第4章光电信息技术应用-1

1、第四章第四章 光电信息技术应用光电信息技术应用 4.1 光电检测光电检测 4.2. 光电控制光电控制 4.3光纤通信光纤通信 4.4 光纤传感器光纤传感器 4.5 光电信息技术其它应用光电信息技术其它应用4.1 光电检测光电检测4.1.1 光电检测基本方法光电检测基本方法4.1.2 几何量检测几何量检测 4.1.3 机械量检测机械量检测4.1.4 温度检测温度检测 4.1.5 机器人视觉系统机器人视觉系统 光电检测技术光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并再转换成电量，并综合利用信息传送

2、和处理技术，完成在线和自动测综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。量。光电检测系统光电检测系统光学变换光学变换光电变换光电变换电路处理电路处理4.1 光电检测光电检测光电检测系统 光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。射并转换为电信号。 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的由输入电路、

3、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。的几何量或物理量。光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统 光学变换光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 光电变换光电变换 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的

4、电信息（电信号的放大和处理）。 电路处理电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统与人操作功能比较光电检测系统与人操作功能比较 被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光电传感 微机 执行机构 光电传感部分相当于人身的感觉器官 光电检测系统的功能分类 测量检查型测量检查型: 几何量几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。距离。 运动量运动量：速度、加速度、振动：速度、加速度、振动 表面形状表面形状：光洁度、庇病、伤痕：光洁度、庇病、伤痕 工作过程工作过程：湿度、流量、压力、物位、：湿度、流量、压力

5、、物位、PH值、浓度等值、浓度等 机械量机械量：重量、压力、应变、压强：重量、压力、应变、压强 电学量电学量：电流、电压、电场、磁场：电流、电压、电场、磁场 光学量光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱谱 控制跟踪型控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 图象分析型图象分析型 图形检测 图形分析光电检测技术的特点 高精度高精度：从地球到月球激光测距的精度达到：从地球到月球激光测距的精度达到1米。米。 高速度高速度：光速是最快的。：光速是最快的。 远距离、大量程远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。：遥控

6、、遥测和遥感。 非接触式检测非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行：不改变被测物体性质的条件下进行测量。测量。 寿命长寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。状和大小要求。 数字化和智能化：数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。强的信息处理、运算和控制能力。 光电传感器由光源、光学系统和光电信息光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。转换器件三部分组成。光电传感器光电传感器可以分为以可以分为以下三种：下三种： 直射型直射型

7、反射型反射型 辐射型辐射型 4.1.1 光电检测基本方法光电检测基本方法 根据检测原理光电检测的根据检测原理光电检测的基本方法基本方法有有直接作用直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等法、差动法、补偿法和脉冲法等 1、 直射型直射型 光电转换器对着光源放置，并使他们的光轴光电转换器对着光源放置，并使他们的光轴重合，即对于光源为发射光通量的最大方向，对重合，即对于光源为发射光通量的最大方向，对于光电转换器件为灵敏度最高的方向。于光电转换器件为灵敏度最高的方向。2、 反射型反射型 分为单向反射和漫反射。分为单向反射和漫反射。3、 辐射型辐射型 被测物体本生就是辐射源被测物体本生就是辐射源。 特点特点

8、 结构简单结构简单 精度差精度差 受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较大，精度及稳定性较差。适合于测量精度要求不高的场合。 利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如图图所所示。示。当调制盘转动时，一束光分为两束，当调制盘转动时，一束光分为两束， 1、2是交替的。是交替的。 1

9、调整调整： 放入标准工件的尺寸，调整光楔，使放入标准工件的尺寸，调整光楔，使12，使使A表读数为表读数为“0”， 2测量测量： 当工件尺寸无误差时，使当工件尺寸无误差时，使12，光电传感，光电传感器输出器输出U无交变分量，见图无交变分量，见图4.1.13； 当工件尺寸变小时，当工件尺寸变小时，12，光电传感器输出，光电传感器输出U有交变分量，幅值取决于有交变分量，幅值取决于1与与2之差，之差，US(1-2)=S。 当工件尺寸变大时，当工件尺寸变大时，1uS ，uR 和和uS 同相或反相。同相或反相。4相敏检波器相敏检波器(PSD)理论理论同相：同相：当u R为正半周时，uSuRuR1,，uSu

