一文读懂常见的光学传感器原理-轻识

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编者荐语

光学传感器是一种传感器，是依据光学原理进行测量的，它有许多优点，如非接触和非破坏性测量、几乎不受干扰、高速传输以及可遥测、遥控等。文章主要是对常见的光学传感器原理进行讲解，希望可以对大家有一定的帮助。

转载自 | 机械工程文萃

光栅传感器

光栅式传感器指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。

光栅是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。一般常用的光栅是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕为不透光部分，两刻痕之间的光滑部分可以透光，相当于一狭缝。精制的光栅，在1cm宽度内刻有几千条乃至上万条刻痕。

这种利用透射光衍射的光栅称为透射光栅，还有利用两刻痕间的反射光衍射的光栅，如在镀有金属层的表面上刻出许多平行刻痕，两刻痕间的光滑金属面可以反射光，这种光栅成为反射光栅。由光栅形成的叠栅条纹具有光学放大作用和误差平均效应，因而能提高测量精度。

光栅传感器由标尺光栅、指示光栅、光路系统和测量系统四部分组成。标尺光栅相对于指示光栅移动时，便形成大致按正弦规律分布的明暗相间的叠栅条纹。

这些条纹以光栅的相对运动速度移动，并直接照射到光电元件上，在它们的输出端得到一串电脉冲，通过放大、整形、辨向和计数系统产生数字信号输出，直接显示被测的位移量。

光栅传感器的结构及工作原理：

光栅传感器的结构均由光源、主光栅、指示光栅、通光孔、光电元件这几个主要部分构成。

1、光源：钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件组合使用时，转换效率低，使用寿命短。半导体发光器件，如砷化镓发光二极管，可以在范围内工作，所发光的峰值波长为，与硅光敏三极管的峰值波长接近，因此，有很高的转换效率，也有较快的响应速度。

2、光栅付：由栅距相等的主光栅和指示光栅组成。主光栅和指示光栅相互重叠，但又不完全重合。两者栅线间会错开一个很小的夹角，以便于得到莫尔条纹。一般主光栅是活动的，它可以单独地移动，也可以随被测物体而移动，其长度取决于测量范围。指示光栅相对于光电器件而固定。

3、通光孔：通光孔是发光体与受光体的通路，一般为条形状，其长度由受光体的排列长度决定，宽度由受光体的大小决定。它是帖在指示光栅板上的。

4、受光元件：受光元件是用来感知主光栅在移动时产生莫尔条纹的移动，从而测量位移量。在选择光敏元件时，要考虑灵敏度、响应时间、光谱特性、稳定性、体积等因素。

将主光栅与标尺光栅重叠放置，两者之间保持很小的间隙，并使两块光栅的刻线之间有一个微小的夹角θ，如下图所示。

当有光源照射时，由于挡光效应（对刻线密度≤50条／mm的光栅）或光的衍射作用（对刻线密度≥100条／mm的光栅），与光栅刻线大致垂直的方向上形成明暗相间的条纹。

在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开的地方，形成暗带；这些明暗相间的条纹称为莫尔条纹。

莫尔条纹的间距与栅距W和两光栅刻线的夹角θ（单位为rad）之间的关系为：

（K称为放大倍数）。

当指示光栅不动，主光栅的刻线与指示光栅刻线之间始终保持夹角θ，而使主光栅沿刻线的垂直方向作相对移动时，莫尔条纹将沿光栅刻线方向移动；光栅反向移动，莫尔条纹也反向移动。

主光栅每移动一个栅距W，莫尔条纹也相应移动一个间距S。因此通过测量莫尔条纹的移动，就能测量光栅移动的大小和方向，这要比直接对光栅进行测量容易得多。

当主光栅沿与刻线垂直方向移动一个栅距W时，莫尔条纹移动一个条纹间距。当两个光栅刻线夹角θ较小时，由上述公式可知，W一定时，θ愈小，则B愈大，相当于把栅距W放大了1／ θ倍。因此，莫尔条纹的放大倍数相当大，可以实现高灵敏度的位移测量。

莫尔条纹是由光栅的许多刻线共同形成的，对刻线误差具有平均效应，能在很大程度上消除由于刻线误差所引起的局部和短周期误差影响，可以达到比光栅本身刻线精度更高的测量精度。因此，计量光栅特别适合于小位移、高精度位移测量。

