第六章典型光電測試系統(tǒng)

濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院1第六章典型光電測試系統(tǒng)光電測試具有非接觸、實時和高精度等優(yōu)點，應(yīng)用越來越廣泛。由于測試對象、任務(wù)要求、測試原理及測試精度等指標(biāo)的不同，因此就形成了各種光電測試系統(tǒng)。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院2光電檢測系統(tǒng)分類主動系統(tǒng)/被動系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測器可見光系統(tǒng)多用于民用點探測/面探測系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測量目標(biāo)的光強分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分)直接檢測/相干檢測系統(tǒng)(按光波對信號的攜帶方式分)濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院3主動系統(tǒng)通過信息調(diào)制光源,或者光源發(fā)射的光受被測物體調(diào)制.返回濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院4被動系統(tǒng)光信號來自被測物體的自發(fā)輻射返回濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院5直接檢測/相干檢測直接檢測: 無論是相干或非相干光源，都是利用光源發(fā)射的光強攜帶信息。光電探測器直接把接受到的光強的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化，然后，用解調(diào)電路檢出所攜帶的信息。相干檢測: 利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強。因為用光波的相干原理，只能用相干光。類似于無線電外差檢測，故又稱光外差檢測。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院6典型的光電檢測系統(tǒng)直接檢測系統(tǒng)（光強調(diào)制）莫爾條紋測長儀激光測距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測系統(tǒng)光外差檢測系統(tǒng)激光干涉測長儀（相位調(diào)制）多普勒測速（頻率調(diào)制）光外差通信濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院7光電開關(guān)光電開關(guān)分為主動型和被動型開關(guān)。

主動型：由LED管和光電二極管、光電三極管等組成。

被動型：由光敏電阻、光電二極管等組成。1.透射分離式主動開關(guān)將發(fā)光管和光電接收管相對安裝，形成光通路。無物體擋光時開關(guān)接通，有物體擋光時開關(guān)關(guān)閉。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院8由許多光電開關(guān)組成的一個點陣，可用于計算機的鍵盤輸入開關(guān)。鍵盤靜止時全部光電開關(guān)輸出為0態(tài)，當(dāng)某一鍵按下時，被擋光的開關(guān)輸出為1態(tài)，這樣可構(gòu)成一定的碼對應(yīng)于輸入字符。此外，透射分離式主動開關(guān)也用于工業(yè)自動控制、自動報警及一些引爆、燃燒等封閉室內(nèi)的室外點火等控制。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院92.反射型主動開關(guān)反射型主動開關(guān)的發(fā)光管和光電接收管平行安裝（或略有傾角）。當(dāng)發(fā)光管發(fā)出的光遇到障礙時，在距離足夠近時，由障礙物反射回來的光被光電接收管接收而使開關(guān)動作。這種開關(guān)可應(yīng)用于各種機械運行的行程限制、位置傳感，也有效地用于汽車的緊急制動。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院10（a）反射型主動開關(guān)示意圖（b）用光纖引導(dǎo)的光電開關(guān)，可作為開關(guān)用于狹窄區(qū)域內(nèi)。（c）用于液面自動探測的光電開關(guān)濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院113.光電耦合器發(fā)光管和光電接收管用耐高壓的塑料封結(jié)在一起，可形成光電耦合器?？蓪崿F(xiàn)用低壓電器或低壓電路控制高壓電路，光電耦合器成為一個隔離開關(guān)。適當(dāng)設(shè)計也能起到變壓器使用。