【正文】 3 mm的測量精度。 D=v?t 激光掃描傳感器 激光掃描傳感器 組成如下圖。 ?三角法測頭原理圖 激光測微測頭 ?測量原理：利用幾何三角關(guān)系測位移。 激光式傳感器 激光干涉?zhèn)鞲衅? 特點(diǎn)： ?測量精度高，可達(dá) 107~108量級； ?分辨力高，可測出 104nm以下的長度變化； ?量程大，可達(dá)幾十米； ?便于實(shí)現(xiàn)自動化測量。 A、 B兩處返回的兩路衍射光經(jīng) 3投向透鏡 5，二者相干，相遇干涉，干涉條紋由光電器件 6接收。 ?輸出信號： 信號處理方式： 首先將 u u3和 u u4分別兩兩相減，消除信號中的直流電平，得到兩路相位差為 90176。 1光源 2準(zhǔn)直透鏡 3標(biāo)尺光柵（主光柵） 4指示光柵 5光電元件 光柵式傳感器 B ?類型： 透射式長光柵傳感器、透射式圓光柵傳感器 。 圓光柵的莫爾條紋 （ 2）切向光柵的莫爾條紋 兩塊切向相同、柵距角 δ相同的切向光柵柵線 面相對同心疊合時 ，形成的莫爾條紋是以光柵中心為圓心的同心圓簇，稱為 環(huán)形莫爾條紋 。沿著偏心方向的條紋近似平行于柵線，成為 縱向莫爾條紋 。在光柵的各部分柵線的交角 q不同，便形成了不同曲率半徑的圓弧形莫爾條紋。 誤差平均效應(yīng) （ 1）橫向莫爾條紋 當(dāng)兩光柵柵距相等 W1＝ W2=W時，以 夾角 q相交 形成的莫爾條紋稱為橫向莫爾條紋。 ，則 B=，放大倍數(shù)約為 573倍。 (二 ) 莫爾條紋的特性 ?當(dāng)主光柵 1向右運(yùn)動一個 柵距 W1時，莫爾條紋向下移動一個 條紋間距 B；如果主光柵 1向左運(yùn)動，莫爾條紋則向上移動。每一級組中的 諸光束相互干涉 ，就形成了莫爾條紋。 1級、 … 等衍射光束就用 (0,0)、(0,1)、 (0,1)、 …… 表示。 ? 莫爾條紋形成的衍射理論分析 分析： 1. 光柵 G1產(chǎn)生了 0,177。圖 為兩光柵以很近的距離重疊的情況。 測量對象： 角度或角位移。柵線密度 20~125線 /mm。例如柵線間距 W=，柵線密度為 50線 /mm。 光柵式傳感器應(yīng)用： 幾何量 、振動、速度、應(yīng)力、應(yīng)變 光柵式傳感器 計量光柵： 利用莫爾條紋現(xiàn)象進(jìn)行精密測量的光柵。 光柵： 在玻璃（或金屬）尺或玻璃（或金屬）尺盤上進(jìn)行刻劃，可得到一系列黑白相間、間隔細(xì)小的條紋，不刻劃處透光，刻劃處不透光，這種具有周期性的刻線分布的光學(xué)元件稱為光柵。接收光纖中耦合到的 光量和 被測的兩斜切面的 位移d的關(guān)系曲線見圖 b。 初始線性段適合測量微小位移；峰值處適合測量表面粗糙度。匝 )，沃拉斯特棱鏡有 ，則傳感器分辨力為 300A/匝，可測電流達(dá) 10A。 出射的光經(jīng)棱鏡被分成兩束振動方向 互相垂直的 偏振光，分別送入兩個光接收器，把 接收光強(qiáng)標(biāo)準(zhǔn)化 合成為 P，得到： P=Kq K和光纖特性有關(guān)的一個常數(shù) 由上 2式就可以測出被測電流 I。 光相位調(diào)制型 馬赫 琴特干涉儀調(diào)制相位原理如圖所示： 光相位調(diào)制型 。 ? ?12 /a r c s in nn?? 光強(qiáng)度調(diào)制型 光強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器原理圖 a) 光纖彎曲 b) 折射率變化 光強(qiáng)度調(diào)制型 工作原理： 通過 被測能量場 的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波 相位 發(fā)生變化，再用 干涉測量技術(shù) 檢測相位變化，從而檢測出待測的物理量。 光纖傳感器 是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率 、吸收或反射等參數(shù)的變化 ， 而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測量的傳感器 光強(qiáng)度調(diào)制型 ?有利用光纖的微彎損耗； ?各物質(zhì)的吸收特性； ?振動膜或液晶的反射光強(qiáng)度的變化； ?物質(zhì)因各種粒子射線或化學(xué) 、 機(jī)械的激勵而發(fā)光的現(xiàn)象； ?物質(zhì)的熒光輻射或光路的遮斷等來構(gòu)成壓力 、振動 、 溫度 、 位移 、 氣體等各種強(qiáng)度調(diào)制型 被測量通過影響光纖的全內(nèi)反射實(shí)現(xiàn)光強(qiáng)度調(diào)制。 ???????? ??2121rAnn梯度型光纖又稱自聚焦光纖 。 階躍型 (三 ) 光纖的分類 梯度型 階躍型： 光纖纖芯的折射率分布各點(diǎn)均勻一致 。這只有形成駐波的光才能在光纖中傳播。 ??qq 21110 s i n1c o ss i ns i n ????? nnnn根據(jù)斯奈爾折射定律 設(shè)當(dāng) ?達(dá)到臨界角 ?c時的入射角為 qc，可得 22210 si n nnn c ??q(二 ) 光纖的傳光原理 ?纖芯材料： 玻璃光纖、塑料光纖、混合光纖等。 這里光線“轉(zhuǎn)彎”實(shí)際上是由光的全反射所形成的。 (二 ) 光纖的傳光原理 光在纖芯和包層的界面上反復(fù)逐次全反射 ， 呈鋸齒波形狀在纖芯內(nèi)向前傳播 ， 最后從光纖的另一端面射出 。 光纖導(dǎo)光能力取決于纖芯和包層的性質(zhì)，纖芯的折射率 n1略大于包層的折射率 n2。 纖芯 —— 中心的圓柱體 包層 —— 圍繞著纖芯的圓形外層 護(hù)套 —— 在包層外面還常有一層保護(hù)套 ， 多為尼龍材料 ， 以增加機(jī)械強(qiáng)度 。 光纖電纜 光纖傳感器： 光纖與敏感元件組合或利用本身的特性，可以做成各種傳感器。 光纖之父 高錕 獲 2022年諾貝爾物理學(xué)獎 ?概念： 光導(dǎo)纖維（ Optical Fiber），簡稱光纖。 2 1 2 1A2 1 0( ) ( )22I I I ILLxI I I? ? ? ?? ? ? ? ?? 即在電流差較小的情況下 ， 電流 I I2中含有的噪聲電流分量決定了位置分辨力 。 PSD的位置檢測特性近似于線性 。 這時 ， 要采用可見光截止型窗口材料的 PSD， 信號光源可以使用紅外LED及白熾燈 。 21A2112IIXLII????光斑能量中心相對于器件中心位置 XA， 只與 I1和 I2電流的差值及總電流 I0之間的比值有關(guān) ， 與入射光能的大小無關(guān) 。 由于 P區(qū)摻雜濃度相對較高 ， 空穴迅速沿著 P區(qū)表面向兩側(cè)擴(kuò)散 ，最終導(dǎo)致 P層 空穴橫向 (X方向 )濃度 呈現(xiàn)梯度變化 ， 這時 ，同一層面上的不同位置呈現(xiàn)一定的電位差 ， 這種現(xiàn)象稱為 橫向光電效應(yīng) 。 位置敏感器件 (PSD) PSD一般為 PIN結(jié)構(gòu) 。 位置敏感器件 (PSD) PSD有兩種：一維 PSD和二維 PSD 一維 PSD的感光面大多為細(xì)長的矩形條 。 PSD有兩種，一維 PSD和二維 PSD。 2d－ 圖像末端兩個光敏單元之間可能的最大誤差 (五 ) CCD應(yīng)用舉例 ?物體缺陷檢查： ?檢查對象：表面有缺陷的不透明物體；體內(nèi)有缺陷的透明物體。此后光敏元面陣開始第二次光積分。 ? 讀出移位寄存器串行輸出各位的信息。 (三 ) 線陣電荷耦合器件 ?組成 :單排 MOS光敏元陣列、轉(zhuǎn)移柵、讀出移位寄存器 ? 工作過程： ? 光學(xué)成像系統(tǒng)將圖像成像在 CCD的光敏面上，光敏單元開始電荷積累，這一過程也稱 光積分 。 ⑤ t=t5：電荷又耦合到電極 ?3下。因兩電極靠的很近，電荷就從 ?1電極下耦合到 ?2電極下。 (二 ) 讀出移位寄存器 ?移位寄存器的結(jié)構(gòu) MOS結(jié)構(gòu)，由金屬電極、氧化物、半導(dǎo)體三部分組成。 (一 ) MOS光敏單元 MOS光敏元的光電轉(zhuǎn)換功能將投射到光敏元上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換成電信號 “ 圖像 ” ， 即將光強(qiáng)的空間分布轉(zhuǎn)換為與光強(qiáng)成正比的 、 大小不等的電荷包空間分布 。 MOS單元結(jié)構(gòu)： 以 P或 N型半導(dǎo)體為襯底；上面覆蓋一層厚度約 120nm的氧化層 SiO2作為電解質(zhì)；再在SiO2表面依次沉積一層金屬電極為柵電極 ， 形成金屬氧化物 半導(dǎo)體的 MOS結(jié)構(gòu)單元 。 2022年被授予 諾貝爾物理學(xué)獎 ； ?應(yīng)用： CCD圖像傳感器：數(shù)碼照相機(jī)的電子眼，通過用電子捕獲光線來替代以往的膠片成像，攝影技術(shù)徹底革新；這一發(fā)明也推動了醫(yī)學(xué)和天文學(xué)的發(fā)展，在疾病診斷、人體透視及顯微外科等領(lǐng)域都有著廣泛用途。 