光纖傳感器圖像傳感器

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1、問 題 思 考 ： 數(shù) 控 機 床 如 何 判 斷 主 軸 上 有 無 刀 具 ? 新 型 傳 感 器的 應(yīng) 用光 纖 傳 感 器的 應(yīng) 用 紅 外 傳 感 器的 應(yīng) 用 圖 像 傳 感 器的 應(yīng) 用 光 導(dǎo) 纖 維 能 夠 大 容 量 、 高 效 率 地 傳 輸 光 信 號 ， 實 現(xiàn) 了 以光 代 電 傳 輸 信 息 。 它 自 問 世 以 來 ， 主 要 應(yīng) 用 于 通 信 領(lǐng) 域 ，由 此 形 成 的 光 纖 通 信 發(fā) 生 革 命 性 的 變 化 。 在 檢 測 領(lǐng) 域 中 將光 導(dǎo) 纖 維 的 應(yīng) 用 與 傳 統(tǒng) 的 光 電 檢 測 技 術(shù) 相 結(jié) 合 就 產(chǎn) 生 了 一種 新 傳

2、 感 器 光 導(dǎo) 纖 維 傳 感 器 ， 簡 稱 光 纖 傳 感 器 。 1、 光 纖 的 結(jié) 構(gòu) 所 謂 光 導(dǎo) 纖 維 是 一 種 傳 輸 光 信 息 的 導(dǎo) 光 纖 維 。 它 由 導(dǎo) 光的 芯 體 玻 璃 （ 簡 稱 纖 芯 ） 和 包 層 組 成 ， 纖 芯 位 于 光 纖 的 中心 部 位 ， 其 直 徑 約 為 5 100m， 包 層 可 用 玻 璃 或 塑 料 制 成。 包 層 外 面 常 有 塑 料 或 橡 膠 的 外 套 ， 它 保 護 纖 芯 和 包 層 并使 光 纖 具 有 一 定 的 機 械 強 度 。 圖 7.1 光 纖 的 基 本 結(jié) 構(gòu)5 100m 1、 光 纖

3、 的 結(jié) 構(gòu) 圖 7.2 光 在 光 導(dǎo) 纖 維 中 的 傳 輸 光 主 要 在 纖 芯 中 傳 輸 ， 光 纖 的 導(dǎo) 光 能 力 主 要 取 決 于 纖芯 和 包 層 的 性 質(zhì) ， 即 它 們 的 折 射 率 。 纖 芯 的 折 射 率 （ n1）稍 大 于 包 層 的 折 射 率 （ n2） 。 典 型 的 數(shù) 值 是 n1=1.461.51，n2=1.441.50。 1、 光 纖 的 結(jié) 構(gòu) 由 于 纖 芯 和 包 層 構(gòu) 成 一 個 同 心 圓 雙 層 結(jié) 構(gòu) 。 當(dāng) 入 射 光 從 纖 芯 （ 光 密 物 質(zhì) ） 射 向 包 層 （ 光 疏 物 質(zhì) ）， 因 入 射 角 大 于

4、全 反 射 臨 界 角 ， 入 射 光 不 再 進 入 包 層 ， 全部 在 內(nèi) 外 層 的 交 界 面 反 射 ， 即 產(chǎn) 生 全 反 射 ， 所 以 可 以 保 證入 射 到 光 纖 內(nèi) 的 光 波 集 中 在 纖 芯 內(nèi) 傳 輸 。光 纖 芯 包 層 涂 敷 層 n1n2n0 n1n2n0 2、 光 纖 傳 感 器 與 電傳 感 器 的 區(qū) 別 以 電 為 基 礎(chǔ) 的 傳 統(tǒng) 傳感 器 是 一 種 把 測 量 的 狀 態(tài)轉(zhuǎn) 變 為 可 測 的 電 信 號 的 裝置 。 它 的 電 源 、 敏 感 元 件 、信 號 接 收 和 處 理 系 統(tǒng) 以 及信 息 傳 輸 均 用 金 屬 導(dǎo) 線

5、連接 ， 見 圖 (a)。 光 纖 傳 感 器 則 是 一 種把 被 測 量 的 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 變 為 可測 的 光 信 號 的 裝 置 。 由 光發(fā) 送 器 、 敏 感 元 件 (光 纖 或非 光 纖 的 )、 光 接 收 器 、 信號 處 理 系 統(tǒng) 以 及 光 纖 構(gòu) 成 ，見 圖 (b)。 光 纖信 號 處 理 光 接 收 器 敏 感 元 件光 發(fā) 送 器（ b） 光 纖 傳 感 器信 號 處 理 電 源信 號 接 收 敏 感 元 件（ a） 傳 統(tǒng) 傳 感 器 導(dǎo) 線 3、 光 纖 傳 感 器 工 作 原 理 由 光 發(fā) 送 器 發(fā) 出 的 光 經(jīng) 光 纖 引 導(dǎo) 至 敏 感 元件 。

