?光柵傳感器

光柵(zha)式傳感器指采用光柵(zha)疊柵(zha)條紋原(yuan)理測量位移的傳感器。

光(guang)(guang)(guang)柵(zha)是由(you)大(da)量等寬等間(jian)距的平(ping)行(xing)狹縫構成(cheng)的光(guang)(guang)(guang)學(xue)器件。一(yi)般常(chang)用的光(guang)(guang)(guang)柵(zha)是在玻(bo)璃片上(shang)刻(ke)出大(da)量平(ping)行(xing)刻(ke)痕(hen)(hen)制成(cheng)，刻(ke)痕(hen)(hen)為不透光(guang)(guang)(guang)部分，兩刻(ke)痕(hen)(hen)之間(jian)的光(guang)(guang)(guang)滑部分可以透光(guang)(guang)(guang)，相當于一(yi)狹縫。精制的光(guang)(guang)(guang)柵(zha)，在1cm寬度內刻(ke)有幾千條乃至上(shang)萬條刻(ke)痕(hen)(hen)。

這(zhe)種利用透射(she)光(guang)衍(yan)射(she)的(de)(de)(de)(de)光(guang)柵(zha)稱為透射(she)光(guang)柵(zha)，還有利用兩刻(ke)痕間(jian)的(de)(de)(de)(de)反射(she)光(guang)衍(yan)射(she)的(de)(de)(de)(de)光(guang)柵(zha)，如在鍍有金(jin)屬層(ceng)的(de)(de)(de)(de)表面上刻(ke)出許多平行刻(ke)痕，兩刻(ke)痕間(jian)的(de)(de)(de)(de)光(guang)滑(hua)金(jin)屬面可以反射(she)光(guang)，這(zhe)種光(guang)柵(zha)成為反射(she)光(guang)柵(zha)。由光(guang)柵(zha)形(xing)成的(de)(de)(de)(de)疊(die)柵(zha)條(tiao)紋具(ju)有光(guang)學(xue)放大作用和(he)誤(wu)差平均效應，因而能提高測量精度(du)。

光(guang)(guang)(guang)柵(zha)傳(chuan)感器由標(biao)尺(chi)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)、指示光(guang)(guang)(guang)柵(zha)、光(guang)(guang)(guang)路系統和測量系統四部分組成(cheng)。標(biao)尺(chi)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)相對于(yu)指示光(guang)(guang)(guang)柵(zha)移動時，便形成(cheng)大致按正弦規律分布的(de)明暗(an)相間(jian)的(de)疊柵(zha)條紋。

這些條(tiao)紋以(yi)光柵的(de)相對運(yun)動(dong)速(su)度移動(dong)，并直(zhi)接照射(she)到光電元件(jian)上，在它(ta)們(men)的(de)輸(shu)出(chu)端得(de)到一串電脈(mo)沖，通過放大、整形、辨向和計數(shu)(shu)系統產生數(shu)(shu)字信號輸(shu)出(chu)，直(zhi)接顯示被測的(de)位(wei)移量。

光柵傳感器的結構及工作原理：

光(guang)柵傳感(gan)器的結構(gou)均(jun)由光(guang)源(yuan)、主光(guang)柵、指示光(guang)柵、通光(guang)孔(kong)、光(guang)電元件這幾個主要部分構(gou)成(cheng)。

1、光源：鎢絲燈泡(pao)，它(ta)有較小的(de)功(gong)率，與光電元件(jian)組合使(shi)用(yong)時，轉(zhuan)換(huan)效率低(di)，使(shi)用(yong)壽(shou)命短。半導(dao)體發光器件(jian)，如(ru)砷化(hua)鎵發光二極管(guan)，可以(yi)在(zai) 范(fan)圍內工作，所發光的(de)峰值波長為 ，與硅光敏三(san)極管(guan)的(de)峰值波長接(jie)近，因此，有很(hen)高的(de)轉(zhuan)換(huan)效率，也有較快的(de)響應速度(du)。

2、光柵付：由柵(zha)距相(xiang)等的主光柵(zha)和(he)指示(shi)光柵(zha)組成。主光柵(zha)和(he)指示(shi)光柵(zha)相(xiang)互重(zhong)疊，但又不完(wan)全重(zhong)合。兩者柵(zha)線(xian)間會錯開一個(ge)很(hen)小(xiao)的夾(jia)角 ，以便于得(de)到莫(mo)爾條紋。一般主光柵(zha)是(shi)活動(dong)(dong)的，它可(ke)以單獨地移(yi)動(dong)(dong)，也可(ke)以隨被(bei)測物體(ti)而(er)移(yi)動(dong)(dong)，其(qi)長度取(qu)決于測量(liang)范(fan)圍。指示(shi)光柵(zha)相(xiang)對于光電器(qi)件而(er)固定。

