《传感器原理及应用》PPT课件.ppt

传感器原理及应用 传感器原理及应用 传感器原理及应用 主要内容 9 1新型光电器件9 2电荷耦合器件9 3光纤传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 所谓新型传感器是指最近十几年来研究开发出来的 已经或正在走向实用化阶段的传感器 新型光电传感器包括 固态光电传感器 象限探测器 光敏器件阵列 光电位置敏感器件 PSD 自扫描光电二极管阵列 SSPD 电荷耦合器件 CCD 光纤传感器 概述 传感器原理及应用 第9章新型光电式传感器 概述 指纹锁 指纹门禁 光纤 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 象限探测器可用来确定光点在二维平面上的位置坐标 一般用于准直 定位 跟踪 器件工作原理基于各种光电效应 象限探测器结构 利用光刻技术将一块圆形或方形光敏器件的敏感面分割成若干面积相等 形状相同 位置对称的区域 根据需要将敏感面分割成所需形状 背面为一整体 各分割面引出导线就构成了象限探测器 典型的象限探测器有 四象限光电二极管 四象限硅光电池 四象限光电倍增管 二象限硅光电池 光敏电阻等 9 1新型固态光电传感器9 1 1象限探测器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1 1象限探测器 若采用四象限探测器来确定光斑的中心位置 如激光准直 根据探测器坐标轴线和测量系统基准线的安装位置角度不同 可采用不同的数据运算电路 四象限探测器直差电路 Y X 光斑位置 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1 1象限探测器 器件坐标和测量系统基线成45 角安装 X Y轴各自具有两个对称的光电器件 可分别两两独立地计算坐标值 对角线信号直接相减 就可确定光点位置 故称 直差 UY K UA UC UA UB UC UD UX K UD UB UA UB UC UD UA UB UC UD 为光斑自身幅值总量 K为电路放大系数 与光斑直径和功率有关 UA UB UC UD代表探测器放大后输出电压值 基线 光电器件 光斑位置 输出偏移量为 1 直差电路形式 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 器件坐标和基线成水平安装 只要有两块相对X轴对称的光电器件就可以判断Y坐标 1 4象限合并 UA UD 2 3象限合并 UB UC 两者相减 UA UD UB UC 得到Y坐标电压值 X坐标同理 电路连接是先计算相邻象限信号和 再计算信号的差 所以称为 和差 电路 UX UY分别代表在X方向 Y方向偏离探测器中心点的情况 输出偏移量为 2 和差电路形式 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1 1象限探测器 通常为消除光斑自身总量的变化 采用和差比幅电路 其输出电压为 UA UD UB UC UC UD UA UB UA UB UC UD B A C D Y X 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1 1象限探测器 以上两种电路只是运算电路不同 实际应用时不同探测器放大电路类型不同 不同敏感元件需采用不同的电路 象限探测器的几个缺点 分割产生死区 当光斑很小时死区影响明显 若光斑全部落入某个象限 输出信号无法表示光斑位置 测量范围受限 3 测量精度与光强有关 与漂移有关 分辨率 精度受限 3 放大 图中两个光电位置计算结果相同 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光电位置传感器PSD Positionsensitivedetector 是一种新型的横向光电效应器件 也是光点位置敏感 输出信号与光点在光敏面上的位置有关 当入射光点照在光敏面上时由于光生载流子的流动产生光生电流I 经运算后即可知光点的位置 广泛应用于激光光束对准 位移 振动测量 平面度检测 坐标平面度检测 二维坐标检测系统 与象限探测器相比特点是 9 1 2光电位置式传感器 PSD 对光斑的形状无要求 输出信号与光的聚焦无关 只与光的能量中心位置有关 给测量带来方便 光敏面无须分割 消除了死区 可连续测量光斑位置 分辨率高 可同时检测位置和光强 输出总电流与入射光强有关 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 1 PSD的工作原理 P层不仅作光敏层还是个均匀的电阻层 在外电场作用下光电流通过电阻层 P 由电极输出 电极1 电极2 分别输出电流I1 I2 电流与光点到各电极的距离 电阻 成反比 设电极距光敏面中心点距离为L 电极3处中心位置 XA为光点距中心点的距离 电极上光电流分别为I1 I2 I0为总电流 PSD的断面结构为PIN型半导体 在硅片上分为三层 P 上层 N 下层 I 中间层 本征区 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 1 PSD的工作原理 I0为总电流 可见 光斑能量中心相对器件中心的位置只与电极电流的差值和总电流的比值有关 与入射光能量的大小无关 光斑离中心点的距离为 电极上光电流分别为I1 I2 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 2 一维PSD及等效电路一维PSD主要用来测量光点在一维坐标 X 方向上的位置PSD 等效电路中 IP光电流 VD理想二极管 RD定位电阻 Cj结电容 Rsh结电阻 等效电路 结构示意图 9 1 2光电位置式传感器 PSD 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 二维PSD主要用来测量平面光点的 X Y 坐标 