《测控仪器设计》 课件 第7、8章 光电系统设计、智能仪器设计

第七章光电系统设计第一节光电系统组成和类型1．精度高2．非接触测量3．测量范围大4．信息处理能力强

设计要求：1．高分辨率2．高精度3．高速度4.高稳定性5.高智能化及小型化光电系统的特点：光电系统的组成光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信息处理存储显示控制用光源发出的光来传递信息的媒介与光源结合来获得测量所需的光载波，如平行光

光载波与被测对象相互作用并将被测量载荷加到光载波上称为光学变换。

用各种调制方法来实现光学变换的（即将被测量转换为光参量，如振幅、频率、相位、偏振态等）。变换后光载波含有各种被测信息（光信息）。实现的方式用光学系统和各种光学元件的结合。

光学元件有：平面镜、光狭缝、光楔、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器等。

光学系统有：成像系统、光干涉系统等。

光信息经过光学器件实现由光向电的信息转换，称光电转换。光电转换用各种光电变换器件来实现的。光电器件：光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。光学变换与光电转换是光电测量的核心部分。被测工件用激光外径扫描仪原理说明光电系统的组成放大边缘检测门控处理显示主振电机驱动旋转多面体激光器f(θ)镜物镜光电器件激光器为光源多面体和f(θ)镜为产生平行的光学系统，形成光载波被测工件和物镜构成光学变换，形成变化的光通量光电器件将变化的光通量转换为电信号光电系统的类型

1．主动系统与被动系统

2．模拟系统与数字系统

3．直接检测系统与相干检测系统按照光电系统的功能还分为光电信息检测系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信系统等。

第二节光电系统特性（一）光电特性

光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性又称为静特性，其输入量一般是光通量或光照度E，输出量一般是电压或电流。第二节、光电系统特性（二）光谱特性及光谱匹配为了提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透过率分布相覆盖。检测器件的输出可表示为：第二节、光电系统特性（三）光电灵敏度特性光谱响应率又称光电灵敏度，它是光电系统的光电检测器件输出（电压V或电流I）与入射光通量之比，即第二节、光电系统特性（四）频率响应特性

即当入射光照是以一定频率变动的交换光信息时，光照频率的变化将会引起光电器件响应率的变化。一般地，响应率随光照频率升高而降低第二节、光电系统特性（五）光电系统的探测率D

光电系统的探测率表征光电系统的探测能力，越大表征探测能力越强。

光电系统的比探测率D*光电检测系统的探测率除了与和有关外还与光电检测器件光敏面面积A和光电检测系统的带宽有关

第三节光电系统设计原则一、匹配原则二、干扰光最小原则三、共光路原则1）光谱匹配2）功率匹配3）阻抗匹配第三节光电系统设计原则匹配核心是如何正确选择光电检测器件一、匹配原则二、干扰光最小原则第三节光电系统设计原则干扰光最小原则就是指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。光电系统中的干扰光主要是指杂散光、背景光和“回授光”。二、减少干扰光措施

第三节光电系统设计原则减小杂散光措施：光学滤波、光学调制和光外差检测。减小背景光措施：采用光遮断、光隔离、光控制和光补偿的方法。减小回授光措施：光偏离、光遮挡、光偏振片。减小回授光措施三、共光路原则第三节光电系统设计原则

在光电系统中为了实现精密测量和减小共模干扰，经常采用差动测量系统，以实现被测量与标准量的比较。常用的光源1）太阳光，白炽灯2）气体放电光源3）半导体发光器件4）激光光源第四节、光电测量系统中的光源及照明系统二.照明系统设计要求：

1）保证足够的光能。

2）有足够的照明范围，照明均匀。3）照明光束应充满物镜的入瞳。4）应尽量减少杂光进入物镜，以保证像面的对比度。5）合理安排布局，避免光源高温的有害影响

三、照明系统需要满足原则1）光孔转接原则。2）照明系统拉赫不变量应大于或等于物镜拉赫不变量。

显微系统照明系统设计三、照明系统种类

1）直接照明a）透射亮视场b）反射亮视场c）透射暗视场d）反射暗视场2）临界照明

光源所出的光通过聚光镜成像在物面上或其附近的照明方式称为临界照明。优点：简单，孔径角大，被照明视场有最大亮度而无杂散光缺点：视场内可见到灯丝像，影响照明均匀，不满足光孔转接3）远心柯勒照明集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上。优点：灯丝不会成像到物面上，照明均匀这种照明系统可以检测反射镜面上的缺陷。如果被测表面是镜面，则镜面的反射光线全部进入物镜成像，因此整个图像都是白色。当镜面上有腐蚀斑点或者污渍时，所产生的漫反射光线进入物镜的甚少，因此图像上将产生黑色的斑点。

