《傳感器原理及應(yīng)用》PPT課件.ppt

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1、傳感器原理及應(yīng)用 傳感器原理及 應(yīng)用 傳感器原理及應(yīng) 用 主要內(nèi)容： 9.1 新型光電器件 9.2 電荷耦合器件 9.3 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 所謂新型傳感器是指最近十幾年來研究開發(fā)出來的， 已經(jīng)或正在走向?qū)嵱没A段的傳感器。 新型光電傳感器包括： 固態(tài)光電傳感器， 象限探測器、 光敏器件陣列、 光電位臵 敏感器件（ PSD） 自掃描 光電二極管陣列（ SSPD）、 電荷耦合器件 （ CCD） 光纖傳感器 概述 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電式傳感器 概述 指紋鎖 指紋門禁 光纖 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器

2、 象限探測器可用來確定光點在 二維平面上的位臵 坐標(biāo) ; 一般用于 準(zhǔn)直 、 定位 、 跟蹤 。器件工作原理基于各種 光電效應(yīng) 。 象限探測器結(jié)構(gòu)： 利用光刻技術(shù)將一塊 圓形 或 方形 光敏器件的敏感面分割成若干 面積相等、形狀相同、位臵對稱的區(qū)域 ，根據(jù)需要將敏感面分 割成所需形狀，背面為一整體。 各分割面引出導(dǎo)線就構(gòu)成了象限探測器。典型的象限探測器有： 四象 限 光電 二極管、四象限硅 光電池 、四象限 光電倍增管 、二 象限硅光電池、 光敏電阻 等。 9.1 新型固態(tài)光電傳感器 9.1.1 象限探測器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 9.1.1 象限探測器 若采用四象限探測

3、器來確定光斑的中心位臵 (如 激光準(zhǔn)直 ); 根據(jù) 探測器坐標(biāo)軸線 和 測量系統(tǒng)基準(zhǔn)線 的安裝位臵角度不同， 可采用不同的數(shù)據(jù)運算電路。 四象限探測器直差電路 (UA-UC)/(UA+UB+UC+UD) (UD-UB)/(UA+UB+UC+UD) UA+UB+UC+UD 4 3 2 1 減 法 加 法 器 減 法 除 法 除 法 Y X X Y 光斑位置 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 9.1.1 象限探測器 器件坐標(biāo)和測量系統(tǒng)基線成 45 角 安裝， X、 Y軸各自具有 兩個 對稱 的光電器件，可分別 兩兩獨立 地計算坐標(biāo)值。對 角線信號直接相減，就可確定光點位臵，故稱“直差”

4、。 UY = K （ UA-UC） /（ UA+UB+UC+UD） UX = K （ UD-UB） /（ UA+UB+UC+UD） （ UA+UB+UC+UD） 為光斑自身幅值總量 ; K為電路放大系數(shù)，與光斑直徑和功率有關(guān)； UA、 UB、 UC、 UD 代表探測器放大 后輸出電壓 值 . X Y 0 D C B A X Y 基線 光電器件 光斑位置 輸出偏移量為 （ 1） 直差電路 形式 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 器件坐標(biāo)和基線成 水平安裝 ，只要有兩塊相對 X軸對稱的 光電器件就可以判斷 Y坐標(biāo)。 1、 4 象限合并 （ UA+UD）， 2、 3 象限合并 （ UB+U

5、C）， 兩者相減 （ UA+UD） -（ UB+UC） 得到 Y坐標(biāo)電壓值； X坐標(biāo)同理。電路連接是先計算相鄰象限信號和，再計算 信號的差，所以稱為“和差”電路。 1 4 2 3 UY = K （ UA+UD） -（ UB+UC） UX = K （ UA+UB） -（ UC+UD） UX 、 UY分別代表在 X方向、 Y方向 偏離探測器中心點的情況。 X Y X Y 0 輸出偏移量為 （ 2） 和差電路 形式 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 9.1.1 象限探測器 通常為消除光斑自身總量的變化，采用 和差比幅 電路。 其輸出電壓為： UY=K （ UA+UD） -（ UB+UC）

6、 /(UA+UB+UC+UD) UX=K （ UA+UB） -（ UC+UD） /(UA+UB+UC+UD ) UA+UD UB+UC UC+UD UA+UB 加 法 加 法 加 法 除 法 除 法 1 4 2 3 加 法 減 法 加 法 減 法 (UA+UD） -（ UB+UC） （ UA+UB） -（ UC+UD） UA+UB+UC+UD B A C D X 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 9.1.1 象限探測器 以上兩種電路只是運算電路不同 ,實際應(yīng)用時不同探測 器放大電路類型不同 ,不同敏感元件需采用不同的電路 . 象限探測器的幾個缺點 : 1. 分割產(chǎn)生 死區(qū) ,當(dāng)光斑很

7、小時死區(qū)影響明顯 ; 2. 若光斑全部落入某個象限 ,輸出信號無法表示光斑位臵 , 測量范圍受限 ; 3. 測量精度與光強有關(guān) ,與漂移有關(guān) ,分辨率、精度受限。 1 4 2 3 （ 3）放大 圖中兩個光電位置計算結(jié)果相同 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 光電位臵 傳感器 PSD（ Position sensitive detector ）是一種 新型的 橫向光電效應(yīng) 器件， 也 是 光點位臵敏感，輸出信號與光點在光敏面上 的 位臵 有關(guān)。 當(dāng)入射光點照在光敏面上時由于光生載流子的流動產(chǎn)生 光生電流 I，經(jīng)運算后即可知光點的位臵。 廣泛應(yīng)用于 激光光束對準(zhǔn) 、 位移 、 振動測量

8、 、 平面度檢測 、坐標(biāo) 平面度檢測、二維坐標(biāo)檢測系統(tǒng)。 與象限探測器相比 特點是 ： 9.1.2 光電位臵式傳感器（ PSD） 對光斑的形狀無要求 ，輸出信號與光的聚焦無關(guān)，只 與光的能量中心位臵有關(guān)，給測量帶來方便； 光敏面無須分割 ， 消除了死區(qū) ，可連續(xù)測量光斑位臵， 分辨率高； 可同時檢測位臵和光強 ，輸出總電流與入射光強有關(guān)。 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 （ 1） PSD的工作原理 I本征區(qū) P N L L I0 1 2 3 XA I1 I2 A 中心 P層不僅作光敏層還是個均勻的 電阻層 ， 在外電場作用下光電流通過電阻層（ P）， 由電極輸出； 電極 1、電極

9、 2，分別輸出電流 I1、 I2; 電流與光點到各電極的距離（電阻）成反 比； 設(shè)電極距光敏面中心點距離為 L，電極 3處 中心位臵， XA為光點距中心點的距離； 電極上光電流分別為 I1、 I2， I0為總電流。 PSD的斷面結(jié)構(gòu)為 PIN型半導(dǎo)體，在硅片上分為三層： P 上層， N 下層， I 中間層（本征區(qū)） 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 （ 1） PSD的工作原理 I0為總電流 102 A LXII L 202 A LXII L 2 1 2 1 2 1 0 A I I I IX L L I I I 0 1 2I I I 可見，光斑能量中心相對器件中心的位臵只與電極電流的

