第4章 光電信息技術1

第四章光電信息技術應用

第四章光電信息技術應用§4.1光電檢測§4.2.光電控制§4.3光纖通信§4.4光纖傳感器§4.5光電信息技術其它應用

1第三章光電信息轉換§4.1光電檢測

§4.1光電檢測

§4.1.1光電檢測基本方法§4.1.2幾何量檢測§4.1.3機械量檢測§4.1.4溫度檢測§4.1.5機器人視覺系統(tǒng)2第三章光電信息轉換§4.1.1光電檢測基本方法

§4.1.1光電檢測基本方法

光電傳感器由光源、光學系統(tǒng)和光電信息轉換器件三部分組成。光電傳感器可以分為以下三種：

1、直射型2、反射型3、輻射型

根據(jù)檢測原理光電檢測的基本方法有直接作用法、差動法、補償法和脈沖法等

3第三章光電信息轉換

一．

直接作用法§4.1.1光電檢測基本方法

4第三章光電信息轉換

二．

差動法§4.1.1光電檢測基本方法

5第三章光電信息轉換

1．調整：

放入標準工件的尺寸，調整光楔，使φ1＝φ2，使μA表讀數(shù)為“0”，

2．測量：

當工件尺寸無誤差時，使φ1＝φ2，光電傳感器輸出U無交變分量，見圖4.1.1－3；當工件尺寸變小時，φ1>φ2，光電傳感器輸出U有交變分量，幅值取決于φ1與φ2之差，U＝S(φ1-φ2)=SΔφ。

§4.1.1光電檢測基本方法

6第三章光電信息轉換

當工件尺寸變大時，φ1<φ2，光電傳感器輸出U有交變分量，幅值取決于φ1與φ2之差，U＝S(φ1-φ2)=－SΔφ?！?.1.1光電檢測基本方法

7第三章光電信息轉換3．結論：

1〕測量值的大小決定于u的幅值，測量值的正負決定于u的相位，可通過相敏檢波器得到。2〕雙光路測量可以消除雜散光、光源波動、溫度變化和電源電壓波動帶來的測量誤差，測量精度和靈敏度大大提高。4．相敏檢波器(PSD)理論§4.1.1光電檢測基本方法

8第三章光電信息轉換

三、補償法

用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化,補償器的可動元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出補償量值,補償值的大小反映了被測量變化的大小.

四．

脈沖測量法

受被測量控制的光通量轉換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反映了被測量的大小。

1．

脈寬法測長§4.1.1光電檢測基本方法

9第三章光電信息轉換

圖4.1.1－8給出了脈寬法測長的原理。被測物L在傳送帶上以速度v前進，光電傳感器將物體的長度L轉換成脈寬來開啟門電路，計數(shù)器將計下與脈寬對應的高頻脈沖數(shù)N，則

L＝vt＝vkN＝KN

2．

相位法測距

§4.1.1光電檢測基本方法

10第三章光電信息轉換

3．

頻率法測速

圖4.1.1－10是測速的原理框圖。設m為發(fā)射片數(shù)，n為每分鐘轉速，則f=nm/60=N/tn=60N/（mt）

只要控制在一定的時間t內計數(shù)N，就可計算得到輪子的轉速。

§4.1.1光電檢測基本方法

11第三章光電信息轉換§4.1.2幾何量檢測

§4.1.2幾何量檢測

一．光電測距

1．脈沖激光測距

脈沖激光測距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對集中的優(yōu)點。同時還利用了激光脈沖持續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中的特點。因此瞬時功率很大，—般可達兆瓦級。由于上述兩點，脈沖激光測距在有反射器的情況下(見圖4.1.2－2，在2處裝有反射器)，可以達到極遠的測程；進行近距離(幾公里)測量時，如果測量精度要求不高，那末不必使用反射器，12第三章光電信息轉換§4.1.2幾何量檢測

利用被測目標對脈沖激光的反射取得反射信號，也可以進行測距。

13第三章光電信息轉換

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測的。如果在1處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從1處到達2處再返回1處所需要的時間t，則

D=ct/2

式中c為光的傳播速度。

§4.1.2幾何量檢測

脈沖激光測距的工作原理見圖4.1.2－1。14第三章光電信息轉換

它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路等組成.

