传感器与检测技术光电式传感器解读.ppt

第七章 光电式传感器,组成光电传感器一般由辐射源、光学通路、光电器件组成。工作原理首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。被测量通过对辐射源或者光学通路的影响将待测信息调制到光波上，通过改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等，由光电器件将光信号转化为电信号。电信号经后续电路解调分离出被测量信息，实现测量。,特点频谱宽不受电磁干扰的影响非接触测量高精度、高分辨力、高可靠性反应快应用检测、控制领域,第一节 光源,光源是光电式传感器的重要组成部分。选择光源要考虑哪些因素？波长谱分布相干性体积造价功率,常见的光源有哪几类？自然光源太阳光 天空光人工光源热辐射光源 气体放电光源 激光器 电致发光器件,一、热辐射光源什么是热辐射光源？热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。哪些光源属于热辐射光源？白炽灯卤钨灯热辐射光源的峰值波长与什么有关？物体温度越高，辐射能量越大，波长越短。,热辐射光源有哪些特点？输出功率大响应速度慢，调制频率低于1kHz，不能用于快速的正弦和脉冲调制。白炽灯为可见光源，峰值波长在近红外区域，可用作近红外光源。,二、气体放电光源什么是气体放电光源？电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱与什么有关？其光谱是不连续的，光谱与气体的种类及放电条件有关。哪些光源属于气体放电光源？低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯统称为光谱灯，常用作单色光源。还有氙灯。,三、电致发光器件发光二极管什么是电致发光器件？固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件。哪些器件属于电致发光器件？主要有发光二极管、半导体激光器、电致发光屏等。,发光二极管的结构发光二极管的发光强度与电流成正比，这个电流约在几十毫安之内，太大会引起输出光强饱和，甚至损坏器件，使用时常串连一电阻。,发光二极管有哪些优点？体积小寿命长工作电压低响应速度快发热小,四、激光器激光器laser，是“光受激辐射放大”的缩写，即light amplification by stimulated emission of radiation.某些物质的分子、原子、离子吸收外界特定能量，从低能级跃迁到高能级上，如果处于高能级的粒子数大于低能级上的粒子数，就形成了粒子数反转，在特定频率的光子激发下，高能粒子集中地跃迁到低能级上，发射出与激发光子频率相同的光子。由于单位时间受激发射光子数远大于激发光子数，因此上述现象称为光的受激辐射放大。具有这种功能的器件称为激光器。,激光器有哪些优点？单色性好、方向性好、亮度高、相干性好激光器有哪几种？固体激光器（红宝石）气体激光器（He-Ne）,（CO2，远红外光源）半导体激光器（体积小，能量高，电源简单）液体激光器,第二节 光电器件,光电器件的作用是将光信号变为电信号。不同种类的光电传感器，对光电器件在灵敏度、动态特性、频谱接收能力等方面的要求也不相同。光电器件按探测原理可分为：热探测型和光子探测型。,一、热探测器热探测型器件首先将光信号的能量变为自身的温度变化，再利用器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的传感器。探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关，尤其适用于红外探测。种类有：测辐射的热电偶、测辐射的热敏电阻、热释电探测器等。热释电传感器可用于防火、防盗装置，光谱仪，红外测温仪，热象仪，红外遥感技术等中。