光栅式传感器工作原理 光栅式传感器的组成部分

Release time：2022-10-13
author：Ameya360
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　　光栅式传感器（optical grating transducer）指采用光栅叠栅条纹原理测量位移的传感器。光栅是在一块长条形的光学玻璃上密集等间距平行的刻线，刻线密度为 10～100线/毫米。

光栅式传感器工作原理 光栅式传感器的组成部分

　　一、光栅式传感器工作原理

　　我们知道，光栅的Bragg波长lB由下式决定：

　　lB=2nL式中，n—芯模有效折射率； L—光栅周期。

　　当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化情况。如利用磁场诱导的左右旋极化波的折射率变化不同，可实现对磁场的直接测量。此外，通过特定的技术，还可实现对应力和温度的分别测量和同时测量。通过在光栅上涂敷特定的功能材料（如压电材料），对电场等物理量的间接测量也能实现。

　　1、啁啾光纤光栅传感器的工作原理

　　上面介绍的光栅传感器系统，光栅的几何结构是均匀的，对单参数的定点测量很有效，但在需要同时测量应变和温度或者测量应变或温度沿光栅长度的分布时就显得力不从心。此时，采用啁啾光纤光栅传感器就就是一个不错的选择。

　　啁啾光纤光栅由于其优异的色散补偿能力而应用在高比特远程通信系统中。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DlB的变化外，光谱的展宽也会发生变化。这种传感器在应变和温度均存在的场合是非常有用的。由于应变的影响，啁啾光纤光栅反射信号会拓宽，峰值波长也会发生位移，而温度的变化则由于折射率的温度依赖性（dn/dT），仅会影响重心的位置。因此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。

　　2、长周期光纤光栅（LPG）传感器的工作原理

　　长周期光纤光栅（LPG）的周期一般认为有数百微米，它在特定的波长上可把纤芯的光耦合进包层，其公式如下：

　　li=(n0- niclad）·L ⑵

　　式中，n0—纤芯的折射率；niclad—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上有许多的共振，其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Dli，就可获得外界物理量变化的信息。LPG在给定波长上共振带的响应通常有不同的幅度，因而适用于构建多参数传感器。

　　二、光栅式传感器的组成部分

　　1、光源

　　钨丝灯泡，它有较小的功率，与光电元件搭配使用时，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，还可以在范围内工作，所发光的峰值波长为，与硅光敏三极管的峰值波长接近，所以，有很高的转换效率，同样有比较快的响应速度。

　　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，但又不彻底重合。两者栅线间会分开一个很小的夹角，便于于得到莫尔条纹。一般来说主光栅是活动的，它还可以单独地移动，也能够随被测物体而移动，其长短关键在于测量范围。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，一般来说为条形状，其长短由受光体的排列长短决定，总宽由受光体的高低决定。它是帖在指示光栅板上的。

　　4、受光元件

　　受光元件是用于感知主光栅在移动时产生莫尔条纹的移动，进而精确测量位移量。在挑选光敏元件时，要考虑到灵敏度、响应时间、光谱特性、可靠性、体积等因素。


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轨对轨Hall传感器芯片的优势有哪些？
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轨对轨Hall传感器芯片的优势有哪些？

