第八章 光电系统设计

1、第第8 8章章 非光物理量的光电检测非光物理量的光电检测2问题问题什么是非光物理量，如何用光去测量非光物什么是非光物理量，如何用光去测量非光物理量？理量？答：不与光学量相关的物理量，比如长度、答：不与光学量相关的物理量，比如长度、厚度、变形、速度、角度、质量等。厚度、变形、速度、角度、质量等。让非光物理量影响（调制）光学量，通过测让非光物理量影响（调制）光学量，通过测量光学量的变化推算非光物理量的变化。量光学量的变化推算非光物理量的变化。可以用哪些光学量的变化来表示？可以用哪些光学量的变化来表示？3本章的主要内容本章的主要内容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

2、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48.1 光强型光电检测系统8.1.1 直接测量法直接测量法 8.1.2 差动测量法差动测量法 8.1.3 补偿测量法补偿测量法8.1.4 补偿式轴径检测装置补偿式轴径检测装置 8.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度利用比较法检测透明薄膜的厚度8.1.6 利用利用射线测量块规厚度的装置射线测量块规厚度的装置8.1.7 圆形物体偏心度的光电检测圆形物体偏心度的光电检测8.1.8 利用补偿法测量线材直径利用补偿法测量线材直径8.1.9 对圆柱形零件的外观检查对圆柱形零件的外观检查本节主要包括以下几部分内容：测量

3、方法测量实例58.1.1 直接测量法1. 直接测量法原理 将携带被检测物理量信息的光量，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后由检测机构直接读出待测量。 R为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。A表为读出机构。图8-1 直接测量电路 60/()/iI SCS 8.1.1 直接测量法1. 直接测量法原理当探测器处于线性工作区中，则有图8-1 直接测量电路 式中，为信号光通量；I为探测器产生的光电流；S为探测器的积分灵敏度；Ci为比例常数；a0为表针指零时的角度； a为输出电流I所对应指针的转角。 7在检测回路中，重要特性是仪表指针的灵敏度Sy，可表示为：/yiSS C 灵敏度的概念： 如何提高灵敏

4、度？ 8 在上述检测回路中引入简单的晶体管或其它放大器。图8-2 利用放大器提高灵敏度仪表指针的灵敏度为（8-2）调整满度时对应的转角为a0，则有 KSCi/ )(0式中，K为晶体管回路的放大倍数。提高了K倍！使用放大器的原因！iCSK /Sy（ ）92. 系统相对误差和性能评定设某检测关系为A=BC/D，则增量间关系为DDBCCDBBDCA2/最大相对误差为用上式分析直接测量法系统的最大相对误差为/K KS S D/DC/CB/BA/A102. 系统相对误差和性能评定/K KS S KK为放大系统放大率不稳定所引起的相对误差，它与放大电路中的电压波动，环境温度的变化，晶体管工作点的选择等参量

5、变化有关；S/S为光电器件灵敏度的相对误差，它与探测器特性的不稳定性有关； /为测量机械指示值的相对误差，它与机械结构不稳定性有关。所以，直接测量方法虽然简单方便、价格低廉，但各环节误差直接加入总误差，受环境影响大！有没有受环境影响小的解决方案？118.1.2 差动测量法 该方法采用被测量与标准量相比较，利用它们之间的差或比，经放大后的测量数据去控制检测机构。图8-3 利用电差动原理进行光通量检测1. 测量原理无光照时，调节电桥平衡有光照时，电桥失衡，发生偏转128.1.2 差动测量法 优点：差动方式，提高了测量灵敏度，减少了电压波动的影响和放大器零点漂移。缺点：未能克服光源及光路上产生的波动

