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?光柵傳感器
光柵式傳感器指采用光柵疊柵條紋原理測量位移的傳感器。
光柵是由大量等寬等間距的平行狹縫構成的光學器件。一般常用的光柵是在玻璃片上刻出大量平行刻痕制成，刻痕為不透光部分，兩刻痕之間的光滑部分可以透光，相當于一狹縫。精制的光柵，在1cm寬度內刻有幾千條乃至上萬條刻痕。
這種利用透射光衍射的光柵稱為透射光柵，還有利用兩刻痕間的反射光衍射的光柵，如在鍍有金屬層的表面上刻出許多平行刻痕，兩刻痕間的光滑金屬面可以反射光，這種光柵成為反射光柵。由光柵形成的疊柵條紋具有光學放大作用和誤差平均效應，因而能提高測量精度。
光柵傳感器由標尺光柵、指示光柵、光路系統(tǒng)和測量系統(tǒng)四部分組成。標尺光柵相對于指示光柵移動時，便形成大致按正弦規(guī)律分布的明暗相間的疊柵條紋。
這些條紋以光柵的相對運動速度移動，并直接照射到光電元件上，在它們的輸出端得到一串電脈沖，通過放大、整形、辨向和計數系統(tǒng)產生數字信號輸出，直接顯示被測的位移量。
光柵傳感器的結構及工作原理：
光柵傳感器的結構均由光源、主光柵、指示光柵、通光孔、光電元件這幾個主要部分構成。
1、光源：鎢絲燈泡，它有較小的功率，與光電元件組合使用時，轉換效率低，使用壽命短。半導體發(fā)光器件，如砷化鎵發(fā)光二極管，可以在 范圍內工作，所發(fā)光的峰值波長為 ，與硅光敏三極管的峰值波長接近，因此，有很高的轉換效率，也有較快的響應速度。
2、光柵付：由柵距相等的主光柵和指示光柵組成。主光柵和指示光柵相互重疊，但又不完全重合。兩者柵線間會錯開一個很小的夾角 ，以便于得到莫爾條紋。一般主光柵是活動的，它可以單獨地移動，也可以隨被測物體而移動，其長度取決于測量范圍。指示光柵相對于光電器件而固定。
3、通光孔：通光孔是發(fā)光體與受光體的通路，一般為條形狀，其長度由受光體的排列長度決定，寬度由受光體的大小決定。它是帖在指示光柵板上的。
4、受光元件：受光元件是用來感知主光柵在移動時產生莫爾條紋的移動，從而測量位移量。在選擇光敏元件時，要考慮靈敏度、響應時間、光譜特性、穩(wěn)定性、體積等因素。
將主光柵與標尺光柵重疊放置，兩者之間保持很小的間隙，并使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ，如下圖所示。
當有光源照射時，由于擋光效應（對刻線密度≤50條／mm的光柵）或光的衍射作用（對刻線密度≥100條／mm的光柵），與光柵刻線大致垂直的方向上形成明暗相間的條紋。
在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開的地方，形成暗帶；這些明暗相間的條紋稱為莫爾條紋。
莫爾條紋的間距與柵距W和兩光柵刻線的夾角θ（單位為rad）之間的關系為：
當指示光柵不動，主光柵的刻線與指示光柵刻線之間始終保持夾角θ，而使主光柵沿刻線的垂直方向作相對移動時，莫爾條紋將沿光柵刻線方向移動；光柵反向移動，莫爾條紋也反向移動。
主光柵每移動一個柵距W，莫爾條紋也相應移動一個間距S。因此通過測量莫爾條紋的移動，就能測量光柵移動的大小和方向，這要比直接對光柵進行測量容易得多。
當主光柵沿與刻線垂直方向移動一個柵距W時，莫爾條紋移動一個條紋間距。當兩個光柵刻線夾角θ較小時，由上述公式可知，W一定時，θ愈小，則B愈大，相當于把柵距W放大了1／ θ倍。因此，莫爾條紋的放大倍數相當大，可以實現高靈敏度的位移測量。
莫爾條紋是由光柵的許多刻線共同形成的，對刻線誤差具有平均效應，能在很大程度上消除由于刻線誤差所引起的局部和短周期誤差影響，可以達到比光柵本身刻線精度更高的測量精度。因此，計量光柵特別適合于小位移、高精度位移測量。
光柵傳感器的特點
1、精度高。
光柵式傳感器在大量程測量長度或直線位移方面僅僅低于激光干涉?zhèn)鞲衅?。在圓分度和角位移連續(xù)測量方面，光柵式傳感器屬于精度高的；
2、大量程測量兼有高分辨力。
感應同步器和磁柵式傳感器也具有大量程測量的特點，但分辨力和精度都不如光柵式傳感器；
