第4章 光電信息技術(shù)1

1、上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換1第四章 光電信息技術(shù)應(yīng)用 第四章 光電信息技術(shù)應(yīng)用 4.1 光電檢測(cè) 4.2. 光電控制 4.3光纖通信 4.4 光纖傳感器4.5 光電信息技術(shù)其它應(yīng)用 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換2 4.1 光電檢測(cè) 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法光電檢測(cè)基本方法4.1.2 幾何量檢測(cè)幾何量檢測(cè)4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)機(jī)械量檢測(cè)4.1.4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè)4.1.5 機(jī)器人視覺系統(tǒng)機(jī)器人視覺系統(tǒng)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換34.1.1 光電

2、檢測(cè)基本方法4.1.1 光電檢測(cè)基本方法光電檢測(cè)基本方法 光電傳感器由光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電信息光電傳感器由光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)換器件三部分組成。光電傳感器可以分為以轉(zhuǎn)換器件三部分組成。光電傳感器可以分為以下三種：下三種： 1、 直射型直射型 2、 反射型反射型 3、 輻射型輻射型 根據(jù)檢測(cè)原理光電檢測(cè)的基本方法有直接根據(jù)檢測(cè)原理光電檢測(cè)的基本方法有直接作用法、差動(dòng)法、補(bǔ)償法和脈沖法等作用法、差動(dòng)法、補(bǔ)償法和脈沖法等 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換4 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光

3、電信息轉(zhuǎn)換5 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換6 1調(diào)整：調(diào)整： 放入標(biāo)準(zhǔn)工件的尺寸，調(diào)整光楔，使放入標(biāo)準(zhǔn)工件的尺寸，調(diào)整光楔，使12，使，使A表讀數(shù)為表讀數(shù)為“0”， 2測(cè)量：測(cè)量： 當(dāng)工件尺寸無(wú)誤差時(shí)，使當(dāng)工件尺寸無(wú)誤差時(shí)，使12，光電傳感器輸，光電傳感器輸出出U無(wú)交變分量，見圖無(wú)交變分量，見圖4.1.13； 當(dāng)工件尺寸變小時(shí)，當(dāng)工件尺寸變小時(shí)，12，光電傳感器輸出，光電傳感器輸出U有交變分量，幅值取決于有交變分量，幅值取決于1與與2之差，之差，US(1-2)=S。 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一

4、張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換7 當(dāng)工件尺寸變大時(shí)，12，光電傳感器輸出U有交變分量，幅值取決于1與2之差，US(1-2)=S。4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換83結(jié)論：結(jié)論： 1測(cè)量值的大小決定于測(cè)量值的大小決定于u的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決定于定于u的相位，可通過(guò)相敏檢波器得到。的相位，可通過(guò)相敏檢波器得到。 2雙光路測(cè)量可以消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變雙光路測(cè)量可以消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，測(cè)量精度和靈敏化和電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，測(cè)量精度

5、和靈敏度大大提高。度大大提高。4相敏檢波器相敏檢波器(PSD)理論理論4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換9 用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通量變化量變化,補(bǔ)償器的可動(dòng)元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量補(bǔ)償器的可動(dòng)元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值值,補(bǔ)償值的大小反映了被測(cè)量變化的大小補(bǔ)償值的大小反映了被測(cè)量變化的大小. 受被測(cè)量控制的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)受被測(cè)量控制的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反映了被測(cè)量的（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反映了被

6、測(cè)量的大小。大小。 1 脈寬法測(cè)長(zhǎng)脈寬法測(cè)長(zhǎng)4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換10 圖圖4.1.18給出了脈寬法測(cè)長(zhǎng)的原理。被測(cè)物給出了脈寬法測(cè)長(zhǎng)的原理。被測(cè)物L(fēng)在傳送帶上以速度在傳送帶上以速度v前進(jìn)，光電傳感器將物體的長(zhǎng)度前進(jìn)，光電傳感器將物體的長(zhǎng)度L轉(zhuǎn)換成脈寬來(lái)開啟門電路，計(jì)數(shù)器將計(jì)下與脈寬對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)換成脈寬來(lái)開啟門電路，計(jì)數(shù)器將計(jì)下與脈寬對(duì)應(yīng)的高頻脈沖數(shù)的高頻脈沖數(shù)N，則，則 LvtvkNKN 2 相位法測(cè)距相位法測(cè)距 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換