6、或干扰1. 测量原理输入为零，输出偏移零,随时间缓慢变化有没有解决办法？132. 光电差动装置 为进一步提高检测精度，消除不稳定因素对检测结果的影响，设计了由双光路和电桥组成的光电差动装置。图8-4 双光路光电差动系统14 当两电路光通量相差较小时，光电探测器GD1和GD2的灵敏度分别为S1和S2，在线性段中它们近似为常数。于是GD1产生的光电流I1=S11，R1上产生的压降I1R1= S11R1 (GD1与R1相当于串联)；GD2产生的光电流I2=S22，Rw上产生的压降I2Rw=S22Rw，所以电桥输出的电压U0为如果S1=S2=S，Rw=R1则有011122wUSRSR01121()US

7、RSR 15设两探测器接收到光通量 ，且 = n。因电源电压波动等原因使光源输出光通量发生变化，在两光路上的光通量也将发生变化，其变化值为1和2，两者间关系为 12/12 n21/变化量与光通量成正比变化。即两光束光通量分别为 和 111 222 光通量波动的影响分析：16接收的光通量差为121122121()()()(1) n 原信号 因波动引起的误差 在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，光源波动的影响可以完全消除。设 ， 则：12/n 12/n 122211/()/()n (8-9)为完全消除光通量波动的影响，应调整两通道通量相同（两通道对称）！使n=1.17 在光电差动测量

8、中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性能上的差异，两者完全一致将十分困难。怎么办？3. 单个探测器的差动测量 采用单光电探测器的差动系统。181=2时，则产生恒定信号当12时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，幅值的大小表示两通量的差值=1-2，信号的正、负表示的正负。3. 单个探测器的差动测量图8-5 单接受器差动系统 平衡时不平衡时193. 单个探测器的差动测量优点：相对于前述差动装置，探测器和及其电源性能随时间的缓慢变化可以部分消除。 光源的波动的影响同前所述。缺点：存在放大器的波动影响20 将待测物理量对应光通量产生的信号用光或电的方法补偿掉，补偿量代表了待测量的大小。图8-7

9、 单通道补偿系统8.1.3 补偿测量法什么是补偿测量法？有何优点？光敏电阻218.1.3 补偿测量法1. 单通道光楔补偿式测量系统增加了晶体管放大环节，由R1、Rw、Rc和R0及晶体三极管BG构成电桥，检流计G作输出指示。图8-8 单通道光楔补偿系统22光电自动补偿装置的灵敏阀概念光电自动补偿装置的灵敏阀概念能使平衡装置开始动作时，被测物理量的最能使平衡装置开始动作时，被测物理量的最小变化量小变化量xmin/x。为获得高灵敏检测装置，希望灵敏阀值尽可为获得高灵敏检测装置，希望灵敏阀值尽可能小。通常意味着电机的摩擦转矩小，光能小。通常意味着电机的摩擦转矩小，光电探测器灵敏度高，放大器的放大倍数要

10、电探测器灵敏度高，放大器的放大倍数要大等。大等。23双光路补偿法检测的优点双光路补偿法检测的优点双光路的作用可互相抵消光通量的波动及周围环境的影响。双光路的作用可互相抵消光通量的波动及周围环境的影响。受电源电压、放大器参数和探测器特性随时间变化的影响小。受电源电压、放大器参数和探测器特性随时间变化的影响小。不受光电探测器特性非线性的影响，在光特性弯曲的部分也不受光电探测器特性非线性的影响，在光特性弯曲的部分也可正常工作。可正常工作。v 结构复杂v 相对造价高v 调制补偿器有惯性时，不利于测量较快的变化量双光路补偿法检测的缺点24(1) 光楔动态补偿法将可逆电机换成恒速旋转的电机，通过传动装置带

11、动光楔不停地往返运动，造成光楔对入射光通量的不断扫描。当光楔到达其补偿位置时，双光路达到平衡，这时恰是放大器输出电信号的过零点。3. 对快速变化过程的测量被测物理量变化比较快的时候如何测量？25(2) 电动态补偿法 利用电信号的动态补偿法是将信号电流直接控制惯性极小的可控阻值元件，如晶体二极管或三极管等，把它们作为补偿器来实现电动态补偿测量。这种纯电路的处理方法可将检测速度提高很多。如何代替机械补偿？268.1.4 补偿式轴径检测装置 该装置利用光量变化对轴径进行补偿式检测。图 8-12 光门补偿式轴径检测原理图其中放大器输出电压U0为)(210UUKU式中， K为放大器的放大倍数。 (8-1