3、通光孔：通(tong)(tong)光(guang)(guang)孔是發光(guang)(guang)體(ti)與(yu)受光(guang)(guang)體(ti)的通(tong)(tong)路，一般為條(tiao)形狀，其長度由(you)受光(guang)(guang)體(ti)的排列長度決定，寬度由(you)受光(guang)(guang)體(ti)的大(da)小(xiao)決定。它是帖(tie)在(zai)指示(shi)光(guang)(guang)柵板上的。

4、受光元件：受(shou)光元件是用來感(gan)知(zhi)主光柵(zha)在(zai)移動時產生莫爾條(tiao)紋的(de)移動，從而測量(liang)位移量(liang)。在(zai)選擇光敏元件時，要考(kao)慮(lv)靈敏度、響應時間、光譜特性(xing)、穩定性(xing)、體積等(deng)因素(su)。

將主光柵(zha)與標尺光柵(zha)重疊放置，兩(liang)者(zhe)之間保持很小的間隙，并使(shi)兩(liang)塊光柵(zha)的刻(ke)線之間有一個微(wei)小的夾角θ，如下圖所示(shi)。

當有光(guang)(guang)源照(zhao)射(she)時，由于擋光(guang)(guang)效應（對刻線密度≤50條／mm的光(guang)(guang)柵(zha)）或光(guang)(guang)的衍射(she)作用（對刻線密度≥100條／mm的光(guang)(guang)柵(zha)），與光(guang)(guang)柵(zha)刻線大致垂直的方(fang)向上形成(cheng)明(ming)暗相(xiang)間的條紋。

在兩(liang)(liang)光(guang)柵的(de)(de)刻線(xian)重合(he)處，光(guang)從縫隙透(tou)過，形(xing)成亮帶；在兩(liang)(liang)光(guang)柵刻線(xian)的(de)(de)錯開(kai)的(de)(de)地方，形(xing)成暗帶；這(zhe)些明暗相間(jian)的(de)(de)條紋稱為莫爾條紋。

莫(mo)爾條(tiao)紋的(de)間距與柵(zha)距W和(he)兩光(guang)柵(zha)刻線(xian)的(de)夾角θ（單位為rad）之間的(de)關系為：

當指(zhi)(zhi)示光(guang)(guang)柵(zha)不(bu)動，主光(guang)(guang)柵(zha)的(de)刻(ke)(ke)(ke)線(xian)(xian)與指(zhi)(zhi)示光(guang)(guang)柵(zha)刻(ke)(ke)(ke)線(xian)(xian)之間(jian)始終保持(chi)夾角(jiao)θ，而使(shi)主光(guang)(guang)柵(zha)沿(yan)刻(ke)(ke)(ke)線(xian)(xian)的(de)垂直方向(xiang)(xiang)(xiang)作相(xiang)對移(yi)動時，莫爾條紋將沿(yan)光(guang)(guang)柵(zha)刻(ke)(ke)(ke)線(xian)(xian)方向(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)動；光(guang)(guang)柵(zha)反向(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)動，莫爾條紋也反向(xiang)(xiang)(xiang)移(yi)動。

主光(guang)柵(zha)(zha)每(mei)移(yi)動(dong)(dong)一個柵(zha)(zha)距W，莫爾條紋(wen)也相應移(yi)動(dong)(dong)一個間距S。因此通(tong)過(guo)測量(liang)莫爾條紋(wen)的移(yi)動(dong)(dong)，就能測量(liang)光(guang)柵(zha)(zha)移(yi)動(dong)(dong)的大小(xiao)和方向，這要比直接對光(guang)柵(zha)(zha)進(jin)行測量(liang)容易得多。

當(dang)主光柵沿(yan)與(yu)刻線垂直(zhi)方向(xiang)移動一個柵距W時，莫(mo)(mo)爾條(tiao)紋移動一個條(tiao)紋間距。當(dang)兩個光柵刻線夾角θ較小時，由上(shang)述公式可知，W一定時，θ愈(yu)(yu)小，則B愈(yu)(yu)大(da)，相(xiang)當(dang)于把柵距W放大(da)了1／ θ倍。因此，莫(mo)(mo)爾條(tiao)紋的(de)放大(da)倍數相(xiang)當(dang)大(da)，可以實(shi)現高靈敏度(du)的(de)位(wei)移測(ce)量。

莫爾條紋是由(you)光柵的許(xu)多刻線共同形成的，對(dui)刻線誤差具有平均(jun)效應，能在很(hen)大程度(du)(du)(du)上消除由(you)于(yu)刻線誤差所引起的局部和(he)短周(zhou)期誤差影響，可以達到比光柵本身刻線精(jing)度(du)(du)(du)更高(gao)的測量精(jing)度(du)(du)(du)。因此(ci)，計量光柵特別適合(he)于(yu)小位移、高(gao)精(jing)度(du)(du)(du)位移測量。

光柵傳感器的特點

1、精度高。

光(guang)(guang)柵式傳感(gan)器(qi)在(zai)(zai)大量程測(ce)量長度或(huo)直線位(wei)移方(fang)面(mian)僅(jin)僅(jin)低于激光(guang)(guang)干涉傳感(gan)器(qi)。在(zai)(zai)圓分度和(he)角位(wei)移連續測(ce)量方(fang)面(mian)，光(guang)(guang)柵式傳感(gan)器(qi)屬(shu)于精度高的(de)；