,二、光子探测器光子探测型器件基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类器件有一定的截止波长，但响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。什么是光电效应？光是由光子组成的，其能量和频率关系为 E=hf光照在物体上可看成是一连串具有能量为E的光子轰击物体，如果光子能量足够大，物质内部电子在吸收光子后就会摆脱内部力的束缚，成为自由电子，自由电子可能从物质表面逸出，也可能参与物质内部的导电过程，这种现象称为光电效应。,是不是光的强度越大激发的导电电子越多，为什么？光子探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光，当光的频率低于某一阈值时，光的强度再大也不能激发导电电子。目前常用的光子探测型器件有哪几种？光电发射型探测器光电导型探测器光电结型探测器光生伏特型探测器,（一）光电发射型探测器在光线作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，用这种原理制成的光电器件称为光电发射型探测器。主要有：真空光电管和光电倍增管概念红限临界波长hc/A0,图7-3 真空光电管的结构及外接电路a)结构 b)外接电路,图7-4 光电倍增管的结构原理图,它在光电阴极和阳极之间又增加了若干个光电倍增极，这些倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电位逐级升高。当有入射光照射时，阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二次电子发射。这样，在阴极和阳极间的电场作用下，逐级产生二次电子发射，电子数量迅速递增。典型的倍增管一般有10个左右的倍增极，相邻极之间加有200400V的电压，阴极和阳极间的总电压差可达几千伏，电流增益为105左右，它的上升沿时间可达2ns，探测光谱为0.21.0m m之间。光电倍增管的噪声主要来源于阴极发射和倍增过程中的统计噪声、以及热发射产生的暗电流。由于光电倍增管的高增益，它们可用于探测单个的光子，也就是所说的光子探测模式。,光电管的特性包括：光电特性（I-）、伏安特性（I-U）、光谱特性（I-）等,图7-5 光电管的特性a)光电倍增管的光电特性 b)光电倍增管的伏安特性 c)光电管的光谱特性-铯氧银阴极-锑化银阴极-人的视觉光谱特性,（二）光电导型探测器半导体材料在光线作用下，其电阻值往往变小，这种现象称为光导效应，基于光导效应的光电器件称为光敏电阻，也叫光导管。特点：灵敏度高，体积小，重量轻，光谱响应范围宽，机械强度高，耐冲击和振动，寿命长。纯电阻元件，无源器件，有电流通过时，会产生热的问题。电路简单。适用于红外探测。,（三）光电结型探测器与光电导型工作原理相似，利用光子引起的电子跃迁将光信号转变为电信号，只是光照射在半导体结上而已，。主要有：光电二极管和光电三极管。,图7-7 光敏管结构及其符号a)光敏二极管 b)光敏三极管c)光敏场效应三极管,（四）光生伏特型探测器是一种自发电式的有源器件。这种半导体器件受到光照射时就产生一定方向的电动势，而不需要外部电源。这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应。用可见光作光源的光电池是最常用的光生伏特型元件，如硅光电池。太阳能电池优点：轻便、简单、不会产生气体或热污染，易于适应环境。可用于宇宙飞行器的各种仪表电源。,图7-8 硅光电池构造原理和图示符号,半导体光电器件的特性包括：光电特性、伏安特性、光谱特性、频率特性、温度特性等,图7-10 半导体光电器件的光电特性a）硒光敏电阻的光电特性 b）光敏晶体管的光电特性 c）硅光电池的光电特性,图7-11 半导体光电器件的伏安特性a）光敏电阻的伏安特性 b）锗光敏晶体管的伏安特性 c）硅光电池的伏安特性,图7-12 半导体光电材料的光谱特性a）光敏电阻的光谱特性 b）光敏管和光电池的光谱特性,图7-13 半导体光电器件的频率特性a）光敏电阻和光电池的频率特性b）光敏晶体管的频率特性,图7-14 半导体光电器件的温度特性a）锗光敏晶体管的温度特性 b）硅光电池的温度特性,第三节 电荷耦合器件和位置敏感器件,电荷耦合器件（Charge-Coupled Devices）是70年代发展起来的一种新型器件。