§4.1.2幾何量檢測

脈沖激光測距的方框圖見圖4.1.2－2。15第三章光電信息轉換

由光電器件5得到的電脈沖，經(jīng)放大器7以后，輸出一定形狀的負脈沖至控制電路8。由參考信號產(chǎn)生的負脈沖A(圖4.1.2－3(d))經(jīng)控制電路8去打開電子門12。這時振蕩頻率一定的時鐘振蕩器11產(chǎn)生的時鐘脈沖，可以通過電子門12進入計數(shù)顯示電路13，計時開始。§4.1.2幾何量檢測

16第三章光電信息轉換

當反射回來經(jīng)整形后的測距信號B到來時，關閉電子門12，計時停止。計數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖4.1.2－3(g)所示。從計時開始到計時停止的時間正比于參考信號與測距信號之間的時間。2．相位測距法

測距用的調制光波形如圖4.1.2—5所示，若其調制頻率為f，光速為c，則波長λ可由下式求出

λ=c/f§4.1.2幾何量檢測

17第三章光電信息轉換

如果設光波從A到B點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為φ，則由圖4.1.2—6看出，φ可由2π的倍數(shù)來表示：φ＝M·2π十Δφ=(M十Δm)2π

式中M——零或正整數(shù)；

Δm——是個小數(shù)，

Δm＝Δφ/2π§4.1.2幾何量檢測

18第三章光電信息轉換

從圖4.1.2—5可看出，光波每前進一個波長λ，相當于相位變化了2π，因此距離D可表示如下：

D＝λ(M十Δm)

由上分析可知，如果測得光波相位移φ中2π的整數(shù)和小數(shù)，就可以確定出被測距離值，所以調制光波可以被認為是一把“光尺”，其波長λ就是相位式激光測距儀的“測尺”長度。圖4.1.2—6說明了光波在距離D上往返后的相位變化。為了便于理解，假設測距儀的接收系統(tǒng)置于A'(實際上測距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在A點)，§4.1.2幾何量檢測

19第三章光電信息轉換并且AB=BA',AA'=2D。則

2D=λ(N+Δn)

或

D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)式中N——零或正整數(shù)，為波長λ或相位2π的倍數(shù)；

Δn—-是個小數(shù),Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；

L——稱它為測尺長度，Ls＝λ/2

當距離D大于測尺長度L時，僅用一把“光尺”是無法測定距離的。但當距離D小于測尺長度L，即N等于零時，式上變?yōu)?/p>

D＝LsΔn＝LsΔφ/2π§4.1.2幾何量檢測

20第三章光電信息轉換

以上分析說明，用一組測尺共同對距離D進行測量就可以解決距離的多值解，其實質是解決了測距儀高精度和長測程的矛盾。在這組測尺中，最短的測尺保證了必要的測距精度，而較長的測尺則保證了儀器所必要的測程。二.直徑的光電檢測

1.大直徑的測量圖4.1.2—7示出雙光路測徑裝置的原理圖。

§4.1.2幾何量檢測

21第三章光電信息轉換§4.1.2幾何量檢測

22第三章光電信息轉換

下面按標準直徑為D0、大于或小于D0三種情況討論。（a）被測件12為標準直徑D0

(b)

被測件的直徑小于D0。(c)

被測件的直徑大于D0

§4.1.2幾何量檢測

23第三章光電信息轉換

2.小直徑的測量

如圖4.1.2-9(a)所示,當用激光器1或平行光照射細絲2時，在其后面相距較遠的屏幕3上便能獲得夫瑯和費衍射圖像，o點最亮，被測細絲2的直徑d可按下式計算：

d＝λL/s

圖4.1.2-9(b)示出測量細絲直徑的原理圖。

§4.1.2幾何量檢測

24第三章光電信息轉換

三.

光電測長

激光光波比長儀實質上就是一個以激光器作光源的干涉儀，其簡化結構如圖4.1.2－10，光源1是一臺單模穩(wěn)頻的氦—氖氣體激光器，它發(fā)出的激光到達干涉儀中的半透半反鏡M后，被分成兩光束A和B。這兩束光分別經(jīng)全反射鏡MA和MB反射后，匯合到光電倍增管3上。這兩束光所走過的光程(路程)是不同的，因此產(chǎn)生干涉若把反射鏡MA固定，則光束A的光程不變。鏡MB固定在可移動的平臺8上，它與待測物體7一起移動，這樣就改變了光束B的光程。當平臺移動半個波長(λ／2)時，光束B往返的光程改變了1λ，于涉§4.1.2幾何量檢測

25第三章光電信息轉換條紋變化一周期。平臺連續(xù)移動，干涉條紋將明暗交替變化，這種明暗變化被光電倍增管3所接收，并轉換為電量的變化，再經(jīng)過計數(shù)電路4，將干涉條紋的變化數(shù)記錄下來。這時待測物體的長度可按下式計算而得

l＝N·λ/2

式中l(wèi)——待測物體的長度；

λ——光的波長；

N——計數(shù)器測得的脈沖數(shù)。?！?.1.2幾何量檢測

26第三章光電信息轉換§4.1.3機械量檢測

§4.1.3機械量檢測

一．速度的光電檢測

1．多普勒效應

光電測速利用多普勒效應的原理。聲波的多普勒效應是人們所熟悉的?；疖國Q笛通過，開來時聲音尖叫，離去時聲音低沉，這就是聲波的多普勒效應。光波也有類似的現(xiàn)象，當光源和光接收器之間存在相對運動時，光接收器接收到的就不是光源發(fā)出的頻率。27第三章光電信息轉換

