光学应用有很多，日常生活中经常用到传感器。今天，我们带来了光学传感器原理的详细解释。里面有很多干货，请收藏！

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当指示光栅不运动时，主光栅与指示光栅之间始终保持夹角θ，当主光栅沿光栅的垂直方向相对运动时，莫尔条纹将沿光栅的刻线方向运动。光栅向相反的方向移动，莫尔条纹也是如此。

每当主光栅移动光栅间距w时，莫尔条纹移动间距S..因此，通过测量莫尔条纹的运动，可以测量光栅运动的大小和方向，这比直接测量光栅要容易得多。

当主光栅在垂直于标线的方向上移动光栅间距w时，莫尔条纹移动条纹间距。当两条光栅线之间的夹角θ较小时，从上式可以得知，当W不变时，θ越小，B越大，相当于将光栅距离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。

莫尔条纹由多条光栅线形成，对刻线误差有平均影响。它可以在很大程度上消除由刻线误差引起的局部和短周期误差的影响，可以达到比光栅本身更高的测量精度。因此，测量光栅特别适用于小位移、高精度的位移测量。

光栅传感器的特性

1.高精度。

光栅传感器在大范围测量长度或线性位移方面仅低于激光干涉传感器。光栅传感器是圆分度和角位移连续测量中最精确的。

2.大范围测量具有高分辨率。

感应同步器和磁光栅传感器也具有大量程测量的特点，但其分辨率和精度不如光栅传感器；

3、可实现动态测量，易于实现测量和数据处理的自动化；

4.它抗干扰能力强，对环境条件的要求不如激光干涉传感器严格，但适应性不如感应同步器和磁光栅传感器。油污和灰尘会影响其可靠性。主要适用于环境良好的实验室和车间。

光栅传感器的类型:

光栅主要分为两类:一是布拉格光栅；第二种是透射光栅。

光纤布拉格光栅在功能上可分为周期结构和非周期结构，也可分为滤波光栅和色散补偿光栅。色散补偿光栅是非周期光栅，也称为啁啾光栅。

光纤布拉格光栅传感器

随着社会的发展，各种方便人们生活的自动控制系统开始进入人们的生活，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释电效应原理的热释电红外传感器。其内部热电元件由高热电系数的铅汞钛酸铁陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘醇铁等组成，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器、干涉滤光片和场效应管匹配器组成。设计时要将热释电材料做成一定厚度的薄片，两面镀上金属电极，再通过通电极化，就可以制成热释电探测器。

热释电红外传感器原理；

1.热释电红外传感器的原理和特点

热释电红外传感器和热电偶是基于热释电效应原理的热释电红外传感器。不同的是，热释电红外传感器的热电系数远高于热电偶，其内部热电元件由高热电系数的钛酸铅-汞铁陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘醇等匹配滤波窗口组成，其极化随温度的变化而变化。传感器为了抑制自身温度变化带来的干扰，将两个特性相同的热电元件反向串联或接入差动平衡电路，这样就可以非接触方式检测物体发出的红外能量变化，并转换成电信号输出。将场效应管引入热释电红外传感器的目的是完成阻抗变换。由于热电元件输出的是电荷信号，不能直接使用，需要用阻抗高达104 mω的电阻转换成电压形式。因此，引入的N沟道结型场效应晶体管应该连接成公共漏极形式，即源极跟随器，以完成阻抗变换。热释电红外传感器由传感探测器、干涉滤光片和场效应管匹配器组成。设计时要将热释电材料做成一定厚度的薄片，两面镀上金属电极，再通过通电极化，就可以制成热释电探测器。因为极化电压是极性的，所以极化检测器也有正负极性。

2.被动式热释电红外传感器的工作原理及特点

人体有恒定的体温，一般在37度，所以会发出特定波长约10UM的红外线。被动红外探头的工作原理是探测人体发出的波长约为10UM的红外线。人体发出的约10UM的红外线经芬内尔滤光器增强后收集在红外感应源上。热释电元件通常用作红外感应源。当人体发出的红外辐射温度变化时，这种元素会失去电荷平衡，向外释放电荷。后续电路经过检测和处理后可以产生报警信号。

1)该探头旨在检测人体辐射。因此，热电元件必须对波长约为10UM的红外辐射非常敏感。

2)为了仅对人体的红外辐射敏感，其辐射面通常覆盖有特殊的Finnair滤光片，明显控制了环境干扰。

3)无源红外探头，其传感器包括两个串联或并联的热释电元件。而且两个偏振方向正好相反，环境背景辐射对两个热释电元件的影响几乎相同，使得放电效应相互抵消，所以探测器没有信号输出。

4)人一旦侵入探测区域，人体的红外辐射被一些镜子聚焦，被热释电元件接收。但两个热释电元件接收的热量和热释电能量不同，无法抵消，信号处理后报警。

5) Finnair滤光片根据不同的性能要求有不同的焦距，导致监控视场不同。视野越大，控制越严密。

3.热电效应

当一些晶体被加热时，在晶体的两端会产生相同数量和相反符号的电荷。这种由热变化引起的极化现象称为热释电效应。一般晶体自发极化产生的束缚电荷被空气体附着在晶体表面的自由电子中和，其自发极化矩无法表达。当温度变化时，晶体结构中正负电荷的重心相对偏移，自发极化发生变化，使得晶体表面会发生电荷耗尽，电荷耗尽的状态与极化程度成正比。

