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常見(jiàn)光學(xué)傳感器原理,深度講解

作者:admin    發(fā)布時(shí)間:2022-01-11 15:4    瀏覽量:2000

光柵傳感器

光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。

光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學(xué)器件。一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成,刻痕為不透光部分,兩刻痕之間的光滑部分可以透光,相當于一狹縫。精制的光柵,在1cm寬度內刻有幾千條乃至上萬(wàn)條刻痕。

這種利用透射光衍射的光柵稱(chēng)為透射光柵,還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵,如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕,兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光,這種光柵成為反射光柵。由光柵形成的疊柵條紋具有光學(xué)放大作用和誤差平均效應,因而能提高測量精度。

光柵傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統和測量系統四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動(dòng)時(shí),便形成大致按正弦規律分布的明暗相間的疊柵條紋。

這些條紋以光柵的相對運動(dòng)速度移動(dòng),并直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈沖,通過(guò)放大、整形、辨向和計數系統產(chǎn)生數字信號輸出,直接顯示被測的位移量。

光柵傳感器的結構及工作原理:

光柵傳感器的結構均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個(gè)主要部分構成。

1、光源:鎢絲燈泡,它有較小的功率,與光電元件組合使用時(shí),轉換效率低,使用壽命短。半導體發(fā)光器件,如砷化鎵發(fā)光二極管,可以在 范圍內工作,所發(fā)光的峰值波長(cháng)為 ,與硅光敏三極管的峰值波長(cháng)接近,因此,有很高的轉換效率,也有較快的響應速度。

2、光柵付:由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊,但又不完全重合。兩者柵線(xiàn)間會(huì )錯開(kāi)一個(gè)很小的夾角 ,以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動(dòng)的,它可以單獨地移動(dòng),也可以隨被測物體而移動(dòng),其長(cháng)度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

3、通光孔:通光孔是發(fā)光體與受光體的通路,一般為條形狀,其長(cháng)度由受光體的排列長(cháng)度決定,寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。

4、受光元件:受光元件是用來(lái)感知主光柵在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生莫爾條紋的移動(dòng),從而測量位移量。在選擇光敏元件時(shí),要考慮靈敏度、響應時(shí)間、光譜特性、穩定性、體積等因素。

將主光柵與標尺光柵重疊放置,兩者之間保持很小的間隙,并使兩塊光柵的刻線(xiàn)之間有一個(gè)微小的夾角θ,如下圖所示。

當有光源照射時(shí),由于擋光效應(對刻線(xiàn)密度≤50條/mm的光柵)或光的衍射作用(對刻線(xiàn)密度≥100條/mm的光柵),與光柵刻線(xiàn)大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。

在兩光柵的刻線(xiàn)重合處,光從縫隙透過(guò),形成亮帶;在兩光柵刻線(xiàn)的錯開(kāi)的地方,形成暗帶;這些明暗相間的條紋稱(chēng)為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線(xiàn)的夾角θ(單位為rad)之間的關(guān)系為:

(K稱(chēng)為放大倍數)。

當指示光柵不動(dòng),主光柵的刻線(xiàn)與指示光柵刻線(xiàn)之間始終保持夾角θ,而使主光柵沿刻線(xiàn)的垂直方向作相對移動(dòng)時(shí),莫爾條紋將沿光柵刻線(xiàn)方向移動(dòng);光柵反向移動(dòng),莫爾條紋也反向移動(dòng)。

主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W,莫爾條紋也相應移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過(guò)測量莫爾條紋的移動(dòng),就能測量光柵移動(dòng)的大小和方向,這要比直接對光柵進(jìn)行測量容易得多。

當主光柵沿與刻線(xiàn)垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí),莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當兩個(gè)光柵刻線(xiàn)夾角θ較小時(shí),由上述公式可知,W一定時(shí),θ愈小,則B愈大,相當于把柵距W放大了1/ θ倍。因此,莫爾條紋的放大倍數相當大,可以實(shí)現高靈敏度的位移測量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線(xiàn)共同形成的,對刻線(xiàn)誤差具有平均效應,能在很大程度上消除由于刻線(xiàn)誤差所引起的局部和短周期誤差影響,可以達到比光柵本身刻線(xiàn)精度更高的測量精度。因此,計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。

