光栅CCD光纤传感器

关于光栅CCD光纤传感器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第2页,共64页，2024年2月25日，星期天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。第3页,共64页，2024年2月25日，星期天光栅位移传感器

线性位移传感器。根据主光栅尺与指示光栅之间的相对运动产生莫尔条纹移动，通过计算莫尔条纹数测量位移，精度高，用于自控机床及作长度减量标准。第4页,共64页，2024年2月25日，星期天图7.5.2光栅传感器外形第5页,共64页，2024年2月25日，星期天6反射式光栅第6页,共64页，2024年2月25日，星期天7透射式光栅第7页,共64页，2024年2月25日，星期天8透射式圆光栅固定第8页,共64页，2024年2月25日，星期天9光栅在机床上的安装位置（2个坐标）第9页,共64页，2024年2月25日，星期天10光栅在机床上的安装位置（3个坐标）数显表第10页,共64页，2024年2月25日，星期天11光栅在机床上

的安装位置

（3个坐标）（续）第11页,共64页，2024年2月25日，星期天123自由度光栅数显表第12页,共64页，2024年2月25日，星期天13光栅数显表（续）三坐标数显表第13页,共64页，2024年2月25日，星期天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第14页,共64页，2024年2月25日，星期天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。第15页,共64页，2024年2月25日，星期天7.4.2CCD图像传感器利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在CCD上的光学图像转移成了电信号“图像”。由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光生电荷都通过一个输出电路检测，且具有良好的—致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。线列和面阵上一页下一页返回第16页,共64页，2024年2月25日，星期天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第17页,共64页，2024年2月25日，星期天

彩色CCD显微照片（放大7000倍）第18页,共64页，2024年2月25日，星期天19CCD图像传感器的分类

(1)线阵CCD第19页,共64页，2024年2月25日，星期天20(2)面阵CCD

面阵CCD能在x、y两个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。

第20页,共64页，2024年2月25日，星期天21面阵CCD外形（续）

200万和1600万像素的面阵CCD

第21页,共64页，2024年2月25日，星期天22面阵CCD外形（续）

第22页,共64页，2024年2月25日，星期天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第23页,共64页，2024年2月25日，星期天24利用CCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法及光学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。1.尺寸检测(1)衍射法(2)投影法(3)光学成像法第24页,共64页，2024年2月25日，星期天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。第25页,共64页，2024年2月25日，星期天被测对象长度Ll1

－视场l2－传感器的长度上一页下一页返回第26页,共64页，2024年2月25日，星期天27投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，当一束平行光照射到被测物体后再投射到CCD时，物体的阴影也同时投射到CCD上，若光的准直度很好，其阴影的尺寸就代表了待测物体的尺寸。图7.3.6投影法测量的应用

(2)投影法第27页,共64页，2024年2月25日，星期天28光学成像法测量物体尺寸的范围非常宽，通过光学系统物体在CCD上成一个放大或缩小的实像，CCD测得像的大小再乘以光学系统的放大倍率便可获得物体的尺寸，这种方法可以实现零件尺寸的在线自动检测。(3)光学成像法图7.3.7基于CCD的零件尺寸在线检测系统

第28页,共64页，2024年2月25日，星期天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.图形文字识别第29页,共64页，2024年2月25日，星期天光学文字识别装置(OCR)原理上一页返回第30页,共64页，2024年2月25日，星期天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。第31页,共64页，2024年2月25日，星期天指纹传感器

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。第32页,共64页，2024年2月25日，星期天索尼的感光元件第33页,共64页，2024年2月25日，星期天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。第34页,共64页，2024年2月25日，星期天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第35页,共64页，2024年2月25日，星期天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：上一页下一页返回第36页,共64页，2024年2月25日，星期天光纤导光上一页下一页返回第37页,共64页，2024年2月25日，星期天n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故n0≈1上一页下一页返回第38页,共64页，2024年2月25日，星期天当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。上一页下一页返回第39页,共64页，2024年2月25日，星期天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

上一页下一页返回第40页,共64页，2024年2月25日，星期天(1)光纤的传感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一页下一页返回第41页,共64页，2024年2月25日，星期天(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。

上一页下一页返回第42页,共64页，2024年2月25日，星期天(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。上一页下一页返回第43页,共64页，2024年2月25日，星期天(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第44页,共64页，2024年2月25日，星期天(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第45页,共64页，2024年2月25日，星期天(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第46页,共64页，2024年2月25日，星期天（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。上一页下一页返回第47页,共64页，2024年2月25日，星期天（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。上一页下一页返回第48页,共64页，2024年2月25日，星期天（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。上一页下一页返回第49页,共64页，2024年2月25日，星期天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。

上一页下一页返回第50页,共64页，2024年2月25日，星期天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第51页,共64页，2024年2月25日，星期天（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第52页,共64页，2024年2月25日，星期天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第53页,共64页，2024年2月25日，星期天将上式两边取对数，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。上一页下一页返回第54页,共64页，2024年2月25日，星期天（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第55页,共64页，2024年2月25日，星期天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第56页,共64页，2024年2月25日，星期天（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