4）同轴照明光谱能量分布：光谱匹配光度特性：足够的照度，如高速摄像系统、投影仪发光面的形状、尺寸及光源的结构满足功能要求：稳定性、功率、单色性、寿命发热少光源系统的选择要点第五节直接检测系统的设计（一）直接检测系统的组成

光源光学变换光功率检测

电信号输出变换方法光学原理应用几何光学法直射、反射、折射、散射、遮光、光学成像等非相干光学现象光开关、光学编码、光扫描、瞄准定位、光准直、外观质量检测、测长测角、测距等光电子学法电光效应、声光效应、磁光效应、空间光调制、光纤传光与传感等光调制、光偏转、光开关、光通信、光记录、光存储、光显示等直接检测系统的应用用检测光透过率的方法可以测物质透明度、液体纯度、反射率、大气质量监测、光的偏振状态；检测调制光的频率和波数变化可以测速、测角和测距；利用光学成象和象分析器可以定位、尺寸检测、位置检测；利用多光谱的光谱分析可以测温等。（一）直接检测光电系统的工作原理直接检测光信号直接入射到光电器件光敏面上：入射光波入射光功率光电器件输出光电流电荷入射光子能量若信号调制直接检入射功率Ps，则要求S线性好和稳定性!!!考虑负载电阻（二）光功率直接检测光电系统的设计透过率检测指示表输出影响最大因素是入射光光通量若光电检测灵敏度，放大增益，读数装置传递系数分别为S,K,M核心问题：控制光源的稳定性考虑差动法或者调制法减小光源波动的影响（三）距离检测的光电系统三角法测距；相位法（连续波）测距；时间法测距；（1）三角法测距原理与设计要求三角法测距设计要点减小非线性误差。光源的稳定性的影响。被测对象特性的适应性。光学系统及光电接收器件的特性对测距精度影响（2）位法测距原理与设计要求相位法测距设计要点光源要稳定。高精度鉴相器是关键。减少大气的影响n增大f。（3）时间法测距原理与设计要求时间法测距设计要点光源要稳定。计时器是关键。减少大气的影响n增大时钟脉冲f。（四）几何中心与几何位置光电检测系统其基本原理是：先将几何形体的轮廓被光学系统成像，其像的位置与几何形体相对光轴（基准）的位置有关，再用一个与光轴位置有确定关系的像分析器将像的空间位置分布转换成照度分布，获得与几何位置有关的光通量变化，即得到位置—光通量变换特性，根据光通量的变化就可检测出几何位置。

照明光源应稳定，且照度应均匀。光学系统像差要小，像的对比度好。用于对准的标志物或被检测的物的边缘应清晰、陡直、无毛刺。像分析器的位置相对测量基准要精确校准。在用扫描调制法进行调制时要求调制中心稳定，调制幅度恒定。几何中心和几何位置光电检测系统设计应注意以下几点：（五）直接检测光电系统中光学参数的确定直接光电检测系统的光学系统参数确定的主要依据是光电检测器件的噪声等效功率NEP。

（一）入瞳直径的计算（五）直接检测光电系统中光学参数的确定

1.光源位于有限距离的单组透镜系统（二）探测器位于像面上的光电系统的光学结构及其

参数2.光源位于无限远处的单组透镜系统（五）直接检测光电系统中光学参数的确定

3.筒长为无穷远的光学系统（二）探测器位于像面上的光电系统的光学结构及其参数（五）直接检测光电系统中光学参数的确定（三）光源像大于检测器的光电系统的光学参数（四）检测器位于出瞳面上的光电系统的光学结构补充内容：光学系统误差分析计算对准精度；透镜的位置误差；透镜焦距误差；光学系统的横向对准精度（a）1′~2′(b)

