第七章_光電信息變換

1、 將光學(xué)信息變換為電學(xué)信息的設(shè)備或系統(tǒng)稱為光將光學(xué)信息變換為電學(xué)信息的設(shè)備或系統(tǒng)稱為光電信息變換器。電信息變換器。 光電信息變換器常由光源、光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、偏置光電信息變換器常由光源、光學(xué)系統(tǒng)、光電傳感器、偏置電路和處理電路構(gòu)成。電路和處理電路構(gòu)成。探探測(cè)測(cè)器器放放大大器器示波器示波器背景背景目標(biāo)目標(biāo)信信 號(hào)號(hào)處處 理理第七章第七章 光電信息變換光電信息變換7.1 7.1 光電信息變換的分類光電信息變換的分類 光電信息變換的分類：光電信息變換的分類： 根據(jù)根據(jù)信息載入光學(xué)信息的方式分：信息載入光學(xué)信息的方式分：信息載荷于光源的方式；信息載荷于透明體的方式；信信息載荷于光源的方式；信息載荷

2、于透明體的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于反射光的方式；信息載荷于遮擋光的方式；信息載荷于光學(xué)量化器的方式；光通信方式的信息變換。息載荷于光學(xué)量化器的方式；光通信方式的信息變換。 根據(jù)根據(jù)光電變換電路輸出信號(hào)與信息的函數(shù)關(guān)系分光電變換電路輸出信號(hào)與信息的函數(shù)關(guān)系分為模為模擬光電變換與模擬光電變換與模- -數(shù)光電變換兩類。數(shù)光電變換兩類。 1. 1. 信息載荷于光源的方式信息載荷于光源的方式 信息載荷于光源中的情況（或光學(xué)信息為光源本信息載荷于光源中的情況（或光學(xué)信息為光源本身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源的身），如光源的溫度信息，光源的頻譜信息，光源

3、的強(qiáng)度信息等。強(qiáng)度信息等。 應(yīng)用范圍：鋼水溫度的探測(cè)、光譜分析、火災(zāi)報(bào)應(yīng)用范圍：鋼水溫度的探測(cè)、光譜分析、火災(zāi)報(bào)警、武器制導(dǎo)、夜視觀察等。警、武器制導(dǎo)、夜視觀察等。 舉例：利用全輻射測(cè)溫原理測(cè)量物體溫度。舉例：利用全輻射測(cè)溫原理測(cè)量物體溫度。 物體的全輻射出射度物體的全輻射出射度M Me, e, 與物體溫度的關(guān)系為與物體溫度的關(guān)系為 Me, =Me, ，s= T4 式中式中M Me, e, ，s s為同溫度黑體的輻射出射度，為同溫度黑體的輻射出射度，為物體為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。T T為被測(cè)體的溫度，即測(cè)量的信息量。為被

4、測(cè)體的溫度，即測(cè)量的信息量。 在近距離測(cè)量時(shí)，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換在近距離測(cè)量時(shí)，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號(hào)為電路輸出的電壓信號(hào)為 式中，式中，m m為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)濾，為光學(xué)系統(tǒng)的透過(guò)濾，S S為光電為光電器件的靈敏度，器件的靈敏度，G G為變換電路的變換系數(shù)，為變換電路的變換系數(shù)，K K為放大器的放大倍數(shù)，為放大器的放大倍數(shù)，= mSGK= mSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。而而Me, =Me, ，s= T4 ,SeeUm SGKMM4SUT 表明變換電路輸出的電壓信號(hào)表明變換電路輸出的電

5、壓信號(hào)U US S是溫度是溫度T T的函數(shù)，溫度變化必的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過(guò)測(cè)量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)然引起電壓的變化。因此，通過(guò)測(cè)量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測(cè)出物體的溫度。定就能夠測(cè)出物體的溫度。 2. 2. 信息載荷于透明體的方式信息載荷于透明體的方式 利用透明體的透明度、透明密利用透明體的透明度、透明密度分布、厚度、介質(zhì)材料對(duì)光的吸度分布、厚度、介質(zhì)材料對(duì)光的吸收系數(shù)等信息測(cè)量。收系數(shù)等信息測(cè)量。 應(yīng)用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、應(yīng)用范圍：液體或氣體的透明度（或混濁度）、透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等。透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等。

6、提取信息的方法常用光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)光通量提取信息的方法常用光通過(guò)透明介質(zhì)時(shí)光通量的損耗與入射通量及材料對(duì)光吸收的規(guī)律求解。即的損耗與入射通量及材料對(duì)光吸收的規(guī)律求解。即 le0 式中式中為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的濃為透明介質(zhì)對(duì)光的吸收系數(shù)，它與介質(zhì)的濃度度C C成正比，即成正比，即=C C。顯然，。顯然，為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)為與介質(zhì)性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)。上式可改寫(xiě)為的系數(shù)。上式可改寫(xiě)為 Cle0 由上式可見(jiàn)，當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)由上式可見(jiàn)，當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)為常數(shù)時(shí)，光通量的損耗為常數(shù)時(shí)，光通量的損耗與介質(zhì)的濃度與介質(zhì)的濃度C C與介質(zhì)的厚度與介質(zhì)的厚度l l有關(guān)，采用如圖有關(guān)，采用如圖7-1(a)