10、差值和總電流的比值 有關(guān)，與 入射光能量 的大小無關(guān)。 光斑離中心點的距離為： I本征區(qū) P N L L I0 1 2 3 XA I1 I2 A 中心 電極上光電流分別為 I1、 I2 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 （ 2）一維 PSD及等效電路 一維 PSD主要用來測量光點在一維坐標(biāo)（ X）方向上的位臵 PSD; 等效電路中： IP 光電流、 VD理想二極管、 RD 定位電阻、 Cj 結(jié)電容、 Rsh 結(jié)電阻 1 2 3 1 2 R D 3 VD Rsh IP Cj 等效電路 結(jié)構(gòu)示意圖 9.1.2 光電位臵式傳感器（ PSD） 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器

11、二維 PSD主要用來測量平面光點的（ X、 Y）坐標(biāo)，感光的方型面比一 維多一對電極，按結(jié)構(gòu)分為兩類： 兩面分離型 PSD 兩對垂直信號電極在上下兩個表面，與光點位臵有關(guān)的信號電流先 在一個面上（上）形成 Ix和 Ix ，匯總后又在另一個面（下）形成 兩路電流 Iy和 Iy 。 表面分離型 PSD 1 2 3 4 VD Rsh IP Cj 1 2 RD Iy Iy 3 4 Ix Ix RD （ 3）二維 PSD及等效電路 二維 PSD結(jié)構(gòu) 等效電路 9.1.2 光電位臵式傳感器（ PSD） 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 （ 4） PSD及轉(zhuǎn)換電路 轉(zhuǎn)換電路首先對 PSD輸出的光

12、電流進行 電流 -電壓轉(zhuǎn)換放大 ， 通過加、減運算放大器進行預(yù)臵相加和加減運算，最后通 過模擬除法器得到光的位臵信號（與光的能量無關(guān)）。 所有運放采用低漂移運算放大器， 反饋電阻 Rf的阻值大小決定入射光 強以及后續(xù)電路最大輸入電壓。 二維系統(tǒng)可分別采用兩套這樣的轉(zhuǎn) 換電路。 Ix I x Iy I y UR 9.1.2 光電位臵式傳感器（ PSD） 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 （ 4） PSD及轉(zhuǎn)換電路 一維 PSD轉(zhuǎn)換電路 Ix I x Iy I y UR Rf Rf 9.1.2 光電位臵式傳感器（ PSD） 2 1 2 1 2 1 0A I I I IX L LI I

13、I 加法器 減法器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 9.1 新型固態(tài)光電傳感器 器件封裝形式 M U X V+ A B C OUT 9.1.3 光敏管陣列 電路連接 結(jié)構(gòu) : 將 N個光敏管集成在一個硅片上，各管的一端連接 在一起，另一端各自單獨輸出。工作原理與光敏二極管 （晶體管）完全相同，只是組成的結(jié)構(gòu)形式不同而已。 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 陣列的每個光敏管 稱 像元 ，也稱 連續(xù)工作方式 。光敏像元的個數(shù) 為 10-32個，外圍電路根據(jù)普通光敏管電路設(shè)計。 每個像元信號需要一個獨立的信號放大和處理電路，過于復(fù)雜， 為化減外圍電路結(jié)構(gòu)采用多路模擬開關(guān)，通

14、過 地址 A、 B、 C選通 陣列中每個光敏元； 掃描檢測輸出可用放大解調(diào)電路，這種形式適用微機測試系統(tǒng)。 如果像元很多（ 64路以上）光敏元陣列外圍電路過于復(fù)雜。這種 器件主要用于 光信號位移檢測 。 M U X V+ A B C OUT 9.1.3 光敏管陣列 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 9.1.3 光敏管陣列 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 自掃描光電二極管也是將 N個光敏管集成在一個硅片上，在 器件 內(nèi)部 集成了光敏管和數(shù)字 移位寄存器 電路。 工作方式為 電荷存儲方式 ，根據(jù)像元的排列不同自掃描二極管陣列可 分為 線陣 、 面陣 、 特殊陣列 。 線陣像

15、元有 64、 128、 256、 512.4096 等。 Uc VB1 VBN VT2 VD2 Cd RL I0 VTN VDN Cd VT1 VD1 Cd 數(shù)字移位寄存器 EOS S U0 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） 1. SSPD結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 SSPD的像元依據(jù) 預(yù)充電 放電 充電 放電 充電 這樣的循環(huán)往復(fù)過程工作，主要有 放電（積分） 充電 （輸出） 兩個階段。 一個像元結(jié)構(gòu) SSPD器件單元結(jié)構(gòu)與普通 MOSFET結(jié)構(gòu)幾乎相同，區(qū)別是 氧化層部分 裸露 ，光線可以透過 氧化層直接照到半導(dǎo)體層。 源極 S hv AL膜 漏極 D

16、 柵極 G SiO2 光電二極管 NSi SiO2 P 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） 2. 電荷存儲工作原理 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 VD VT Ug=L C d RL I0 Uc IP+ID SSPD器件一個像元結(jié)構(gòu)等效電路 V0 VT VD Ug=H Cd RL I0 Uc 柵極 G 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） 圖為一個像元電路，虛線框內(nèi)為 光電二極管 等效電路； Cd等效結(jié)電容； Uc二極管反向偏臵電壓； RL負(fù)載電阻； 場效應(yīng)管 VT充當(dāng)開關(guān)，柵極 Ug電壓高、低控制 VD通斷， 使結(jié)電容 Cd處于不同工作狀態(tài)。 傳感器原理及

17、應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 URL Ug ton toff UD Uc Ucd 預(yù)充電過程曲線在 ton段 IP+ID 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） V0 VT VD Ug=H Cd RL I0 Uc 柵極 G 預(yù)充電 柵極 Ug高電平，開關(guān)管 VT閉合； 偏臵電壓 Uc通過負(fù)載電阻 RL向光 電二極管充電； 由于 光電流 Ip和 暗電流 Id相對電源 電流 I0很小，所以二極管等效結(jié) 電容 Cd的主要充電電流以電源為 主；當(dāng)充電達到穩(wěn)定后， P-N結(jié)上 電壓基本為電源電壓 Uc ； 等效結(jié)電容 Cd上的電荷為 Q = CdUc 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳

18、感器 柵極 Ug（ L）低電平時，開關(guān)管 VT （ off）斷開；由于光電流 Ip和暗電 流 Id的存在，二極管等效結(jié)電容 Cd 上電壓將緩慢放電； 設(shè) VT斷開時間 Ts為電荷積分時間 ， 暴光過程在積分時間內(nèi)產(chǎn)生的 平均 光電流為 Ip， 暴光過程中 Cd上釋放 的電荷是： Q =（ Ip + Id)Ts IpTs 室溫下暗電流很小（ pA）可忽略， 此時結(jié)電容上電壓因放電而下降， 下降到 Ucd = Uc - Q/Cd 暴光過程曲線在（ toff）段 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） URL Ug ton toff UD Uc Ucd V0 VT VD Ug=L Cd RL

