光纤传感器图像传感器

问 题 思 考 ： 数 控 机 床 如 何 判 断 主 轴 上 有 无 刀 具 ? 新 型 传 感 器的 应 用光 纤 传 感 器的 应 用 红 外 传 感 器的 应 用 图 像 传 感 器的 应 用 光 导 纤 维 能 够 大 容 量 、 高 效 率 地 传 输 光 信 号 ， 实 现 了 以光 代 电 传 输 信 息 。 它 自 问 世 以 来 ， 主 要 应 用 于 通 信 领 域 ，由 此 形 成 的 光 纤 通 信 发 生 革 命 性 的 变 化 。 在 检 测 领 域 中 将光 导 纤 维 的 应 用 与 传 统 的 光 电 检 测 技 术 相 结 合 就 产 生 了 一种 新 传 感 器 光 导 纤 维 传 感 器 ， 简 称 光 纤 传 感 器 。 1、 光 纤 的 结 构 所 谓 光 导 纤 维 是 一 种 传 输 光 信 息 的 导 光 纤 维 。 它 由 导 光的 芯 体 玻 璃 （ 简 称 纤 芯 ） 和 包 层 组 成 ， 纤 芯 位 于 光 纤 的 中心 部 位 ， 其 直 径 约 为 5 100m， 包 层 可 用 玻 璃 或 塑 料 制 成。 包 层 外 面 常 有 塑 料 或 橡 胶 的 外 套 ， 它 保 护 纤 芯 和 包 层 并使 光 纤 具 有 一 定 的 机 械 强 度 。 图 7.1 光 纤 的 基 本 结 构5 100m 1、 光 纤 的 结 构 图 7.2 光 在 光 导 纤 维 中 的 传 输 光 主 要 在 纤 芯 中 传 输 ， 光 纤 的 导 光 能 力 主 要 取 决 于 纤芯 和 包 层 的 性 质 ， 即 它 们 的 折 射 率 。 纤 芯 的 折 射 率 （ n1）稍 大 于 包 层 的 折 射 率 （ n2） 。 典 型 的 数 值 是 n1=1.461.51，n2=1.441.50。 1、 光 纤 的 结 构 由 于 纤 芯 和 包 层 构 成 一 个 同 心 圆 双 层 结 构 。 当 入 射 光 从 纤 芯 （ 光 密 物 质 ） 射 向 包 层 （ 光 疏 物 质 ）， 因 入 射 角 大 于 全 反 射 临 界 角 ， 入 射 光 不 再 进 入 包 层 ， 全部 在 内 外 层 的 交 界 面 反 射 ， 即 产 生 全 反 射 ， 所 以 可 以 保 证入 射 到 光 纤 内 的 光 波 集 中 在 纤 芯 内 传 输 。光 纤 芯 包 层 涂 敷 层 n1n2n0 n1n2n0 2、 光 纤 传 感 器 与 电传 感 器 的 区 别 以 电 为 基 础 的 传 统 传感 器 是 一 种 把 测 量 的 状 态转 变 为 可 测 的 电 信 号 的 装置 。 它 的 电 源 、 敏 感 元 件 、信 号 接 收 和 处 理 系 统 以 及信 息 传 输 均 用 金 属 导 线 连接 ， 见 图 (a)。 光 纤 传 感 器 则 是 一 种把 被 测 量 的 状 态 转 变 为 可测 的 光 信 号 的 装 置 。 由 光发 送 器 、 敏 感 元 件 (光 纤 或非 光 纤 的 )、 光 接 收 器 、 信号 处 理 系 统 以 及 光 纤 构 成 ，见 图 (b)。 光 纤信 号 处 理 光 接 收 器 敏 感 元 件光 发 送 器（ b） 光 纤 传 感 器信 号 处 理 电 源信 号 接 收 敏 感 元 件（ a） 传 统 传 感 器 导 线 3、 光 纤 传 感 器 工 作 原 理 由 光 发 送 器 发 出 的 光 经 光 纤 引 导 至 敏 感 元件 。 