光栅传感器的特点

1、精度高。

光栅式传感器在大量程测量长度或直线位移方面仅仅低于激光干涉传感器。在圆分度和角位移连续测量方面，光栅式传感器属于精度最高的；

2、大量程测量兼有高分辨力。

感应同步器和磁栅式传感器也具有大量程测量的特点，但分辨力和精度都不如光栅式传感器；

3、可实现动态测量，易于实现测量及数据处理的自动化；

4、具有较强的抗干扰能力，对环境条件的要求不像激光干涉传感器那样严格，但不如感应同步器和磁栅式传感器的适应性强，油污和灰尘会影响它的可靠性。主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

光栅传感器的种类：

光栅主要分两大类：一是Bragg光栅（也称为反射或短周期光栅）；二是透射光栅（也称为长周期光栅）。

光纤光栅从结构上可分为周期性结构和非周期性结构，从功能上还可分为滤波型光栅和色散补偿型光栅，色散补偿型光栅是非周期光栅，又称为啁啾光栅（Chirp光栅）。

光纤Bragg光栅传感器

光纤光栅是利用光纤中的光敏性制成的。所谓光纤中的光敏性是指激光通过掺杂光纤时，在纤芯内产生沿纤芯轴向的折射率周期性变化，从而形成永久性空间的相位，光纤光栅的折射率将随光强的空间分布发生相应变化。而在纤芯内形成的空间相位光栅，其作用的实质就是在纤芯内形成一个窄带的（透射或反射）滤波器或反射镜。

当一束宽光谱光经过光纤光栅时，满足光纤光栅布拉格条件的波长将产生反射，其余的波长将透过光纤光栅继续往前传输，利用这一特性可制造出许多性能独特的光纤器件。

啁啾光纤光栅传感器：

与光纤Bragg光栅传感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纤光栅除了△λＢ的变化外，还会引起光谱的展宽。

这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的，啁啾光纤光栅由于应变的影响导致了反射信号的拓宽和峰值波长的位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（ｄｎ／ｄＴ），仅影响重心的位置。通过同时测量光谱位移和展宽，就可以同时测量应变和温度。

长周期光纤光栅传感器：

长周期光纤光栅（ＬＰＧ）的周期一般认为有数百微米，ＬＰＧ在特定的波长上把纤芯的光耦合进包层：λｉ＝（ｎ０－ｎｉｃｌａｄ）?Λ 。式中，ｎ０为纤芯的折射率，ｎｉｃｌａｄ为ｉ阶轴对称包层模的有效折射率。光在包层中将由于包层／空气界面的损耗而迅速衰减，留下一串损耗带。

一个独立的ＬＰＧ可能在一个很宽的波长范围内有许多的共振，ＬＰＧ共振的中心波长主要取决于芯和包层的折射率差，由应变、温度或外部折射率变化而产生的任何变化都能在共振中产生大的波长位移，通过检测△λｉ，就可获得外界物理量变化的信息。ＬＰＧ在给定波长上的共振带的响应通常有不同的幅度，因而ＬＰＧ适用于多参数传感器。

红外传感器

红外技术发展到现在，已经为大家所熟知，这种技术已经在现代科技、国防和工农业等领域获得了广泛的应用。红外传感系统是用红外线为介质的测量系统，按照功能能够分成五类：

（1）辐射计，用于辐射和光谱测量；

（2）搜索和跟踪系统，用于搜索和跟踪红外目标，确定其空间位置并对它的运动进行跟踪；

（3）热成像系统，可产生整个目标红外辐射的分布图像；

（4）红外测距和通信系统；

（5）混合系统，是指以上各类系统中的两个或者多个的组合。

首先了解一下红外光。

红外光是太阳光谱的一部分，红外光的最大特点就是具有光热效应，辐射热量，它是光谱中最大光热效应区。红外光一种不可见光，与所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性质。红外光在真空中的传播速度为3×108m/s。红外光在介质中传播会产生衰减，在金属中传播衰减很大，但红外辐射能透过大部分半导体和一些塑料，大部分液体对红外辐射吸收非常大。

不同的气体对其吸收程度各不相同，大气层对不同波长的红外光存在不同的吸收带。研究分析表明，对于波长为1——5μm、 8——14μm区域的红外光具有比较大的“透明度”。即这些波长的红外光能较好地穿透大气层。

自然界中任何物体，只要其温度在绝对零度之上，都能产生红外光辐射。红外光的光热效应对不同的物体是各不相同的，热能强度也不一样。

例如，黑体(能全部吸收投射到其表面的红外辐射的物体)、镜体(能全部反射红外辐射的物体)、透明体(能全部穿透红外辐射的物体)和灰体(能部分反射或吸收红外辐射的物体)将产生不同的光热效应。严格来讲，自然界并不存在黑体、镜体和透明体，而绝大部分物体都属于灰体。