感光的方型面比一维多一对电极 按结构分为两类 两面分离型PSD两对垂直信号电极在上下两个表面 与光点位置有关的信号电流先在一个面上 上 形成Ix和Ix 汇总后又在另一个面 下 形成两路电流Iy和Iy 表面分离型PSD 3 二维PSD及等效电路 二维PSD结构 等效电路 9 1 2光电位置式传感器 PSD 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 4 PSD及转换电路 转换电路首先对PSD输出的光电流进行电流 电压转换放大 通过加 减运算放大器进行预置相加和加减运算 最后通过模拟除法器得到光的位置信号 与光的能量无关 所有运放采用低漂移运算放大器 反馈电阻Rf的阻值大小决定入射光强以及后续电路最大输入电压 二维系统可分别采用两套这样的转换电路 9 1 2光电位置式传感器 PSD 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 4 PSD及转换电路 一维PSD转换电路 9 1 2光电位置式传感器 PSD 加法器 减法器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1新型固态光电传感器 器件封装形式 9 1 3光敏管阵列 电路连接 结构 将N个光敏管集成在一个硅片上 各管的一端连接在一起 另一端各自单独输出 工作原理与光敏二极管 晶体管 完全相同 只是组成的结构形式不同而已 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 阵列的每个光敏管称像元 也称连续工作方式 光敏像元的个数为10 32个 外围电路根据普通光敏管电路设计 每个像元信号需要一个独立的信号放大和处理电路 过于复杂 为化减外围电路结构采用多路模拟开关 通过地址A B C选通阵列中每个光敏元 扫描检测输出可用放大解调电路 这种形式适用微机测试系统 如果像元很多 64路以上 光敏元阵列外围电路过于复杂 这种器件主要用于光信号位移检测 9 1 3光敏管阵列 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 9 1 3光敏管阵列 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 自扫描光电二极管也是将N个光敏管集成在一个硅片上 在器件内部集成了光敏管和数字移位寄存器电路 工作方式为电荷存储方式 根据像元的排列不同自扫描二极管阵列可分为线阵 面阵 特殊阵列 线阵像元有64 128 256 512 4096等 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 1 SSPD结构 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 SSPD的像元依据预充电放电充电放电充电这样的循环往复过程工作 主要有放电 积分 充电 输出 两个阶段 一个像元结构SSPD器件单元结构与普通MOSFET结构几乎相同 区别是氧化层部分裸露 光线可以透过氧化层直接照到半导体层 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 2 电荷存储工作原理 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 SSPD器件一个像元结构等效电路 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 图为一个像元电路 虚线框内为光电二极管等效电路 Cd等效结电容 Uc二极管反向偏置电压 RL负载电阻 场效应管VT充当开关 栅极Ug电压高 低控制VD通断 使结电容Cd处于不同工作状态 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 预充电过程曲线在ton段 IP ID 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 预充电栅极Ug高电平 开关管VT闭合 偏置电压Uc通过负载电阻RL向光电二极管充电 由于光电流Ip和暗电流Id相对电源电流I0很小 所以二极管等效结电容Cd的主要充电电流以电源为主 当充电达到稳定后 P N结上电压基本为电源电压Uc 等效结电容Cd上的电荷为Q CdUc 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 栅极Ug L 低电平时 开关管VT off 断开 由于光电流Ip和暗电流Id的存在 二极管等效结电容Cd上电压将缓慢放电 设VT断开时间Ts为电荷积分时间 暴光过程在积分时间内产生的平均光电流为Ip 暴光过程中Cd上释放的电荷是 Q Ip Id Ts IpTs室温下暗电流很小 pA 可忽略 此时结电容上电压因放电而下降 下降到Ucd Uc Q Cd 暴光过程曲线在 toff 段 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 暴光过程 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 循环再充电 再充电曲线在 ton 段 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 显然补充的电荷等于暴光过程中Cd上释放的电荷 再次充电电流I0在RL上的压降URL等于光电流在负载电阻上的压降 最大值为 ULMax Uc Ucd Q Cd 栅极Ug再次高电平时开关管VT闭合 光电二极管上信号经过Ts积分时间后 结电容Cd上的电压为Ucd 以该电压做起始值 电源Uc经负载RL向结电容Cd再次充电直到Cd上电压再次达到Uc 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 输出信号UL 9 1 