它将MOS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。应用领域：摄像机、广播电视、可视电话、传真、自动检测、控制、军事、医学、天文、遥感。车身检测、钢管检测、芯片检测、指纹检测、虹膜检测、显微镜改造、工件尺寸及缺陷检测、对刀仪、复杂形貌测量等。,优点固体化、体积小、重量轻、功耗低、可靠性高、寿命长图像畸变小、尺寸重现性好光敏元之间几何尺寸精度高，可得到较高的定位精度和测量精度，具有较高分辨力自扫描，具有较高的光电灵敏度和较大的动态范围视频信号便于与微机接口,它是在半导体基片上（如P型硅）生长一种具有介质作用的氧化物（如二氧化硅），又在其上沉积一层金属电极，形成了金属氧化物半导体结构元（MOS）。当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下的P型硅区域里的空穴被赶尽，从而形成一个耗尽区，也就是说，对带负电的电子而言是一个势能很低的区域，称为势阱。如果此时有光线入射到半导体硅片上，在光子的作用下，半导体硅片上就会产生电子和空穴，光生电子被附近的势阱所俘获，而同时光生空穴则被电场排斥出耗尽区。此时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。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元或叫做一个象素，把一个势阱所收集的若干光生电荷称为一个电荷包。,（一）MOS光敏单元图7-9是MOS光敏元的结构原理图。,通常在半导体硅片上制有几百或几千个相互独立的MOS光敏元，若在金属电极上施加一正电压时，则在这半导体硅片上就形成几百个或几千个相互独立的势阱。如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，那么这些光敏元就感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,（二）读出移位寄存器读出移位寄存器是电荷图像的输出电路。下图是读出移位寄存器的结构原理图。它也是MOS结构，亦即由金属电极、氧化物和半导体三部分组成。,（二）读出移位寄存器,（二）读出移位寄存器它由三组（也有二组、四组等）邻近的电极组成一个耦合单元（亦即传输单元），在这三个电极上分别施加脉冲波1、2、3，如图7-10b所示。在t1时刻,第一相时钟1处于高电平，2、3处于低电平。这时第一组电极下形成深势阱，信息电荷存贮其中。在t2时刻,1、2处于高电平,3处于低电平，电极1、2下都形成势阱。由于两个电极靠得很近，电荷就从1电极下耦合到2电极下。t3时刻，1电压减小，2处的电压升高，在第一组电极下的势阱减小，信息电荷从第一组电极下面向第二组转移。直到t4，2为高压，1、3为低压，信息电荷全部转移到第二组电极下面。至此信息电荷转移了一位。经过同样的过程，t5时刻，电荷又耦合到3电极下，t6时刻，电荷就转移到下一位的1电极下，这样，在三相脉冲的控制下，信息电荷不断向右转移，直到最后位依次不断地向外输出。电荷的输出，通常采用反偏压输出二极管所形成的深势阱把信息电荷收集并送入前置放大器。根据输出先后可以辨别出电荷是从哪位光敏元来的，并根据输出电荷量，可知该光敏元受光的强弱。无光照处则无光生电荷。,（二）面阵电荷 耦合摄像器件,三、CCD应用举例尺寸测量,物体缺陷检测,图7-21 钞票检查系统原理图,四、位置敏感器(PSD）位置敏感器件（Position Sensitive Detector）是一种对其感光面上入射光点位置敏感的器件，也称为坐标光电池。