第四章光电检测系统

1、第四章第四章 非相干检测方法与系统非相干检测方法与系统 按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将按光学变换系统将被测量转换为光信息方式的不同，可将光电检测系统分为光电检测系统分为相干检测系统相干检测系统和和非相干检测系统非相干检测系统。第四章第四章 非相干检测方法与系统非相干检测方法与系统 被测量被携带于光载被测量被携带于光载波的强度之中或加载于调制波的强度之中或加载于调制光载波的振幅、频率或者相光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样的系统称位变化之中，这样的系统称为非相干检测系统。为非相干检测系统。 被测信息加载于光载被测信息加载于光载波（只能是相干光源）的振波（只能是相干光源）

2、的振幅、频率或者相位之中的系幅、频率或者相位之中的系统称为相干检测系统。统称为相干检测系统。非相干检测系统非相干检测系统 相干检测系统相干检测系统主要内容：主要内容： 1 1 光电检测系统分类光电检测系统分类 根据系统中光源来源不同根据系统中光源来源不同, ,系统可分为系统可分为主动系统主动系统和和被动系统被动系统。 如果被测信息通过调制光源如果被测信息通过调制光源的电压或电流，把信息加载到的电压或电流，把信息加载到光载波上，而发射调制光，或光载波上，而发射调制光，或者用人工光源照射目标再进行者用人工光源照射目标再进行光电变换，然后由光电接收系光电变换，然后由光电接收系统接收的系统，称为统接收

3、的系统，称为主动光电主动光电系统系统。 如果光电系统所接收如果光电系统所接收的信号完全来自于被测对的信号完全来自于被测对象的自发辐射象的自发辐射, ,而不用人而不用人工光源照明的系统，则称工光源照明的系统，则称为为被动光学系统被动光学系统。（1 1）根据光源来源分类）根据光源来源分类 主动测量系统主动测量系统(a) (a) 被测量调制光载波的主动系统被测量调制光载波的主动系统 (b)(b)反射式的主动系统反射式的主动系统 被动测量系统被动测量系统被动式光电检测系统被动式光电检测系统（2 2）根据光源是否相干分类）根据光源是否相干分类A 若光信息为光强，即被测量被携带于光载波的强度之中，若光信息

4、为光强，即被测量被携带于光载波的强度之中，不论光源是相干光源还是非相干光源，这时光电器件只直不论光源是相干光源还是非相干光源，这时光电器件只直接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息，这接接收光强度变化，最后用解调的方法检出被测信息，这种方法组成的系统称为直接光电检测系统。种方法组成的系统称为直接光电检测系统。B 若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中，这样所组成的系统则称为非相干检测系统。位变化之中，这样所组成的系统则称为非相干检测系统。 非相干检测系统非相干检测系统 通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检

5、测通常把直接检测光信息的光强（或叫光功率）以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。 相干检测系统相干检测系统 如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信如果光源是相干光源，但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电息加载于调制光的幅度、频率或相位之中，然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统。测信息的系统称为相干检测系统。 （1 1）光电变换的目的）光电变换的目的 将待测信息加载到光载波上进而形成光

6、电接收将待测信息加载到光载波上进而形成光电接收 器件易于接收的光电信号。器件易于接收的光电信号。 改善系统的空间或时间分辨率和动态品质，提改善系统的空间或时间分辨率和动态品质，提 高传输效率和检测精度。高传输效率和检测精度。 改善系统的信噪比，提高工作可靠性。改善系统的信噪比，提高工作可靠性。2 2 光电变换方法光电变换方法（2 2）光电变换的方法）光电变换的方法变换方法变换方法 光光 学学 原原 理理 应应 用用 范范 围围 几何光几何光学法学法透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等射、遮光、光学成像等非相干光学现象或方法非相干光学现象或方法 光开关、光学编码、光扫光开

7、关、光学编码、光扫 描、瞄准定位、光准直、描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长、测外观质量检测、测长、测角、测距等角、测距等 物理光物理光学法学法干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波长变换、光学拍息、波长变换、光学拍频、偏振等相干光学现频、偏振等相干光学现象或方法象或方法莫尔条纹、干涉计量、全莫尔条纹、干涉计量、全息计量、散斑计量、外差息计量、散斑计量、外差干涉、外差通信、光谱分干涉、外差通信、光谱分析、多谱勒测速等析、多谱勒测速等 光电子光电子学法学法电光效应、声光效应、电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等、光纤传光与传感等 光调制、光