4自扫描光电二极管阵列 SSPD 输出信号与照度和积分时间成正比 与时间常数成反比 减小电容Cd可提高灵敏度 MOSFET周期通断电路不断充 放电过程 负载上信号反映该像元的光照度大小 负载电阻上的压降最大值 ULMax Uc Ucd Q Cd输出峰值电压反映光电二极管的光生电信号的大小 带入后有 ULMax Q Cd IpTs Cd SpETs Cd负载电阻RL上的电流为 I0 ULMax RL IpTs CdRL IpTs CdRL为电路时间常数 E为积分时间内平均辐照度 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 1 线阵SSPD 主要由三部分组成感光部分 由N个光电二极管等间距直线排列组成阵列 多路开关 由N个MOS场效应管 VT1 VTN 组成 源极接光电二极管 漏极相连组成视频输出线U0 移位寄存器 提供各路MOSFET的栅极扫描控制信号 9 1 5SSPD器件 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 1 线阵SSPD 移位寄存器控制 时钟信号 使移位寄存器的UB1 UBN依次输出延迟一拍的扫描信号负脉冲 实际器件有两相 三相 四相和六相 S为起始脉冲 一个帧脉冲启动后扫描开始 移位寄存器 顺序输出的控制信号使VT按次序依次闭合 断开 把光电二极管上的光电信号从视频输出线上输出 形成U0 9 1 5SSPD器件 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 感光部分 二维阵列 移位寄存器 分水平垂直两块扫描电路 多路开关 MOSFET 水平扫描控制每列MOS管开关通断 垂直扫描信号控制每一像元内的MOS开关的栅极 从视频线UO上串行输出 工作原理与线阵相同 9 1 5SSPD器件 2 面阵SSPD 传感器原理及应用 电荷耦合器件 又称CCD图象传感器 是一种大规模集成电路光电器件 电荷耦合器件具有光电转换 信息存储 转移传输 处理以及电子快门等功能 特点 高集成度 尺寸小 电压低 DC 7 12V 功耗小 线阵分辨能力几 m 空间分辨率高 面阵分辨率在1000电视线以上 光电灵敏度高 可达0 01lx 信噪比60 70dB 动态范围大 可选模拟 数字不同输出形式 便于和计算机连机 9 2电荷耦合器件 第9章新型光电传感器 CCD Charge CoupledDevices 传感器原理及应用 CCD技术的发展促进了各种视频装置的普及和微型化 应用遍及航天 遥感 天文 通讯 工业 农业 军用等各个领域 9 2电荷耦合器件 第9章新型光电传感器 数字摄像机数字照相机平板扫描仪指纹机等 基于CCD电荷耦合器件设备 传感器原理及应用 图象传感器发展趋势 高性能小容量 廉价高容量 专用显示系统控制器在线动态分析医学仪器低功耗空间设备 汽车计算机显示生物科学光学显微镜可视电话玩具条形码识别 9 2电荷耦合器件 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 CCD结构示意图 9 2 1CCD基本结构和工作原理 第9章新型光电传感器 1 结构 电荷耦合器件是在半导体硅片上制作成百上千个光敏元一个光敏元又称一个像素 光敏元按线阵或面阵有规则地排列 显微镜下的MOS元表面 传感器原理及应用 265 180 133 90 66 45 33 22 相同面积上的光敏元不同时分辨率 像素 不同 第9章新型光电传感器 图象比较 1 结构 传感器原理及应用 CCD基本结构分两部分 MOS光敏元阵列读出移位寄存器 9 2 1CCD基本结构和工作原理 第9章新型光电传感器 1 结构 读出移位寄存器 一个MOS光敏元结构 传感器原理及应用 一个MOS光敏元 金属 氧化物 半导体 当金属电极上加正电压时 由于电场作用 电极下形成耗尽区 对电子而言是一势能很低的区域 称 势阱 有光线入射到硅片上时 产生光生电子 空穴对 空穴被电场作用排斥出耗尽区 而光电子被附近势阱俘获 此时势阱内吸的光子数与光强度成正比 势井深度与电极电压有关 第9章新型光电传感器 2 电荷存储原理 一个MOS光敏元结构 传感器原理及应用 把一个势阱所收集的光生电子称为一个电荷包 CCD器件内是在硅片上制作成百上千的MOS元 每个金属电极就是成百上千个势阱 产生成百上千的电荷包 如果照射在这些光敏元上是一幅明暗起伏的图象 那么这些光敏元就感生出一幅与光照度响应的光生电荷图象 这就是电荷耦合器件的光电物理效应基本原理 第9章新型光电传感器 2 电荷存储原理 传感器原理及应用 CCD电荷耦合器件是以电荷为信号 而不是电压电流作信号输出的 光敏元上的电荷还需经输出电路输出 这个输出过程由读出移位寄存器完成 读出移位寄存器也是MOS结构 由金属电极 氧化物 半导体三部分组成 它与MOS光敏元的区别在于 半导体底部覆盖一层遮光层 不接收光信号并防止外来光线干扰 读出移位寄存器结构 由三个十分邻近的电极组成一个耦合单元 在三个电极上分别施加脉冲波 1 2 3 称三相时钟脉冲 还有两相 四相 第9章新型光电传感器 3 电荷转移原理 读出移位寄存器 传感器原理及应用 t t1时刻 1电极下出现势阱存入光电荷t t2时刻 1 2下两个势阱形成大势阱存入电荷t t3时刻 2中电荷向 3势阱转移 读出移位寄存器三相时钟脉冲 第9章新型光电传感器 电荷转移过程 三相时钟脉冲频率相同 相位差120 传感器原理及应用 读出移位寄存器三相时钟脉冲控制电荷转移过程 电荷转移过程 第9章新型光电传感器 不同时刻势阱深度变化 使电荷按设计好的方向 在时钟脉冲控制下 电荷从寄存器的一端转移到另一端 这样一个传输过程 实际上是一个电荷耦合过程 所以称电荷耦合器件 担任电荷传输的单元称移位寄存器 传感器原理及应用 CCD信号电荷的输出的方式主要有 电流输出 电压输出两种以电压输出型为例 根据 工艺结构 电压输出型有 浮置扩散放大器 FDA 集成 浮置栅放大器 FGA 第9章新型光电传感器 