光柵CCD光纖傳感器

關(guān)于光柵CCD光纖傳感器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)與光柵夾角決定第2頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天莫爾條紋技術(shù)的特點(diǎn)（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(cè)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(hào)作進(jìn)一步細(xì)分，即采用“倍頻技術(shù)”。這樣可以提高測(cè)量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對(duì)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(duì)于精度沒(méi)有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測(cè)量精度。這是用光柵測(cè)量和普通標(biāo)尺測(cè)量的主要差別。第3頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天光柵位移傳感器

線性位移傳感器。根據(jù)主光柵尺與指示光柵之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生莫爾條紋移動(dòng)，通過(guò)計(jì)算莫爾條紋數(shù)測(cè)量位移，精度高，用于自控機(jī)床及作長(zhǎng)度減量標(biāo)準(zhǔn)。第4頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖7.5.2光柵傳感器外形第5頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天6反射式光柵第6頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天7透射式光柵第7頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天8透射式圓光柵固定第8頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天9光柵在機(jī)床上的安裝位置（2個(gè)坐標(biāo)）第9頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天10光柵在機(jī)床上的安裝位置（3個(gè)坐標(biāo)）數(shù)顯表第10頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天11光柵在機(jī)床上

的安裝位置

（3個(gè)坐標(biāo)）（續(xù)）第11頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天123自由度光柵數(shù)顯表第12頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天13光柵數(shù)顯表（續(xù)）三坐標(biāo)數(shù)顯表第13頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天14安裝有直線、角度光柵的數(shù)控機(jī)床加工實(shí)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第14頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(shì)阱”的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而達(dá)到信號(hào)電荷（少數(shù)載流子）的轉(zhuǎn)移。圖像傳感器：轉(zhuǎn)移的信號(hào)電荷是由光線照射產(chǎn)生；若所轉(zhuǎn)移的電荷通過(guò)外界諸如方式得到，則其可以具備延時(shí)、信號(hào)處理、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)以及邏輯運(yùn)算等功能。第15頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天7.4.2CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉(zhuǎn)移和電荷轉(zhuǎn)移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)移成了電信號(hào)“圖像”。由于CCD能實(shí)現(xiàn)低噪聲的電荷轉(zhuǎn)移，并且所有光生電荷都通過(guò)一個(gè)輸出電路檢測(cè)，且具有良好的—致性，因此，對(duì)圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。線列和面陣上一頁(yè)下一頁(yè)返回第16頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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)面顯微照片第17頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）第18頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天19CCD圖像傳感器的分類

(1)線陣CCD第19頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天20(2)面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個(gè)方向都能實(shí)現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

第20頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天21面陣CCD外形（續(xù)）

200萬(wàn)和1600萬(wàn)像素的面陣CCD

第21頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天22面陣CCD外形（續(xù)）

第22頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天7．4．3圖像傳感器的應(yīng)用1．尺寸測(cè)量2．

用于光學(xué)文字識(shí)別裝置上一頁(yè)下一頁(yè)返回第23頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天24利用CCD對(duì)尺寸檢測(cè)按原理可分為三種：衍射法、投影法及光學(xué)成像法。這三種測(cè)量方法分別適合不同的尺寸物體。1.尺寸檢測(cè)(1)衍射法(2)投影法(3)光學(xué)成像法第24頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天257.3.5細(xì)絲直徑檢測(cè)系統(tǒng)原理尺度等于或略大于波長(zhǎng)量級(jí)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(zhǎng)，a為被測(cè)細(xì)絲的直徑，N為兩個(gè)暗紋之間的像素個(gè)數(shù)，l為像素間距。第25頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天被測(cè)對(duì)象長(zhǎng)度Ll1

－視場(chǎng)l2－傳感器的長(zhǎng)度上一頁(yè)下一頁(yè)返回第26頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天27投影法適合小尺寸物體或者對(duì)物體邊緣進(jìn)行測(cè)量的情形，當(dāng)一束平行光照射到被測(cè)物體后再投射到CCD時(shí)，物體的陰影也同時(shí)投射到CCD上，若光的準(zhǔn)直度很好，其陰影的尺寸就代表了待測(cè)物體的尺寸。圖7.3.6投影法測(cè)量的應(yīng)用

(2)投影法第27頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天28光學(xué)成像法測(cè)量物體尺寸的范圍非常寬，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)物體在CCD上成一個(gè)放大或縮小的實(shí)像，CCD測(cè)得像的大小再乘以光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率便可獲得物體的尺寸，這種方法可以實(shí)現(xiàn)零件尺寸的在線自動(dòng)檢測(cè)。(3)光學(xué)成像法圖7.3.7基于CCD的零件尺寸在線檢測(cè)系統(tǒng)

