第八章 光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、第第8 8章章 非光物理量的光電檢測(cè)非光物理量的光電檢測(cè)2問題問題什么是非光物理量，如何用光去測(cè)量非光物什么是非光物理量，如何用光去測(cè)量非光物理量？理量？答：不與光學(xué)量相關(guān)的物理量，比如長(zhǎng)度、答：不與光學(xué)量相關(guān)的物理量，比如長(zhǎng)度、厚度、變形、速度、角度、質(zhì)量等。厚度、變形、速度、角度、質(zhì)量等。讓非光物理量影響（調(diào)制）光學(xué)量，通過測(cè)讓非光物理量影響（調(diào)制）光學(xué)量，通過測(cè)量光學(xué)量的變化推算非光物理量的變化。量光學(xué)量的變化推算非光物理量的變化。可以用哪些光學(xué)量的變化來表示？可以用哪些光學(xué)量的變化來表示？3本章的主要內(nèi)容本章的主要內(nèi)容8.1 光強(qiáng)型光電檢測(cè)系統(tǒng) 8.2 脈沖型光電檢測(cè)系統(tǒng) 8.3 相位

2、型和頻率型光電檢測(cè)系統(tǒng)8.4 利用物理光學(xué)原理的光電檢測(cè)系統(tǒng) 8.5 其它光電檢測(cè)系統(tǒng)48.1 光強(qiáng)型光電檢測(cè)系統(tǒng)8.1.1 直接測(cè)量法直接測(cè)量法 8.1.2 差動(dòng)測(cè)量法差動(dòng)測(cè)量法 8.1.3 補(bǔ)償測(cè)量法補(bǔ)償測(cè)量法8.1.4 補(bǔ)償式軸徑檢測(cè)裝置補(bǔ)償式軸徑檢測(cè)裝置 8.1.5 利用比較法檢測(cè)透明薄膜的厚度利用比較法檢測(cè)透明薄膜的厚度8.1.6 利用利用射線測(cè)量塊規(guī)厚度的裝置射線測(cè)量塊規(guī)厚度的裝置8.1.7 圓形物體偏心度的光電檢測(cè)圓形物體偏心度的光電檢測(cè)8.1.8 利用補(bǔ)償法測(cè)量線材直徑利用補(bǔ)償法測(cè)量線材直徑8.1.9 對(duì)圓柱形零件的外觀檢查對(duì)圓柱形零件的外觀檢查本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：測(cè)量

3、方法測(cè)量實(shí)例58.1.1 直接測(cè)量法1. 直接測(cè)量法原理 將攜帶被檢測(cè)物理量信息的光量，投射到光電探測(cè)器上轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)放大后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)直接讀出待測(cè)量。 R為校正電阻，用以校正回路的靈敏度。A表為讀出機(jī)構(gòu)。圖8-1 直接測(cè)量電路 60/()/iI SCS 8.1.1 直接測(cè)量法1. 直接測(cè)量法原理當(dāng)探測(cè)器處于線性工作區(qū)中，則有圖8-1 直接測(cè)量電路 式中，為信號(hào)光通量；I為探測(cè)器產(chǎn)生的光電流；S為探測(cè)器的積分靈敏度；Ci為比例常數(shù)；a0為表針指零時(shí)的角度； a為輸出電流I所對(duì)應(yīng)指針的轉(zhuǎn)角。 7在檢測(cè)回路中，重要特性是儀表指針的靈敏度Sy，可表示為：/yiSS C 靈敏度的概念： 如何提高靈敏