10"(c)6"(d)6"(e)6"光学系统的纵向对准精度(调焦精度)可以通过公式计算，一般考虑采用远心光路设计。透镜的位置误差透镜位置误差引起的垂轴放大倍率的误差位置误差引起像点位置误差透镜的焦距误差透镜焦距误差与曲率半径、折射率、中心厚度有关，一般在1%以内，高精度镜头要求在0.1%至0.01%之间焦距误差引起像点位置误差焦距误差引起放大倍率误差利用相干变换的方法来携带被测信息，可将信息加载于相干光波的振幅、频率和相位之中，因此相干检测比直接检测手段更丰富，测试精度和分辨力更高。广泛地应用于精密测长、测角、测距、测速、测力、测振、测应变及光谱分析等。

第六节相干变换与检测系统设计两束光合成时，所形成干涉条纹的强度分布

光学测量中，常常利用相干光作为信息变换的载体，将被测信息加载到相干光载波上，使光载波的特征参量随被测信息变化。干涉测量的作用就是把光波的相位关系或频率状态以及它们随时间的变化关系以光强度的空间分布随时间变化的形式检测出来。当两束频率相同的光（即单频光）相干时当两束频率不相同的光相干时干涉条纹将以干涉条纹的强度取决于相干光相位差，而后者又取决于光传输介质的折射率对光的传播距离的线积分，即距离、位移、角度、速度、温度引起的膨胀等介质成分、密度、温度、气压及周围电场和磁场等（一）干涉条纹强度光强检测法及其设计是衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。在进行干涉条纹光强检测系统设计时应设法提高相干度。相干度衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。在进行干涉条纹光强检测系统设计时应设法提高相干度。影响相关度的因素如下：1光的单色性和测量范围测量范围越小，单色性越小相关度越大2光束发散角影响增大光电转换混频效率3光电检测器的接收

孔径光阑的影响减小l或增大D核心：光学系统设计时应使相干的两路光的透射率与反射率之比近似为14选择透射与反射比，获得等光强干涉5共光路设计在设计时应采用好的平行光照明。且光线应垂直于反射镜入射。设计要点：（二）干涉条纹相位检测法及其设计是衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。在进行干涉条纹光强检测系统设计时应设法提高相干度。优点：相位检测法直接检测相位的变化，因此凡对光强有影响因素，对相位检测影响极小。相位检测有很好的稳定性和很高的精度。原理：参考镜处使用压电陶瓷驱动参考镜作周期性的运动，从而在被测物不动的情况下，干涉条纹各点都形成以同样周期变化的信号。在不同位置上时序信号的初相位与该点被测波面的初相位相对应。用面阵CCD接收该干涉条纹信号，并用干涉图分析法，就可得到与被测表面粗糙度相对应的干涉图上各点的初相位，用公式求出各点位移。1参考镜的驱动应重复性好，精度高，且驱动稳定；参考镜采用阶梯波驱动时，在采样过程中应避免压电陶瓷蠕变影响。当采用正弦波驱动时驱动是连续的，

由于振幅与检测点处波面相位差成正弦关系，当采用相位锁定法检测相位时有原理误差存在。由于参考路与测量路是分置的，因此环境温度和振动的影响是重要误差因素，因而采用共光路的相位干涉

仪是好方法；4相位检测精度是关键，参考镜的不同驱动方式，其相位检测方法不一样。选用精度高的相位检测方法。设计要点：（三）干涉条纹的外差检测系统是衡量干涉条纹光强对比度的重要指标。在进行干涉条纹光强检测系统设计时应设法提高相干度。原理：光学外差检测是将包含有被测信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频率为两光波光频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。通过检测拍频信号能最终解调出被传送的信息。信号光可以由本振光分束后经调制形成。1．光外差检测的空间条件：必须保持信号光和本振光在空间上保持空间准直、共轴2．光外差检测的频率条件：要求两者具有高度的单色性和频率稳定度3．光外差检测的偏振条件：信号光与本振光的偏振方向一致4．外差检测的功率稳定设计要点：设计要求：设计一台测量范围0-3m，测量准确度为微米光电系统设计举例——激光干涉仪的设计初始位置时测量位置时若干涉条纹经倍细分后，再用计数器计数，所计的数为K，那么从而被测长度为在测量开始前应对计数器清零进行全微分，便可用微分法求出影响激光干涉测长的主要误差激光干涉仪设计须注意问题1）干涉仪的布局应合理，应尽量遵守阿贝原则和共路原则，同时应尽量使初始程差为零，尽量减小力变形和温度变形。

