第四章-光电式传感器课件.ppt

1、 以光电器件作为转换元件的传感器。以光电器件作为转换元件的传感器。n非接触非接触 响应快响应快 性能可靠性能可靠 用于检测直接引起光量变化的非电量用于检测直接引起光量变化的非电量 如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；用来检测能转换成光量变化的其他非电量用来检测能转换成光量变化的其他非电量 如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器通常由四部分组成，如图光电式传感器通常由四部分组成，如图.图中图中 X1

2、表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；表示被测量能直接引起光量变化的检测方式；X2 表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。表示被测量在光传播过程中调制光量的检测方式。光是电磁波谱中的一员光是电磁波谱中的一员;这些光的频率这些光的频率(波长波长)各不相同各不相同;都具有都具有反射、折射、散射、衍射、干反射、折射、散射、衍射、干涉和吸收涉和吸收等性质。等性质。由由光的粒子说光的粒子说可知，可知，光是以光速运动着的粒子光是以光速运动着的粒子(光子光子)流，一种频率流，一种频率的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量的光由能量相同的光子所组成，每个光子的能量 式中式中 h h普郎克常数，普郎

3、克常数，h=6.626h=6.626101034J34Js s结论结论:光的频率愈高光的频率愈高(即波长愈短即波长愈短)，光子的能，光子的能量愈大量愈大。h 一一.白炽光源白炽光源（Incandescence Lamp-house）二二.气体放电光源气体放电光源最常用的是钨丝灯，它的光谱线较丰富，包含可见光最常用的是钨丝灯，它的光谱线较丰富，包含可见光与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频与红外光。使用时，常加用滤色片来获得不同窄带频率的光。率的光。气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其气体放电光源光辐射的持续，不仅要维持其温度，而且有赖于气体的原子或分子的激发温度，而且有赖于气体的原

4、子或分子的激发过程。过程。三三.发光二极管发光二极管发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它具有体积发光二极管是一种电致发光的半导体器件，它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配小、功耗低、寿命长、响应快、便于与集成电路相匹配等优点，因此得到广泛应用。等优点，因此得到广泛应用。四四.激光激光（Laser）器器 激光是新颖的高亮度光，是由各类气体、固体或半导激光是新颖的高亮度光，是由各类气体、固体或半导体激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它体激光器产生的频率单纯的光。激光是相干光源，它有单色性和方向性，能量高度集中。有单色性和方向性，能量高度集中。n五、红外辐射五、红外

5、辐射 能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑能全部吸收投射到它表面的红外辐射的物体称为黑体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体体；能全部反射的物体称为镜体；能全部透过的物体称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。称为透明体；能部分反射、部分吸收的物体称为灰体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。严格地讲，在自然界中，不存在黑体、镜体与透明体。n1、热辐射体的分类、热辐射体的分类n2、热辐射的基本规律、热辐射的基本规律12345n物质分子吸收红外辐射的条件是：物质分子吸收红外辐射的条件是：分子在振动、转分子在振动、转动运动中存在着偶极矩的周期性变化，动运动中存在

6、着偶极矩的周期性变化，偶极矩周期偶极矩周期性变化的频率（即振动频率、转动频率）与外来光子性变化的频率（即振动频率、转动频率）与外来光子的频率一致。的频率一致。n六、光源特性六、光源特性 光源的辐射特性（例如白炽灯辐射为非相干的朗光源的辐射特性（例如白炽灯辐射为非相干的朗勃光源，激光器是相干光源）、光谱特性（辐射的中勃光源，激光器是相干光源）、光谱特性（辐射的中心波长心波长和谱宽和谱宽）、光电转换特性（光源的电偏置）、光电转换特性（光源的电偏置与光源幅射的光学特性之间的关系）以及光源的环境与光源幅射的光学特性之间的关系）以及光源的环境特性（热系数、长时间漂移和老化等）是光源的重要特性（热系数、长

7、时间漂移和老化等）是光源的重要参量。参量。可制作位移，振动，转速传感器传感器可制作位移，振动，转速传感器传感器。外光电效应外光电效应 内光电效应内光电效应 物质在光的作用下释放电子的现象称为物质在光的作用下释放电子的现象称为光电效应光电效应,是指物体吸收了光能后转换为该是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应。物体中某些电子的能量而产生的电效应。释放的电子称为光电子，光电子在外电释放的电子称为光电子，光电子在外电场中运动电流称为光电流。场中运动电流称为光电流。外光电效应外光电效应-External photoelectric effect外光电效应是指在光的照射下，物体内

