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光學傳感器的原理詳解

作者:Andy 瀏覽: 發表時間:2018-05-18 09:52:29 來源:光電資訊

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製成,刻痕為不透光部分,兩刻痕之間的光滑部分可以透光,相當於一狹縫。精製的光柵,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、光路系統和測量系統四部分組成。標尺光柵相對於指示光柵移動時,便形成大緻按正弦規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,並直接照射到光電元件上,在它們的輸出端得到一串電脈衝,通過放大、整形、辨向和計數系統產生數字信號輸出,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。半導體發光器件,如砷化镓發光二極管,可以在 範圍內工作,所發光的峰值波長為 ,與矽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 ,以便於得到莫爾條紋。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,其長度取決於測量範圍。指示光柵相對於光電器件而固定。

3、通光孔:通光孔是發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,並使兩塊光柵的刻線之間有一個微小的夾角θ,如圖所示。

當有光源照射時,由於擋光效應(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),與光柵刻線大緻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

(K稱為放大倍數)。

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,相當於把柵距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於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,計量光柵特別適合於小位移、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於激光幹涉傳感器。在圓分度和角位移連續測量方面,光柵式傳感器屬於精度最高的;

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、可實現動態測量,易於實現測量及數據處理的自動化;

4、具有較強的抗幹擾能力,對環境條件的要求不像激光幹涉傳感器那樣嚴格,但不如感應同步器和磁柵式傳感器的適應性強,油汙和灰塵會影響它的可靠性。主要適用於在實驗室和環境較好的車間使用。

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製成的。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,從而形成永久性空間的相位,光纖光柵的折射率將隨光強的空間分布發生相應變化。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,其餘的波長將透過光纖光柵繼續往前傳輸,利用這一特性可製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,啁啾光纖光柵由於應變的影響導緻了反射信號的拓寬和峰值波長的位移,而溫度的變化則由於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。光在包層中將由於包層/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範圍內有許多的共振,LPG共振的中心波長主要取決於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適用於多參數傳感器。

紅外傳感器


紅外技術發展到現在,已經為大家所熟知,這種技術已經在現代科技、國防和工農業等領域獲得了廣泛的應用。紅外傳感系統是用紅外線為介質的測量系統,按照功能能夠分成五類:

(1)輻射計,用於輻射和光譜測量;(2)搜索和跟蹤系統,用於搜索和跟蹤紅外目標,確定其空間位置並對它的運動進行跟蹤;(3)熱成像系統,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;(5)混合系統,是指以上各類系統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,紅外光的最大特點就是具有光熱效應,輻射熱量,它是光譜中最大光熱效應區。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、幹涉、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,對於波長為1——5μm、 8——14μm區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,隻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,自然界並不存在黑體、鏡體和透明體,而絕大部分物體都屬於灰體。上述這些特性就是把紅外光輻射技術用於衛星遙感遙測、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,對於任何物體都是一個常數,並等於該溫度下同面積黑體輻射通量W。在給定的溫度下,物體的發射率=吸收率(同一波段);吸收率越大,發射率也越大。

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,輻射最大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並不複雜,一個典型的傳感器系統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,由於氣體分子和各種氣體以及各種溶膠粒的散射和吸收,將使得紅外源發出的紅外輻射發生衰減。(3)光學接收器。它接收目標的部分紅外輻射並傳輸給紅外傳感器。相當於雷達天線,常用是物鏡。(4)輻射調製器。對來自待測目標的輻射調製成交變的輻射光,提供目標方位信息,並可濾除大面積的幹擾信號。又稱調製盤和斬波器,它具有多種結構。    (5)紅外探測器。這是紅外系統的核心。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)探測器製冷器。由於某些探測器必須要在低溫下工作,所以相應的系統必須有製冷設備。經過製冷,設備可以縮短響應時間,提高探測靈敏度。(7)信號處理系統。將探測的信號進行放大、濾波,並從這些信號中提取出信息。然後將此類信息轉化成為所需要的格式,最後輸送到控製設備或者顯示器中。(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,紅外系統就可以完成相應的物理量的測量。紅外系統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後引起溫度升高,進而使探測器中依賴於溫度的性能發生變化。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後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,而後者隻有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) 響應波長範圍

紅外探測器的響應率與入射輻射的波長有一定的關系,如右圖所示。曲線①為熱敏探測器的特性。熱敏紅外探測器響應率r與波長λ無關。光電探測器的分譜響應如圖中曲線②所示。

λP對應響應峰值rP,rP /2於對應為截止波長λc。

(3) 噪聲等效功率(NEP)

噪聲等效功率又稱最小可測功率。使探測器輸出的信號等於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於探測器本身的噪聲,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。信號輻射功率小於噪聲等效功率,則探測器信號輸出小於噪聲。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最小目標輻射,標誌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、調製頻率、工作溫度、偏置。光敏面積、張角等條件有關。