浮置扩散放大器 浮置栅放大器 1 输出电路结构 9 2 2电荷耦合器信号输出方式 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 浮置扩散放大器 浮置栅极放大器 1 输出电路结构 9 2 2电荷耦合器信号输出方式 传感器原理及应用 在CCD阵列的末端制作 扩散 一个N 区 形成反向偏置二极管 二极管反偏形成一个深势阱 收集信号电荷控制A点电位变化 当转移栅 3电极下的电荷包越过输出栅OG 流入势阱中时 在输出极形成输出电流I0 输出电流在负载电阻RL上产生的电压与电荷成正比 扩散区收集的信号控制放大管VT2的栅极电位 即控制输出电压 第9章新型光电传感器 1 输出电路结构 9 2 2电荷耦合器信号输出方式 传感器原理及应用 输出信号电压为 式中为MOS管栅极与源极之间的跨导 VT1为复位管 由 R控制 VT1导通时VT2的沟道抽走浮置扩散区的剩余电荷 CFD放电 直到下一个时钟周期信号到来如此循环下去 第9章新型光电传感器 由浮置扩散区收集的信号电荷控制放大器VT2栅极电位 式中 为浮置扩散节点上的总电容 浮置扩散放大器 传感器原理及应用 光敏元曝光 金属电极加正向脉冲电压 p势井出现 光敏元曝光后势井吸收光生电荷 光积分时间 快门 积累很快结束 转移脉冲 T打开转移控制栅 光敏元俘获的光生电荷经转移控制栅耦合到移位寄存器 转移栅立刻关闭 这是一并行输出过程 接着三个时钟脉冲 1 2 3工作 读出移位寄存器的输出端Ga一位位输出信息 这一过程是一串行输出过程 单沟道CCD结构 电荷输出控制波形 第9章新型光电传感器 2 电荷输出控制 传感器原理及应用 CCD器件分为线阵CCD和面阵CCD 结构形式有 如单沟道CCD 双沟道CCD 帧转移结构CCD 行间转移结构CCD CCD器件 9 2 3电荷耦合器件 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 线阵CCD传感器是由一列MOS光敏元和一列移位寄存器并行构成 光敏元和移位寄存器之间有一个转移控制栅 加转移控制信号 T 1024位线阵 由1024个光敏元和1024个读出移位寄存器组成 单沟道CCD结构 1 线阵CCD结构 第9章新型光电传感器 64位线阵CCD结构 传感器原理及应用 线阵CCD传感器只有一排光敏元 又分为单通道和双通道 双通道可以加速转换时间 提高分辨率 第9章新型光电传感器 1 线阵CCD结构 线阵CCD结构单通道和双通道的电荷转移过程 传感器原理及应用 线型CCD传感器主要用于几何尺寸测试 传真 光学文字识别技术等 面型CCD主要用于摄象机及测量技术 结构上是把光敏元件排列成二维矩阵形式 面型CCD根据传输的读出结构有不同类型 基本构成有 线转移方式 由扫描 感光和输出寄存器组成 帧转送方式 FrameTransferCCD 行间转送方式 InterLineTransferCCD 第9章新型光电传感器 2 面阵电荷耦合器 二维 传感器原理及应用 帧间转移结构 由光敏元 存储器 输出移位寄存器三部分组成 视频信号整帧输出 结构简单 第9章新型光电传感器 2 面阵电荷耦合器 传感器原理及应用 行间转移结构 光敏单元与寄存器交替排列 光积分后一次一行地输出 在输出端得到一行行视频信号 特点 结构简单 图象清晰质量高 是目前使用最多的一种结构 第9章新型光电传感器 2 面阵电荷耦合器 传感器原理及应用 3CCD一台摄像机使用了 片CCD 一片CCD接受每一种颜色并转换为电信号 而这三种颜色就是我们电视使用的三基色 红 绿 蓝三种颜色 由于一片CCD同时完成亮度信号和色度信号的转换难免两全 使得拍摄出来的图像在彩色还原上达不到专业水平很的要求 为了解决这个问题 便出现了3CCD摄像机 三维CCD 第9章新型光电传感器 2 面阵电荷耦合器 传感器原理及应用 CCD器件的物理性能可以用特性参数来描述内部参数描述的是CCD存储和转移信号电荷有关的特性 是器件理论设计的重要依据 外部参数描述的是与CCD应用有关的性能指标 主要包括以下内容 电荷转移效率 转移损失率 工作频率 电荷存储容量 灵敏度 分辨率 9 2 4CCD的特性参数 第9章新型光电传感器 CCD器件与信号同步处理 传感器原理及应用 对不同型号的CCD器件而言 其工作机理是相同的 不同型号的CCD器件具有完全不同的外型结构和驱动时序 在实际使用时必须加以注意 可以通过器件供货商或直接向生产厂家索取相关资料 为CCD器件的应用提供技术支持 以TCD142D型CCD为例做简单介绍 其它型号的器件大同小异 TCD142D是一种具有2048位像元的两相 双通道 线阵CCD器件 TCD142D有22个引脚 其中12个是空脚 TCD142D引脚 TCD142D 9 2 5典型的CCD器件TCD142D 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 CD142D是一种具有2048位像元的两相 双通道 线阵CCD22个引脚 其中10个是引脚分别为 时钟端 1A 2A 1B 2B 转移栅 SH 复位栅 RS 地 SS 电源 OD 信号输出 OS 补偿输出 DOS NC 空闲 TCD142D内部引脚 TCD142D 9 2 5典型的CCD器件TCD142D 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 TCD142D的外部输入电路可分为两部分 一部分是脉冲产生电路 另一部分是驱动电路 9 2 5典型的CCD器件TCD142D 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 脉冲电路产生 HS 1 2 RS四路脉冲 由非门及晶体振荡器构成的晶体振荡电路输出频率为4MHz方波 经JK触发器分频 得到频率为2MHz的方波 将4MHz与2MHz脉冲相与 形成 RS脉冲 9 2 5典型的CCD器件TCD142D 第9章新型光电传感器 将 RS经JK触发器分频 