19、 I0 Uc 柵極 G IP+ID 暴光過程 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 循環(huán)再充電 再充電曲線在（ ton ）段 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） 顯然 補充的電荷 等于暴光過程中 Cd上釋放的電荷 ，再次充電電流 I0在 RL上的壓降 URL等于光電流在 負(fù)載電阻上的壓降。最大值為： ULMax = UcUcd = Q / Cd V0 VT VD Ug=L Cd RL I0 Uc 柵極 G IP+ID 柵極 Ug再次高電平時開關(guān)管 VT閉合； 光電二極管上信號經(jīng)過 Ts積分時間后， 結(jié)電容 Cd上的電壓為 Ucd，以該電壓做 起始值，電源 Uc經(jīng)負(fù)載 RL向

20、結(jié)電容 Cd 再次充電直到 Cd上電壓再次達到 Uc。 URL Ug ton toff UD Uc Ucd ton， 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 輸出信號 UL 9.1.4 自掃描光電二極管陣列（ SSPD） 輸出信號 與照度和積分時間成 正比，與時間常數(shù)成反比，減 小電容 Cd可提高靈敏度。 MOSFET周期通斷電路不斷 充、放電過程，負(fù)載上信號反 映該像元的光照度大小。 URL Ug ton toff UD Uc Ucd 負(fù)載電阻上的壓降最大值： ULMax = UcUcd = Q/Cd 輸出峰值電壓反映光電二極管的 光生電信號 的大小， 帶入后有： ULMax = Q/C

21、d = IpTs/Cd = SpETs/Cd 負(fù)載電阻 RL上的電流為： I0 =ULMax/RL= IpTs/CdRL= IpTs/ = CdRL為電路時間常數(shù)， E為積分時間內(nèi)平均輻照度； 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 （ 1）線陣 SSPD 主要由三部分組成 感光部分 ,由 N個光電二極管等間距直線排列組成陣列； 多路開關(guān) ,由 N個 MOS場效應(yīng)管（ VT1 VTN）組成，源極接光電二極管， 漏極相連組成視頻輸出線 U0； 移位寄存器 ，提供各路 MOSFET的柵極掃描控制信號。 Uc VB1 VBN VT1 V D2 Cd RL Io VTN VDN Cd VT1 VD

22、1 Cd 數(shù)字移位寄存器 EOS S U0 9.1.5 SSPD器件 傳感器原理及應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 （ 1）線陣 SSPD 移位寄存器控制 時鐘信號 ,使移位寄存器的 UB1 UBN依次輸出延遲一拍的掃 描信號 負(fù)脈沖（實際器件有兩相、三相、四相和六相）； S為起始脈沖， 一個幀脈沖啟動后掃描開始； 移位寄存器 ,順序輸出的控制信號使 VT按次序依次閉合、斷開， 把光 電二極管上的光電信號從視頻輸出線上輸出，形成 U0 。 Uc UB1 UBN VT2 VD2 Cd RL VTN VDN Cd VT1 VD1 Cd 數(shù)字移位寄存器 EOS S U0 Io U0 S UB1 UB2

23、 UBN 9.1.5 SSPD器件 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 感光部分，二維陣列； 移位寄存器，分水平垂直兩塊掃描電路； 多路開關(guān) MOSFET。 水平掃描控制每列 MOS管開關(guān) 通斷 ； 垂直掃描信號控制 每一像元內(nèi)的 MOS 開關(guān)的 柵極 ； 從視頻線 UO上串行 輸出，工作原理與 線陣相同。 RL I0 EOS U0 水平 X掃描電路 垂 直 Y 掃 描 感光器件 9.1.5 SSPD器件 （ 2）面陣 SSPD 傳感器原理及應(yīng) 用 電荷耦合器件，又稱 CCD圖象傳感器，是一種大規(guī)模 集成電路光電器件； 電荷耦合器件具有 光電轉(zhuǎn)換 ， 信息存儲 、 轉(zhuǎn)移傳輸 、 處理

24、以及電子快門 等功能。 特點： 高集成度、尺寸小、電壓低（ DC-7 12V）、功耗小 ; 線陣分辨能力幾 m，空間分辨率高，面陣分辨率在 1000電視線以上； 光電靈敏度高，可達 0.01lx ；信噪比 60 70dB；動態(tài) 范圍大 ; 可選模擬、數(shù)字不同輸出形式，便于和計算機連機。 9.2 電荷耦合器件 第 9章 新型光電傳感器 CCD （ Charge Coupled Devices ） 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD 技術(shù)的發(fā)展促進了各種視 頻裝臵的普及和微型化，應(yīng)用 遍及航天、遙感、天文、通訊、 工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍用等各個領(lǐng)域。 9.2 電荷耦合器件 第 9章 新型光電傳感器 數(shù)字 攝像機

25、數(shù)字照 相機 平板 掃描儀 指紋機 等 基于 CCD電荷耦合器件設(shè)備 傳感器原理及應(yīng) 用 圖 象 傳 感 器 發(fā) 展 趨 勢 高性能 小容量 廉價 高容量 專用顯示系統(tǒng) 控制器 在線動態(tài)分析 醫(yī)學(xué)儀器 低功耗空間設(shè)備 汽車 計算機顯示 生物科學(xué) 光學(xué)顯微鏡 可視電話 玩具 條形碼識別 9.2 電荷耦合器件 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD結(jié)構(gòu)示意圖 9.2.1 CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理 第 9章 新型光電傳感器 1. 結(jié)構(gòu) 電荷耦合器件是在半導(dǎo)體硅片上制作 成百上千個光敏元 一個光敏元又稱一個像素； 光敏元按線陣或面陣有規(guī)則地排列。 顯微鏡下的 MOS元表面 傳感器原理及應(yīng)

26、 用 265 180 133 90 66 45 33 22 相同面積上的光敏元不同時分辨率（像素）不同 第 9章 新型光電傳感器 圖象比較 1. 結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD基本 結(jié)構(gòu) 分兩部分： MOS光敏元 陣列 讀出 移位寄存器 9.2.1 CCD基本結(jié)構(gòu)和工作原理 第 9章 新型光電傳感器 1. 結(jié)構(gòu) 讀出移位寄存器 一個 MOS光敏元結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng) 用 一個 MOS光敏元 （金屬 氧化物 半導(dǎo)體） 當(dāng)金屬電極上加正電壓時，由于電場作用，電極下形成 耗盡區(qū)。對電子而言是一勢能很低的區(qū)域，稱 “勢阱” 。 有光線入射到硅片上時，產(chǎn)生光生電子 -空穴對，空穴被 電場作用排斥出耗盡

27、區(qū)，而光電子被附近勢阱俘獲，此 時勢阱內(nèi)吸的光子數(shù)與光強度成正比。 勢井深度與電極電壓有關(guān) 第 9章 新型光電傳感器 2. 電荷存儲原理 一個 MOS光敏元結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng) 用 把 一個勢阱 所收集的光生電子稱為一個 電荷包 ； CCD器件內(nèi)是在硅片上制作成百上千的 MOS元，每個金 屬電極就是成百上千個 勢阱 ，產(chǎn)生成百上千的 電荷包 ； 如果照射在這些光敏元上是一幅明暗起伏的圖象，那么 這些光敏元就感生出一幅與光照度響應(yīng)的光生電荷圖象。 這就是電荷耦合器件的光電物理效應(yīng)基本原理。 第 9章 新型光電傳感器 2. 電荷存儲原理 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD電荷耦合器件是以 電荷 為信號，而