熱釋電紅外傳感器


隨著社會的發展,各種方便於生活的自動控製系統開始進入了人們的生活,以熱釋電紅外傳感器為核心的自動門系統就是其中之一。熱釋電紅外傳感器是基於熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合慮光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、幹涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料製成一定厚度的薄片,並在它的兩面鍍上金屬電極,然後加電對其進行極化,這樣便製成了熱釋電探測元。

1、熱釋電紅外傳感器原理

1.1熱釋電紅外傳感器的原理特性

熱釋電紅外傳感器和熱電偶都是基於熱電效應原理的熱電型紅外傳感器。不同的是熱釋電紅外傳感器的熱電系數遠遠高於熱電偶,其內部的熱電元由高熱電系數的鐵鈦酸鉛汞陶瓷以及鉭酸鋰、硫酸三甘鐵等配合濾光鏡片窗口組成,其極化隨溫度的變化而變化。為了抑製因自身溫度變化而產生的幹擾該傳感器在工藝上將兩個特征一緻的熱電元反向串聯或接成差動平衡電路方式,因而能以非接觸式檢測出物體放出的紅外線能量變化並將其轉換為電信號輸出。熱釋電紅外傳感器在結構上引入場效應管的目的在於完成阻抗變換。由於熱電元輸出的是電荷信號,並不能直接使用因而需要用電阻將其轉換為電壓形式該電阻阻抗高達104MΩ,故引入的N溝道結型場效應管應接成共漏形式即源極跟隨器來完成阻抗變換。熱釋電紅外傳感器由傳感探測元、幹涉濾光片和場效應管匹配器三部分組成。設計時應將高熱電材料製成一定厚度的薄片,並在它的兩面鍍上金屬電極,然後加電對其進行極化,這樣便製成了熱釋電探測元。由於加電極化的電壓是有極性的,因此極化後的探測元也是有正、負極性的。

1.2 被動式熱釋電紅外傳感器的工作原理與特性

人體都有恒定的體溫,一般在37度,所以會發出特定波長10UM左右的紅外線,被動式紅外探頭就是靠探測人體發射的10UM左右的紅外線而進行工作的。人體發射的10UM左右的紅外線通過菲泥爾濾光片增強後聚集到紅外感應源上。紅外感應源通常采用熱釋電元件,這種元件在接收到人體紅外輻射溫度發生變化時就會失去電荷平衡,向外釋放電荷,後續電路經檢測處理後就能產生報警信號。

1)這種探頭是以探測人體輻射為目標的。所以熱釋電元件對波長為10UM左右的紅外輻射必須非常敏感。

2)為了僅僅對人體的紅外輻射敏感,在它的輻射照面通常覆蓋有特殊的菲泥爾濾光片,使環境的幹擾受到明顯的控製作用。

3)被動紅外探頭,其傳感器包含兩個互相串聯或並聯的熱釋電元。而且製成的兩個電極化方向正好相反,環境背景輻射對兩個熱釋元件幾乎具有相同的作用,使其產生釋電效應相互抵消,於是探測器無信號輸出。

4)一旦人侵入探測區域內,人體紅外輻射通過部分鏡面聚焦,並被熱釋電元接收,但是兩片熱釋電元接收到的熱量不同,熱釋電也不同,不能抵消,經信號處理而報警。

5)菲泥爾濾光片根據性能要求不同,具有不同的焦距(感應距離),從而產生不同的監控視場,視場越多,控製越嚴密。

被動式熱釋電紅外探頭的優缺點:

優點:

本身不發任何類型的輻射,器件功耗很小,隱蔽性好。價格低廉。

缺點:

1、容易受各種熱源、光源幹擾

2、被動紅外穿透力差,人體的紅外輻射容易被遮擋,不易被探頭接收。

3、易受射頻輻射的幹擾。

4、環境溫度和人體溫度接近時,探測和靈敏度明顯下降,有時造成短時失靈。

抗幹擾性能:

1、防小動物幹擾

探測器安裝在推薦地使用高度,對探測範圍內地面上地小動物,一般不產生報警。

2、抗電磁幹擾

探測器的抗電磁波幹擾性能符合GB10408中4.6.1要求,一般手機電磁幹擾不會引起誤報。

3、抗燈光幹擾

探測器在正常靈敏度的範圍內,受3米外H4鹵素燈透過玻璃照射,不產生報警。

紅外線熱釋電傳感器的安裝要求:

紅外線熱釋電人體傳感器隻能安裝在室內,其誤報率與安裝的位置和方式有極大的關系。正確的安裝應滿足下列條件:

