光纤传感器图像传感器.ppt

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1、问题思考：数控机床如何判断问题思考：数控机床如何判断 主轴上有无刀具主轴上有无刀具?模块七 新型传感器的应用新型传感器新型传感器的应用的应用光纤传感器光纤传感器的应用的应用红外传感器红外传感器的应用的应用图像传感器图像传感器的应用的应用模块七 新型传感器的应用学习目标学习目标q熟悉常见的新型传感器熟悉常见的新型传感器q掌握常用的新型传感器的基本工作原理掌握常用的新型传感器的基本工作原理q掌握常用的新型传感器的应用掌握常用的新型传感器的应用课题一 光纤传感器一、基础知识一、基础知识 光光导导纤纤维维能能够够大大容容量量、高高效效率率地地传传输输光光信信号号，实实现现了了以以光光代代电电传传输输信

2、信息息。它它自自问问世世以以来来，主主要要应应用用于于通通信信领领域域，由由此此形形成成的的光光纤纤通通信信发发生生革革命命性性的的变变化化。在在检检测测领领域域中中将将光光导导纤纤维维的的应应用用与与传传统统的的光光电电检检测测技技术术相相结结合合就就产产生生了了一一种新传感器种新传感器光导纤维传感器光导纤维传感器，简称，简称光纤传感器光纤传感器。一、基础知识一、基础知识1、光纤的结构、光纤的结构 所所谓谓光光导导纤纤维维是是一一种种传传输输光光信信息息的的导导光光纤纤维维。它它由由导导光光的的芯芯体体玻玻璃璃（简简称称纤纤芯芯）和和包包层层组组成成，纤纤芯芯位位于于光光纤纤的的中中心心部部

3、位位，其其直直径径约约为为5100m，包包层层可可用用玻玻璃璃或或塑塑料料制制成成。包包层层外外面面常常有有塑塑料料或或橡橡胶胶的的外外套套，它它保保护护纤纤芯芯和和包包层层并并使使光纤具有一定的机械强度。光纤具有一定的机械强度。图图7.1 光纤的基本结构光纤的基本结构5100m一、基础知识一、基础知识1、光纤的结构光纤的结构 图7.2 光在光导纤维中的传输 光光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的性质，即它们的折折射射率率。纤芯的折射率（n1）稍大于包层的折射率（n2）。典型的数值是n1=1.461.51，n2=1.441.50。1、光纤的结构 由于纤芯和包层构成一个由于纤

4、芯和包层构成一个同心圆双层结构同心圆双层结构。当入射光从纤芯（光密物质）射向包层（光疏物质），当入射光从纤芯（光密物质）射向包层（光疏物质），因入射角大于全反射临界角，入射光不再进入包层，全部在因入射角大于全反射临界角，入射光不再进入包层，全部在内外层的交界面反射，即产生全反射，所以可以保证入射到内外层的交界面反射，即产生全反射，所以可以保证入射到光纤内的光纤内的光波光波集中在集中在纤芯内传输纤芯内传输。光纤芯包 层涂敷层n1n2n0n1n2n0 2 2、光光纤纤传传感感器器与与电电传感器的区别传感器的区别 以以电电为为基基础础的的传传统统传传感感器器是是一一种种把把测测量量的的状状态态转转变

5、变为为可可测测的的电电信信号号的的装装置置。它它的的电电源源、敏敏感感元元件件、信信号号接接收收和和处处理理系系统统以以及及信信息息传传输输均均用用金金属属导导线线连连接，见图接，见图(a)。光光纤纤传传感感器器则则是是一一种种把把被被测测量量的的状状态态转转变变为为可可测测的的光光信信号号的的装装置置。由由光光发发送送器器、敏敏感感元元件件(光光纤纤或或非非光光纤纤的的)、光光接接收收器器、信信号号处处理理系系统统以以及及光光纤纤构构成成，见图见图(b)。光纤信号处理光接收器敏感元件光发送器（b）光纤传感器信号处理电 源信号接收敏感元件（a）传统传感器 导线3 3、光纤传感器工作原理、光纤传