7、7-1(a)所示的變換所示的變換方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓方式，變換電路的輸出信號(hào)電壓U Us s為即將變換電路的輸出信號(hào)電為即將變換電路的輸出信號(hào)電壓壓U Us s送入對(duì)數(shù)放大器后，便可以獲得與介質(zhì)的濃度送入對(duì)數(shù)放大器后，便可以獲得與介質(zhì)的濃度C C與介質(zhì)的厚度與介質(zhì)的厚度l l有關(guān)信號(hào)。有關(guān)信號(hào)。0sUCle兩邊取自然對(duì)數(shù)后兩邊取自然對(duì)數(shù)后 lnUs=lnU0Cl 測(cè)量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測(cè)透明薄膜的厚度、測(cè)量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測(cè)透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問(wèn)題。均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問(wèn)題。 Cle03. 3. 信息載荷于反射光的方式信息載荷于反射

8、光的方式 利用鏡面反射或漫反射信息進(jìn)行測(cè)量利用鏡面反射或漫反射信息進(jìn)行測(cè)量 應(yīng)用范圍：利用鏡面反射來(lái)判斷光信號(hào)有無(wú)等信應(yīng)用范圍：利用鏡面反射來(lái)判斷光信號(hào)有無(wú)等信息，如光電準(zhǔn)值儀、邁克爾孫干涉儀；測(cè)量物體的運(yùn)息，如光電準(zhǔn)值儀、邁克爾孫干涉儀；測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、相位等。漫反射主要是測(cè)量物體表動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的速度、相位等。漫反射主要是測(cè)量物體表面性質(zhì)的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵面性質(zhì)的信息，如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病。病。 在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓 US=E(r1-r2)B式中式中E E為被測(cè)表面的照度，

9、為被測(cè)表面的照度，r r1 1為正品（無(wú)疵?。┍砻娴姆瓷湎禂?shù)，為正品（無(wú)疵?。┍砻娴姆瓷湎禂?shù)，r r2 2為疵病表面的反射系數(shù)，為疵病表面的反射系數(shù)，B B為光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的為光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，面積，為光電變換系數(shù)。為光電變換系數(shù)。 當(dāng)當(dāng)E E，r r1 1和和已知時(shí)，輸出電壓已知時(shí)，輸出電壓U US S是是r r2 2和和B B的函數(shù)，因此，可的函數(shù)，因此，可以通過(guò)輸出信號(hào)電壓以通過(guò)輸出信號(hào)電壓U US S的幅度判斷表面疵病的程度和面積。的幅度判斷表面疵病的程度和面積。 4. 4. 信息載荷于遮擋光的方式信息載荷于遮擋光的方式 利用物體部分或全部遮擋入射利用物體部

10、分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過(guò)光電器光束，或以一定的速度掃過(guò)光電器件的視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。件的視場(chǎng)進(jìn)行測(cè)量。 應(yīng)用范圍：光電測(cè)微儀、光電投影顯微測(cè)量?jī)x、光應(yīng)用范圍：光電測(cè)微儀、光電投影顯微測(cè)量?jī)x、光電計(jì)數(shù)、光控開(kāi)關(guān)和主動(dòng)式防盜報(bào)警。電計(jì)數(shù)、光控開(kāi)關(guān)和主動(dòng)式防盜報(bào)警。 例如，設(shè)光電器件光敏面的寬度為例如，設(shè)光電器件光敏面的寬度為b b，高度為，高度為h h，當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度b b時(shí)，物體沿光時(shí)，物體沿光敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為l l，則物體遮擋入射，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為到光敏面上的面積變化為 A A=

11、 =b bl l變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為變換電路輸出的面積變化信號(hào)電壓為 U U= =E EA A=E bE bl l 5. 5. 信息載荷于光學(xué)量化器的方式信息載荷于光學(xué)量化器的方式 光學(xué)量化是指通過(guò)光學(xué)的光學(xué)量化是指通過(guò)光學(xué)的方法將連續(xù)變化的信息變換成方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個(gè)離散量的方法。光學(xué)量有限個(gè)離散量的方法。光學(xué)量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器主要包括光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學(xué)化器、各種干涉量化器和光學(xué)碼盤(pán)量化器等。碼盤(pán)量化器等。 應(yīng)用范圍：精密尺度測(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加應(yīng)用范圍：精密尺度測(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加工的自動(dòng)控制方面。工的自動(dòng)控制方面。

