，其中前者又包括以

37、下四个部分：主光栅(又称标尺光栅) ，均匀地刻划有透光和不透光的线条；指示光栅，刻有与主光栅同样刻线密度的条纹；光路系统，包括光源和透镜；光电元件。计量光栅主要利用了莫尔条纹现象。主光栅与指示光栅的栅线叠合在一起，中间保持很小的夹角，在大致垂直于栅线的方向上会出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。光栅测量原理就是以移动的莫尔条纹的数量来确定位移量，其分辨率为光栅栅距。知识点：计量光栅40、答：硅光电池是在一块N型硅片上，用扩散的方法渗入一下P型杂质形成PN结。当入射光照射在PN结上时。若光子能量大于半导体材料的禁带宽度 ，则在PN结附近激发出电子空穴对，在PN结内电场的作用下，N型区的光生空穴被拉

38、向P型区，P型区的光生电子被拉向N型区，结果使P区带正电，N区带负电，这样PN结就产生了电位差，若将PN结两端用导线连接起来，电路中就有电流流过，电流方向有P型区流经外电路至N型区。若将外电路断开，就可以测出光生电动势。硒光电池是在铝片上涂硒（P型），再用溅射的工艺，在硒层生形成一层半透明的氧化镉（N型）。在正、反两面喷上低隔合金作为电极，在光线照射下，镉材料带负电，硒材料带正电，形成电流或者电动势。知识点：光电效应与光电器件41、答：对于光敏单元，当受到光线照射时，在光子的作用下，半导体内产生电子空穴对，空穴被排斥，电子被电子势阱俘获。这种光生电子作为反映光强的载体电荷包被收集，成为光电荷注

39、入，实现光信号向电荷信号的转变。知识点：CCD图像传感器42、答：CCD器件基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS光敏元，这些光敏元使用同一半导体衬底；氧化层均匀、连续；相邻金属电极间隔极小。任何可移动的电荷都将力图向表面势大的位置移动。为了保证信号电荷按确定的方向和路线转移，在MOS光敏元阵列上所加的各路电压脉冲要求严格满足相位要求。 知识点：CCD图像传感器43、答：面阵型CCD可分为行传输、帧传输和行间传输三种。行传输特点：有效光敏面积大、转移速度快、转移效率高。帧传输特点：单元密度高、电极简单。行间传输特点：感光单元面积小，密度高，图像清晰。知识点：CCD图像传感器44、答：由于信号电荷

40、在传输过程中持续的光照会产生电荷，使信号电荷发生重叠，在显示器中出现模糊现象。因此在CCD摄像器件中有必要把摄像区和传输区分开，并且在时间上保证信号电荷从摄像区转移到传输区得时间小于摄像时间。知识点：CCD图像传感器45、答：计量检测仪器，光学信息处理，生产过程自动化，军事应用。知识点：CCD图像传感器46、答：光电式编码器：是将机械转动的位移（模拟量）转换成数字式电信号的传感器。光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。码盘式编码器由光源、与旋转轴相连的码盘、窄缝、光敏元件等组成。当来自光源（多采用发光二极管）的光束经聚光透镜投射到码盘上时，转动码盘，光束经过码盘进行角度编码，再经窄缝

41、射入光敏元件（多为硅光电池或光敏晶体管）组。光敏元件的排列与码道一一对应，即保证每个码道有一个光敏元件负责接收透过的光信号。光码盘转至不同的位置时，光敏元件组输出的信号反映了码盘的角位移大小。脉冲盘式编码器是在圆盘上开有两圈相等角矩的缝隙，外圈A为增量码道、内圈B为辨向码道，内、外圈的相邻两缝隙之间的距离错开半条缝宽，另外，在内外圈之外的某一径向位置，也开有一缝隙，表示码盘的零位，码盘每转一圈，零位对应的光敏元件就产生一个脉冲，称为“零位脉冲”。在开缝圆盘的两边分别安装光源及光敏元件，光栏板上有两个狭缝，其距离是码盘上两个相邻狭缝距离的四分之一倍，并设置了两组对应的光敏元件（称为cos、sin

42、元件），对应两个信号（四分之一间距差保证了两路信号的相位差为900，便于辨向）。当码盘随被测工作轴转动时，每转过一个缝隙就发生一次光线明暗的变化，通过光敏元件产生一次电信号的变化，所以每圈码道上的缝隙数将等于其光敏元件每一转输出的脉冲数。利用计数器记录脉冲数，就能反映码盘转过的角度。知识点：光电式编码器47、答：两块具有相同栅距的长光栅叠合在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线之间形成一个很小的夹角，则在大致垂直于栅线的方向上出现明暗相间的莫尔条纹。莫尔条纹测位移具有以下特点：对位移的放大作用光栅每移动一个栅距，莫尔条纹移动一个间距。莫尔条纹的间距与两光栅夹角的关系为：式中：光栅的栅距刻线

43、夹角。越小，越大，相当于把放大了1/倍。即光栅具有位移放大作用，从而可提高测量的灵敏度。莫尔条纹移动方向光栅每移动一个光栅间距，条纹跟着移动一个条纹宽度。当固定一个光栅时，另一个光栅向右移动时，则莫尔条纹将向上移动；反之，如果另一个光栅向左移动，则莫尔条纹将向下移动。因此，莫尔条纹的移动方向有助于判别光栅的运动方向。利用光栅具有莫尔条纹的特性，通过测量莫尔条纹的移动数和移动方向，可以测量两光栅的相对位移量。知识点：计量光栅48、答：计量光栅的测量是以移过的莫尔条纹的数量来确定位移量的，其分辨率为光栅栅距。为了进一步提高测量精度，需要提高分辨率，测量比光栅栅距更小的位移量，因此要引入细分技术。知

44、识点：计量光栅49、答：细分的基本原理：就是为了得到比栅距更小的分度值，即在莫尔条纹信号变化一个周期内，发出若干个计数脉冲，以减小每个脉冲相当的位移，相应地提高测量精度，如一个周期内发出个脉冲，计数脉冲频率提高到原来的倍，每个脉冲相当于原来栅距的1/，则测量精度将提高到原来的倍。具体的细分方法可以采用机械或电子方式实现，常用的有倍频细分法和电桥细分法。知识点：计量光栅五、计算题1、解：知识点：光纤传感器2、解：知识点：光电式编码器3、解：知识点：光电式编码器4、解：(1)由光栅密度50线/mm，可知其光栅栅距根据公式可求莫尔条纹间距，式中为主光栅与指标光栅夹角，得(2)光栅运动速度与光敏二极管

45、响应时间成反比，即所以最大允许速度为。知识点：计量光栅5、解： 该循环码盘为六位循环码盘 最小分辨率为： 设码盘半径为，的角度对应圆弧长度为0.01mm, 又 码盘输出数码为“101101”，将其转换为二进制码，则循环码：1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1二进制码：1 1 0 1 1 0 二进制码为110110，对应十进制数为： 同理，由于初始位置对应数码为“110100”，将其转换为二进制码，则 循环码：1 1 0 1 0 0 1 0 0 1 1二进制码：1 0 0 1 1 1 二进制码为100111，对应十进制数为： 码盘实际转过的角度为： 知识点：光电式编码器6、解：由循环码转换为二进制码：0110与(0)010取异或得二进制码为：0100所以实际转过的角度。知识点：光电式编码器