若把光電接收管這一邊接入可控硅電路，光電耦合器可形成固體繼電器。它還可以在過載保護電路中作為開關(guān)。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院124.編碼計數(shù)型主動開關(guān)光電開關(guān)可工作在開關(guān)狀態(tài)，那么就很容易變換成計數(shù)狀態(tài)或編碼控制狀態(tài)。測量照相機快門動作時間。發(fā)光管發(fā)出頻率的光脈沖，他放在快門的一邊，光電接收管在快門的另一邊。當(dāng)快門打開前計數(shù)器預(yù)先歸零?？扉T打開時，光電轉(zhuǎn)換后的電脈沖使計數(shù)器計數(shù)?？扉T關(guān)閉時，計數(shù)停止。計數(shù)器所計脈沖個數(shù)與脈沖周期之乘積就是快門開啟時間。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院135.被動開關(guān)

利用自然光源的特性對光電開關(guān)提供信號，形成被動開關(guān)。自然光源多為物體自發(fā)輻射，輻射能量多在紅外光譜范圍內(nèi)，所以組成開關(guān)的接收器是熱電器件、紅外光敏電阻或紅外光電二極管。熱釋電探測器件作光敏元件，將球面反射鏡安放在房子的墻角以會聚入射的光能。熱釋電探測器有兩個特點：一、只響應(yīng)突變的或交變的輻射，二、響應(yīng)光譜無選擇性。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院14它對靜止的環(huán)境輻射不做反應(yīng)，而能夠探測人的活動。當(dāng)人走近光電開關(guān)作用區(qū)域時，熱釋電器件接收人身輻射，輸出電脈沖信號，使被動開關(guān)接通，其過程如下：光電脈沖經(jīng)放大器和帶通濾波器后形成控制信號去觸發(fā)定時器。定時器可人為設(shè)定時間，在設(shè)定時間內(nèi)控制信號控制報警器發(fā)聲，定時完畢后開關(guān)斷開。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院15光電轉(zhuǎn)速計一般轉(zhuǎn)速表的缺點：測量范圍小，精度不高，測量時與被測對象剛性連接，給對象以附加負(fù)荷，不適合于小功率情況下測量。光電轉(zhuǎn)速計可以避免這些缺點，容易使測量自動化和數(shù)字化。廣泛應(yīng)用于電動機、內(nèi)燃機、透平、水輪機及各種機床的轉(zhuǎn)速測量和調(diào)節(jié)中。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院16光電轉(zhuǎn)速計原理盤1裝在欲測轉(zhuǎn)速的軸上，光源2發(fā)出的光線，經(jīng)盤1調(diào)制后透射或反射至光電探測器3，轉(zhuǎn)速可由光電探測器3產(chǎn)生的脈沖頻率決定。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院17為了壽命長、體積小、功耗少，提高可靠性，光電探測器多采用光電池、光敏二極管或光敏三極管，光源用發(fā)光二極管。每分鐘的轉(zhuǎn)速n與頻率f的關(guān)系：n=60f/m，m是孔數(shù)或齒數(shù)或黑板塊的數(shù)目。只要測出頻率就能決定轉(zhuǎn)速或角速度。下面只對計數(shù)測頻法和周期測頻法做簡要介紹。頻率測量(1)計數(shù)測頻法計數(shù)測頻法的基本思想就是在某一選定的時間間隔內(nèi)對被測信號進行計數(shù)，然后將計數(shù)值除以時間間隔（時基）就得到所測頻率。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院18被測信號1通過脈沖形成電路轉(zhuǎn)變成脈沖2（或方波），其重復(fù)頻率等于被測頻率fx，然后將它加到閘門的一個輸入端。閘門由門控信號4來控制其開、閉時間，只有在閘門開通時間T內(nèi)，被計數(shù)的脈沖5才能通過閘門，被送到十進制電子計數(shù)器進行計數(shù)，從而實現(xiàn)頻率測量。門控信號的作用時間T是非常準(zhǔn)確的，以它作為時間基準(zhǔn)（時基），它是時基信號發(fā)生器提供。時基信號發(fā)生器有一個高穩(wěn)定的石英振蕩器和一系列數(shù)字分頻器組成，由它輸出的標(biāo)準(zhǔn)時間脈沖（時標(biāo)）去控制門控電路形成門控信號。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院19(2)周期測量法在周期測量法中，采用固定頻率很高的參考脈沖fs作為計數(shù)器的脈沖源，而讓被測信號fx經(jīng)整形后再經(jīng)過一個門控電路去控制閘門，其電路原理如下：在門控電路輸入的兩個下降沿之間，門控電路輸出高電平使閘門打開，計數(shù)器對fs進行計數(shù)，從而實現(xiàn)閘門開啟時間的測量。