第4章 光電信息技術(shù)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

1第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1光電檢測(cè)

§4.1光電檢測(cè)

§4.1.1光電檢測(cè)基本方法§4.1.2幾何量檢測(cè)§4.1.3機(jī)械量檢測(cè)§4.1.4溫度檢測(cè)§4.1.5機(jī)器人視覺(jué)系統(tǒng)2第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

光電傳感器由光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電信息轉(zhuǎn)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(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

3第三章光電信息轉(zhuǎn)換

一．

直接作用法§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

4第三章光電信息轉(zhuǎn)換

二．

差動(dòng)法§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

5第三章光電信息轉(zhuǎn)換

1．調(diào)整：

放入標(biāo)準(zhǔn)工件的尺寸，調(diào)整光楔，使φ1＝φ2，使μA表讀數(shù)為“0”，

2．測(cè)量：

當(dāng)工件尺寸無(wú)誤差時(shí)，使φ1＝φ2，光電傳感器輸出U無(wú)交變分量，見(jiàn)圖4.1.1－3；當(dāng)工件尺寸變小時(shí)，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(cè)基本方法

6第三章光電信息轉(zhuǎn)換

當(dāng)工件尺寸變大時(shí)，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(cè)基本方法

7第三章光電信息轉(zhuǎn)換3．結(jié)論：

1〕測(cè)量值的大小決定于u的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決定于u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)量精度和靈敏度大大提高。4．相敏檢波器(PSD)理論§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

8第三章光電信息轉(zhuǎn)換

三、補(bǔ)償法

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,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,補(bǔ)償值的大小反映了被測(cè)量變化的大小.

四．

脈沖測(cè)量法

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)量的大小。

1．

脈寬法測(cè)長(zhǎng)§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

9第三章光電信息轉(zhuǎn)換

圖4.1.1－8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v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)的高頻脈沖數(shù)N，則

L＝vt＝vkN＝KN

2．

相位法測(cè)距

§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

10第三章光電信息轉(zhuǎn)換

3．

頻率法測(cè)速

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

只要控制在一定的時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)N，就可計(jì)算得到輪子的轉(zhuǎn)速。

§4.1.1光電檢測(cè)基本方法

11第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1.2幾何量檢測(cè)

§4.1.2幾何量檢測(cè)

一．光電測(cè)距

1．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)功率很大，—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(見(jiàn)圖4.1.2－2，在2處裝有反射器)，可以達(dá)到極遠(yuǎn)的測(cè)程；進(jìn)行近距離(幾公里)測(cè)量時(shí)，如果測(cè)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(zhuǎn)換§4.1.2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)，也可以進(jìn)行測(cè)距。

13第三章光電信息轉(zhuǎn)換

在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過(guò)待測(cè)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(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則

D=ct/2

式中c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(jiàn)圖4.1.2－1。14第三章光電信息轉(zhuǎn)換

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.

§4.1.2幾何量檢測(cè)

脈沖激光測(cè)距的方框圖見(jiàn)圖4.1.2－2。15第三章光電信息轉(zhuǎn)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(fù)脈沖至控制電路8。由參考信號(hào)產(chǎn)生的負(fù)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(shí)振蕩頻率一定的時(shí)鐘振蕩器11產(chǎn)生的時(shí)鐘脈沖，可以通過(guò)電子門12進(jìn)入計(jì)數(shù)顯示電路13，計(jì)時(shí)開始。§4.1.2幾何量檢測(cè)

16第三章光電信息轉(zhuǎn)換

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)閉電子門12，計(jì)時(shí)停止。計(jì)數(shù)和顯示的脈沖數(shù)如圖4.1.2－3(g)所示。從計(jì)時(shí)開始到計(jì)時(shí)停止的時(shí)間正比于參考信號(hào)與測(cè)距信號(hào)之間的時(shí)間。2．相位測(cè)距法

測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖4.1.2—5所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長(zhǎng)λ可由下式求出

λ=c/f§4.1.2幾何量檢測(cè)

17第三章光電信息轉(zhuǎn)換

如果設(shè)光波從A到B點(diǎn)的傳播過(guò)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(lái)表示：φ＝M·2π十Δφ=(M十Δm)2π

式中M——零或正整數(shù)；

Δm——是個(gè)小數(shù)，

Δm＝Δφ/2π§4.1.2幾何量檢測(cè)

18第三章光電信息轉(zhuǎn)換

從圖4.1.2—5可看出，光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)λ，相當(dāng)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(cè)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(cè)距離值，所以調(diào)制光波可以被認(rèn)為是一把“光尺”，其波長(zhǎng)λ就是相位式激光測(cè)距儀的“測(cè)尺”長(zhǎng)度。圖4.1.2—6說(shuō)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(shè)測(cè)距儀的接收系統(tǒng)置于A'(實(shí)際上測(cè)距儀的發(fā)射和接收系統(tǒng)都是在A點(diǎn))，§4.1.2幾何量檢測(cè)

19第三章光電信息轉(zhuǎn)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(zhǎng)λ或相位2π的倍數(shù)；

Δn—-是個(gè)小數(shù),Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；

L——稱它為測(cè)尺長(zhǎng)度，Ls＝λ/2

當(dāng)距離D大于測(cè)尺長(zhǎng)度L時(shí)，僅用一把“光尺”是無(wú)法測(cè)定距離的。但當(dāng)距離D小于測(cè)尺長(zhǎng)度L，即N等于零時(shí)，式上變?yōu)?/p>

D＝LsΔn＝LsΔφ/2π§4.1.2幾何量檢測(cè)

20第三章光電信息轉(zhuǎn)換

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)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。二.直徑的光電檢測(cè)