2、大量程測量兼有高(gao)分辨力。

感應同步器和(he)磁柵式(shi)傳(chuan)感器也(ye)具有大(da)量程測量的特點(dian)，但(dan)分(fen)辨力和(he)精度都不如光柵式(shi)傳(chuan)感器；

3、可實現動(dong)(dong)態測量，易于實現測量及數據處(chu)理的(de)自動(dong)(dong)化；

4、具有較強的抗(kang)干擾能力，對環(huan)境條(tiao)件(jian)的要(yao)求不像(xiang)激光干涉傳(chuan)感(gan)器(qi)那樣(yang)嚴格，但不如(ru)感(gan)應(ying)同(tong)步器(qi)和(he)磁柵式傳(chuan)感(gan)器(qi)的適應(ying)性強，油污和(he)灰塵會影(ying)響它的可(ke)靠性。主(zhu)要(yao)適用(yong)(yong)于在(zai)實驗室和(he)環(huan)境較好的車間使(shi)用(yong)(yong)。

光柵傳感器的種類：

光(guang)(guang)柵(zha)主要分兩大類：一(yi)是Bragg光(guang)(guang)柵(zha)（也稱為反射或短周期光(guang)(guang)柵(zha)）；二是透射光(guang)(guang)柵(zha)（也稱為長周期光(guang)(guang)柵(zha)）。

光(guang)纖光(guang)柵從結(jie)(jie)構(gou)上可分為周期性結(jie)(jie)構(gou)和非(fei)周期性結(jie)(jie)構(gou)，從功(gong)能上還可分為濾波型(xing)(xing)光(guang)柵和色(se)散補(bu)償(chang)型(xing)(xing)光(guang)柵，色(se)散補(bu)償(chang)型(xing)(xing)光(guang)柵是(shi)非(fei)周期光(guang)柵，又稱為啁啾光(guang)柵（Chirp光(guang)柵）。

光纖Bragg光柵傳感器

光(guang)(guang)纖(xian)(xian)光(guang)(guang)柵是(shi)利用光(guang)(guang)纖(xian)(xian)中的(de)(de)(de)光(guang)(guang)敏性制成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)。所(suo)謂光(guang)(guang)纖(xian)(xian)中的(de)(de)(de)光(guang)(guang)敏性是(shi)指(zhi)激光(guang)(guang)通過摻雜光(guang)(guang)纖(xian)(xian)時，在纖(xian)(xian)芯內(nei)產(chan)生沿纖(xian)(xian)芯軸向的(de)(de)(de)折(zhe)射率周期性變(bian)化(hua)，從(cong)而形成(cheng)(cheng)空(kong)(kong)間(jian)的(de)(de)(de)相位，光(guang)(guang)纖(xian)(xian)光(guang)(guang)柵的(de)(de)(de)折(zhe)射率將隨光(guang)(guang)強的(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)分布(bu)發生相應變(bian)化(hua)。而在纖(xian)(xian)芯內(nei)形成(cheng)(cheng)的(de)(de)(de)空(kong)(kong)間(jian)相位光(guang)(guang)柵，其作(zuo)用的(de)(de)(de)實質就是(shi)在纖(xian)(xian)芯內(nei)形成(cheng)(cheng)一個窄帶的(de)(de)(de)（透射或反(fan)射）濾(lv)波器或反(fan)射鏡。

當一束寬光(guang)(guang)(guang)譜光(guang)(guang)(guang)經過光(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)柵(zha)時，滿足光(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)柵(zha)布拉格(ge)條件的(de)波長將產(chan)生反射，其(qi)余的(de)波長將透過光(guang)(guang)(guang)纖光(guang)(guang)(guang)柵(zha)繼(ji)續往前(qian)傳輸，利用這一特(te)性可制造出許多性能獨特(te)的(de)光(guang)(guang)(guang)纖器件。

啁啾光纖光柵傳感器

與光(guang)(guang)(guang)纖(xian)Bragg光(guang)(guang)(guang)柵(zha)傳(chuan)感器的(de)工作原理基本(ben)相同，在(zai)外(wai)(wai)界(jie)物理量的(de)作用下啁啾光(guang)(guang)(guang)纖(xian)光(guang)(guang)(guang)柵(zha)除了△λＢ的(de)變化外(wai)(wai)，還 會引起光(guang)(guang)(guang)譜的(de)展寬。

這種傳感器(qi)在應變(bian)(bian)(bian)和(he)溫度(du)均存在的(de)場合是非(fei)常(chang)有用的(de)，啁啾光纖光柵(zha)由于應變(bian)(bian)(bian)的(de)影響導(dao)致了反射信號的(de)拓寬(kuan)(kuan)和(he)峰值波長的(de)位(wei)移(yi)(yi)，而溫度(du)的(de)變(bian)(bian)(bian)化則由于折(zhe)射率的(de)溫度(du)依賴(lai)性（ｄｎ／ｄＴ），僅(jin)影響重心的(de)位(wei)置。通(tong)過(guo)同時測量(liang)光譜位(wei)移(yi)(yi)和(he)展寬(kuan)(kuan)，就可以同時測量(liang)應變(bian)(bian)(bian)和(he)溫度(du)。