閘門開啟的時間就是被測信號的周期，周期倒數(shù)就是頻率。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院20對高頻測量，計數(shù)測頻法有較高的精度，隨著被測頻率的降低，其相對誤差逐漸增大。對低頻測量，周期法有較高的精度，隨著被測頻率的增高，其相對誤差逐漸增大。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院21莫爾條紋測長儀莫爾條紋攜帶一維信息已廣泛應(yīng)用于測量長度、角度，數(shù)控系統(tǒng)及光學(xué)傳遞函數(shù)測量等方面。莫爾條紋攜帶三維信息在測量應(yīng)變、物體表面不平度、液體薄膜厚度及醫(yī)學(xué)診斷與機器人視覺等方面的非接觸測量中也得到較好的應(yīng)用。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院22莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,當(dāng)光柵對之間有相對運動時（運動方向與主光柵柵線垂直），透過光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強調(diào)制作用．黑白光柵、位相光柵（干涉和衍射）長光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.縱向條紋橫向條紋長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵光閘莫爾條紋播放動畫濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院25設(shè)光柵對的柵線交角為，取主光柵A的零號柵線為y軸，垂直于主光柵A柵線的方向為x軸。x與y在零號線的交點為原點。主光柵與指示光柵各刻線交點的連線即構(gòu)成了莫爾條紋。如果主光柵刻線序列用i=0,1,2,3……表示，指示光柵刻線序列用j=0,1,2,3……表示，則兩光柵刻線的交點為[i，j]，則莫爾條紋l由兩光柵各同刻線交點[0，0]，[1，1]，[2，2]……連線構(gòu)成。設(shè)主光柵A的柵距為P1，指示光柵B的柵距為P2，由圖看出，主光柵A的刻線方程為（6-2）濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院26指示光柵B的刻線j與x軸的交點坐標(biāo)為（6-3）莫爾條紋1是由A、B兩光柵各同i=j刻線的交點連接而成，所以其莫爾條紋的方程為（6-4）（6-5）莫爾條紋1的斜率為

（6-6）

濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院27莫爾條紋1的方程可表示為（6-7）同樣可以求得莫爾條紋2和3的方程（6-8）（6-9）由莫爾條紋1、2、3的方程我們可以得出：莫爾條紋是周期函數(shù)，其周期。它也稱為莫爾條紋的寬度B。當(dāng)P1=P2時，則由式（6-6）可得

（6-10）濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院28濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院就得到“橫向莫爾條紋”。橫向莫爾條紋與x軸的交角為。實用中兩光柵的夾角很小，因此，可以認(rèn)為莫爾條紋幾乎與y軸垂直。當(dāng)，而時，就得到了嚴(yán)格的橫向莫爾條紋。因此當(dāng)兩光柵柵距不同時，總能找到一個角度，得到橫向莫爾條紋。當(dāng)，時，就得到了圖6-11（b）所示的縱向莫爾條紋。其他情況都是斜向莫爾條紋，如圖6-11（c）所示。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院29莫爾條紋的特性光柵的節(jié)距比光的波長大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關(guān)系為：當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線的方向相對移動時，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動．光柵每移動一個節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動一個寬度Ｂ．因為θ很小，放大倍數(shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋在計量光柵中取P1=P2，且柵線夾角很小。當(dāng)主光柵相對于指示光柵移動一個柵距是，莫爾條紋就移動了一個條紋間隔。在某一點觀察時，能看到隨著光柵的移動某點的透過光強作明暗交替變化，這就是莫爾條紋的調(diào)制作用。莫爾條紋把光柵位移信息轉(zhuǎn)化為光強隨時間變化的信號。在空間上光柵移動的周期為P1,而莫爾條紋移動的周期是B?？