PSD一般为PIN结构。基于横向光电效应而工作。,光电传感器的应用一、光电耦合器 光电耦合器是由一发光元件和一光电传感器同时封装在一个外壳内组合而成的转换元件。,绝缘玻璃,发光二极管,透明绝缘体,光敏三极管,塑料,发光二极管,光敏三极管,透明树脂,1.光电耦合器的结构,采用金属外壳和玻璃绝缘的结构，在其中部对接，采用环焊以保证发光二极管和光敏二极管对准，以此来提高灵敏度。,(a)金属密封型,(b)塑料密封型,采用双列直插式用塑料封装的结构。管心先装于管脚上，中间再用透明树脂固定，具有集光作用，故此种结构灵敏度较高。,2.光电耦合器的组合形式 光电耦合器的组合形式有多种，如下图所示。,(a),(b),(c),(d),光电耦合器的组合形式,该形式结构简单、成本低，通常用于50kHz以下工作频率的装置内。,该形式采用高速开关管构成的高速光电耦合器,适用于较高频率的装置中。,该组合形式采用了放大三极管构成的高传输效率的光电耦合器，适用于直接驱动和较低频率的装置中。,该形式采用功能器件构成的高速、高传输效率的光电耦合器。,平行光源,光电探测,放大,显示,刻度 校正,报警器,吸收式烟尘浊度检测系统原理图,烟道,二、光电转速传感器,下图是光电数字式转速表的工作原理图。图(a)是在待测转速轴上固定一带孔的转速调置盘，在调置盘一边由白炽灯产生恒定光，透过盘上小孔到达光敏二极管组成的光电转换器上，转换成相应的电脉冲信号，经过放大整形电路输出整齐的脉冲信号，转速由该脉冲频率决定。,在待测转速的轴上固定一个涂上黑白相间条纹的圆盘，它们具有不同的反射率。当转轴转动时，反光与不反光交替出现，光电敏感器件间断地接收光的反射信号，转换为电脉冲信号。,三、光电池应用 光电池主要有两大类型的应用：将光电池作光伏器件使用，利用光伏作用直接将大阳能转换成电能，即太阳能电池。这是全世界范围内人们所追求、探索新能源的一个重要研究课题。太阳能电池已在宇宙开发、航空、通信设施、太阳电池地面发电站、日常生活和交通事业中得到广泛应用。目前太阳电池发电成本尚不能与常规能源竞争，但是随着太阳电池技术不断发展，成本会逐渐下降，太阳电池定将获得更广泛的应用。,将光电池作光电转换器件应用，需要光电池具有灵敏度高、响应时间短等特性，但不必需要像太阳电池那样的光电转换效率。这一类光电池需要特殊的制造工艺，主要用于光电检测和自动控制系统中。光电池应用举例如下：,1太阳电池电源 太阳电池电源系统主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,调节控制器,逆变器,交流负载,太阳电池方阵,直流负载,太阳能电池电源系统,阻塞二极管,2光电池在光电检测和自动控制方面的应用 光电池作为光电探测使用时，其基本原理与光敏二极管相同，但它们的基本结构和制造工艺不完全相同。由于光电池工作时不需要外加电压；光电转换效率高，光谱范围宽，频率特性好，噪声低等，它已广泛地用于光电读出、光电耦合、光栅测距、激光准直、电影还音、紫外光监视器和燃气轮机的熄火保护装置等。,(a)光电追踪电路,+12V,R4,R3,R6,R5,R2,R1,W,BG1,BG2,图(a)为光电池构成的光电跟踪电路，用两只性能相似的同类光电池作为光电接收器件。当入射光通量相同时，执行机构按预定的方式工作或进行跟踪。当系统略有偏差时，电路输出差动信号带动执行机构进行纠正，以此达到跟踪的目的。,光电池在检测和控制方面应用中的几种基本电路,BG2,BG1,+12V,C,J,R1,R2,(b)光电开关,图(b)所示电路为光电开关，多用于自动控制系统中。无光照时，系统处于某一工作状态，如通态或断态。当光电池受光照射时，产生较高的电动势，只要光强大于某一设定的阈值，系统就改变工作状态，达到开关目的。,+12V,5G23,(c)光电池放大电路,C3,-12V,W,R1,R2,R3,R4,R5,C1,C2,1,8,7,6,5,4,3,2,图(c)为光电池放大电路。