12、 長(zhǎng)度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)量化裝置（光柵、碼盤(pán)、干涉長(zhǎng)度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)量化裝置（光柵、碼盤(pán)、干涉儀等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)閮x等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)槊}沖數(shù)字信號(hào)輸出。脈沖數(shù)字信號(hào)輸出。 光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號(hào)，再送給數(shù)字電路處理或送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或運(yùn)沖數(shù)字信號(hào)，再送給數(shù)字電路處理或送給計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理或運(yùn)算。例如，將長(zhǎng)度信息量算。例如，將長(zhǎng)度信息量L L經(jīng)光學(xué)量化后形成經(jīng)光學(xué)量化后形成n n個(gè)條紋信號(hào)，量個(gè)條紋信號(hào)，量化后的長(zhǎng)度信息化后的長(zhǎng)度信息

13、L L為為 L L=q=qn n 式中，式中，q q稱為長(zhǎng)度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，稱為長(zhǎng)度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時(shí)，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時(shí)，量化單位量化單位q q等于光柵的節(jié)距，在微米量級(jí)；而采用激光干涉量等于光柵的節(jié)距，在微米量級(jí)；而采用激光干涉量化器時(shí)，化器時(shí)，q q為激光波長(zhǎng)的為激光波長(zhǎng)的1/41/4或或1/81/8，視具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)而定。，視具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)而定。6. 6. 光通信方式的信息變換光通信方式的信息變換 信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出載有各種信

14、息的光信號(hào)，發(fā)出載有各種信息的光信號(hào)，通過(guò)光纖傳送到目的地，再通通過(guò)光纖傳送到目的地，再通過(guò)解調(diào)器還原信息。廣泛用于過(guò)解調(diào)器還原信息。廣泛用于聲音和視頻圖像等信息通信中。聲音和視頻圖像等信息通信中。二、光電信息變換的類型二、光電信息變換的類型 1. 1. 模擬光電變換模擬光電變換 被測(cè)的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均被測(cè)的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時(shí)，常為光度量（通量、照度和出射度等）信息量時(shí)，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流的方式送給光電器件，光電器

15、件則以模擬電流IpIp或或電壓電壓UpUp信號(hào)的形式輸出。即輸出信號(hào)量是被測(cè)信號(hào)信號(hào)的形式輸出。即輸出信號(hào)量是被測(cè)信號(hào)量量Q Q的函數(shù)，或稱輸出信號(hào)量與被測(cè)信號(hào)量之間的的函數(shù)，或稱輸出信號(hào)量與被測(cè)信號(hào)量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系?？杀硎緸殛P(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系?？杀硎緸?Ip=f(Q)2. 2. 模模- -數(shù)光電變換數(shù)光電變換 在這類光電變換中，被測(cè)信息量在這類光電變換中，被測(cè)信息量Q Q通過(guò)光學(xué)變換量化為數(shù)字通過(guò)光學(xué)變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號(hào)和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換信息（包括光脈沖、條紋信號(hào)和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。電路輸出。 模模- -數(shù)光電變換中的光電變換電路只要

16、輸出數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”0”和和“1”1”（高、低電平）兩個(gè)狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬（高、低電平）兩個(gè)狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F F。它與被測(cè)信息量。它與被測(cè)信息量Q Q的函數(shù)關(guān)系為的函數(shù)關(guān)系為 F = f(Q)F = f(Q)7.2 7.2 光電變換電路的分類光電變換電路的分類 1 1、什么是模擬變換電路，有哪幾種常用的、什么是模擬變換電路，有哪幾種常用的電路，各自的功能

17、及優(yōu)缺點(diǎn)是什么？電路，各自的功能及優(yōu)缺點(diǎn)是什么？2 2、什么是模、什么是模- -數(shù)變換電路，有哪幾種常用的數(shù)變換電路，有哪幾種常用的電路，各自的功能及優(yōu)缺點(diǎn)是什么？電路，各自的功能及優(yōu)缺點(diǎn)是什么？一、長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換一、長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換 7.3 7.3 幾何光學(xué)法的光電信息變換幾何光學(xué)法的光電信息變換1. 1. 投影放大法投影放大法投影放大測(cè)量方法的原理很簡(jiǎn)單，就是測(cè)得像，通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)的放大倍數(shù)，得到被測(cè)物的尺寸。/yy 對(duì)像的測(cè)量方法有兩種：對(duì)像的測(cè)量方法有兩種： 用投影屏上的十字線或米字刻線對(duì)工件被用投影屏上的十字線或米字刻線對(duì)工件被測(cè)部位的輪廓邊緣分別進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)工作測(cè)