12、5) 278.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度 图8-13 比较法薄膜厚度检测原理 按照介质对光吸收的指数衰减定律有： dkeII0I：透过薄膜的单色光强度；I0：射入薄膜的单色光强度；d：薄膜的厚度；k：薄膜对单色光的吸收系数。放大器测量仪表差值的符号和大小决定与标准值的偏差288.1.5 利用比较法检测透明薄膜的厚度 图8-13 比较法薄膜厚度检测原理 用紫外光可以测量涤纶薄膜、聚氯乙烯薄膜等塑料薄膜，测量范围41000m；问题：如果薄膜对测量光没有吸收（透明）怎么办？298.2 脉冲型光电检测系统8.2.1 物体长度分检装置原理物体长度分检装置原理 8.2.2 液位高度控制器液位高度

13、控制器 8.2.3 光电探测信号码的工作原理光电探测信号码的工作原理8.2.4 气体流量自动检控装置气体流量自动检控装置 8.2.5 利用测量脉冲频率测定转盘转速利用测量脉冲频率测定转盘转速8.2.6 利用脉冲持续时间测定零件尺寸利用脉冲持续时间测定零件尺寸8.2.7 全脉冲法测定零件尺寸全脉冲法测定零件尺寸8.2.8 光栅数字测径仪光栅数字测径仪8.2.9 脉冲激光测距脉冲激光测距本节主要包括以下几部分内容：308.2.2 液位高度控制器 图8-22 继电器型液位高度控制器 有光照时，三极管截止，继电器不工作无光照时，三极管饱和，继电器工作常开继电器常闭继电器采用调制和选频放大可提高系统抗干

14、扰能力！318.2.3 光电探测信号码的工作原理 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。图8-23 光电信号码探测器 同步信号标志328.2.3 光电探测信号码的工作原理 条形码标签条形码 338.2.9 脉冲激光测距 ctl21飞行时间法（time of flight)/wiki/Laser_rangefinder348.2.9 脉冲激光测距 优点：原理、结构简单，测程远、功耗小(光速太快，所计脉冲数有限）缺点：精度低，m级，（现在最好的做到mm级，ns级计时）358.3 相

15、位型和频率型光电检测系统8.3.1 激光相位测距法激光相位测距法 8.3.2 激光光波比长仪激光光波比长仪 8.3.3 双频激光干涉测长系统双频激光干涉测长系统8.3.4 激光流速计激光流速计 本节主要包括以下几部分内容：368.3.1 激光相位测距法 嫦娥1号激光高度计http:/ 激光相位测距法 关键技术：http:/ 2、回波波形数字化技术 ：不同地方回波的识别3、数据处理技术 ：指测高数据的滤波与地物的分类和识别技术388.3.1 激光相位测距法 激光相位测距仪http:/ 7704.html398.3.1 激光相位测距法 http:/ 激光相位测距法 原理：基于受正弦调制的激光波束，

16、通过测定波束传播过程中相位的变化来确定待测的距离。若调制频率为f，光速为c，调制波波长c/f。调制波从A到B的传播过程中相位的变化为：2)(2mMM（8-21）式中，M为零或正整数，相位变化的整周期数；m为小数，为 ，相位变化不足一周期的尾数。2/ 调制光波每前进一个波长，相当于相位变化2。与相位变化相对应的传播距离l为)(mMl（8-22）图 8-33 调制波形41 实际测距时，在调制波形B点的对应处设置角反射器，使调制波束返回到测距机处，由专门的测相系统测定经2l距离传播后相位的变化量。可用图8-34所示的展开波形来说明。AB=BA,AA2l，于是有)(2mMl（8-23）图8-34 往返

