光栅CCD光纤传感器精选PPT.ppt

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1、关于光栅CCD光纤传感器第1页，讲稿共64张，创作于星期一莫尔条纹形成的原理横向莫尔条纹的斜率横向莫尔条纹的斜率莫尔条纹间距莫尔条纹间距莫尔条纹的宽度莫尔条纹的宽度BH由由光栅常数与光栅夹角决定光栅常数与光栅夹角决定 第2页，讲稿共64张，创作于星期一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，）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。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）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，即采用于将电信号作进一步细分，即采用“倍频技术倍频技术”。这样可以提高测量

2、精度或可以采用较粗的。这样可以提高测量精度或可以采用较粗的光栅。光栅。（3）光电元件对于光栅刻线的误差起到了平均）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。尺测量的主要差别。第3页，讲稿共64张，创作于星期一光栅位移传感器光栅位移传感器 l线性位移传感器。根据主光栅尺与指示线性位移传感器。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，光栅

3、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，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。用于自控机床及作长度减量标准。第4页，讲稿共64张，创作于星期一图图7.5.2 7.5.2 光光栅传栅传感器外形感器外形第5页，讲稿共64张，创作于星期一6反射式光栅第6页，讲稿共64张，创作于星期一7透射式光栅第7页，讲稿共64张，创作于星期一8透射式圆光栅固定固定第8页，讲稿共64张，创作于星期一9光栅在机床上的安装位置（2个坐标）第9页，讲稿共64张，创作于星期一10光栅在机床上的安装位置（3个坐标）数显表数显表第10页，讲稿共64张，创作于星期一11光栅

4、在机床上的安装位置 （3个坐标）（续）第11页，讲稿共64张，创作于星期一123自由度光栅数显表第12页，讲稿共64张，创作于星期一13光栅数显表（续）三坐标三坐标数显表数显表第13页，讲稿共64张，创作于星期一14安装有直线、角度光栅的数控机床加工实况 防防护罩内罩内为直直线光光栅光光栅扫描描头被加工工件被加工工件切削刀具切削刀具角角编码器安装在器安装在夹具的端部具的端部第14页，讲稿共64张，创作于星期一7.4 电荷耦合器件在在MOS电容金属电极上，加以脉冲电压，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，形成排斥掉半导体衬底内的多数载流子，形成“势阱势阱”的运动，进而达

5、到信号电荷（少的运动，进而达到信号电荷（少数载流子）的转移。数载流子）的转移。图像传感器：转移的信号电荷是由光线照图像传感器：转移的信号电荷是由光线照射产生；射产生；若所转移的电荷通过外界诸如方式得到，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。以及逻辑运算等功能。第15页，讲稿共64张，创作于星期一7.4.2 CCD图像传感器l利用利用CCD的光电转移和电荷转移的双重功能，得到幅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，从而将照射度与各光生电荷包成正比的电脉冲序列，从而将照射在

6、在CCD上的光学图像转移成了电信号上的光学图像转移成了电信号“图像图像”。l由于由于CCD能实现低噪声的电荷转移，并且所有光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。致性，因此，对图像的传感具有优越的性能。l线列和面阵线列和面阵上一页下一页返 回第16页，讲稿共64张，创作于星期一17MOS电容器组成的光敏元及数据面的显微照片CCD光敏元显微照片光敏元显微照片CCD读出移位寄存器的出移位寄存器的数数据据面面显微照片微照片第17页，讲稿共64张，创作于星期一 彩色彩色CCDCCD显

7、微照片（放大显微照片（放大70007000倍）倍）第18页，讲稿共64张，创作于星期一19CCD图像传感器的分类 (1)(1)线阵线阵CCD第19页，讲稿共64张，创作于星期一20(2)面阵CCD 面阵面阵CCD能在能在x、y两两个方向都能实现电个方向都能实现电子自扫描，可以获得二维图像。子自扫描，可以获得二维图像。第20页，讲稿共64张，创作于星期一21面阵CCD外形（续）200万和万和1600万像素的面阵万像素的面阵CCD 第21页，讲稿共64张，创作于星期一22面阵CCD外形（续）第22页，讲稿共64张，创作于星期一743 图像传感器的应用1尺寸测量尺寸测量2 用于光学文字识别装置用于光

8、学文字识别装置上一页下一页返 回第23页，讲稿共64张，创作于星期一2424利用利用CCDCCD对尺寸检测按原理可分为三种：衍射法、投影法及光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。学成像法。这三种测量方法分别适合不同的尺寸物体。1.1.尺寸检测尺寸检测(1)(1)衍射法衍射法(2)(2)投影法投影法(3)(3)光学成像法光学成像法第24页，讲稿共64张，创作于星期一25257.3.5 7.3.5 细丝细丝直径直径检测检测系系统统原理原理 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尺度等于或略大于波长量级的微隙、细丝或小孔一