这 时 ， 光 的 某 一 性 质 受 到 被 测 物 理 量 的 调制 ， 调 制 后 的 光 经 接 收 光 纤 传 到 光 接 收 器 ， 使光 信 号 变 为 电 信 号 ， 最 后 经 信 号 处 理 得 到 所 待测 物 理 量 的 值 。 信 号 处 理 光 受 信 器 光 纤 敏 感 元 件光 发 送 器 光 纤 被 测 物 理 量调 制 后 光 波 4、 光 纤 传 感 器 的 类 型 功 能 型非 功 能 型 由 于 光 纤 既 是 一 种 电 光 材 料 又 是 一 种 磁 光 材 料 ，它 与 电 和 磁 存 在 某 些 相 互 作 用 的 效 应 ， 因 此 它 具 有“ 传 ” 和 “ 感 ” 的 两 种 功 能 。按 照 光 纤 在 传 感 器 中 的 作 用 ， 光 纤 传 感 器 可 分 为 传光 型 和 功 能 型 两 种 类 型 。 1） 功 能 型 （ 全 光 纤 型 ） 光 纤 传 感 器 利 用 对 外 界 信 息 具 有 敏 感 能 力 和 检 测 能 力 的 光纤 (或 特 殊 光 纤 )作 传 感 元 件 ， 将 “ 传 ” 和 “ 感 ” 合为 一 体 的 传 感 器 。 光 纤 不 仅 起 传 光 作 用 ， 而 且 还 利 用 光 纤 在 外 界因 素 (弯 曲 、 形 变 )的 作 用 下 ， 其 光 学 特 性 (光 强 、 相位 、 偏 振 态 等 )的 变 化 来 实 现 “ 传 ” 和 “ 感 ” 的 功能 。 因 此 ， 传 感 器 中 光 纤 是 连 续 的 。 由 于 光 纤 连 续， 可 通 过 增 加 其 长 度 ， 提 高 灵 敏 度 。 信 号 处 理 光 受 信 器 光 纤 敏 感 元 件光 发 送 器 1） 功 能 型 （ 全 光 纤 型 ） 光 纤 传 感 器 特 点 ： 光 在 光 纤 内 受 被 测 物 理 量 调 制 。 优 点 ： 结 构 紧 凑 、 灵 敏 度 高 。 缺 点 ： 须 用 特 殊 光 纤 ， 成 本 高 ， 典 型 例 子 ： 光 纤 陀 螺 、 光 纤 水 听 器 等 。 2） 传 光 型 光 纤 传 感 器 特 点 ： 光 纤 在 其 中 仅 起 导 光 作 用 ， 只 “ 传 ” 不“ 感 ” ， 对 外 界 信 息 的 “ 感 觉 ” 功 能 依 靠 其 他物 理 性 质 的 功 能 元 件 完 成 。 优 点 ： 无 需 特 殊 光 纤 及 其 他 特 殊 技 术 ， 比 较 容 易 实 现 ， 成 本 低 。缺 点 ： 灵 敏 度 较 低 。实 用 化 的 大 都 是 非 功 能 型 的 光 纤 传 感 器 。 光 纤 位 移 传 感 器 一 般 用来 测 量 小 位 移 。 最 小 能 检 测零 点 几 微 米 的 位 移 量 。 如 图7.4所 示 的 微 小 位 移 传 感 器是 一 种 传 光 型 光 纤 传 感 器 ，光 从 光 源 耦 合 到 发 射 光 缆 ，照 射 到 被 测 物 表 面 ， 再 被 反射 回 接 收 光 缆 ， 最 后 由 光 敏组 件 接 收 。 这 两 股 光 缆 在 接近 被 测 物 之 前 汇 合 成 Y型 ，汇 合 后 的 光 纤 端 面 被 仔 细 磨平 抛 光 。 