光柵傳感器的特點(diǎn)

1、精度高。

光柵式傳感器在大量程測量長(cháng)度或直線(xiàn)位移方面僅僅低于激光干涉傳感器。在圓分度和角位移連續測量方面,光柵式傳感器屬于精度最高的;

2、大量程測量兼有高分辨力。
感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點(diǎn),但分辨力和精度都不如光柵式傳感器;

3、可實(shí)現動(dòng)態(tài)測量,易于實(shí)現測量及數據處理的自動(dòng)化;

4、具有較強的抗干擾能力,對環(huán)境條件的要求不像激光干涉傳感器那樣嚴格,但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強,油污和灰塵會(huì )影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗室和環(huán)境較好的車(chē)間使用。

光柵傳感器的種類(lèi):

光柵主要分兩大類(lèi):一是Bragg光柵(也稱(chēng)為反射或短周期光柵);二是透射光柵(也稱(chēng)為長(cháng)周期光柵)。

光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構,從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵,色散補償型光柵是非周期光柵,又稱(chēng)為啁啾光柵(Chirp光柵)。

光纖Bragg光柵傳感器

光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過(guò)摻雜光纖時(shí),在纖芯內產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化,從而形成永久性空間的相位,光纖光柵的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化。而在纖芯內形成的空間相位光柵,其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內形成一個(gè)窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。

當一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí),滿(mǎn)足光纖光柵布拉格條件的波長(cháng)將產(chǎn)生反射,其余的波長(cháng)將透過(guò)光纖光柵繼續往前傳輸,利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。

啁啾光纖光柵傳感器:

與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同,在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λB的變化外,還 會(huì )引起光譜的展寬。

這種傳感器在應變和溫度均存在的場(chǎng)合是非常有用的,啁啾光纖光柵由于應變的影響導致了反射信號的拓寬和峰值波長(cháng)的位移,而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴(lài)性(dn/dT),僅影響重心的位置。通過(guò)同時(shí)測量光譜位移和展寬,就可以同時(shí)測量應變和溫度。

長(cháng)周期光纖光柵傳感器:

長(cháng)周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有數百微米, LPG在特定的波長(cháng)上把纖芯的光耦合進(jìn)包層:λi= (n0-niclad)?Λ 。式中,n0為纖芯的折射率,niclad為i階軸對稱(chēng)包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層/空氣界面的損耗而迅速衰減,留下一串損耗帶。

一個(gè)獨立的LPG可能在一個(gè)很寬的波長(cháng)范圍內有許多的共振,LPG共振的中心波長(cháng)主要取決于芯和包層的折射率差,由應變、溫度或外部折射率變化而產(chǎn)生的任何變化都能在共振中產(chǎn)生大的波長(cháng)位移,通過(guò)檢測△λi,就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長(cháng)上的共振帶的響應通常有不同的幅度,因而LPG適用于多參數傳感器。

紅外傳感器

紅外技術(shù)發(fā)展到現在,已經(jīng)為大家所熟知,這種技術(shù)已經(jīng)在現代科技、國防和工農業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線(xiàn)為介質(zhì)的測量系統,按照功能能夠分成五類(lèi):

(1)輻射計,用于輻射和光譜測量;

(2)搜索和跟蹤系統,用于搜索和跟蹤紅外目標,確定其空間位置并對它的運動(dòng)進(jìn)行跟蹤;

(3)熱成像系統,可產(chǎn)生整個(gè)目標紅外輻射的分布圖像;

(4)紅外測距和通信系統;

(5)混合系統,是指以上各類(lèi)系統中的兩個(gè)或者多個(gè)的組合。

首先了解一下紅外光。

紅外光是太陽(yáng)光譜的一部分,紅外光的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應,輻射熱量,它是光譜中最大光熱效應區。紅外光一種不可見(jiàn)光,與所有電磁波一樣,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質(zhì)中傳播會(huì )產(chǎn)生衰減,在金屬中傳播衰減很大,但紅外輻射能透過(guò)大部分半導體和一些塑料,大部分液體對紅外輻射吸收非常大。