在测量溶液浓度、物体色度、纸张的灰度等场合，可用该电路作前置级，把微弱光电信号进行线性放大，然后带动指示机构或二次仪表进行读数或记录。,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目的。,第三节 光纤传感器 光纤传感器是七十年代发展起来的新型传感技术，与常规传感器相比，有很多优点：抗电磁干扰能力强。光纤主要由电绝缘材料做成，工作时利用光子传输信息，因而不怕电磁场干扰；此外，光波易于屏蔽，外界光的干扰也很难进入光纤。光纤直径只有几微米到几百微米。而且光纤柔软性好，可深入到机器内部或人体弯曲的内脏等常规传感器不宜到达的部位进行检测。光纤集传感与信号传输于一体，利用它很容易构成分布式传感测量。,光纤传感器的优点突出，发展极快。自1977年以来，已研制出多种光纤传感器，被测量遍及位移、速度、加速度、液位、应变、力、流量、振动、水声、温度、电流、电压、磁场和化学物质等。新的传感原理及应用正在不断涌现和扩大。,光纤传感器在易燃易爆场合的应用,光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用,一、光纤传感器的基本知识,光纤是一种传输光的细丝，它能够将进入光纤一端的光线传到光纤的另一端。通常光纤由两层光学性质不同的材料组成，如图所示。光纤的中间部分是导光的纤芯，纤芯的周围是包层。包层的折射率n2略小于纤芯的折射率n1，它们的相对折射率差（=1-n2/n1）通常为0.0050.140。,光纤传光的基础是光的全内反射。当光线以入射角 进入光纤的端面时，在端面出发生折射，设折射角为，然后光线以 角入射至纤芯与包层的界面。,当角大于纤芯与包层间的临界角c时,即 c=arcsin(n2/n1),则射入的光线在光纤的界面上发生全反射，并在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。,实际工作时光纤可能弯曲，只要仍满足全反射定律，光线仍继续前进。由于光纤具有一定柔软性，很容易使光线“转弯”，这给传感器的设计带来了极大的方便。,斯乃尔定理（Snells Law）当光由光密物质(折射率大)入射至光疏物质时发生折射，如图(a)，其折射角大于入射角，即n1n2时，ri。,可见，入射角i增大时，折射角r也随之增大，且始终ri。,n1、n2、r、i之间的数学关系为,n1sini=n2sinr,根据斯乃尔折射定律，n0sin=n1sin=n1cos=n1(1-sin2)1/2 设当达到临界角c时，由 c=arcsin(n2/n1)及n0sin=n1sin=n1cos=n1(1-sin2)1/2可得：n0sinc=(n12-n22)1/2,可得：n0sinc=(n12-n22)1/2 式中n0sinc是为光纤的数值孔径，用NA表示。它表示当入射光从折射率为n0 的外部介质进入光纤时，只有入射角小于c的光才能在光纤中传播。否则，光线会从包层中逸出而产生漏光。NA是光纤的一个重要参数，NA值越大，光源到光纤的耦合效率越高。从构成光纤的材料来看，除了玻璃光纤外还有塑料光纤，也有玻璃塑料混合光纤。,光纤按其传输的模式分为单模光纤和多模光纤两类。光在纤芯中传播就是电场和磁场在光纤中向前传输，可分解为沿轴向和径向传播的平面波，沿径向传播的平面波在纤芯和包层的界面上产生反射。如果此波在一个往复（相临两次反射）中相位变化为2 的整数倍，就能形成驻波。只有形成驻波的光才能在光纤中传播，一个驻波就是一个模。在光纤中只能传输有限个模。例如，纤芯直径为5m时只能传输一个模，称为单模光纤；纤芯直径为50m时就能传输多个模，称为多模光纤。,光纤按其中的折射率分布可分为阶跃型光纤和梯度型光纤。,阶跃型是指纤芯和包层的折射率不连续的光纤，如图7-16a所示。梯度型光纤如图7-16b所示，在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处n1=n2。