图 7.4 光 纤 位 移 传 感 器 原 理 图 光 源 发 射 光 缆接 收 光 缆光 敏 组 件 图 7.5是 接 收 的 相 对 光强 与 距 离 d的 关 系 ， 峰 值 以左 的 线 段 1具 有 良 好 的 线 性， 可 用 测 量 得 到 的 光 强 值来 检 测 位 移 。 所 用 光 缆 中的 光 纤 可 达 数 百 根 ， 可 测几 百 微 米 的 小 位 移 。 图 7.5 光 纤 位 移 传 感 器 特 性 曲 线 在 本 课 题 中 ， 要 理 解 光 纤 传 感 器 的 定 义 ； 熟 悉光 纤 传 感 器 的 基 本 结 构 ； 掌 握 光 纤 传 感 器 的 分 类及 其 工 作 原 理 ； 了 解 光 纤 位 移 传 感 器 进 行 微 小 位移 的 测 量 ； 了 解 不 同 类 型 的 光 纤 传 感 器 测 量 相 应物 理 量 的 方 法 。 图 像 传 感 器 是 20世 纪 70年 代 发 展 起 来 的 一 种 新型 传 感 器 ， 它 利 用 光 敏 元 器 件 的 光 电 转 换 功 能， 将 元 器 件 感 光 面 上 感 受 到 的 光 线 图 像 转 换 为 与光 像 成 一 定 比 例 关 系 的 电 信 号 ， 并 作 相 应 处 理 后输 出 的 一 种 功 能 器 件 。 它 能 够 实 现 图 像 信 息 的 获取 、 转 换 和 视 觉 功 能 的 扩 展 。 图 7.20 常 见 图 像 传 感 器 实 物 外 形 图 1、 光 电 效 应 通 常 把 光 线 照 射 到 某 个 物 体 上 ， 物 体 吸 收 光线 中 的 能 量 而 发 生 相 应 电 效 应 的 物 理 现 象 称 为 光电 效 应 。 光 电 效 应 可 分 为 内 光 电 效 应 与 外 光 电 效 应 。 内光 电 效 应 是 吸 收 外 部 光 线 中 的 能 量 后 ， 带 电 微 粒仍 在 物 体 内 部 运 动 ， 只 是 使 物 体 的 导 电 性 发 生 了较 大 变 化 的 现 象 ， 它 是 半 导 体 图 像 传 感 器 的 核 心技 术 ； 1、 光 电 效 应 外 光 电 效 应 则 是 受 外 来 光 线 中 能 量 激 发 的 电子 逃 逸 出 物 体 表 面 ， 形 成 空 间 中 的 众 多 自 由 电 子的 现 象 ， 真 空 摄 像 管 、 图 像 增 强 器 等 元 器 件 根 据这 一 原 理 工 作 。 可 见 ， 光 电 效 应 是 图 像 检 测 的 基础 。 2、 图 像 检 测 系 统 组 成 光 辐 射 图 像 图 像 传 感 器 视 频 信 号 图 像 处 理 显 示图 7.21 图 像 传 感 器 在 图 像 检 测 系 统 中 的 作 用 图 像 检 测 系 统 是 采 用 图 像 传 感 器 摄 取 图 像 ，利 用 转 换 电 路 将 其 转 化 为 数 字 信 号 ， 再 用 计 算 机硬 件 对 信 号 进 行 处 理 ， 得 到 需 要 的 最 终 图 像 或 通过 识 别 、 计 算 后 获 取 进 一 步 信 息 的 检 测 系 统 。 作 为 “ 光 电 ” 转 换 关 键 环 节 的 图 像 传 感 器， 无 疑 在 其 中 扮 演 着 重 要 角 色 。 固 态 图 像 传 感 器 是 数 码 相 机 、 数 码 摄 像 机 的 关键 零 件 ， 因 常 用 于 摄 像 领 域 ， 又 被 称 为 摄 像 管 。 