28、不是電壓電流作信號 輸出的。光敏元上的電荷還需經(jīng)輸出電路輸出，這個輸出過 程由 讀出移位寄存器 完成 . 讀出移位寄存器也是 MOS結(jié)構(gòu)，由 金屬電極、氧化物、半導(dǎo) 體 三部分組成。它與 MOS光敏元的區(qū)別在于，半導(dǎo)體底部覆 蓋一層遮光層，不接收光信號并防止外來光線干擾。 讀出移位寄存器結(jié)構(gòu) 由三個十分鄰近的電極組成一 個耦合單元； 在三個電極上分別施加脈沖波 1 2 3，稱 三相時鐘脈沖 （還有兩相、四相）。 第 9章 新型光電傳感器 3.電荷轉(zhuǎn)移原理（讀出移位寄存器） 傳感器原理及應(yīng) 用 t = t1 時刻， 1 電極下出現(xiàn)勢阱存入光電荷 t = t2 時刻， 12下兩個勢阱形成大勢阱存入

29、電荷 t = t3 時刻， 2 中電荷向 3勢阱轉(zhuǎn)移 讀出移位寄存器三相時鐘脈沖 第 9章 新型光電傳感器 電荷轉(zhuǎn)移過程 三相時鐘脈沖頻率相同，相位差 120 ； 傳感器原理及應(yīng) 用 讀出移位寄存器三相時鐘脈沖控制電荷轉(zhuǎn)移過程 電荷轉(zhuǎn)移過程 第 9章 新型光電傳感器 不同時刻勢阱深度變化，使電荷按設(shè)計好的方向，在時 鐘脈沖控制下，電荷從寄存器的一端轉(zhuǎn)移到另一端。 這樣一個傳輸過程，實際上是一個 電荷耦合過程 ，所以 稱 電荷耦合器件 ，擔(dān)任電荷傳輸?shù)膯卧Q移位寄存器。 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD信號電荷的輸出的方式主要有： 電流輸出、電壓輸出兩種 以電壓輸出型為例，根據(jù) (工藝結(jié)構(gòu) )電壓輸出

30、型 有： 浮臵擴散放大器（ FDA） (集成 ) 浮臵柵放大器（ FGA） 第 9章 新型光電傳感器 浮置擴散放大器 浮置柵放大器 1. 輸出電路結(jié)構(gòu) 9.2.2 電荷耦合器信號輸出方式 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 浮置擴散放大器 浮置柵極放大器 1. 輸出電路結(jié)構(gòu) 9.2.2 電荷耦合器信號輸出方式 傳感器原理及應(yīng) 用 在 CCD陣列的末端制作（擴散）一個 N+區(qū) ，形成反向偏臵二極管， 二極管反偏形成一個深勢阱，收集信號電荷控制 A點電位變化； 當(dāng)轉(zhuǎn)移柵 3電極下的電荷包越過輸出柵 OG， 流入勢阱中時，在輸出 極形成輸出電流 I0，輸出電流在負(fù)載電阻 RL 上產(chǎn)生的電壓

31、與電荷成 正比。 擴散區(qū)收集的信號控制放大管 VT2的柵極電位，即控制輸出電壓。 第 9章 新型光電傳感器 1. 輸出電路結(jié)構(gòu) 9.2.2 電荷耦合器信號輸出方式 傳感器原理及應(yīng) 用 輸出信號電壓為 1 mLout mL gRUU gR 式中 為 MOS管柵極與源極之間的跨導(dǎo) 。 mg VT1為復(fù)位管，由 R控制 ， VT1導(dǎo)通時 VT2的溝道抽走浮置擴散區(qū)的 剩余電荷（ CFD放電），直到下一個時鐘周期信號到來如此循環(huán)下 去。 第 9章 新型光電傳感器 由 浮置擴散 區(qū)收集的信號電荷控制放大器 VT2柵極電位 /A F DU Q C 式中 FDC 為 浮臵擴散節(jié)點上的總電容 I0 A 浮置擴

32、散放大器 傳感器原理及應(yīng) 用 光敏元曝光 金屬電極加正向 脈沖電壓 p勢井出現(xiàn)，光敏元曝 光后勢井吸收光生電荷，光積分時間（快門），積累很快結(jié)束； 轉(zhuǎn)移脈沖 T 打開轉(zhuǎn)移控制柵，光敏元俘獲的光生電荷經(jīng)轉(zhuǎn)移控制 柵耦合到移位寄存器，轉(zhuǎn)移柵立刻關(guān)閉 .這是一 并行輸出過程 ； 接著三個時鐘脈沖 1 2 3工作 ，讀出移位寄存器的輸出端 Ga 一 位位輸出信息，這一過程是一 串行輸出過程 。 單溝道 CCD結(jié)構(gòu) 電荷輸出控制波形 第 9章 新型光電傳感器 2.電荷輸出控制 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD器件分為 線陣 CCD和 面陣 CCD： 結(jié)構(gòu)形式有：如單溝道 CCD、雙溝道 CCD、 幀轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)

33、CCD、行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu) CCD。 CCD器件 9.2.3 電荷耦合器件 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 線陣 CCD傳感器是由 一列 MOS光敏元 和 一列移位寄存器 并行 構(gòu)成。 光敏元和移位寄存器之間有一個 轉(zhuǎn) 移控制柵， 加轉(zhuǎn)移控制信號 T 。 1024位線陣，由 1024個光敏元和 1024個讀出移位寄存器組成。 單溝道 CCD結(jié)構(gòu) 1. 線陣 CCD結(jié)構(gòu) 第 9章 新型光電傳感器 64位線陣 CCD結(jié)構(gòu) 傳感器原理及應(yīng) 用 線陣 CCD傳感器只有一排光敏元，又分為 單通道 和 雙通道 ，雙通道可以加速轉(zhuǎn)換時間，提高分辨率 第 9章 新型光電傳感器 1.線陣 CCD結(jié)構(gòu) 線

34、陣 CCD結(jié)構(gòu)單通道和雙通道的電荷轉(zhuǎn)移過程 傳感器原理及應(yīng) 用 線型 CCD傳感器主要用于幾何尺寸測試、傳真、光 學(xué)文字識別技術(shù)等。 面型 CCD主要用于攝象機及測量技術(shù)，結(jié)構(gòu)上是把 光敏元件排列成二維 矩陣形式 ， 面型 CCD根據(jù)傳輸?shù)淖x出結(jié)構(gòu)有不同類型， 基本構(gòu)成有： 線轉(zhuǎn)移方式（由掃描、感光和輸出寄存器組成） 幀轉(zhuǎn)送方式（ Frame Transfer CCD） 行間轉(zhuǎn)送方式（ Inter Line Transfer CCD） 第 9章 新型光電傳感器 2.面陣電荷耦合器（二維） 傳感器原理及應(yīng) 用 幀間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)：由 光敏元 、 存儲器 、 輸出移位寄存器 三部分組成，視頻信號 整幀