長周期光纖光柵傳感器

長(chang)周(zhou)期光纖(xian)(xian)光柵(zha)（ＬＰＧ）的(de)(de)周(zhou)期一(yi)般(ban)認為有數百微米， ＬＰＧ在特定的(de)(de)波長(chang)上把纖(xian)(xian)芯的(de)(de)光耦合進包層(ceng)：λｉ＝ （ｎ０－ｎｉｃｌａｄ）?Λ 。式(shi)中(zhong)，ｎ０為纖(xian)(xian)芯的(de)(de)折射率，ｎｉｃｌａｄ為ｉ階軸對稱(cheng)包層(ceng)模(mo)的(de)(de)有效折射率。光在包層(ceng)中(zhong)將由于包層(ceng)／空(kong)氣界面的(de)(de)損耗而(er)迅速衰(shuai)減，留下一(yi)串損耗帶。

一(yi)個(ge)獨立(li)的(de)(de)ＬＰＧ可(ke)能(neng)在一(yi)個(ge)很寬的(de)(de)波長(chang)范(fan)圍內有許多的(de)(de)共(gong)振，ＬＰＧ共(gong)振的(de)(de)中心波長(chang)主要取決于(yu)芯和包層(ceng)的(de)(de)折射率差，由應變(bian)、溫度或(huo)外部(bu)折射率變(bian)化(hua)而(er)產生的(de)(de)任何變(bian)化(hua)都能(neng)在共(gong)振中產生大(da)的(de)(de)波長(chang)位移，通(tong)過(guo)檢測△λｉ，就(jiu)可(ke)獲得外界物理量變(bian)化(hua)的(de)(de)信(xin)息。ＬＰＧ在給定波長(chang)上的(de)(de)共(gong)振帶的(de)(de)響應通(tong)常有不同(tong)的(de)(de)幅度，因而(er)ＬＰＧ適(shi)用于(yu)多參數傳(chuan)感器(qi)。

紅外傳感器

紅(hong)外(wai)(wai)技(ji)術(shu)發展到現在，已(yi)經(jing)(jing)為大家所熟知，這種(zhong)技(ji)術(shu)已(yi)經(jing)(jing)在現代科技(ji)、國防和工農業等領(ling)域獲得了廣(guang)泛的(de)應(ying)用。紅(hong)外(wai)(wai)傳感系(xi)統(tong)是用紅(hong)外(wai)(wai)線(xian)為介質的(de)測量系(xi)統(tong)，按照功能能夠分成五類：

（1）輻(fu)射計，用于輻(fu)射和光譜(pu)測(ce)量；

（2）搜索和跟蹤系統，用(yong)于搜索和跟蹤紅外目標(biao)，確定其空間位置并(bing)對它(ta)的運(yun)動進行跟蹤；

（3）熱成(cheng)像(xiang)系(xi)統，可產(chan)生整個目(mu)標(biao)紅(hong)外(wai)輻射的分布(bu)圖像(xiang)；

（4）紅外(wai)測距和通信系統；

（5）混(hun)合(he)系統，是指以上各類系統中的兩個或者多個的組合(he)。

首先了解一下紅外光。

紅外(wai)光是(shi)太陽光譜(pu)的一部分(fen)，紅外(wai)光的特點就是(shi)具(ju)有光熱(re)效應(ying)，輻(fu)射熱(re)量(liang)，它(ta)是(shi)光譜(pu)中(zhong)max光熱(re)效應(ying)區。紅外(wai)光一種不可見光，與(yu)所有電(dian)磁波一樣，具(ju)有反射、折射、散射、干涉、吸收(shou)等性質。紅外(wai)光在真(zhen)空(kong)中(zhong)的傳播速度為3×108m/s。紅外(wai)光在介質中(zhong)傳播會產生衰減，在金(jin)屬中(zhong)傳播衰減很大(da)(da)，但紅外(wai)輻(fu)射能透過大(da)(da)部分(fen)半導(dao)體和(he)一些塑料(liao)，大(da)(da)部分(fen)液體對紅外(wai)輻(fu)射吸收(shou)非常大(da)(da)。

不同的(de)氣(qi)(qi)體(ti)對(dui)(dui)其吸收(shou)程度(du)各不相(xiang)同，大(da)氣(qi)(qi)層對(dui)(dui)不同波長(chang)的(de)紅外(wai)(wai)光存在(zai)不同的(de)吸收(shou)帶。研究分析表明(ming)，對(dui)(dui)于波長(chang)為1——5μm、 8——14μm區域的(de)紅外(wai)(wai)光具(ju)有比較(jiao)(jiao)大(da)的(de)“透(tou)明(ming)度(du)”。即這些(xie)波長(chang)的(de)紅外(wai)(wai)光能較(jiao)(jiao)好地穿透(tou)大(da)氣(qi)(qi)層。