6、感器工作原理 由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元由光发送器发出的光经光纤引导至敏感元件。这时，光的某一性质受到被测物理量的调件。这时，光的某一性质受到被测物理量的调制，调制后的光经接收光纤传到光接收器，使制，调制后的光经接收光纤传到光接收器，使光信号变为电信号，最后经信号处理得到所待光信号变为电信号，最后经信号处理得到所待测物理量的值。测物理量的值。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器光纤被测物理量被测物理量调制后光波4、光纤传感器的类型功能型非功能型 由于光纤既是一种电光材料又是一种磁光材料，它与电和磁存在某些相互作用的效应，因此它具有“传”和“感”的两种功能。按照光纤在传感器中的作用，光

7、纤传感器可分为传光型和功能型两种类型。1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 利利用用对对外外界界信信息息具具有有敏敏感感能能力力和和检检测测能能力力的的光光纤纤(或或特特殊殊光光纤纤)作作传传感感元元件件，将将“传传”和和“感感”合合为一体的传感器。为一体的传感器。光光纤纤不不仅仅起起传传光光作作用用，而而且且还还利利用用光光纤纤在在外外界界因因素素(弯弯曲曲、形形变变)的的作作用用下下，其其光光学学特特性性(光光强强、相相位位、偏偏振振态态等等)的的变变化化来来实实现现“传传”和和“感感”的的功功能能。因因此此，传传感感器器中中光光纤纤是是连连续续的的。由由于于

8、光光纤纤连连续，可通过增加其长度，提高灵敏度。续，可通过增加其长度，提高灵敏度。信号处理光受信器光纤敏感元件光发送器1 1）功能型（全光纤型）光纤传感器）功能型（全光纤型）光纤传感器 特点：光在光纤内受被测物理量调制。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。2 2）传光型光纤传感器）传光型光纤传感器特点：光纤在其中仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉”功能依靠其他物理性质的功能元件完成。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。二、应用案例二、应用案例 光纤位移传感

9、器一般用来测量小位移。最小能检测零点几微米的位移量。如图7.4所示的微小位移传感器是一种传光型光纤传感器，光从光源耦合到发射光缆，照射到被测物表面，再被反射回接收光缆，最后由光敏组件接收。这两股光缆在接近被测物之前汇合成Y型，汇合后的光纤端面被仔细磨平抛光。图7.4 光纤位移传感器原理图 光源发射光缆接收光缆光敏组件二、应用案例二、应用案例 图7.5是接收的相对光强与距离d的关系，峰值以左的线段1具有良好的线性，可用测量得到的光强值来检测位移。所用光缆中的光纤可达数百根，可测几百微米的小位移。图7.5 光纤位移传感器特性曲线三、课题小结三、课题小结 在本课题中，要理解光纤传感器的定义；熟悉在本

10、课题中，要理解光纤传感器的定义；熟悉光纤传感器的基本结构；掌握光纤传感器的分类光纤传感器的基本结构；掌握光纤传感器的分类及其工作原理；了解光纤位移传感器进行微小位及其工作原理；了解光纤位移传感器进行微小位移的测量；了解不同类型的光纤传感器测量相应移的测量；了解不同类型的光纤传感器测量相应物理量的方法。物理量的方法。课题三 图像传感器一、基础知识一、基础知识 图像传感器是20世纪70年代发展起来的一种新型传感器，它利用光敏元器件的光电转换功能，将元器件感光面上感受到的光线图像转换为与光像成一定比例关系的电信号，并作相应处理后输出的一种功能器件。它能够实现图像信息的获取、转换和视觉功能的扩展。一、

11、基础知识一、基础知识图7.20 常见图像传感器实物外形图 一、基础知识一、基础知识1、光电效应 通常把光线照射到某个物体上，物体吸收光通常把光线照射到某个物体上，物体吸收光线中的能量而发生相应电效应的物理现象称为光线中的能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。电效应。光电效应可分为内光电效应与外光电效应。内光电效应可分为内光电效应与外光电效应。内光电效应是吸收外部光线中的能量后，带电微粒光电效应是吸收外部光线中的能量后，带电微粒仍在物体内部运动，只是使物体的导电性发生了仍在物体内部运动，只是使物体的导电性发生了较大变化的现象，它是半导体图像传感器的核心较大变化的现象，它是半导体图像传感器的