10、RuR2 uouR1uR22uS，当uR为负半周，二极管不导通，uo0反相：反相：当uR为正半周，uSuR uR1，uSuRuR2 uouR1 uR22uS，当uR为负半周，二极管不导通，uo0这样，只要判断这样，只要判断uo的正负，就可知道被测工件的正负偏差，的正负，就可知道被测工件的正负偏差，只要测出只要测出uo的大小，就可知道工件的偏差值。的大小，就可知道工件的偏差值。 实用中，用变压器线圈比较麻烦，可改用另一种实用中，用变压器线圈比较麻烦，可改用另一种PSD，如图，如图所所示。场效应管作为电子开关，示。场效应管作为电子开关，-9V夹断。该电路实际上是用单夹断。该电路实际上是用单位方波作

11、为参考信号去乘以信号电压，即正半周去控制信号导位方波作为参考信号去乘以信号电压，即正半周去控制信号导通，相当于通，相当于1us =us，负半周去控制信号反相导通，负半周去控制信号反相导通， -1(-us) =us。同理，当参考信号与信号电压反相时，用单位方波的正。同理，当参考信号与信号电压反相时，用单位方波的正半周去控制信号反相导通，半周去控制信号反相导通，1(-us) =-us，用单位方波的负半，用单位方波的负半周去控制信号导通周去控制信号导通-1us =-us。在相敏检波器中，参考信号要求同测量信号同频，可通过在调制盘上另装一套光电接收器而获得。如图所示。 用光或电的方法补偿由被测量变化而

12、引起的光通量变化；用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化； 补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值；补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值； 补偿值的大小反映了被测量变化的大小补偿值的大小反映了被测量变化的大小. 该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图所示。由该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图所示。由光敏电阻光敏电阻RG和电阻和电阻R0、R1、R2组成电桥，当无光照时，组成电桥，当无光照时，调整调整Rw使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值RG下降为下降为RG，使电桥失去平衡，检流计，使电桥失去平衡，检流计G中有信号输出。调中

13、有信号输出。调整整RW使电桥恢复平衡，调整使电桥恢复平衡，调整RW时标尺指示器时标尺指示器A随之移动，随之移动，电桥平衡时，电桥平衡时，A指示的数值就是待测量值的大小。以上是指示的数值就是待测量值的大小。以上是单通道电补偿的一个例子。单通道电补偿的一个例子。1. 单通道光电补偿式测量单通道光电补偿式测量1. 单通道光电补偿式测量单通道光电补偿式测量由光敏电阻RG和电阻R0、R1、R2组成电桥，当无光照时，调整Rw使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值RG下降为RG，使电桥失去平衡，检流计G中有信号输出。调整RW使电桥恢复平衡，调整RW时标尺指示器A随之移动，电桥平衡时，A指示的数值就是待测

14、量值的大小。以上是单通道电补偿的一个例子。2. 双通道光电补偿式测量双通道光电补偿式测量 在双光路差动法测量中，用相敏检波器的输出在双光路差动法测量中，用相敏检波器的输出量直接控制光楔上下移动，直到量直接控制光楔上下移动，直到120，即相，即相敏检波器的输出量为零，而光楔的上下移动与一个敏检波器的输出量为零，而光楔的上下移动与一个读数机构相连，从读数机构的得到的读数正好反映读数机构相连，从读数机构的得到的读数正好反映的光通量的变化量，也就是被测量的值。的光通量的变化量，也就是被测量的值。 基本原理：基本原理： 受被测量控制的光通量转换成电脉冲，受被测量控制的光通量转换成电脉冲， 其参数（脉宽、

15、相位、频率、脉冲数量等）反其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。映了被测量的大小。1 脉宽法测长脉宽法测长图给出了脉宽法测长的原理图给出了脉宽法测长的原理。LvtvkNKN以上对零件尺寸的测量都要求匀速直线运动，实现起来以上对零件尺寸的测量都要求匀速直线运动，实现起来较为困难，因此常用于精度要求不高的场合。较为困难，因此常用于精度要求不高的场合。其中，其中，k是高频脉冲的时间当是高频脉冲的时间当量，即表示单位高频脉冲所代量，即表示单位高频脉冲所代表的时间，而表的时间，而K是长度当量，是长度当量，即表示单位高频脉冲所代表的即表示单位高频脉冲所代表的长度。长度。在上面的测量中，

16、由于物体的震动，马达电压频率的波动等使v不匀速，这样就可带来测量误差。为了消除这些误差，高频脉冲可取之本系统的马达或传送带的转动轮上，图所示是利用全脉冲法检测零件尺寸的例子该方法的测量结果和精度与传送带运动的快、慢或短暂的停止都没有关系。但不应有零件与传送带之间或轮与轮之间的相对移动。此外，如因磨损等造成D1、D2和D3的变化，也会影响检测精度。主动轮转一周工件移动D2 对应产生的脉冲数D1n/D3 一个脉冲对应零件移动的距离为 LD2D3/nD12 相位法测距相位法测距带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接收来自于被测物的反射光。发射信号和接收信号的相位差反映了被测物的距离。设V