硅光電池的溫度特性 (四 ) 光電伏特型探測器 － 基本特性 溫度特性 電荷耦合器件 ?概念： 電荷耦合器件 (ChargeCoupled Devices)，簡稱 CCD。 硅光電池有很高的頻率響應(yīng) ， 可用于高速記數(shù) 、 有聲電影等方面 。 短路電流在很大范圍內(nèi)與光強(qiáng)成線性關(guān)系 。 (四 ) 光電伏特型探測器 硅太陽能電池的優(yōu)點(diǎn)： ? 輕便、簡單，不產(chǎn)生氣體或熱污染； ? 用于不便鋪設(shè)電纜的地區(qū)、宇宙飛行器等。 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理 ： (四 ) 光電伏特型探測器 ＋ － 接線點(diǎn) 接線點(diǎn) 光 薄 P層 PN結(jié) N層 結(jié)構(gòu)原理 符號 硅光電池（硅太陽能電池）的工作原理： ? N型硅片上擴(kuò)散 P型雜質(zhì)形成大面積 PN結(jié)， P層很薄。 但光照足夠大時會出現(xiàn)飽和現(xiàn)象 。 光敏晶體管的頻率特性 (三 ) 光電結(jié)型探測器 － 基本特性 頻率特性 光敏管的溫度特性是指光敏管的暗電流及光電流與溫度的關(guān)系 。 晶體管具有放大作用 ， 在同樣照度下 ， 光電流比相應(yīng)的二極管大上百倍 。 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 100 80 60 40 20 0 )( nm?入射光波長%相對靈敏度 硅光敏三極管鍺光敏三極管一般鍺管的暗電流較大 ，因此性能較差 ， 故在可見光或探測赤熱狀態(tài)物體時 ， 一般都用硅管 。 光敏晶體管（三極管） RL E P N P 基極 集電極 發(fā)射極 光 工作原理： ① 光電轉(zhuǎn)換：光照時，一個反向偏置結(jié)給出 幾 mA電流； ② 光電流放大：同樣條件，晶體管的集電極－發(fā)射極產(chǎn)生 幾 mA電流，即該結(jié)激發(fā)的光電流放大 ?倍。 ?光敏二極管的光譜帶寬與材料有關(guān)，硅光敏二極管 ，峰值 ，鍺光敏二極管帶寬 ，峰值 。其中，光敏二極管探測器最為常用，又可分為 普通光敏二極管 和 雪崩二極管 等。 光敏電阻在最初的老化過程中 ， 阻值會有變化 ， 但最后達(dá)到穩(wěn)定值后就 不再變化 。 在給定的電壓下 ， 光電流的數(shù)值將隨光照增強(qiáng)而增大 。 材料與相對靈敏度峰位波長： 硫化鎘 ， 300～ 800nm， 在可見光區(qū)域 ， 常被用作光度量測量（ 照度計 ） 的探頭 。 描述光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系 。如 PbS探測器探測波長達(dá) ，靈敏度峰值在 2μm 。 A 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結(jié)構(gòu)圖 光導(dǎo)電材料 絕緣襯低 引線 電極 引線 光電導(dǎo)體 RG RL E I 光敏電阻兩端帶有金屬電極，加上電壓，便有電流通過，若有光線照射，則電流增大。 氧銫陰極 銻銫陰極 (一 ) 光電發(fā)射探測器 － 基本特性 基于光電導(dǎo)效應(yīng)的光電器件稱為 光敏電阻 （ 半導(dǎo)體材料 ），也叫 光導(dǎo)管 。 光電管的光電特性 (一 ) 光電發(fā)射探測器 － 基本特性 伏安特性： 入射光的頻率及光通量一定時，陽極電流與陽極電壓之間的關(guān)系。 典型的倍增管一般有 10個左右的倍增極，相鄰極之間加有 200－ 400V的電壓，陰極和陽極間的總電壓差可達(dá)幾千伏，電流增益為 105左右。 結(jié)構(gòu)組成： 光電陰極、 光電倍增極 、 陽極。 激發(fā)出電子的條件： ?要使一個電子從物質(zhì)表面逸出，光子具有的能量必須大于該物質(zhì)表面的 逸出功 A0，不同的材料具有不同的逸出功； ?因此對某種材料而言便有一個頻率限，當(dāng)入射光的頻率低于此頻率限時；不論光強(qiáng)多大，也不能激發(fā)電子，反之，被照射的物質(zhì)便能激發(fā)出電子，此 頻率限稱為“紅限” ； ?其臨界波長 λK為 λK =hc/A0 (一 ) 光電發(fā)射探測器 結(jié)構(gòu)組成： 在一個抽成真空或充以惰性氣體的玻璃泡內(nèi)裝有兩個電極： 光電陰極 和 光電陽極 。 （ 3） 處于反偏的 PN結(jié) 無光照時 ， 反向電阻很大 ， 反向電流很小 。