2）应解决干涉测量基准的稳定性问题，即激光波长要稳定，从而使尽量小，因此应采取稳频措施。

3）测量环境下空气折射率偏离标准状态而产生的不容忽视，由此而产生的测量误差，可采用空气折射率修正的方法来解决。

4）计数误差，包括分辨力、计数器的稳定性及细分误差，选择合适的分辨力和提高细分精度是减小该项误差的主要办法。干涉仪的布局移相方法的选择光波长的稳定和修正

如果要求在测量长度为

常用的稳频方法有：兰姆凹陷稳频、热稳频、碘吸收、甲烷吸收等。

空气折射率修正

根据艾伦公式，只要用传感器测出测量环境下的温度，大气压和湿度便可计算得测量环境的空气折射率，就可进行折射率修正。也可采用瑞利干涉仪测出折射率n，再进行修正。光学退耦和非期望光的抑制

1、光偏离法2、半板遮挡法3、偏振光干涉法

实际应用的激光干涉测长仪的简化光路设置第八章

智能仪器设计技术62第一节智能仪器概述一、智能仪器的原理与组成63二、智能仪器特点（1）自动化程度更高；（2）测控功能更强大；（3）测控精度更高；（4）测量范围更宽；（5）通信功能更强；（6）可靠性更高；（7）集成度更高；（8）具有可控编程操作能力；（9）友好的人机对话功能。64三、智能仪器发展历程与趋势（1）智能仪器的微型化；（2）智能仪器多功能化；（3）智能仪器AI化；（4）智能仪器网络化；（5）智能仪器虚拟化；65第二节智能仪器硬件设计一、测量电路的设计1、测量电路的作用及组成66智能采样电路自动量程切换电路智能调理技术组成二、智能仪器的中央处理电路67（1）基于单片机的中央处理器电路设计；（2）基于DSP的中央处理器电路设计；（3）基于PLC的中央处理器电路设计；（4）基于ARM的中央处理器电路设计；1、基于微处理器的中央电路的设计68微处理器单片机DSPPLCARM性质芯片芯片设备芯片内存容量较小较大最大较大运行速度较低最快较快较快体积小小大小功耗较低较低较高一般抗干扰最差中等最高一般可靠性较低一般最高一般稳定性最差一般最高较好可扩展性较好较差好一般可维护性较差较好最好较好通讯能力较弱强强较强开发周期短长较短较短应用领域各种领域运算控制各种领域价格较低较高高一般表8.2不同微处理器的性能对比基于单片机的中央处理系统的特点69①可靠性高：其工业抗干扰能力强，不易破坏；硬件集成度高。②易扩展：管脚丰富，很容易构成各种规模的计算机应用系统。③控制功能强：满足工业控制要求，逻辑操作以及位处理功能。

④存储器容量小：一般ROM为几k字节，RAM仅有几百字节。⑤体积小

特别适用于小型测控仪器和便携式测控仪器。常用的单片机DSP，PLC，ARM，FPGA等.70

2、基于计算机的中央处理系统外接式测控仪器构成71组合式测控仪器构成72第三节、仪器软件系统的设计一、软件系统的作用与特点：1）实现了对硬件控制和管理2）扩展了功能：提高分辨率和精度、信号分离、多功能数据处理、数据交换、智能化控制等复杂的功能3）界面友好：操作简单、使用方便、人机性好。4）完成特定的信息处理任务：曲线拟合、图像处理、目标识别73软件系统大大提高了仪器的设计水平！二、软件系统的设计原则1、实用性：满足仪器的功能要求2、先进性：先进成熟的技术手段3、可扩充性：架构易于升级4、灵活性：模块化设计5、规范性：遵守软件编写规范6、系统性：在仪器总体下考虑，“以软代硬”74三、软件系统的设计方法和过程1、