第8章 非光物理量的光电检测.ppt

第8章非光物理量的光电检测 CompanyLogo 8 1光强型光电检测系统8 2脉冲型光电检测系统8 3相位型和频率型光电检测系统8 4利用物理光学原理的光电检测系统8 5其它光电检测系统 主要内容 CompanyLogo 光电系统中光信号的时空特点 随时间变化的光信号 随空间变化的光电信号 信号的变换发生于局部的空间范围 随时间缓慢地 周期性或瞬时地变化 是时间的一维函数与空间坐标无关 可用函数F t 表示 信号发生在一定的空间坐标范围内 信号随空间位置而改 是二维或三维空间函数 用F x y z 表示 随时空变化的光电信号 用函数F x y z t 表示 CompanyLogo 交替法 CompanyLogo CompanyLogo 时变光信号的直接检测 光学信号有各种不同的变化形式 一般光电系统所处理的输入信号是辐射 光 通量的变化 光信号的直接检测 就是光通量的测量 所以了解和掌握光通量的一般测量方法 对于光电系统的分析和设计是最基本知识 光通量的变化分类 不随时间变化的量值随时间缓慢变化的量值随时间周期性变化的量值 光强型光电检测系统 相位型 频率型光电检测系统 脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同 振幅测量 相对误差是10 2 10 4数量级频率测量 相对误差是10 6 10 8数量级由于频率的基准可以达到很高的精度 各种测量方法的测量误差 CompanyLogo 8 1光强型光电检测系统 光强法 交替法 CompanyLogo 被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作单通道测量系统 单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法 一 单通道测量系统 8 1光强型光电检测系统 CompanyLogo 1 直读法 为了测量样品的透过率 可以在光路中轮流放置透过率已知的标准样品 每次对电表值标定 经过这样的处理后 再将被测样品放在光路中 即可由电表的指示直接得到被测的透过率值 一 单通道测量系统 CompanyLogo 设照明样品的光通量为 0 样品透过率为 透过样品并为光电检测器接收的光通量为 检测器电流灵敏度为S1 放大器增益为K 电表的传递系数为M 转角示值为 则直读系统的测量值可表示为 1 直读法 一 单通道测量系统 CompanyLogo 1 直读法 样品透过率 光源光通量 电流灵敏度 传递系数 增益 一 单通道测量系统 CompanyLogo 当K0保持恒定不变时 被测值 和电表示值 之间存在着一一对应的关系 可借以确定被测的 值 但实际上K0值不是完全不变的 特别是 0项与照明状态有关 存在着长期工作的不稳定性和不重复性 直读法的特点 一 单通道测量系统 CompanyLogo 2 指零法 指零测量法可以消除由于辐射光通量 光检测器和放大器工作参数不稳定造成的影响 图中表示了采用指零法测量偏振物质偏振面转角的光电装置及系统方框图 在光路中布置有起偏器和检偏器 一 单通道测量系统 CompanyLogo 测量偏振物质偏振面转角 一 单通道测量系统 CompanyLogo 工作原理 事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成90 此时检测器光敏面上的光通量为零 在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品 它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值 借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差 若转动检偏器 重新使电表指零 则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角 用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后 只要测量出检偏器相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值 一 单通道测量系统 CompanyLogo 设被测偏振面转角为 x 检偏器的读出转角为 0 偏振器组合的相对转角 x 0对于透光率 的转换因子为M 则对偏振器组合和测量电表输出转角 分别表示为 求解以上二式有 式中 0为入射照明光通量 SI为光电器件灵敏度 K为放大器增益 CompanyLogo 在无试样的标准状态下 即 x 0时 调整 0 使 0 随后加入试样则 x 0 因而 0 重新调整 0使 再次为零 此时由 K0 x 0 有 x 0上式表明 在指示电表指零状态下 检偏器的转角示值 0代表了被测偏振面的旋转值 x 一 单通道测量系统 CompanyLogo 在上述系统中 电路部分没有直接用于读数 而只是用作电表的指零 指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的 这种通过指零将被测量和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法 它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移 光通量的不稳定性对误差影响不大 因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的 