3、可實現動態(tài)測量，易于實現測量及數據處理的自動化；
4、具有較強的抗干擾能力，對環(huán)境條件的要求不像激光干涉?zhèn)鞲衅髂菢訃栏?，但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強，油污和灰塵會影響它的可靠性。主要適用于在實驗室和環(huán)境較好的車間使用。
光柵傳感器的種類：
光柵主要分兩大類：一是Bragg光柵（也稱為反射或短周期光柵）；二是透射光柵（也稱為長周期光柵）。
光纖光柵從結構上可分為周期性結構和非周期性結構，從功能上還可分為濾波型光柵和色散補償型光柵，色散補償型光柵是非周期光柵，又稱為啁啾光柵（Chirp光柵）。
光纖Bragg光柵傳感器
光纖光柵是利用光纖中的光敏性制成的。所謂光纖中的光敏性是指激光通過摻雜光纖時，在纖芯內產生沿纖芯軸向的折射率周期性變化，從而形成空間的相位，光纖光柵的折射率將隨光強的空間分布發(fā)生相應變化。而在纖芯內形成的空間相位光柵，其作用的實質就是在纖芯內形成一個窄帶的（透射或反射）濾波器或反射鏡。
當一束寬光譜光經過光纖光柵時，滿足光纖光柵布拉格條件的波長將產生反射，其余的波長將透過光纖光柵繼續(xù)往前傳輸，利用這一特性可制造出許多性能獨特的光纖器件。
啁啾光纖光柵傳感器
與光纖Bragg光柵傳感器的工作原理基本相同，在外界物理量的作用下啁啾光纖光柵除了△λＢ的變化外，還 會引起光譜的展寬。
這種傳感器在應變和溫度均存在的場合是非常有用的，啁啾光纖光柵由于應變的影響導致了反射信號的拓寬和峰值波長的位移，而溫度的變化則由于折射率的溫度依賴性（ｄｎ／ｄＴ），僅影響重心的位置。通過同時測量光譜位移和展寬，就可以同時測量應變和溫度。
長周期光纖光柵傳感器
長周期光纖光柵（ＬＰＧ）的周期一般認為有數百微米， ＬＰＧ在特定的波長上把纖芯的光耦合進包層：λｉ＝ （ｎ０－ｎｉｃｌａｄ）?Λ 。式中，ｎ０為纖芯的折射率，ｎｉｃｌａｄ為ｉ階軸對稱包層模的有效折射率。光在包層中將由于包層／空氣界面的損耗而迅速衰減，留下一串損耗帶。
一個獨立的ＬＰＧ可能在一個很寬的波長范圍內有許多的共振，ＬＰＧ共振的中心波長主要取決于芯和包層的折射率差，由應變、溫度或外部折射率變化而產生的任何變化都能在共振中產生大的波長位移，通過檢測△λｉ，就可獲得外界物理量變化的信息。ＬＰＧ在給定波長上的共振帶的響應通常有不同的幅度，因而ＬＰＧ適用于多參數傳感器。
紅外傳感器
紅外技術發(fā)展到現在，已經為大家所熟知，這種技術已經在現代科技、國防和工農業(yè)等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：
（1）輻射計，用于輻射和光譜測量；
（2）搜索和跟蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標，確定其空間位置并對它的運動進行跟蹤；
（3）熱成像系統(tǒng)，可產生整個目標紅外輻射的分布圖像；
（4）紅外測距和通信系統(tǒng)；
（5）混合系統(tǒng)，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。
首先了解一下紅外光。
紅外光是太陽光譜的一部分，紅外光的特點就是具有光熱效應，輻射熱量，它是光譜中max光熱效應區(qū)。紅外光一種不可見光，與所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質。紅外光在真空中的傳播速度為3×108m/s。紅外光在介質中傳播會產生衰減，在金屬中傳播衰減很大，但紅外輻射能透過大部分半導體和一些塑料，大部分液體對紅外輻射吸收非常大。
不同的氣體對其吸收程度各不相同，大氣層對不同波長的紅外光存在不同的吸收帶。研究分析表明，對于波長為1——5μm、 8——14μm區(qū)域的紅外光具有比較大的“透明度”。即這些波長的紅外光能較好地穿透大氣層。
自然界中任何物體，只要其溫度在絕對零度之上，都能產生紅外光輻射。紅外光的光熱效應對不同的物體是各不相同的，熱能強度也不一樣。