不同的氣體對其吸收程度各不相同,大氣層對不同波長(cháng)的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明,對于波長(cháng)為1——5μm、 8——14μm區域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長(cháng)的紅外光能較好地穿透大氣層。
自然界中任何物體,只要其溫度在絕對零度之上,都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應對不同的物體是各不相同的,熱能強度也不一樣。

例如,黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產(chǎn)生不同的光熱效應。嚴格來(lái)講,自然界并不存在黑體、鏡體和透明體,而絕大部分物體都屬于灰體。

上述這些特性就是把紅外光輻射技術(shù)用于衛星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項目的重要理論依據。

紅外輻射的基本定律:

(1)基爾霍夫定律:在一定溫度下,地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比,對于任何物體都是一個(gè)常數,并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下,物體的發(fā)射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發(fā)射率也越大。
地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比,所以,地物微小的溫度差異就會(huì )引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。

(2)玻耳茲曼定律(Stefan-Boltzmann''s law ):即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加,它與溫度的四次方成正比。因此,溫度的微小變化,就會(huì )引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎。

(3)維恩位移定律(Wien''s displacement law):隨著(zhù)溫度的升高,輻射最大值對應的峰值波長(cháng)向短波方向移動(dòng)。
紅外傳感器的工作原理并不復雜,一個(gè)典型的傳感器系統各部分的實(shí)體分別是:

(1)待測目標。根據待測目標的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統的設定。

(2)大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過(guò)地球大氣層時(shí),由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收,將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。

(3)光學(xué)接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線(xiàn),常用是物鏡。

(4)輻射調制器。對來(lái)自待測目標的輻射調制成交變的輻射光,提供目標方位信息,并可濾除大面積的干擾信號。又稱(chēng)調制盤(pán)和斬波器,它具有多種結構。    

(5)紅外探測器。這是紅外系統的核心。它是利用紅外輻射與物質(zhì)相互作用所呈現出來(lái)的物理效應探測紅外輻射的傳感器,多數情況下是利用這種相互作用所呈現出來(lái)的電學(xué)效應。此類(lèi)探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類(lèi)型。

(6)探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作,所以相應的系統必須有制冷設備。經(jīng)過(guò)制冷,設備可以縮短響應時(shí)間,提高探測靈敏度。

(7)信號處理系統。將探測的信號進(jìn)行放大、濾波,并從這些信號中提取出信息。然后將此類(lèi)信息轉化成為所需要的格式,最后輸送到控制設備或者顯示器中。

(8)顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。
依照上面的流程,紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統的核心是紅外探測器,按照探測的機理的不同,可以分為熱探測器和光子探測器兩大類(lèi)。

熱探測器對入射的各種波長(cháng)的輻射能量全部吸收,它是一種對紅外光波無(wú)選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應有外光電效應、內光電效應(光生伏特效應、光電導效應)和光電磁效應。

熱探測器是利用輻射熱效應,使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高,進(jìn)而使探測器中依賴(lài)于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測輻射的。當元件接收輻射,引起非電量的物理變化時(shí),可以通過(guò)適當的變換后測量相應的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應時(shí)間比光電探測器的響應時(shí)間要長(cháng)得多。前者的響應時(shí)間一般在ms以上,而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻,光子探測器多數要冷卻。
紅外探測器主要技術(shù)參數有下列幾項:

(1)響應率

所謂紅外探測器的響應率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比式中 r — 響應率(V/W);U0 — 輸出電壓(V);P — 紅外輻射功率(W)。

(2) 響應波長(cháng)范圍

紅外探測器的響應率與入射輻射的波長(cháng)有一定的關(guān)系,如右圖所示。曲線(xiàn)①為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應率r與波長(cháng)λ無(wú)關(guān)。光電探測器的分譜響應如圖中曲線(xiàn)②所示。

