ch09-CCD光纤编码器课件

固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性CCD图像传感器固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CC1CCD——固态图像传感器体积小、重量轻、析像度高、功耗低、低电压驱动

线型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器光电器件光像信息电信号图像CCD——固态图像传感器线型CCD图像传感器面23数码相机摄像机面型CCD图像传感器扫描仪复印机线型CCD图像传感器3数码相机摄像机面型CCD图像传感器扫描仪复印机线型CC3ch09-CCD光纤编码器课件4数码相机工作原理

A/DMPU内存LCDPC卡接口镜头CCD模/数转换微处理器内置存储器液晶显示器可移动存储器接口数码相机工作原理A/DMPU内存LCDPC卡接口镜头CCD模5CCD的三层结构：

聚光镜片彩色滤镜阵列感应电路CCD的三层结构：

聚光镜片彩色滤镜阵列感应电路6CCD应用专业CCD摄影实例（摄影：CP）--更多精彩，尽在finalpresentCCD应用专业CCD摄影实例（摄影：CP）--更多精彩，尽在7CCD应用应用领域：精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感CCD应用应用领域：精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空8一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），它将光敏元阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换、电荷的存储和电荷的转移、输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（Charge91.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2

(120nm),再在SiO2层上沉积金属电极（栅极）构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元，一个MOS电容器是一个光敏单元，可以感应一个像素点。1.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，10A、势阱的产生当在金属电极上加正压U（衬底接地）时，P型硅衬底内空穴被排斥入地，留下带负电荷的负离子，形成耗尽层。此耗尽区对于电子来说是一个势能特别低的区域，与周围相比就像一个陷阱，称为电子势阱或表面势阱。势阱的深浅取决于U的大小，U增加，被排斥的空穴数增加，剩余的负电荷即增加，势阱加深。A、势阱的产生11B、电荷的存储当有光照射在硅片上时，产生光生电子—空穴对，其中的电子被附近的势阱吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比：光强越大，产生的电子-空穴对越多，势阱收集的电子数就越多。势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，只要电极上的电压维持，电荷就一直存储在势阱中，即MOS电容能够实现对光照的记忆。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量的过程。B、电荷的存储122.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移传输出来。2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的13电荷（少子）注入方法：光注入（对摄像器件）、电注入（对移位寄存器）A、电荷的注入电荷（少子）注入方法：光注入（对摄像器件）、A、电荷的注入14B、电荷的定向转移通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、电荷的定向转移15CCD的结构MOS电容器件阵列+输入输出端=CCD三相CCD电极的结构MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。CCD的结构MOS电容器件阵列+输入输出端=CCD16电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。——电荷定向转移电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲17C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使转移到终端的电荷移到输出二极管的耗尽区，从而在负载上形成脉冲电流。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管18二、线阵CCD图像传感器N位移位寄存器与N个光敏元一一对齐，各光敏元通向移位寄存器的各转移沟道之间有沟阻隔开，使之只能通向移位寄存器的一个单元。一般应使信号的转移时间远小于摄像时间（光积分时间）。二、线阵CCD图像传感器N位移位寄存器与N个19

转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。——重复进行，相继的行输出，读出电荷图形光积分：光照感光单元，产生光生电子-空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。电荷转移：积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分20三、线性CCD图像传感器的应用1、微小尺寸的检测衍射图像暗纹间距a为被测细丝直径在线阵CCD得到的电脉冲信号中，两个幅值为极小值之间的脉冲数为N，阵列单元的间距为l，则所以，三、线性CCD图像传感器的应用1、微小尺寸的检测衍射图像暗纹21——上端受光照的像素数——下端受光照的像素数——视场范围（2）测量小尺寸物体（测量物体轮廓尺寸）在正面或背面光照射下，被测物体通过透镜聚集在CCD传感器的光敏面上，图像尺寸与被测尺寸成正比。——上端受光照的像素数——下端受光照的像素数——2223尺寸检测2323四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上都能实现电子自扫描分为行传输、帧传输、行间传输。组成：感光区、信号存储区、输出转移部分四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上都能实现2425缺点：易引起图像模糊行传输25缺点：易引起图像模糊行传输2526优点：电极结构简单，转移单元较密。缺点：需要附加存储器。帧传输26优点：帧传输2627优点：帧传输一次转移完成，器件操作简单，图像清晰。缺点：单元设计复杂，感光面积减少。——电视摄像系统最好方式。行间传输27优点：帧传输一次转移完成，器件操作简单，图像清晰。——27ch09-CCD光纤编码器课件289.4光纤传感器光纤传感器优点：极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁干扰能力，高的绝缘度，耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧等。