指零法的特点 一 单通道测量系统 CompanyLogo 单通道测量的主要缺点 入射光通量的波动会直接影响测量结果 为了克服这一缺点 采用具有两个光学通道的测量方法 一 单通道测量系统 CompanyLogo 双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性 是光通量幅度测量中常用的方法 双通道系统的信号处理方法常采用差动法和交替法 二 双通道测量系统 被测光通量沿两个光学通道传送到光电接收器的系统称作双通道测量系统 CompanyLogo 1 差动法 在它的测量通道中装置有可变透过率的光屏3 它是一块破璃平板 沿着各截面镀有吸收率不同的膜层 二 双通道测量系统 CompanyLogo 在装上被测样品4之前 光屏处于最大吸收位置 并使二通道的输出光通量相等 处于平衡状态 光屏的移动由与之相连的指针机构9显示 指针的位置和不同被测样品的透过率相对应 当插入被测样品之后 测量通道的光通量减少 此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值 这就可以使二个通道重新达到平衡 这样 光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值 并在二通道的输出光通量相等时读出 工作原理 CompanyLogo 二个通道的光通量分别由检测器接收 由差动放大器7得到增益 放大器输出电压接到伺服电机8的控制绕组上 当两个通道的光通量不相等时 放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动 一直到输出电压为零停止 控制电机的转动方向是根据光通量的关系 还是 按照负反馈的连接方法确定 CompanyLogo CompanyLogo 差动放大器的失调信号为 S1 S2是两通道光电接收器的灵敏度 0为输入光通量 r是基准通道标准样品的透过率 x是被测透过率 0是可变透过率 测量结果与入射光通量无关 从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响 CompanyLogo 2 交替法 在这种系统中 两个通道的光通量轮流投射到光电接收器上 为此可采用各种不同的交替装置 例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等 当转盘的不透明部分遮断测量通道的光通量时 基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上 反之 基准光通量被遮断 则测量通道的光被接收 两路信号的转换频率通常是几百赫兹 因此 系统中的光电放大器是交流的 CompanyLogo 对于相等的两路光通量 光电流和负载电阻上的信号电压是等幅的 如图 a 所示 此时交流放大器没有输出电压 如果光通量不相等 则接收器的电流将按转换频率交替变化 相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态 输出信号波形如图 b 所示 根据光通量 或 的不同 信号的相位改变180 借以控制伺服电机8的转动方向 CompanyLogo 光通量的光强 幅度 测量方法的应用场合 光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓慢变化的光信号 在光度测量中有广泛的应用 对于复杂的高精度的测量 多采用单个接收器的双通道系统 而在要求一般的场合常采用两个接收器的双通道系统或指零法单通道系统 总结 CompanyLogo 设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置 要求消除光源的不稳定性因素的影响 绘出工作原理图 绘出原理框图 说明工作原理 CompanyLogo 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 1 频率法测量 某些光电系统所处理的光通量是随被测信息的规律呈周期性变化 这种变化可以是正弦的 也可以是方波的 不论哪种形式 信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中 经过相应的光电转换 采用常规信号的波数和频率测量方法就可以检测出所需要的信息 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 频率测量有较高的测量精度 频率测量是数字式的 测量结果易于和计算机连结 使用较为方便 因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法 产生光通量随时间变化的方法是多种多样的 用几何光学方法实现的斩光盘和工业制品的计数检测 用物理光学方法实现的光栅及干涉条纹测量等 下面以干涉测量为例介绍一些典型测量方法的基本原理和特点 优点 1 频率法测量 CompanyLogo 干涉条纹光强 以 2为周期变化 也就是当 x移动 2长度时引起 一个周期的变化 将 变化的周期数用波数N表示 可以得到位移x和波数N的关系为 迈克尔逊干涉仪示意图 2是光强变化的周期 是干涉仪所用光波波长 0是光强变化的幅度 1 频率法测量 CompanyLogo 1 频率法测量 单频激光仪的根本弱点就是受环境影响严重 在测试环境恶劣 测量距离较长时 这一缺点十分突出 可动反光镜移动时 光电接收器会输出信号 如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来 