18、部位的輪廓邊緣分別進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，通過(guò)工作臺(tái)的移動(dòng)在讀數(shù)機(jī)構(gòu)上測(cè)得工件的尺寸；臺(tái)的移動(dòng)在讀數(shù)機(jī)構(gòu)上測(cè)得工件的尺寸；另一種是在投影屏上放大的影像與標(biāo)準(zhǔn)圖另一種是在投影屏上放大的影像與標(biāo)準(zhǔn)圖樣（工件的公差帶）比較，檢驗(yàn)工件是否樣（工件的公差帶）比較，檢驗(yàn)工件是否合格。合格。2. 2. 激光三角法激光三角法 隨著半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)等發(fā)展，三角隨著半導(dǎo)體技術(shù)、光電子技術(shù)等發(fā)展，三角法測(cè)試技術(shù)在位移、物體表面形態(tài)和質(zhì)量測(cè)試應(yīng)法測(cè)試技術(shù)在位移、物體表面形態(tài)和質(zhì)量測(cè)試應(yīng)用多，其原理如下：用多，其原理如下：cossinxbaxx11212cossin()cos()axxbxtanzbtanfxfzbx 三角法測(cè)

19、量精度影響因素：三角法測(cè)量精度影響因素：內(nèi)因內(nèi)因像差、光點(diǎn)大小和形狀、探測(cè)器的固有位像差、光點(diǎn)大小和形狀、探測(cè)器的固有位置檢測(cè)不確定度和分辨力，探測(cè)器的暗電流、外置檢測(cè)不確定度和分辨力，探測(cè)器的暗電流、外界雜散光、電路噪聲、溫度漂移界雜散光、電路噪聲、溫度漂移外因外因被測(cè)表面傾斜、光澤、粗糙度、顏色等，被測(cè)表面傾斜、光澤、粗糙度、顏色等，解決方法：實(shí)驗(yàn)標(biāo)定解決方法：實(shí)驗(yàn)標(biāo)定產(chǎn)品有：產(chǎn)品有：日本日本KeyenceKeyence，ReinshawReinshaw公司公司OP2OP2，美國(guó)，美國(guó)MEDARMEDAR公司的公司的21012101型型3.3.光學(xué)靈敏杠桿法光學(xué)靈敏杠桿法 用來(lái)測(cè)量微小長(zhǎng)度

20、用來(lái)測(cè)量微小長(zhǎng)度（或長(zhǎng)度改變量）（或長(zhǎng)度改變量）4.4.激光掃描法激光掃描法 這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測(cè)這種方法是利用掃描光束周期性地照明被測(cè)物體，在物體邊緣上形成強(qiáng)對(duì)比度隨時(shí)間周期性物體，在物體邊緣上形成強(qiáng)對(duì)比度隨時(shí)間周期性變化的光分布，通過(guò)測(cè)量通光與遮光的時(shí)間差進(jìn)變化的光分布，通過(guò)測(cè)量通光與遮光的時(shí)間差進(jìn)行測(cè)長(zhǎng)。行測(cè)長(zhǎng)。 將物體位移量變換成光電信號(hào)，以將物體位移量變換成光電信號(hào)，以便進(jìn)行非接觸測(cè)量，是工業(yè)和計(jì)量檢測(cè)便進(jìn)行非接觸測(cè)量，是工業(yè)和計(jì)量檢測(cè)中的重要工作。中的重要工作。 采用線、面陣采用線、面陣CCDCCD圖像傳感器、圖像傳感器、CMOSCMOS圖圖像傳感器、像傳感器、P

21、SDPSD位置傳感器等與成像物鏡位置傳感器等與成像物鏡配合，很容易構(gòu)成被測(cè)物像的位移信息變配合，很容易構(gòu)成被測(cè)物像的位移信息變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)周期和頻率等參數(shù)的測(cè)量。振動(dòng)周期和頻率等參數(shù)的測(cè)量。二、位移信息的光電變換二、位移信息的光電變換 在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴(yán)格的幾何關(guān)系，被在成像系統(tǒng)中，物像之間有嚴(yán)格的幾何關(guān)系，被測(cè)物體離開(kāi)理想物面時(shí)就會(huì)引起像面上的光照度分布測(cè)物體離開(kāi)理想物面時(shí)就會(huì)引起像面上的光照度分布的變化，利用這種現(xiàn)象可以測(cè)量軸向位移。的變化，利用這種現(xiàn)象可以測(cè)量軸向位移。 光焦點(diǎn)法光焦點(diǎn)法：以聚焦光：以聚焦光斑光密度分

