?光柵傳感器

光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測(cè)量位移的傳感器。

光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構(gòu)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(dāng)于一狹縫。精制的光柵，在1cm寬度內(nèi)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(yīng)，因而能提高測(cè)量精度。

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

這些條紋以光柵的相對(duì)運(yùn)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(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)輸出，直接顯示被測(cè)的位移量。

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理：

光柵傳感器的結(jié)構(gòu)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(gòu)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(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。半導(dǎo)體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，可以在 范圍內(nèi)工作，所發(fā)光的峰值波長(zhǎng)為 ，與硅光敏三極管的峰值波長(zhǎng)接近，因此，有很高的轉(zhuǎn)換效率，也有較快的響應(yīng)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(huì)錯(cuò)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(dú)地移動(dòng)，也可以隨被測(cè)物體而移動(dòng)，其長(zhǎng)度取決于測(cè)量范圍。指示光柵相對(duì)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(zhǎng)度由受光體的排列長(zhǎng)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(cè)量位移量。在選擇光敏元件時(shí)，要考慮靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、穩(wěn)定性、體積等因素。

將主光柵與標(biāo)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(gè)微小的夾角θ，如下圖所示。

當(dāng)有光源照射時(shí)，由于擋光效應(yīng)（對(duì)刻線密度≤50條／mm的光柵）或光的衍射作用（對(duì)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(guò)，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開(kāi)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(guān)系為：

當(dāng)指示光柵不動(dòng)，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(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動(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(yīng)移動(dòng)一個(gè)間距S。因此通過(guò)測(cè)量莫爾條紋的移動(dòng)，就能測(cè)量光柵移動(dòng)的大小和方向，這要比直接對(duì)光柵進(jìn)行測(cè)量容易得多。

當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋間距。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線夾角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(dāng)于把柵距W放大了1／ θ倍。因此，莫爾條紋的放大倍數(shù)相當(dāng)大，可以實(shí)現(xiàn)高靈敏度的位移測(cè)量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對(duì)刻線誤差具有平均效應(yīng)，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(dá)到比光柵本身刻線精度更高的測(cè)量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測(cè)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(cè)量長(zhǎng)度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?。在圓分度和角位移連續(xù)測(cè)量方面，光柵式傳感器屬于精度高的；

2、大量程測(cè)量兼有高分辨力。

感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測(cè)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(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，易于實(shí)現(xiàn)測(cè)量及數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化；

4、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃?yán)格，但不如感應(yīng)同步器和磁柵式傳感器的適應(yīng)性強(qiáng)，油污和灰塵會(huì)影響它的可靠性。主要適用于在實(shí)驗(yàn)室和環(huán)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(zhǎng)周期光柵）。

光纖光柵從結(jié)構(gòu)上可分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補(bǔ)償型光柵，色散補(bǔ)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(guò)摻雜光纖時(shí)，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成空間的相位，光纖光柵的折射率將隨光強(qiáng)的空間分布發(fā)生相應(yīng)變化。而在纖芯內(nèi)形成的空間相位光柵，其作用的實(shí)質(zhì)就是在纖芯內(nèi)形成一個(gè)窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。

當(dāng)一束寬光譜光經(jīng)過(guò)光纖光柵時(shí)，滿足光纖光柵布拉格條件的波長(zhǎng)將產(chǎn)生反射，其余的波長(zhǎng)將透過(guò)光纖光柵繼續(xù)往前傳輸，利用這一特性可制造出許多性能獨(dú)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(yīng)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(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號(hào)的拓寬和峰值波長(zhǎng)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(guò)同時(shí)測(cè)量光譜位移和展寬，就可以同時(shí)測(cè)量應(yīng)變和溫度。

長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器

長(zhǎng)周期光纖光柵（ＬＰＧ）的周期一般認(rèn)為有數(shù)百微米， ＬＰＧ在特定的波長(zhǎng)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(duì)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(gè)獨(dú)立的ＬＰＧ可能在一個(gè)很寬的波長(zhǎng)范圍內(nèi)有許多的共振，ＬＰＧ共振的中心波長(zhǎng)主要取決于芯和包層的折射率差，由應(yīng)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(zhǎng)位移，通過(guò)檢測(cè)△λｉ，就可獲得外界物理量變化的信息。ＬＰＧ在給定波長(zhǎng)上的共振帶的響應(yīng)通常有不同的幅度，因而ＬＰＧ適用于多參數(shù)傳感器。

紅外傳感器

紅外技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在，已經(jīng)為大家所熟知，這種技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國(guó)防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測(cè)量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：