6、 這 時 ， 光 的 某 一 性 質(zhì) 受 到 被 測 物 理 量 的 調(diào)制 ， 調(diào) 制 后 的 光 經(jīng) 接 收 光 纖 傳 到 光 接 收 器 ， 使光 信 號 變 為 電 信 號 ， 最 后 經(jīng) 信 號 處 理 得 到 所 待測 物 理 量 的 值 。 信 號 處 理 光 受 信 器 光 纖 敏 感 元 件光 發(fā) 送 器 光 纖 被 測 物 理 量調(diào) 制 后 光 波 4、 光 纖 傳 感 器 的 類 型 功 能 型非 功 能 型 由 于 光 纖 既 是 一 種 電 光 材 料 又 是 一 種 磁 光 材 料 ，它 與 電 和 磁 存 在 某 些 相 互 作 用 的 效 應(yīng) ， 因 此 它 具

7、 有“ 傳 ” 和 “ 感 ” 的 兩 種 功 能 。按 照 光 纖 在 傳 感 器 中 的 作 用 ， 光 纖 傳 感 器 可 分 為 傳光 型 和 功 能 型 兩 種 類 型 。 1） 功 能 型 （ 全 光 纖 型 ） 光 纖 傳 感 器 利 用 對 外 界 信 息 具 有 敏 感 能 力 和 檢 測 能 力 的 光纖 (或 特 殊 光 纖 )作 傳 感 元 件 ， 將 “ 傳 ” 和 “ 感 ” 合為 一 體 的 傳 感 器 。 光 纖 不 僅 起 傳 光 作 用 ， 而 且 還 利 用 光 纖 在 外 界因 素 (彎 曲 、 形 變 )的 作 用 下 ， 其 光 學(xué) 特 性 (光 強

8、 、 相位 、 偏 振 態(tài) 等 )的 變 化 來 實 現(xiàn) “ 傳 ” 和 “ 感 ” 的 功能 。 因 此 ， 傳 感 器 中 光 纖 是 連 續(xù) 的 。 由 于 光 纖 連 續(xù)， 可 通 過 增 加 其 長 度 ， 提 高 靈 敏 度 。 信 號 處 理 光 受 信 器 光 纖 敏 感 元 件光 發(fā) 送 器 1） 功 能 型 （ 全 光 纖 型 ） 光 纖 傳 感 器 特 點 ： 光 在 光 纖 內(nèi) 受 被 測 物 理 量 調(diào) 制 。 優(yōu) 點 ： 結(jié) 構(gòu) 緊 湊 、 靈 敏 度 高 。 缺 點 ： 須 用 特 殊 光 纖 ， 成 本 高 ， 典 型 例 子 ： 光 纖 陀 螺 、 光 纖 水

9、 聽 器 等 。 2） 傳 光 型 光 纖 傳 感 器 特 點 ： 光 纖 在 其 中 僅 起 導(dǎo) 光 作 用 ， 只 “ 傳 ” 不“ 感 ” ， 對 外 界 信 息 的 “ 感 覺 ” 功 能 依 靠 其 他物 理 性 質(zhì) 的 功 能 元 件 完 成 。 優(yōu) 點 ： 無 需 特 殊 光 纖 及 其 他 特 殊 技 術(shù) ， 比 較 容 易 實 現(xiàn) ， 成 本 低 。缺 點 ： 靈 敏 度 較 低 。實 用 化 的 大 都 是 非 功 能 型 的 光 纖 傳 感 器 。 光 纖 位 移 傳 感 器 一 般 用來 測 量 小 位 移 。 最 小 能 檢 測零 點 幾 微 米 的 位 移 量 。

10、如 圖7.4所 示 的 微 小 位 移 傳 感 器是 一 種 傳 光 型 光 纖 傳 感 器 ，光 從 光 源 耦 合 到 發(fā) 射 光 纜 ，照 射 到 被 測 物 表 面 ， 再 被 反射 回 接 收 光 纜 ， 最 后 由 光 敏組 件 接 收 。 這 兩 股 光 纜 在 接近 被 測 物 之 前 匯 合 成 Y型 ，匯 合 后 的 光 纖 端 面 被 仔 細 磨平 拋 光 。 圖 7.4 光 纖 位 移 傳 感 器 原 理 圖 光 源 發(fā) 射 光 纜接 收 光 纜光 敏 組 件 圖 7.5是 接 收 的 相 對 光強 與 距 離 d的 關(guān) 系 ， 峰 值 以左 的 線 段 1具 有 良