4、度？ 8 在上述檢測(cè)回路中引入簡(jiǎn)單的晶體管或其它放大器。圖8-2 利用放大器提高靈敏度儀表指針的靈敏度為（8-2）調(diào)整滿度時(shí)對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角為a0，則有 KSCi/ )(0式中，K為晶體管回路的放大倍數(shù)。提高了K倍！使用放大器的原因！iCSK /Sy（ ）92. 系統(tǒng)相對(duì)誤差和性能評(píng)定設(shè)某檢測(cè)關(guān)系為A=BC/D，則增量間關(guān)系為DDBCCDBBDCA2/最大相對(duì)誤差為用上式分析直接測(cè)量法系統(tǒng)的最大相對(duì)誤差為/K KS S D/DC/CB/BA/A102. 系統(tǒng)相對(duì)誤差和性能評(píng)定/K KS S KK為放大系統(tǒng)放大率不穩(wěn)定所引起的相對(duì)誤差，它與放大電路中的電壓波動(dòng)，環(huán)境溫度的變化，晶體管工作點(diǎn)的選擇等參量

5、變化有關(guān)；S/S為光電器件靈敏度的相對(duì)誤差，它與探測(cè)器特性的不穩(wěn)定性有關(guān)； /為測(cè)量機(jī)械指示值的相對(duì)誤差，它與機(jī)械結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性有關(guān)。所以，直接測(cè)量方法雖然簡(jiǎn)單方便、價(jià)格低廉，但各環(huán)節(jié)誤差直接加入總誤差，受環(huán)境影響大！有沒有受環(huán)境影響小的解決方案？118.1.2 差動(dòng)測(cè)量法 該方法采用被測(cè)量與標(biāo)準(zhǔn)量相比較，利用它們之間的差或比，經(jīng)放大后的測(cè)量數(shù)據(jù)去控制檢測(cè)機(jī)構(gòu)。圖8-3 利用電差動(dòng)原理進(jìn)行光通量檢測(cè)1. 測(cè)量原理無光照時(shí)，調(diào)節(jié)電橋平衡有光照時(shí)，電橋失衡，發(fā)生偏轉(zhuǎn)128.1.2 差動(dòng)測(cè)量法 優(yōu)點(diǎn)：差動(dòng)方式，提高了測(cè)量靈敏度，減少了電壓波動(dòng)的影響和放大器零點(diǎn)漂移。缺點(diǎn)：未能克服光源及光路上產(chǎn)生的波動(dòng)

6、或干擾1. 測(cè)量原理輸入為零，輸出偏移零,隨時(shí)間緩慢變化有沒有解決辦法？132. 光電差動(dòng)裝置 為進(jìn)一步提高檢測(cè)精度，消除不穩(wěn)定因素對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響，設(shè)計(jì)了由雙光路和電橋組成的光電差動(dòng)裝置。圖8-4 雙光路光電差動(dòng)系統(tǒng)14 當(dāng)兩電路光通量相差較小時(shí)，光電探測(cè)器GD1和GD2的靈敏度分別為S1和S2，在線性段中它們近似為常數(shù)。于是GD1產(chǎn)生的光電流I1=S11，R1上產(chǎn)生的壓降I1R1= S11R1 (GD1與R1相當(dāng)于串聯(lián))；GD2產(chǎn)生的光電流I2=S22，Rw上產(chǎn)生的壓降I2Rw=S22Rw，所以電橋輸出的電壓U0為如果S1=S2=S，Rw=R1則有011122wUSRSR01121()US

7、RSR 15設(shè)兩探測(cè)器接收到光通量 ，且 = n。因電源電壓波動(dòng)等原因使光源輸出光通量發(fā)生變化，在兩光路上的光通量也將發(fā)生變化，其變化值為1和2，兩者間關(guān)系為 12/12 n21/變化量與光通量成正比變化。即兩光束光通量分別為 和 111 222 光通量波動(dòng)的影響分析：16接收的光通量差為121122121()()()(1) n 原信號(hào) 因波動(dòng)引起的誤差 在有些電路中，采用兩光通量比(除)的信號(hào)處理方法，光源波動(dòng)的影響可以完全消除。設(shè) ， 則：12/n 12/n 122211/()/()n (8-9)為完全消除光通量波動(dòng)的影響，應(yīng)調(diào)整兩通道通量相同（兩通道對(duì)稱）！使n=1.17 在光電差動(dòng)測(cè)量