光纤传感器的应用范围非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。尤其是，它可以安全有效的在恶劣环境下使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。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。9.4光纤传感器光纤传感器优点：极高的灵敏度和精度，固有29光纤传感检测系统：光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器光纤传感器的基本原理是光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感检测系统：光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测30一、光纤的传光原理1、光纤结构由纤芯、包层和保护层组成（石英玻璃5—100um)。核心部分是纤芯和包层，纤芯由高度透明的材料制成。包层的折射率n2略小于纤芯n1。保护层的作用是保护光纤不受外界侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的柔韧，还可以以颜色区分各种光纤。一、光纤的传光原理312、传光原理光的全反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件

光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：

2、传光原理光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：32n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈33当θr=90°的临界状态时，折射光沿界面方向传播，此时的入射角为临界角θcSinθc定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）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。当θr=90°的临界状态时，折射光沿界面方向传播，此时的入34光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）351.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收362.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式不同入射角的光线，在界面反射的次数不同，传递的光波间的干涉亦不同，即为传播模式不同。 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。

2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式373.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响传播损耗（单位为dB）式中,I——光纤长度；a——单位长度的衰减；I0——光导纤维输入端光强；I——光导纤维输出端光强。3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲38光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光源光探测器光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光39三.光纤传感器的分类光纤传感器按功能的不同通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。功能型光纤传感器既传光又是敏感元件。利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使光的特性（相位、强度、波长、偏振态）发生变化，再通过解调器进行解调得到被测量。只能使用单模光纤。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。三.光纤传感器的分类40

非功能型光纤传感器（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率，非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。多数使用多模光纤，以传输更多的光量。非功能型光纤传感器（光通讯）411.光强调制光纤传感器按调制的光波参数不同可分为：1.光强调制光纤传感器按调制的光波参数不同可分为：42光源发出的光经入射光纤传输到调制器（可动反射调制器、可动透射调制器、微弯调制器等），经被测物理量调制后的光通过出射光纤传输到光电接收器。可动反射调制器中出射光纤能收到多少光强，由入射光纤射出的光斑在反射屏上形成的基圆尺寸决定，基圆尺寸由反射屏到入射光纤的距离决定，距离受待测物理量（如微位移、热膨胀等）的控制，因此出射光纤收到的光强调制信号代表了被测物理量的变化。光源发出的光经入射光纤传输到调制器（可动反射调432.相位调制将光纤的光分为两束---干涉现象2.相位调制将光纤的光分为两束---干涉现象44光强调制型光纤温度传感器三、光纤传感器应用实例光强调制型光纤温度传感器三、光纤传感器应用实例45光纤图像传感器工业用内窥镜光纤图像传感器工业用内窥镜46例：试计算n1=1.46,n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如果光纤外部介质的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例：试计算n1=1.46,n2=1.45的阶跃折射率光纤的数47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。编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。9.5光电式编码器9.5光电式编码器48

码盘式编码器（绝对编码器）码盘式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘式编码器（绝对编码器）码盘式编码器主要由49六位二进制码盘码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定编码规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。六位二进制码盘码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每50当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号分别为“1”和“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的组合，反映出按一定规律编码的数字量，代表了码盘轴的角位移大小。编码器码盘按其所用码制可分为二进制码、十进制码、循环码等。当光源将光投射在码编码器码盘按其所用码制51对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一半不透光，最外圈一共分成26=64个黑白间隔。每一个角度方位对应于不同的编码。例如零位对应于000000（全黑）；第23个方位对应于010111。

在测量时，只要根据码盘的起始和终止位置，就可以确定角位移，而与转动的中间过程无关。对于6位二进制码盘，最内圈码盘一半透光，一52

采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能造成读数的粗大误差。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。

一个n位二进制码盘的最小分辨率，即能分辨的角度为α=360°/2n，一个6位二进制码盘，其最小分辨的角度α≈5.6°。采用二进制编码器时，任何微小的制作误差，都可能53

为了消除粗误差，可用循环码（格雷码）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，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。对于n位循环码码盘，与二进制码一样，具有2n种不同编码，最小分辨率α=360°/2n。

为了消除粗误差，可用循环码（格雷码）代替二进制54

脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲进行加减(正向或反向旋转时)累计计数，由两圈相等角距的缝隙实现，外圈为增量码道，内圈为辨向码道。一般还需要一个基准数据即零位基准，才能完成角位移测量。

