光纤传感器图像传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,问题思考：数控机床如何判断 主轴上有无刀具,?,模块七 新型传感器的应用,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,模块七 新型传感器的应用,学习目标,熟悉常见的新型传感器,掌握常用的新型传感器的基本工作原理,掌握常用的新型传感器的应用,课题一 光纤传感器,一、基础知识,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,一、基础知识,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5100,m，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,5100,m,一、基础知识,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（,n,1）,稍大于包层的折射率（,n,2）,典型的数值是,n,1,=1.461.51，,n,2,=1.441.501、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,n,1,n,2,n,0,n,1,n,2,n,0,2、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二、应用案例,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,二、应用案例,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,三、课题小结,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课题三 图像传感器,一、基础知识,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一、基础知识,图7.20 常见图像传感器实物外形图,一、基础知识,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；,一、基础知识,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一、基础知识,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一、基础知识,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,）、,CMOS,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一、基础知识,3、固态图像传感器,图7.22 固态图像传感器,一、基础知识,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,一、基础知识,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,二、课题实施,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三、课题小结,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。