自然界中任何(he)物(wu)體，只(zhi)要其溫度(du)在絕對(dui)零度(du)之上，都能產生紅外(wai)光(guang)輻射。紅外(wai)光(guang)的光(guang)熱效應(ying)對(dui)不同的物(wu)體是各不相同的，熱能強度(du)也不一樣(yang)。

例如(ru)，黑(hei)(hei)體(ti)(ti)(ti)(ti)(能(neng)全部(bu)吸(xi)收投射(she)到其表面的(de)紅外(wai)輻(fu)射(she)的(de)物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti))、鏡(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)(能(neng)全部(bu)反射(she)紅外(wai)輻(fu)射(she)的(de)物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti))、透明體(ti)(ti)(ti)(ti)(能(neng)全部(bu)穿透紅外(wai)輻(fu)射(she)的(de)物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti))和灰體(ti)(ti)(ti)(ti)(能(neng)部(bu)分反射(she)或吸(xi)收紅外(wai)輻(fu)射(she)的(de)物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti))將產(chan)生不同的(de)光熱效應(ying)。嚴(yan)格來講，自然界并(bing)不存在黑(hei)(hei)體(ti)(ti)(ti)(ti)、鏡(jing)體(ti)(ti)(ti)(ti)和透明體(ti)(ti)(ti)(ti)，而絕大(da)部(bu)分物(wu)體(ti)(ti)(ti)(ti)都屬(shu)于灰體(ti)(ti)(ti)(ti)。

上述(shu)這些特性就是把(ba)紅外光輻射技術用(yong)于衛星遙感遙測、紅外跟(gen)蹤等軍(jun)事和科學研究項目的重(zhong)要理論依據。

紅外輻射的基本定律：

(1)基爾霍夫定(ding)律：在一定(ding)溫度下(xia)，地(di)物(wu)單位(wei)面(mian)積上的(de)(de)輻(fu)射通量W和吸(xi)收率(lv)之比(bi)，對于任何物(wu)體都是一個(ge)常(chang)數，并等(deng)于該溫度下(xia)同面(mian)積黑體輻(fu)射通量W。在給(gei)定(ding)的(de)(de)溫度下(xia)，物(wu)體的(de)(de)發射率(lv)=吸(xi)收率(lv)（同一波段）；吸(xi)收率(lv)越(yue)大，發射率(lv)也越(yue)大。

地物的(de)(de)(de)熱(re)輻射強度(du)與溫(wen)度(du)的(de)(de)(de)四次方成(cheng)正比(bi)，所以，地物微(wei)小的(de)(de)(de)溫(wen)度(du)差異就(jiu)會引(yin)起紅外輻射能(neng)量的(de)(de)(de)明(ming)顯變化。這種特征構(gou)成(cheng)了紅外遙感的(de)(de)(de)理論(lun)基礎。

(2)玻耳(er)茲(zi)曼定律(lv)（Stefan-Boltzmann''s law ）：即黑(hei)體總輻(fu)射(she)通量隨(sui)溫度(du)(du)的增加而迅速增加，它(ta)與溫度(du)(du)的四次方成正比(bi)。因此，溫度(du)(du)的微(wei)小變化(hua)，就會引起(qi)輻(fu)射(she)通量密度(du)(du)很大的變化(hua)。是紅(hong)外裝置(zhi)測(ce)定溫度(du)(du)的理論(lun)基(ji)礎。

(3)維恩位移定律(lv)（Wien''s displacement law）：隨(sui)著(zhu)溫度的升高，輻射(she)max值對(dui)應的峰值波長向短波方向移動。

紅外傳感器(qi)(qi)的(de)(de)(de)工作原理并不(bu)復(fu)雜，一個典型的(de)(de)(de)傳感器(qi)(qi)系(xi)統各部分的(de)(de)(de)實體分別是：

（1）待測目標。根據待測目標的(de)(de)紅外(wai)輻射特性可(ke)進行紅外(wai)系統(tong)的(de)(de)設定。

（2）大氣衰減。待測目標的紅外輻射通(tong)過地球大氣層時，由于(yu)氣體分子(zi)和(he)各種氣體以及(ji)各種溶膠粒(li)的散射和(he)吸收(shou)，將使得(de)紅外源發(fa)出的紅外輻射發(fa)生衰減。

（3）光學接收器。它(ta)接(jie)收目標的(de)部分(fen)紅外輻射并(bing)傳(chuan)輸給紅外傳(chuan)感器(qi)。相當(dang)于雷達天線，常(chang)用是(shi)物(wu)鏡。

（4）輻射調制器。對來自(zi)待測目標(biao)的輻(fu)射調(diao)制(zhi)成交變的輻(fu)射光，提供目標(biao)方位(wei)信息，并可濾除(chu)大(da)面積的干(gan)擾(rao)信號。又稱調(diao)制(zhi)盤(pan)和斬波器，它(ta)具有多種結(jie)構(gou)。

