關于光柵CCD光纖傳感器莫爾條紋形成的原理橫向莫爾條紋的斜率莫爾條紋間距莫爾條紋的寬度BH由光柵常數(shù)與光柵夾角決定第2頁,共64頁，2024年2月25日，星期天莫爾條紋技術的特點（1）調整夾角即可得到很大的莫爾條紋的寬度，起到了放大作用，又提高了測量精度。（2）莫爾條紋的光強度變化近似正弦變化，便于將電信號作進一步細分，即采用“倍頻技術”。這樣可以提高測量精度或可以采用較粗的光柵。（3）光電元件對于光柵刻線的誤差起到了平均作用?？叹€的局部誤差和周期誤差對于精度沒有直接的影響。因此可得到比光柵本身的刻線精度高的測量精度。這是用光柵測量和普通標尺測量的主要差別。第3頁,共64頁，2024年2月25日，星期天光柵位移傳感器

線性位移傳感器。根據(jù)主光柵尺與指示光柵之間的相對運動產(chǎn)生莫爾條紋移動，通過計算莫爾條紋數(shù)測量位移，精度高，用于自控機床及作長度減量標準。第4頁,共64頁，2024年2月25日，星期天圖7.5.2光柵傳感器外形第5頁,共64頁，2024年2月25日，星期天6反射式光柵第6頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7透射式光柵第7頁,共64頁，2024年2月25日，星期天8透射式圓光柵固定第8頁,共64頁，2024年2月25日，星期天9光柵在機床上的安裝位置（2個坐標）第9頁,共64頁，2024年2月25日，星期天10光柵在機床上的安裝位置（3個坐標）數(shù)顯表第10頁,共64頁，2024年2月25日，星期天11光柵在機床上

的安裝位置

（3個坐標）（續(xù)）第11頁,共64頁，2024年2月25日，星期天123自由度光柵數(shù)顯表第12頁,共64頁，2024年2月25日，星期天13光柵數(shù)顯表（續(xù)）三坐標數(shù)顯表第13頁,共64頁，2024年2月25日，星期天14安裝有直線、角度光柵的數(shù)控機床加工實況

防護罩內為直線光柵光柵掃描頭被加工工件切削刀具角編碼器安裝在夾具的端部第14頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7.4電荷耦合器件在MOS電容金屬電極上，加以脈沖電壓，排斥掉半導體襯底內的多數(shù)載流子，形成“勢阱”的運動，進而達到信號電荷（少數(shù)載流子）的轉移。圖像傳感器：轉移的信號電荷是由光線照射產(chǎn)生；若所轉移的電荷通過外界諸如方式得到，則其可以具備延時、信號處理、數(shù)據(jù)存儲以及邏輯運算等功能。第15頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7.4.2CCD圖像傳感器利用CCD的光電轉移和電荷轉移的雙重功能，得到幅度與各光生電荷包成正比的電脈沖序列，從而將照射在CCD上的光學圖像轉移成了電信號“圖像”。由于CCD能實現(xiàn)低噪聲的電荷轉移，并且所有光生電荷都通過一個輸出電路檢測，且具有良好的—致性，因此，對圖像的傳感具有優(yōu)越的性能。線列和面陣上一頁下一頁返回第16頁,共64頁，2024年2月25日，星期天17MOS電容器組成的光敏元及數(shù)據(jù)面的顯微照片CCD光敏元顯微照片CCD讀出移位寄存器的數(shù)據(jù)面顯微照片第17頁,共64頁，2024年2月25日，星期天

彩色CCD顯微照片（放大7000倍）第18頁,共64頁，2024年2月25日，星期天19CCD圖像傳感器的分類

(1)線陣CCD第19頁,共64頁，2024年2月25日，星期天20(2)面陣CCD

面陣CCD能在x、y兩個方向都能實現(xiàn)電子自掃描，可以獲得二維圖像。

第20頁,共64頁，2024年2月25日，星期天21面陣CCD外形（續(xù)）

200萬和1600萬像素的面陣CCD

第21頁,共64頁，2024年2月25日，星期天22面陣CCD外形（續(xù)）

第22頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7．4．3圖像傳感器的應用1．尺寸測量2．

用于光學文字識別裝置上一頁下一頁返回第23頁,共64頁，2024年2月25日，星期天24利用CCD對尺寸檢測按原理可分為三種：衍射法、投影法及光學成像法。這三種測量方法分別適合不同的尺寸物體。1.尺寸檢測(1)衍射法(2)投影法(3)光學成像法第24頁,共64頁，2024年2月25日，星期天257.3.5細絲直徑檢測系統(tǒng)原理尺度等于或略大于波長量級的微隙、細絲或小孔一般采用衍射方法(1)衍射法L為細絲到CCD的距離，λ為入射激光波長，a為被測細絲的直徑，N為兩個暗紋之間的像素個數(shù)，l為像素間距。第25頁,共64頁，2024年2月25日，星期天被測對象長度Ll1