n1的分布大多按抛物线规律，其关系式 n1=n(1-Ar2/2),采用梯度型光纤时，光射入光纤后会自动地从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。这种光纤频带宽、信号畸变小，工作时极易达到全反射，但制造较难。,二、光纤传感器按工作原理光纤传感器分为功能型和非功能型两大类。（一）功能型（或称物性型、传感型）光纤传感器光纤在这类传感器中不仅作为光传播的波导而且具有测量的功能。因为光纤既是电光材料又是磁光材料，所以可以利用迈克尔效应、法拉第效应等，制成测量强电流、高电压等传感器；其次可利用光纤的传输特性把输入量变为调制的光信号。因为表征光波特性的参量，如振幅（光强）、相位、和偏振态会随着光纤的环境（如应变、压力、温度、电场、射线等）而改变，故利用这些特性便可实现传感测量。,1光强度调制型光强度调制是光纤传感器最基本的调制形式。被测量通过影响光纤的全内反射实现对输出光强度的调制。从几何光学的角度讲，调制的条件是arcsin(n2/n1)式中:光线从纤芯到包层的入射角；n1、n2:分别为纤芯和包层的折射率。调制的具体途径又可分为两大类：改变光纤的几何形状，从而改变光线的传播入射角；改变光纤纤芯或者包层的折射率。,图7-27a为光纤弯曲时传光特性示意图。可见，在纤芯中传输的光有一部分耦合到包层中，原来光束以大于临界角的角度在纤芯中传播为全内反射，但在弯曲处，光束以小于临界角 arcsin(n2/n1)的角度入射到界面，部分光逸出散射到包层。这种检测原理可以实现对力、位移和压强等物理量的测量。,改变光纤折射率实现调制的方法也很常用，对于不同的测量对象可以采用不同的材料作包层，例如电光材料、磁光材料、光弹材料等，图7-27b所示为光纤中光强被油滴所调制的情况。有一种光纤温度传感器就是利用纤芯和包层折射率的温度系数不一致，实现对温度的测量。,2光相位调制型光纤相位调制是光纤比较容易实现的调制形式，所有能够影响光纤长度、折射率和内部应力的被测量都会引起相位变化，例如压力、应变、温度和磁场等。相位调制型光纤传感器比强度型复杂一些，一般采用干涉仪检测相位的变化，因此，这类传感器灵敏度非常高。常用的干涉仪有四种：迈克尔逊（Mich1son）、马赫-琴特（Mach-Zehnder）、萨古纳克（Sagnac）、法布里-珀罗（Fabry-perot）。它们的共同点是：光源发出的光都要分成两束或更多束的光，沿不同的路径传播后，分离的光束又组合在一起，产生干涉现象。,图7-28表示马赫-琴特干涉仪原理图。,立方棱镜把激光束一分为二，一束经参考臂用布拉格调制器产生频移或用光纤延伸器和集成光学相移器来调制相位，另一束用暴露于被测场中的信号光纤（或叫传感光纤）来传输，两束光在棱镜处重新汇合，为光电器件接收。,当信号光纤周围的温度发生变化时，信号光纤会产生一定量的相移，相移的大小与信号光纤的长度L、折射率n和横截面的变化有关，由于光纤直径受温度变化影响很小，可忽略。相移可以表示为：/L/L+n/n(7-14),式中：,对于玻璃光纤，,可见在此，n起主要作用；,（二）非功能型（或称结构型、传光型）光纤传感器光纤在非功能型光纤传感器中只作为传光的介质，还需加上其它敏感器件才能组成传感器。非功能型传感器的特点是结构比较简单，能够充分利用其它敏感器件和光纤本身的优点，因此发展很快。1光纤位移传感器 图7-30a为反射式光纤位移传感器原理图。,从发射光纤出射的光经被测物表面直接或间接反射后，由接收光纤传到光电器件上，光量随反射面相对光纤端面的位移(x)而变化，其关系如图7-30b所示。当(x)很小时，反射到接收光纤的光量很少、因为这时两光纤的光锥角重叠部分很小。随着(x)的增加接收光量增大并达到最大值，这段曲线灵敏度高、线性好，其线性段适于测微小位移，峰值处适于测表面粗糙度等。(x)继续加大，曲线从峰值开始下降。,实际上，这种光纤传感器是由许多根光纤组成的光缆。