8、中，精度在很大程度上取決于兩光電探測(cè)器性能上的差異，兩者完全一致將十分困難。怎么辦？3. 單個(gè)探測(cè)器的差動(dòng)測(cè)量 采用單光電探測(cè)器的差動(dòng)系統(tǒng)。181=2時(shí)，則產(chǎn)生恒定信號(hào)當(dāng)12時(shí)，則產(chǎn)生交變信號(hào)，經(jīng)放大和相敏整流后輸出，幅值的大小表示兩通量的差值=1-2，信號(hào)的正、負(fù)表示的正負(fù)。3. 單個(gè)探測(cè)器的差動(dòng)測(cè)量圖8-5 單接受器差動(dòng)系統(tǒng) 平衡時(shí)不平衡時(shí)193. 單個(gè)探測(cè)器的差動(dòng)測(cè)量?jī)?yōu)點(diǎn)：相對(duì)于前述差動(dòng)裝置，探測(cè)器和及其電源性能隨時(shí)間的緩慢變化可以部分消除。 光源的波動(dòng)的影響同前所述。缺點(diǎn)：存在放大器的波動(dòng)影響20 將待測(cè)物理量對(duì)應(yīng)光通量產(chǎn)生的信號(hào)用光或電的方法補(bǔ)償?shù)簦a(bǔ)償量代表了待測(cè)量的大小。圖8-7

9、 單通道補(bǔ)償系統(tǒng)8.1.3 補(bǔ)償測(cè)量法什么是補(bǔ)償測(cè)量法？有何優(yōu)點(diǎn)？光敏電阻218.1.3 補(bǔ)償測(cè)量法1. 單通道光楔補(bǔ)償式測(cè)量系統(tǒng)增加了晶體管放大環(huán)節(jié)，由R1、Rw、Rc和R0及晶體三極管BG構(gòu)成電橋，檢流計(jì)G作輸出指示。圖8-8 單通道光楔補(bǔ)償系統(tǒng)22光電自動(dòng)補(bǔ)償裝置的靈敏閥概念光電自動(dòng)補(bǔ)償裝置的靈敏閥概念能使平衡裝置開始動(dòng)作時(shí)，被測(cè)物理量的最能使平衡裝置開始動(dòng)作時(shí)，被測(cè)物理量的最小變化量小變化量xmin/x。為獲得高靈敏檢測(cè)裝置，希望靈敏閥值盡可為獲得高靈敏檢測(cè)裝置，希望靈敏閥值盡可能小。通常意味著電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩小，光能小。通常意味著電機(jī)的摩擦轉(zhuǎn)矩小，光電探測(cè)器靈敏度高，放大器的放大倍數(shù)要

10、電探測(cè)器靈敏度高，放大器的放大倍數(shù)要大等。大等。23雙光路補(bǔ)償法檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)雙光路補(bǔ)償法檢測(cè)的優(yōu)點(diǎn)雙光路的作用可互相抵消光通量的波動(dòng)及周圍環(huán)境的影響。雙光路的作用可互相抵消光通量的波動(dòng)及周圍環(huán)境的影響。受電源電壓、放大器參數(shù)和探測(cè)器特性隨時(shí)間變化的影響小。受電源電壓、放大器參數(shù)和探測(cè)器特性隨時(shí)間變化的影響小。不受光電探測(cè)器特性非線性的影響，在光特性彎曲的部分也不受光電探測(cè)器特性非線性的影響，在光特性彎曲的部分也可正常工作。可正常工作。v 結(jié)構(gòu)復(fù)雜v 相對(duì)造價(jià)高v 調(diào)制補(bǔ)償器有慣性時(shí)，不利于測(cè)量較快的變化量雙光路補(bǔ)償法檢測(cè)的缺點(diǎn)24(1) 光楔動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法將可逆電機(jī)換成恒速旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，通過傳動(dòng)裝置帶