7、11 3 頻率法測(cè)速頻率法測(cè)速 圖圖4.1.110是測(cè)速的原理框圖。是測(cè)速的原理框圖。 設(shè)設(shè)m為發(fā)射片數(shù)，為發(fā)射片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則為每分鐘轉(zhuǎn)速，則f=nm/60=N/t n=60N /（mt） 只要控制在一定的時(shí)間只要控制在一定的時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)內(nèi)計(jì)數(shù)N，就可計(jì)算得到，就可計(jì)算得到輪子的轉(zhuǎn)速。輪子的轉(zhuǎn)速。 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換124.1.2 幾何量檢測(cè)4.1.2 幾何量檢測(cè)幾何量檢測(cè) 一光電測(cè)距一光電測(cè)距 1脈沖激光測(cè)距脈沖激光測(cè)距 脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，

8、能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)功率很大，大，般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距般可達(dá)兆瓦級(jí)。由于上述兩點(diǎn)，脈沖激光測(cè)距在有反射器的情況下在有反射器的情況下(見圖見圖4.1.22，在，在2處裝有反射處裝有反射器器)，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里幾公里)測(cè)量測(cè)量時(shí)時(shí)，如果測(cè)量精度要求不高，那末不必使用反射器，如果測(cè)量精度要求不高，那末不必使用反射器，上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首

9、目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換134.1.2 幾何量檢測(cè) 利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可利用被測(cè)目標(biāo)對(duì)脈沖激光的反射取得反射信號(hào)，也可以進(jìn)行測(cè)距。以進(jìn)行測(cè)距。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換14 在在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)的路程射向處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)的路程射向2處。在處。在2處裝有向處裝有向1處反射的裝置，處反射的裝置，1處至處至2處間的距離處間的距離D是待是待測(cè)的。如果在測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)處到達(dá)2處再返回處再返回1處所需要的時(shí)間處所需要的時(shí)間t，則，則 D

10、=ct/2 式中式中 c 為光的傳播速度。為光的傳播速度。 4.1.2 幾何量檢測(cè)脈沖激光測(cè)距的工作原理見圖脈沖激光測(cè)距的工作原理見圖4.1.21。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換15 它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成時(shí)鐘脈沖振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成. 4.1.2 幾何量檢測(cè)脈沖激光測(cè)距的方框圖見圖脈沖激光測(cè)距的方框圖見圖4.1.22。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換16 由光電器件由光電器件5得到的電脈沖，經(jīng)放大

11、器得到的電脈沖，經(jīng)放大器7以后，輸出一以后，輸出一定形狀的負(fù)脈沖至控制電路定形狀的負(fù)脈沖至控制電路8。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)脈沖沖A(圖圖4.1.23(d)經(jīng)控制電路經(jīng)控制電路8去打開電子門去打開電子門12。這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器這時(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器11產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過(guò)電子門可以通過(guò)電子門12進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路13，計(jì)時(shí)開始。，計(jì)時(shí)開始。4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換17 當(dāng)反射回來(lái)經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)當(dāng)反射回來(lái)經(jīng)整形后的測(cè)距信號(hào)B到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子到來(lái)時(shí)，關(guān)閉

12、電子門門12，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖4.1.23(g)所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。2相位測(cè)距法相位測(cè)距法 測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖4.1.25所示，若其調(diào)所示，若其調(diào)制頻率為制頻率為f，光速為，光速為c，則波長(zhǎng)，則波長(zhǎng)可由下式求出可由下式求出 =c/f4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換18 如果設(shè)光波從如果設(shè)光波從A到到B點(diǎn)的傳播過(guò)程中相位變化點(diǎn)的傳播過(guò)程中相位