9、般采用衍射方法(1)(1)衍射法衍射法L L为细丝为细丝到到CCDCCD的距离，的距离，为为入射激光波入射激光波长长，a a为为被被测细丝测细丝的直径，的直径，N N为为两个暗两个暗纹纹之之间间的像素个数，的像素个数，l l为为像素像素间间距。距。第25页，讲稿共64张，创作于星期一被测对象长度被测对象长度Ll1 视场视场l2传感器的长度传感器的长度上一页下一页返 回第26页，讲稿共64张，创作于星期一2727投影法适合小尺寸物体或者对物体边缘进行测量的情形，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当一束平行光照射到被测物体后再投射到CCDCCD时

10、，物体时，物体的阴影也同时投射到的阴影也同时投射到CCDCCD上，若光的准直度很好，其阴上，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。影的尺寸就代表了待测物体的尺寸。图图7.3.6 7.3.6 投影法投影法测测量的量的应应用用 (2)(2)投影法投影法第27页，讲稿共64张，创作于星期一28光光学学成像法成像法测量物体尺寸的范量物体尺寸的范围非常非常宽，通，通过光光学学系系统物体在物体在CCDCCD上成一上成一个个放大或放大或缩小的小的实像，像，CCDCCD测得像的大小再乘以光得像的大小再乘以光学学系系统的放大倍率便可的放大倍率便可获得物体的尺寸，得物体的尺寸，这种种方法可以方法可

11、以实现零零件尺寸的在件尺寸的在线自自动检测。(3)(3)光光学学成像法成像法图7.3.7 基于基于CCD的零件尺寸在的零件尺寸在线检测系系统 第28页，讲稿共64张，创作于星期一29图7.3.8 CCD邮政政编码识别系系统通过通过CCDCCD把邮编图像扫描入计算机，通过软件对邮编图像进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、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。商品条形码识别等。2.2.图形文字形文字

12、识别第29页，讲稿共64张，创作于星期一光学文字识别装置光学文字识别装置(OCR)原理原理 上一页返 回第30页，讲稿共64张，创作于星期一图像传感器 是一种能进行光电转换存储信息及转换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。传感和无接触工件尺寸的在线检测。第31页，讲稿共64张，创作于星期一指纹传感器指纹传感器 l具有指纹录入，图像处理，模板生成和具有指纹录入，图像

13、处理，模板生成和指纹比对等功能。它采集速度快，图像指纹比对等功能。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、社保系统以及银行的柜员管理，医保、社保系统以及与卡结合的应用系统。与卡结合的应用系统。第32页，讲稿共64张，创作于星期一索尼的感光元件第33页，讲稿共64张，创作于星期一7.5 光纤传感器光纤传感优点光纤传感优点：灵灵敏敏度度较较高高；几几何何形形状状具具有有多多方方面面的的适适应应性性，可可以以制制成成任任意意形形状状的的光光纤纤传传感感器器；可可以以

14、制制造造传传感感各各种种不不同同物物理理信信息息（声声、磁磁、温温度度、旋旋转转等等）的的器器件件；可可以以用用于于高高压压、电电气气噪噪声声、高高温温、腐腐蚀蚀、或或其其它它的的恶恶劣劣环环境境；而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。而且具有与光纤遥测技术的内在相容性。应应用用：磁磁、声声、压压力力、温温度度、加加速速度度、陀陀螺螺、位位移移、液液面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。面、转矩、光声、电流和应变等物理量的测量。第34页，讲稿共64张，创作于星期一7.5.1 光导纤维的结构和导光原理l圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于圆柱形内芯和包层组成，而且内芯的折射率略大于包层

15、的折射率包层的折射率 上一页下一页返 回第35页，讲稿共64张，创作于星期一斯乃尔定理 当光由光密物质出射至光疏物质时，发生折射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：）折射角大于入射角：（b）临界状态：）临界状态：（c）全反射）全反射：上一页下一页返 回第36页，讲稿共64张，创作于星期一光纤导光光纤导光 上一页下一页返 回第37页，讲稿共64张，创作于星期一n0为入射光线为入射光线AB所在空间的折射率，一般皆为空气，故所在空间的折射率，一般皆为空气，故 n01上一页下一页返 回第38页，讲稿共64张，创作于星期一当当r=90的临界状态时，的临界状态时，Sin io0

16、定义为定义为“数值孔径数值孔径”NA（Numerical Aperture）相对折射率差相对折射率差 arcsinNA是一个临界角，是一个临界角，i arcsinNA，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；，光线进入光纤后都不能传播而在包层消失；i arcsinNA，光线才可以进入光纤被全反射传播。，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，讲稿共64张，创作于星期一光纤传感器的分类l光纤在传感器中的作用光纤在传感器中的作用l光受被测量调制的形式光受被测量调制的形式l光纤传感器中对光信号的检测方法不同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，讲稿共64张