梢娔獱枟l紋有放大作用，放大系數(shù)K=B/P1。雖然光柵柵距很小，但是它移動一個柵距，莫爾條紋一個周期在空間尺寸上要大幾百倍，這樣就便于安裝光電測量頭進行測量。此外，莫爾條紋是由一系列光柵刻線交點組成的，光電器件接收莫爾條紋的透過能量時是覆蓋了莫爾條紋的一部分，即同時接收到許多柵線構(gòu)成的條紋透過能量。這樣既能得到足夠的光能量，有很到的信噪比，而且還能對刻線的工藝誤差有平均作用，平均的結(jié)果是刻線誤差在測量中的影響減小。2.圓光柵莫爾條紋兩塊圓形光柵重疊在一起也可以形成莫爾條紋。利用圓光柵莫爾條紋可以直接進行角度測量。圓光柵可分為：徑向圓光柵和切向圓光柵。徑向圓光柵的刻線都從圓心向外輻射；切向圓光柵的切線都切于一個小圓。徑向光柵莫爾條紋是由兩塊柵距角相同的徑向光柵保持一個較小的偏心量e疊合形成圓弧莫爾條紋，其徑向光柵莫爾條紋圖案如圖6-12（a）。在沿著偏心的方向上，產(chǎn)生近似平行于柵線的縱向莫爾條紋；在位于與偏心方向垂直的位置上產(chǎn)生近似垂直于柵線的莫爾條紋、其他地方為斜向莫爾條紋。播放中……徑向光柵：圓弧莫爾條紋單擊準(zhǔn)備演示播放動畫濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院33切向光柵所形成的莫爾條紋如圖6-12（b）。它是由兩塊刻線數(shù)相同、切向方向相反而切線圓半徑分別為r1，r2的切向圓光柵同心疊合得到的莫爾條紋。莫爾條紋是圓環(huán)形的，于是把它成為圓環(huán)莫爾條紋。圓環(huán)莫爾條紋主要用于檢查圓光柵的分度誤差及高精度測角。切向光柵：環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準(zhǔn)備演示光閘莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準(zhǔn)備演示輻射形莫爾條紋播放動畫莫爾條紋測長原理當(dāng)長光柵固定，指示光柵相對移動一個柵距，莫爾條紋就變化一個周期。一般情況下指示光柵和工作臺固定在一起。工作臺前后移動的距離由對指示光柵和長光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)來得到。指示光柵相對于長光柵移動一個柵距，莫爾條紋變化一個周期。工作臺移動進行長度測量時，指示光柵移動的距離為xP是光柵柵距，N是指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，是小于一個光柵柵距的小數(shù)。在莫爾條紋測長儀中，最簡單的形式是對指示光柵移過的光柵線對數(shù)N進行直接計數(shù)。但實際系統(tǒng)并不單純計數(shù)，而是利用電子細(xì)分方法將莫爾條紋的一個周期細(xì)分，于是可以讀出小數(shù)部分，是系統(tǒng)的分辨能力提高。目前電子細(xì)分可分到幾十分之一到百分之一。如果單純從光柵方面去提高分辨率，光柵柵距再做小幾十倍，工藝上難以達(dá)到。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院38莫爾條紋測長儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺固定．一塊為長光柵．工作臺前后移動的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進行計數(shù)得到．指示光柵相對移動一個節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動的距離為：

Ｎ：指示光柵移動距離中包含的光柵線對數(shù)，δ：小于１個光柵節(jié)距的小數(shù)．簡單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長光柵，５：光電探測器濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院39莫爾條紋測長儀光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號；通過對莫爾條紋的直接測量，可以測得光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分裝置進行細(xì)分，可讀取位移的分?jǐn)?shù)，提高測量的靈敏度和精度．光柵輸出信號波形細(xì)分判向原理電子細(xì)分方式用于莫爾條紋測長中有好幾種，四倍頻細(xì)分是用的較為普遍的一種。系統(tǒng)組成：光柵一側(cè)是照明光源，另一側(cè)是四個柱面聚光鏡接受光柵透過的光能量，四個柱面透鏡布置在莫爾條紋的一個周期B的寬度內(nèi)，相互間相差1/4莫爾條紋周期。在每個柱面鏡的焦點上各放一個光電二極管。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院41取樣信號：當(dāng)指示光柵移動一個柵距時，莫爾條紋變化一個周期，四個光電二極管輸出四個相位相差90度的近似于正弦的信號。