光柵傳感器

光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。

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)和測量系統(tǒng)四部分組成。標(biāo)尺光柵相對于指示光柵移動時，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運(yùn)動速度移動，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，通過放大、整形、辨向和計(jì)數(shù)系統(tǒng)產(chǎn)生數(shù)字信號輸出，直接顯示被測的位移量。

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，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)光的峰值波長為 ，與硅光敏三極管的峰值波長接近，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。兩者柵線間會錯開一個很小的夾角 ，以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動的，它可以單獨(dú)地移動，也可以隨被測物體而移動，其長度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。

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，其長度由受光體的排列長度決定，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：受光元件是用來感知主光柵在移動時產(chǎn)生莫爾條紋的移動，從而測量位移量。在選擇光敏元件時，要考慮靈敏度、響應(yīng)時間、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微小的夾角θ，如下圖所示。

當(dāng)有光源照射時，由于擋光效應(yīng)（對刻線密度≤50條／mm的光柵）或光的衍射作用（對刻線密度≥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，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開的地方，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：

（K稱為放大倍數(shù)）。

當(dāng)指示光柵不動，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移動時，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動；光柵反向移動，莫爾條紋也反向移動。

主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋也相應(yīng)移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動，就能測量光柵移動的大小和方向，這要比直接對光柵進(jìn)行測量容易得多。

當(dāng)主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距。當(dāng)兩個光柵刻線夾角θ較小時，由上述公式可知，W一定時，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)高靈敏度的位移測量。

莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對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量精度。因此，計(jì)量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。

光柵傳感器的特點(diǎn)

1、精度高。

光柵式傳感器在大量程測量長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)測量方面，光柵式傳感器屬于精度最高的；

2、大量程測量兼有高分辨力。
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)動態(tài)測量，易于實(shí)現(xiàn)測量及數(shù)據(jù)處理的自動化；

4、具有較強(qiáng)的抗干擾能力，對環(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摻雜光纖時，在纖芯內(nèi)產(chǎn)生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成永久性空間的相位，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)過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產(chǎn)生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續(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 會引起光譜的展寬。

這種傳感器在應(yīng)變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應(yīng)變的影響導(dǎo)致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，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。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應(yīng)變和溫度。

長周期光纖光柵傳感器：

長周期光纖光柵（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。

一個獨(dú)立的ＬＰＧ可能在一個很寬的波長范圍內(nèi)有許多的共振，ＬＰＧ共振的中心波長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)生大的波長位移，通過檢測△λｉ，就可獲得外界物理量變化的信息。ＬＰＧ在給定波長上的共振帶的響應(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它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；

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

（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；

（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。

首先了解一下紅外光。

紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的最大特點(diǎn)就是具有光熱效應(yīng)，輻射熱量，它是光譜中最大光熱效應(yīng)區(qū)。紅外光一種不可見光，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)中傳播會產(chǎn)生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導(dǎo)體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。

不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為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，只要其溫度在絕對零度之上，都能產(chǎn)生紅外光輻射。紅外光的光熱效應(yīng)對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、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，對于任何物體都是一個常數(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，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎(chǔ)。

(3)維恩位移定律（Wien''s displacement law）：隨著溫度的升高，輻射最大值對應(yīng)的峰值波長向短波方向移動。
紅外傳感器的工作原理并不復(fù)雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實(shí)體分別是：

（1）待測目標(biāo)。根據(jù)待測目標(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。待測目標(biāo)的紅外輻射通過地球大氣層時，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。對來自待測目標(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。又稱調(diào)制盤和斬波器，它具有多種結(jié)構(gòu)。    

（5）紅外探測器。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)出來的物理效應(yīng)探測紅外輻射的傳感器，多數(shù)情況下是利用這種相互作用所呈現(xiàn)出來的電學(xué)效應(yīng)。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。

（6）探測器制冷器。由于某些探測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)過制冷，設(shè)備可以縮短響應(yīng)時間，提高探測靈敏度。

（7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進(jìn)行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。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)的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機(jī)理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。

熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應(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)。

熱探測器是利用輻射熱效應(yīng)，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進(jìn)而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數(shù)情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當(dāng)元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當(dāng)?shù)淖儞Q后測量相應(yīng)的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應(yīng)時間比光電探測器的響應(yīng)時間要長得多。前者的響應(yīng)時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數(shù)要冷卻。
紅外探測器主要技術(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)波長范圍

紅外探測器的響應(yīng)率與入射輻射的波長有一定的關(guān)系，如右圖所示。曲線①為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應(yīng)率r與波長λ無關(guān)。光電探測器的分譜響應(yīng)如圖中曲線②所示。