17、，创作于星期一(1)光纤的传感器中的作用功能型功能型非功能型非功能型拾光型拾光型 上一页下一页返 回第41页，讲稿共64张，创作于星期一(a)功能型（全光纤型）光纤传感器功能型（全光纤型）光纤传感器l光纤在其中不仅是导光媒质，而且也是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。敏感元件，光在光纤内受被测量调制。优点：优点：结构紧凑、灵敏度高。结构紧凑、灵敏度高。缺点：缺点：须用特殊光纤，成本高，须用特殊光纤，成本高，典型例子典型例子：光纤陀螺、光纤水听器等。：光纤陀螺、光纤水听器等。上一页下一页返 回第42页，讲稿共64张，创作于星期一(b)非功能型（或称传光型）光纤传

18、感器非功能型（或称传光型）光纤传感器l光光纤纤在在其其中中仅仅起起导导光光作作用用，光光照照在在光光纤纤型型敏敏感感元元件上受被测量调制。件上受被测量调制。优点：优点：无需特殊光纤及其他特殊技术，无需特殊光纤及其他特殊技术，比较容易实现，成本低。比较容易实现，成本低。缺点：缺点：灵敏度较低。灵敏度较低。实用化的大都是非功能型的光纤传感器。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，讲稿共64张，创作于星期一(c)拾光型光纤传感器拾光型光纤传感器 用用光光纤纤作作为为探探头头，接接收收由由被被测测对对象象辐辐射射的的光或被其反射、散射的光。光或被其反射、散射的光。典型例子：典

19、型例子：光纤激光多普勒速度计光纤激光多普勒速度计辐射式光纤温度传感器辐射式光纤温度传感器上一页下一页返 回第44页，讲稿共64张，创作于星期一(2)根据光受被测对象的调制形式根据光受被测对象的调制形式(a)强度调制型光纤传感器强度调制型光纤传感器(b)偏振调制光纤传感器偏振调制光纤传感器(c)频率调制光纤传感器频率调制光纤传感器(d)相位调制传感器相位调制传感器上一页下一页返 回第45页，讲稿共64张，创作于星期一(a)强度调制型光纤传感器 利利用用被被测测对对象象的的变变化化引引起起敏敏感感元元件件参参数数的的变变化化，而而导导致致光光强强度变化来实现敏感测量的传感器。度变化来实现敏感测量的

20、传感器。应用：应用：压力、振动、位移、气体压力、振动、位移、气体优点优点:结构简单、容易实现、成本低。结构简单、容易实现、成本低。缺点缺点:易受光源波动和连接器损耗变化等的影响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，讲稿共64张，创作于星期一（b）偏振调制光纤传感器）偏振调制光纤传感器l利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息利用光的偏振态的变化来传递被测对象信息l应用：应用：电流、磁场传感器：法拉第效应；电流、磁场传感器：法拉第效应；电场、电压传感器：泡尔效应；电场、电压传感器：泡尔效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；压力、振动或声传感器：光弹效应；温度、压力、振动传

21、感器：双折射性温度、压力、振动传感器：双折射性l优点：优点：可避免光源强度变化的影响，灵敏度高。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，讲稿共64张，创作于星期一（c）频率调制光纤传感器）频率调制光纤传感器l被测对象引起的光频率的变化来进行监测被测对象引起的光频率的变化来进行监测l利利用用运运动动物物体体反反射射光光和和散散射射光光的的多多普普勒勒效效应应的的光光纤纤速度、流速、振动、压力、加速度传感器；速度、流速、振动、压力、加速度传感器；利利用用物物质质受受强强光光照照射射时时的的喇喇曼曼散散射射构构成成的的测测量量气气体体浓度或监测大气污染的气体传感器；浓度或监测

22、大气污染的气体传感器；利用光致发光的温度传感器等。利用光致发光的温度传感器等。上一页下一页返 回第48页，讲稿共64张，创作于星期一（d）相位调制传感器）相位调制传感器被被测测对对象象导导致致光光的的相相位位变变化化，然然后后用用干干涉涉仪仪来来检检测测这这种种相相位变化而得到被测对象的信息。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、电压传感器利用电致伸缩的电场、电压传感器 利用利用Sagnac效应的旋转角速度传感器（光纤陀螺）效应的旋转角速度传

23、感器（光纤陀螺）优点：优点：灵敏度很高，灵敏度很高，缺点：缺点：特殊光纤及高精度检测系统，成本高。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，讲稿共64张，创作于星期一4.4.5 光纤传感器的特点（1）电绝缘。）电绝缘。（2）抗电磁干扰。）抗电磁干扰。（3）非侵入性。）非侵入性。（4）高灵敏度。）高灵敏度。（5）容易实现对被测信号的远距离监控。）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，讲稿共64张，创作于星期一7.5.6 光纤传感器的应用强度调制型：强度调制型：基基于于弹弹性性元元件件受受压压变变形形，将将压压力力信信号号转转换换成成位位移移信号来检测，故