1、紅外線熱釋電傳感器應離地面2.0-2.2米。

2、紅外線熱釋電傳感器遠離空調, 冰箱,火爐等空氣溫度變化敏感的地方。

3、紅外線熱釋電傳感器探測範圍內不得隔屏、家具、大型盆景或其他隔離物。

4、紅外線熱釋電傳感器不要直對窗口,否則窗外的熱氣流擾動和人員走動會引起誤報,有條件的最好把窗簾拉上。紅外線熱釋電傳感器也不要安裝在有強氣流活動的地方。

紅外線熱釋電傳感器對人體的敏感程度還和人的運動方向關系很大。紅外線熱釋電傳感器對於徑向移動反應最不敏感, 而對於橫切方向 (即與半徑垂直的方向)移動則最為敏感. 在現場選擇合適的安裝位置是避免紅外探頭誤報、求得最佳檢測靈敏度極為重要的一環。

1.3 熱釋電效應

當一些晶體受熱時,在晶體兩端將會產生數量相等而符號相反的電荷,這種由於熱變化產生的電極化現象,被稱為熱釋電效應。通常,晶體自發極化所產生的束縛電荷被來自空氣中附著在晶體表面的自由電子所中和,其自發極化電矩不能表現出來。當溫度變化時,晶體結構中的正負電荷重心相對移位,自發極化發生變化,晶體表面就會產生電荷耗盡,電荷耗盡的狀況正比於極化程度。

能產生熱釋電效應的晶體稱之為熱釋電體或熱釋電元件,其常用的材料有單(LiTaO3 等)、壓電陶瓷(PZT等)及高分子薄膜(PVFZ等)。

根據菲涅耳原理製成,把紅外光線分成可見區和盲區,同時又有聚焦的作用,使熱釋電人體紅外傳感器 (PIR) 靈敏度大大增加。菲涅耳透鏡折射式和反射式兩種形式,其作用一是聚焦作用,將熱釋的紅外信號折射(反射)在PIR上;二是將檢測區內分為若幹個明區和暗區,使進入檢測區的移動物體能以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號,這樣PIR就能產生變化電信號。

如果我們在熱電元件接上適當的電阻,當元件受熱時,電阻上就有電流流過,在兩端得到電壓信號。

2、 熱釋電紅外傳感器應用-自動門

2.1 自動門設計原理

在自動門領域中,被動式人體熱釋電紅外線感應開關的應用非常廣泛,因其性能穩定且能長期穩定可靠工作而受到廣大用戶的歡迎,這種開關主要由人體熱釋電紅外線傳感器、信號處理電路、控製及執行電路、電源電路等幾部分組成。

熱釋電紅外自動門主要由光學系統、熱釋電紅外傳感器、信號濾波和放大、信號處理和自動門電路等幾部分組成。菲涅爾透鏡可以將人體輻射的紅外線聚焦到熱釋電紅外探測元上,同時也產生交替變化的紅外輻射高靈敏區和盲區,以適應熱釋電探測元要求信號不斷變化的特性;熱釋電紅外傳感器是報警器設計中的核心器件,它可以把人體的紅外信號轉換為電信號以供信號處理部分使用;信號處理主要是把傳感器輸出的微弱電信號進行放大、濾波、延遲、比較,為報警功能的實現打下基礎。

在該探測技術中,所謂“被動”是指探測器本身不發出任何形式的能量,隻是靠接收自然界能量或能量變化來完成探測目的。被動紅外自動門的特點是能夠響應人體在探測區域內移動時所引起的紅外輻射變化,並能使監控報警器產生報警信號,從而完成報警功能。圖6所示是該報警器的工作電路原理圖。

當人體輻射的紅外線通過菲涅爾透鏡被聚焦在熱釋電紅外傳感器的探測元上時,電路中的傳感器將輸出電壓信號,然後使該信號先通過一個由C1、C2、R1、R2組成的帶通濾波器,該濾波器的上限截止頻率為16Hz,下限截止頻率為0.16Hz。由於熱釋電紅外傳感器輸出的探測信號電壓十分微弱(通常僅有1mV左右),而且是一個變化的信號,同時菲涅爾透鏡的作用又使輸出信號電壓呈脈衝形式(脈衝電壓的頻率由被測物體的移動速度決定,通常為0.1~10Hz左右),所以應對熱釋紅外傳感器輸出的電壓信號進行放大。本設計運用集成運算放大器LM324來進行兩級放大,以使其獲得足夠的增益。當傳感器探測到人體輻射的紅外線信號並經放大後送給窗口比較器時,若信號幅度超過窗口比較器的上下限,系統將輸出高電平信號;無異常情況時則輸出低電平信號。在該比較器中,R9、R10、R11用做參考電壓,兩個運算放大器用做比較,兩個二極管的主要作用是使輸出更穩定。窗口比較器的上下限電壓即參考電壓分別為3.8V和1。2V。將這個高低電平變化的信號上升沿信號作為單穩電路HEF4538B的觸發信號,並讓其輸出一個脈寬大約為10s的高電平信號。再用這一脈寬信號作為報警電路KD9561的輸入控製信號,來使電路產生10s的報警信號,最後用三極管VT1和VT2再一次對電信號進行放大,以便有足夠大的電流來驅動喇叭使其連續發出10s的報警聲。