22、布的集中斑光密度分布的集中程度來(lái)判斷物體軸向程度來(lái)判斷物體軸向位移的方法。位移的方法。1.1.像點(diǎn)軸上偏移檢測(cè)的光焦點(diǎn)法像點(diǎn)軸上偏移檢測(cè)的光焦點(diǎn)法02/ ZfZZ 像偏移法又叫光切法。它是一種三角測(cè)量方式的軸像偏移法又叫光切法。它是一種三角測(cè)量方式的軸向位移測(cè)量方法。向位移測(cè)量方法。2.2.像點(diǎn)軸外偏移檢測(cè)的像偏移法像點(diǎn)軸外偏移檢測(cè)的像偏移法Az 將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過(guò)程稱為速度變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過(guò)程稱為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電

23、變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開(kāi)關(guān)）、方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開(kāi)關(guān)）、旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光電變換即簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換。電變換即簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換。 7.3.37.3.3、速度信息的光電變換、速度信息的光電變換 利用光電開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同利用光電開(kāi)關(guān)可以實(shí)現(xiàn)速度信息的光電轉(zhuǎn)換。同時(shí)，光電開(kāi)關(guān)是一種簡(jiǎn)單的編碼器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控時(shí)，光電開(kāi)關(guān)是一種簡(jiǎn)單的編碼器，可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和自動(dòng)檢測(cè)。制和自動(dòng)檢測(cè)。1.1.光電耦合器件（光電開(kāi)關(guān)）測(cè)速光電耦合器件（光電開(kāi)關(guān)）測(cè)速2.2.光

24、電耦合器件（光電開(kāi)關(guān)）測(cè)速光電耦合器件（光電開(kāi)關(guān)）測(cè)速頻閃效應(yīng)：頻閃效應(yīng)：依據(jù)人眼的視覺(jué)暫存效應(yīng)，物消失后的一依據(jù)人眼的視覺(jué)暫存效應(yīng)，物消失后的一定時(shí)間內(nèi)，人眼視網(wǎng)膜能在一段時(shí)間內(nèi)保持視覺(jué)印象，定時(shí)間內(nèi)，人眼視網(wǎng)膜能在一段時(shí)間內(nèi)保持視覺(jué)印象，大維時(shí)間為大維時(shí)間為1/201/5s1/201/5s。測(cè)量原理：測(cè)量原理：用一個(gè)可調(diào)頻率的閃光燈照射頻閃盤(pán)時(shí)，用一個(gè)可調(diào)頻率的閃光燈照射頻閃盤(pán)時(shí)，在閃光頻率與頻閃盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同時(shí)頻閃盤(pán)在某一位在閃光頻率與頻閃盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率相同時(shí)頻閃盤(pán)在某一位置燈恰好閃亮，使人眼清晰地看到頻閃像在同一位置置燈恰好閃亮，使人眼清晰地看到頻閃像在同一位置靜止不動(dòng)，閃光頻率乘以靜止不

25、動(dòng)，閃光頻率乘以6060即為頻閃盤(pán)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。即為頻閃盤(pán)每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)。7.5 7.5 時(shí)變光電信息的調(diào)制時(shí)變光電信息的調(diào)制n調(diào)制的基本原理與類型調(diào)制的基本原理與類型n信號(hào)的調(diào)制信號(hào)的調(diào)制n調(diào)制信號(hào)的解調(diào)調(diào)制信號(hào)的解調(diào)7.5.1 調(diào)制的基本原理與類型n1. 載波與調(diào)制載波與調(diào)制載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載波：在光電信息系統(tǒng)中，光通量為信息的載體，稱為載波。載體，稱為載波。調(diào)制：使光載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)調(diào)制：使光載波信號(hào)的一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢按被傳送信息的特征變化，以實(shí)現(xiàn)信息檢測(cè)傳送目的的方法稱為調(diào)制。測(cè)傳送目的的方法稱為調(diào)制。解調(diào)：從已調(diào)制

26、信號(hào)中分離并提取出有用的解調(diào)：從已調(diào)制信號(hào)中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過(guò)程稱為解調(diào)。信息，即恢復(fù)原始信息的過(guò)程稱為解調(diào)。n1. 1. 光電信息調(diào)制的分類光電信息調(diào)制的分類（1 1）按時(shí)空狀態(tài)分：）按時(shí)空狀態(tài)分：時(shí)間調(diào)制：載波隨時(shí)間和信息變化。時(shí)間調(diào)制：載波隨時(shí)間和信息變化?？臻g調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。息規(guī)律調(diào)制。時(shí)空混合調(diào)制：載波隨時(shí)間、空間和信息時(shí)空混合調(diào)制：載波隨時(shí)間、空間和信息同時(shí)變化。同時(shí)變化。（2 2）按載波波形和調(diào)制方式分類：）按載波波形和調(diào)制方式分類：直流載波調(diào)制：不隨時(shí)間而只隨信息變化的調(diào)制。直流載波調(diào)制：不