脉冲盘式编码器（增量编码器）脉冲盘式编码器的输出是一系列脉冲，需要一个计数系统对脉冲55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，并设置了两组对应的光敏元件（对应图中的A、B两路信号）。四分之一间距保证了两路信号的相位差为90°，便于辨向。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一56辨向原理辨向原理57应用转速测量脉冲频率法

在给定时间内对编码器发出的脉冲计数，然后由下式求出其转速。式中，t——测速采样时间N1——t内所测脉冲个数N——编码器每转脉冲个数应用转速测量式中，t——测速采样时间58脉冲周期法

通过计数编码器的一个脉冲间隔内（半个脉冲周期）的标准时钟脉冲个数来计算其转速。要求时钟脉冲频率必须高于编码器脉冲频率。相应的计算公式：式中，T——标准时钟脉冲周期N2——编码器一个脉冲间隔内标准时钟脉冲输出个数N——编码器每转脉冲个数脉冲周期法通过计数编码器的一个脉冲间隔内（半个脉冲周59例1：设某编码器的额定工作参数是N=2048个脉冲/r，在0.2s时间内测得8192个脉冲，求其转速。例1：设某编码器的额定工作参数是N=2048个脉冲/r，在060例2：设某编码器的额定工作参数是N=1024个脉冲/r，标准时钟脉冲周期，测得编码器输出的两个相邻脉冲上升沿之间标准时钟脉冲输出个数为1000个，求其转速。例2：设某编码器的额定工作参数是N=1024个脉冲/r，标准61产品产品62固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CCD）、MOS图像传感器（简称SSPA）和电荷注入器件（简称CID）。目前，前两种用得较多。广泛用于图像传输与识别。例如，摄像机、数码照相机、扫描仪、复印机和机器人的眼睛等。在本节中仅说明CCD图像传感器的工作原理与特性CCD图像传感器固态图像传感器按其结构可分为三类：电荷耦合器件（简称CC63CCD——固态图像传感器体积小、重量轻、析像度高、功耗低、低电压驱动

线型CCD图像传感器

面型CCD图像传感器光电器件光像信息电信号图像CCD——固态图像传感器线型CCD图像传感器面6465数码相机摄像机面型CCD图像传感器扫描仪复印机线型CCD图像传感器3数码相机摄像机面型CCD图像传感器扫描仪复印机线型CC65ch09-CCD光纤编码器课件66数码相机工作原理

A/DMPU内存LCDPC卡接口镜头CCD模/数转换微处理器内置存储器液晶显示器可移动存储器接口数码相机工作原理A/DMPU内存LCDPC卡接口镜头CCD模67CCD的三层结构：

聚光镜片彩色滤镜阵列感应电路CCD的三层结构：

聚光镜片彩色滤镜阵列感应电路68CCD应用专业CCD摄影实例（摄影：CP）--更多精彩，尽在finalpresentCCD应用专业CCD摄影实例（摄影：CP）--更多精彩，尽在69CCD应用应用领域：精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空遥感CCD应用应用领域：精密测量、非接触无损检测、文件扫描与航空70一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（ChargeCoupleDevice，简称CCD），它将光敏元阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换、电荷的存储和电荷的转移、输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。一.电荷耦合器件(CCD)电荷耦合器件（Charge711.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属—氧化物—半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2