λP對應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP /2于對應(yīng)為截止波長λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪聲等效功率又稱最小可測功率。使探測器輸出的信號等于噪聲電壓或電流所需的入射信號功率，是衡量光電探測器接收弱信號能力的性能參數(shù)。該功串在探測器上產(chǎn)生的電信號等于探測器本身的噪聲，因此是產(chǎn)生單位信噪比所需的輻射功率。NEP愈小，探測器的性能愈好。信號輻射功率小于噪聲等效功率，則探測器信號輸出小于噪聲。這就意味著探測器將無法感知目標(biāo)輻射。所以噪聲等效功率實(shí)際上就是探測器能夠探知的最小目標(biāo)輻射，標(biāo)志著一個探測器的靈敏度。噪聲等效功率愈小，靈敏度愈高。NEP與探測器相應(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)。

熱釋紅外傳感器

隨著社會的發(fā)展，各種方便于生活的自動控制系統(tǒng)開始進(jìn)入了人們的生活，以熱釋電紅外傳感器為核心的自動門系統(tǒng)就是其中之一。

熱釋電紅外傳感器是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合慮光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。

熱釋電紅外傳感器原理：

1.熱釋電紅外傳感器的原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基于熱電效應(yīng)原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于熱電偶，其內(nèi)部的熱電元由高熱電系數(shù)的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成，其極化隨溫度的變化而變化。為了抑制因自身溫度變化而產(chǎn)生的干擾該傳感器在工藝上將兩個特征一致的熱電元反向串聯(lián)或接成差動平衡電路方式，因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結(jié)構(gòu)上引入場效應(yīng)管的目的在于完成阻抗變換。由于熱電元輸出的是電荷信號，并不能直接使用因而需要用電阻將其轉(zhuǎn)換為電壓形式該電阻阻抗高達(dá)104MΩ，故引入的N溝道結(jié)型場效應(yīng)管應(yīng)接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、干涉濾光片和場效應(yīng)管匹配器三部分組成。設(shè)計(jì)時應(yīng)將高熱電材料制成一定厚度的薄片，并在它的兩面鍍上金屬電極，然后加電對其進(jìn)行極化，這樣便制成了熱釋電探測元。由于加電極化的電壓是有極性的，因此極化后的探測元也是有正、負(fù)極性的。

2.被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

人體都有恒定的體溫，一般在37度，所以會發(fā)出特定波長10UM左右的紅外線，被動式紅外探頭就是靠探測人體發(fā)射的10UM左右的紅外線而進(jìn)行工作的。人體發(fā)射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強(qiáng)后聚集到紅外感應(yīng)源上。紅外感應(yīng)源通常采用熱釋電元件，這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發(fā)生變化時就會失去電荷平衡，向外釋放電荷，后續(xù)電路經(jīng)檢測處理后就能產(chǎn)生報(bào)警信號。

1)這種探頭是以探測人體輻射為目標(biāo)的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感，在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片，使環(huán)境的干擾受到明顯的控制作用。

3)被動紅外探頭，其傳感器包含兩個互相串聯(lián)或并聯(lián)的熱釋電元。而且制成的兩個電極化方向正好相反，環(huán)境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用，使其產(chǎn)生釋電效應(yīng)相互抵消，于是探測器無信號輸出。

4)一旦人侵入探測區(qū)域內(nèi)，人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦，并被熱釋電元接收，但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同，熱釋電也不同，不能抵消，經(jīng)信號處理而報(bào)警。

5)菲泥爾濾光片根據(jù)性能要求不同，具有不同的焦距（感應(yīng)距離），從而產(chǎn)生不同的監(jiān)控視場，視場越多，控制越嚴(yán)密。

3.熱釋電效應(yīng)

當(dāng)一些晶體受熱時，在晶體兩端將會產(chǎn)生數(shù)量相等而符號相反的電荷，這種由于熱變化產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，被稱為熱釋電效應(yīng)。通常，晶體自發(fā)極化所產(chǎn)生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和，其自發(fā)極化電矩不能表現(xiàn)出來。當(dāng)溫度變化時，晶體結(jié)構(gòu)中的正負(fù)電荷重心相對移位，自發(fā)極化發(fā)生變化，晶體表面就會產(chǎn)生電荷耗盡，電荷耗盡的狀況正比于極化程度。

能產(chǎn)生熱釋電效應(yīng)的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件，其常用的材料有單(LiTaO3 等)、壓電陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

根據(jù)菲涅耳原理制成，把紅外光線分成可見區(qū)和盲區(qū)，同時又有聚焦的作用，使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式，其作用一是聚焦作用，將熱釋的紅外信號折射（反射）在PIR上；二是將檢測區(qū)內(nèi)分為若干個明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入檢測區(qū)的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號，這樣PIR就能產(chǎn)生變化電信號。

如果我們在熱電元件接上適當(dāng)?shù)碾娮?，?dāng)元件受熱時，電阻上就有電流流過，在兩端得到電壓信號。