产生频率为1MHz的 1脉冲 1脉冲送入分频器 经译码电路产生转移脉冲 SH并且使 SH周期TSH 1061 s 双通道 将 SH和 1相与产生 2 1 2 至此就产生了四路脉冲 传感器原理及应用 将这四路脉冲经反相器反相 再经阻容加速电路送至H0026驱动器 放大至一定量以后用以驱动TCD142D 9 2 5典型的CCD器件TCD142D 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 利用CCD测量几何量CCD诞生后首先在工业检测中制成测量长度的传感器 物体通过物镜在CCD光敏元上造成影像 CCD输出的脉冲数表征测量工件的尺寸 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 线阵CCD进行工件尺寸测量 CCD应用技术是光 机 电和计算机相结合的高新技术 作为一种有效的非接触检测方法 如测量拉丝过程中丝的线径 轧钢的直径 轴类或杆类的直径等 传感器原理及应用 这里以玻璃管直径与壁厚的测量为例 由于玻璃管的透射率分布的不同 玻璃管在CCD上成像的两条暗带最外边界距离为玻璃管外径大小 中间亮带反映了玻璃管内径大小 而暗带则是玻璃管的壁厚成像 玻璃管CCD视频信号 CCD传感器应用实例 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 测量原理 在荧光灯的玻璃管生产过程中 总是需要不断测量玻璃管的外圆直径及壁厚 并根据监测结果对生产过程进行调整 以便提高产品质量 用平行光照射玻璃管 成像物镜将尺寸影像投影在CCD光敏像元阵列面上 视频信号经二值化处理后输出 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 上壁厚下壁厚外径 第9章新型光电传感器 玻璃管的平均外径 12mm 壁厚1 2mm 要求测量精度为外径 0 1mm 壁厚 0 05mm 利用CCD配合适当的光学系统 对玻璃管尺寸进行监测 实际尺寸 上壁厚d1 下壁厚d2 外径D 为成像物镜的放大倍率 t为CCD像元尺寸 上壁 下壁 外径的像元个数 即脉冲数 分别为 n1 上壁 n2 下壁 N 外径 传感器原理及应用 根据已知条件 玻璃管外径 12mm 选择光学系统的放大率 为0 8倍 玻璃管的像大小为9 6mm 产品的测量精度要求反映在像面上的外径 0 1mm 为 0 08mm 壁厚 0 05mm 为0 04mm 根据CCD测量精度要求 最小尺寸0 04mm 必须要大于两个CCD光敏元空间尺寸 第9章新型光电传感器 给定线阵TCD132D 1024位 光敏元间距尺寸为14 m 器件像元总宽度为1024 0 14mm 14 3mm 大于成像外径 最小尺寸为0 04mm 0 014mm 2 0 028mm 满足要求 TCD132D光敏元空间尺寸 14 m 2 40 m 传感器原理及应用 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 工件尺寸测量CCD测试设备 CCD测试与绘图设备 传感器原理及应用 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 双镜面直接检测产品 晶片尺寸测量 传感器原理及应用 CCD固态图像传感器作为摄像机或像敏器件 取代摄像装置的光学 电子束扫描 扫描系统 与其它摄像器件相比 尺寸小 价廉 工作电压低 功耗小 且不需要高压 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 CCD传感器应用时是将不同光源与透镜 镜头 光导纤维 滤光镜及反射镜等各种光学元件结合使用 装配轻型摄像机 摄像头 工业监视器 传感器原理及应用 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 监视器可进行生产现场 科学实验过程的观察 传感器原理及应用 例如用CCD识别集成电路焊点图案 代替光点穿孔机的作用 自动流水线装置 机床 自动售货机 自动监视装置 指纹机 作为机器人视觉系统 CCD被广泛用于在线检测尺寸 位移 速度 定位和自动调焦等方面 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 数字显微镜 CCD检测仪 用于传真技术 文字 图象识别 传感器原理及应用 条码读取器条码读取器主要分为激光型和CCD型两大类 CCD条码识别器结构原理 CCD型的工作原理LED的光射到条码的整个区域 CCD图像传感器将扩散反射光作为图像接收 通过图像数据读取条码 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 CCD 83Series条码识别器1 0米高度的检测 660nmRedLEDArrayIntel80C31 2048PIXEL 像素 KeyboardWedge RS 232 传感器原理及应用 由发光二极管做光源 CCD做摄像机 每秒钟两次快门 6小时后排除体外 可拍摄2万多张图片 信号发射到存储器 存储器取下后接入计算机将图像进行下载 M2A胶囊CCD在医疗诊断中的应用 9 2 6CCD传感器的应用 第9章新型光电传感器 M2A摄影胶囊 Mouthanus 传感器原理及应用 光在玻璃光纤中传输会剧烈衰减 经1公里衰减到1 100亿 高锟在1966年7月发表论文证明 玻璃光纤中离子杂质对光的衰减起决定性作用 只要光纤每公里的光衰减量小于20分贝 即保留1 就可以用于通信 美国康宁公司1970年发明一种特殊玻璃制造工艺 首次迈过 20分贝 公里 门槛 9 3光纤传感器 第9章新型光电传感器 2009年诺贝尔物理学奖授予英国华裔科学家高锟以及两位美国科学家 获奖理由 光在纤维中的传输以用于光学通信 现在的光纤每公里衰减被控制在5 传感器原理及应用 不受电磁干扰 防爆性能好 不会漏电打火 可根据需要做成各种形状 可以弯曲 可以用于高温 