（5）紅外探測器。這(zhe)是紅外(wai)系統的(de)(de)核心。它(ta)是利用(yong)紅外(wai)輻射與物(wu)質相互(hu)作用(yong)所呈現(xian)出(chu)來的(de)(de)物(wu)理效(xiao)應探(tan)測紅外(wai)輻射的(de)(de)傳感器，多數情況下是利用(yong)這(zhe)種相互(hu)作用(yong)所呈現(xian)出(chu)來的(de)(de)電學效(xiao)應。此類探(tan)測器可(ke)分(fen)為光子探(tan)測器和熱敏感探(tan)測器兩(liang)大類型(xing)。

（6）探測器制冷器。由于(yu)某(mou)些探測(ce)器必須要在(zai)低(di)溫下工(gong)作，所以(yi)相(xiang)應的(de)系統必須有制(zhi)冷設(she)備。經(jing)過制(zhi)冷，設(she)備可以(yi)縮短響應時間，提高探測(ce)靈敏度。

（7）信號處理系統。將(jiang)探測的(de)信號進行放大、濾波(bo)，并從(cong)這些信號中提取出信息。然后將(jiang)此類信息轉化成為所需要的(de)格式，最后輸送到控(kong)制(zhi)設備(bei)或者顯(xian)示(shi)器中。

（8）顯示設備。這是紅外(wai)設(she)備的終(zhong)端設(she)備。常用(yong)的顯示器(qi)有示波器(qi)、顯像管、紅外(wai)感光材料、指示儀器(qi)和記錄儀等(deng)。

依照上面的(de)流程，紅外(wai)系(xi)統就可以完成相應的(de)物理(li)量的(de)測量。紅外(wai)系(xi)統的(de)核心(xin)是紅外(wai)探(tan)(tan)測器(qi)，按(an)照探(tan)(tan)測的(de)機理(li)的(de)不同，可以分為熱探(tan)(tan)測器(qi)和光(guang)子(zi)探(tan)(tan)測器(qi)兩大類。

熱探測器(qi)(qi)對入射(she)的(de)各種(zhong)波(bo)長(chang)的(de)輻射(she)能量全部吸(xi)收，它是一種(zhong)對紅(hong)外光(guang)(guang)波(bo)無選(xuan)擇的(de)紅(hong)外傳(chuan)感器(qi)(qi)。光(guang)(guang)子探測器(qi)(qi)常用的(de)光(guang)(guang)子效(xiao)應(ying)(ying)有外光(guang)(guang)電效(xiao)應(ying)(ying)、內(nei)光(guang)(guang)電效(xiao)應(ying)(ying)(光(guang)(guang)生伏特效(xiao)應(ying)(ying)、光(guang)(guang)電導效(xiao)應(ying)(ying))和光(guang)(guang)電磁(ci)效(xiao)應(ying)(ying)。

熱(re)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)是(shi)利(li)用輻(fu)射熱(re)效應，使探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)元件(jian)接(jie)收到(dao)輻(fu)射能后(hou)引起溫(wen)度升高，進(jin)而使探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)中依賴于(yu)溫(wen)度的(de)(de)性能發生變化(hua)。檢測(ce)(ce)(ce)其(qi)中某一性能的(de)(de)變化(hua)，便可(ke)(ke)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)出輻(fu)射。多(duo)數情況(kuang)下(xia)是(shi)通過(guo)熱(re)電(dian)變化(hua)來探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)輻(fu)射的(de)(de)。當元件(jian)接(jie)收輻(fu)射，引起非電(dian)量(liang)(liang)(liang)(liang)的(de)(de)物理(li)變化(hua)時，可(ke)(ke)以通過(guo)適當的(de)(de)變換(huan)后(hou)測(ce)(ce)(ce)量(liang)(liang)(liang)(liang)相應的(de)(de)電(dian)量(liang)(liang)(liang)(liang)變化(hua)。熱(re)敏(min)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)對紅外輻(fu)射的(de)(de)響應時間(jian)比光電(dian)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)的(de)(de)響應時間(jian)要(yao)長得多(duo)。前者(zhe)的(de)(de)響應時間(jian)一般在ms以上(shang)，而后(hou)者(zhe)只(zhi)有ns量(liang)(liang)(liang)(liang)級。熱(re)探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)不需(xu)要(yao)冷卻，光子探(tan)(tan)測(ce)(ce)(ce)器(qi)多(duo)數要(yao)冷卻。

紅外探測器主要技術參數有下列幾項：

(1)響應率

所(suo)謂(wei)紅外探測器的響應率(lv)就(jiu)是其輸出(chu)電壓與輸入的紅外輻射(she)功率(lv)之比

式中 r — 響應率(lv)(lv)(V/W)；U0 — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻(fu)射功率(lv)(lv)(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(you)一定(ding)的關系，熱敏紅外探測器響應率r與波長λ無關。