8、的光电子逸出外光电效应是指在光的照射下，物体内的光电子逸出金属表面的现象。金属表面的现象。1887年由德国人赫兹发现。年由德国人赫兹发现。面效应面效应-surface effect 物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面形成。物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面形成。体效应体效应-bulk effect 物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面较深处形成物质在光的作用下释放光电子，光电子在金属表面较深处形成。可制作光电管、光电倍增管传感器可制作光电管、光电倍增管传感器n 根据根据爱因斯坦爱因斯坦假设假设:一个电子只能接受一个光子的能量一个电子只能接受一个光子的能量.要使一个电

9、子从物体表面逸出，要使一个电子从物体表面逸出，必须使光子能量必须使光子能量大于该物体的表面逸出功大于该物体的表面逸出功A A。各种不同的材料具有不同的逸出功各种不同的材料具有不同的逸出功A A，因此对某特定材料而言，因此对某特定材料而言，将有一个频率限将有一个频率限o(o(或波长限或波长限o)o)，称为，称为“红限红限”:红限波长红限波长可用下式求得：可用下式求得：当入射光的频率低于当入射光的频率低于oo时时(或波长大于或波长大于oo)，不论入射光，不论入射光有多强，也不能激发电子；有多强，也不能激发电子；当入射频率高于当入射频率高于oo时，时，不管它多么微弱也会使被照射的不管它多么微弱也会使

10、被照射的物体激发电子，光越强则激发出物体激发电子，光越强则激发出的电子数目越多。的电子数目越多。Ahc/0式中式中 c光速光速基于外光电效应原理工作的光电器件有基于外光电效应原理工作的光电器件有:光电管光电管 光电管种类很多，它是个装有光阴极和光电管种类很多，它是个装有光阴极和阳极的真空玻璃管阳极的真空玻璃管 ，结构如图所示。，结构如图所示。光电管受光照发射电子光电管受光照发射电子 阳极通过阳极通过RLRL与电源连接在与电源连接在管内形成电场。光电管的阴管内形成电场。光电管的阴极受到适当的照射后便发射极受到适当的照射后便发射光电子，这些光电子在电场光电子，这些光电子在电场作用下被具有一定电位的

11、阳作用下被具有一定电位的阳极吸引，在光电管内形成空极吸引，在光电管内形成空间电子流。电阻间电子流。电阻RLRL上产生的上产生的电压降正比于空间电流，其电压降正比于空间电流，其值与照射在光电管阴极上的值与照射在光电管阴极上的光成函数关系。光成函数关系。在玻璃管内除装有光电阴极和在玻璃管内除装有光电阴极和光电阳极外，尚装有若干个光电光电阳极外，尚装有若干个光电倍增极。光电倍增极上涂有在电倍增极。光电倍增极上涂有在电子轰击下能发射更多电子的材料。子轰击下能发射更多电子的材料。光电倍增极的形状及位置设光电倍增极的形状及位置设置得正好能使前一级倍增极发射置得正好能使前一级倍增极发射的电子继续轰击后一级倍

12、增极。的电子继续轰击后一级倍增极。在每个倍增极间均依次增大加速在每个倍增极间均依次增大加速电压。设每级的培增率为电压。设每级的培增率为，若，若有有n n级，则光电倍增管的光电流倍级，则光电倍增管的光电流倍增率将为增率将为nn。内光电效应内光电效应-(Internal photoelectric effect)受光照受光照物体电导率发生变化或产生光电动势的效应叫内光物体电导率发生变化或产生光电动势的效应叫内光电效应。电效应。光子能量必须大于材料的禁带宽度光子能量必须大于材料的禁带宽度EgEg才能产生才能产生内光电效应。内光电效应。内光电效应的临界波长内光电效应的临界波长o=1293/Eg(nm)