24、常用于位移的光纤检测技术；信号来检测，故常用于位移的光纤检测技术；相位调制型：相位调制型：利用光纤本身作为敏感元件；利用光纤本身作为敏感元件；偏振调制型：偏振调制型：主要是利用晶体的光弹性效应。主要是利用晶体的光弹性效应。上一页下一页返 回光光纤纤压压力力传传感感器器第51页，讲稿共64张，创作于星期一（1）采用弹性元件的光纤压力传感器）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反射式光纤压力传感器示意图膜片的中心挠度膜片的中心挠度 若利用若利用Y形光纤束位移特性的线性区，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。则传感器的输出光功率亦与待测压力

25、呈线性关系。1 Y形光纤形光纤2 壳体壳体 3 膜片膜片与所加的压力呈线性关系与所加的压力呈线性关系上一页下一页返 回第52页，讲稿共64张，创作于星期一差动式膜片反射型光纤压力传感器差动式膜片反射型光纤压力传感器 1输出光纤输出光纤 2输入光纤输入光纤 3输出光纤输出光纤 4胶胶 5膜片膜片 两束输出光的光强之比两束输出光的光强之比 A常数；常数；p待测量压力待测量压力 输出光强比输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关与膜片的反射率、光源强度等因素均无关 上一页下一页返 回第53页，讲稿共64张，创作于星期一将上式两边取对数，在满足将上式两边取对数，在满足(Ap)21时，得

26、到时，得到 表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。表明待测压力与输出光强比的对数呈线性关系。若将若将I1、I2检出后分别经对数放大后，再通过减法器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。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。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，讲稿共64张，创作于星期一（b）光弹性式光纤压力传感器）光弹性式光纤压力传感器 l光弹性效应：光弹性效应：晶体在受压后其折射率发生变化，从而晶体在受压后其折射率发生变化，从而呈现双折射现象。呈现双折射现象。1 光源光源 2、8 起偏器起偏器 3、

27、9 1/4波长板波长板 4、10 光弹性元件光弹性元件 5、11 检偏检偏器器 6 光纤光纤 7 自聚焦透镜自聚焦透镜上一页下一页返 回第55页，讲稿共64张，创作于星期一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，讲稿共64张，创作于星期一（c）微弯式光纤压力传感）微弯式光纤压力传感l基于光纤的基于光纤的微弯效应微弯效应，即由压力引起变形器产生位，即由压力引起变形器产生位移，使光纤弯曲而调制光强度。移，使光纤弯曲而调制光强度。1 聚碳酸酯薄膜聚碳酸酯薄膜 2 可动变形板可动变形

28、板 3 固定变形板固定变形板 4、5 光纤光纤 微微弯弯式式光光纤纤水水听听器器探探头头 上一页返 回第57页，讲稿共64张，创作于星期一光纤光电传感器光纤光电传感器 l可以对距离远的被检测物体进行检测，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。能检测到微小物体，精度高。第58页，讲稿共64张，创作于星期一59 保保护管管内内为高高温温光光纤低低温温光光纤光纤温度传感器 第59页，讲稿共64张，创作于星期一光纤加速度传感器l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，从而导致光在位移，

29、使光纤的伸缩，从而导致光在L L1 1中传播的光程发生改变（即相中传播的光程发生改变（即相位变化），则在探测器上的干频条纹会发生移动，通过测量干涉条位变化），则在探测器上的干频条纹会发生移动，通过测量干涉条纹的移动量、根据重物质量、光纤弹性模量及直径就可以检测框架纹的移动量、根据重物质量、光纤弹性模量及直径就可以检测框架的加速度。的加速度。60图7.4.8 相位型光相位型光纤加速度加速度结构构原理原理图第60页，讲稿共64张，创作于星期一61光纤式光电开关光纤式光电开关反射型反射型遮遮断断型型反射反射镜反射型反射型第61页，讲稿共64张，创作于星期一光纤式光电开关应用标志孔志孔电路板路板标志志检测当当光光纤发出出的的光光穿穿过标志志孔孔时，若若无无反反射射，说明明电路路板板方方向向放放置置正确。正确。光纤耦光纤耦合器合器传输光光纤出射光出射光纤62第62页，讲稿共64张，创作于星期一63光纤式光电开关应用采采用用遮遮断断型型光光纤纤光光电电开开关关对对IC IC 芯芯片片引引脚脚进进行行检检测测第63页，讲稿共64张，创作于星期一感感谢谢大大家家观观看看17.10.2022第64页，讲稿共64张，创作于星期一