光栅CCD光纤传感器课件

7.3光栅传感器光栅传感器由光源、透镜、光栅副（主光栅和指示光栅）和光电接收元件组成。

光栅传感器的结构莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度BH由光栅常数与光栅夹角决定莫尔条纹技术的特点（1）调整夹角即可得到很大的莫尔条纹的宽度，起到了放大作用，又提高了测量精度。（2）莫尔条纹的光强度变化近似正弦变化，便于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术”。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均作用。刻线的局部误差和周期误差对于精度没有直接的影响。因此可得到比光栅本身的刻线精度高的测量精度。这是用光栅测量和普通标尺测量的主要差别。图7.5.2光栅传感器外形6反射式光栅7透射式光栅9光栅在机床上的安装位置（2个坐标）10光栅在机床上的安装位置（3个坐标）数显表11光栅在机床上

的安装位置

（3个坐标）（续）13光栅数显表（续）三坐标数显表14安装有直线、角度光栅的数控机床加工实况

防护罩内为直线光栅光栅扫描头被加工工件切削刀具角编码器安装在夹具的端部7.4电荷耦合器件在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱”的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。图像传感器：转移的信号电荷是由光线照射产生；若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，则其可以具备延时、信号处理、数据存储以及逻辑运算等功能。17MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的数据面显微照片

彩色CCD显微照片（放大7000倍）19CCD图像传感器的分类

(1)线阵CCD21面阵CCD外形（续）

200万和1600万像素的面阵CCD

22面阵CCD外形（续）

7．4．3图像传感器的应用1．尺寸测量2．

用于光学文字识别装置上一页下一页返回257.3.5细丝直径检测系统原理尺度等于或略大于波长量级的微隙、细丝或小孔一般采用衍射方法(1)衍射法L为细丝到CCD的距离，λ为入射激光波长，a为被测细丝的直径，N为两个暗纹之间的像素个数，l为像素间距。被测对象长度Ll1－视场l2－传感器的长度上一页下一页返回29图7.3.8CCD邮政编码识别系统通过CCD把邮编图像扫描入计算机，通过软件对邮编图像进行数字识别，根据识别出的数字，计算机控制分类机构把信件送入相应的分类箱中。类似系统还可用于货币识别和分类、商品条形码识别等。2.图形文字识别光学文字识别装置(OCR)原理上一页返回图像传感器是一种能进行光电转换存储信息及转换信息电荷功能的特殊半导体器件，用于传真、图像扫描及光特性识别工业自动检测等多个领域。特别适用于精密图像传感和无接触工件尺寸的在线检测。指纹传感器

具有指纹录入，图像处理，模板生成和指纹比对等功能。它采集速度快，图像质量高，稳定性好。广泛的用于电子政务，金融行业，远程登录等领域，类似银行的柜员管理，医保、社保系统以及与卡结合的应用系统。索尼的感光元件7.5光纤传感器光纤传感优点：灵敏度较高；几何形状具有多方面的适应性，可以制成任意形状的光纤传感器；可以制造传感各种不同物理信息（声、磁、温度、旋转等）的器件；可以用于高压、电气噪声、高温、腐蚀、或其它的恶劣环境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应用：磁、声、压力、温度、加速度、陀螺、位移、液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。7.5.1光导纤维的结构和导光原理圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层的折射率上一页下一页返回斯乃尔定理当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射（a）折射角大于入射角：（b）临界状态：（c）全反射：上一页下一页返回光纤导光上一页下一页返回n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1上一页下一页返回当θr=90°的临界状态时，Sinθio0定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）相对折射率差arcsinNA是一个临界角，θi>arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；θi<arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。上一页下一页返回光纤传感器的分类光纤在传感器中的作用光受被测量调制的形式光纤传感器中对光信号的检测方法不同

上一页下一页返回(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一页下一页返回(a)功能型（全光纤型）光纤传感器光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：结构紧凑、灵敏度高。

缺点：须用特殊光纤，成本高，

典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。

上一页下一页返回(b)非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤在其中仅起导光作用，光照在光纤型敏感元件上受被测量调制。

优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。

缺点：灵敏度较低。 实用化的大都是非功能型的光纤传感器。上一页下一页返回(c)拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纤激光多普勒速度计 辐射式光纤温度传感器上一页下一页返回(2)根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器上一页下一页返回(a)强度调制型光纤传感器利用被测对象的变化引起敏感元件参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器。应用：压力、振动、位移、气体优点:结构简单、容易实现、成本低。缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响上一页下一页返回（b）偏振调制光纤传感器利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息应用： 电流、磁场传感器：法拉第效应； 电场、电压传感器：泡尔效应； 压力、振动或声传感器：光弹效应； 温度、压力、振动传感器：双折射性优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。上一页下一页返回（c）频率调制光纤传感器被测对象引起的光频率的变化来进行监测利用运动物体反射光和散射光的多普勒效应的光纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器； 利用物质受强光照射时的喇曼散射构成的测量气体浓度或监测大气污染的气体传感器； 利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返回（d）相位调制传感器被测对象导致光的相位变化，然后用干涉仪来检测这种相位变化而得到被测对象的信息。

利用光弹效应的声、压力或振动传感器； 利用磁致伸缩效应的电流、磁场传感器； 利用电致伸缩的电场、电压传感器利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）优点：灵敏度很高，缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。上一页下一页返回4.4.5光纤传感器的特点（1）电绝缘。（2）抗电磁干扰。（3）非侵入性。（4）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。

上一页下一页返回7.5.6光纤传感器的应用强度调制型： 基于弹性元件受压变形，将压力信号转换成位移信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型： 利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型： 主要是利用晶体的光弹性效应。上一页下一页返回光纤压力传感器（1）采用弹性元件的光纤压力传感器膜片反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度若利用Y形光纤束位移特性的线性区，则传感器的输出光功率亦与待测压力呈线性关系。1Y形光纤2壳体3膜片与所加的压力呈线性关系上一页下一页返回差动式膜片反射型光纤压力传感器1．输出光纤2．输入光纤3．输出光纤4．胶5．膜片两束输出光的光强之比A―常数；p―待测量压力输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关上一页下一页返回将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器即可得到线性的输出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可获得不同的测量范围。上一页下一页返回（b）光弹性式光纤压力传感器光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。1光源2、8起偏器3、91/4波长板4、10光弹性元件5、11检偏器6光纤7自聚焦透镜上一页下一页返回光弹性式光纤压力传感器2在光弹性元件上加上质量块后，也可用于测量振动、加速度上一页下一页返回（c）微弯式光纤压力传感基于光纤的微弯效应，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。

1聚碳酸酯薄膜2可动变形板3固定变形板4、5光纤微弯式光纤水听器探头上一页返回光纤光电传感器

可以对距离远的被检测物体进行检测，能检测到微小物体，精度高。59

保护管内为高温光纤低温光纤光纤温度传感器光纤加速度传感器当框架纵向振动时，在惯性力的作用下重物与框架之间产生了相对位移，使光纤的伸缩，从而导致光在L1中传播的光程发生改变（即相