13、變化(又又稱為相位移稱為相位移)為為，則由圖，則由圖4.1.26看出，看出，可由可由2的的倍數(shù)來(lái)表示：倍數(shù)來(lái)表示：M2十十=(M十十m)2 式中式中 M零或正整數(shù)；零或正整數(shù)； m是個(gè)小數(shù)，是個(gè)小數(shù)， m/24.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換19 從圖從圖4.1.25可看出，光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)可看出，光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)，相，相當(dāng)于相位變化了當(dāng)于相位變化了2，因此距離，因此距離D可表示如下：可表示如下： D(M十十m) 由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移由上分析可知，如果測(cè)得光波相位移中中2的整的整數(shù)和小數(shù)，就可以確定出被測(cè)距離值，所

14、以調(diào)制光波數(shù)和小數(shù)，就可以確定出被測(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把可以被認(rèn)為是一把“光尺光尺”，其波長(zhǎng)，其波長(zhǎng)就是相位式激光就是相位式激光測(cè)距儀的測(cè)距儀的“測(cè)尺測(cè)尺”長(zhǎng)度。長(zhǎng)度。 圖圖4.1.26說(shuō)明了光波在距離說(shuō)明了光波在距離D上往返后的相位上往返后的相位變化。變化。 為了便于理解，假設(shè)測(cè)距儀的接收系統(tǒng)置于為了便于理解，假設(shè)測(cè)距儀的接收系統(tǒng)置于A(實(shí)實(shí)際上測(cè)距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在際上測(cè)距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在A點(diǎn)點(diǎn))，4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換20并且并且AB=BA,AA=2D。則。則 2D=(N+n) 或或

15、 D=(N+n)/2=Ls(N+n)式中式中 N零或正整數(shù)，為波長(zhǎng)零或正整數(shù)，為波長(zhǎng)或相位或相位2的倍數(shù)；的倍數(shù)； n-是個(gè)小數(shù)是個(gè)小數(shù), n/2； L稱它為測(cè)尺長(zhǎng)度，稱它為測(cè)尺長(zhǎng)度，Ls /2 當(dāng)距離當(dāng)距離D大于測(cè)尺長(zhǎng)度大于測(cè)尺長(zhǎng)度L時(shí)，僅用一把時(shí)，僅用一把“光尺光尺”是無(wú)法測(cè)定距離的。但當(dāng)距離是無(wú)法測(cè)定距離的。但當(dāng)距離D小于測(cè)尺長(zhǎng)度小于測(cè)尺長(zhǎng)度L，即，即N等于零時(shí)，式上變?yōu)榈扔诹銜r(shí)，式上變?yōu)?DLsn Ls/24.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換21 以上分析說(shuō)明，用一組測(cè)尺共同對(duì)距離以上分析說(shuō)明，用一組測(cè)尺共同對(duì)距離D進(jìn)行測(cè)進(jìn)

16、行測(cè)量就可以解決距離的多值解，其實(shí)質(zhì)是解決了測(cè)距儀量就可以解決距離的多值解，其實(shí)質(zhì)是解決了測(cè)距儀高精度和長(zhǎng)測(cè)程的矛盾。在這組測(cè)尺中，最短的測(cè)尺高精度和長(zhǎng)測(cè)程的矛盾。在這組測(cè)尺中，最短的測(cè)尺保證了必要的測(cè)距精度，而較長(zhǎng)的測(cè)尺則保證了儀器保證了必要的測(cè)距精度，而較長(zhǎng)的測(cè)尺則保證了儀器所必要的測(cè)程。所必要的測(cè)程。 1.大直徑的測(cè)量大直徑的測(cè)量 圖圖4.1.27示出雙光路測(cè)徑裝置的原理圖。示出雙光路測(cè)徑裝置的原理圖。 4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換224.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章

17、 光電信息轉(zhuǎn)換23 下面按標(biāo)準(zhǔn)直徑為下面按標(biāo)準(zhǔn)直徑為D0、大、大于或小于于或小于D0三種情況討論。三種情況討論。（a）被測(cè)件）被測(cè)件12為標(biāo)準(zhǔn)直徑為標(biāo)準(zhǔn)直徑D0 (b) 被測(cè)件的直徑小于被測(cè)件的直徑小于D0。 (c) 被測(cè)件的直徑大于被測(cè)件的直徑大于D0 4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換24 2. 小直徑的測(cè)量小直徑的測(cè)量 如圖如圖4.1.2-9(a)所示所示,當(dāng)用激光器當(dāng)用激光器1或平行光照或平行光照射細(xì)絲射細(xì)絲2時(shí)，在其后面相時(shí)，在其后面相距較遠(yuǎn)的屏幕距較遠(yuǎn)的屏幕3上便能獲上便能獲得夫瑯和費(fèi)衍射圖像，得夫瑯和費(fèi)衍射圖像，o點(diǎn)