工作原理：將取樣信號送到信號處理電路中，四個正弦信號經(jīng)整形電路后輸出為相位差為90度的方波脈沖信號，便于后面計數(shù)器對信號脈沖進行計數(shù)。于是莫爾條紋變化一個周期，在計數(shù)器中就得到四個脈沖，每一個脈沖就反映1/4莫爾條紋周期的長度，是系統(tǒng)的分辨能力提高了4倍。計數(shù)器采用可逆計數(shù)器是為了判斷指示光柵運動的方向。當(dāng)工作臺前進時，可逆計數(shù)器進行加法運算，后退時進行減法運算。細(xì)分電路還可以由其他形式的電路實現(xiàn)，也可由單片機實現(xiàn)。細(xì)分程度與波形的規(guī)則程度有關(guān)。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院42莫爾條紋測長儀的應(yīng)用工業(yè)自動化中的核心測控部件小型智能化的長度測試儀器，用于對長度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測量。新一代的計量測試工具某些幾何量計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)某些物理量的計量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)納米級測量的重要儀器非接觸在線測量控制儀器濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院435.3.2激光測距儀激光測距儀的類型脈沖激光測距儀相位激光測距儀激光測距儀的特點測程遠(yuǎn)、測量精度高結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便快速、非接觸式距離測量激光對點準(zhǔn)確受氣象條件影響較大激光測距儀廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防軍事、科學(xué)技術(shù)。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院44一、脈沖激光測距儀測距原理：由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個光脈沖，然后接受目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時間來計算出目標(biāo)的距離。測距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門控電路、時鐘脈沖振蕩器和計數(shù)器等組成。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院45脈沖激光測距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測器低噪聲寬帶放大器整形電路門控電路時鐘脈沖振蕩器計數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片1.工作過程脈沖激光測距儀的原理框圖濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院47激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號和回波信號?；夭}沖經(jīng)光電探測器變換成電信號，再經(jīng)放大和整形后，將電子門打開，使通過電子門的時鐘脈沖進入計數(shù)器開始計時；當(dāng)回波脈沖（負(fù)與門）到來時，關(guān)閉電子門。在參考和回波脈沖之間計數(shù)器所接收到的時鐘脈沖個數(shù)代表來被測距離。時鐘頻率越高，測量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時間。脈沖測距波形濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院482.發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射系統(tǒng)一般由激光器、電源和發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)組成。激光器輸出的光脈沖峰值功率極高，在兆瓦量級，脈沖寬度在幾十毫微秒量級。發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)是倒置的伽利略望遠(yuǎn)鏡，可以進一步壓縮激光的發(fā)散角，有利于提高作用距離。目前已有的脈沖激光測距儀，主要是發(fā)射系統(tǒng)有較大差異。例如：1）半導(dǎo)體激光器做發(fā)射系統(tǒng)，距離近（2km以內(nèi)）、體積小、輕便；2）固體調(diào)Q激光器做發(fā)射系統(tǒng)使用最廣泛，紅寶石固體激光器工作波長0.6943um，適合于氣象研究。