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常見光學傳感器原理,深度講解

作者:admin    發布時間:2022-01-11 15:4    瀏覽量:263

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條刻痕。

這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵,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時,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速度移動,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,通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出,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,轉換效率低,使用壽命短。半導體發光器件,如砷化鎵發光二極管,可以在 范圍內工作,所發光的峰值波長為 ,與硅光敏三極管的峰值波長接近,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。兩者柵線間會錯開一個很小的夾角 ,以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動的,它可以單獨地移動,也可以隨被測物體而移動,其長度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

3、通光孔:通光孔是發光體與受光體的通路,一般為條形狀,其長度由受光體的排列長度決定,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:受光元件是用來感知主光柵在移動時產生莫爾條紋的移動,從而測量位移量。在選擇光敏元件時,要考慮靈敏度、響應時間、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之間有一個微小的夾角θ,如下圖所示。

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

在兩光柵的刻線重合處,光從縫隙透過,形成亮帶;在兩光柵刻線的錯開的地方,形成暗帶;這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。

莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ(單位為rad)之間的關系為:

(K稱為放大倍數)。

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

主光柵每移動一個柵距W,莫爾條紋也相應移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動,就能測量光柵移動的大小和方向,這要比直接對光柵進行測量容易得多。

當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時,莫爾條紋移動一個條紋間距。當兩個光柵刻線夾角θ較小時,由上述公式可知,W一定時,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,可以實現高靈敏度的位移測量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的,對刻線誤差具有平均效應,能在很大程度上消除由于刻線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

1、精度高。

光柵式傳感器在大量程測量長度或直線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,但分辨力和精度都不如光柵式傳感器;

3、可實現動態測量,易于實現測量及數據處理的自動化;

4、具有較強的抗干擾能力,對環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,油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環境較好的車間使用。

光柵傳感器的種類:

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

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摻雜光纖時,在纖芯內產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生相應變化。而在纖芯內形成的空間相位光柵,其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的(透射或反射)濾波器或反射鏡。

當一束寬光譜光經過光纖光柵時,滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射,其余的波長將透過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 會引起光譜的展寬。

這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的,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的位移,而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性(dn/dT),僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬,就可以同時測量應變和溫度。

長周期光纖光柵傳感器:

長周期光纖光柵(LPG)的周期一般認為有數百微米, LPG在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層:λi= (n0-niclad)?Λ 。式中,n0為纖芯的折射率,niclad為i階軸對稱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。

一個獨立的LPG可能在一個很寬的波長范圍內有許多的共振,LPG共振的中心波長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生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移,通過檢測△λi,就可獲得外界物理量變化的信息。LPG在給定波長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

紅外技術發展到現在,已經為大家所熟知,這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統,按照功能能夠分成五類:

(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進行跟蹤;

(3)熱成像系統,可產生整個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,是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合。

首先了解一下紅外光。

紅外光是太陽光譜的一部分,紅外光的最大特點就是具有光熱效應,輻射熱量,它是光譜中最大光熱效應區。紅外光一種不可見光,與所有電磁波一樣,具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質中傳播會產生衰減,在金屬中傳播衰減很大,但紅外輻射能透過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,大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明,對于波長為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)將產生不同的光熱效應。嚴格來講,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用于衛星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學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,物體的發射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發射率也越大。
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):隨著溫度的升高,輻射最大值對應的峰值波長向短波方向移動。
紅外傳感器的工作原理并不復雜,一個典型的傳感器系統各部分的實體分別是:

(1)待測目標。根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統的設定。

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

(3)光學接收器。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,常用是物鏡。

(4)輻射調制器。對來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。又稱調制盤和斬波器,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相互作用所呈現出來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的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

(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。經過制冷,設備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。

(7)信號處理系統。將探測的信號進行放大、濾波,并從這些信號中提取出信息。然后將此類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。

熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收,它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。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,進而使探測器中依賴于溫度的性能發生變化。檢測其中某一性能的變化,便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射,引起非電量的物理變化時,可以通過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間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在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) 響應波長范圍

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

λP對應響應峰值rP,rP /2于對應為截止波長λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪聲等效功率又稱最小可測功率。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生的電信號等于探測器本身的噪聲,因此是產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。這就意味著探測器將無法感知目標輻射。所以噪聲等效功率實際上就是探測器能夠探知的最小目標輻射,標志著一個探測器的靈敏度。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。

熱釋紅外傳感器

隨著社會的發展,各種方便于生活的自動控制系統開始進入了人們的生活,以熱釋電紅外傳感器為核心的自動門系統就是其中之一。

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、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時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生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式,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溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時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,所以會發出特定波長10UM左右的紅外線,被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10UM左右的紅外線通過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生變化時就會失去電荷平衡,向外釋放電荷,后續電路經檢測處理后就能產生報警信號。

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,使環境的干擾受到明顯的控制作用。

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

4)一旦人侵入探測區域內,人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦,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),從而產生不同的監控視場,視場越多,控制越嚴密。

3.熱釋電效應

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

能產生熱釋電效應的晶體稱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,把紅外光線分成可見區和盲區,同時又有聚焦的作用,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明區和暗區,使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號,這樣PIR就能產生變化電信號。

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

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