27、隨時(shí)間而只隨信息變化的調(diào)制。交變載波調(diào)制：載波隨時(shí)間周期變化的調(diào)制。交變載波調(diào)制：載波隨時(shí)間周期變化的調(diào)制。交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：交變載波又分為連續(xù)載波和脈沖載波方式：連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)輻波、調(diào)頻波、調(diào)相波；連續(xù)載波調(diào)制方式包括調(diào)輻波、調(diào)頻波、調(diào)相波；脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。脈沖載波調(diào)制方式包括脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。3. 3. 典型的調(diào)制方法典型的調(diào)制方法 (1) 連續(xù)波調(diào)制 連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式，用下列函數(shù)描述 ttmsin)(0 式中0為光通量的直流分量，一般不載荷任何信息；m和為載波交變分量的振幅和頻率。 V（t）為由被測(cè)信息決定的調(diào)

28、制函數(shù) 一般情況下，調(diào)制后的載波信號(hào)的形式為一般情況下，調(diào)制后的載波信號(hào)的形式為 )()()(sin()(0tVttVtVtm 振幅調(diào)制 光載波信號(hào)的幅度瞬時(shí)值隨調(diào)制信息成比例變化，而頻率、相位保持不變的調(diào)制方法稱幅度調(diào)制或調(diào)幅。此時(shí)式中的 為 mmtmVtV)(1 )(則被調(diào)之后的載波信號(hào)可變成 ttmVtmsin)(1 )(0式中V（t）是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；m是調(diào)制度或調(diào)制深度，表示V（t）對(duì)載波幅度的調(diào)制能力，并且 1載波幅度化被調(diào)制波的最大幅度變mmm)( tVmttVsin 如圖如圖7-487-48（a a）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送）所示為按單一諧波規(guī)律變化的被傳送信息信息 ，

29、式中，式中， 為被測(cè)信息的為被測(cè)信息的諧波角頻率；諧波角頻率；F F、為相應(yīng)的頻率和初相位。圖為相應(yīng)的頻率和初相位。圖7-487-48（b b）所示為正弦載波。當(dāng)被傳送信息所示為正弦載波。當(dāng)被傳送信息 的初的初始相位始相位=0=0時(shí)，被調(diào)制的載波信號(hào)為時(shí)，被調(diào)制的載波信號(hào)為 ttVsinF2 ttmtmsinsin10載波信號(hào)按三角函數(shù)展開(kāi)載波信號(hào)按三角函數(shù)展開(kāi) ttmttmmcoscos21sin0從上式可以看出正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號(hào)除了零頻率從上式可以看出正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號(hào)除了零頻率分量外還包含有三個(gè)諧波分量，即以分量外還包含有三個(gè)諧波分量，即以f f0 0為中心頻率的為中心頻率的基頻

30、和基波振幅之半、頻率分別為（基頻和基波振幅之半、頻率分別為（f f0 0+ +F F0 0）、（）、（f f0 0- -F F0 0）的兩個(gè)分量。）的兩個(gè)分量。 對(duì)于頻譜分布在對(duì)于頻譜分布在F F0 0 F F（=2=2F F0 0）范圍內(nèi)的任意函）范圍內(nèi)的任意函數(shù)數(shù)V V( (t t) ) ，所對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率，所對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率f f0 0為中心為中心的一系列邊頻組成，分別為的一系列邊頻組成，分別為f f0 0 F F1 1；f f0 0 F F2 2；f f0 0 F F。式中式中F F1 1，F(xiàn) F2 2均為均為F F內(nèi)的頻譜分量；頻譜圖如圖內(nèi)的頻譜分量；頻

31、譜圖如圖7-7-48(e)48(e)所示。若調(diào)制信號(hào)具有連續(xù)的帶寬所示。若調(diào)制信號(hào)具有連續(xù)的帶寬F Fmaxmax，則調(diào)幅波，則調(diào)幅波的頻帶是的頻帶是f f0 0 F Fmaxmax，帶寬為，帶寬為B Bm m=2=2 F Fmaxmax，其中，其中F Fmamax x是調(diào)制信號(hào)是調(diào)制信號(hào)的最高頻率。的最高頻率。 調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測(cè)通道帶寬的依據(jù)。如若載波頻率為f0=10 kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為F0500Hz，則調(diào)幅后的載波頻譜分布在fL（100.5）kHz9.5kHz和fH（100.5）kHz10.5kHz之間，也就是調(diào)幅波的帶寬為Bm=1kHz。因此，檢測(cè)通道的帶寬滿足Bm的要求，對(duì)