17、波形展开图实际测量过程中测不到整周期M！(波长为调制波长，而非激光器本身出射激光波长)42调制波长越长，测量范围越大，测量精度越低调制波长越短，测量范围越小，测量精度越高现有基于该技术的测距仪可以做到mm级以下的测量精度。图8-34 往返波形展开图438.3.4 激光流速计 激光测速是利用多普勒效应原理: 当光源和探测器之间存在相对运动时，光探测器接收到的光束的频率不再是光源发出的频率。v表示光源S对观察者P的相对速度，表示相对速度方向和光传播方向之间的夹角，观察者在P点接收到光波的频率f为)/cos1 (0cvff对应多普勒频移为 cvffff/cos00图 8-37 多普勒效应关系图 式中

18、，f0为光源发光的频率；c为所处介质中的光速。光源观察者/cosv44频差f与流体流速间的关系： )2sin(2sin20nvfn：流体的折射率；v：流速；0：为激光在真空中的波长 ：流动方向和激光入射方向的补角；：散射方向与激光入射方向夹角。451.参考路直接透过，不产生频移 )2sin(2sin20nvf2.散射路可以分两步 a. 激光入射到散射粒子上，粒子作为观察者b. 光被粒子散射，粒子作为光源，倍增管作为观察者cosf1v)180cosfo2（v3.总频率差为二者相加，三角公式 461.测量范围0.004cm/s104m/s2. 可测截面上流速分布478.4 利用物理光学原理的光电检

19、测系统8.4.1 利用利用衍射衍射测量细丝的直径测量细丝的直径 8.4.2 利用利用全反射全反射检测液面的装置检测液面的装置 8.4.3 利用利用偏振光全反射偏振光全反射检测液面的装置检测液面的装置8.4.4 利用利用全反射和干涉原理全反射和干涉原理的测力计的测力计 本节主要包括以下几部分内容：488.4.1 利用衍射测量细丝的直径当用平行光束照射细丝时，在其后较远的屏幕上能获得细丝的夫琅和菲衍射图。被测细丝2的直径d可依据衍射定律计算 sLd/sL498.4.1 利用衍射测量细丝的直径sLd/为光束的波长，L为细丝到屏幕之间的距离，s为衍射条纹相邻两暗纹之间。 图8-39 利用衍射测定丝径

20、控制脉冲计数脉冲508.4.1 利用衍射测量细丝的直径sLd/测量灵敏度：0.05-0.1m只能测量细丝：0.01-0.1mm，最大0.5图8-39 利用衍射测定丝径 控制脉冲计数脉冲518.4.2 利用全反射检测液面的装置 光束-光密介质n2光疏介质n2传输时，如果入射角大于或等于临界角i0，这时光全部反射，临界角i0可用下式表示 )/arcsin(120nni （8-36）528.4.2 利用全反射检测液面的装置)/arcsin(120nni 如何工作的？液面没到BC什么现象，到BC后什么现象？全反射非全反射缺点：液面到BC后仍然有光进入探测器，有可能产生错误控制，有没有办法？538.4.

21、3 利用偏振光全反射检测液面的装置全偏振角ic又叫作布儒斯特角（Brewster angle），12/nntgic 自然光以全偏振角入射到两介质介面上时，反射光中只有垂直于入射面振动的光束。 设计条件：液面高于A时，符合布儒斯特角，无反射光液面低于A时，产生全反射，光电探测器探测到光54已知液体折射率为n2，液面以上折射率为 。如何选取棱镜的折射率n1 120/nntgitgi满足全反射角的关系为 120/sinsinnnii则： 22221)/(1/nnnn满足布儒斯特角的关系为 2n558.4.4 利用双折射和干涉原理的测力计从检偏振器输出的光通量与通过起偏振器的光通量0间有以下关系 。 、分别为通过晶体寻常光与非寻常光之间的光程差和相位差。2020sin2sin56图8-4