11、好 的 線 性， 可 用 測 量 得 到 的 光 強 值來 檢 測 位 移 。 所 用 光 纜 中的 光 纖 可 達 數(shù) 百 根 ， 可 測幾 百 微 米 的 小 位 移 。 圖 7.5 光 纖 位 移 傳 感 器 特 性 曲 線 在 本 課 題 中 ， 要 理 解 光 纖 傳 感 器 的 定 義 ； 熟 悉光 纖 傳 感 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) ； 掌 握 光 纖 傳 感 器 的 分 類及 其 工 作 原 理 ； 了 解 光 纖 位 移 傳 感 器 進 行 微 小 位移 的 測 量 ； 了 解 不 同 類 型 的 光 纖 傳 感 器 測 量 相 應(yīng)物 理 量 的 方 法 。 圖 像 傳 感

12、器 是 20世 紀(jì) 70年 代 發(fā) 展 起 來 的 一 種 新型 傳 感 器 ， 它 利 用 光 敏 元 器 件 的 光 電 轉(zhuǎn) 換 功 能， 將 元 器 件 感 光 面 上 感 受 到 的 光 線 圖 像 轉(zhuǎn) 換 為 與光 像 成 一 定 比 例 關(guān) 系 的 電 信 號 ， 并 作 相 應(yīng) 處 理 后輸 出 的 一 種 功 能 器 件 。 它 能 夠 實 現(xiàn) 圖 像 信 息 的 獲取 、 轉(zhuǎn) 換 和 視 覺 功 能 的 擴 展 。 圖 7.20 常 見 圖 像 傳 感 器 實 物 外 形 圖 1、 光 電 效 應(yīng) 通 常 把 光 線 照 射 到 某 個 物 體 上 ， 物 體 吸 收 光線

13、中 的 能 量 而 發(fā) 生 相 應(yīng) 電 效 應(yīng) 的 物 理 現(xiàn) 象 稱 為 光電 效 應(yīng) 。 光 電 效 應(yīng) 可 分 為 內(nèi) 光 電 效 應(yīng) 與 外 光 電 效 應(yīng) 。 內(nèi)光 電 效 應(yīng) 是 吸 收 外 部 光 線 中 的 能 量 后 ， 帶 電 微 粒仍 在 物 體 內(nèi) 部 運 動 ， 只 是 使 物 體 的 導(dǎo) 電 性 發(fā) 生 了較 大 變 化 的 現(xiàn) 象 ， 它 是 半 導(dǎo) 體 圖 像 傳 感 器 的 核 心技 術(shù) ； 1、 光 電 效 應(yīng) 外 光 電 效 應(yīng) 則 是 受 外 來 光 線 中 能 量 激 發(fā) 的 電子 逃 逸 出 物 體 表 面 ， 形 成 空 間 中 的 眾 多 自 由

14、 電 子的 現(xiàn) 象 ， 真 空 攝 像 管 、 圖 像 增 強 器 等 元 器 件 根 據(jù)這 一 原 理 工 作 。 可 見 ， 光 電 效 應(yīng) 是 圖 像 檢 測 的 基礎(chǔ) 。 2、 圖 像 檢 測 系 統(tǒng) 組 成 光 輻 射 圖 像 圖 像 傳 感 器 視 頻 信 號 圖 像 處 理 顯 示圖 7.21 圖 像 傳 感 器 在 圖 像 檢 測 系 統(tǒng) 中 的 作 用 圖 像 檢 測 系 統(tǒng) 是 采 用 圖 像 傳 感 器 攝 取 圖 像 ，利 用 轉(zhuǎn) 換 電 路 將 其 轉(zhuǎn) 化 為 數(shù) 字 信 號 ， 再 用 計 算 機硬 件 對 信 號 進 行 處 理 ， 得 到 需 要 的 最 終 圖