35、輸出，結(jié)構(gòu)簡單。 第 9章 新型光電傳感器 2.面陣電荷耦合器 傳感器原理及應(yīng) 用 行間轉(zhuǎn)移結(jié)構(gòu)： 光敏單元 與 寄存器交替 排列，光積分后 一次一行地輸出，在輸出端得到 一行行 視頻信號。 特點： 結(jié)構(gòu)簡單，圖象清晰質(zhì)量高，是目前使用最多的 一種結(jié)構(gòu)。 第 9章 新型光電傳感器 2.面陣電荷耦合器 傳感器原理及應(yīng) 用 3CCD 一臺攝像機使用了片 CCD，一片 CCD接受每一種顏色 并轉(zhuǎn)換為電信號。而這三種顏色就是我們電視使用的三基 色：紅，綠，藍三種顏色。 由于一片 CCD同時完成亮度信號和色度信號的轉(zhuǎn)換難免兩 全，使得拍攝出來的圖像在彩色還原上達不到專業(yè)水平很 的要求。為了解決這個問題，

36、便出現(xiàn)了 3CCD 攝像機。 三維 CCD 第 9章 新型光電傳感器 2.面陣電荷耦合器 傳感器原理及應(yīng) 用 CCD器件的物理性能可以用特性參數(shù)來描述 內(nèi)部參數(shù) 描述的是 CCD存儲和轉(zhuǎn)移信號電荷 有關(guān) 的特性 ,是器件理論設(shè)計的重要依據(jù)； 外部參數(shù) 描述的是與 CCD應(yīng)用有關(guān)的性能指標(biāo)， 主要包括以下內(nèi)容： 電荷轉(zhuǎn)移效率 、 轉(zhuǎn)移損失率 、 工作頻率 、 電荷存儲容量、 靈敏度、分辨率。 9.2.4 CCD的特性參數(shù) 第 9章 新型光電傳感器 CCD器件與信號同步處理 傳感器原理及應(yīng) 用 對不同型號的 CCD器件而言，其工作機理是相同的。 不同型號的 CCD器件具有完全不同的外型結(jié)構(gòu)和驅(qū)動時

37、序，在實 際使用時必須加以注意?？梢酝ㄟ^器件供貨商或直接向生產(chǎn)廠家索 取相關(guān)資料，為 CCD器件的應(yīng)用提供技術(shù)支持。 以 TCD142D型 CCD為例做簡單介紹，其它型號的器件大同小異。 TCD142D是一種具有 2048位 像元的 兩相（雙通道）線陣 CCD器件， TCD142D有 22個引腳（ 其中 12個是空腳）。 TCD142D引腳 TCD142D 9.2.5 典型的 CCD器件 TCD142D 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 CD142D是一種具有 2048位像元的 兩相（雙通道）線陣 CCD 22個引腳 ， 其中 10個是引腳分別為： 時鐘端 -1A、 2A， 1B、

38、 2B； 轉(zhuǎn)移柵 -SH； 復(fù)位柵 -RS； 地 -SS；電源 -OD； 信號輸 出 -OS，補償輸出 -DOS； NC-空閑。 TCD142D內(nèi)部引腳 TCD142D 9.2.5 典型的 CCD器件 TCD142D 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 TCD142D的外部輸入電路可分為兩部分： 一部分是 脈沖產(chǎn)生電路 ；另一部分是 驅(qū)動電路 。 積分時間 SH 2AB RS OS 啞元輸出 64元 信號 2048 檢驗 2元 啞元輸出 12元 1AB 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 1059 1060 1061 9.2.5 典型的 CCD器件 TCD142D 第 9章

39、 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 阻容加速電路 射級輸出電路 脈沖電路產(chǎn)生 HS、 1、 2、 RS四路脈沖 ，由非門及晶體振蕩器構(gòu) 成的晶體振蕩電路輸出頻率為 4MHz方波； 經(jīng) JK觸發(fā)器分頻，得到頻率為 2MHz的方波，將 4MHz與 2MHz脈沖相與， 形成 RS脈沖。 9.2.5 典型的 CCD器件 TCD142D 第 9章 新型光電傳感器 將 RS經(jīng) JK觸發(fā)器分頻， 產(chǎn)生頻率為 1MHz的 1脈沖， 1脈沖送入分頻器； 經(jīng)譯碼電路產(chǎn)生轉(zhuǎn)移脈沖 SH并且使 SH周期 TSH 1061s（雙通道）； 將 SH和 1相與產(chǎn)生 2， 1=-2，至此就產(chǎn)生了四 路脈沖； 傳感器原理及應(yīng)

40、 用 將這四路脈沖經(jīng)反相器反相，再經(jīng)阻容加速電路送至 H0026驅(qū)動器，放大至一定量以后用以驅(qū)動 TCD142D。 阻容加速電路 射級輸出 電路 9.2.5 典型的 CCD器件 TCD142D 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 利用 CCD測量幾何量 CCD誕生后首先在工業(yè)檢測中制成測量長度的傳感器； 物體通過物鏡在 CCD光敏元上造成影像， CCD輸出的脈 沖數(shù)表征測量工件的尺寸。 9.2.6 CCD傳感器的應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 線陣 CCD進行工件尺寸測量 CCD應(yīng)用技術(shù)是光、機、 電和計算機相結(jié)合的高 新技術(shù)，作為一種有效 的非接觸檢測方法； 如測量拉絲過程中絲的

41、線徑 、軋鋼的 直徑 、軸 類或桿類的直徑等。 傳感器原理及應(yīng) 用 這里以玻璃管直徑與壁厚的測量為例。 由于玻璃管的透射率分布的不同， 玻璃管在 CCD上成像 的兩條暗帶最外邊界距離為玻璃管外徑大小，中間亮帶 反映了玻璃管內(nèi)徑大小，而暗帶則是玻璃管的壁厚成像 。 玻 璃 管CCD 視 頻 信 號 CCD傳感器應(yīng)用 實例 ： 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 測量原理 : 在熒光燈的玻璃管生產(chǎn)過程中，總是需要不斷測量玻璃 管的外圓直徑及壁厚，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對生產(chǎn)過程進行 調(diào)整，以便提高產(chǎn)品質(zhì)量。 用平行光照射玻璃管，成像物鏡將尺寸影像投影在 CCD 光敏像元陣列面上。視頻信號經(jīng)二值化

42、處理后輸出。 視頻信號二值化 時鐘信號 計數(shù)（像元個數(shù)） 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 11 22 / / / d n t d n t D N t 上壁厚 下壁厚 外徑 第 9章 新型光電傳感器 玻璃管的平均外徑 12mm；壁厚 1.2mm； 要求測量精度為外徑 0.1mm；壁厚 0.05mm。 利用 CCD配合適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)系統(tǒng)，對玻璃管尺寸進行監(jiān)測； 實際尺寸：上壁厚 d1、下壁厚 d2、外徑 D 為 成像物鏡的 放大倍率 ； t 為 CCD像元尺寸； 上壁、下壁、外徑的像元個數(shù)（即脈沖數(shù)）分別為： n1（上壁）、 n2 （下壁）、 N（外徑） 2d1d D 傳感器原理及應(yīng) 用

