《传感器与检测技术简明教程》-胡蓉 习题及答案 CH9 光电式传感器

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

（）o

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（）o

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（）

A.光电管B.光敏电阻

C.光电池D.光电倍增管

10>CCI）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B.PN结

C.光电二极管D.MOS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、利用外界因素对于丑纤中光波相位的变化来探利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I）.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.数侑孔径越大，光信号的畸变也越大

23、循环码0110对应的二进制码是（）o

A.0110B.0100C.0101D.1001

24、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（）

A.45°B.60°C.90°0.120°

26、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1111,则该码盘转动的角度可能会是（）

A.60°B.90°C.180°D.270°

27、一个6位的二进制光电式编码器，其测量精度约为（）

A.5.6°B.0.17°C.0.016°D.60°

28、（）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

I）.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.0.02B.0.12C.0.24D.0.48

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，包括以下哪儿种？（）

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

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o

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c

7、一般来说，固体激光器可以分为四个主要部分：工作物质、、谐振，冷却

系统以及o

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C.

12、采用4位二进制码盘能分辨的角度为。

13、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中光栅、、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O

25、计量光栅利用光栅的现象，以线位移和为基本测试内容，

应用于高精度加丁机床、光学坐标镶床、制造大规模集成电路的设备及检测仪器等c

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O

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、光电器件有哪儿种类型？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、简述什么是光牛伏特效应？

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。

37、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n】=l.46,n2=l.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如光纤外部介质的求最

大入射角。，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，其最少分辨力01=?,若一个9।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/nm,主光栅与指标光栅之间夹角6=0.01md。求：

(1)求其形成的莫尔条纹间距8〃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ICTS,问此时

光栅允许最快的运动速度v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

光电效应与光电器件

RR

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

7D概述

光电效应与光电器件

8I)

光电效应与光电器件

9C

10CCCD图像传感器

11DCCD图像传感器

12A光纤传感器

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

光纤传感器

19C

光纤传感器

20A

光纤传感器

21B

22B光纤传感器

23B光电式编码器

24D计量光栅

光电式编码器

25C

光电式编码器

26C

光电式编码器

27A

光电式编码器

28C

29C计量光栅

二、多项选择题

题号答案知识点

1AB光纤传感器

光纤传感器

2ABCD

光纤传感器

3ABD

光纤传感器

4ABC

光纤传感器

5ARCD

6ABD光电式传感器

7AC计量光栅

三、厚1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

1222.5°光电式编码器

13莫尔条纹计量光栅

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

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

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

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

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）计量光栅

光栅；相位（闪耀）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、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尤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••个重要参数，它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电时，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【可光密介质。

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：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，将激发出电子一空穴对，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；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：当光线从折射率为外nl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：

sin族_%

不7=7,其中々是光纤纤芯的折射率，/是其包层介质的折射率。因为%>%，

则创<02,当入射角加增大到某一角度〃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，当如继续增大时，^2>90°,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

-30C—300℃。

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：①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，会发生共振，并大量吸收光能

量，引起能量损耗。②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。③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：①弯曲半径比光纤直径大很多的弯曲；②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：光电效应与光申器件

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°/2=22.5°

所以实际转过的角度为4X22.5°=90°。

知识点：光电式编码器

33、答：①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。

②莫尔条纹的间距均与两光栅线纹夹角。之间的关系为：

nW/2W

4二十万

sin-

2

知识点：计量光栅

34、答：为了能够辨向，需要有相位差为兀/2的两个电信号。在相隔序/4间距的位置上,

放置两个光电元件1和2,得到两个相位差”/2的电信号力和勿（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和〃2'。

当光栅沿/方向移动时，经微分电路后产生的脉冲，正好发生在出'的“1”电平

时，从而经J］输出一个计数脉冲；而为'经反相并微分后产生的脉冲，则与〃2’的“0”

电平相遇，与门诊被阻塞，无脉冲输出。

在光栅沿一力方向移动时，的微分脉冲发生在"'为“0”电平时，与门-1无脉冲

输出；而的反相微分脉冲则发生在u2'的“1”电平时，与门与输出一个计数脉冲。

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，“'所产生的脉冲输出。

这样就可以根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，月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，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：G=B〃[

G=8®%（i=On-\\

循环码转二进制码：Bn=Cn

㊉耳+|（i=On-1）/

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3〃，莫尔

条纹的间距BH与两光栅夹角夕的关系为：

n2WW

H.00

sin

2

由此可见，。越小，3〃越大，3〃相当于把W放大了1/夕倍。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恍光强变化一个周期，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

括以下四个部分：①主光栅（又称标尺光栅），均匀地刻划有透光和不透光的线条；②指示

光栅，刻有与主光栅同样刻线密度的条纹：③光路系统，包括光源和诱镜：④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一一电荷包被收集，

成为光电荷注入，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。

%@

P-Si

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、车缝、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90°,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，并使两者的棚

线之间形成一个很小的夹角夕，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：

①对位移的放大作用

光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹移动一个间距8”。莫尔条纹的间距与两光栅夹

角。的关系为：

nW

BH~----

HO

式中：

卬一光栅的栅距

6一刻线夹角。

8越小，8〃越大，8H相当于把W放大了1/6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

光栅每移动一个光栅间距W，条纹跟着移动一个条纹宽度6”。当固定