激光束强度发生变化 就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数 使光器减弱的主要原因是空气湍流 机床油雾 切削屑对光束的影响 这种无规则的变化较难通过触发电平的自动调整来补偿 因而限制了单频干涉仪的应用范围 只有设法用交流测量系统代替直流测量系统才能从根本上克服单频激光干涉仪的这一弱点 原因一 原因二 双频激光干涉系统 氦氖激光器加上轴向磁场 塞曼效应和频率牵引效应 两个不同频率的左旋和右旋圆偏振光 两个相互垂直的线偏振光 1 4波片 分光镜 含有频率为f1 f2的参考光束 经偏振片1 一路频率f1 另一路频率f2 当可动反射镜移动 含有f2 f的光束 多普勒相应产生的附加频率 为f1 f2 f 的测量光束 光电转换元件 放大器 整形器 减法器 光电转换元件 放大器 整形器 N 合成 双频激光干涉系统 设棱镜移动速度为v 根据多普勒效应 引起的频率变化为 减法器输出的脉冲数N实际上是在测量棱镜移动时间内的积分 双频激光干涉仪应用频率变化测量位移位移信息加载于f1和f2的频差上对由光强变化引起的直流电平变化不敏感抗干扰能力强 CompanyLogo 1 频率法测量 1 精度高不做细分可达 m量级 细分后更可达到nm量级 2 应用范围广除了长度的精密测量外 还可测量角度 直线度 平面度 振动距离及速度等 3 环境适应力强 抗干扰能力强即使光强衰减90 仍然可以得到有效的干涉信号 4 实时动态测速高测速普遍达到1m s 有的甚至于十几m s 适于高速动态测量 双频激光干涉仪的发明使激光干涉仪最终摆脱了计量室的束缚 更为广泛的应用于工业生产和科学研究中 CompanyLogo CompanyLogo 相应的光通量的变化频率f可表示成 干涉仪系统还可以用来测量物体的运动速度 将被测物体安装在测量臂上 并以速度 移动 则它移动了 2距离的时间为 1 频率法测量 T便是光通量的变化周期 CompanyLogo 激光波长为 0 55 m的干涉仪 测得的光通量变化频率为4 105Hz 求物体的运动速度 1 频率法测量 CompanyLogo 2 光通量的相位测量 在光电检测系统中辐射光通量随被测信息或时间周期变化 若在某一瞬间信号的变化相位代表了被测信息的瞬时值 那么检测到这个相位值即能确定被测的信息值 如在波数测量中介绍的利用干涉条纹波形计数测量位移的应用中 若打算进一步确定在一个波形变化周期内的微小位移 就需要进行相位测量 通常称作条纹的细分技术 8 3相位型和频率型光电检测系统 则待测距离LAB可表示为 LAB 1 2 m m Ls m m 其中Ls称作 光尺 m 2 光通量的相位测量 此处的 并不是光的波长 而是余弦型调制造成的光强变化对应的强度 光波 的 波长 相位式激光测距 原理示意图 Ls 1 2 目前任何测量交变信号相位的方法 只能测出不足一个波长的尾数部分 2 m 不能确定出相位的整周期数m 由于m值不确定 故距离LAB就成为多值解 利用两种光尺同时测量同一个量 则可以解决多值问题 多尺度原理 2 光通量的相位测量 LAB Ls m m 2 光通量的相位测量 多尺度原理 Ls1 LAB Ls2 LAB 最长测尺决定了测距的量程 用两把相同精度的光尺 分别测量同一距离 然后把测得的结果 相互组合起来即可 例 测量距离为2 047m 测量结果 2 047m 用Ls1 0 1m的光尺 用Ls2 10m的光尺 最短测尺决定了测距的精度 结果 2m 结果 0 047m 例如 要求测程100km 精度0 01m 测相精度为1 1000 2 光通量的相位测量 直接测尺问题 直接测尺频率方式在实际应用中会遇到频带过宽 测相精度难以实现的问题 要测量 95689 88m 需要几个测尺长度 分别是多少 10m 100km 1km 2 光通量的相位测量 直接测尺问题 直接测尺长度 100km 1km 10m对应的频率 1 5kHz 150kHz 15MHz 频带宽近15MHz 在这么宽的频带内保证1 1000的测相精度是很难实现的 故实际测量中采用间接测尺频率方式 用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得到 L Ls1 m1 m1 L Ls2 m2 m2 2 光通量的相位测量 间接测尺原理 m m1 m2 m m1 m2 fs fs1 fs2 Ls Ls1Ls2 Ls2 Ls2 1 2 C fs1 fs2 1 2 C fs 等效形式为 L Ls m m 间接测尺原理 用两个频率fs1和fs2的调制光去测同一距离得到 间接测尺 各个间接测尺的频率值非常接近 为150kHz 只有直接测尺方式的1 100 在这样窄的频率范围内可以使放大器和调制器获得相当接近的增益和相位稳定性 且各频率对应的振荡石英晶体也可以统一 从而提高测量精度 间接测尺原理 2 光通量的相位测量 要求 测相精度为1 100 精度0 1m 2 光通量的相位测量 测量 95 6m 10m 100m 例 LAB Ls m m 0 9vs 1 5MHz 15MHz 10m 0 9 11 11m 90 565 615MHz 00 95951 5MHz 要求 测相精度为1 100 精度0 1m 2 光通量的相位测量 测量 95 6m 例 LAB Ls m m 11 11m 10m 90 565 615MHz 100m 00 95951 5MHz Ls 95 5 Ls 95 80 605 2 光通量的相位测量 10m 1000m 例 LAB Ls m m 0 99vs 