（1）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測(cè)量；

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

（3）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個(gè)目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；

（4）紅外測(cè)距和通信系統(tǒng)；

（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)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，紅外光的特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中max光熱效應(yīng)區(qū)。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(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對(duì)紅外輻射吸收非常大。

不同的氣體對(duì)其吸收程度各不相同，大氣層對(duì)不同波長(zhǎng)的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對(duì)于波長(zhǎng)為1——5μm、 8——14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長(zhǎng)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(duì)零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對(duì)不同的物體是各不相同的，熱能強(qiáng)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(yīng)。嚴(yán)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(wèi)星遙感遙測(cè)、紅外跟蹤等軍事和科學(xué)研究項(xiàng)目的重要理論依據(jù)。

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(duì)于任何物體都是一個(gè)常數(shù)，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(qiáng)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(gòu)成了紅外遙感的理論基礎(chǔ)。

(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(cè)定溫度的理論基礎(chǔ)。

(3)維恩位移定律（Wien''s displacement law）：隨著溫度的升高，輻射max值對(duì)應(yīng)的峰值波長(zhǎng)向短波方向移動(dòng)。

紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個(gè)典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實(shí)體分別是：

（1）待測(cè)目標(biāo)。根據(jù)待測(cè)目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系統(tǒng)的設(shè)定。

（2）大氣衰減。待測(cè)目標(biāo)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(biāo)的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當(dāng)于雷達(dá)天線，常用是物鏡。

（4）輻射調(diào)制器。對(duì)來(lái)自待測(cè)目標(biāo)的輻射調(diào)制成交變的輻射光，提供目標(biāo)方位信息，并可濾除大面積的干擾信號(hào)。又稱調(diào)制盤(pán)和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。

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

（6）探測(cè)器制冷器。由于某些探測(cè)器必須要在低溫下工作，所以相應(yīng)的系統(tǒng)必須有制冷設(shè)備。經(jīng)過(guò)制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時(shí)間，提高探測(cè)靈敏度。

（7）信號(hào)處理系統(tǒng)。將探測(cè)的信號(hào)進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號(hào)中提取出信息。然后將此類信息轉(zhuǎn)化成為所需要的格式，最后輸送到控制設(shè)備或者顯示器中。

（8）顯示設(shè)備。這是紅外設(shè)備的終端設(shè)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(tǒng)就可以完成相應(yīng)的物理量的測(cè)量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測(cè)器，按照探測(cè)的機(jī)理的不同，可以分為熱探測(cè)器和光子探測(cè)器兩大類。

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

熱探測(cè)器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測(cè)元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測(cè)器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測(cè)其中某一性能的變化，便可探測(cè)出輻射。多數(shù)情況下是通過(guò)熱電變化來(lái)探測(cè)輻射的。當(dāng)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(dāng)?shù)淖儞Q后測(cè)量相應(yīng)的電量變化。熱敏探測(cè)器對(duì)紅外輻射的響應(yīng)時(shí)間比光電探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間要長(zhǎng)得多。前者的響應(yīng)時(shí)間一般在ms以上，而后者只有ns量級(jí)。熱探測(cè)器不需要冷卻，光子探測(cè)器多數(shù)要冷卻。

紅外探測(cè)器主要技術(shù)參數(shù)有下列幾項(xiàng)：

(1)響應(yīng)率

所謂紅外探測(cè)器的響應(yīng)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(yīng)率(V/W)；U0 — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻射功率(W)。

(2) 響應(yīng)波長(zhǎng)范圍

紅外探測(cè)器的響應(yīng)率與入射輻射的波長(zhǎng)有一定的關(guān)系，熱敏紅外探測(cè)器響應(yīng)率r與波長(zhǎng)λ無(wú)關(guān)。

λP對(duì)應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP /2于對(duì)應(yīng)為截止波長(zhǎng)λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪聲等效功率又稱min可測(cè)功率。使探測(cè)器輸出的信號(hào)等于噪聲電壓或電流所需的入射信號(hào)功率，是衡量光電探測(cè)器接收弱信號(hào)能力的性能參數(shù)。該功串在探測(cè)器上產(chǎn)生的電信號(hào)等于探測(cè)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(cè)器的性能愈好。信號(hào)輻射功率小于噪聲等效功率，則探測(cè)器信號(hào)輸出小于噪聲。這就意味著探測(cè)器將無(wú)法感知目標(biāo)輻射。所以噪聲等效功率實(shí)際上就是探測(cè)器能夠探知的min目標(biāo)輻射，標(biāo)志著一個(gè)探測(cè)器的靈敏度。噪聲等效功率愈小，靈敏度愈高。NEP與探測(cè)器相應(yīng)譜段、調(diào)制頻率、工作溫度、偏置。光敏面積、張角等條件有關(guān)。