43、 根據(jù)已知條件（玻璃管外徑 12mm），選擇光學(xué)系統(tǒng)的 放大率 為 0.8倍， 玻璃管的像 大小為 9.6mm； 產(chǎn)品的測量精度要求反映在像面上的外徑（ 0.1mm ） 為 0.08mm， 壁厚（ 0.05mm ）為 0.04mm； 根據(jù) CCD測量精度要求 ，最小尺寸 0.04mm， 必須要大 于兩個 CCD光敏元空間尺寸 。 第 9章 新型光電傳感器 給定線陣 TCD132D （ 1024位） 光敏元間距尺寸為 14m,器 件像元總寬度為 1024 0.14mm=14.3mm， 大于成像外徑。 最小尺寸為 0.04mm 0.014mm 2=0.028mm，滿足要求 . TCD132D光敏元

44、空間尺寸 （ 14 m 2） N2)越大集光能力越強，光纖與光源間耦 合會更容易。但 NA越大光信號畸變越大，要適當(dāng)。 產(chǎn)品光纖不給出折射率 N，只給 數(shù)值孔徑 NA 石英光纖的數(shù)值孔徑一般為 030c 第 9章 新型光電傳感器 2c NA = 0.2 0.4 傳感器原理及應(yīng) 用 光纖模式是指光波沿光纖傳播的 途徑和方式 ； 不同入射角度光線在界面上反射的次數(shù)不同， 光波之間干涉產(chǎn)生的強度、分布也各不相同； 模式值 定義為： 0 2 ()V N A 式中： 為纖芯半徑 ； 為入射光波長 0 9.3.2 光纖的性能 第 9章 新型光電傳感器 光纖模式（ V） 傳感器原理及應(yīng) 用 光纖模式（ V）

45、討論： 波的反射中相位變化 2整數(shù)倍的光波形成駐波 稱模， 駐波才能在光纖中傳播，光纖只能傳播一定數(shù)量的模。 模式值越大，允許傳播的模式值越多。在信息傳播中， 希望模式數(shù)越少越好，若同一光信號采用多種模式會使 光信號分不同時間到達，多個信號導(dǎo)致合成信號畸變。 模式值 V小，就是 值?。?纖芯直徑小 m） 傳播的模式 越少。只傳播一種模式的光纖，稱 單模光纖 。 單模光纖 性能最好，畸變小、容量大、線性好、靈敏度 高，但制造、連接困難。 第 9章 新型光電傳感器 0 2 ()V N A 傳感器原理及應(yīng) 用 光纖模式種類： 按 折射率分布 分為 階躍型（突變） 、 梯度型（漸變） ； 按 傳播模

46、式 分為 多模 ( 纖芯直徑 D = 50 100 m ) 單模 ( 纖芯直徑 D = 3 10 m ) 單模和多模光纖是當(dāng)前光纖通訊技術(shù)最常用的普通光纖。 有特殊要求的稱特殊光纖。 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 9.3.2 光纖的性能 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 9.3.2 光纖的性能 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 9.3.2 光纖的性能 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 光纖在傳播時，由于材料的吸收、散射和彎曲的輻射 損耗影響，不可避免的要有損耗，用衰減率 A表示： 12 12 1 0 l g ( / ) ( / ) II A

47、d B K m l II l 、 - 分 別 為 輸 出 光 強 和 輸 入 光 強 ； 為 光 纖 的 長 度 。 在一根率減率為 10dB/Km的光纖中，表示當(dāng)光纖傳輸 1Km后， 光強下降到入射時的 1/10。 3dB/Km相當(dāng)光纖傳輸 1Km后，光強衰減到入射時的一半； 性能優(yōu)良的光纖傳播損耗可達 0.16dB/Km。 光纖的接頭有光信號放大裝臵。 9.3.2 光纖的性能 第 9章 新型光電傳感器 傳播損耗（ A） 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 傳播損耗（ A） 傳感器原理及應(yīng) 用 電參量傳感器 中，通常是由被測量引起電阻、電容、 電感等電參量的變化，將這些電參量轉(zhuǎn)換為

48、電流、電 壓的變化進行檢測。 光纖傳感器 通過光調(diào)制器技術(shù)，使光的某些特性受被 測量的作用，如 光強 、 偏振方向 、 顏色 、 波長 等等。 9.3 光纖傳感器 9.3.3 光波調(diào)制技術(shù) 第 9章 新型光電傳感器 光波的特征參數(shù)主要以 光強度 和 光顏色 兩個最直觀的特 征表現(xiàn)出來的 ; 目前光電器件只能測量光的 強度 和 顏色 ，其他物理量是 通過這兩個量間接測量的。 傳感器原理及應(yīng) 用 光是一種電磁波，沿某一方向傳播的光波可用平面 波動方程表示 光的電矢量 ： 光的性質(zhì) 第 9章 新型光電傳感器 振動面 v E s i nE A k x t 2 2 / / AA x f f kf 幅 值

49、 ， 光 的 振 幅 決 定 光 的 強 度 ， 矢 量 ， 存 在 振 動 方 向 ， 通 常 稱 偏 振 方 向 ； 初 始 相 位 反 映 了 光 波 的 光 程 ； 角 頻 率 ， 環(huán) 境 不 變 時 頻 率 是 不 變 的 ， 光 波 頻 率 的 特 征 就 是 光 的 顏 色 ； 空 間 頻 率 ； 波 長 ， 波 速 , 頻 率 相 同 的 波 在 不 同 介 質(zhì) 中 傳 播 時 波 長 不 同 E 光的電矢量； A 強度； x 偏振態(tài)（方向） 相位； f 頻率（顏色） k = 2/ = /f 波長 傳感器原理及應(yīng) 用 利用外界物理量改變光纖中的 光強度 ，通過測量光強的變化測

50、量被測信息。 根據(jù)傳感器探頭結(jié)構(gòu)形式可分為： 透射 、 反射 、 折射 。 透射式 強度調(diào)制 光纖端面為平面，入射光纖不動； 出射光纖可橫向、縱向、轉(zhuǎn)動，出 射光強受位移信號的調(diào)制。 接收光強與兩圓的 交疊面積 有關(guān)。 對單模光纖，頸項位移 X與光功率 耦合系數(shù) T 之間關(guān)系為高斯型曲線： 光的強度調(diào)制 為了獲得線性和靈敏度， 工作點應(yīng)選擇在 A點 22 00e xp / ,T x s s 光斑尺寸 A X T S 入 射 出 射 X 第 9章 新型光電傳感器 下面分別討論對光的強度、偏振態(tài)、相位、頻率的調(diào)制方法。 光 探 測 器 傳感器原理及應(yīng) 用 透射式 開關(guān)調(diào)制 入射、接收光纖固定不動，