　　轨对轨霍尔传感器(Rail-to-Rail Hall Sensor)相较于非轨对轨霍尔传感器，在输出动态范围、信号精度、抗干扰能力及应用适应性等核心性能上具有显著优势，尤其适用于工业控制、汽车电子、精密测量等对信号质量和动态范围要求较高的场景。以下从具体技术特性和应用价值展开详细说明：　　PART01 输出动态范围更大，信号利用率更高：　　轨对轨霍尔传感器的核心优势在于其输出电压能覆盖电源轨的绝大部分范围(通常可达90%Vcc以上)。通过单极磁场响应设计，将输出电压摆幅最大化，使信号从接近地(GND)到接近电源(Vcc)的宽范围内变化。而非轨对轨霍尔传感器的输出范围通常仅覆盖电源轨的中间部分(如30%～70%Vcc)，导致信号动态范围受限。这种宽动态范围的优势在于：　　提升信号分辨率　　更大的输出摆幅意味着更精细的信号层次，能更准确地反映磁场强度的微小变化(如0.1Gs级别的磁场差异)，适用于需要高精度检测的场景(如工业扳机的行程控制、游戏键盘的按键力度检测)。　　兼容更多信号处理电路　　宽输出范围可直接与后续的ADC(模数转换器)、放大器等电路匹配，无需额外的电平转换电路，简化系统设计并降低成本。　　PART02 信号精度与线性度更优，适合精密测量　　轨对轨霍尔传感器通常采用先进的信号调理电路(如激光修整的薄膜电阻、温度补偿模块)，确保输出电压与磁场强度的线性关系更精准。通过轨对轨操作和温度稳定性设计，实现高精度的磁场-电压转换，其线性度和温度稳定性远优于非轨对轨产品。具体表现为：　　高线性度　　轨对轨霍尔传感器的线性误差通常小于0.1%/FS(满量程)，而非轨对轨产品的线性误差可能高达0.5%/FS以上，更适合需要精确测量磁场强度或物理量(如位置、位移、角度)的场景。　　低失调电压　　轨对轨设计通过优化电路布局和工艺，降低失调电压(通常小于10mV)，减少零点漂移，提高长期稳定性。　　PART03 抗干扰能力更强，适应复杂环境：　　轨对轨霍尔传感器普遍集成降噪技术(如先进的滤波电路、屏蔽结构)，能有效抑制环境中的电磁干扰(EMI)、电源噪声和机械振动噪声。通过低输出噪声设计(通常小于1mVrms)，确保在工业环境(如电机、变频器附近)中仍能输出稳定的信号。　　相比之下，非轨对轨霍尔传感器由于输出范围小，信号容易被噪声淹没，导致测量误差增大。轨对轨设计的宽输出范围使信号与噪声的比值(SNR)更高，抗干扰能力更强。　　PART04 应用适应性更广，满足专业场景需求：　　轨对轨霍尔传感器的宽动态范围和高精度特性，使其能覆盖更多专业应用场景，而非轨对轨产品通常仅适用于对信号要求较低的场合(如简单的开关控制)。具体应用包括：　　工业控制领域：　　精准位置检测　　如工业扳机的行程控制、游戏键盘的按键力度检测，需要传感器输出与机械位置线性相关的信号，轨对轨霍尔传感器的高线性度和宽动态范围能满足这一需求。　　电流/电压测量　　如变频器中的电流传感器、电源中的电压监测，需要传感器能处理宽范围的输入信号(如0-50A电流、0-100V电压)，轨对轨霍尔传感器的高动态范围能直接对应这些信号，无需额外的放大电路。　　汽车电子领域　　位置/角度传感　　如曲轴位置传感器、凸轮轴位置传感器，需要传感器在高温(-40°C至150°C)、高振动环境下保持稳定输出，轨对轨霍尔传感器的高温度稳定性和抗干扰能力能满足汽车级要求。　　电机控制　　如无刷直流电机(BLDC)的换向控制，需要传感器精确检测转子位置，轨对轨霍尔传感器的高线性度和快速响应(带宽>1MHz)能确保电机运行的平稳性和效率。　　消费电子领域　　精密输入设备　　如游戏手柄的摇杆位置检测、笔记本电脑的触摸板压力感应，需要传感器能检测微弱的磁场变化(如0.01Gs级别的磁场差异)，轨对轨霍尔传感器的高分辨率能满足这一需求。　　总而言之，轨对轨霍尔传感器的优势可概括为“更宽的动态范围、更高的精度、更强的抗干扰能力和更广的应用适应性”。这些优势使其在工业控制、汽车电子、消费电子等专业领域中，能替代非轨对轨霍尔传感器，成为高精度测量和控制的核心器件。　　对于需要高精度、宽动态范围、复杂环境适应的应用场景(如工业扳机、汽车曲轴位置检测、精密输入设备)，轨对轨霍尔传感器是更优的选择;而非轨对轨霍尔传感器则更适合对信号要求较低的简单场景(如普通的开关控制、低精度位置检测)。
2025-09-15 16:12 reading：414
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