15、 像 或 通過 識 別 、 計 算 后 獲 取 進 一 步 信 息 的 檢 測 系 統(tǒng) 。 作 為 “ 光 電 ” 轉(zhuǎn) 換 關(guān) 鍵 環(huán) 節(jié) 的 圖 像 傳 感 器， 無 疑 在 其 中 扮 演 著 重 要 角 色 。 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 是 數(shù) 碼 相 機 、 數(shù) 碼 攝 像 機 的 關(guān)鍵 零 件 ， 因 常 用 于 攝 像 領(lǐng) 域 ， 又 被 稱 為 攝 像 管 。 它在 工 業(yè) 測 控 、 字 符 閱 讀 、 圖 像 識 別 、 醫(yī) 療 儀 器 等 方面 得 到 廣 泛 應(yīng) 用 。 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 要 求 具 有 兩 個 基 本 功 能 ： 一 是 具有 把 光 信 號

16、 轉(zhuǎn) 換 為 電 信 號 的 功 能 ； 二 是 具 有 將 平 面圖 像 上 的 像 素 進 行 點 陣 取 樣 ， 并 將 其 按 時 間 取 出 的掃 描 功 能 。3、 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 目 前 ， 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 主 要 分 為 三 類 ，即 電 荷 耦 合 式 圖 像 傳 感 器 （ CCD） 、 CMO S圖 像 傳 感 器 和 接 觸 式 攝 像 傳 感 器 （ CIS） 等， 前 兩 種 類 型 占 據(jù) 市 場 主 流 。 3、 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 圖 7.22 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 4、 CCD圖 像 傳 感 器 CCD是 英 文 Cha

17、rge Coupled Devices的 縮 寫 ， 中文 通 常 將 其 譯 成 “ 電 荷 耦 合 器 件 ” 。 從 結(jié) 構(gòu) 上 ，CCD可 分 為 線 陣 CCD和 面 陣 CCD兩 種 。 圖 7.23 CCD圖 像 傳 感 器 輸 出轉(zhuǎn) 移 柵光 敏 面 存 儲 區(qū) （ 遮 光 ）圖 7.24 線 陣 CCD器 件 芯 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 4、 CCD圖 像 傳 感 器 典 型 的 面 陣 CCD按 電 荷 轉(zhuǎn) 移 和 讀 出 方 式 的不 同 ， 分 為 幀 轉(zhuǎn) 移 型 CCD（ FTCCD） 和 行 間轉(zhuǎn) 移 型 CCD（ ILTCCD） 輸 出光敏區(qū) 存儲區(qū)水 平 寄 存

18、 器 轉(zhuǎn) 移 柵垂 直 寄 存 器光 敏 區(qū)輸 出圖 7.25 面 陣 CCD芯 片 結(jié) 構(gòu) 示 意 圖 (a) FTCCD (b) ILTCCD 項 目 名 稱 ： 用 線 陣 CCD傳 感 器 測 量 工 件 尺 寸 圖 7.26 線 陣 CCD傳 感 器 測 量 工 件 尺 寸 示 意 圖 通 常 ， 快 速 自 動 檢 測 工 件 尺 寸 系 統(tǒng) 有 一 個 測 量 臺 ， 在 其 上 裝 有 光 學(xué)系 統(tǒng) 、 圖 像 傳 感 器 和 微 處 理 機 等 。 如 圖 7.26所 示 ， 被 測 工 件 成 像 在 CCD圖 像 傳 感 器 的 光 敏 數(shù) 組 上 ， 產(chǎn) 生 工 件 輪

19、 廓 的 光 學(xué) 邊 緣 。 時 鐘 和 掃 描 脈 沖電 路 對 每 個 光 敏 元 順 次 詢 問 ， 視 頻 輸 出 反 饋 送 到 脈 沖 計 數(shù) 器 ， 并 把 時 鐘選 送 入 脈 沖 計 數(shù) 器 ， 啟 動 數(shù) 組 掃 描 的 掃 描 脈 沖 也 用 來 把 計 數(shù) 器 重 定 到 零。 復(fù) 位 之 后 ， 計 數(shù) 器 計 算 和 顯 示 由 視 頻 脈 沖 選 通 的 總 時 鐘 脈 沖 數(shù) 。 顯 示數(shù) N就 是 工 件 成 像 覆 蓋 的 光 敏 元 數(shù) 目 ， 根 據(jù) 該 數(shù) 目 來 計 算 工 件 尺 寸 。 在 本 課 題 中 ， 要 理 解 圖 像 傳 感 器 的 定 義 ； 熟 悉 CCD傳感 器 的 基 本 結(jié) 構(gòu) 和 分 類 ； 熟 練 應(yīng) 用 線 陣 CCD圖 像 傳 感 器 進行 工 件 尺 寸 的 測 量 ； 了 解 不 同 類 型 的 固 態(tài) 圖 像 傳 感 器 及 其應(yīng) 用 場 合 。