λP對應響應峰(feng)值rP，rP /2于對應為截止(zhi)波長λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)等(deng)(deng)(deng)效功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)又稱(cheng)min可測(ce)(ce)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)。使探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)輸出的(de)(de)信(xin)(xin)號(hao)等(deng)(deng)(deng)于噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)電(dian)(dian)壓或電(dian)(dian)流所需的(de)(de)入射(she)信(xin)(xin)號(hao)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)，是衡量光電(dian)(dian)探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)接收弱信(xin)(xin)號(hao)能力的(de)(de)性(xing)能參數。該功(gong)(gong)(gong)串在探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)上產生(sheng)的(de)(de)電(dian)(dian)信(xin)(xin)號(hao)等(deng)(deng)(deng)于探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)本身的(de)(de)噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)，因此是產生(sheng)單位信(xin)(xin)噪(zao)(zao)(zao)比(bi)所需的(de)(de)輻(fu)射(she)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)。NEP愈(yu)(yu)小(xiao)，探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)的(de)(de)性(xing)能愈(yu)(yu)好。信(xin)(xin)號(hao)輻(fu)射(she)功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)小(xiao)于噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)等(deng)(deng)(deng)效功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)，則(ze)探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)信(xin)(xin)號(hao)輸出小(xiao)于噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)。這就(jiu)意味著探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)將無法(fa)感知目標輻(fu)射(she)。所以噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)等(deng)(deng)(deng)效功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)實際上就(jiu)是探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)能夠探(tan)(tan)(tan)知的(de)(de)min目標輻(fu)射(she)，標志著一(yi)個(ge)探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)的(de)(de)靈(ling)敏度。噪(zao)(zao)(zao)聲(sheng)等(deng)(deng)(deng)效功(gong)(gong)(gong)率(lv)(lv)愈(yu)(yu)小(xiao)，靈(ling)敏度愈(yu)(yu)高(gao)。NEP與探(tan)(tan)(tan)測(ce)(ce)器(qi)(qi)相應譜段(duan)、調制(zhi)頻率(lv)(lv)、工作(zuo)溫度、偏置(zhi)。光敏面積、張角等(deng)(deng)(deng)條件(jian)有(you)關(guan)。

光纖陀螺儀傳感器

光纖陀螺儀是隨著光纖技術的迅速發展而出現的一種新型光纖旋轉傳感器。它是以光(guang)(guang)(guang)導(dao)纖(xian)維(wei)線(xian)圈(quan)為基(ji)礎的敏(min)感元件(jian)，由(you)激光(guang)(guang)(guang)二極(ji)管發(fa)射出(chu)的光(guang)(guang)(guang)線(xian)朝兩個方向沿光(guang)(guang)(guang)導(dao)纖(xian)維(wei)傳(chuan)播(bo)。光(guang)(guang)(guang)傳(chuan)播(bo)路(lu)徑的變，決定了敏(min)感元件(jian)的角位(wei)移。陀(tuo)螺儀傳(chuan)感器(qi)主要由(you)光(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)、探測器(qi)等有(you)源(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)和光(guang)(guang)(guang)纖(xian)耦合器(qi)、相位(wei)調制(zhi)器(qi)等無(wu)源(yuan)(yuan)器(qi)件(jian)以及光(guang)(guang)(guang)纖(xian)組(zu)成。

光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)傳感器的(de)分(fen)類(lei)方式有多種，依照工(gong)作原(yuan)理可(ke)(ke)分(fen)為(wei)干涉型(xing)、諧振式以及受激布里淵散射(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)三類(lei)；按電信(xin)號處理方式不同可(ke)(ke)分(fen)為(wei)開(kai)環光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)和(he)閉(bi)環光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)；按結構又可(ke)(ke)分(fen)為(wei)單(dan)軸光(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)和(he)多軸光(guang)(guang)(guang)(guang)線陀(tuo)(tuo)螺儀(yi)等。

陀螺(luo)儀(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)具有質量(liang)輕、體(ti)積下(xia)、成(cheng)本(ben)低、精度高(gao)、可(ke)靠(kao)性高(gao)等優勢(shi)，這(zhe)些突出特(te)點使(shi)其在航天(tian)航空、機載(zai)系統和軍事技術上的應用(yong)十分理想，因此受到(dao)用(yong)戶特(te)別(bie)是軍隊的高(gao)度重視，以美(mei)、日、法為主(zhu)體(ti)的陀螺(luo)儀(yi)傳(chuan)感(gan)器(qi)研究工作已取得(de)很大的進展。

激光位移傳感器

激光(guang)位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器能夠利用激光(guang)的(de)(de)(de)(de)高方向性(xing)、高單色(se)性(xing)和高亮度(du)等特點可實現無接觸遠距(ju)離測量。激光(guang)位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器（磁致(zhi)伸縮位(wei)(wei)移(yi)傳(chuan)感(gan)器）就是利用激光(guang)的(de)(de)(de)(de)這些優點制成的(de)(de)(de)(de)新型測量儀表，它的(de)(de)(de)(de)出現，使位(wei)(wei)移(yi)測量的(de)(de)(de)(de)精度(du)、可靠性(xing)得到大大的(de)(de)(de)(de)提高，也(ye)為非接觸位(wei)(wei)移(yi)測量提供了有效的(de)(de)(de)(de)測量方法。