－視場l2－傳感器的長度上一頁下一頁返回第26頁,共64頁，2024年2月25日，星期天27投影法適合小尺寸物體或者對物體邊緣進行測量的情形，當一束平行光照射到被測物體后再投射到CCD時，物體的陰影也同時投射到CCD上，若光的準直度很好，其陰影的尺寸就代表了待測物體的尺寸。圖7.3.6投影法測量的應用

(2)投影法第27頁,共64頁，2024年2月25日，星期天28光學成像法測量物體尺寸的范圍非常寬，通過光學系統(tǒng)物體在CCD上成一個放大或縮小的實像，CCD測得像的大小再乘以光學系統(tǒng)的放大倍率便可獲得物體的尺寸，這種方法可以實現(xiàn)零件尺寸的在線自動檢測。(3)光學成像法圖7.3.7基于CCD的零件尺寸在線檢測系統(tǒng)

第28頁,共64頁，2024年2月25日，星期天29圖7.3.8CCD郵政編碼識別系統(tǒng)通過CCD把郵編圖像掃描入計算機，通過軟件對郵編圖像進行數(shù)字識別，根據(jù)識別出的數(shù)字，計算機控制分類機構把信件送入相應的分類箱中。類似系統(tǒng)還可用于貨幣識別和分類、商品條形碼識別等。2.圖形文字識別第29頁,共64頁，2024年2月25日，星期天光學文字識別裝置(OCR)原理上一頁返回第30頁,共64頁，2024年2月25日，星期天圖像傳感器是一種能進行光電轉換存儲信息及轉換信息電荷功能的特殊半導體器件，用于傳真、圖像掃描及光特性識別工業(yè)自動檢測等多個領域。特別適用于精密圖像傳感和無接觸工件尺寸的在線檢測。第31頁,共64頁，2024年2月25日，星期天指紋傳感器

具有指紋錄入，圖像處理，模板生成和指紋比對等功能。它采集速度快，圖像質量高，穩(wěn)定性好。廣泛的用于電子政務，金融行業(yè)，遠程登錄等領域，類似銀行的柜員管理，醫(yī)保、社保系統(tǒng)以及與卡結合的應用系統(tǒng)。第32頁,共64頁，2024年2月25日，星期天索尼的感光元件第33頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7.5光纖傳感器光纖傳感優(yōu)點：靈敏度較高；幾何形狀具有多方面的適應性，可以制成任意形狀的光纖傳感器；可以制造傳感各種不同物理信息（聲、磁、溫度、旋轉等）的器件；可以用于高壓、電氣噪聲、高溫、腐蝕、或其它的惡劣環(huán)境；而且具有與光纖遙測技術的內在相容性。應用：磁、聲、壓力、溫度、加速度、陀螺、位移、液面、轉矩、光聲、電流和應變等物理量的測量。第34頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7.5.1光導纖維的結構和導光原理圓柱形內芯和包層組成，而且內芯的折射率略大于包層的折射率上一頁下一頁返回第35頁,共64頁，2024年2月25日，星期天斯乃爾定理當光由光密物質出射至光疏物質時，發(fā)生折射（a）折射角大于入射角：（b）臨界狀態(tài)：（c）全反射：上一頁下一頁返回第36頁,共64頁，2024年2月25日，星期天光纖導光上一頁下一頁返回第37頁,共64頁，2024年2月25日，星期天n0為入射光線AB所在空間的折射率，一般皆為空氣，故n0≈1上一頁下一頁返回第38頁,共64頁，2024年2月25日，星期天當θr=90°的臨界狀態(tài)時，Sinθio0定義為“數(shù)值孔徑”NA（NumericalAperture）相對折射率差arcsinNA是一個臨界角，θi>arcsinNA，光線進入光纖后都不能傳播而在包層消失；θi<arcsinNA，光線才可以進入光纖被全反射傳播。上一頁下一頁返回第39頁,共64頁，2024年2月25日，星期天光纖傳感器的分類光纖在傳感器中的作用光受被測量調制的形式光纖傳感器中對光信號的檢測方法不同

上一頁下一頁返回第40頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(1)光纖的傳感器中的作用功能型非功能型拾光型

上一頁下一頁返回第41頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(a)功能型（全光纖型）光纖傳感器光纖在其中不僅是導光媒質，而且也是敏感元件，光在光纖內受被測量調制。優(yōu)點：結構緊湊、靈敏度高。

缺點：須用特殊光纖，成本高，

典型例子：光纖陀螺、光纖水聽器等。

上一頁下一頁返回第42頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(b)非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖在其中僅起導光作用，光照在光纖型敏感元件上受被測量調制。