CO2激光器在大氣中傳播損失小，功率也大，適合軍事目的。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院493.接收系統(tǒng)接收系統(tǒng)由接收光學(xué)系統(tǒng)、光電探測器、低噪聲寬帶放大器和整形電路組成。脈沖激光回波信號通過接收物鏡、小孔光闌3及干涉濾光片4后到達(dá)光電探測器5上，光電探測器把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，再經(jīng)過低噪聲寬帶放大器送到整形電路。小孔光闌的作用是限制視場角，阻擋雜光進入系統(tǒng)。干涉濾光片只允許激光光譜信號進入系統(tǒng)，阻止背景光光譜進入探測器，從而有效地降低背景噪聲，提高信噪比。要求：光電探測器不僅應(yīng)有較高的探測度，而且應(yīng)用較小的響應(yīng)時間（應(yīng)比光脈沖寬度短兩個數(shù)量級）。同時光電探測器后面的放大器一定是低噪聲的寬帶放大器，因為遠(yuǎn)離目標(biāo)的回波脈沖極弱，另外放大器的通頻帶帶寬卻要很寬，否則信號畸變大。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院50二、相位激光測距儀相位測距原理：

相位激光測距是用無線電波段的頻率，對激光束進行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院51若調(diào)制光角頻率為ω，在待測量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對應(yīng)時間t可表示為：t=φ/ω距離L可表示為式中：φ——信號往返測線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。ω——調(diào)制信號的角頻率，ω=2πf。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院52N：測線所包含調(diào)制波長個數(shù)。ΔN：測線所包含不足波長的小數(shù)部分。

L0：稱為測尺長，又稱“光尺”。相位延遲：被測距離：距離的測量變成了測線所包含波長個數(shù)和不足一個波長的小數(shù)部分的測量。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院53測量信號相位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測定不足2π的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。測程長，精度低；反之，精度高，則測程短解決方法：用兩個頻率的波（兩個不同的光尺）進行測量，一個用來測量距離的大數(shù)，另一個用于精確測量距離的尾數(shù)。就可以既擴大測程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測量。舉例：用兩把精度都是千分之一的光尺，其中一把L01=10m，另一把L02=1000m，分別測量同一距離，然后把測得的結(jié)果相互結(jié)合即可。比如：一段距離為386.57m，用L01測量得到不足10m的尾數(shù)6.57m，用L02測量得到不足1000m的尾數(shù)386m。結(jié)合起來就得到被測長度。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院55差頻相位檢測原理■調(diào)制頻率越高,測量精度越高.但是,一般相位計工作在低頻區(qū).■差頻后兩信號都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號的相位差φs.差頻后:濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院56相位激光測距儀的原理精主振f1(高頻)和粗主振f2(低頻)，由開關(guān)控制依次對發(fā)光管供電進行兩次測相檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc基準(zhǔn)混頻器對本振電壓和主振電壓進行混頻外差，進行外差，輸出低頻fc的基準(zhǔn)電壓信號混頻器對本振電壓和輸出信號進行混頻外差，輸出低頻fc的信號電壓信號與基準(zhǔn)電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號的相位差.由檢相計檢出相位差.兩次測相的結(jié)果輸入計算電路計算得到測量結(jié)果。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院57相位激光測距儀的原理圖濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院58激光干涉測量儀干涉測量是以光波干涉原理為基礎(chǔ)進行測量的一門技術(shù)。