上述这些特性就是把红外光辐射技术用于卫星遥感遥测、红外跟踪等军事和科学研究项目的重要理论依据。

红外辐射的基本定律：

(1)基尔霍夫定律：在一定温度下，地物单位面积上的辐射通量W和吸收率之比，对于任何物体都是一个常数，并等于该温度下同面积黑体辐射通量W。在给定的温度下，物体的发射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，发射率也越大。

地物的热辐射强度与温度的四次方成正比，所以，地物微小的温度差异就会引起红外辐射能量的明显变化。这种特征构成了红外遥感的理论基础。

(2)玻耳兹曼定律（Stefan-Boltzmann''s law ）：即黑体总辐射通量随温度的增加而迅速增加，它与温度的四次方成正比。因此，温度的微小变化，就会引起辐射通量密度很大的变化。是红外装置测定温度的理论基础。

(3)维恩位移定律（Wien''s displacement law）：随着温度的升高，辐射最大值对应的峰值波长向短波方向移动。

红外传感器的工作原理并不复杂，一个典型的传感器系统各部分的实体分别是：

（1）待测目标。根据待测目标的红外辐射特性可进行红外系统的设定。

（2）大气衰减。待测目标的红外辐射通过地球大气层时，由于气体分子和各种气体以及各种溶胶粒的散射和吸收，将使得红外源发出的红外辐射发生衰减。

（3）光学接收器。它接收目标的部分红外辐射并传输给红外传感器。相当于雷达天线，常用是物镜。

（4）辐射调制器。对来自待测目标的辐射调制成交变的辐射光，提供目标方位信息，并可滤除大面积的干扰信号。又称调制盘和斩波器，它具有多种结构。

（5）红外探测器。这是红外系统的核心。它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互作用所呈现出来的电学效应。此类探测器可分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。

（6）探测器制冷器。由于某些探测器必须要在低温下工作，所以相应的系统必须有制冷设备。经过制冷，设备可以缩短响应时间，提高探测灵敏度。

（7）信号处理系统。将探测的信号进行放大、滤波，并从这些信号中提取出信息。然后将此类信息转化成为所需要的格式，最后输送到控制设备或者显示器中。（8）显示设备。这是红外设备的终端设备。常用的显示器有示波器、显像管、红外感光材料、指示仪器和记录仪等。

依照上面的流程，红外系统就可以完成相应的物理量的测量。红外系统的核心是红外探测器，按照探测的机理的不同，可以分为热探测器和光子探测器两大类。

热探测器对入射的各种波长的辐射能量全部吸收，它是一种对红外光波无选择的红外传感器。光子探测器常用的光子效应有外光电效应、内光电效应(光生伏特效应、光电导效应)和光电磁效应。

热探测器是利用辐射热效应，使探测元件接收到辐射能后引起温度升高，进而使探测器中依赖于温度的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。多数情况下是通过热电变化来探测辐射的。当元件接收辐射，引起非电量的物理变化时，可以通过适当的变换后测量相应的电量变化。热敏探测器对红外辐射的响应时间比光电探测器的响应时间要长得多。前者的响应时间一般在ms以上，而后者只有ns量级。热探测器不需要冷却，光子探测器多数要冷却。

红外探测器主要技术参数有下列几项：

(1)响应率

所谓红外探测器的响应率就是其输出电压与输入的红外辐射功率之比

式中 r — 响应率(V/W)；U0 — 输出电压(V)；P — 红外辐射功率(W)。

(2) 响应波长范围

红外探测器的响应率与入射辐射的波长有一定的关系，如右图所示。曲线①为热敏探测器的特性。热敏红外探测器响应率r与波长λ无关。光电探测器的分谱响应如图中曲线②所示。

λP对应响应峰值rP，rP /2于对应为截止波长λc。

(3) 噪声等效功率(NEP)

噪声等效功率又称最小可测功率。使探测器输出的信号等于噪声电压或电流所需的入射信号功率，是衡量光电探测器接收弱信号能力的性能参数。该功串在探测器上产生的电信号等于探测器本身的噪声，因此是产生单位信噪比所需的辐射功率。NEP愈小，探测器的性能愈好。信号辐射功率小于噪声等效功率，则探测器信号输出小于噪声。这就意味着探测器将无法感知目标辐射。所以噪声等效功率实际上就是探测器能够探知的最小目标辐射，标志着一个探测器的灵敏度。噪声等效功率愈小，灵敏度愈高。NEP与探测器相应谱段、调制频率、工作温度、偏置。光敏面积、张角等条件有关。