激光(guang)位(wei)移傳感器因其較高的(de)測量(liang)精度和非接(jie)觸測量(liang)特性，廣泛應用于高校和研究機(ji)構、汽車(che)工(gong)(gong)業(ye)(ye)、機(ji)械制造(zao)工(gong)(gong)業(ye)(ye)、航空與軍(jun)事(shi)工(gong)(gong)業(ye)(ye)、冶金和材料工(gong)(gong)業(ye)(ye)的(de)精密測量(liang)檢測。

激光位移(yi)(yi)傳感器可精確非接觸(chu)測量被(bei)測物體(ti)的位置(zhi)、位移(yi)(yi)等變化，主要應用(yong)于檢測物的位移(yi)(yi)、厚(hou)度、振動、距離(li)、直徑等幾(ji)何量的測量。

按照測(ce)量(liang)原理(li),激(ji)光(guang)位移傳感器原理(li)分為激(ji)光(guang)三(san)角(jiao)測(ce)量(liang)法(fa)和激(ji)光(guang)回波分析法(fa),激(ji)光(guang)三(san)角(jiao)測(ce)量(liang)法(fa)一般適用于高精度、短距離的測(ce)量(liang)，而激(ji)光(guang)回波分析法(fa)則用于遠距離測(ce)量(liang)。

下面分別介(jie)紹激光位移傳感器的(de)兩種測(ce)量原理(li)。

激光位移傳感器的測量原理

1、激光三角法測量原理

半導(dao)體激光器1被(bei)鏡片2聚(ju)焦到被(bei)測物體6。反射(she)光被(bei)鏡片3收集，投射(she)到CCD陣列(lie)4上;信號處理器5通過三角函(han)數計算(suan)陣列(lie)4上的(de)光點位置(zhi)得到距物體的(de)距離。

激光(guang)發射器(qi)通過鏡(jing)頭(tou)將可(ke)見紅(hong)色激光(guang)射向物(wu)體(ti)表面(mian)，經(jing)物(wu)體(ti)反射的(de)(de)(de)激光(guang)通過接(jie)受器(qi)鏡(jing)頭(tou)，被內部的(de)(de)(de)CCD線性(xing)相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)接(jie)受，根據(ju)不同(tong)的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)，CCD線性(xing)相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)可(ke)以在不同(tong)的(de)(de)(de)角度(du)下“看見”這個光(guang)點。根據(ju)這個角度(du)即知的(de)(de)(de)激光(guang)和(he)相(xiang)(xiang)機(ji)(ji)之(zhi)間的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)，數字(zi)信號(hao)處理器(qi)就能計算出傳感器(qi)和(he)被測(ce)物(wu)之(zhi)間的(de)(de)(de)距(ju)(ju)離(li)。

同時(shi)，光(guang)束在(zai)接收元(yuan)件的位置通過模(mo)(mo)擬和數(shu)字電路(lu)處(chu)理(li)，并通過微處(chu)理(li)器分析，計算出(chu)(chu)相應(ying)的輸(shu)出(chu)(chu)值，并在(zai)用戶設定(ding)的模(mo)(mo)擬量(liang)窗口(kou)內(nei)，按(an)比例輸(shu)出(chu)(chu)標準(zhun)數(shu)據信號(hao)。如果使(shi)用開(kai)關量(liang)輸(shu)出(chu)(chu)，則在(zai)設定(ding)的窗口(kou)內(nei)導通，窗口(kou)之外截(jie)止(zhi)。另(ling)外，模(mo)(mo)擬量(liang)與開(kai)關量(liang)輸(shu)出(chu)(chu)可(ke)設置獨立檢測窗口(kou)。

2、激光回波分析法測量原理

激(ji)光位移傳(chuan)感(gan)器(qi)采用回(hui)波(bo)分(fen)析原理(li)來測量距離(li)可以達到一定程度(du)的(de)精度(du)。傳(chuan)感(gan)器(qi)內部(bu)是(shi)由處(chu)理(li)器(qi)單元、回(hui)波(bo)處(chu)理(li)單元、激(ji)光發(fa)(fa)射(she)器(qi)、激(ji)光接(jie)受器(qi)等部(bu)分(fen)組成。激(ji)光位移傳(chuan)感(gan)器(qi)通過激(ji)光發(fa)(fa)射(she)器(qi)每秒發(fa)(fa)射(she)一百(bai)萬個脈(mo)沖(chong)到檢(jian)測物并(bing)返回(hui)至接(jie)收器(qi)，處(chu)理(li)器(qi)計算激(ji)光脈(mo)沖(chong)遇到檢(jian)測物并(bing)返回(hui)接(jie)收器(qi)所需時間，以此計算出距離(li)值，該輸出值是(shi)將上千次的(de)測量結果進行的(de)平均輸出。

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