關(guān)于光學(xué)的應(yīng)用很多，傳感器在我們的日常生活中也經(jīng)常使用。今天我們就來詳細(xì)講解一下光學(xué)傳感器的原理。里面有很多干貨。請(qǐng)收藏!

　　光柵傳感器

　　光柵傳感器是指選擇光柵疊柵圖案原理來測量位移的傳感器。

　　光柵是由大量等寬平行狹縫組成的光學(xué)器件。常用的光柵是用大量的平行刻痕刻在玻璃片上制成的，刻痕是不透明的部分，兩個(gè)刻痕之間的光滑部分可以透明，相當(dāng)于一個(gè)狹窄的縫隙。精制光柵在1厘米的總寬度內(nèi)刻有數(shù)千甚至數(shù)萬個(gè)刻痕。

　　這種透射光衍射的光柵稱為散射光柵，以及兩刻之間折射光衍射的光柵。比如鍍金屬層表面刻有很多平行刻痕，兩刻之間光滑的金屬表面可以折射光，變成反射光柵。光柵形成的疊柵圖案具有光學(xué)放大和偏差平均效應(yīng)，可以提高測量精度。

　　光柵傳感器由四部分組成:標(biāo)尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。與指示光柵移動(dòng)相比，標(biāo)尺光柵大致按照正弦規(guī)則分布了明暗相間的疊網(wǎng)圖案。

　　這些圖案以光柵的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度移動(dòng)，直接照射到光電元件上，在其輸出端獲得一串電脈沖，模擬信號(hào)導(dǎo)出通過放大、整形、識(shí)別和計(jì)數(shù)系統(tǒng)直接顯示被測位移。

　　光柵傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理：

　　光柵傳感器的結(jié)構(gòu)主要由燈源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件等組成。

　　1、燈源:鎢絲燈泡功率小。與光電元件組合使用時(shí)，轉(zhuǎn)換效率低，使用壽命短。砷化邈發(fā)光二極管等半導(dǎo)體發(fā)光器件可以在范圍內(nèi)工作。發(fā)光的峰值波長接近硅光敏三極管的峰值波長。因此，它具有很高的轉(zhuǎn)換效率和快速的響應(yīng)速度。

　　2、光柵支付:由相同距離的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵重疊，但不完全重疊。為了獲得莫爾條紋，兩條柵線之間會(huì)錯(cuò)開一個(gè)小角落。一般主光柵是活動(dòng)的，可以單獨(dú)移動(dòng)，也可以隨著被測物體移動(dòng)，長度取決于檢測范圍。指示光柵與光電設(shè)備相比固定。

　　3、通光孔:通光孔是發(fā)光物和受光體的通道，一般為條形，其長度由受光體的排列長度決定，總寬度由受光體的大小決定。這是貼在指示光柵板上的。

　　4、照明元件:照明元件用于感知主光柵在移動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的莫爾條紋移動(dòng)，然后測量位移量。在選擇光敏元件時(shí)，應(yīng)考慮靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、光譜特性、穩(wěn)定性和體積。

　　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，使兩個(gè)光柵的刻線之間有一個(gè)微小的交角。θ，如圖所示。

　　如果有燈源直射，由于遮光效果(對(duì)刻線密度)≤50條/mm光柵)或光的衍射作用(對(duì)刻線密度≥100條/mm光柵)，與光柵刻線大致垂直方向產(chǎn)生明暗相間的圖案。

　　在兩個(gè)光柵的刻線重疊處，光通過間隙產(chǎn)生亮帶;在兩個(gè)光柵刻線錯(cuò)開的區(qū)域產(chǎn)生暗帶;這些明暗圖案被稱為莫爾條紋。

　　莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的交角。θ(單位為rad)之間的關(guān)系如下：

　　(K稱為放大倍數(shù))。

　　在指示光柵不動(dòng)時(shí)，主光柵刻線與指示光柵刻線之間始終保持交角。θ，當(dāng)主光柵沿著刻線的垂直方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋會(huì)沿著光柵的刻線方向移動(dòng);光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋也反向移動(dòng)。

　　主光柵每移動(dòng)一個(gè)柵距W，莫爾條紋也移動(dòng)一個(gè)間隔S。因此，光柵的移動(dòng)大小和方向可以通過測量莫爾條紋的移動(dòng)來測量，這比直接測量光柵容易得多。

　　莫爾條紋移動(dòng)條紋間距，當(dāng)主光柵沿垂直于刻線方向移動(dòng)一個(gè)柵距W時(shí)。當(dāng)兩個(gè)光柵刻線交角時(shí)。θ小時(shí)，從上面的公式可以看出，W是定時(shí)的，θ越小，B越大，相當(dāng)于把網(wǎng)距W放大1。/θ倍數(shù)。所以，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組成的，對(duì)刻線偏差有平均效應(yīng)。它可以在一定程度上去除刻線偏差造成的局部和短周期偏差，可以達(dá)到比光柵本身更高的刻線精度測量精度。因此，測量光柵特別適用于小位移和高精度位移測量。