λP對應響應峰值rP,rP /2于對應為截止波長(cháng)λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪聲等效功率又稱(chēng)最小可測功率。使探測器輸出的信號等于噪聲電壓或電流所需的入射信號功率,是衡量光電探測器接收弱信號能力的性能參數。該功串在探測器上產(chǎn)生的電信號等于探測器本身的噪聲,因此是產(chǎn)生單位信噪比所需的輻射功率。NEP愈小,探測器的性能愈好。信號輻射功率小于噪聲等效功率,則探測器信號輸出小于噪聲。這就意味著(zhù)探測器將無(wú)法感知目標輻射。所以噪聲等效功率實(shí)際上就是探測器能夠探知的最小目標輻射,標志著(zhù)一個(gè)探測器的靈敏度。噪聲等效功率愈小,靈敏度愈高。NEP與探測器相應譜段、調制頻率、工作溫度、偏置。光敏面積、張角等條件有關(guān)。

熱釋紅外傳感器

隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展,各種方便于生活的自動(dòng)控制系統開(kāi)始進(jìn)入了人們的生活,以熱釋電紅外傳感器為核心的自動(dòng)門(mén)系統就是其中之一。

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合慮光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場(chǎng)效應管匹配器三部分組成。設計時(shí)應將高熱電材料制成一定厚度的薄片,并在它的兩面鍍上金屬電極,然后加電對其進(jìn)行極化,這樣便制成了熱釋電探測元。

熱釋電紅外傳感器原理:

1.熱釋電紅外傳感器的原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數遠遠高于熱電偶,其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個(gè)特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動(dòng)平衡電路方式,因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線(xiàn)能量變化并將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場(chǎng)效應管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號,并不能直接使用因而需要用電阻將其轉換為電壓形式該電阻阻抗高達104MΩ,故引入的N溝道結型場(chǎng)效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來(lái)完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場(chǎng)效應管匹配器三部分組成。設計時(shí)應將高熱電材料制成一定厚度的薄片,并在它的兩面鍍上金屬電極,然后加電對其進(jìn)行極化,這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的,因此極化后的探測元也是有正、負極性的。

2.被動(dòng)式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

人體都有恒定的體溫,一般在37度,所以會(huì )發(fā)出特定波長(cháng)10UM左右的紅外線(xiàn),被動(dòng)式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線(xiàn)通過(guò)菲泥爾濾光片增強后聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時(shí)就會(huì )失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報警信號。

1)這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長(cháng)為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感,在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片,使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3)被動(dòng)紅外探頭,其傳感器包含兩個(gè)互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個(gè)電極化方向正好相反,環(huán)境背景輻射對兩個(gè)熱釋元件幾乎具有相同的作用,使其產(chǎn)生釋電效應相互抵消,于是探測器無(wú)信號輸出。

4)一旦人侵入探測區域內,人體紅外輻射通過(guò)部分鏡面聚焦,并被熱釋電元接收,但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同,熱釋電也不同,不能抵消,經(jīng)信號處理而報警。

5)菲泥爾濾光片根據性能要求不同,具有不同的焦距(感應距離),從而產(chǎn)生不同的監控視場(chǎng),視場(chǎng)越多,控制越嚴密。

3.熱釋電效應

當一些晶體受熱時(shí),在晶體兩端將會(huì )產(chǎn)生數量相等而符號相反的電荷,這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現象,被稱(chēng)為熱釋電效應。通常,晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來(lái)自空氣中附著(zhù)在晶體表面的自由電子所中和,其自發(fā)極化電矩不能表現出來(lái)。當溫度變化時(shí),晶體結構中的正負電荷重心相對移位,自發(fā)極化發(fā)生變化,晶體表面就會(huì )產(chǎn)生電荷耗盡,電荷耗盡的狀況正比于極化程度。

能產(chǎn)生熱釋電效應的晶體稱(chēng)之為熱釋電體或熱釋電元件,其常用的材料有單(LiTaO3 等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。

根據菲涅耳原理制成,把紅外光線(xiàn)分成可見(jiàn)區和盲區,同時(shí)又有聚焦的作用,使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式,其作用一是聚焦作用,將熱釋的紅外信號折射(反射)在PIR上;二是將檢測區內分為若干個(gè)明區和暗區,使進(jìn)入檢測區的移動(dòng)物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號,這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。

如果我們在熱電元件接上適當的電阻,當元件受熱時(shí),電阻上就有電流流過(guò),在兩端得到電壓信號。

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