第28頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天29圖7.3.8CCD郵政編碼識(shí)別系統(tǒng)通過(guò)CCD把郵編圖像掃描入計(jì)算機(jī)，通過(guò)軟件對(duì)郵編圖像進(jìn)行數(shù)字識(shí)別，根據(jù)識(shí)別出的數(shù)字，計(jì)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(shí)別和分類、商品條形碼識(shí)別等。2.圖形文字識(shí)別第29頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天光學(xué)文字識(shí)別裝置(OCR)原理上一頁(yè)返回第30頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天圖像傳感器是一種能進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換存儲(chǔ)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(shí)別工業(yè)自動(dòng)檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域。特別適用于精密圖像傳感和無(wú)接觸工件尺寸的在線檢測(cè)。第31頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天指紋傳感器

具有指紋錄入，圖像處理，模板生成和指紋比對(duì)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)。第32頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天索尼的感光元件第33頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天7.5光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點(diǎn)：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(cè)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(cè)量。第34頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(yè)下一頁(yè)返回第35頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天斯乃爾定理當(dāng)光由光密物質(zhì)出射至光疏物質(zhì)時(shí)，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(yè)下一頁(yè)返回第36頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖導(dǎo)光上一頁(yè)下一頁(yè)返回第37頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(yè)下一頁(yè)返回第38頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天當(dāng)θr=90°的臨界狀態(tài)時(shí)，Sinθio0定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對(duì)折射率差arcsinNA是一個(gè)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(yè)下一頁(yè)返回第39頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測(cè)量調(diào)制的形式光纖傳感器中對(duì)光信號(hào)的檢測(cè)方法不同

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第40頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第41頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(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(cè)量調(diào)制。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高。

缺點(diǎn)：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽(tīng)器等。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第42頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(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(cè)量調(diào)制。

優(yōu)點(diǎn)：無(wú)需特殊光纖及其他特殊技術(shù)，比較容易實(shí)現(xiàn)，成本低。

缺點(diǎn)：靈敏度較低。 實(shí)用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第43頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測(cè)對(duì)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(jì) 輻射式光纖溫度傳感器上一頁(yè)下一頁(yè)返回第44頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)根據(jù)光受被測(cè)對(duì)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(yè)下一頁(yè)返回第45頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天(a)強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器利用被測(cè)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。應(yīng)用：壓力、振動(dòng)、位移、氣體優(yōu)點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、成本低。缺點(diǎn):

易受光源波動(dòng)和連接器損耗變化等的影響上一頁(yè)下一頁(yè)返回第46頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（b）偏振調(diào)制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來(lái)傳遞被測(cè)對(duì)象信息應(yīng)用： 電流、磁場(chǎng)傳感器：法拉第效應(yīng)； 電場(chǎng)、電壓傳感器：泡爾效應(yīng)； 壓力、振動(dòng)或聲傳感器：光彈效應(yīng)； 溫度、壓力、振動(dòng)傳感器：雙折射性優(yōu)點(diǎn)：可避免光源強(qiáng)度變化的影響，靈敏度高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第47頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（c）頻率調(diào)制光纖傳感器被測(cè)對(duì)象引起的光頻率的變化來(lái)進(jìn)行監(jiān)測(cè)利用運(yùn)動(dòng)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(dòng)、壓力、加速度傳感器； 利用物質(zhì)受強(qiáng)光照射時(shí)的喇曼散射構(gòu)成的測(cè)量氣體濃度或監(jiān)測(cè)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(yè)下一頁(yè)返回第48頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（d）相位調(diào)制傳感器被測(cè)對(duì)象導(dǎo)致光的相位變化，然后用干涉儀來(lái)檢測(cè)這種相位變化而得到被測(cè)對(duì)象的信息。

利用光彈效應(yīng)的聲、壓力或振動(dòng)傳感器； 利用磁致伸縮效應(yīng)的電流、磁場(chǎng)傳感器； 利用電致伸縮的電場(chǎng)、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(diǎn)：靈敏度很高，缺點(diǎn)：特殊光纖及高精度檢測(cè)系統(tǒng)，成本高。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第49頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.4.5光纖傳感器的特點(diǎn)（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。

上一頁(yè)下一頁(yè)返回第50頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來(lái)檢測(cè)，故常用于位移的光纖檢測(cè)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(yè)下一頁(yè)返回光纖壓力傳感器第51頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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(cè)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(yè)下一頁(yè)返回第52頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天差動(dòng)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(cè)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(wú)關(guān)上一頁(yè)下一頁(yè)返回第53頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天將上式兩邊取對(duì)數(shù)，在滿足(Ap)2≤1時(shí)，得到表明待測(cè)壓力與輸出光強(qiáng)比的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對(duì)數(shù)放大后，再通過(guò)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(cè)量范圍。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第54頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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(zhǎng)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(yè)下一頁(yè)返回第55頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天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(cè)量振動(dòng)、加速度上一頁(yè)下一頁(yè)返回第56頁(yè),共64頁(yè)，2024年2月25日，星期天（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