11、動(dòng)光楔不停地往返運(yùn)動(dòng)，造成光楔對(duì)入射光通量的不斷掃描。當(dāng)光楔到達(dá)其補(bǔ)償位置時(shí)，雙光路達(dá)到平衡，這時(shí)恰是放大器輸出電信號(hào)的過零點(diǎn)。3. 對(duì)快速變化過程的測(cè)量被測(cè)物理量變化比較快的時(shí)候如何測(cè)量？25(2) 電動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法 利用電信號(hào)的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償法是將信號(hào)電流直接控制慣性極小的可控阻值元件，如晶體二極管或三極管等，把它們作為補(bǔ)償器來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)態(tài)補(bǔ)償測(cè)量。這種純電路的處理方法可將檢測(cè)速度提高很多。如何代替機(jī)械補(bǔ)償？268.1.4 補(bǔ)償式軸徑檢測(cè)裝置 該裝置利用光量變化對(duì)軸徑進(jìn)行補(bǔ)償式檢測(cè)。圖 8-12 光門補(bǔ)償式軸徑檢測(cè)原理圖其中放大器輸出電壓U0為)(210UUKU式中， K為放大器的放大倍數(shù)。 (8-1

12、5) 278.1.5 利用比較法檢測(cè)透明薄膜的厚度 圖8-13 比較法薄膜厚度檢測(cè)原理 按照介質(zhì)對(duì)光吸收的指數(shù)衰減定律有： dkeII0I：透過薄膜的單色光強(qiáng)度；I0：射入薄膜的單色光強(qiáng)度；d：薄膜的厚度；k：薄膜對(duì)單色光的吸收系數(shù)。放大器測(cè)量?jī)x表差值的符號(hào)和大小決定與標(biāo)準(zhǔn)值的偏差288.1.5 利用比較法檢測(cè)透明薄膜的厚度 圖8-13 比較法薄膜厚度檢測(cè)原理 用紫外光可以測(cè)量滌綸薄膜、聚氯乙烯薄膜等塑料薄膜，測(cè)量范圍41000m；問題：如果薄膜對(duì)測(cè)量光沒有吸收（透明）怎么辦？298.2 脈沖型光電檢測(cè)系統(tǒng)8.2.1 物體長(zhǎng)度分檢裝置原理物體長(zhǎng)度分檢裝置原理 8.2.2 液位高度控制器液位高度

13、控制器 8.2.3 光電探測(cè)信號(hào)碼的工作原理光電探測(cè)信號(hào)碼的工作原理8.2.4 氣體流量自動(dòng)檢控裝置氣體流量自動(dòng)檢控裝置 8.2.5 利用測(cè)量脈沖頻率測(cè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速利用測(cè)量脈沖頻率測(cè)定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速8.2.6 利用脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)定零件尺寸利用脈沖持續(xù)時(shí)間測(cè)定零件尺寸8.2.7 全脈沖法測(cè)定零件尺寸全脈沖法測(cè)定零件尺寸8.2.8 光柵數(shù)字測(cè)徑儀光柵數(shù)字測(cè)徑儀8.2.9 脈沖激光測(cè)距脈沖激光測(cè)距本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：308.2.2 液位高度控制器 圖8-22 繼電器型液位高度控制器 有光照時(shí)，三極管截止，繼電器不工作無光照時(shí)，三極管飽和，繼電器工作常開繼電器常閉繼電器采用調(diào)制和選頻放大可提高系統(tǒng)抗干

14、擾能力！318.2.3 光電探測(cè)信號(hào)碼的工作原理 為區(qū)別傳送帶上同樣大小箱子中的不同物體，可在箱體外部某個(gè)確定的位置上，統(tǒng)一按物類信息預(yù)先印上不同的二進(jìn)制信號(hào)碼。圖8-23 光電信號(hào)碼探測(cè)器 同步信號(hào)標(biāo)志328.2.3 光電探測(cè)信號(hào)碼的工作原理 條形碼標(biāo)簽條形碼 338.2.9 脈沖激光測(cè)距 ctl21飛行時(shí)間法（time of flight)/wiki/Laser_rangefinder348.2.9 脈沖激光測(cè)距 優(yōu)點(diǎn)：原理、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，測(cè)程遠(yuǎn)、功耗小(光速太快，所計(jì)脈沖數(shù)有限）缺點(diǎn)：精度低，m級(jí)，（現(xiàn)在最好的做到mm級(jí)，ns級(jí)計(jì)時(shí)）358.3 相