13、o=1293/Eg(nm)。通。通常纯净半导体的禁带宽度为常纯净半导体的禁带宽度为1eV1eV左右。左右。物体受到光照时，其内部原子释放的电子物体受到光照时，其内部原子释放的电子留在内部而使物体的导电性增加、电阻值留在内部而使物体的导电性增加、电阻值下降的现象称为光电导效应。下降的现象称为光电导效应。可制作光敏电阻（光电导管）传感器可制作光敏电阻（光电导管）传感器.物体（如半导体）在光的照射下能产生一物体（如半导体）在光的照射下能产生一定方向的电动势的现象称为光生伏特效应定方向的电动势的现象称为光生伏特效应可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感

14、器件传感器和半导体位置敏感器件传感器.光敏电阻中光电导作用的光敏电阻中光电导作用的强弱是用其电导的相对变强弱是用其电导的相对变化来标志的。化来标志的。为了提高光敏电阻的灵敏度，为了提高光敏电阻的灵敏度，应尽量减小电极间的距离。应尽量减小电极间的距离。对于面积较大的光敏电阻，对于面积较大的光敏电阻，通常采用光敏电阻薄膜上蒸通常采用光敏电阻薄膜上蒸镀金属形成梳状电极，镀金属形成梳状电极，光电二极管原理图光电二极管原理图 PN结可以光电导效应工作结可以光电导效应工作,也可以光生伏特也可以光生伏特效应工作。效应工作。n利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐利用辐射的热效应，通过热电变换来探测辐射射 .

15、最常用的有电阻温度效应（热敏电阻）、最常用的有电阻温度效应（热敏电阻）、温差电效应（热电偶、热电堆）和热释电效应。温差电效应（热电偶、热电堆）和热释电效应。直流工作的桥式辐射热测量探测器电路直流工作的桥式辐射热测量探测器电路 辐射热测量计电路辐射热测量计电路 热释电探测器原理电路及等效电路热释电探测器原理电路及等效电路（a a）原理电路；（）原理电路；（b b）等效电路）等效电路 光电器件的灵敏度可用此光照特性来表征，光电器件的灵敏度可用此光照特性来表征，它反映了光电器件输入光量和输出光电流之它反映了光电器件输入光量和输出光电流之间的关系。间的关系。光照特性常常用响应率光照特性常常用响应率R

16、R来表示。对于光来表示。对于光生电流器件，输出电流生电流器件，输出电流IpIp和光输出功率和光输出功率PiPi之之比，称为电流响应率比，称为电流响应率RiRi。即。即 Ri=IpRi=Ip/Pi/Pi 对于光生伏特器件，输出电压对于光生伏特器件，输出电压VpVp和光输和光输出功率出功率PiPi之比，称为电压响应率之比，称为电压响应率RvRv，即，即 Rv=VpRv=Vp/Pi/Pi光敏电阻光敏电阻 光敏二极管光敏二极管 硅光电池硅光电池 由光谱特性可知，为提高光电传感器的灵敏度，由光谱特性可知，为提高光电传感器的灵敏度，对包含光源与光电器件的传感器，应根据光电器对包含光源与光电器件的传感器，应

17、根据光电器件的光谱特性选择相匹配的光源和光电器件。对件的光谱特性选择相匹配的光源和光电器件。对于被测物体本身可以作光源的传感器，则应该按于被测物体本身可以作光源的传感器，则应该按被测物体辐射的光波波长选择光电器件。被测物体辐射的光波波长选择光电器件。光电器件的响应时间反映它的动态特性。光电器件的响应时间反映它的动态特性。响应响应时间小，表示动态特性好。时间小，表示动态特性好。对于采用调制光的光对于采用调制光的光电传感器，调制频率上限受响应时间的限制电传感器，调制频率上限受响应时间的限制。峰值探测率源出于红外探测器，后来沿用到其峰值探测率源出于红外探测器，后来沿用到其他光电器件。无光照时，器件固

18、有的散粒噪声以他光电器件。无光照时，器件固有的散粒噪声以及前置放大器输入端的热噪声使光探测器件产生及前置放大器输入端的热噪声使光探测器件产生输出输出-常常以噪声等效功率常常以噪声等效功率PnePne表示。表示。PnePne定义为：产生与器件暗电流大小相等的光定义为：产生与器件暗电流大小相等的光电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产电流的入射光量。它等于入射到光敏器件上能产生信号噪声比为生信号噪声比为1 1的辐射功率值。的辐射功率值。PnePne与光敏器件的有效光敏面积与光敏器件的有效光敏面积A A和探测系统和探测系统带宽带宽f f有关系，而且是平方律关系。因此探测器有关系，而且是平方律关系