能产生热释电效应的晶体称为热释电体或热释电元件，它们常用的材料是压电陶瓷和聚合物薄膜。

根据菲涅耳原理，将红外线分为可见区和盲区，同时具有聚焦功能，大大增加了热释电红外传感器对人体的灵敏度。菲涅尔透镜有两种形式:折射和反射。其功能是聚焦，将热释电红外信号折射到PIR上；其次，将探测区域分为若干亮区和暗区，使进入探测区域的运动物体能够以温度变化的形式在PIR上产生变化的热释电红外信号，使PIR产生变化的电信号。

如果我们在热电元件上连接一个合适的电阻，当元件被加热时，电流会流过电阻，两端会得到一个电压信号。

光纤陀螺仪传感器

光纤陀螺是随着光纤技术的快速发展而出现的一种新型光纤旋转传感器。它是一种基于光纤线圈的敏感元件，激光二极管发出的光沿光纤双向传播。光传播路径的变化决定了敏感元件的角位移。陀螺仪传感器主要由光源和探测器等有源器件、光纤耦合器和相位调制器等无源器件以及光纤组成。

光纤陀螺传感器有很多种类型，根据工作原理可分为干涉型、谐振型和受激布里渊散射型光纤陀螺，根据信号处理方法不同可分为开环光纤陀螺和闭环光纤陀螺；按结构可分为单轴光纤陀螺和多轴光纤陀螺。

陀螺仪传感器具有重量轻、体积小、成本低、精度高、可靠性高等优点。这些突出的特点使其在航空航天空以及机载系统和军事技术方面都非常理想，因此受到用户特别是军方的高度重视。主要是美国、日本和法国在陀螺传感器的研究方面取得了很大进展。

光纤陀螺的研究工作大多集中在干涉型，只有少数公司还在研究谐振式光纤陀螺。陀螺仪传感器的商业化始于20世纪90年代初。中低精度光纤陀螺已经商业化并在许多领域得到应用。高精度光纤陀螺的发展和研究正走向成熟阶段。

经过相关高校和科研院所的努力，国产光纤陀螺虽然发展水平与国际水平相差甚远，但已经达到或接近中低精度的要求，近年来开始尝试产业化。

激光位移传感器

激光位移传感器可以利用激光的高方向性、高单色性和高亮度的特点，实现无接触远距离测量。激光位移传感器是利用激光的这些优点制成的一种新型测量仪器。它的出现大大提高了位移测量的准确性和可靠性，也为非接触式位移测量提供了一种有效的测量方法。

激光位移传感器因其测量精度高、非接触测量的特点，被广泛应用于高校和科研机构、汽车工业、机械制造业、航空空以及军工、冶金和材料行业的精密测量和检测。

激光位移传感器可以精确、非接触地测量被测物体的位置和位移，主要用于测量被测物体的位移、厚度、振动、距离、直径等几何量。

根据测量原理，激光位移传感器的原理分为激光三角测量和激光回波分析。激光三角测量一般适用于高精度、短距离测量，而激光回波分析用于远距离测量。

下面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、激光三角测量原理

图1激光三角测量示意图

半导体激光器1通过透镜2聚焦在待测量的物体6上。反射光被透镜3收集并投射到电荷耦合器件阵列4上。信号处理器5通过三角函数计算阵列4上光点的位置，以获得到物体的距离。

激光发射器通过透镜向物体表面发射可见的红色激光，物体反射的激光经过接收器透镜，被内部的CCD线阵相机接收。根据不同的距离，CCD线阵相机可以在不同的角度“看到”光斑。根据这个角度，数字信号处理器可以计算出激光器和摄像机之间的距离。

同时，通过模拟和数字电路处理光束在接收元件中的位置，并通过微处理器分析计算相应的输出值，在用户设置的模拟窗口内按比例输出标准数据信号。如果使用开关输出，它将在设定的窗口内打开，在窗口外关闭。此外，可以为模拟和开关输出设置独立的检测窗口。

2.激光回波分析法的测量原理

激光位移传感器利用回波分析原理测量距离，可以达到一定的精度。传感器内部由处理器单元、回波处理单元、激光发射器、激光接收器等组成。激光位移传感器通过激光发射器每秒向探测对象发射一百万个脉冲，然后返回接收器。处理器计算激光脉冲与探测对象相遇并返回接收器所需的时间，从而计算距离值。输出值是数千个测量结果的平均输出。

图2激光回波分析示意图

激光距离传感器

激光测距传感器瞄准目标并发射激光脉冲。被目标反射的激光向四面八方散射。部分散射光返回传感器接收器，由光学系统接收，并在雪崩光电二极管上成像。雪崩光电二极管是一种具有内部放大功能的光学传感器，因此可以检测极其微弱的光信号。目标距离可以通过记录和处理从光脉冲被发出到被接收回来所经过的时间来测量。

激光传感器必须非常精确地测量传输时间，因为光速太快了。

比如光速约为3x10 8m/s，如果分辨率达到1mm，测距传感器的电子电路必须能够分辨以下极短的时间:

0.001米= 3秒

区分3ps的时间对电子技术要求太高，实现起来太贵。

然而，如今的激光传感器巧妙地避开了这一障碍，利用简单的统计原理，即平均定律来实现1毫米的分辨率，并能保证响应速度。

远距离激光测距仪工作时，向目标发射非常细的激光束，光电元件接收目标反射的激光束。计时器测量从发射到接收激光束的时间，并计算从观察者到目标的距离。LED白光测速仪成像在仪器内部集成电路芯片CCD上。CCD芯片性能稳定，工作寿命长，基本不受工作环境和温度的影响。因此，保证了LED白光测速仪的测量精度，性能稳定可靠。

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