8、偏转、光开关光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存、光通信、光记录、光存储、光显示等储、光显示等 主要内容：主要内容： 1 1、直接检测系统的基本原理、直接检测系统的基本原理 所谓直接检测是将携带有待测量的光信号直接入射到探所谓直接检测是将携带有待测量的光信号直接入射到探测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流测器光敏面，光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压或电压。 检测系统可经光学天线或直接由探测器接收光信号，在检测系统可经光学天线或直接由探测器接收光信号，在其前端还可以经过频率滤波和空间滤波处理。接收到的光信其前端还可以经过频率滤波和空间滤波处理。接收到的光信号

9、入射到光探测器的光敏面上。同时，光学天线也接收到背号入射到光探测器的光敏面上。同时，光学天线也接收到背景辐射，并与信号光一起入射到探测器光敏面上。景辐射，并与信号光一起入射到探测器光敏面上。 （1 1）光探测器的平方律特性）光探测器的平方律特性 入射光波的光电场为入射光波的光电场为 ： 入射光的平均光功率为：入射光的平均光功率为： 光电探测器输出的电流为：光电探测器输出的电流为： 为光电变换比例常数，即光电灵敏度。为光电变换比例常数，即光电灵敏度。)cos()(wtAtEs222221)cos()(ssAwtAtEP221sPAPIeh2 2、直接检测系统的基本特性、直接检测系统的基本特性 若

10、光探测器的负载电阻为若光探测器的负载电阻为 ，则光探测，则光探测器输出的电功率为器输出的电功率为 ：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：光电探测器的平方律特性包含有两层含意：其一是光电流正比于光场振幅的平方；其一是光电流正比于光场振幅的平方；其二是输出电功率正比于入射光功率的平方。其二是输出电功率正比于入射光功率的平方。 LLPPRPheRIS222)(LR 如果入射光信号为强度调制光，调制信号如果入射光信号为强度调制光，调制信号为为d(t)d(t)，即调制的入射光信号的强度为，即调制的入射光信号的强度为P1+d(t)P1+d(t)，那么光电探测器输出的光电流，那么光电探测器输出的光电流为：

11、为： 式中，式中，第一项为直流电平，可以用隔直电容隔掉；第二项为所需要的信号，即光载波的包络检测。)(1 )(1 tdPhetdPIP(2) (2) 直接检测系统的信噪比直接检测系统的信噪比衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，可表示为：22onosnLePPPPRh考虑到信号和噪声的独立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定义，输出功率信噪比为：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接检测系统不适用于输

12、入信噪比小于1或微弱光信号的检测。输出信噪比是输入信噪比的一半。即经过光电转换，信噪比损失了3dB。实际应用中可以接受。可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱可见，直接检测方法不能改善输入信噪比，适宜不是很微弱的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，的光信号检测。但这种方法简单，易于实现，可靠性高，成本低，得到广泛应用。得到广泛应用。 若1nsPP，则有：2nspPPSNR5-10 若1nsPP，则有：nspPPSNR21 在数字式光电检测系统中，噪声对系统的影响常使用“误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比有关，信噪比高，误码率低，由噪声的概率分布规律来衡量。直接

13、检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。_2NTi为负载电阻和放大器的热噪声之和。_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR输出信噪比为：_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 当热噪声是直接检测系统 的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：224spLehPSNRkTfR热 当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声限制，信噪比为：22_222sp

14、NSNBNDehPSNRiii散 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测系统受背景噪声 限制，信噪比为：22222sspBBehPPSNRehfPe fPh背假定光波长=0.7m，检测器的量子效率=1，测量带宽f=1，由上式得到系统在量子极限下的最小可检测功率为18min10PW 当入射信号光波所引起的噪声为直接检测系统的主要噪声源时，直接检测 系统受信号噪声限制，这时信噪比为：2spPSNRhf信该式为直流检测系统在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度。若用等效噪声功率NEP值表示，在量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：2hfNEP量 1

15、1 在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有统总会有背景噪声背景噪声、检测器和放大器的、检测器和放大器的热噪声热噪声。2 2 背景限信噪比背景限信噪比可以在可以在激光检测系统激光检测系统中实现，是因为激光光中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。3 3 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光电检测过程中利用光电检测过程中利用光检测器的内增益光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍获得光电