32、帶寬外的信號(hào)進(jìn)行有選擇地濾波，以便減少噪聲和干擾，有利于提高信噪比。 被調(diào)制后的載波中的調(diào)制項(xiàng)為被調(diào)制后的載波中的調(diào)制項(xiàng)為 tVtV0式中式中V V（t t）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定）為調(diào)制函數(shù)，規(guī)定 ； 是載波頻是載波頻率相對(duì)于中心頻率率相對(duì)于中心頻率f f 的最大頻率偏差，簡(jiǎn)稱頻偏。的最大頻率偏差，簡(jiǎn)稱頻偏。 1)(tV2f若有余弦調(diào)制函數(shù)的情況，即若有余弦調(diào)制函數(shù)的情況，即 ， ttVcos 頻率調(diào)制頻率調(diào)制是一種以載波的瞬時(shí)頻率變化來(lái)表示信是一種以載波的瞬時(shí)頻率變化來(lái)表示信息的調(diào)制方式，通過(guò)利用載波的不同頻率來(lái)表達(dá)不同的息的調(diào)制方式，通過(guò)利用載波的不同頻率來(lái)表達(dá)不同的信息。信息。 頻率調(diào)制頻率

33、調(diào)制式中式中 為調(diào)制角頻率。為調(diào)制角頻率。F2 sinsin00tmttfm sinsincossincossin000tmttmttffm（7-84） 00000sin =sinmtmtV t ttV t dt式中式中 為頻率調(diào)制指數(shù)。為頻率調(diào)制指數(shù)。 為偏頻，為偏頻，F(xiàn) F為調(diào)制頻率。為調(diào)制頻率。 m m 表示單位調(diào)制頻率引起偏頻變化的大小。表示單位調(diào)制頻率引起偏頻變化的大小。 在設(shè)計(jì)時(shí)在設(shè)計(jì)時(shí)確定。確定。 Ffmfffm在窄帶調(diào)頻的情況下，在窄帶調(diào)頻的情況下， sinsincossincossin000tmttmttffm1sincostmftmtmffsinsinsin，帶入上式可得：

34、帶入上式可得： tmtttfmsincossin000ttmtmfm0000sinsin21sin頻譜的基波頻率為頻譜的基波頻率為 ，組合頻率為，組合頻率為 和和 。 000一般情況下，調(diào)制信號(hào)形式比較復(fù)雜時(shí)，頻譜一般情況下，調(diào)制信號(hào)形式比較復(fù)雜時(shí)，頻譜是以載波頻率為中心的一個(gè)帶寬域，帶寬因是以載波頻率為中心的一個(gè)帶寬域，帶寬因 而異。窄帶調(diào)頻時(shí)的帶寬為而異。窄帶調(diào)頻時(shí)的帶寬為 ，寬帶，寬帶調(diào)頻時(shí)的帶寬為調(diào)頻時(shí)的帶寬為 。例如，對(duì)。例如，對(duì)光通量調(diào)頻，若光通量調(diào)頻，若F=300HzF=300Hz，則當(dāng)，則當(dāng) fmFBf2FmFfBff122kHzmf6 .2440fBkHzmf34fB4 .

35、0fBkHzmf86. 0 相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號(hào)的變相位調(diào)制為載波的相位角隨著調(diào)制信號(hào)的變化而變化的調(diào)制。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都化而變化的調(diào)制。調(diào)頻和調(diào)相兩種調(diào)制波最終都表現(xiàn)為總相角的變化。表現(xiàn)為總相角的變化。 cmtktttsin則調(diào)相波可寫(xiě)為則調(diào)相波可寫(xiě)為 cmmmtkttVttsinsinsin00式中式中 為相位比例系數(shù)，為相位比例系數(shù)，c c為相位角。為相位角。 k 相位調(diào)制相位調(diào)制是調(diào)制信號(hào)的相位角隨調(diào)制信號(hào)的變化規(guī)律而變化，調(diào)相波的總相位角為 以上幾種調(diào)制方式所得到的以上幾種調(diào)制方式所得到的調(diào)制波都是連續(xù)振蕩波稱為調(diào)制波都是連續(xù)振蕩波稱為模模擬調(diào)制。擬調(diào)制。目前

36、，廣泛地采用不目前，廣泛地采用不連續(xù)狀態(tài)的脈沖調(diào)制和數(shù)字式連續(xù)狀態(tài)的脈沖調(diào)制和數(shù)字式調(diào)制（編碼調(diào)制）。調(diào)制（編碼調(diào)制）。 如將直流信號(hào)用間歇通斷的如將直流信號(hào)用間歇通斷的方法方法(2) 2) 脈沖調(diào)制脈沖調(diào)制 編碼調(diào)制把模擬信號(hào)先變成序列脈沖，再變編碼調(diào)制把模擬信號(hào)先變成序列脈沖，再變成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，然后對(duì)載波進(jìn)行成代表信號(hào)信息的二進(jìn)制編碼，然后對(duì)載波進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制。編碼調(diào)制，包含三個(gè)過(guò)程，即：強(qiáng)度調(diào)制。編碼調(diào)制，包含三個(gè)過(guò)程，即：采樣、量化采樣、量化和和編碼編碼。 (3) (3) 編碼調(diào)制編碼調(diào)制 將連續(xù)信號(hào)分割成不連續(xù)脈沖的過(guò)程稱為將連續(xù)信號(hào)分割成不連續(xù)脈沖的過(guò)程稱為采樣，序列脈