19、。因此探测器件的性能常用峰值探测率件的性能常用峰值探测率DD表示，表示，DD值大，噪值大，噪声等效功率小，光电器件性能好。声等效功率小，光电器件性能好。在室温条件下工作的光电器件由于灵敏在室温条件下工作的光电器件由于灵敏度随温度而变化，因此高精度检测时有必要度随温度而变化，因此高精度检测时有必要进行温度补偿或者使它在恒定温度下工作。进行温度补偿或者使它在恒定温度下工作。我们可以用一定时间间隔内，电压（或电我们可以用一定时间间隔内，电压（或电流）的均方根差来表示噪声电压（或噪声电流）的均方根差来表示噪声电压（或噪声电流）。流）。22201Tnvv vv vdtT 平 均平 均 22201Tnii

20、 ii idtT 平均平均 Johnson噪声噪声;温度噪声温度噪声;噪声噪声;产生产生-复合噪声复合噪声;散弹噪声散弹噪声;1 f 噪声系数也叫噪声因素，是器件或电路对于噪声噪声系数也叫噪声因素，是器件或电路对于噪声的品质因素。的品质因素。/oiN GFN折算至输入端的等效噪声功率源噪声功率/iiooN SFNS输入端信噪比输出端信噪比 如果第一级增益高时，级联网络的噪声系统主要受第一级噪如果第一级增益高时，级联网络的噪声系统主要受第一级噪 声的影响。探测器信号放大电路的第一级通常为高增益的低噪声声的影响。探测器信号放大电路的第一级通常为高增益的低噪声 放大器，称为前置放大器，后级主放大器增

21、益较低，对低噪声放大器，称为前置放大器，后级主放大器增益较低，对低噪声 的要求也较低。的要求也较低。用于低噪声放大的晶体管有双极晶体管（BJT）、结型场效应管(JFET)和金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）。MOSFET的工作温度范围、功率和噪声特性较好，许多现代读出集成电路都是由用CMOS工艺制造的MOSFET和其他组件组成。对于探测器、放大器组件，总的均方根噪声对于探测器、放大器组件，总的均方根噪声功率是放大器噪声、探测器噪声和光子噪声功率功率是放大器噪声、探测器噪声和光子噪声功率之和：之和：1/2222det()()().outout noutout phVViViVi 1、相干检

22、测、相干检测 2、时域信号的平均处理、时域信号的平均处理 3、离散信号的计数处理、离散信号的计数处理 光位置传感器原理光位置传感器原理 器件，结构器件，结构 等效电路等效电路 读取电路框图读取电路框图 光平面位置测试器原理光平面位置测试器原理n量子阱探测器量子阱探测器(QWIP)(QWIP)：将两种半导：将两种半导体材料体材料A A和和B B用人工方法薄层交替生用人工方法薄层交替生长形成超晶格，在其界面，能带有长形成超晶格，在其界面，能带有突变。电子和空穴被限制在低势能突变。电子和空穴被限制在低势能阱阱A A层内，能量量子化，称为量子阱。层内，能量量子化，称为量子阱。利用量子阱中能级电子跃迁原

23、理可利用量子阱中能级电子跃迁原理可以做红外探测器。以做红外探测器。光磁电（光磁电（PEMPEM）效应）效应 n图像传感器是对光敏阵列元件具有图像传感器是对光敏阵列元件具有自扫描功能的摄像器件，它与传统自扫描功能的摄像器件，它与传统的电子束扫描真空摄像管相比，具的电子束扫描真空摄像管相比，具有体积小、重量轻、使用电压低有体积小、重量轻、使用电压低（20V20V）、可靠性高和不需要强光）、可靠性高和不需要强光照明等照明等优点优点。因此，在军用、工业。因此，在军用、工业控制和民用电器中均有广泛使用。控制和民用电器中均有广泛使用。n分类分类n利用电荷耦合技术组成的图像传感器称为电荷耦利用电荷耦合技术组