高压 绝缘性能好 耐腐蚀 9 3光纤传感器 第9章新型光电传感器 光导纤维 简称光纤光纤最早用于通讯 高锟的发明使通信高速公路得到迅猛的发展 随着光纤技术的发展 光纤传感器得到进一步发展 光纤传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术 与其它传感器相比较 光纤传感器有如下特点 传感器原理及应用 主要由三部分组成中心 纤芯 外层 包层 护套 尼龙塑料 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2 N1 N2 光纤的光导材料基本采用石英玻璃 其中有不同掺杂 9 3 1光纤结构和传输原理 第9章新型光电传感器 1 光纤结构 传感器原理及应用 光纤的传播基于光的全反射原理 当光线以不同角度入射到光纤端面时 在端面发生折射后进入光纤 光线在光纤端面入射角 减小到某一角度 c时 光线全部反射 光线全部被反射时的入射角 c称临界角 因此只要满足全反射条件即 c 光在纤芯和包层界面上经若干次全反射向前传播 最后从另一端面射出 第9章新型光电传感器 2 光纤的传光原理 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 折射定律 反射定律 全反射的应用 双筒望远镜 照相机 2 光纤的传光原理 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光密介质 n1 光疏介质 n2 全反射条件 入射角 c 临界入射角 由斯乃尔 Snell 折射定律可导出 当端面外介质折射率为N0时 光射入纤芯时实现全反射的临界入射角为 2 光纤的传光原理 传感器原理及应用 由于空气中折射率近似为 可见 光纤临界入射角的大小是由光纤本身的性质 N1 N2 决定的 与光纤的几何尺寸 直径 无关 全反射的临界入射角可表示为 第9章新型光电传感器 几种常用介质的折射率 2 光纤的传光原理 传感器原理及应用 临界入射角 c的正弦函数定义为光纤的数值孔径 空气中 9 3 2光纤的性能 几个重要参数 第9章新型光电传感器 数值孔径 NA 传感器原理及应用 NA意义讨论 NA表示光纤的集光能力 无论光源的发射功率有多大 只有2 c张角之内的入射光才能被光纤接收 传播 若入射角超出这一范围 光线会进入包层漏光 一般NA N1 N2 越大集光能力越强 光纤与光源间耦合会更容易 但NA越大光信号畸变越大 要适当 产品光纤不给出折射率N 只给数值孔径NA石英光纤的数值孔径一般为 第9章新型光电传感器 NA 0 2 0 4 传感器原理及应用 光纤模式是指光波沿光纤传播的途径和方式 不同入射角度光线在界面上反射的次数不同 光波之间干涉产生的强度 分布也各不相同 模式值定义为 式中 为纤芯半径 为入射光波长 9 3 2光纤的性能 第9章新型光电传感器 光纤模式 V 传感器原理及应用 光纤模式 V 讨论 波的反射中相位变化2 整数倍的光波形成驻波 称模 驻波才能在光纤中传播 光纤只能传播一定数量的模 模式值越大 允许传播的模式值越多 在信息传播中 希望模式数越少越好 若同一光信号采用多种模式会使光信号分不同时间到达 多个信号导致合成信号畸变 模式值V小 就是 值小 即纤芯直径小 m 传播的模式越少 只传播一种模式的光纤 称单模光纤 单模光纤性能最好 畸变小 容量大 线性好 灵敏度高 但制造 连接困难 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 光纤模式种类 按折射率分布分为阶跃型 突变 梯度型 渐变 按传播模式分为多模 纤芯直径D 50 100 m 单模 纤芯直径D 3 10 m 单模和多模光纤是当前光纤通讯技术最常用的普通光纤 有特殊要求的称特殊光纤 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 9 3 2光纤的性能 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 9 3 2光纤的性能 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 9 3 2光纤的性能 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 光纤在传播时 由于材料的吸收 散射和弯曲的辐射损耗影响 不可避免的要有损耗 用衰减率A表示 在一根率减率为10dB Km的光纤中 表示当光纤传输1Km后 光强下降到入射时的1 10 3dB Km相当光纤传输1Km后 光强衰减到入射时的一半 性能优良的光纤传播损耗可达0 16dB Km 光纤的接头有光信号放大装置 9 3 2光纤的性能 第9章新型光电传感器 传播损耗 A 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 传播损耗 A 传感器原理及应用 电参量传感器中 通常是由被测量引起电阻 电容 电感等电参量的变化 将这些电参量转换为电流 电压的变化进行检测 光纤传感器通过光调制器技术 使光的某些特性受被测量的作用 如光强 偏振方向 颜色 波长等等 9 3光纤传感器 9 3 3光波调制技术 第9章新型光电传感器 光波的特征参数主要以光强度和光颜色两个最直观的特征表现出来的 目前光电器件只能测量光的强度和颜色 其他物理量是通过这两个量间接测量的 传感器原理及应用 光是一种电磁波 沿某一方向传播的光波可用平面波动方程表示光的电矢量 光的性质 第9章新型光电传感器 E 光的电矢量 A 强度 x 偏振态 方向 相位 f 频率 颜色 k 2 f 波长 传感器原理及应用 利用外界物理量改变光纤中的光强度 通过测量光强的变化测量被测信息 根据传感器探头结构形式可分为 透射 反射 折射 透射式强度调制光纤端面为平面 入射光纤不动 出射光纤可横向 纵向 转动 出射光强受位移信号的调制 接收光强与两圆的交叠面积有关 对单模光纤 