1.大直徑的測(cè)量圖4.1.2—7示出雙光路測(cè)徑裝置的原理圖。

§4.1.2幾何量檢測(cè)

21第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1.2幾何量檢測(cè)

22第三章光電信息轉(zhuǎn)換

下面按標(biāo)準(zhǔn)直徑為D0、大于或小于D0三種情況討論。（a）被測(cè)件12為標(biāo)準(zhǔn)直徑D0

(b)

被測(cè)件的直徑小于D0。(c)

被測(cè)件的直徑大于D0

§4.1.2幾何量檢測(cè)

23第三章光電信息轉(zhuǎn)換

2.小直徑的測(cè)量

如圖4.1.2-9(a)所示,當(dāng)用激光器1或平行光照射細(xì)絲2時(shí)，在其后面相距較遠(yuǎn)的屏幕3上便能獲得夫瑯和費(fèi)衍射圖像，o點(diǎn)最亮，被測(cè)細(xì)絲2的直徑d可按下式計(jì)算：

d＝λL/s

圖4.1.2-9(b)示出測(cè)量細(xì)絲直徑的原理圖。

§4.1.2幾何量檢測(cè)

24第三章光電信息轉(zhuǎn)換

三.

光電測(cè)長(zhǎng)

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4.1.2－10，光源1是一臺(tái)單模穩(wěn)頻的氦—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(guò)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(dòng)的平臺(tái)8上，它與待測(cè)物體7一起移動(dòng)，這樣就改變了光束B的光程。當(dāng)平臺(tái)移動(dòng)半個(gè)波長(zhǎng)(λ／2)時(shí)，光束B往返的光程改變了1λ，于涉§4.1.2幾何量檢測(cè)

25第三章光電信息轉(zhuǎn)換條紋變化一周期。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3所接收，并轉(zhuǎn)換為電量的變化，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

l＝N·λ/2

式中l(wèi)——待測(cè)物體的長(zhǎng)度；

λ——光的波長(zhǎng)；

N——計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)。?！?.1.2幾何量檢測(cè)

26第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1.3機(jī)械量檢測(cè)

§4.1.3機(jī)械量檢測(cè)

一．速度的光電檢測(cè)

1．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，這就是聲波的多普勒效應(yīng)。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。27第三章光電信息轉(zhuǎn)換

以V表示光源S對(duì)于觀察者P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(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(yīng)，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(zhì)中的光速，其中c0是真空中的光速，n是介質(zhì)的折射率。多普勒頻移Δf為§4.1.3機(jī)械量檢測(cè)

28第三章光電信息轉(zhuǎn)換2．利用多普勒效應(yīng)測(cè)量固體的運(yùn)動(dòng)速度

使用激光測(cè)速儀可以測(cè)量板、線、管材等的速度。原理見(jiàn)圖4.1.3－2。

可得在P'點(diǎn)接收的光頻為：

§4.1.3機(jī)械量檢測(cè)

29第三章光電信息轉(zhuǎn)換多普勒頻移Δf為：上式整理后可得物體的運(yùn)動(dòng)速度

式中

λ0=c/f0

。由上式可知，如果激光波長(zhǎng)λ0已知，光電接受方向選定后，只要測(cè)出頻差Δf，即可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度?！?.1.3機(jī)械量檢測(cè)

30第三章光電信息轉(zhuǎn)換

一．

機(jī)械振動(dòng)的光電檢測(cè)

1.光電測(cè)振的原理

圖4.1.3－4(a)示出測(cè)量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理。

當(dāng)旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)時(shí)使一個(gè)光電器件上的電流增大，另一個(gè)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(jī)械量檢測(cè)

31第三章光電信息轉(zhuǎn)換2.用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)

用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理示意圖如圖4.1.3－5?！?.1.3機(jī)械量檢測(cè)

32第三章光電信息轉(zhuǎn)換§4.1.4溫度檢測(cè)

§4.1.4溫度檢測(cè)

一．工作原理

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0－所輻射的總能量為

E＝T4

式中，為黑體系數(shù)，對(duì)應(yīng)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(cè)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(zhuǎn)換溫度直接測(cè)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(jì)

1．

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，采用補(bǔ)償法。

§4.1.4溫度檢測(cè)

34第三章光電信息轉(zhuǎn)換

2.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)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(diào)制盤上，

§4.1.4溫度檢測(cè)

35第三章光電信息轉(zhuǎn)換調(diào)制盤結(jié)構(gòu)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(diào)整可變電阻R可改變?chǔ)?的光通量。由調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)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(cè)

36第三章光電信息轉(zhuǎn)換

一．

光電比色溫度計(jì)

1．

原理

對(duì)應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得：

或

對(duì)于非黑體來(lái)說(shuō)，根據(jù)兩個(gè)輻射強(qiáng)度的比值所求得是所謂的比色溫度Tc。比色溫度Tc和實(shí)際溫度T有如下關(guān)系：

§4.1.4溫度檢測(cè)

37第三章光電信息轉(zhuǎn)換

式中，ελ1和ελ2是物體的黑度系數(shù)，對(duì)于灰體來(lái)說(shuō)，ελ1ελ21，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，可將波段選得盡量窄而且靠近，對(duì)于低溫測(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，以減少黑度系數(shù)的影響?！?.1.4溫度檢測(cè)

38第三章光電信息轉(zhuǎn)換

3．結(jié)構(gòu)

光電比色溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)分單通道和雙通道兩種。

雙通道有兩個(gè)通道和兩個(gè)光電器件如圖4.1.4－5所示。

§4.1.4溫度檢測(cè)

2．

優(yōu)點(diǎn)39第三章光電信息轉(zhuǎn)換

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4.1.4－6（a）所示，調(diào)制盤3的布置見(jiàn)圖4