12、核心技术；技术；一、基础知识一、基础知识1、光电效应 外光电效应则是受外来光线中能量激发的外光电效应则是受外来光线中能量激发的电子电子逃逸出物体表面，形成空间中的众多自由逃逸出物体表面，形成空间中的众多自由电子电子的的现象，真空摄像管、图像增强器等元器件根据这现象，真空摄像管、图像增强器等元器件根据这一原理工作。可见，光电效应是图像检测的基础。一原理工作。可见，光电效应是图像检测的基础。一、基础知识一、基础知识2、图像检测系统组成、图像检测系统组成 光辐射图像图像传感器视频信号图像处理显示图7.21 图像传感器在图像检测系统中的作用 图像检测系统是采用图像传感器摄取图像，利图像检测系统是采用图

13、像传感器摄取图像，利用转换电路将其转化为数字信号，再用计算机硬用转换电路将其转化为数字信号，再用计算机硬件对信号进行处理，得到需要的最终图像或通过件对信号进行处理，得到需要的最终图像或通过识别、计算后获取进一步信息的检测系统。识别、计算后获取进一步信息的检测系统。作为作为“光光电电”转换关键环节的图像传感器，转换关键环节的图像传感器，无疑在其中扮演着重要角色。无疑在其中扮演着重要角色。固态图像传感器是数码相机、数码摄像机的关键零件，因常用于摄像领域，又被称为摄像管。它在工业测控、字符阅读、图像识别、医疗仪器等方面得到广泛应用。固态图像传感器要求具有两个基本功能：一是具有把光信号转换为电信号的功

14、能；二是具有将平面图像上的像素进行点阵取样，并将其按时间取出的扫描功能。一、基础知识一、基础知识3、固态图像传感器、固态图像传感器 目前，固目前，固态图态图像像传传感器主要分感器主要分为为三三类类，即即电电荷耦合式荷耦合式图图像像传传感器（感器（CCD）、）、CMOS图图像像传传感器和接触式感器和接触式摄摄像像传传感器（感器（CIS）等，）等，前两种前两种类类型占据市型占据市场场主流。主流。一、基础知识一、基础知识3、固态图像传感器、固态图像传感器 图7.22 固态图像传感器一、基础知识一、基础知识4、CCD图像传感器 CCD是英文Charge Coupled Devices的缩写，中文通常将

15、其译成“电荷耦合器件”。从结构上，CCD可分为线阵CCD和面阵CCD两种。图7.23 CCD图像传感器 输出转移栅光敏面存储区（遮光）图7.24 线阵CCD器件芯片结构示意图 一、基础知识一、基础知识4、CCD图像传感器 典型的面阵CCD按电荷转移和读出方式的不同，分为帧转移型CCD（FTCCD）和行间转移型CCD（ILTCCD）输出光敏区 存储区水平寄存器转移栅垂直寄存器光敏区输出图7.25 面阵CCD芯片结构示意图(a)FTCCD (b)ILTCCD 二、课题实施二、课题实施项目名称：用线阵CCD传感器测量工件尺寸 图7.26 线阵CCD传感器测量工件尺寸示意图 通常，快速自动检测工件尺寸系统有一个测量台，在其上装有光学系统、图像传感器和微处理机等。如图7.26所示，被测工件成像在CCD图像传感器的光敏数组上，产生工件轮廓的光学边缘。时钟和扫描脉冲电路对每个光敏元顺次询问，视频输出反馈送到脉冲计数器，并把时钟选送入脉冲计数器，启动数组扫描的扫描脉冲也用来把计数器重定到零。复位之后，计数器计算和显示由视频脉冲选通的总时钟脉冲数。显示数N就是工件成像覆盖的光敏元数目，根据该数目来计算工件尺寸。三、课题小结三、课题小结 在本课题中，要理解图像传感器的定义；熟悉CCD传感器的基本结构和分类；熟练应用线阵CCD图像传感器进行工件尺寸的测量；了解不同类型的固态图像传感器及其应用场合。