150kHz 15MHz 10m 0 99 10 10101m 要求 测相精度为1 1000 精度0 1m 测量 900 5m 900 050 515MHz 00 9900150KHz 要求 测相精度为1 1000 精度0 1m 2 光通量的相位测量 测量 900 5m 例 LAB Ls m m 10 10101m Ls 900 5 Ls 900 10m 900 050 515MHz 1000m 00 9900150KHz 890 1495 相位检测器的相位范围为 且输出电压与相位差成线性关系 相位检测器 鉴相器 相位检测器框图 2 光通量的相位测量 相位检测器各环节的波形 uAuB同相uA领先uB90 uA落后uB90 基准信号 待测信号 输出电压的平均值u0为 相位检测器电路 为待测信号和基准信号的相位uz两信号相位相差180o时的电压输出值 2 光通量的相位测量 CompanyLogo 3 光通量的时间测量 利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔来测量信息的时间测量法 在光电检测中同样有着广泛应用 时间测量和相位测量有许多相近处 最简单的测时方法是在确定时间起止点间用时钟脉冲填冲计数 这种方法可以得到1 10 10s以上的测时精度 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 时间测量法的原理示意图如图所示 由固体激光器1产生的能量为几兆瓦 作用时间为几纳秒 发射角为毫弧度的激光脉冲经光学系统射向被测目标2 经目标2漫反射之后返回到接收系统3 通过测量主波脉冲和回波脉冲的时间差即可测量出被测距离 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 主波脉冲和回波脉冲经光电转换分别形成电脉冲 控制触发器产生确定脉宽t的定时脉冲 在此脉冲持续时间内由频率为f 1 T的时钟脉冲填充计数 若计数值为N 则脉宽持续时间为 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 在利用脉冲计数完成时间测量后可根据实际计数值N和脉冲当量K得到被测距离 最小可测距离Dmin由时钟脉冲频率f决定 f愈高 Dmin愈小 通常f可达300MHz 对应的Dmin值为0 5m 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 设计一台有合作目标的光电测距装置 说明工作原理 画出原理框图 8 3相位型和频率型光电检测系统 CompanyLogo 传送带的两侧分别配制两组光源 探测器对5 7和6 8 它们光轴间的距离恰应等于产品4所需分类的长度 8 2 1物体长度分检装置原理 长度自动分选的装置 8 2脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 液位高度的控制方法很多 这里是光电脉冲继电器型的方法 继电器型液位高度控制器 8 2 2液位高度控制器 8 2脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 8 2 3光电探测信号码的工作原理 光电信号码探测器 为区别传送带上同样大小箱子中的不同物体 可在箱体外部某个确定的位置上 统一按物类信息预先印上不同的二进制信号码 分类时用光电探测这些信号码 来区分不同的物类或其它所需的物类特征信息 8 2脉冲型光电检测系统 8 2 4气体流量自动检控装置 该装置是由转子式流量计和光电探测器组成 当流量变化时 接收器状态会发生变化 通过放大器 数字电路 译码器和阀门等 就可进行流量控制 也可用指示灯进行报警 气体流量检控器 几种输出状态 受光照为 1 不受光照为 0 1 2 8 2脉冲型光电检测系统 10 流量小 1 2 CompanyLogo 8 2 5利用测量脉冲频率测定转盘转速 脉冲法转速测定原理 光源通过转动圆盘上的小孔为光电接收器GD提供光脉冲 经光电转换 放大和整形等电路输出脉冲信号 设电机转速是n r min 圆盘上均匀开口数目为m 输出脉冲的频率为f nm 60 Hz 8 2脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 8 2 6利用脉冲持续时间测定零件尺寸 脉冲法测定轴直径原理 脉宽的脉冲计数原理 8 2脉冲型光电检测系统 v D vt CompanyLogo 原理 通过测定光电探测器产个暗脉冲的持续时间t 测定零件的长度l 传送带上工件长度检测 L vt 8 2脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 8 2 7全脉冲法测定零件尺寸 全脉冲法零件长度检测原理 它是一种与零件运动速度无关的测试方法 只要被测零件移动单位长度 不管其运动速度的快慢均使检测系统产生固定的n个脉冲 当被测物全部移过 共计产生m个脉冲 则零件长度为l m n 8 2脉冲型光电检测系统 CompanyLogo 1 计数脉冲发生系统 2 控制脉冲发生电路 光电输入系统A的作用是产生计数脉冲 工件置于传送带上 主动轮I带动传送带移动的同时 也带动轮 转动 轮 的周边打有均匀分布的小孔共n个 在周边的某个位置上安装光电探测器与光源构成脉冲发生系统 主动轮每转动一周 对应工件移动距离D2 与此对应产生的脉冲数是D1n D3 则一个脉冲对应零件移动的距离l为 光电输入系统B的作用是产生控制脉冲 光源与对应的光电探测器安装在待测零件的两侧 当无零件挡光时 光束