前兩個LM324是兩級放大器。傳感器檢測到人體紅外線後產生的感應信號很微弱,電路中設置了諸多旁路電容都是為了抑製幹擾,避免誤動作。後兩個LM324是上、下限電壓比較器。隻有傳感器感應產生的交變信號經放大達到足夠電平才能使其輸出為高電平,以控製後面繼電器K1是否得電。K1得電,此時將進入自動門控製部分。K1得電則KA2得電吸合,KA2常開閉合自鎖,電機開始正轉,門就慢慢打開。當接觸到行程開關QS1後,之前動作的觸點複位,電機停止,門也不動了,一直處於開啟狀態。同時行程開關的常開觸點閉合,時間繼電器KT得電延時5S。5S後KT常開閉合, KA得電,KA3常開閉合自鎖,電機開始反轉,直到碰到行程開關QS2,門已關上,電機停止反轉。以上為電路運行的所有過程。

2.2 安裝:

元件選擇與參數確定:

這次設計中主要選擇LM324作為主要芯片,因是這兩塊芯片在以前學過的書本中都有所接觸,運用起來相對比較熟悉。LM324是一個具有兩極放大的比較器。而在自動門控製電路中,我使用了繼電器、時間繼電器、行程開關等一些強電器件來實現自動門的正常工作。

光纖陀螺儀傳感器


光纖陀螺儀是隨著光纖技術的迅速發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、相位調製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幹涉型、諧振式以及受激布裏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光纖陀螺儀和閉環光纖陀螺儀;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、可靠性高等優勢,這些突出特點使其在航天航空、機載系統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。

光纖陀螺儀研究工作大部分集中在幹涉式,隻有少數公司仍在研究諧振式光纖陀螺。陀螺儀傳感器的商品化是在上世紀90年代初才陸續展開,中低精度的光纖陀螺己經商品化,並在多領域內應用,高精度光纖陀螺儀的開發和研製正走向成熟階段。

國內的光纖陀螺經過相關院校和科研研所的努力,研製水平雖然與國際水平有一定距離,但已具備或接近中、低精度要求,並在近年來開始嚐試產業化。

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(磁緻伸縮位移傳感器)就是利用激光的這些優點製成的新型測量儀表,它的出現,使位移測量的精度、可靠性得到極大的提高,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,廣泛應用於高校和研究機構、汽車工業、機械製造工業、航空與軍事工業、冶金和材料工業的精密測量檢測。

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,主要應用於檢測物的位移、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於高精度、短距離的測量,而激光回波分析法則用於遠距離測量,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

激光三角法測量原理

圖1 激光三角法測量原理圖

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,並通過微處理器分析,計算出相應的輸出值,並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。

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、激光發射器、激光接受器等部分組成。激光位移傳感器通過激光發射器每秒發射一百萬個脈衝到檢測物並返回至接收器,處理器計算激光脈衝遇到檢測物並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。

圖2 激光回波分析法測量原理圖

激光測距傳感器


激光測距傳感器:先由激光二極管對準目標發射激光脈衝。經目標反射後激光向各方向散射。部分散射光返回到傳感器接收器,被光學系統接收後成像到雪崩光電二極管上。雪崩光電二極管是一種內部具有放大功能的光學傳感器,因此它能檢測極其微弱的光信號。記錄並處理從光脈衝發出到返回被接收所經曆的時間,即可測定目標距離。

激光傳感器必須極其精確地測定傳輸時間,因為光速太快。

如,光速約為3X10^8m/s,要想使分辨率達到1mm,則測距傳感器的電子電路必須能分辨出以下極短的時間:

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

要分辨出3ps的時間,這是對電子技術提出的過高要求,實現起來造價太高。

但是如今的激光傳感器巧妙地避開了這一障礙,利用一種簡單的統計學原理,即平均法則實現了1mm的分辨率,並且能保證響應速度。

遠距離激光測距儀在工作時向目標射出一束很細的激光,由光電元件接收目標反射的激光束,計時器測定激光束從發射到接收的時間,計算出從觀測者到目標的距離;LED白光測速儀成像在儀表內部集成電路芯片CCD上,CCD芯片性能穩定,工作壽命長,且基本不受工作環境和溫度的影響。因此,LED白光測速儀測量精度有保證,性能穩定可靠。

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