優(yōu)點：無需特殊光纖及其他特殊技術，比較容易實現(xiàn)，成本低。

缺點：靈敏度較低。 實用化的大都是非功能型的光纖傳感器。上一頁下一頁返回第43頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(c)拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子： 光纖激光多普勒速度計 輻射式光纖溫度傳感器上一頁下一頁返回第44頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(2)根據(jù)光受被測對象的調制形式(a)強度調制型光纖傳感器(b)偏振調制光纖傳感器(c)頻率調制光纖傳感器(d)相位調制傳感器上一頁下一頁返回第45頁,共64頁，2024年2月25日，星期天(a)強度調制型光纖傳感器利用被測對象的變化引起敏感元件參數(shù)的變化，而導致光強度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。應用：壓力、振動、位移、氣體優(yōu)點:

結構簡單、容易實現(xiàn)、成本低。缺點:

易受光源波動和連接器損耗變化等的影響上一頁下一頁返回第46頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（b）偏振調制光纖傳感器利用光的偏振態(tài)的變化來傳遞被測對象信息應用： 電流、磁場傳感器：法拉第效應； 電場、電壓傳感器：泡爾效應； 壓力、振動或聲傳感器：光彈效應； 溫度、壓力、振動傳感器：雙折射性優(yōu)點：可避免光源強度變化的影響，靈敏度高。上一頁下一頁返回第47頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（c）頻率調制光纖傳感器被測對象引起的光頻率的變化來進行監(jiān)測利用運動物體反射光和散射光的多普勒效應的光纖速度、流速、振動、壓力、加速度傳感器； 利用物質受強光照射時的喇曼散射構成的測量氣體濃度或監(jiān)測大氣污染的氣體傳感器； 利用光致發(fā)光的溫度傳感器等。上一頁下一頁返回第48頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（d）相位調制傳感器被測對象導致光的相位變化，然后用干涉儀來檢測這種相位變化而得到被測對象的信息。

利用光彈效應的聲、壓力或振動傳感器； 利用磁致伸縮效應的電流、磁場傳感器； 利用電致伸縮的電場、電壓傳感器利用Sagnac效應的旋轉角速度傳感器（光纖陀螺）優(yōu)點：靈敏度很高，缺點：特殊光纖及高精度檢測系統(tǒng)，成本高。上一頁下一頁返回第49頁,共64頁，2024年2月25日，星期天4.4.5光纖傳感器的特點（1）電絕緣。（2）抗電磁干擾。（3）非侵入性。（4）高靈敏度。（5）容易實現(xiàn)對被測信號的遠距離監(jiān)控。

上一頁下一頁返回第50頁,共64頁，2024年2月25日，星期天7.5.6光纖傳感器的應用強度調制型： 基于彈性元件受壓變形，將壓力信號轉換成位移信號來檢測，故常用于位移的光纖檢測技術；相位調制型： 利用光纖本身作為敏感元件；偏振調制型： 主要是利用晶體的光彈性效應。上一頁下一頁返回光纖壓力傳感器第51頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（1）采用彈性元件的光纖壓力傳感器膜片反射式光纖壓力傳感器示意圖膜片的中心撓度若利用Y形光纖束位移特性的線性區(qū)，則傳感器的輸出光功率亦與待測壓力呈線性關系。1Y形光纖2殼體3膜片與所加的壓力呈線性關系上一頁下一頁返回第52頁,共64頁，2024年2月25日，星期天差動式膜片反射型光纖壓力傳感器1．輸出光纖2．輸入光纖3．輸出光纖4．膠5．膜片兩束輸出光的光強之比A―常數(shù)；p―待測量壓力輸出光強比I2/I1與膜片的反射率、光源強度等因素均無關上一頁下一頁返回第53頁,共64頁，2024年2月25日，星期天將上式兩邊取對數(shù)，在滿足(Ap)2≤1時，得到表明待測壓力與輸出光強比的對數(shù)呈線性關系。若將I1、I2檢出后分別經(jīng)對數(shù)放大后，再通過減法器即可得到線性的輸出。采用不同的尺寸、材料的膜片，可獲得不同的測量范圍。上一頁下一頁返回第54頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（b）光彈性式光纖壓力傳感器光彈性效應：晶體在受壓后其折射率發(fā)生變化，從而呈現(xiàn)雙折射現(xiàn)象。1光源2、8起偏器3、91/4波長板4、10光彈性元件5、11檢偏器6光纖7自聚焦透鏡上一頁下一頁返回第55頁,共64頁，2024年2月25日，星期天光彈性式光纖壓力傳感器2在光彈性元件上加上質量塊后，也可用于測量振動、加速度上一頁下一頁返回第56頁,共64頁，2024年2月25日，星期天（c）微彎式光纖壓力傳感基于光纖的微彎效應，即由壓力引起變形器產(chǎn)生位