(120nm),再在SiO2层上沉积金属电极（栅极）构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元，一个MOS电容器是一个光敏单元，可以感应一个像素点。1.MOS光敏单元的结构及原理CCD器件完成对物体的成像，72A、势阱的产生当在金属电极上加正压U（衬底接地）时，P型硅衬底内空穴被排斥入地，留下带负电荷的负离子，形成耗尽层。此耗尽区对于电子来说是一个势能特别低的区域，与周围相比就像一个陷阱，称为电子势阱或表面势阱。势阱的深浅取决于U的大小，U增加，被排斥的空穴数增加，剩余的负电荷即增加，势阱加深。A、势阱的产生73B、电荷的存储当有光照射在硅片上时，产生光生电子—空穴对，其中的电子被附近的势阱吸收，势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比：光强越大，产生的电子-空穴对越多，势阱收集的电子数就越多。势阱中的电子处于被存储状态，即使停止光照，只要电极上的电压维持，电荷就一直存储在势阱中，即MOS电容能够实现对光照的记忆。CCD器件将物体的光像形成对应的电像时，就是CCD器件中上千个相互独立的MOS单元势阱中存储与光像对应的电荷量的过程。B、电荷的存储742.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的电荷从一个MOS元位置转移到另一个MOS元位置，并依次转移传输出来。2.读出移位寄存器是电荷图像的输出电路研究如何实现势阱下的75电荷（少子）注入方法：光注入（对摄像器件）、电注入（对移位寄存器）A、电荷的注入电荷（少子）注入方法：光注入（对摄像器件）、A、电荷的注入76B、电荷的定向转移通过控制相邻MOS电容器栅极电压高低来调节势阱的深浅。要求：多个MOS电容紧密排列且势阱相互沟通。金属电极上加电压脉冲严格满足相位要求。B、电荷的定向转移77CCD的结构MOS电容器件阵列+输入输出端=CCD三相CCD电极的结构MOS上三个相邻电极，每隔两个所有电极接在一起。由3个相位差120°时钟脉冲驱动。CCD的结构MOS电容器件阵列+输入输出端=CCD78电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲周期，电荷从前一级的一个电极下，转移到下一级的同号电极下。——电荷定向转移电荷（少子）定向转移——三相控制方式经过一个时钟脉冲79C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管加反压，在PN结形成耗尽层。输出栅OG加压使转移到终端的电荷移到输出二极管的耗尽区，从而在负载上形成脉冲电流。输出电流的大小与电荷大小成正比，通过负载变为电压输出。输出二极管电流法C、电荷的输出在输出端P型硅衬底上扩散形成输出二极管，二极管80二、线阵CCD图像传感器N位移位寄存器与N个光敏元一一对齐，各光敏元通向移位寄存器的各转移沟道之间有沟阻隔开，使之只能通向移位寄存器的一个单元。一般应使信号的转移时间远小于摄像时间（光积分时间）。二、线阵CCD图像传感器N位移位寄存器与N个81

转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分采集。——重复进行，相继的行输出，读出电荷图形光积分：光照感光单元，产生光生电子-空穴对，电子注入对应的MOS势阱中，光像变为电像—电荷包。电荷转移：积分周期结束，控制信号使转移栅打开，光生电荷就通过转移栅耦合到移位寄存器中，通过移位寄存器并行输出。转移栅关闭后，光敏单元开始下一行图像信号积分82三、线性CCD图像传感器的应用1、微小尺寸的检测衍射图像暗纹间距a为被测细丝直径在线阵CCD得到的电脉冲信号中，两个幅值为极小值之间的脉冲数为N，阵列单元的间距为l，则所以，三、线性CCD图像传感器的应用1、微小尺寸的检测衍射图像暗纹83——上端受光照的像素数——下端受光照的像素数——视场范围（2）测量小尺寸物体（测量物体轮廓尺寸）在正面或背面光照射下，被测物体通过透镜聚集在CCD传感器的光敏面上，图像尺寸与被测尺寸成正比。——上端受光照的像素数——下端受光照的像素数——8485尺寸检测2385四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上都能实现电子自扫描分为行传输、帧传输、行间传输。组成：感光区、信号存储区、输出转移部分四、面阵CCD图像传感器——在x、y两个方向上都能实现8687缺点：易引起图像模糊行传输25缺点：易引起图像模糊行传输8788优点：电极结构简单，转移单元较密。缺点：需要附加存储器。帧传输26优点：帧传输8889优点：帧传输一次转移完成，器件操作简单，图像清晰。缺点：单元设计复杂，感光面积减少。——电视摄像系统最好方式。行间传输27优点：帧传输一次转移完成，器件操作简单，图像清晰。——89ch09-CCD光纤编码器课件909.4光纤传感器光纤传感器优点：极高的灵敏度和精度，固有的安全性，良好的抗电磁干扰能力，高的绝缘度，耐高温、耐腐蚀、轻质、柔韧等。

光纤传感器的应用范围非常广泛，几乎涉及国民经济的所有重要领域和人们的日常生活。尤其是，它可以安全有效的在恶劣环境下使用，解决了许多行业多年来一直存在的技术难题，具有很大的市场需求。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。9.4光纤传感器光纤传感器优点：极高的灵敏度和精度，固有91光纤传感检测系统：光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器及解调器光纤传感器的基本原理是光源的光经入射光纤送入调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质（如强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。光纤传感检测系统：光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测92一、光纤的传光原理1、光纤结构由纤芯、包层和保护层组成（石英玻璃5—100um)。核心部分是纤芯和包层，纤芯由高度透明的材料制成。包层的折射率n2略小于纤芯n1。保护层的作用是保护光纤不受外界侵蚀和机械擦伤，同时又增加光纤的柔韧，还可以以颜色区分各种光纤。一、光纤的传光原理932、传光原理光的全反射是光纤传输光的基础。（1）光的全反射条件