15、位型和頻率型光電檢測(cè)系統(tǒng)8.3.1 激光相位測(cè)距法激光相位測(cè)距法 8.3.2 激光光波比長(zhǎng)儀激光光波比長(zhǎng)儀 8.3.3 雙頻激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)雙頻激光干涉測(cè)長(zhǎng)系統(tǒng)8.3.4 激光流速計(jì)激光流速計(jì) 本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：368.3.1 激光相位測(cè)距法 嫦娥1號(hào)激光高度計(jì)http:/ 激光相位測(cè)距法 關(guān)鍵技術(shù)：http:/ 2、回波波形數(shù)字化技術(shù) ：不同地方回波的識(shí)別3、數(shù)據(jù)處理技術(shù) ：指測(cè)高數(shù)據(jù)的濾波與地物的分類和識(shí)別技術(shù)388.3.1 激光相位測(cè)距法 激光相位測(cè)距儀http:/ 7704.html398.3.1 激光相位測(cè)距法 http:/ 激光相位測(cè)距法 原理：基于受正弦調(diào)制的激光波束，

16、通過測(cè)定波束傳播過程中相位的變化來確定待測(cè)的距離。若調(diào)制頻率為f，光速為c，調(diào)制波波長(zhǎng)c/f。調(diào)制波從A到B的傳播過程中相位的變化為：2)(2mMM（8-21）式中，M為零或正整數(shù)，相位變化的整周期數(shù)；m為小數(shù)，為 ，相位變化不足一周期的尾數(shù)。2/ 調(diào)制光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)，相當(dāng)于相位變化2。與相位變化相對(duì)應(yīng)的傳播距離l為)(mMl（8-22）圖 8-33 調(diào)制波形41 實(shí)際測(cè)距時(shí)，在調(diào)制波形B點(diǎn)的對(duì)應(yīng)處設(shè)置角反射器，使調(diào)制波束返回到測(cè)距機(jī)處，由專門的測(cè)相系統(tǒng)測(cè)定經(jīng)2l距離傳播后相位的變化量?？捎脠D8-34所示的展開波形來說明。AB=BA,AA2l，于是有)(2mMl（8-23）圖8-34 往返

17、波形展開圖實(shí)際測(cè)量過程中測(cè)不到整周期M！(波長(zhǎng)為調(diào)制波長(zhǎng)，而非激光器本身出射激光波長(zhǎng))42調(diào)制波長(zhǎng)越長(zhǎng)，測(cè)量范圍越大，測(cè)量精度越低調(diào)制波長(zhǎng)越短，測(cè)量范圍越小，測(cè)量精度越高現(xiàn)有基于該技術(shù)的測(cè)距儀可以做到mm級(jí)以下的測(cè)量精度。圖8-34 往返波形展開圖438.3.4 激光流速計(jì) 激光測(cè)速是利用多普勒效應(yīng)原理: 當(dāng)光源和探測(cè)器之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，光探測(cè)器接收到的光束的頻率不再是光源發(fā)出的頻率。v表示光源S對(duì)觀察者P的相對(duì)速度，表示相對(duì)速度方向和光傳播方向之間的夾角，觀察者在P點(diǎn)接收到光波的頻率f為)/cos1 (0cvff對(duì)應(yīng)多普勒頻移為 cvffff/cos00圖 8-37 多普勒效應(yīng)關(guān)系圖 式中