　　光柵傳感器的特點(diǎn)

　　1、精度高。

　　光柵傳感器在測量長度或直線位移方面僅低于激光干擾傳感器。在連續(xù)測量圓分度和角速度方面，光柵傳感器的精度最高;

　　2、大量程度測量兼具高分辨率。

　　感應(yīng)式同步器和磁柵式傳感器也具有大量程度檢測的特點(diǎn)，但是分辨率和精度都不如光柵式傳感器;

　　3、可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，實(shí)現(xiàn)測量和數(shù)據(jù)處理的自動(dòng)化;

　　4、它具有很強(qiáng)的抗干擾能力，對(duì)自然條件的需求不像激光干擾傳感器那樣嚴(yán)格，但不像感應(yīng)同步器和磁柵傳感器那樣適應(yīng)性強(qiáng)，油漬和灰塵會(huì)影響其可靠性。主要用于實(shí)驗(yàn)室和環(huán)境較好的車間。

　　光柵傳感器的類型：

　　光柵主要分為兩類：一類是Bragg光柵(也稱為反射或短周期光柵);第二，散射光柵(又稱長周期光柵)。

　　在結(jié)構(gòu)上，光纖光柵可以分為周期性結(jié)構(gòu)和非周期性結(jié)構(gòu)，在功能上也可以分為濾波光柵和色散補(bǔ)償光柵，色散補(bǔ)償光柵是非周期性光柵，又稱Chirp光柵。

　　光柵傳感器光纖Bragg光柵

　　光纖光柵是由光纖中的光敏制成的。所謂光纖中的光敏性，是指激光通過混合光纖時(shí)，沿著纖芯軸向產(chǎn)生折射率的周期性變化，最終形成永久空間的相位，光纖光柵的折射率會(huì)隨著光強(qiáng)的空間布局而相應(yīng)變化。然而，在纖芯中產(chǎn)生空間相位光柵的本質(zhì)是在纖芯中形成窄帶(散射或反射)濾波器或反射鏡。

　　當(dāng)一束寬光譜光通過光纖光柵時(shí)，符合光纖光柵布拉格要求的波長會(huì)反射出來，其余的波長會(huì)通過光纖光柵繼續(xù)向前傳輸。利用這一特性，可以制造出許多獨(dú)特的光纖設(shè)備。

　　唧唧光纖光柵傳感器：

　　它的工作原理與光纖Bragg光柵傳感器基本一致，在外部物理量的影響下，除了△λB除了變化之外，還會(huì)引起光譜的擴(kuò)展。

　　這種傳感器在應(yīng)變和溫度都存在的地方非常有用。由于應(yīng)變的影響，反射信號(hào)的擴(kuò)大和峰值波長的位移引起了反射信號(hào)，而溫度的變化是由折射溫度的依賴引起的。(dn/dT)，只有重心的位置受到影響。應(yīng)變和溫度可以通過同時(shí)測量光譜位移和擴(kuò)展來同時(shí)測量。

　　長期光纖光柵傳感器：

　　長期光纖光柵(LPG)一般認(rèn)為有幾百個(gè)周期。μm，LPG將纖芯的光耦合在特定波長的包層中：λi=(n0-niclad)?Λ。式中，n0為纖芯折光率，niclad為i階軸對(duì)稱包層模具的有效折光率。由于包層中的包層，/由于空氣界面的消耗而迅速衰減，留下一串消耗帶。

　　一個(gè)單獨(dú)的LPG在非常寬的波長范圍內(nèi)可能會(huì)產(chǎn)生很多共振，LPG共振中心的波長主要取決于芯和包層的折射率差。通過檢測，由應(yīng)變、溫度或外界折射率變化引起的任何變化都可以在共振中獲得較大的波長位移?！鳓薸，可以獲得外部物理量變化的信息。LPG通常情況下，給定波長上的共振帶的響應(yīng)范圍不同，LPG適用于多參數(shù)傳感器。

　　紅外傳感器

　　到目前為止，紅外技術(shù)已經(jīng)為大家所熟知，它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)領(lǐng)域。紅外傳感系統(tǒng)是一種以紅外為介質(zhì)的檢測系統(tǒng)，根據(jù)其功能可分為五類：

　　(1)用于輻射和光譜測量的輻射計(jì);

　　(2)搜索跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外線目標(biāo)，確認(rèn)其空間坐標(biāo)并跟蹤其運(yùn)動(dòng);

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

　　(4)紅外線測距和通信系統(tǒng);

　　(5)混合系統(tǒng)，是指上述兩個(gè)或兩個(gè)以上系統(tǒng)的組合。

　　先了解一下紅外光。

　　紅外光是太陽光譜的一部分，其最大特點(diǎn)是具有光熱效應(yīng)。