51、當(dāng)光纖端面有物體運動時， 出射光纖的光強變化。 遮光屏物與其它敏感元件相連，如膨脹元件。 光的強度調(diào)制 入射 光源 S 出射 透鏡 接收 D 彈性薄膜 P 光調(diào)制實現(xiàn)氣壓測量 第 9章 新型光電傳感器 透鏡 傳感器原理及應(yīng) 用 光的強度調(diào)制 透射式 光柵調(diào)制 一個固定、一個移動，當(dāng)光柵作相對運動時，通過光柵間的光 強會發(fā)生變化。 設(shè)柵距、柵寬 5m，當(dāng)動?xùn)畔鄬ξ灰?10m時，光強變化一個周 期，位移 2.5m、 7.5m處靈敏度最大。 靜光柵 動 %相對強度 X相對位移 2.5 5 7.5 光柵調(diào)制實現(xiàn)壓力測量 第 9章 新型光電傳感器 m 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 光的強

52、度調(diào)制 傳感器原理及應(yīng) 用 反射式 強度調(diào)制 由多根光纖束組成入射、接收光纖， 被測物體將光束反射回光纖，經(jīng)反向 傳輸后由光敏器件接收。光強的大小 隨被測物體的特征不同而不同。 特征包括： 被測物體與光纖端面的 距離 ； 被測物體表面的 光潔度 （反射率）； 相對 傾角 。 特點：非接觸、探頭小、線性度好、 頻響高、測量范圍在 100m以內(nèi)。 光的強度調(diào)制 X 入射 光 源 S 出射 透鏡 接 收 D 被測物體 液 面 測 量 折射率調(diào)制（略） 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 法拉第磁光效應(yīng) (又稱磁致旋光效應(yīng) ) 當(dāng) 線偏振光 通過處于磁場下的 透明介質(zhì)時， 光線的偏振面 （矢

53、量振動方向）將發(fā)生偏轉(zhuǎn)， 偏轉(zhuǎn)的角度 與磁感應(yīng)強度 B以 及介質(zhì)的長度 L成正比： =KBL K-為物質(zhì)常數(shù)。 偏振態(tài)調(diào)制 透明介質(zhì) B L 偏振態(tài)調(diào)制主要基于 人為旋光 現(xiàn) 象，如：法拉第磁光效應(yīng)、克爾 電光效應(yīng)、彈光效應(yīng)等實現(xiàn)的。 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 法拉第磁光效應(yīng) 如稀土玻璃的常數(shù) K= 0.13 0.27/（ GS.cm）； 1T(特斯拉） = 104 GS 處于 0.1T磁場下，長 10cm的稀土玻璃棒，可使偏振光的 光矢量偏轉(zhuǎn) 22 45 ，利用這種原理可制成光纖電流 傳感器。 導(dǎo)體上繞 N匝光纖， 光矢量旋轉(zhuǎn)的角度 與 導(dǎo)線電流 有關(guān) （ B I） B

54、=I / 2 =VdN I ， Vd 為常數(shù) 偏振態(tài)調(diào)制 第 9章 新型光電傳感器 光纖 S D 檢偏器 導(dǎo)體 電流 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 偏振態(tài)調(diào)制 傳感器原理及應(yīng) 用 一般 壓力、張力、溫度 可以改變光纖的 長度 （幾何尺寸）； 同時由于光彈效應(yīng)，光纖折射率 n 也會由于應(yīng)變而改變，這 些物理量可以使光纖輸出端產(chǎn)生 相位 變化。 借助干涉儀將 相位變化 轉(zhuǎn)換為 光強的變化 。 干涉系統(tǒng) 的種類很多 相位調(diào)制 馬赫 澤德干涉儀原理 第 9章 新型光電傳感器 常見的 馬赫 澤德 （ Mach-Zehnde) 傳感器原理及應(yīng) 用 相位調(diào)制 固定平面鏡靜止，移動平面 鏡隨被

55、測體運動； 分束器 1把激光器的輸出光 束分成兩部分，經(jīng)上、下光 路的傳輸后又重新合路，使 其在光檢測器處互相干涉。 當(dāng)移動鏡面位移時 合成光的 干涉強度 發(fā)生變化。 這種干涉儀靈敏度高，可精 確到 10-13nm 。 馬赫 澤德干涉儀原理 第 9章 新型光電傳感器 常見的 馬赫 澤德 （ Mach-Zehnde)干涉儀原理 傳感器原理及應(yīng) 用 雖然空氣光路系統(tǒng)有大的動態(tài)范圍，但實現(xiàn)非常困難， 通常只能限制在實驗室工作條件。 光纖干涉?zhèn)鞲衅?如果干涉系統(tǒng)的空氣光路用光纖代替，用 光纖耦合器 取代分束器； 幾公里光路對光纖是容易實現(xiàn)的，可取消對光路長度限制，不存 在光路中塵埃污染 。 相位調(diào)制

56、光纖分路器 在光源和檢測器之間， 干涉儀只含光纖元件， 換能器把被測量轉(zhuǎn)換成 光束的相位變化。 第 9章 新型光電傳感器 光纖干涉儀原理 傳感器原理及應(yīng) 用 相位調(diào)制 明暗計數(shù)法 輸出脈沖計數(shù)反映光強明暗變化，不能檢測極性； 相位鎖定零點檢測法 通過參考臂的相位調(diào)制使系統(tǒng)相差定在 /2處， （在 /2處靈敏度最高，光強與相差呈線性關(guān)系）。 /2 3/2 相對光強 相差 相位干涉儀輸出波形 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?第 9章 新型光電傳感器 相位調(diào)制光纖傳感器的信號檢測有多種： 傳感器原理及應(yīng) 用 相位調(diào)制 由于 3db耦合器的作用，兩個光電探測器輸出為： 1 0 0 2 0 0 3 0 0 1 c

57、os 1 c os 2 c os U U s t U U s t U K U s t 經(jīng)差動放大輸出 0 3 /2 0 U K st st U 0 0 正比于光源功率； 信號與參考光混合效率； 系統(tǒng)相位差； 放大倍數(shù)； 被測信號相位變化； 若系統(tǒng)相差 ， ，系統(tǒng)處于嚴(yán)格平衡狀態(tài)。 當(dāng)被測信號變化時 S（ t）變化，相差 偏離輸出 U30；積分器將這個變化積 累后輸出一附加電壓至參考臂上，用 附加相差抵消信號臂相差，使系統(tǒng)回 到 /2初態(tài)。 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?U3 U 1 U2 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 相位調(diào)制 濾波器濾掉環(huán)境干擾信號，通過有關(guān)信號頻段。 以上系統(tǒng)是典型的

58、閉環(huán)運行狀態(tài)，加到相位調(diào)制器的電壓反映 了系統(tǒng)相差的變化。 相位調(diào)制器是將光纖繞在圓柱型 PZT （壓電陶瓷）上或鍍有 PVF2材料。 PZT直徑隨驅(qū)動信號變化，利 用壓電晶體的逆壓電效應(yīng)，電 場作用下產(chǎn)生形變，使繞在上 面的光纖伸縮變化，使光的相 位變化，實現(xiàn)相位的調(diào)制解調(diào)。 PZT壓電陶瓷環(huán) 光纖 附加電壓 第 9章 新型光電傳感器 光纖干涉儀 傳感器原理及應(yīng) 用 頻率調(diào)制 當(dāng)光敏器件與光源之間有相對運動時，光敏器件 接收到的光頻率 fs與光源頻率 f 不同，這種現(xiàn)象稱 光的“ 多普勒效應(yīng) ”； 第 9章 新型光電傳感器 波源不動 ,觀察者相對介質(zhì)以 運 動，聲音的頻率不同。 0v s ?