颈项位移X与光功率耦合系数T之间关系为高斯型曲线 光的强度调制 为了获得线性和灵敏度 工作点应选择在A点 第9章新型光电传感器 下面分别讨论对光的强度 偏振态 相位 频率的调制方法 光探测器 传感器原理及应用 透射式开关调制入射 接收光纤固定不动 当光纤端面有物体运动时 出射光纤的光强变化 遮光屏物与其它敏感元件相连 如膨胀元件 光的强度调制 光调制实现气压测量 第9章新型光电传感器 透镜 传感器原理及应用 光的强度调制 透射式光栅调制一个固定 一个移动 当光栅作相对运动时 通过光栅间的光强会发生变化 设栅距 栅宽5 m 当动栅相对位移10 m时 光强变化一个周期 位移2 5 m 7 5 m处灵敏度最大 光栅调制实现压力测量 第9章新型光电传感器 m 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光的强度调制 传感器原理及应用 反射式强度调制由多根光纤束组成入射 接收光纤 被测物体将光束反射回光纤 经反向传输后由光敏器件接收 光强的大小随被测物体的特征不同而不同 特征包括 被测物体与光纤端面的距离 被测物体表面的光洁度 反射率 相对倾角 特点 非接触 探头小 线性度好 频响高 测量范围在100 m以内 光的强度调制 液面测量 折射率调制 略 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 法拉第磁光效应 又称磁致旋光效应 当线偏振光通过处于磁场下的透明介质时 光线的偏振面 矢量振动方向 将发生偏转 偏转的角度 与磁感应强度B以及介质的长度L成正比 KBLK 为物质常数 偏振态调制 偏振态调制主要基于人为旋光现象 如 法拉第磁光效应 克尔电光效应 弹光效应等实现的 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 法拉第磁光效应如稀土玻璃的常数K 0 13 0 27 GS cm 1T 特斯拉 104GS处于0 1T磁场下 长10cm的稀土玻璃棒 可使偏振光的光矢量偏转22 45 利用这种原理可制成光纤电流传感器 导体上绕N匝光纤 光矢量旋转的角度与导线电流有关 B I B I 2 VdNI Vd为常数 偏振态调制 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 偏振态调制 传感器原理及应用 一般压力 张力 温度可以改变光纤的长度 几何尺寸 同时由于光弹效应 光纤折射率n也会由于应变而改变 这些物理量可以使光纤输出端产生相位变化 借助干涉仪将相位变化转换为光强的变化 干涉系统的种类很多 相位调制 马赫 泽德干涉仪原理 第9章新型光电传感器 常见的马赫 泽德 Mach Zehnde 传感器原理及应用 相位调制 固定平面镜静止 移动平面镜随被测体运动 分束器1把激光器的输出光束分成两部分 经上 下光路的传输后又重新合路 使其在光检测器处互相干涉 当移动镜面位移时合成光的干涉强度发生变化 这种干涉仪灵敏度高 可精确到10 13nm 马赫 泽德干涉仪原理 第9章新型光电传感器 常见的马赫 泽德 Mach Zehnde 干涉仪原理 传感器原理及应用 虽然空气光路系统有大的动态范围 但实现非常困难 通常只能限制在实验室工作条件 光纤干涉传感器如果干涉系统的空气光路用光纤代替 用光纤耦合器取代分束器 几公里光路对光纤是容易实现的 可取消对光路长度限制 不存在光路中尘埃污染 相位调制 光纤分路器 在光源和检测器之间 干涉仪只含光纤元件 换能器把被测量转换成光束的相位变化 第9章新型光电传感器 光纤干涉仪原理 传感器原理及应用 相位调制 明暗计数法输出脉冲计数反映光强明暗变化 不能检测极性 相位锁定零点检测法通过参考臂的相位调制使系统相差定在 2处 在 2处灵敏度最高 光强与相差呈线性关系 相位干涉仪输出波形 光纤干涉传感器原理 第9章新型光电传感器 相位调制光纤传感器的信号检测有多种 传感器原理及应用 相位调制 由于3db耦合器的作用 两个光电探测器输出为 当被测信号变化时S t 变化 相差偏离输出U3 0 积分器将这个变化积累后输出一附加电压至参考臂上 用附加相差抵消信号臂相差 使系统回到 2初态 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 相位调制 滤波器滤掉环境干扰信号 通过有关信号频段 以上系统是典型的闭环运行状态 加到相位调制器的电压反映了系统相差的变化 相位调制器是将光纤绕在圆柱型PZT 压电陶瓷 上或镀有PVF2材料 PZT直径随驱动信号变化 利用压电晶体的逆压电效应 电场作用下产生形变 使绕在上面的光纤伸缩变化 使光的相位变化 实现相位的调制解调 第9章新型光电传感器 光纤干涉仪 传感器原理及应用 频率调制 当光敏器件与光源之间有相对运动时 光敏器件接收到的光频率fs与光源频率f不同 这种现象称光的 多普勒效应 第9章新型光电传感器 波源不动 观察者相对介质以运动 声音的频率不同 人耳听到的声音的频率 与声源的频率 s相同吗 只有波源与观察者相对静止时才相等 fs f 传感器原理及应用 频率调制 设光敏器件相对光源的运动速度为 接收的光频率可表示为 频率调制法可以测量运动物体 流体 的速度 流量等 被测体散射光信号由透镜接收回光纤 与空气界面直接返回的光信号合成后形成频率为fp的拍频信号 送光敏探测器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 频率调制 测量原理 激光光束频率 0 由分束送两路 调制光 R作参考光源送光敏探测器 分束器2将 0的光束经光纤射入流体 流体速度 流体中微粒照亮时产生反射光 反射光通过光纤返回 多普勒效应使反射光产生频移 形成的光频率为测量光 s 0 测量光与参考光在探测器混频 拍频 p s R 后形成振荡信号 振荡频率为 1 由频谱仪分析 频率变化 获得流体速度 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 