发射和接收光纤的常见的组合方式有混合式、对半分式、共轴内发射分布三种。混合式的灵敏最高，而对半分式测量范围最大。另一种非常有价值的多模光纤位移传感器如图7-31a所示,两光纤端面斜切，端面对光纤轴线有相同的角度，斜切面抛光，以便光线在接收光纤头内形成全反射。当两光纤距离较远时，没有光透过斜切面耦合到接收光纤。但是，当两斜切面非常接近时，情况将发生变化。,由于光是一种电磁波，全内反射时虽然没有光能进入相邻介质，但是电磁波却能进入相邻介质一定深度，这个深度大约为波长量级，进入相邻介质的电磁波称为瞬逝波。当两切面距离小于光波波长时，将有部分光透过间隙耦合到接收光纤，距离越近，耦合能量越大，如图7-21b所示。根据这个原理，可以制成光纤位移传感器。这种传感器的测量范围为光波波长量级，灵敏度可达到纳米量级。,2光纤温度传感器光纤测温技术除了前面介绍的方法外，尚有很多方法，其中一种结构是把半导体材料夹持在发射光纤和接收光纤之间，当温度变化时半导体的透光率随之变化，接收光纤接收到的光量也变化。当前常用的半导体材料是GaAs，其透光率达30以上，厚度为150m，工作面积约为0.7mm2，其工作面和光纤的端面都要抛光并相互平行。,3光波长分布（颜色）传感器光纤光波长调制型传感器大多是非功能型的，光纤只作导光用。波长测量有两个步骤:首先是实现适当的波长分离，这可以用多种方法来实现：从棱镜或光栅光谱仪到干涉滤光片，以及简单的彩色玻璃滤光器。其次是测量在这些波长上的光功率，利用光纤传导、光电器件接收可方便地实现对接收功率的监测。利用光波长调制可开发的传感器主要有：利用指示剂溶液浓度实现遥控化学分析的pH探头；利用磷光和荧光随温度变化而做成的光纤温度计；利用法布里-珀罗敏感标准具做成灵敏的位移传感器等。,4光频率调制型光纤传感器光频率调制是基于被测物体的入射光频率与其反射光的多普勒效应，所以主要用来测量运动物体的速度。如果频率为fi的光照射在相对速度为v的运动物体上，则从该运动体反射光频率fs变为：,其中 c:光速。根据这种原理可以组成光纤激光多普勒测振仪，测量灵敏度非常高。例如用He-Ne激光器做光源，1ms-1速度的频移达1.6MHz，可测范围为1100ms-1。,可见,光纤传感器与以电为基础的传统传感器相比较，在测量原理上有本质的差别。传统传感器是以机电测量为基础，而光纤传感器则以光学测量为基础。,第四节 光栅传感器,随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获随着微型计算机的迅速发展和广泛应用泛应用，信号的检测、控制和处理已进入的数字化时代。通常采用模拟式传感器获取模拟信号，利用A/D转换器将信号转换成数字信号，再用微机和其他数字设备处理进行处理，这种方法简便易行，但系统的构成也很复杂。数字式传感器就是为了解决这些问题而出现的，它能把被测模拟量直接转换成数字信号输出。光栅是常用的数字式传感器,4.1 光栅基础,4.1.1 光栅分类及结构光栅分类光栅按其原理和用途可以分为物理光栅和计量光栅。物理光栅主要是利用光的衍射现象，常用于光谱分析和光波波长测定，而在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象（莫尔条纹），常用于位移长度、角度、速度、加速度等的测量，有很高的分辨力。,2.光栅结构所谓光栅，是在刻画及面上等间距（或不等间距）地密集刻划，使刻线处不透光，未刻线处透光，形成透光与不透光相间排列构成的光电器件。常用的光栅每毫米有10、25、50、100和250条线。主光栅的刻线一般比指示光栅长。若划线宽度为a缝隙宽度为b，则光栅节距或栅距W为Wa+b。通常取a=bW/2。,光栅的原理光栅通常包括一长和一短两块配套使用，其中长的称为标尺光栅或长光栅，一般固定在移动部件上，短的为指示光栅或短光栅，装在固定部件上。,透射式光栅传感器,透射式长光栅传感器,透射式圆光栅传感器,反射式光栅传感器,图7-46 反射式长光栅传感器,当指示光栅上的线纹与标尺光栅上的线纹成一小角度放置时，两光栅尺上线纹互相交叉。