16、倍增，如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限散粒噪声限。在特殊。在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加。噪声增加。4 4 在直接检测中，在直接检测中，光电倍增管、雪崩管光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对于光电导器

17、件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，电导器件极限信噪比低，NEPNEP较大。较大。说明：说明：直接检测系统视场角Dufd检测器物镜视场角表示检测系统能检测到的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场角为：或视场角立体角为：2fAd从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即增大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响： 增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。 减小焦距

18、使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。结论：因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。fd2(3)直接检测系统的视场角(4) 系统的通频带宽度I 0I0O1频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。等效矩形带宽：频谱曲线下降3dB的带宽包含90%能量的带宽100.060262.0f0389.0f频带宽度f越宽，通过的信号能量越大，但系统的噪声功率也增大，为保证系统有足够的信噪比， f 取值不能太宽，如果要求复现信号的波形，则必须

19、加宽频带宽度。当输入信号为矩形波时，通过对不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽f：小结：（1）当输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边 频）频率的2倍。（2）如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边 频分量通过系统。04f 3 直接检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。强度调制器光学天线光学通道接收天线及

20、光电检测器光电信号处理器光源信号发射机背景噪声场接收机电路噪声回收的信息 (1) 被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图大气传播eE接收光学系统信号处理接收机接收信息光电检测L被测目标eI光谱辐射强度L传播距离大气光谱透过率1VR光谱响应度00A入射孔径面积光谱透过率 (1) 被动检测系统的距离方程设被测目标的光谱辐射强度为eI经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度 为：eE21LIEee的距离为目标到光电检测系统内的大气光谱透过率；为被测距离LL1入射到检测器上的光谱功率 为：eP002100ALIAEPeee透过率为接收光学系统的光谱孔径面积为接收光学系统的入射10A根据目标辐射

21、强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的12的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：21210120dRILAdRPVVeVes为检测器的光谱响应度VR(1) 10eVIR、 、 、 取1为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率1。 光学系统的透过率0对光谱响应范围内平均值。 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内1W，即莫尔现象具有使栅，即莫尔现象具有使栅距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便距放大的作用。因此，读出莫尔条纹的数目比读光栅刻线的数目要方便得多。通过光栅栅距的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地得多。通过光栅栅距

22、的位移和莫尔条纹位移的对应关系，就可以容易地测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。测量莫尔条纹移动数，获取小于光栅栅距的微小位移量。莫尔条纹莫尔条纹光学放大作用举例光学放大作用举例 有一直线光栅，每毫米刻线数为有一直线光栅，每毫米刻线数为5050，主光栅与，主光栅与指示光栅的夹角指示光栅的夹角 1.81.8 ，则：，则： 分辨力分辨力 =栅距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于栅距很小，因此无法观察光强的变化）（由于栅距很小，因此无法观察光强的变化） 莫尔条纹的莫尔条纹的宽度是栅距的宽度是栅距的3232倍：倍： L W / = 0.02mm/（1.8 *3.14/180

23、 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于较大，因此可以用小面积的光电池由于较大，因此可以用小面积的光电池“观察观察”莫尔条纹莫尔条纹光强的变化。光强的变化。A 长光栅长光栅 莫尔条纹莫尔条纹条纹宽度：条纹宽度： WWB)2/sin(2W-栅距，栅距， a-线宽，线宽， b-缝宽缝宽W=a+b ，a=b=W/2 特例：当特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹 当当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹均匀刻线主光栅指示光栅夹角明暗相间条纹莫尔条纹移动长光栅莫尔条纹播放动画播放动画长光栅光闸莫尔条纹播放动画播放动画莫尔条纹特性：莫尔条纹特性： 方向

24、性：垂直于角平分线，当夹角很小时方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直与光栅移动方向垂直同步性：光栅移动一个栅距同步性：光栅移动一个栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应莫尔条纹移动一个间距一方向对应放大性：夹角放大性：夹角很小很小 BW 光学放大光学放大 提高灵敏度提高灵敏度可调性：夹角可调性：夹角 条纹间距条纹间距B 灵活灵活准确性：大量刻线准确性：大量刻线 误差平均效应误差平均效应 克服个别克服个别/局部误差局部误差 提高精度提高精度 B 圆光栅莫尔条纹圆光栅莫尔条纹光栅光栅 - 径向光栅、切向光栅、环形光栅径向光栅、切向光栅、环形光栅径向圆光栅径向圆光栅 切向圆光栅切向