18、最亮，被測(cè)細(xì)絲點(diǎn)最亮，被測(cè)細(xì)絲2的直的直徑徑d可按下式計(jì)算：可按下式計(jì)算： dL/s 圖圖4.1.2-9(b)示出測(cè)示出測(cè)量細(xì)絲直徑的原理圖。量細(xì)絲直徑的原理圖。 4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換25 激光光波比長(zhǎng)儀實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)以激光器作光源激光光波比長(zhǎng)儀實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)以激光器作光源的干涉儀，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖的干涉儀，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖4.1.210，光源，光源1是一臺(tái)是一臺(tái)單模穩(wěn)頻的氦單模穩(wěn)頻的氦氖氣體激光器，它發(fā)出的激光到達(dá)干氖氣體激光器，它發(fā)出的激光到達(dá)干涉儀中的半透半反鏡涉儀中的半透半反鏡M后，被分成兩光束后，被分成兩光束A

19、和和B。這兩。這兩束光分別經(jīng)全反射鏡束光分別經(jīng)全反射鏡MA和和MB反射后，匯合到光電倍增反射后，匯合到光電倍增管管3上。這兩束光所走過(guò)的光程上。這兩束光所走過(guò)的光程(路程路程)是不同的，因此是不同的，因此產(chǎn)生干涉若把反射鏡產(chǎn)生干涉若把反射鏡MA固定，則光束固定，則光束A的光程不變。的光程不變。鏡鏡MB固定在可移動(dòng)的平臺(tái)固定在可移動(dòng)的平臺(tái)8上，它與待測(cè)物體上，它與待測(cè)物體7一起移一起移動(dòng)，這樣就改變了光束動(dòng)，這樣就改變了光束B的光程。當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)半個(gè)波的光程。當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)長(zhǎng)(2)時(shí)，光束時(shí)，光束B往返的光程改變了往返的光程改變了1，于涉，于涉4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下

20、一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換26 條紋變化一周期。平臺(tái)連續(xù)移動(dòng)，干涉條紋將明暗交條紋變化一周期。平臺(tái)連續(xù)移動(dòng)，干涉條紋將明暗交替變化，這種明暗變化被光電倍增管替變化，這種明暗變化被光電倍增管3所接收，并轉(zhuǎn)換所接收，并轉(zhuǎn)換為電量的變化，再經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)電路為電量的變化，再經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)電路4，將干涉條紋的變化，將干涉條紋的變化數(shù)記錄下來(lái)。這時(shí)待測(cè)物體的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算而得數(shù)記錄下來(lái)。這時(shí)待測(cè)物體的長(zhǎng)度可按下式計(jì)算而得 lN/2 式中式中 l待測(cè)物體的長(zhǎng)度；待測(cè)物體的長(zhǎng)度； 光的波長(zhǎng)；光的波長(zhǎng)； N 計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)。計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)。 4.1.2 幾何量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張

21、下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換274.1.3 機(jī)械量檢測(cè)4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)機(jī)械量檢測(cè) 1多普勒效應(yīng)多普勒效應(yīng) 光電測(cè)速利用多普勒效應(yīng)的原理。聲波的多普勒光電測(cè)速利用多普勒效應(yīng)的原理。聲波的多普勒效應(yīng)是人們所熟悉的。火車?guó)Q笛通過(guò)，開來(lái)時(shí)聲音尖效應(yīng)是人們所熟悉的?；疖?guó)Q笛通過(guò)，開來(lái)時(shí)聲音尖叫，離去時(shí)聲音低沉，這就是聲波的叫，離去時(shí)聲音低沉，這就是聲波的。光波也有類似的現(xiàn)象，當(dāng)光源和光接收器之間存在相光波也有類似的現(xiàn)象，當(dāng)光源和光接收器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光接收器接收到的就不是光源發(fā)出的頻率對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光接收器接收到的就不是光源發(fā)出的頻率。上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)