17、o和Vi分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图4.1.19所示，就可用高频填入法测出两信号的相位差，再换算成相对应的距离。V02 Vi2 VQn VQ n+1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1 1 3 频率法测速频率法测速 图是测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射片数，n为每分钟转速，则只要控制在一定的时间t内计数N，就可计算得到轮子的转速。 f=nm/60=N/t，n=60N/(mt) 设设m为反射片数，为反射片数，n为每分钟转速，则脉冲频率为每分钟转速，则脉冲频率ff=nm/60若在

18、时间若在时间t内计数器测量脉冲数为内计数器测量脉冲数为N，则，则nm/60=N/t n=60N /(mt) 只要控制在一定的时间只要控制在一定的时间t内计数内计数N，就可计算得到，就可计算得到轮子的转速。轮子的转速。 3、 频率法测速频率法测速4.1.2 几何量检测几何量检测一光电测距一光电测距1脉冲激光测距 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，一般可达兆瓦级。 脉冲激光测距的工作原理见图。在1处产生的激光，经过待测的路程射向2处。在2处装有向1处反射的装置，1处至2处间的距离D是待测的。如果

19、在1处有一种装置，它能够测出脉冲激光从1处到达2处再返回1处所需要的时间t，则D=ct/2，式中 c 为光的传播速度。 激光测距仪的类型激光测距仪的类型脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪相位激光测距仪相位激光测距仪激光测距仪的特点激光测距仪的特点测程远、测量精度高测程远、测量精度高结构小巧、携带方便结构小巧、携带方便快速、非接触式距离测量快速、非接触式距离测量激光对点准确激光对点准确受气象条件影响较大受气象条件影响较大激光测距仪广泛应用于工业、国激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。防军事、科学技术。脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远主要缺点是绝对测距精度较低。精度要求较高的场合可采用

20、相位测距法。脉冲激光测距的方框图见图。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。a)工作过程工作过程工作过程：工作过程： 按下按下10通过通过9给出整机复位给出整机复位触发脉冲激光器触发脉冲激光器1产生激产生激光脉冲光脉冲由由2取样作为起始点，与回波光脉冲一起经光阑取样作为起始点，与回波光脉冲一起经光阑3干涉滤光片干涉滤光片4光电转换器件光电转换器件5电脉冲经放大器电脉冲经放大器6整形器整形器7控制电路控制电路8打开门打开门12通过对通过对11产生的标准时钟计数产生的标准时钟计数显示电路显示电路13显示。显示。 激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回

21、波信号。 回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。 在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。 钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。脉冲激光测距仪发射系统接收系统接收光学系统光电探测器低噪声宽带放大器整形电路门控电路时钟脉冲振荡器计数显示器激光器：LD，ND：YAG（调（调Q/锁模）锁模）电源发射望远系统物镜小孔光阑干涉滤光片2相位测距法相位测距法在工程建设中进行测量时常用30 m或50 m的卷尺(钢皮尺)一“链”复一“链”地进行测量

22、，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”过程可用下式表达式中 D待测距离； Ls测尺长度； N零或正整数，即整链数； L不足整尺的距离尾数。 DNLs+L相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。 相位激光测距仪 相位测距原理：相位测距原理： 相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。 若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t 可表示为： t=/距

23、离L可表示为 式中： 信号往返测线一次产生的总的相位延迟。 调制信号的角频率，=2f。 cctL2120fLN：测线所包含调制波长个数。N：测线所包含不足波长的小数部分。 ：称为测尺长，又称“光尺”。0L相位延迟：被测距离：NNN2)(2)()(2NNNNfcL距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。 测量信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数N，只能测定不足2的尾数N。由于N值不确定，距离L就成为多值解。 测程长，精度低；反之，精度高，则测程短 用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。 就可以既扩大测程又保证

24、精度。 如果需要还可以用更多的频率测量。测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长可由下式求出 =c/f由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。 如果设光波从如果设光波从A到到B点的传播过点的传播过程中相位变化程中相位变化(又称为相位移又称为相位移)为为，则则可由可由2的倍数来表示：的倍数来表示：M2十十=(M十十m)2 式中式中 M零或正整数；零或正整数； m是个小数，是个小数， m/2 光波每前进一个波长光波每前进一个波长，相当于相位变化了，相当于相位变化了2，因，因此距离此距离D可表示如下：可表示如下： D(M十十m) 如果测得光波相位移如果测得光波相位移中中2的整数和小数，就可以的整数和小数，就可以确定出被测距离值。确定出被测距离值。 图图4.1.26说明了光波在距说明了光波在距离离D上往返后的相位变化。上往返后的