24、成的图像传感器称为电荷耦合图像传感器，它由成排的感光元件与电荷耦合合图像传感器，它由成排的感光元件与电荷耦合移位寄存器等构成，电荷耦合图像传感器通常可移位寄存器等构成，电荷耦合图像传感器通常可分为分为线型传感器线型传感器和和面型传感器面型传感器。转移控制栅时钟二相驱动输出寄存器检波二极管 视频输出垂直转移寄存器感光区二相驱动一种面型一种面型CCDCCD图像传感器结构图像传感器结构 CMOS CMOS的两种像素结构的两种像素结构 CMOSCMOS芯片组成框图芯片组成框图 nPIN-PDPIN-PD具有响应速度快、灵敏度高、线性较好等特点，具有响应速度快、灵敏度高、线性较好等特点，适用于光通信和光

25、测量技术。适用于光通信和光测量技术。n雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出线雪崩二极管具有很高的灵敏度和响应速度，但输出线性较差，故它特别适用于光通信中脉冲编码的工作方性较差，故它特别适用于光通信中脉冲编码的工作方式。式。APDAPD的结构原理的结构原理nnfdxnnn fn fd dxx 这就是衍射测试方法的基本原理，上面两式这就是衍射测试方法的基本原理，上面两式即即为衍射计量的基本公式。为衍射计量的基本公式。n光的全反射光的全反射现象是光纤现象是光纤传光原理的传光原理的基础。基础。n根据几何光学原理，当光线以较根据几何光学原理，当光线以较小入射角小入射角1 1由光密介质由光密介质1

26、 1射向光射向光疏介质疏介质2(n2(n1 1n n2 2)时时(见图见图9.2)9.2)，一部分入射光以折射角一部分入射光以折射角2 2折射折射入介质入介质2 2，其余部分仍以，其余部分仍以1 1反射反射回介质回介质1 1。n依据光折射和反射的斯涅尔依据光折射和反射的斯涅尔(Snell)(Snell)定律，有：定律，有：2211sinsinnn当当 1 1角 逐 渐 增 大 直 至角 逐 渐 增 大 直 至1 1=c=c时，透射入介质时，透射入介质2 2的的折射光也逐渐折向界面，折射光也逐渐折向界面，直至沿界面传播直至沿界面传播(2 2=90=90)。对应于对应于2 2=90=90时的入射角

27、时的入射角1 1称为临界角称为临界角cc；由上式；由上式有有12sinnnc因此，当因此，当1 1cc时，光线将不再折射入介质时，光线将不再折射入介质2 2，而在介质，而在介质(纤芯纤芯)内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的内产生连续向前的全反射，直至由终端面射出。这就是光纤传光的工作基础。工作基础。9.1 9.1 光纤传感器基础光纤传感器基础 光线由折射率为光线由折射率为n n0 0的外界介质的外界介质(空气空气n n0 0=1)=1)射入纤芯时实现全反射射入纤芯时实现全反射的临界角的临界角(始端最大入射角始端最大入射角)NAnnnc2221001sinNANA定义为定

28、义为“数值孔径数值孔径”，是衡，是衡量光纤集光性能的主要参数。量光纤集光性能的主要参数。它表示：无论光源发射功率多它表示：无论光源发射功率多大，只有大，只有22c0c0张角内的光，张角内的光，才能被光纤接收、传播才能被光纤接收、传播(全反全反射射)；NANA愈大，光纤集光能力愈大，光纤集光能力愈强。愈强。2c0 空气n0 纤芯n1 包层n2 信号通过光纤时信号通过光纤时的主要特性的主要特性损耗损耗色散色散n设光纤入射端与出射端的光功率分别为设光纤入射端与出射端的光功率分别为P Pi i和和P Po o，光纤长度为，光纤长度为L(kmL(km)。则。则光纤的损耗光纤的损耗 a（dB/km)dB/

29、km)可用下式计算：可用下式计算：oiPPLalg10n引起光纤损耗的因素可归结为引起光纤损耗的因素可归结为吸收损耗吸收损耗和和散射损散射损耗耗两类。两类。物质的吸收作用使传输的光能变成热能，造成光物质的吸收作用使传输的光能变成热能，造成光功能的损失。功能的损失。散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几散射损耗是由于光纤的材料及其不均匀性或其几何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料何尺寸的缺陷引起的。如瑞利散射就是由于材料的缺陷引起折射率随机性变化所致。的缺陷引起折射率随机性变化所致。光导纤维的弯曲也会造成散射损耗。光导纤维的弯曲也会造成散射损耗。9.1 9.1 光纤传感器基础光纤传感器