干涉測量大都是非接觸測量，具有很高的測量靈敏度和精度。激光干涉測量應(yīng)用十分廣泛，可用于位移、長度、角度、面形、介質(zhì)折射率的變化及振動等方面的測量。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院59一、雙頻激光測長儀1.測長原理濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院60激光器出射的兩束激光強度相同，兩者的頻差很小，f2-f1=1~2MHz，分別為左旋和右旋圓偏振光，其中少部分被分束鏡B1反射，經(jīng)透振方向與紙面成45°的檢偏振器P1形成兩束頻率相近而振動方向相同的線偏振光f1和f2，產(chǎn)生拍頻f2-f1，由光探測器D1轉(zhuǎn)換成電信號。其中，頻率為f2-f1的交流成分由參考計數(shù)器C1記錄。透過分束鏡B1與1/4波片的兩束光，因振動方向相互正交而在偏振分束鏡B2處分開，頻率為f1的線偏振光全部反射到固定的角錐棱鏡M1上，頻率為f2的線偏振光全部投射到可動的角錐棱鏡M2上，從M1，M2反射回B2后，兩束光的振動方向均因兩次通過1/4波片而偏轉(zhuǎn)90°，在經(jīng)45°放置的檢偏器P2，形成頻率為f2-f1的測量信號，為光電探測器D2接收和計數(shù)器C2記錄。通過減法器S連續(xù)的把C2和C1所記錄的頻率數(shù)進行比較，并在指示器T上顯示出其偏差。當(dāng)M2不動時，C2和C1所記頻率同為f2-f1，T的示值為零。如果M2以速度v移動，產(chǎn)生的多普勒頻移C2上所記頻率不再是f2-f1，而是f2-f1±△f。如果在測試時間t內(nèi)棱鏡M2移動的距離為L，對從減法器S所得的±△f進行累計得實際位移量（待測長度）為。式中N是測量時間內(nèi)掃描的條紋數(shù)。在雙頻激光測長儀中，N值是由D2和D1輸出的光電信號經(jīng)過電子線路處理（放大、整形、細(xì)分等）后進入計算機求得的。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院62雙頻激光干涉儀不但能測量長度，而且能夠測量角度。用一個光束偏轉(zhuǎn)器使兩束激光光束相互平行，干涉儀可測量兩個反射器的相對運動，直接從干涉儀的讀數(shù)機構(gòu)讀出角位移。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院632.雙頻測長儀與單頻干涉儀的比較雙頻激光測長儀與常規(guī)的單頻激光干涉儀都是以光波波長為標(biāo)準(zhǔn)對被測長度進行精密度量的儀器，其區(qū)別有如下三點：用于測長的常規(guī)單頻激光干涉儀中，可動棱鏡移動時引起兩臂位相差改變，直接檢測的是兩臂光束干涉條紋強度和對比度的變動。雙頻測長儀中可動棱鏡移動引起多普勒頻移，直接檢測的是測量信號與參考信號的頻率差。當(dāng)可動鏡不動時，前者的干涉信號是介于最亮與最暗之間的直流信號，而后者的干涉信號是頻率為f2-f1的交流信號?？蓜永忡R移動時，前者的干涉信號是在最亮與最暗之間緩慢變化，而后者是使原來的交流信號頻率增減△f，仍然是交流信號。后者可用高放大倍數(shù)的交流放大器增強較弱的干涉信號，克服由于光強減弱，大氣擾動及電子線路直流漂移等因素對測量精度的影響。單頻干涉儀對裝置的機械振動十分敏感，因此對工作臺穩(wěn)定性有嚴(yán)格要求，振動越強，干涉條紋的來回移動越強烈，計數(shù)是必然相應(yīng)的進行加減，雙頻測長儀的干涉條紋是運動的，按時間順序入射到光探測器上，因而對振動不敏感，防震要求不嚴(yán)，可以應(yīng)用到工業(yè)環(huán)境。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院643.雙頻激光的產(chǎn)生將在干涉計量中常用的0.6328um譜線中心頻率作單縱模運轉(zhuǎn)的氦氖激光器置于軸向磁場中，激光譜線在外磁場作用下發(fā)生塞曼分裂，并具有偏振性質(zhì)。所分成的兩條譜線的頻率間隔取決于磁場強弱。外磁場一般取0.02T較為適宜，要求盡可能均勻，相應(yīng)的譜線頻差味1.5MHz。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院65二.激光小角度干涉儀激光小角度測量原理小角度測量場采用正弦原理。將R固定，用激光干涉測長的辦法測出H，就可求得角度值。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院66激光器1發(fā)出的激光束經(jīng)分束器3分為兩路，一路沿光路a攝像角錐棱鏡2，一路沿光路b射向參考鏡4，當(dāng)棱鏡在位置Ⅰ時，沿光路a前進的光束經(jīng)角錐棱鏡轉(zhuǎn)180度后，沿光路c射向反射鏡5，然后反射，從原路返回到分光器并與從b路返回的參考光會合產(chǎn)生干涉。當(dāng)棱鏡移動位置Ⅱ時，沿光路a前進的光束由于棱鏡及平面反射鏡作用，使它們?nèi)园丛贩祷?，不產(chǎn)生光點移動，從而干涉圖像相對接受元件的位置保持不變。