以V表示光源S對于觀察者P的相對運動速度，以a表示相對速度方向和光速進行方向(即光源到觀察者的方向)的夾角(圖4.1.3－1)。由于多普勒效應，觀察者P接收到的光波頻率f可表示為:式中

f0——光源發(fā)出的原頻率，

c＝c0/n是光在介質中的光速，其中c0是真空中的光速，n是介質的折射率。多普勒頻移Δf為§4.1.3機械量檢測

28第三章光電信息轉換2．利用多普勒效應測量固體的運動速度

使用激光測速儀可以測量板、線、管材等的速度。原理見圖4.1.3－2。

可得在P'點接收的光頻為：

§4.1.3機械量檢測

29第三章光電信息轉換多普勒頻移Δf為：上式整理后可得物體的運動速度

式中

λ0=c/f0

。由上式可知，如果激光波長λ0已知，光電接受方向選定后，只要測出頻差Δf，即可得到物體的運動速度?！?.1.3機械量檢測

30第三章光電信息轉換

一．

機械振動的光電檢測

1.光電測振的原理

圖4.1.3－4(a)示出測量旋轉體或旋轉軸振動的原理。

當旋轉體振動時使一個光電器件上的電流增大，另一個光電器件上的電流減小，其原理示于圖4.1.3－4(b)。

§4.1.3機械量檢測

31第三章光電信息轉換2.用PSD測量旋轉軸的振動

用PSD測量旋轉軸振動的原理示意圖如圖4.1.3－5。§4.1.3機械量檢測

32第三章光電信息轉換§4.1.4溫度檢測

§4.1.4溫度檢測

一．工作原理

根據(jù)斯蒂芬－波茲曼定律。物體在單位時間內單位面積上，波長從0－所輻射的總能量為

E＝T4

式中，為黑體系數(shù)，對應黑體＝1，其它物體<1，為常數(shù)，數(shù)值等于5.668610-12w·cm-2·k-4。

因此，只要測出部分輻射能量E'，就可得到物體的溫度T。

33第三章光電信息轉換溫度直接測量法的原理框圖如圖4.1.4－1所示。

二．

部分輻射光電高溫計

1．

原理采用光電信息轉換器件對部分輻射進行敏感測量，采用補償法。

§4.1.4溫度檢測

34第三章光電信息轉換

2.結構結構框圖如圖4.1.4－2所示。圖中，由熱體輻射的能量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調制盤上，

§4.1.4溫度檢測

35第三章光電信息轉換調制盤結構如圖4.1.4－3所示，φ1為熱體輻射的光通量，φ2是參考光通量，調整可變電阻R可改變φ2的光通量。由調制盤的結構可知，φ1和φ2交替照射在光敏電阻上，光敏電阻輸出U的波形如圖4.1.4－4.§4.1.4溫度檢測

36第三章光電信息轉換

一．

光電比色溫度計

1．

原理

對應于黑體，則有維恩公式可推得：

或

對于非黑體來說，根據(jù)兩個輻射強度的比值所求得是所謂的比色溫度Tc。比色溫度Tc和實際溫度T有如下關系：

§4.1.4溫度檢測

37第三章光電信息轉換

式中，ελ1和ελ2是物體的黑度系數(shù)，對于灰體來說，ελ1ελ21，即比色溫度與真實溫度是一致的。因此，比色溫度的概念是對兩個波長引入的，而實際上為兩個波段，利用光電器件和適當電路，測量兩個光波段內輻射能量的比值，經(jīng)過一定的關系運算后就可得到被測溫度。兩個波段的選擇，在實用中，對于高溫測量，由于輻射能量足夠大，可將波段選得盡量窄而且靠近，對于低溫測量，輻射能量較小，可選兩個較寬、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?！?.1.4溫度檢測

38第三章光電信息轉換

3．結構

光電比色溫度計的結構分單通道和雙通道兩種。

雙通道有兩個通道和兩個光電器件如圖4.1.4－5所示。

§4.1.4溫度檢測

2．

優(yōu)點39第三章光電信息轉換

單通道比色計只有一個光電器件和一條通道，用調制盤將兩個波段的輻射能量交替投射于同一個光電器件上，由它轉換成電信號，經(jīng)放大后加至流比計。它的光學系統(tǒng)如圖4.1.4－6（a）所示，調制盤3的布置見圖4