30、基础n光纤的色散是表征光纤传输特征的一个重要参数，它反映传输带宽，光纤的色散是表征光纤传输特征的一个重要参数，它反映传输带宽，关系到通讯信息的容量和品质。关系到通讯信息的容量和品质。n光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不光纤的色散就是输入脉冲在光纤传输过程中，由于光波的群速度不同而出现的同而出现的脉冲展宽现象脉冲展宽现象。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，。光纤色散使传输的信号脉冲发生畸变，从而限制了光纤的传输带宽。从而限制了光纤的传输带宽。n光纤色散分三种：光纤色散分三种：材料色散、波导色散、材料色散、波导色散、多模色散多模色散 材料色散材料色散 材料的折射率随光波长材

31、料的折射率随光波长的变化而变化，这使光信号中的变化而变化，这使光信号中各波长分量的光的群速度各波长分量的光的群速度c cg g不同，故又称折射率色散。不同，故又称折射率色散。波导色散波导色散 由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数由于波导结构不同，某一波导模式的传播常数随着信随着信号角频率号角频率变化而引起色散，有时也称为结构色散。变化而引起色散，有时也称为结构色散。多模色散多模色散 在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常在多模光纤中，由于各个模式在同一角频率下的传播常数不同、群速度不同而产生的色散。数不同、群速度不同而产生的色散。光纤传光纤传感器一感器一般分为般分为两大类两大类1

32、、功能型传感器、功能型传感器2、非功能传感器、非功能传感器又称又称FFFF型光纤传感器，利用光纤本身特性，型光纤传感器，利用光纤本身特性，把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光把光纤作为敏感元件，所以又称传感型光纤传感器。纤传感器。又称又称NFNF型光纤传感器，利用其他敏感元型光纤传感器，利用其他敏感元件感受被测量的变化，光纤仅作为光的件感受被测量的变化，光纤仅作为光的传输介质，用以传输来自远处或难以接传输介质，用以传输来自远处或难以接近场所的光信号，所以也称传光型光纤近场所的光信号，所以也称传光型光纤传感器。传感器。微弯损耗强度调制器的原理如微弯损耗强度调制器的原理如图。当垂直于光纤轴线的应力

33、图。当垂直于光纤轴线的应力使光纤发生弯曲时，传输光有使光纤发生弯曲时，传输光有一部分会泄漏到包层中去。一部分会泄漏到包层中去。外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。外调制技术的调制环节通常在光纤外部，因而光纤本身只起传光作用。这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是这里光纤分为两部分：发送光纤和接收光纤。两种常用的调制器是反反射器射器和和遮光屏遮光屏。利用折射不同进利用折射不同进行光强度调制的原理行光强度调制的原理包括：包括：利用被测物利用被测物理量引起传感材料折理量引起传感材料折射率的变化；射率的变化；利用利用渐逝场耦合；渐逝场耦合；利用利用折射率不

34、同的介质之折射率不同的介质之间的折射与反射。间的折射与反射。如图所示，当压如图所示，当压电晶体受光照射并电晶体受光照射并在其正交方向上加在其正交方向上加以高电压，晶体将以高电压，晶体将呈现双折射现象呈现双折射现象普克耳效应。在普克耳效应。在晶体中，两正交的晶体中，两正交的偏振光的相位变化：偏振光的相位变化：平面偏振光通过平面偏振光通过带磁性的物体时，带磁性的物体时，其偏振光面发生其偏振光面发生偏转，这种现象偏转，这种现象称为法拉第磁光称为法拉第磁光效应，光矢量旋效应，光矢量旋转角：转角：9.2 9.2 光调制与解调技术光调制与解调技术在垂直于光波传播方在垂直于光波传播方向施加应力，材料将向施加