25、圆光栅 径向光栅的圆弧形莫尔条纹径向光栅的圆弧形莫尔条纹两块径向光栅两块径向光栅 - 栅距角相同栅距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光栅不同区域，光栅不同区域，栅栅线交角线交角不同不同- 圆弧形莫尔条纹圆弧形莫尔条纹 （不同曲率半径）（不同曲率半径）条纹宽度条纹宽度 - 随位置变化随位置变化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 条纹近似垂直于栅线条纹近似垂直于栅线偏心方向上偏心方向上- 条纹近似平行于栅线条纹近似平行于栅线- 横向莫尔条纹横向莫尔条纹- 纵向莫尔条纹纵向莫尔条纹其他位置其他位置 - 斜向莫尔条纹斜向莫尔条纹实际应用实际应用特例特例 - 光闸莫尔条纹（同心、栅距角相同）光闸莫尔条纹（同

26、心、栅距角相同）主光栅（一个栅距角）主光栅（一个栅距角）- 透光量（一个周期）透光量（一个周期）莫尔条纹莫尔条纹 - 圆弧形、圆弧形、 环形、辐射形环形、辐射形 切向光栅的环形莫尔条纹切向光栅的环形莫尔条纹两块切向光栅两块切向光栅 -栅距角相同栅距角相同/ /切线圆半切线圆半径不同径不同/ /同心叠合同心叠合环形莫尔条纹环形莫尔条纹 - 以光栅中心为圆心的同心圆簇以光栅中心为圆心的同心圆簇条纹宽度条纹宽度 - 随条纹位置变化随条纹位置变化应用：高精度角度测量和分度应用：高精度角度测量和分度- 全光栅平均效应全光栅平均效应优点：优点： 环形环形光栅的辐射形莫尔条纹光栅的辐射形莫尔条纹两块环形光栅

27、两块环形光栅（相同）（相同）- 栅线相对栅线相对/ /不大的偏心量不大的偏心量辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹 - 条纹近似直线条纹近似直线/呈辐射状呈辐射状特点：条纹数目特点：条纹数目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圆心连线方向圆心连线方向光栅旋转光栅旋转 - 条纹数目条纹数目/位置（不变）位置（不变）偏心量（一个栅距）偏心量（一个栅距）- 莫尔条纹数目莫尔条纹数目增加一条（一个象限内）增加一条（一个象限内）应用：主轴偏移、晃动应用：主轴偏移、晃动播放中播放中圆弧莫尔条纹播放动画播放动画光闸莫尔条纹播放动画播放动画环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔

28、条纹播放动画播放动画 计量光栅可分为透射式光栅和反射式光栅两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。1 莫尔条纹测长仪在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于0.1m。 黑白光栅 莫尔条纹光栅原理莫尔条纹光栅原理 构成：构成： 主光栅主光栅-标尺光栅，标尺光栅，定光栅定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅 计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线

29、宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（0.05mm或0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。 在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角，光栅节距为P。在两光栅的刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。莫尔条纹是周期性函数。 计量光栅主光栅指示光栅 这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化。 当指示光

30、栅沿x轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件“观察”到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距P，光强变化一个周期。 由于光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一个节距时P，莫尔条纹移动了一个宽度B。且满足关系式： sinPB 莫尔条纹有如下特征： 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅

31、刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而改变。越小，B 越大，相当于把微小的栅距P扩大了 1/sin 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。 例，对25线/mm的长光栅而言，P0.04mm，若=0.016rad，则B = 2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光

32、强的变化。 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过了100 x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100 x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。 光电传感器输出信号波形光电传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图

33、：号周期变化，其输出波形如图： 由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题： 辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向； 精度低；分辨力只有一个栅距精度低；分辨力只有

34、一个栅距P P。 辨向原理：辨向原理： 用两个光电元件相距用两个光电元件相距B/4安装（相当于相差安装（相当于相差90空间角，空间角，B: 2=B/4: /2），如图所示，可以解决辨向问题。），如图所示，可以解决辨向问题。 当条纹上移时，当条纹上移时，V2落后于落后于V1 90。 当条纹下移时，当条纹下移时，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之间的相位关系可以之间的相位关系可以 判别运动方向。判别运动方向。 细分技术细分技术（解决精度问题）（解决精度问题） 当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为