热释红外传感器

随着社会的发展，各种方便于生活的自动控制系统开始进入了人们的生活，以热释电红外传感器为核心的自动门系统就是其中之一。

热释电红外传感器是基于热电效应原理的热电型红外传感器。其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合虑光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。

热释电红外传感器原理：

1.热释电红外传感器的原理特性

热释电红外传感器和热电偶都是基于热电效应原理的热电型红外传感器。不同的是热释电红外传感器的热电系数远远高于热电偶，其内部的热电元由高热电系数的铁钛酸铅汞陶瓷以及钽酸锂、硫酸三甘铁等配合滤光镜片窗口组成，其极化随温度的变化而变化。为了抑制因自身温度变化而产生的干扰该传感器在工艺上将两个特征一致的热电元反向串联或接成差动平衡电路方式，因而能以非接触式检测出物体放出的红外线能量变化并将其转换为电信号输出。热释电红外传感器在结构上引入场效应管的目的在于完成阻抗变换。由于热电元输出的是电荷信号，并不能直接使用因而需要用电阻将其转换为电压形式该电阻阻抗高达104MΩ，故引入的N沟道结型场效应管应接成共漏形式即源极跟随器来完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测元、干涉滤光片和场效应管匹配器三部分组成。设计时应将高热电材料制成一定厚度的薄片，并在它的两面镀上金属电极，然后加电对其进行极化，这样便制成了热释电探测元。由于加电极化的电压是有极性的，因此极化后的探测元也是有正、负极性的。

2.被动式热释电红外传感器的工作原理与特性

人体都有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长10UM左右的红外线，被动式红外探头就是靠探测人体发射的10UM左右的红外线而进行工作的。人体发射的10UM左右的红外线通过菲泥尔滤光片增强后聚集到红外感应源上。红外感应源通常采用热释电元件，这种元件在接收到人体红外辐射温度发生变化时就会失去电荷平衡，向外释放电荷，后续电路经检测处理后就能产生报警信号。

1)这种探头是以探测人体辐射为目标的。所以热释电元件对波长为10UM左右的红外辐射必须非常敏感。

2)为了仅仅对人体的红外辐射敏感，在它的辐射照面通常覆盖有特殊的菲泥尔滤光片，使环境的干扰受到明显的控制作用。

3)被动红外探头，其传感器包含两个互相串联或并联的热释电元。而且制成的两个电极化方向正好相反，环境背景辐射对两个热释元件几乎具有相同的作用，使其产生释电效应相互抵消，于是探测器无信号输出。

4)一旦人侵入探测区域内，人体红外辐射通过部分镜面聚焦，并被热释电元接收，但是两片热释电元接收到的热量不同，热释电也不同，不能抵消，经信号处理而报警。

5)菲泥尔滤光片根据性能要求不同，具有不同的焦距（感应距离），从而产生不同的监控视场，视场越多，控制越严密。

3.热释电效应

当一些晶体受热时，在晶体两端将会产生数量相等而符号相反的电荷，这种由于热变化产生的电极化现象，被称为热释电效应。通常，晶体自发极化所产生的束缚电荷被来自空气中附着在晶体表面的自由电子所中和，其自发极化电矩不能表现出来。当温度变化时，晶体结构中的正负电荷重心相对移位，自发极化发生变化，晶体表面就会产生电荷耗尽，电荷耗尽的状况正比于极化程度。

能产生热释电效应的晶体称之为热释电体或热释电元件，其常用的材料有单(LiTaO3 等)、压电陶瓷（PZT等）及高分子薄膜（PVFZ等）。

根据菲涅耳原理制成，把红外光线分成可见区和盲区，同时又有聚焦的作用，使热释电人体红外传感器 (PIR) 灵敏度大大增加。菲涅耳透镜折射式和反射式两种形式，其作用一是聚焦作用，将热释的红外信号折射（反射）在PIR上；二是将检测区内分为若干个明区和暗区，使进入检测区的移动物体能以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号，这样PIR就能产生变化电信号。

如果我们在热电元件接上适当的电阻，当元件受热时，电阻上就有电流流过，在两端得到电压信号。

光纤陀螺仪传感器

光纤陀螺仪是随着光纤技术的迅速发展而出现的一种新型光纤旋转传感器。它是以光导纤维线圈为基础的敏感元件，由激光二极管发射出的光线朝两个方向沿光导纤维传播。光传播路径的变，决定了敏感元件的角位移。陀螺仪传感器主要由光源、探测器等有源器件和光纤耦合器、相位调制器等无源器件以及光纤组成。