例如，黑體(能全部吸收投射到其表面的紅外輻射的物體)、鏡體(能全部反射紅外輻射的物體)、透明體(能全部穿透紅外輻射的物體)和灰體(能部分反射或吸收紅外輻射的物體)將產生不同的光熱效應。嚴格來講，自然界并不存在黑體、鏡體和透明體，而絕大部分物體都屬于灰體。
上述這些特性就是把紅外光輻射技術用于衛(wèi)星遙感遙測、紅外跟蹤等軍事和科學研究項目的重要理論依據。
紅外輻射的基本定律：
(1)基爾霍夫定律：在一定溫度下，地物單位面積上的輻射通量W和吸收率之比，對于任何物體都是一個常數，并等于該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下，物體的發(fā)射率=吸收率（同一波段）；吸收率越大，發(fā)射率也越大。
地物的熱輻射強度與溫度的四次方成正比，所以，地物微小的溫度差異就會引起紅外輻射能量的明顯變化。這種特征構成了紅外遙感的理論基礎。
(2)玻耳茲曼定律（Stefan-Boltzmann''s law ）：即黑體總輻射通量隨溫度的增加而迅速增加，它與溫度的四次方成正比。因此，溫度的微小變化，就會引起輻射通量密度很大的變化。是紅外裝置測定溫度的理論基礎。
(3)維恩位移定律（Wien''s displacement law）：隨著溫度的升高，輻射max值對應的峰值波長向短波方向移動。
紅外傳感器的工作原理并不復雜，一個典型的傳感器系統(tǒng)各部分的實體分別是：
（1）待測目標。根據待測目標的紅外輻射特性可進行紅外系統(tǒng)的設定。
（2）大氣衰減。待測目標的紅外輻射通過地球大氣層時，由于氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收，將使得紅外源發(fā)出的紅外輻射發(fā)生衰減。
（3）光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射并傳輸給紅外傳感器。相當于雷達天線，常用是物鏡。
（4）輻射調制器。對來自待測目標的輻射調制成交變的輻射光，提供目標方位信息，并可濾除大面積的干擾信號。又稱調制盤和斬波器，它具有多種結構。
（5）紅外探測器。這是紅外系統(tǒng)的核心。它是利用紅外輻射與物質相互作用所呈現出來的物理效應探測紅外輻射的傳感器，多數情況下是利用這種相互作用所呈現出來的電學效應。此類探測器可分為光子探測器和熱敏感探測器兩大類型。
（6）探測器制冷器。由于某些探測器必須要在低溫下工作，所以相應的系統(tǒng)必須有制冷設備。經過制冷，設備可以縮短響應時間，提高探測靈敏度。
（7）信號處理系統(tǒng)。將探測的信號進行放大、濾波，并從這些信號中提取出信息。然后將此類信息轉化成為所需要的格式，最后輸送到控制設備或者顯示器中。
（8）顯示設備。這是紅外設備的終端設備。常用的顯示器有示波器、顯像管、紅外感光材料、指示儀器和記錄儀等。
依照上面的流程，紅外系統(tǒng)就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統(tǒng)的核心是紅外探測器，按照探測的機理的不同，可以分為熱探測器和光子探測器兩大類。
熱探測器對入射的各種波長的輻射能量全部吸收，它是一種對紅外光波無選擇的紅外傳感器。光子探測器常用的光子效應有外光電效應、內光電效應(光生伏特效應、光電導效應)和光電磁效應。
熱探測器是利用輻射熱效應，使探測元件接收到輻射能后引起溫度升高，進而使探測器中依賴于溫度的性能發(fā)生變化。檢測其中某一性能的變化，便可探測出輻射。多數情況下是通過熱電變化來探測輻射的。當元件接收輻射，引起非電量的物理變化時，可以通過適當的變換后測量相應的電量變化。熱敏探測器對紅外輻射的響應時間比光電探測器的響應時間要長得多。前者的響應時間一般在ms以上，而后者只有ns量級。熱探測器不需要冷卻，光子探測器多數要冷卻。
紅外探測器主要技術參數有下列幾項：
(1)響應率
所謂紅外探測器的響應率就是其輸出電壓與輸入的紅外輻射功率之比
式中 r — 響應率(V/W)；U0 — 輸出電壓(V)；P — 紅外輻射功率(W)。
(2) 響應波長范圍