35、测量时，最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度，提高个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在分辨力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，双光电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。其电路框图如图所示。 4P莫尔条纹的应用莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种，光刻密度相同，通常为25，50，100，250条/mm。被广泛地应用于： 光栅数显表光栅传感器在位置控制中的应用轴环式数显表1.机械测长和数控机床中。 代表性产品：代表性产品： 德国德国Heideai（海德汉）

36、：（海德汉）：封闭式：量程封闭式：量程3000，分辨力，分辨力0.1 开放式：量程开放式：量程1440，分辨力，分辨力0.01开放式：量程开放式：量程270 分辨力分辨力1英国英国Renishaw（雷尼绍）：（雷尼绍）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 0.01 中国长春光机所：中国长春光机所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 2 激光测距仪(1)(1) 脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。因此瞬时功率很大，般可达兆瓦级。由于上述两点，脉冲激光测距

37、在有反射器的情况下，可以达到极远的测程；进行近距离(几公里)测量时，如果测量精度要求不高，不必使用反射器，利用被测目标对脉冲激光的反射取得反射信号，也可以进行测距。 在在1处产生的激光，经过待测的路程射向处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在处。在2处装处装有向有向1处反射的装置，处反射的装置，1处至处至2处间的距离处间的距离D是待测的。如果是待测的。如果在在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1处到达处到达2处再返处再返回回1处所需要的时间处所需要的时间t，则，则 式中式中 c 为光的传播速度。为光的传播速度。脉冲激光测距的工作原理脉冲激光测距的工作原理2

38、/ tcD 取样器激光器测器光电检时钟振荡器电子门计数器控制电路放大电路整形电路复原电路发射光束回波光束启动按钮小孔光阑干涉滤光片脉冲测距仪原理方块图它由脉冲激光发射系统、接收系统、控制电路、时钟脉冲振荡器以及计数显示电路等组成. 由光电器件得到的电脉冲，经放大器以后，输出一定形状的由光电器件得到的电脉冲，经放大器以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路。由参考信号产生的负脉冲负脉冲至控制电路。由参考信号产生的负脉冲A(图图(d)经控制电经控制电路去打开电子门。这时振荡频率一定的时钟振荡器产生的时钟路去打开电子门。这时振荡频率一定的时钟振荡器产生的时钟脉冲，可以通过电子门进入计数显示电路，计时开始

39、。当反射脉冲，可以通过电子门进入计数显示电路，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门，计时停止。计到来时，关闭电子门，计时停止。计数和显示的脉冲数如图数和显示的脉冲数如图(g)所示。从计时开始到计时停止的时间所示。从计时开始到计时停止的时间正比于参考信号与测距信号之间的时间。正比于参考信号与测距信号之间的时间。 则被测距离为：则被测距离为：取样器激光器测器光电检时钟振荡器电子门计数器控制电路放大电路整形电路复原电路发射光束回波光束启动按钮小孔光阑干涉滤光片脉冲测距仪原理方块图2/ncD(2) 相位激光测距仪测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，

40、光速为c，则波长可由式=c/f求出。光波每前进一个波长相当于相位变化了2则距离D可表示为：2,nnND“光尺”测量距离原理图发射接收回波强调制正弦光棱镜合作目标0DD测距时，调制激光照在合作目标上，被反回接收经光电转换后得到相同的电信号，与光源的驱动电压相比较，测得相位差，由相位差可算得所测距离。 为了便于理解测距仪的测相系统,对光波往返二倍距离后的相位移进行测量，图中说明了光波在距离L上往返后的相位变化。如果设光波从A到A点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为，则由图看出，被测距离为：nNLnNDs2fcLns22,2 由上分析可知，如果测得光波相位移中2的整数N和小数n，就可以确定出被测距离值，所以调制光波可以被认为是一把“光尺”，其波长就是相位式激光测距仪的“测尺”长度。 式中当N等于0时，fc，LLnLnDsss2222 可由检相器检出，得被测距离，但当N不等于0时，N的大小不能确定，出现测量误差。目前的相位测距仪只可测相位尾数，不能求整周期数N，因此在测距离较长时，选用较低的测尺频率便会有很大的误差（多值解），而且由于仪器存在测量误差，选用大的测尺长度愈大测距误差越大。解决方法就是采用几个精度不同的“光尺”配