在光源的照射下，交叉点附近的小区域内黑线重叠，形成黑色条纹，其它部分为明亮条纹，这种明暗相间的条纹称为莫尔条纹。莫尔条纹与光栅线纹几乎成垂直方向排列。严格地说，莫尔条纹是与两片光栅线纹夹角的平分线相垂直。,直线光栅的莫尔条纹,由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹的实际价值就在于：能让光敏元件“看清”随光栅刻线移动所带来的光强变化。4.1.3 莫尔条纹特点,1.位移的放大作用根据右图，莫尔条纹间距B与栅距W和夹角之间有如下关系：,越小，莫尔条纹间距B越大,越小，B越大，当小于1以后，可使BW，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。,2.莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例当光栅尺移动一个栅距W时，莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B。只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目，就可知道光栅移动了多少个栅距，移动的距离就可以计算出来。若光栅移动方向相反，则莫尔条纹移动方向也相反3.均化误差作用莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成，例如，200条/mm的光栅，10mm宽的光栅就由2000条线纹组成，这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了，消除了栅距之间不均匀造成的误差。,4.1.3 莫尔条纹测量位移原理,当光电元件Ta或Tb接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当光栅移动一个栅距W时，电信号则变化了一个周期这样光敏元件输出波形为：,无论莫尔条纹上移或下移，从一固定位置看其明暗变化是相同的。为了确定运动方向，至少要放置两个光电元件，两者相距1/4莫尔条纹宽度。当光栅移动时，莫尔条纹通过两个光电元件的时间不同，所以两个光电元件所获得的电信号虽然波形相同，但相位相差90度。根据两光电元件输出信号的超前和滞后，可以确定标尺光栅移动方向。,4.1.4 位移辨向原理,辩向逻辑电路,4.2 莫尔条纹细分技术,如果仅以光栅的栅距作其分辨单位，只能读到整数莫尔条纹；倘若要读出位移为0.1m，势必要求每毫米到线1万条，这是目前工艺水平无法实现的。如果采用栅距细分技术可以获得更高的测量精度。常用的细分方法有：1.增加光栅刻线密度2.对电信号进行电子插值，把一个周期变化的莫尔条纹信号再细分，即增加一个周期的脉冲数3.机械和光学细分,光电元件直接细分在一个莫尔条纹宽度上并列放置四个光电元件，如右下图(a)所示，得到相位分别相差/2的四个正弦周期信号。用适当电路处理这些信号，使其合并得到如右下图(b)所示的脉冲信号。每个脉冲分别和四个周期信号的零点相对应，则电脉冲的周期反应了1/4个莫尔条纹宽度。用计数器对这一列脉冲信号计数，就可以读到1/4个莫尔条纹宽度的位移量，这将是光栅固有分辨率的四倍。此种方法被称为四倍频细分法。,莫尔条纹光学细分法,这种方法采用密光栅作为指示光栅，稀光栅作为标尺光栅，稀光栅的栅距是密光栅的整数倍。可由下式表示为：,4.1.3 莫尔条纹测量位移原理,当光电元件Ta或Tb接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当光栅移动一个栅距W时，电信号则变化了一个周期这样光敏元件输出波形为：,辩向逻辑电路,由图可知，当莫尔条纹上移是Ua Ub的电平变化序列为00 01 11 10 00；当莫尔条纹下移时，Ua Ub的电平变化序列为：为00 10 11 01 00；,