18、，f0為光源發(fā)光的頻率；c為所處介質(zhì)中的光速。光源觀察者/cosv44頻差f與流體流速間的關(guān)系： )2sin(2sin20nvfn：流體的折射率；v：流速；0：為激光在真空中的波長(zhǎng) ：流動(dòng)方向和激光入射方向的補(bǔ)角；：散射方向與激光入射方向夾角。451.參考路直接透過，不產(chǎn)生頻移 )2sin(2sin20nvf2.散射路可以分兩步 a. 激光入射到散射粒子上，粒子作為觀察者b. 光被粒子散射，粒子作為光源，倍增管作為觀察者cosf1v)180cosfo2（v3.總頻率差為二者相加，三角公式 461.測(cè)量范圍0.004cm/s104m/s2. 可測(cè)截面上流速分布478.4 利用物理光學(xué)原理的光電檢

19、測(cè)系統(tǒng)8.4.1 利用利用衍射衍射測(cè)量細(xì)絲的直徑測(cè)量細(xì)絲的直徑 8.4.2 利用利用全反射全反射檢測(cè)液面的裝置檢測(cè)液面的裝置 8.4.3 利用利用偏振光全反射偏振光全反射檢測(cè)液面的裝置檢測(cè)液面的裝置8.4.4 利用利用全反射和干涉原理全反射和干涉原理的測(cè)力計(jì)的測(cè)力計(jì) 本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：488.4.1 利用衍射測(cè)量細(xì)絲的直徑當(dāng)用平行光束照射細(xì)絲時(shí)，在其后較遠(yuǎn)的屏幕上能獲得細(xì)絲的夫瑯和菲衍射圖。被測(cè)細(xì)絲2的直徑d可依據(jù)衍射定律計(jì)算 sLd/sL498.4.1 利用衍射測(cè)量細(xì)絲的直徑sLd/為光束的波長(zhǎng)，L為細(xì)絲到屏幕之間的距離，s為衍射條紋相鄰兩暗紋之間。 圖8-39 利用衍射測(cè)定絲徑

20、控制脈沖計(jì)數(shù)脈沖508.4.1 利用衍射測(cè)量細(xì)絲的直徑sLd/測(cè)量靈敏度：0.05-0.1m只能測(cè)量細(xì)絲：0.01-0.1mm，最大0.5圖8-39 利用衍射測(cè)定絲徑 控制脈沖計(jì)數(shù)脈沖518.4.2 利用全反射檢測(cè)液面的裝置 光束-光密介質(zhì)n2光疏介質(zhì)n2傳輸時(shí)，如果入射角大于或等于臨界角i0，這時(shí)光全部反射，臨界角i0可用下式表示 )/arcsin(120nni （8-36）528.4.2 利用全反射檢測(cè)液面的裝置)/arcsin(120nni 如何工作的？液面沒到BC什么現(xiàn)象，到BC后什么現(xiàn)象？全反射非全反射缺點(diǎn)：液面到BC后仍然有光進(jìn)入探測(cè)器，有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤控制，有沒有辦法？538.4.

21、3 利用偏振光全反射檢測(cè)液面的裝置全偏振角ic又叫作布儒斯特角（Brewster angle），12/nntgic 自然光以全偏振角入射到兩介質(zhì)介面上時(shí)，反射光中只有垂直于入射面振動(dòng)的光束。 設(shè)計(jì)條件：液面高于A時(shí)，符合布儒斯特角，無反射光液面低于A時(shí)，產(chǎn)生全反射，光電探測(cè)器探測(cè)到光54已知液體折射率為n2，液面以上折射率為 。如何選取棱鏡的折射率n1 120/nntgitgi滿足全反射角的關(guān)系為 120/sinsinnnii則： 22221)/(1/nnnn滿足布儒斯特角的關(guān)系為 2n558.4.4 利用雙折射和干涉原理的測(cè)力計(jì)從檢偏振器輸出的光通量與通過起偏振器的光通量0間有以下關(guān)系 。 、分別為通過晶體尋常光與非尋常光之間的光程差和相位差。2020sin2sin56圖8-4