光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：

2、传光原理光由纤芯到包层表面，由光的折射定律可知：94n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈95当θr=90°的临界状态时，折射光沿界面方向传播，此时的入射角为临界角θcSinθc定义为“数值孔径”NA（NumericalAperture）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。当θr=90°的临界状态时，折射光沿界面方向传播，此时的入96光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）2.光纤模式3.传播损耗光导纤维的主要参数1.数值孔径（NA）971.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。意义：无论光源发射功率有多大，只有2θc张角之内的光功率能被光纤接受传播。 大的数值孔径：有利于耦合效率的提高。 但数值孔径太大，光信号畸变也越严重。1.数值孔径（NA）反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收982.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式不同入射角的光线，在界面反射的次数不同，传递的光波间的干涉亦不同，即为传播模式不同。 在光导纤维中传播模式很多对信息的传输是不利的，导致合成信号的畸变，因此我们希望模式数量越少越好。

2.光纤模式光波沿光导纤维传播的途径和方式993.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的辐射损耗等的影响传播损耗（单位为dB）式中,I——光纤长度；a——单位长度的衰减；I0——光导纤维输入端光强；I——光导纤维输出端光强。3.传播损耗损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲100光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光受到被测量的调制，已调光经光纤耦合到光接收器，使光信号变为电信号，经信号处理系统得到被测量。光源光探测器光纤传感器结构原理把被测量的状态转变为可测的光信号的装置光101三.光纤传感器的分类光纤传感器按功能的不同通常可分为功能型（传感型）和非功能型（传光型）。功能型光纤传感器既传光又是敏感元件。利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件，被测量对光纤内传输的光进行调制，使光的特性（相位、强度、波长、偏振态）发生变化，再通过解调器进行解调得到被测量。只能使用单模光纤。光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型。测温度、压力、位移等。三.光纤传感器的分类102

非功能型光纤传感器（光通讯）光纤只作为光的传输回路。为了得到较大的受光量和传输光功率，非功能型光纤传感器采用NA较大和芯径较大的阶跃型多模光纤。多数使用多模光纤，以传输更多的光量。非功能型光纤传感器（光通讯）1031.光强调制光纤传感器按调制的光波参数不同可分为：1.光强调制光纤传感器按调制的光波参数不同可分为：104光源发出的光经入射光纤传输到调制器（可动反射调制器、可动透射调制器、微弯调制器等），经被测物理量调制后的光通过出射光纤传输到光电接收器。可动反射调制器中出射光纤能收到多少光强，由入射光纤射出的光斑在反射屏上形成的基圆尺寸决定，基圆尺寸由反射屏到入射光纤的距离决定，距离受待测物理量（如微位移、热膨胀等）的控制，因此出射光纤收到的光强调制信号代表了被测物理量的变化。光源发出的光经入射光纤传输到调制器（可动反射调1052.相位调制将光纤的光分为两束---干涉现象2.相位调制将光纤的光分为两束---干涉现象106光强调制型光纤温度传感器三、光纤传感器应用实例光强调制型光纤温度传感器三、光纤传感器应用实例107光纤图像传感器工业用内窥镜光纤图像传感器工业用内窥镜108例：试计算n1=1.46,n2=1.45的阶跃折射率光纤的数值孔径值。如果光纤外部介质的n0=1,求最大入射角的值。NA=0.17=9.8°例：试计算n1=1.46,n2=1.45的阶跃折射率光纤的数109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。编码器在角位移测量方面应用广泛，具有高精度、高分辨率、高可靠性的特点。光电式编码器从结构上可分为码盘式和脉冲盘式两种。9.5光电式编码器9.5光电式编码器110

码盘式编码器（绝对编码器）码盘式编码器主要由安装在旋转轴上的编码圆盘（码盘）、窄缝以及安装在圆盘两边的光源和光敏元件等组成。码盘式编码器（绝对编码器）码盘式编码器主要由111六位二进制码盘码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每位码道上都有按一定编码规律排列的透光和不透光部分，即亮区和暗区。六位二进制码盘码盘由光学玻璃制成，其上刻有许多同心码道，每112当光源将光投射在码盘上时，转动码盘，通过亮区的光线经窄缝后，由光敏元件接收。光敏元件的排列与码道一一对应，对应于亮区和暗区的光敏元件输出的信号分别为“1”和“0”。当码盘旋至不同位置时，光敏元件输出信号的