35、应力，材料将产生双折射现象，其产生双折射现象，其强弱正比于应力。这强弱正比于应力。这种现象称为光弹效应。种现象称为光弹效应。偏振光的相位变化偏振光的相位变化：渥拉斯顿棱镜渥拉斯顿棱镜偏振矢量示意图偏振矢量示意图偏振矢量示意图偏振矢量示意图（a a）迈克尔逊干涉仪；（）迈克尔逊干涉仪；（b b）马赫）马赫-泽德尔干涉仪泽德尔干涉仪（c c）赛格纳克干涉仪；（）赛格纳克干涉仪；（d d）法布里）法布里-伯罗干涉仪伯罗干涉仪图图 光电传感器的工作方式光电传感器的工作方式 反射式光电传感器示意图反射式光电传感器示意图(a)(a)为正反射接收型，用于检测浅小的缺陷，灵敏度为正反射接收型，用于检测浅小的缺

36、陷，灵敏度较高；较高；(b)(b)为非正反射接收型，用于检测较大的几何缺陷；为非正反射接收型，用于检测较大的几何缺陷；(c)(c)是利用是利用反射法测量工件尺寸或表面位置反射法测量工件尺寸或表面位置的示意图的示意图 这种传感器将被测对象这种传感器将被测对象作为光闸，作为光闸，主要用于测小孔、狭缝、主要用于测小孔、狭缝、细丝直径等。细丝直径等。图图(a)表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反表示转轴上涂黑白两种颜色的工作方式。当电机转动时，反光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉经光与不反光交替出现，光电元件间断地接收反射光信号，输出电脉经放大整形电路转换成方波

37、信号，由数字频率计测得电机的转速。放大整形电路转换成方波信号，由数字频率计测得电机的转速。图图(b)为电机轴上固装一齿数为为电机轴上固装一齿数为z的调制盘的工作方式。其工作原的调制盘的工作方式。其工作原理与图理与图(a)相同。若频率计的计数频率为相同。若频率计的计数频率为f，由下式，由下式 即可测得转轴转速即可测得转轴转速n(r/min)。螺纹圆柱型螺纹圆柱型 方形方形圆柱型系列圆柱型系列槽形槽形螺纹圆柱型螺纹圆柱型 方形方形圆柱型系列圆柱型系列槽形槽形尺寸测量的基本原理尺寸测量的基本原理 外径检测系统外径检测系统 激光位移干涉仪通常采用经典的迈克尔逊干涉仪结激光位移干涉仪通常采用经典的迈克尔

38、逊干涉仪结构，光源的相干性和亮度均较好构，光源的相干性和亮度均较好.在实际测量中，通常将一个反射镜固定不动，另一在实际测量中，通常将一个反射镜固定不动，另一反射镜与被测件相连，当被测件沿测量臂光束方向移动反射镜与被测件相连，当被测件沿测量臂光束方向移动时，即可出现干涉条纹的移动。干涉条纹移动时，即可出现干涉条纹的移动。干涉条纹移动N N条时，位条时，位移为移为nNNL220采用角隅棱镜的光路采用角隅棱镜的光路 双频激光外差干涉仪光路双频激光外差干涉仪光路 间隙计量法间隙计量法 根据巴俾涅原理，互补的衍射屏产生的夫朗和费衍射图样是根据巴俾涅原理，互补的衍射屏产生的夫朗和费衍射图样是相同的，因此，

39、如果用细丝或薄带代替相同的，因此，如果用细丝或薄带代替间隙，可以得到与单缝相间隙，可以得到与单缝相同的夫朗和费衍射图样，测量出衍射暗纹位置，就可以计算出细同的夫朗和费衍射图样，测量出衍射暗纹位置，就可以计算出细丝直径或薄带宽度。丝直径或薄带宽度。参考光束型光路参考光束型光路 参考光与信号光之间的频差参考光与信号光之间的频差:2sin2vn激光多普勒测速方向的判断激光多普勒测速方向的判断 移相法判断速度方向的光路移相法判断速度方向的光路 频率速度关系频率速度关系 n光纤角速度传感器又名光纤陀螺，其理论测量精度远光纤角速度传感器又名光纤陀螺，其理论测量精度远高于机械和激光陀螺仪，它以塞格纳克效应为