光纤陀螺仪传感器的分类方式有多种，依照工作原理可分为干涉型、谐振式以及受激布里渊散射光纤陀螺仪三类；按电信号处理方式不同可分为开环光纤陀螺仪和闭环光纤陀螺仪；按结构又可分为单轴光纤陀螺仪和多轴光线陀螺仪等。

陀螺仪传感器具有质量轻、体积下、成本低、精度高、可靠性高等优势，这些突出特点使其在航天航空、机载系统和军事技术上的应用十分理想，因此受到用户特别是军队的高度重视，以美、日、法为主体的陀螺仪传感器研究工作已取得很大的进展。

光纤陀螺仪研究工作大部分集中在干涉式，只有少数公司仍在研究谐振式光纤陀螺。陀螺仪传感器的商品化是在上世纪90年代初才陆续展开，中低精度的光纤陀螺己经商品化，并在多领域内应用，高精度光纤陀螺仪的开发和研制正走向成熟阶段。

国内的光纤陀螺经过相关院校和科研研所的努力，研制水平虽然与国际水平有一定距离，但已具备或接近中、低精度要求，并在近年来开始尝试产业化。

激光位移传感器

激光位移传感器能够利用激光的高方向性、高单色性和高亮度等特点可实现无接触远距离测量。激光位移传感器（磁致伸缩位移传感器）就是利用激光的这些优点制成的新型测量仪表，它的出现，使位移测量的精度、可靠性得到极大的提高，也为非接触位移测量提供了有效的测量方法。

激光位移传感器因其较高的测量精度和非接触测量特性，广泛应用于高校和研究机构、汽车工业、机械制造工业、航空与军事工业、冶金和材料工业的精密测量检测。

激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量的测量。

按照测量原理,激光位移传感器原理分为激光三角测量法和激光回波分析法,激光三角测量法一般适用于高精度、短距离的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

下面分别介绍激光位移传感器的两种测量原理。

激光位移传感器的测量原理

1、激光三角法测量原理

图1 激光三角法测量原理图

半导体激光器1被镜片2聚焦到被测物体6。反射光被镜片3收集，投射到CCD阵列4上;信号处理器5通过三角函数计算阵列4上的光点位置得到距物体的距离。

激光发射器通过镜头将可见红色激光射向物体表面，经物体反射的激光通过接受器镜头，被内部的CCD线性相机接受，根据不同的距离，CCD线性相机可以在不同的角度下“看见”这个光点。根据这个角度即知的激光和相机之间的距离，数字信号处理器就能计算出传感器和被测物之间的距离。

同时，光束在接收元件的位置通过模拟和数字电路处理，并通过微处理器分析，计算出相应的输出值，并在用户设定的模拟量窗口内，按比例输出标准数据信号。如果使用开关量输出，则在设定的窗口内导通，窗口之外截止。另外，模拟量与开关量输出可设置独立检测窗口。

2、激光回波分析法测量原理

激光位移传感器采用回波分析原理来测量距离可以达到一定程度的精度。传感器内部是由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接受器等部分组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒发射一百万个脉冲到检测物并返回至接收器，处理器计算激光脉冲遇到检测物并返回接收器所需时间，以此计算出距离值，该输出值是将上千次的测量结果进行的平均输出。

图2 激光回波分析法测量原理图

激光测距传感器

激光测距传感器先由激光二极管对准目标发射激光脉冲。经目标反射后激光向各方向散射。部分散射光返回到传感器接收器，被光学系统接收后成像到雪崩光电二极管上。雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号。记录并处理从光脉冲发出到返回被接收所经历的时间，即可测定目标距离。

激光传感器必须极其精确地测定传输时间，因为光速太快。

如，光速约为3X10^8m/s，要想使分辨率达到1mm，则测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：

0.001m(3X10^8m/s)=3ps

要分辨出3ps的时间，这是对电子技术提出的过高要求，实现起来造价太高。

但是如今的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用一种简单的统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率，并且能保证响应速度。

远距离激光测距仪在工作时向目标射出一束很细的激光，由光电元件接收目标反射的激光束，计时器测定激光束从发射到接收的时间，计算出从观测者到目标的距离；LED白光测速仪成像在仪表内部集成电路芯片CCD上，CCD芯片性能稳定，工作寿命长，且基本不受工作环境和温度的影响。因此，LED白光测速仪测量精度有保证，性能稳定可靠。

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