光传感器及其应用分析

摘要： 介绍三种光位移传感器对线性位移检测的基本原理和方法，并对这三种传感器测试性能、应用进行分析。

关键词： 位移传感器；激光；光栅；光纤

中图分类号：TP212.2文献标识码：A文章编号：1671－7597（2011）0510053－01

0 引言

位移的检测遍及生产和生活的各个领域，特别是在技术领域，要求测试的精度愈来愈高。以适应现代技术的发展.而在自动检测系统中，常常又要对压力、流量、速度、加速度等物理量进行测试，在传感器的设计中一般要以位移为中间变量进行转换。可见位移的检测在测试领域中的重要性。位移的测试方法有多种，本文就三种典型的光学传感器——激光传感器、光栅传感器、光纤传感器进行原理阐述和实验性能与应用分析。

1 测试原理

1.1 激光位移传感器

激光线性位移测试的基本装置是迈克尔逊干涉仪，其工作原理如图1所示。图中激光器发出的激光通过圆孔P后照射到分束器G上，分束器是一个透光的玻璃介质，它的两表面中有一表面镀上了一层半透膜，这样，一部分激光透过G入射到可移动反射器M2上，并被M2反射后经G再次反射到达光电探测器上。另一部分激光经G反射后到固定反射器M1上，被M1继续反射后透过G入射到光电探测器上。因此，照射到光电探测器上的两束光产生干涉。在激光器小孔P前加人会聚透镜，在探测器处将产生明、暗相间的干涉条纹，移动可移动反射器M2，由于光程差的改变，则干涉条纹作相应的移动，由光电探测器接受到的明、暗条纹后输出电脉冲信号，送人可逆计数器计数。其位移与条纹关系的如下：

为激光波长。即干涉条纹每移动一条，则位移发生半个波长的变化。因此位移分辨率在微米数量级。若要再提高测试精度，可在光路中加入光学倍频器，此时波长将以1/2n减小，精度将成倍增加。

1.2 光栅位移传感器

光栅即在一条长方形光学玻璃片上均匀地刻上许多与运动方向垂直的线条，线条间距要根据测试精度决定。在玻璃（或金属）上进行刻划，可得到一系列密集刻线，这种具有周期性的刻线分布的光学元件称为光栅。

光栅式传感器有如下特点：

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動化。

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，主要适用于在实验室和环境较好的车间使用。

光栅式传感器在几何量测量领域中有着广泛的应用。与长度（或直线位移）和角度（或角位移）测量有关的精密仪器都经常使用光栅式传感器。此外，在测量振动、速度、应力、应变等机械量测量中也有应用。

1.3 光纤位移传感器

光纤传感技术伴随着光纤通信技术的发展而产生.反射式强度调制型光纤位移传感器的结构原理如图2所示。

在Y型光纤束中两个分叉端分别为光纤入射臂和光纤出射臂，将合并端〔即光纤探头〕贴近待测物体，这样，当光源发出光经光纤入射臂到达探头出射于物体上，经物体反射在光纤出射臂输出。物体位移改变，反射回光纤探头的光强随之发生改变，从而在出射端输出的光强发生相应的变化。因此，出射光强的大小决定于物体的位移。经探测器的光电转换，得到随位移变化的电信号。其测试精度决定于位移物体的反射率、光纤的芯径和光纤探头的排列形式.。从发射光纤出射的光经被测物表面直接或间接反射后，由接收光纤传到光电器件上，光量随反射面相对光纤端面的位移而变化，当很小时，反射到接收光纤的光量很少、因为这时两光纤的光锥角重叠部分很小。随着的增加接收光量增大并达到最大值，在此工作区间灵敏度较高、线性好，其线性段适于测微小位移，峰值处适于测表面粗糙度等。

2 检测电路的设计

由于测量信号采集后必须经过微机处理和记录，这要求采用的系统和器件都是以数字的形式输出和输入，因此，必须将信号调制成数字脉冲信号。在光检测电路中，如何把光脉冲信号转换成一个可以直接进行数据处理的并行数字信号，是光传感器研究的方向之一。由于光位移传感器的信号输出都是明暗相间的干涉条纹，它们对信号的采集有很大的相似之处，这里介绍一种光栅位移传感器的检测方法。

图3所示的光栅检测电路运用莫尔条纹细分技术，以四个光电三极管组成的线阵来检测莫尔条纹的位移[1]。将四个三极管合理排列，使其宽度刚好等于莫尔条纹周期的宽度。当亮条纹投射在光电三极管上时，光电管导通，输出高电平，将信号的高电平无限放大，即得到了脉宽一定的数字脉冲。随着条纹的移动，四个三极管将输出相位相差90°的信号波形，将信号输入及计数芯片和判向电路，即可对信号进行处理了。

3 传感器测试性能分析

对上述三种线性位移的光学测试法经实验室实测，其测试结果、性能优缺点及应用分析比较如下（2）：

3.1 激光传感器（未采用光学倍频器）

1）性能：动态测试范围：2m

分辨率：0.3～l

精度：0.1%

2）优点：动态范围宽，精度高，可用于非接触测量.缺点：装置较复杂。

3）应用分析：不仅检测位移，还可对光波长进行测试，同时可检测光学元件的表面、物体的热胀系数等。

3.2 光栅传感器（条纹未细分，取光栅密度为100线/mm）

1）性能：动态测试范围：0.05～1 m

分辨率：0.1～10

精度：0.1%

2）优点：精度、分辨率高.缺点：相比于激光干涉法动态范围较小，结构较复杂。

3）应用分析：可应用于精密仪器、机械加工和白动检测中。

3.3 光纤传感器

l）性能：动态范围：1～10 mm

分辨率：1～10

线性度：0.05%

2）优点：结构装置简单、小型，精度较。可用于非接触测量。缺点：动态范围、分辨率相比于上述两种测试法均较小。

3）应用分析：由于结构简单，不仅可检测位移，同时可对压力、流体流量、速度的检测。

4 结束语

对微小位移的检测，应用光学传感器可得较高的精度和较大的分辨率，据测试性能比较和各自的特点决定了它们共有不同的应用。在具体的应用中，应据不同的条件和测试技术要求，具体问题具体分析，选用合适的测试方法。

参考文献：

[1]鲍国华，光电传感器检测电路的设计，仪表技术，1997年，第四期.

[2]郭凤珍、于长泰，光纤传感技术与应用，浙江大学出版社.

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文

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