40、其物理高于机械和激光陀螺仪，它以塞格纳克效应为其物理基础。对于基础。对于N N匝光纤，塞格纳克相移为匝光纤，塞格纳克相移为cNA042n转速测量的误差是由光散粒噪声决定的，输出光电流转速测量的误差是由光散粒噪声决定的，输出光电流可参考激光多普勒光外差公式计算。图可参考激光多普勒光外差公式计算。图4-724-72所示为光所示为光电流与相移分强度噪声电流与相移分强度噪声iNiN与相移误差却的关系，光散与相移误差却的关系，光散粒噪声可按下列公式计算粒噪声可按下列公式计算BqiiDN2Di 光电探测器电流与相移的关系光电探测器电流与相移的关系 Di 光电探测器电流与相移的关系光电探测器电流与相移的关系

41、 偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图偏振态调制型光纤电流传感器测试原理图n受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振受磁场作用的光束由光纤出端经显微物镜耦合到偏振棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分棱镜，并分解成振动方向相互垂直的两束偏振光，分别进入光探测器，再经信号处理后输出信号别进入光探测器，再经信号处理后输出信号VNIRVlIIIIIP22sin2121n 全光纤结构电流传感器全光纤结构电流传感器n 分布式光纤光栅传感器网分布式光纤光栅传感器网 n 布拉格光纤光栅的基本原理布拉格光纤光栅的基本原理n解调技术主要有以下几种类型：滤波法、光谱编码解调技术主要有以下几种类型：滤

42、波法、光谱编码/比例解调法、比例解调法、干涉法、可调光纤法布里干涉法、可调光纤法布里-珀罗腔法，这里只简单介绍可调光纤珀罗腔法，这里只简单介绍可调光纤法布里法布里-珀罗腔法。珀罗腔法。n 利用可调谐利用可调谐FabryFabry-Perot-Perot腔对腔对FBGFBG波长进行解调的方案波长进行解调的方案 n 光纤光栅结构、制作过程示意图光纤光栅结构、制作过程示意图n 分布式光纤光栅传感器网分布式光纤光栅传感器网 机器人视觉传感系统机器人视觉传感系统n 照明方式照明方式（a a）漫射方式；（）漫射方式；（b b）背光照明方式；（）背光照明方式；（c c）结构光方式；（）结构光方式；（d d）

43、定向照射方式）定向照射方式n图像的滤波与平滑图像的滤波与平滑 滤波与平滑是为了减少因采样、量化、传送以及干扰等引起的噪滤波与平滑是为了减少因采样、量化、传送以及干扰等引起的噪声和畸变，常用的方法有邻域平均法、中值滤波法和图像平均法等。声和畸变，常用的方法有邻域平均法、中值滤波法和图像平均法等。n图像的边缘检测图像的边缘检测 视觉所感知的对象或物体的边缘通常是视觉图像中明暗变化显著视觉所感知的对象或物体的边缘通常是视觉图像中明暗变化显著的点，特别是当对象物为多面体时，明暗变化显著的点往往与构成棱的点，特别是当对象物为多面体时，明暗变化显著的点往往与构成棱边的各点相对应。对图像进行微分运算，并在计

44、算结果中选出其中大边的各点相对应。对图像进行微分运算，并在计算结果中选出其中大于阈值以上的点，就可求出明暗变化的交界点。于阈值以上的点，就可求出明暗变化的交界点。n对象物边界的描述对象物边界的描述常见的有常见的有链码法、特征图法、矢量图法、链码法、特征图法、矢量图法、多边形逼近法、形状数法、分形维数法等；对象物区域的多边形逼近法、形状数法、分形维数法等；对象物区域的描述有纹理描述法、构架描述法、矩描述法等。描述有纹理描述法、构架描述法、矩描述法等。n为了提供识别图像的手段，通常可将图像的一些典型特征为了提供识别图像的手段，通常可将图像的一些典型特征提取出来加以辨别和比较。常作为特征量的有图像的面积、提取出来加以辨别和比较。常作为特征量的有图像的面积、周长、最小封闭矩形、面积中心、最小半径矢量（宽度和周长、最小封闭矩形、面积中心、最小半径矢量（宽度和方向）、最大半径矢量（长度和方向），图像中的空数方向）、最大半径矢量（长度和方向），图像中的空数（尺寸及位置）、分形维数等。（尺寸及位置）、分形维数等。机器人视觉传感器的应用（机器人视觉传感器的应用（ConsighConsigh系统）系统）