棱鏡在位置Ⅰ和位置Ⅱ的光程差為為什么？濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院67濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院68濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院69測量結(jié)構(gòu)的改進為了提高裝置的靈敏度，還可在對徑位置上布置兩個角錐棱鏡構(gòu)成差動式結(jié)構(gòu)。干涉儀經(jīng)過兩次光倍頻，使得每一條干涉帶相應(yīng)的程差變?yōu)椋瑫r由于可逆記錄器采用四倍頻使得每記一個數(shù)對應(yīng)長度為。若計數(shù)器數(shù)目為K，則儀器的測量范圍為±5°，在±1°內(nèi)儀器的最大誤差為±0.05“。為了擴大小角度干涉儀的量程，可采用圖6-31的裝置。由激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)移動式轉(zhuǎn)向反射鏡2反射至分光器3，一束通過五棱鏡4轉(zhuǎn)向，氣候兩束平行光分別射向兩個角錐棱鏡5，之后又會合與分光器產(chǎn)生干涉。這種裝置的測量范圍可達(dá)95°，精度可達(dá)±0.3“.濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院70光彈效應(yīng)測力計光彈效應(yīng)是一種人工雙折射，利用物質(zhì)的光彈效應(yīng)不僅可以構(gòu)成測力計，還可以用于聲、振動、位移等參數(shù)的檢測。這種檢測系統(tǒng)不僅靈敏度高，慣性小，而其工作壽命長，具有廣闊應(yīng)用前景。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院71一束單色光入射到各向異性介質(zhì)表面時，一般產(chǎn)生兩束折射光，一束總是遵守折射定律，稱為尋常光（o光），一束不遵守折射定律，稱為非常光（e光）。o光和e光都是線偏振光。且o光振動面垂直于晶體的主截面，e光的振動面在主截面內(nèi)，兩者的振動面相互垂直。是描述晶體雙折射特性的重要參數(shù)濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院72某些非晶體如透明塑料，玻璃等，在通常情況下是各向同性的，不產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象。當(dāng)它們受到外力作用是就會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，這種應(yīng)力雙折射現(xiàn)象稱為光彈效應(yīng)。當(dāng)外力除去，材料內(nèi)部處于無應(yīng)力狀態(tài)時，雙折射現(xiàn)象隨之消失，這是一種人工雙折射，或稱暫時雙折射。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院73工作原理沿ＭＮ方向有壓力或張力，則折射率在ＭＮ方向就和其他方向不同，這樣力學(xué)形變下的材料變的各項異性了。物質(zhì)的等效光軸在應(yīng)力的方向。設(shè)對應(yīng)MN方向上的偏振光的折射率為ne，對應(yīng)垂直MN方向上的偏振光的折射率為no，光彈效應(yīng)與壓強p的關(guān)系為：式中，k是物質(zhì)常數(shù)雙折射率差表征雙折射性的大小。若光波通過材料厚度為l，則獲得的光程差為沿待測外力作用方向形成的光軸與P1、P2的透振方向分別稱±45°，設(shè)由P1出射的線偏振光振幅為A0，光強為I0，通過應(yīng)力材料后沿同一路徑向右傳播的兩束正交線偏振光的振幅均為，能通過檢偏器P2的分振幅為：相應(yīng)的光強為：濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院75這兩束透射光在同一方向上振動，其位相差為式中，π是因振幅矢量A12和A22方向相反所造成的附加位相差。兩束透射光發(fā)生干涉，合成后的光強為：由透射光強I即可測知壓強p。濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院76光彈效應(yīng)測力計的基本結(jié)構(gòu)1白熾燈2聚光鏡3濾波片4減光楔5分束鏡6起偏振鏡7云母片8測力元件9檢偏振器10光電池11減光楔12光電池13檢流計濟南大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院775.3.3激光多普勒測速頻率調(diào)制：運動物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。光外差檢測：可見光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無法直接檢測多普勒頻移．因此，需要光