37、沖的幅度與信號(hào)的幅度相對(duì)應(yīng)。根采樣，序列脈沖的幅度與信號(hào)的幅度相對(duì)應(yīng)。根據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號(hào)的最高據(jù)采樣定理，只要采樣頻率比所傳遞信號(hào)的最高頻率大兩倍以上，就能夠恢復(fù)原信號(hào)。頻率大兩倍以上，就能夠恢復(fù)原信號(hào)。 將采樣后的調(diào)幅脈沖進(jìn)行分級(jí)、取將采樣后的調(diào)幅脈沖進(jìn)行分級(jí)、取“整整”處理的過(guò)程稱為量化，它用有限個(gè)數(shù)代表采樣值處理的過(guò)程稱為量化，它用有限個(gè)數(shù)代表采樣值的大小。的大小。 將量化后的數(shù)字信號(hào)變換成相應(yīng)的二進(jìn)制將量化后的數(shù)字信號(hào)變換成相應(yīng)的二進(jìn)制碼的過(guò)程稱為編碼。編碼調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗碼的過(guò)程稱為編碼。編碼調(diào)制方式具有很強(qiáng)的抗干擾能力，在數(shù)字通信中得到廣泛的應(yīng)用。干擾能力，

38、在數(shù)字通信中得到廣泛的應(yīng)用。 (4) (4) 其它參量調(diào)制其它參量調(diào)制 能夠表征光波的幾何或物理特性的參能夠表征光波的幾何或物理特性的參量除量除光強(qiáng)光強(qiáng)、變化頻率變化頻率和和相位相位之外還有許多之外還有許多其他的參量，比如光傳輸中其他的參量，比如光傳輸中偏振方向偏振方向和和傳傳播方向等播方向等，這些參量也能作為調(diào)制的對(duì)象，這些參量也能作為調(diào)制的對(duì)象，用來(lái)傳送有用的信息。用來(lái)傳送有用的信息。 7.5.2 7.5.2 信號(hào)的調(diào)制信號(hào)的調(diào)制n直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）直接調(diào)制（內(nèi)調(diào)制）n外調(diào)制（調(diào)制器完成）外調(diào)制（調(diào)制器完成）1. 1. 機(jī)電調(diào)制器機(jī)電調(diào)制器2. 2. 光控調(diào)制器光控調(diào)制器3. 3. 輻射源

39、調(diào)制器輻射源調(diào)制器調(diào)制器分為：調(diào)制器分為：7.5.3 7.5.3 調(diào)制信號(hào)的解調(diào)調(diào)制信號(hào)的解調(diào) 從已調(diào)制信號(hào)中從已調(diào)制信號(hào)中分離分離出有用信息的過(guò)程稱為解出有用信息的過(guò)程稱為解調(diào)，所以也稱作檢波，是信號(hào)調(diào)制的相反過(guò)程。實(shí)調(diào)，所以也稱作檢波，是信號(hào)調(diào)制的相反過(guò)程。實(shí)現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。現(xiàn)解調(diào)作用的裝置是解調(diào)器。 不同的調(diào)制信號(hào)有不同的解調(diào)方法。下面介不同的調(diào)制信號(hào)有不同的解調(diào)方法。下面介紹調(diào)幅波解調(diào)的直線律檢波和相位調(diào)制波的解調(diào)紹調(diào)幅波解調(diào)的直線律檢波和相位調(diào)制波的解調(diào)器器相敏檢波。相敏檢波。 1 1直線律檢波直線律檢波(1)(1)二極管的檢波特性二極管的檢波特性 當(dāng)如圖所示的調(diào)幅波當(dāng)如圖

40、所示的調(diào)幅波U Uinin送入到檢波送入到檢波電路輸入端時(shí)，經(jīng)二極管檢波器輸出如電路輸入端時(shí)，經(jīng)二極管檢波器輸出如圖所示的半波整流信號(hào)。即半波整流的圖所示的半波整流信號(hào)。即半波整流的輸出電壓為輸出電壓為 000inininoUUUKUD 假設(shè)按正弦規(guī)律調(diào)幅的光載波信假設(shè)按正弦規(guī)律調(diào)幅的光載波信號(hào)經(jīng)光電變換及隔直處理后具有下列號(hào)經(jīng)光電變換及隔直處理后具有下列形式形式 ttmUisinsin1）（式中式中m m為調(diào)制度；為調(diào)制度；為調(diào)制頻率；為調(diào)制頻率；為為載波頻率。并用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，得載波頻率。并用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)，得 12)2sin(2)2sin(22cos141sin12nDotnmtnmtnntmKU）