22、束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換28n 以以V表示光源表示光源S對(duì)于觀察者對(duì)于觀察者P的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以a表示相對(duì)速度方向和光速進(jìn)行方向表示相對(duì)速度方向和光速進(jìn)行方向(即光源到觀察者即光源到觀察者的方向的方向)的夾角的夾角(圖圖4.1.31)。由于多普勒效應(yīng)，觀察。由于多普勒效應(yīng)，觀察者者P接收到的光波頻率接收到的光波頻率f可表示為可表示為: 式中式中 f0光源發(fā)出的原頻率，光源發(fā)出的原頻率， cc0/n是光在介質(zhì)中的光速，其中是光在介質(zhì)中的光速，其中c0是真空是真空中的光速，中的光速，n是介質(zhì)的折射率。是介質(zhì)的折射率。 多普勒頻移多普勒頻移f 為為 4.1.3 機(jī)械量

23、檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換292利用多普勒效應(yīng)測(cè)利用多普勒效應(yīng)測(cè)量固體的運(yùn)動(dòng)速度量固體的運(yùn)動(dòng)速度 使用激光測(cè)速使用激光測(cè)速儀可以測(cè)量板、線、儀可以測(cè)量板、線、管材等的速度。原管材等的速度。原理見圖理見圖4.1.32。 可得在可得在P點(diǎn)接收的光頻為：點(diǎn)接收的光頻為： 4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換30多普勒頻移多普勒頻移f為：為：上式整理后可得物體的運(yùn)動(dòng)速度上式整理后可得物體的運(yùn)動(dòng)速度 式中式中 0 =c/f 0 。由上式可知，如果激光波長(zhǎng)。由上式可知，如果激光波長(zhǎng)0已知，光

24、已知，光電接受方向選定后，只要測(cè)出頻差電接受方向選定后，只要測(cè)出頻差f，即可得到物體的，即可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。運(yùn)動(dòng)速度。4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換31 1. 光電測(cè)振的原理光電測(cè)振的原理 圖圖4.1.34 (a)示出測(cè)量旋轉(zhuǎn)體或旋示出測(cè)量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理。轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)時(shí)使當(dāng)旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)時(shí)使一個(gè)光電器件上的電流一個(gè)光電器件上的電流增大，另一個(gè)光電器件增大，另一個(gè)光電器件上的電流減小，其原理上的電流減小，其原理示于圖示于圖4.1.34 (b)。 4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)

25、束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換322. 用用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng) 用用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理示意圖如圖測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理示意圖如圖4.1.35。 4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換334.1.4 溫度檢測(cè)4.1.4 溫度檢測(cè)溫度檢測(cè) 根據(jù)斯蒂芬波茲曼定律。物體在單位時(shí)間內(nèi)單根據(jù)斯蒂芬波茲曼定律。物體在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上，波長(zhǎng)從位面積上，波長(zhǎng)從0 所輻射的總能量為所輻射的總能量為 ET4 式中，式中， 為黑體系數(shù)，對(duì)應(yīng)黑體為黑體系數(shù)，對(duì)應(yīng)黑體 1，其它物體，其它物體 1， 為常數(shù)，數(shù)值等于為常數(shù)

26、，數(shù)值等于5.6686 1010-12 -12 w w cmcm-2-2 k k-4-4。 因此，只要測(cè)出部分輻射能量因此，只要測(cè)出部分輻射能量EE，就可得到物體，就可得到物體的溫度的溫度T T。 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換34溫度直接測(cè)量法的原理框圖如圖溫度直接測(cè)量法的原理框圖如圖4.1.44.1.41 1所示。所示。 1 1 原理原理 采用光電信息轉(zhuǎn)換器件對(duì)部分輻射進(jìn)行敏感測(cè)量，采用光電信息轉(zhuǎn)換器件對(duì)部分輻射進(jìn)行敏感測(cè)量，采用補(bǔ)償法。采用補(bǔ)償法。 4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)