光纖陀螺儀傳感器

光纖陀螺儀是隨著光纖技術(shù)的迅速發(fā)展而出現(xiàn)的一種新型光纖旋轉(zhuǎn)傳感器。它是以光導(dǎo)纖維線圈為基礎(chǔ)的敏感元件，由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個(gè)方向沿光導(dǎo)纖維傳播。光傳播路徑的變，決定了敏感元件的角位移。陀螺儀傳感器主要由光源、探測(cè)器等有源器件和光纖耦合器、相位調(diào)制器等無(wú)源器件以及光纖組成。

光纖陀螺儀傳感器的分類方式有多種，依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類；按電信號(hào)處理方式不同可分為開(kāi)環(huán)光纖陀螺儀和閉環(huán)光纖陀螺儀；按結(jié)構(gòu)又可分為單軸光纖陀螺儀和多軸光線陀螺儀等。

陀螺儀傳感器具有質(zhì)量輕、體積下、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢(shì)，這些突出特點(diǎn)使其在航天航空、機(jī)載系統(tǒng)和軍事技術(shù)上的應(yīng)用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊(duì)的高度重視，以美、日、法為主體的陀螺儀傳感器研究工作已取得很大的進(jìn)展。

激光位移傳感器

激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸遠(yuǎn)距離測(cè)量。激光位移傳感器（磁致伸縮位移傳感器）就是利用激光的這些優(yōu)點(diǎn)制成的新型測(cè)量?jī)x表，它的出現(xiàn)，使位移測(cè)量的精度、可靠性得到大大的提高，也為非接觸位移測(cè)量提供了有效的測(cè)量方法。

激光位移傳感器因其較高的測(cè)量精度和非接觸測(cè)量特性，廣泛應(yīng)用于高校和研究機(jī)構(gòu)、汽車工業(yè)、機(jī)械制造工業(yè)、航空與軍事工業(yè)、冶金和材料工業(yè)的精密測(cè)量檢測(cè)。

激光位移傳感器可精確非接觸測(cè)量被測(cè)物體的位置、位移等變化，主要應(yīng)用于檢測(cè)物的位移、厚度、振動(dòng)、距離、直徑等幾何量的測(cè)量。

按照測(cè)量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測(cè)量法和激光回波分析法,激光三角測(cè)量法一般適用于高精度、短距離的測(cè)量，而激光回波分析法則用于遠(yuǎn)距離測(cè)量。

下面分別介紹激光位移傳感器的兩種測(cè)量原理。

激光位移傳感器的測(cè)量原理

1、激光三角法測(cè)量原理

半導(dǎo)體激光器1被鏡片2聚焦到被測(cè)物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上;信號(hào)處理器5通過(guò)三角函數(shù)計(jì)算陣列4上的光點(diǎn)位置得到距物體的距離。

激光發(fā)射器通過(guò)鏡頭將可見(jiàn)紅色激光射向物體表面，經(jīng)物體反射的激光通過(guò)接受器鏡頭，被內(nèi)部的CCD線性相機(jī)接受，根據(jù)不同的距離，CCD線性相機(jī)可以在不同的角度下“看見(jiàn)”這個(gè)光點(diǎn)。根據(jù)這個(gè)角度即知的激光和相機(jī)之間的距離，數(shù)字信號(hào)處理器就能計(jì)算出傳感器和被測(cè)物之間的距離。

同時(shí)，光束在接收元件的位置通過(guò)模擬和數(shù)字電路處理，并通過(guò)微處理器分析，計(jì)算出相應(yīng)的輸出值，并在用戶設(shè)定的模擬量窗口內(nèi)，按比例輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)信號(hào)。如果使用開(kāi)關(guān)量輸出，則在設(shè)定的窗口內(nèi)導(dǎo)通，窗口之外截止。另外，模擬量與開(kāi)關(guān)量輸出可設(shè)置獨(dú)立檢測(cè)窗口。

2、激光回波分析法測(cè)量原理

激光位移傳感器采用回波分析原理來(lái)測(cè)量距離可以達(dá)到一定程度的精度。傳感器內(nèi)部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過(guò)激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬(wàn)個(gè)脈沖到檢測(cè)物并返回至接收器，處理器計(jì)算激光脈沖遇到檢測(cè)物并返回接收器所需時(shí)間，以此計(jì)算出距離值，該輸出值是將上千次的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行的平均輸出。

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