紅外探測器的響應率與入射輻射的波長有一定的關系，熱敏紅外探測器響應率r與波長λ無關。
λP對應響應峰值rP，rP /2于對應為截止波長λc。
(3) 噪聲等效功率(NEP)
噪聲等效功率又稱min可測功率。使探測器輸出的信號等于噪聲電壓或電流所需的入射信號功率，是衡量光電探測器接收弱信號能力的性能參數。該功串在探測器上產生的電信號等于探測器本身的噪聲，因此是產生單位信噪比所需的輻射功率。NEP愈小，探測器的性能愈好。信號輻射功率小于噪聲等效功率，則探測器信號輸出小于噪聲。這就意味著探測器將無法感知目標輻射。所以噪聲等效功率實際上就是探測器能夠探知的min目標輻射，標志著一個探測器的靈敏度。噪聲等效功率愈小，靈敏度愈高。NEP與探測器相應譜段、調制頻率、工作溫度、偏置。光敏面積、張角等條件有關。
光纖陀螺儀傳感器
光纖陀螺儀是隨著光纖技術的迅速發(fā)展而出現的一種新型光纖旋轉傳感器。它是以光導纖維線圈為基礎的敏感元件，由激光二極管發(fā)射出的光線朝兩個方向沿光導纖維傳播。光傳播路徑的變，決定了敏感元件的角位移。陀螺儀傳感器主要由光源、探測器等有源器件和光纖耦合器、相位調制器等無源器件以及光纖組成。
光纖陀螺儀傳感器的分類方式有多種，依照工作原理可分為干涉型、諧振式以及受激布里淵散射光纖陀螺儀三類；按電信號處理方式不同可分為開環(huán)光纖陀螺儀和閉環(huán)光纖陀螺儀；按結構又可分為單軸光纖陀螺儀和多軸光線陀螺儀等。
陀螺儀傳感器具有質量輕、體積下、成本低、精度高、可靠性高等優(yōu)勢，這些突出特點使其在航天航空、機載系統(tǒng)和軍事技術上的應用十分理想，因此受到用戶特別是軍隊的高度重視，以美、日、法為主體的陀螺儀傳感器研究工作已取得很大的進展。
激光位移傳感器
激光位移傳感器能夠利用激光的高方向性、高單色性和高亮度等特點可實現無接觸遠距離測量。激光位移傳感器（磁致伸縮位移傳感器）就是利用激光的這些優(yōu)點制成的新型測量儀表，它的出現，使位移測量的精度、可靠性得到大大的提高，也為非接觸位移測量提供了有效的測量方法。
激光位移傳感器因其較高的測量精度和非接觸測量特性，廣泛應用于高校和研究機構、汽車工業(yè)、機械制造工業(yè)、航空與軍事工業(yè)、冶金和材料工業(yè)的精密測量檢測。
激光位移傳感器可精確非接觸測量被測物體的位置、位移等變化，主要應用于檢測物的位移、厚度、振動、距離、直徑等幾何量的測量。
按照測量原理,激光位移傳感器原理分為激光三角測量法和激光回波分析法,激光三角測量法一般適用于高精度、短距離的測量，而激光回波分析法則用于遠距離測量。
下面分別介紹激光位移傳感器的兩種測量原理。
激光位移傳感器的測量原理
1、激光三角法測量原理
半導體激光器1被鏡片2聚焦到被測物體6。反射光被鏡片3收集，投射到CCD陣列4上;信號處理器5通過三角函數計算陣列4上的光點位置得到距物體的距離。
激光發(fā)射器通過鏡頭將可見紅色激光射向物體表面，經物體反射的激光通過接受器鏡頭，被內部的CCD線性相機接受，根據不同的距離，CCD線性相機可以在不同的角度下“看見”這個光點。根據這個角度即知的激光和相機之間的距離，數字信號處理器就能計算出傳感器和被測物之間的距離。
同時，光束在接收元件的位置通過模擬和數字電路處理，并通過微處理器分析，計算出相應的輸出值，并在用戶設定的模擬量窗口內，按比例輸出標準數據信號。如果使用開關量輸出，則在設定的窗口內導通，窗口之外截止。另外，模擬量與開關量輸出可設置獨立檢測窗口。
2、激光回波分析法測量原理
激光位移傳感器采用回波分析原理來測量距離可以達到一定程度的精度。傳感器內部是由處理器單元、回波處理單元、激光發(fā)射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發(fā)射器每秒發(fā)射一百萬個脈沖到檢測物并返回至接收器，處理器計算激光脈沖遇到檢測物并返回接收器所需時間，以此計算出距離值，該輸出值是將上千次的測量結果進行的平均輸出。
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