光柵CCD光纖傳感器課件

7.3光柵傳感器光柵傳感器由光源、透鏡、光柵副（主光柵和指示光柵）和光電接收元件組成。

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定莫爾條紋技術(shù)的特點（1）調(diào)整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強(qiáng)度變化近似正弦變化，便于將電信號作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標(biāo)尺測量的主要差別。圖7.5.2光柵傳感器外形6反射式光柵7透射式光柵9光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個坐標(biāo)）10光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個坐標(biāo)）數(shù)顯表11光柵在機(jī)床上

的安裝位置

（3個坐標(biāo)）（續(xù)）13光柵數(shù)顯表（續(xù)）三坐標(biāo)數(shù)顯表14安裝有直線、角度光柵的數(shù)控機(jī)床加工實況

防護(hù)罩內(nèi)為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部7.4電荷耦合器件在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導(dǎo)體襯底內(nèi)的多數(shù)載流子，形成“勢阱”的運(yùn)動，進(jìn)而達(dá)到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號電荷是由光線照射產(chǎn)生；若所轉(zhuǎn)移的電荷通過外界諸如方式得到，則其可以具備延時、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運(yùn)算等功能。17MOS電容器組成的光敏元及數(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

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）19CCD圖像傳感器的分類

(1)線陣CCD21面陣CCD外形（續(xù)）

200萬和1600萬像素的面陣CCD

22面陣CCD外形（續(xù)）

7．4．3圖像傳感器的應(yīng)用1．尺寸測量2．

用于光學(xué)文字識別裝置上一頁下一頁返回257.3.5細(xì)絲直徑檢測系統(tǒng)原理尺度等于或略大于波長量級的微隙、細(xì)絲或小孔一般采用衍射方法(1)衍射法L為細(xì)絲到CCD的距離，λ為入射激光波長，a為被測細(xì)絲的直徑，N為兩個暗紋之間的像素個數(shù)，l為像素間距。被測對象長度Ll1－視場l2－傳感器的長度上一頁下一頁返回29圖7.3.8CCD郵政編碼識別系統(tǒng)通過CCD把郵編圖像掃描入計算機(jī)，通過軟件對郵編圖像進(jìn)行數(shù)字識別，根據(jù)識別出的數(shù)字，計算機(jī)控制分類機(jī)構(gòu)把信件送入相應(yīng)的分類箱中。類似系統(tǒng)還可用于貨幣識別和分類、商品條形碼識別等。2.圖形文字識別光學(xué)文字識別裝置(OCR)原理上一頁返回圖像傳感器是一種能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換存儲信息及轉(zhuǎn)換信息電荷功能的特殊半導(dǎo)體器件，用于傳真、圖像掃描及光特性識別工業(yè)自動檢測等多個領(lǐng)域。特別適用于精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線檢測。指紋傳感器

具有指紋錄入，圖像處理，模板生成和指紋比對等功能。它采集速度快，圖像質(zhì)量高，穩(wěn)定性好。廣泛的用于電子政務(wù)，金融行業(yè)，遠(yuǎn)程登錄等領(lǐng)域，類似銀行的柜員管理，醫(yī)保、社保系統(tǒng)以及與卡結(jié)合的應(yīng)用系統(tǒng)。索尼的感光元件7.5光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應(yīng)性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉(zhuǎn)等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術(shù)的內(nèi)在相容性。應(yīng)用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉(zhuǎn)矩、光聲、電流和應(yīng)變等物理量的測量。7.5.1光導(dǎo)纖維的結(jié)構(gòu)和導(dǎo)光原理圓柱形內(nèi)芯和包層組成，而且內(nèi)芯的折射率略大于包層的折射率上一頁下一頁返回斯乃爾定理當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：上一頁下一頁返回光纖導(dǎo)光上一頁下一頁返回n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1上一頁下一頁返回當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθio0定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進(jìn)入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進(jìn)入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調(diào)制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同

上一頁下一頁返回(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一頁下一頁返回(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導(dǎo)光媒質(zhì)，而且也是敏感元件，光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

上一頁下一頁返回(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導(dǎo)光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調(diào)制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實現(xiàn)，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返回(2)根據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器(b)偏振調(diào)制光纖傳感器(c)頻率調(diào)制光纖傳感器(d)相位調(diào)制傳感器上一頁下一頁返回(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點:結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點:易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應(yīng)用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返回（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進(jìn)行監(jiān)測利用運(yùn)動物體反射光和散射光的多普勒效應(yīng)的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器； 利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時的喇曼散射構(gòu)成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器； 利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。上一頁下一頁返回（d）相位調(diào)制傳感器被測對象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應(yīng)的旋轉(zhuǎn)角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。上一頁下一頁返回4.4.5光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

上一頁下一頁返回7.5.6光纖傳感器的應(yīng)用強(qiáng)度調(diào)制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉(zhuǎn)換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術(shù)；相位調(diào)制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調(diào)制型： 主要是利用晶體的光彈性效應(yīng)。上一頁下一頁返回光纖壓力傳感器（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關(guān)系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關(guān)系上一頁下一頁返回差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強(qiáng)之比A―常數(shù)；p―待測量壓力輸出光強(qiáng)比I2/I1與膜片的反射率、光源強(qiáng)度等因素均無關(guān)上一頁下一頁返回將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強(qiáng)比的對數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。上一頁下一頁返回（b）光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應(yīng)：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡上一頁下一頁返回光彈性式光纖壓力傳感器2在光彈性元件上加上質(zhì)量塊后，也可用于測量振動、加速度上一頁下一頁返回（c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應(yīng)，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位移，使光纖彎曲而調(diào)制光強(qiáng)度。

1聚碳酸酯薄膜2可動變形板3固定變形板4、5光纖微彎式光纖水聽器探頭上一頁返回光纖光電傳感器

可以對距離遠(yuǎn)的被檢測物體進(jìn)行檢測，能檢測到微小物體，精度高。59

保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器光纖加速度傳感器當(dāng)框架縱向振動時，在慣性力的作用下重物與框架之間產(chǎn)生了相對位移，使光纖的伸縮，從而導(dǎo)致光在L1中傳播的光程發(fā)生改變（即相