59、 人耳聽到的聲音的頻率 與聲源 的頻率 s相同嗎？ 只有波源與觀察者相對靜止時才相等 . S D fs f 傳感器原理及應(yīng) 用 頻率調(diào)制 設(shè)光敏器件相對光源的運動速度為 ，接收的光頻率 可表示為： 頻率調(diào)制法可以測量運動物體（流體）的速度、流 量等； 被測體散射光信號由透鏡接收回光纖，與空氣界面 直接返回的光信號合成后形成頻率為 fp的拍頻信號， 送光敏探測器。 / 1 / 1 /sf f c c f cf 光 速 ； 運 動 速 度 ； 光 源 頻 率 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 頻率調(diào)制 測量原理： 激光光束頻率 0， 由分束送兩路； 調(diào)制光 R作參考光源送光敏探測器；

60、分束器 2將 0的光束經(jīng)光纖射入流體； 流體速度 ，流體中微粒照亮?xí)r產(chǎn)生反射光， 反射光通過光纖返回； 多普勒效應(yīng)使反射光產(chǎn)生頻移 探測器 分束器 1 分束器 2 參考光 R=0-1 0 s =0 激光器 調(diào)制器 透鏡 1 形成的光頻率為測量光 : s=0 ， 測量光與參考光在探測器混頻（拍頻 p=s-R）后形成振蕩信號， 振蕩頻率為 1 ，由頻譜儀分析 頻率變化，獲得流體速度。 管道流體速度 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 光纖目前可以測量 70多種物理量 基本組成相似： 光源、透鏡、入射光纖、調(diào)制器、 出射光纖、光敏器件等。 光纖的類型較多大致可分為 功能型 和 非功能型 兩

61、大類。 光纖傳感器 9.3.4 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 功能型 和 非功能型 光纖傳感器的基本結(jié)構(gòu)類型 傳感器原理及應(yīng) 用 這類傳感器利用光纖本身對外 界被測對象具有敏感能力和檢 測功能，光纖不僅起到 傳光 作 用，而且有 傳感 能力。 在被測對象作用下，如 光強 、 相位 、 偏振態(tài) 等光學(xué)特性得到 調(diào)制，調(diào)制后的信號攜帶了被 測量信息。 (1) 功能型（又稱傳感型） FF （ Function Fibre Optil Sensor） 9.3.4 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 在光源和檢測器之間只含光纖元

62、件； 換能器 把被測量轉(zhuǎn)換成光束的 相位 光強 的變化。 3db耦合器將光信號耦合輸入輸出，換能器利用集成和 光電技術(shù)可把所有元件裝入一個很小裝臵內(nèi)與光纖對 接耦合。 光纖干涉?zhèn)鞲衅髟?各種光纖耦合器 9.3.4 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 各種光纖耦合器 9.3.4 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 光纖接頭盒 傳感器原理及應(yīng) 用 傳光型 光纖傳感器的光纖只 當(dāng)作傳播光的媒介； 待測對象的調(diào)制功能是由其 它光電轉(zhuǎn)換元件實現(xiàn)的； 光纖的狀態(tài)是不連續(xù)的 ，光 纖只起 傳光 作用。 (2) 非功能型（稱傳光型） NFF（ Non-Function Fibre O

63、ptil Sensor） 9.3.4 光纖傳感器 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 利用半導(dǎo)體材料的 能量隙 隨溫度幾乎成線性變化。敏感元件 是一個半導(dǎo)體 光吸收器 ，光纖用來傳輸信號。 當(dāng)光源的光強度經(jīng)光纖達到半導(dǎo)體薄片時，透過薄片的光強 受溫度的調(diào)制。 溫度 T升高，半導(dǎo)體 禁帶寬度 Eg變化，材料吸收光波長向長 波移動，半導(dǎo)體薄片透過的光強度變化。 一般測溫范圍在 -100 300 。 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 光纖溫度傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 光纖溫度傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 光纖溫度傳感器 傳感器原理及

64、應(yīng) 用 相位調(diào)制型光纖傳感器測量壓力或溫度動畫演示 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 利用光纖實現(xiàn) 無接觸位移測量 。 光源經(jīng)一束多股光纖將光信號傳送至端部，并照 射到被測物體上。另一束光纖接受反射的光信號， 并通過光纖傳送到光敏元件上。 反射式光纖位移傳感器 第 9章 新型光電傳感器 (3) 應(yīng)用 被測物體與光纖間距離變化，反 射到接受光纖上，光通量發(fā)生變 化。再通過光電傳感器檢測出距 離的變化。 傳感器原理及應(yīng) 用 第 9章 新型光電傳感器 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 結(jié)構(gòu)： 反射式光纖位移傳感器一般是將

65、發(fā)射和 接收光纖捆綁組合在一起，端面分布形 態(tài)的組合形式不同，影響位移測量范圍 和靈敏度。 分布形態(tài)一般有四種： R型半分式（半圓分布） H型混合式（隨機分布） CII共軸式（內(nèi)發(fā)射分布） CDT共軸式（外發(fā)射分布） 混合式靈敏度高， 半分式測量范圍大。 第 9章 新型光電傳感器 反射式光纖位移傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 工作原理： 由于光纖有一定的數(shù)值孔徑， 當(dāng)光纖探頭緊貼被測物體時， 接收光敏元件無光電信號； 被測物體逐漸遠離光纖時接收 光纖照亮的區(qū)域 B2越來越大； 當(dāng)整個接收光纖被照亮?xí)r，輸 出曲線達到光峰值； 被測體繼續(xù)遠離時部分光線被 反射光信號減弱，曲線下降。 反射式光纖位移傳感

66、器 b d b 輸入光纖像 2a 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 反射式光纖位移傳感器 討論： 前坡 區(qū) 輸出信號的強度增加快，位移輸出曲線有較好的線性 關(guān)系，可進行 小位移測量 ； 后坡 區(qū) 信號隨探頭和被測體之間的距離增加而減弱，該區(qū)域 可用于距離較遠要求不高的測量； 光峰 區(qū) 輸出信號有最大值，值的大小決定被測表面的狀態(tài)， 可用于表面狀態(tài)測量，如工件的 光潔度 或 光滑度。 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 (3) 應(yīng)用 第 9章 新型光電傳感器 傳感器原理及應(yīng) 用 KD-300光纖位移傳感器性能指標(biāo) 分辨率： 0.05m；反應(yīng)頻率： 70kHz； 信號輸出： 0-10V ； DC-100歐姆； 儀器工作溫度： 10攝氏度 -65攝氏度； 測量不受磁場或靜電影響，能對幾乎所 有非金屬甚至漆黑表面物體進行操作； 探針長度： 3in.(76.2mm)探針； 電纜線長度： 36in.(914 mm)； 電源：小于 3W,115/230V,50