光纤目前可以测量70多种物理量基本组成相似 光源 透镜 入射光纤 调制器 出射光纤 光敏器件等 光纤的类型较多大致可分为功能型和非功能型两大类 光纤传感器 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 功能型和非功能型光纤传感器的基本结构类型 传感器原理及应用 这类传感器利用光纤本身对外界被测对象具有敏感能力和检测功能 光纤不仅起到传光作用 而且有传感能力 在被测对象作用下 如光强 相位 偏振态等光学特性得到调制 调制后的信号携带了被测量信息 功能型 又称传感型 FF FunctionFibreOptilSensor 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 在光源和检测器之间只含光纤元件 换能器把被测量转换成光束的相位光强的变化 3db耦合器将光信号耦合输入输出 换能器利用集成和光电技术可把所有元件装入一个很小装置内与光纤对接耦合 光纤干涉传感器原理各种光纤耦合器 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 各种光纤耦合器 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 光纤接头盒 传感器原理及应用 传光型光纤传感器的光纤只当作传播光的媒介 待测对象的调制功能是由其它光电转换元件实现的 光纤的状态是不连续的 光纤只起传光作用 2 非功能型 称传光型 NFF Non FunctionFibreOptilSensor 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 利用半导体材料的能量隙随温度几乎成线性变化 敏感元件是一个半导体光吸收器 光纤用来传输信号 当光源的光强度经光纤达到半导体薄片时 透过薄片的光强受温度的调制 温度T升高 半导体禁带宽度Eg变化 材料吸收光波长向长波移动 半导体薄片透过的光强度变化 一般测温范围在 100 300 3 应用 第9章新型光电传感器 光纤温度传感器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光纤温度传感器 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光纤温度传感器 传感器原理及应用 相位调制型光纤传感器测量压力或温度动画演示 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 3 应用 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多股光纤将光信号传送至端部 并照射到被测物体上 另一束光纤接受反射的光信号 并通过光纤传送到光敏元件上 反射式光纤位移传感器 第9章新型光电传感器 3 应用 被测物体与光纤间距离变化 反射到接受光纤上 光通量发生变化 再通过光电传感器检测出距离的变化 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 反射式光纤位移传感器 传感器原理及应用 结构 反射式光纤位移传感器一般是将发射和接收光纤捆绑组合在一起 端面分布形态的组合形式不同 影响位移测量范围和灵敏度 分布形态一般有四种 R型半分式 半圆分布 H型混合式 随机分布 CII共轴式 内发射分布 CDT共轴式 外发射分布 混合式灵敏度高 半分式测量范围大 第9章新型光电传感器 反射式光纤位移传感器 传感器原理及应用 工作原理 由于光纤有一定的数值孔径 当光纤探头紧贴被测物体时 接收光敏元件无光电信号 被测物体逐渐远离光纤时接收光纤照亮的区域B2越来越大 当整个接收光纤被照亮时 输出曲线达到光峰值 被测体继续远离时部分光线被反射光信号减弱 曲线下降 反射式光纤位移传感器 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 反射式光纤位移传感器讨论 前坡区 输出信号的强度增加快 位移输出曲线有较好的线性关系 可进行小位移测量 后坡区 信号随探头和被测体之间的距离增加而减弱 该区域可用于距离较远要求不高的测量 光峰区 输出信号有最大值 值的大小决定被测表面的状态 可用于表面状态测量 如工件的光洁度或光滑度 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 3 应用 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 3 应用 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 3 应用 第9章新型光电传感器 传感器原理及应用 KD 300光纤位移传感器性能指标分辨率 0 05 m 反应频率 70kHz 信号输出 0 10V DC 100欧姆 仪器工作温度 10摄氏度 65摄氏度 测量不受磁场或静电影响 能对几乎所有非金属甚至漆黑表面物体进行操作 探针长度 3in 76 2mm 探针 电缆线长度 36in 914mm 电源 小于3W 115 230V 50 400Hz 9 3 4光纤传感器 第9章新型光电传感器 光纤量测位移传感器MTI 2100超高分辨率 0 0025 m反应频率 190kHz 特殊探针到达500kHz 数值显示面板 LCD液晶显示可接二组传感器 最小探针外径0 17mm输出 电压 10Vto 10VRS 232C数据接口 传感器原理及应用 第9章新型光电传感器 光纤旋涡流量传感器是将一根多模光纤垂直地装入管道 当液体或气体流经与其垂直的光纤时 光纤受到流体涡流的作用而振动 振动的频率与流速有关 测出频率就可知流速 光纤旋涡流量传感器 当流体运动受到一个垂直于流动方向的非流线体阻碍时 在非流线体的下游两侧产生有规则的旋涡 其旋涡的频率f与流体的流速可表示为 式中 v 流体速度 d 截面积 S 常数 3