27、換35 2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)框圖如圖結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1.44.1.42 2所示。圖中，由熱體輻射的能所示。圖中，由熱體輻射的能量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調(diào)制盤上，量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調(diào)制盤上， 4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換36n調(diào)制盤結(jié)構(gòu)如圖調(diào)制盤結(jié)構(gòu)如圖4.1.44.1.43 3所示，所示，1為熱體輻射的光為熱體輻射的光通量，通量，2是參考光通量，調(diào)整可變電阻是參考光通量，調(diào)整可變電阻R R可改變可改變2的的光通量。光通量。n由調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)可知，由調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)可知，1和和2交替照射在光敏電阻上，交替照射在光敏電阻上，光敏電阻輸

28、出光敏電阻輸出U的波形如圖的波形如圖4.1.44.4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換37 對(duì)應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得：對(duì)應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得： 或或 對(duì)于非黑體來(lái)說(shuō)，根據(jù)兩個(gè)輻射強(qiáng)度的比值所求得對(duì)于非黑體來(lái)說(shuō)，根據(jù)兩個(gè)輻射強(qiáng)度的比值所求得是所謂的比色溫度是所謂的比色溫度Tc。比色溫度。比色溫度Tc和實(shí)際溫度和實(shí)際溫度T有如有如下關(guān)系：下關(guān)系： 4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換38 式中，式中，1和和2是物體的黑度系數(shù)，對(duì)于灰體來(lái)說(shuō)，是物體的黑度系數(shù)，對(duì)于灰體

29、來(lái)說(shuō)，1 2 1，即比色溫度與真實(shí)溫度是一致的。，即比色溫度與真實(shí)溫度是一致的。 因此，比色溫度的概念是對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)引入的，而因此，比色溫度的概念是對(duì)兩個(gè)波長(zhǎng)引入的，而實(shí)際上為兩個(gè)波段，利用光電器件和適當(dāng)電路，測(cè)量實(shí)際上為兩個(gè)波段，利用光電器件和適當(dāng)電路，測(cè)量?jī)蓚€(gè)光波段內(nèi)輻射能量的比值，經(jīng)過(guò)一定的關(guān)系運(yùn)算兩個(gè)光波段內(nèi)輻射能量的比值，經(jīng)過(guò)一定的關(guān)系運(yùn)算后就可得到被測(cè)溫度。兩個(gè)波段的選擇，在實(shí)用中，后就可得到被測(cè)溫度。兩個(gè)波段的選擇，在實(shí)用中，對(duì)于高溫測(cè)量，由于輻射能量足夠大，可將波段選得對(duì)于高溫測(cè)量，由于輻射能量足夠大，可將波段選得盡量窄而且靠近，對(duì)于低溫測(cè)量，輻射能量較小，可盡量窄而且靠近，對(duì)于

30、低溫測(cè)量，輻射能量較小，可選兩個(gè)較寬、但是盡量靠近、甚至部分重疊的波段，選兩個(gè)較寬、但是盡量靠近、甚至部分重疊的波段，以減少黑度系數(shù)的影響。以減少黑度系數(shù)的影響。4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換39 光電比色溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)分光電比色溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)分和和兩種。兩種。 雙通道有兩個(gè)通道和兩個(gè)光電器件如圖雙通道有兩個(gè)通道和兩個(gè)光電器件如圖4.1.45所示。所示。 4.1.4 溫度檢測(cè) 上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換40 單通道比色計(jì)只有一個(gè)光電器件和一條通道，用單通道比色計(jì)只有一個(gè)光電器件和一條通道，用調(diào)制盤將兩個(gè)波段的輻射能量交替投射于同一個(gè)光電調(diào)制盤將兩個(gè)波段的輻射能量交替投射于同一個(gè)光電器件上，由它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后加至流比計(jì)。器件上，由它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放大后加至流比計(jì)。 它的光學(xué)系統(tǒng)如圖它的光學(xué)系統(tǒng)如圖4.1.46（a）所示）所示 ，調(diào)制盤調(diào)制盤3的的布置見圖布置見圖4.1.46（b） 4.1.4 溫度檢測(cè)上一張上一張章首章首下一張下一張結(jié)束結(jié)束節(jié)首節(jié)首目錄目錄第三章 光電信息轉(zhuǎn)換