它在 工 业 测 控 、 字 符 阅 读 、 图 像 识 别 、 医 疗 仪 器 等 方面 得 到 广 泛 应 用 。 固 态 图 像 传 感 器 要 求 具 有 两 个 基 本 功 能 ： 一 是 具有 把 光 信 号 转 换 为 电 信 号 的 功 能 ； 二 是 具 有 将 平 面图 像 上 的 像 素 进 行 点 阵 取 样 ， 并 将 其 按 时 间 取 出 的扫 描 功 能 。3、 固 态 图 像 传 感 器 目 前 ， 固 态 图 像 传 感 器 主 要 分 为 三 类 ，即 电 荷 耦 合 式 图 像 传 感 器 （ CCD） 、 CMO S图 像 传 感 器 和 接 触 式 摄 像 传 感 器 （ CIS） 等， 前 两 种 类 型 占 据 市 场 主 流 。 3、 固 态 图 像 传 感 器 图 7.22 固 态 图 像 传 感 器 4、 CCD图 像 传 感 器 CCD是 英 文 Charge Coupled Devices的 缩 写 ， 中文 通 常 将 其 译 成 “ 电 荷 耦 合 器 件 ” 。 从 结 构 上 ，CCD可 分 为 线 阵 CCD和 面 阵 CCD两 种 。 图 7.23 CCD图 像 传 感 器 输 出转 移 栅光 敏 面 存 储 区 （ 遮 光 ）图 7.24 线 阵 CCD器 件 芯 片 结 构 示 意 图 4、 CCD图 像 传 感 器 典 型 的 面 阵 CCD按 电 荷 转 移 和 读 出 方 式 的不 同 ， 分 为 帧 转 移 型 CCD（ FTCCD） 和 行 间转 移 型 CCD（ ILTCCD） 输 出光敏区 存储区水 平 寄 存 器 转 移 栅垂 直 寄 存 器光 敏 区输 出图 7.25 面 阵 CCD芯 片 结 构 示 意 图 (a) FTCCD (b) ILTCCD 项 目 名 称 ： 用 线 阵 CCD传 感 器 测 量 工 件 尺 寸 图 7.26 线 阵 CCD传 感 器 测 量 工 件 尺 寸 示 意 图 通 常 ， 快 速 自 动 检 测 工 件 尺 寸 系 统 有 一 个 测 量 台 ， 在 其 上 装 有 光 学系 统 、 图 像 传 感 器 和 微 处 理 机 等 。 如 图 7.26所 示 ， 被 测 工 件 成 像 在 CCD图 像 传 感 器 的 光 敏 数 组 上 ， 产 生 工 件 轮 廓 的 光 学 边 缘 。 时 钟 和 扫 描 脉 冲电 路 对 每 个 光 敏 元 顺 次 询 问 ， 视 频 输 出 反 馈 送 到 脉 冲 计 数 器 ， 并 把 时 钟选 送 入 脉 冲 计 数 器 ， 启 动 数 组 扫 描 的 扫 描 脉 冲 也 用 来 把 计 数 器 重 定 到 零。 复 位 之 后 ， 计 数 器 计 算 和 显 示 由 视 频 脉 冲 选 通 的 总 时 钟 脉 冲 数 。 显 示数 N就 是 工 件 成 像 覆 盖 的 光 敏 元 数 目 ， 根 据 该 数 目 来 计 算 工 件 尺 寸 。 在 本 课 题 中 ， 要 理 解 图 像 传 感 器 的 定 义 ； 熟 悉 CCD传感 器 的 基 本 结 构 和 分 类 ； 熟 练 应 用 线 阵 CCD图 像 传 感 器 进行 工 件 尺 寸 的 测 量 ； 了 解 不 同 类 型 的 固 态 图 像 传 感 器 及 其应 用 场 合 。