第7章 光电式传感器2

1、1第第 7 章章 光电式传感器光电式传感器 2传感器原理北京化工大学信息科学与技术学院测控系2第第7章章 光电式传感器光电式传感器 2光电式光电式第三节第三节 光电传感器的应用光电传感器的应用2 2 一、利用几何光学原理进行距离测量一、利用几何光学原理进行距离测量 二、金属丝的杨氏模量二、金属丝的杨氏模量测量测量 三、三、激光测距激光测距-传输时间激光测距传感器传输时间激光测距传感器 四、激光测长四、激光测长 五、激光陀螺五、激光陀螺传感器原理传感器原理3一、利用几何光学原理进行距离测量一、利用几何光学原理进行距离测量三角法测距三角法测距 1下图为三角法测量原理图下图为三角法测量原理图图中图中

2、 x，y 坐标中坐标中O 为坐标原点，测量系统基准线为坐标原点，测量系统基准线AB的中点的中点Q 为待测点为待测点X，Y 为待测量点为待测量点Q坐标坐标L 为基准线为基准线AB的长度的长度A(-L/2, 0)B(L/2, 0)tan)2(XLYtan)2(XLYOxy三角法测量原理三角法测量原理Q（X, Y）E第四节第四节 光电传感器的应用光电传感器的应用2 24A(-L/2, 0)B(L/2, 0)OQ（X, Y）tan)2(XLYtan)2(XLYxy三角法测量原理三角法测量原理E利用几何光学原理进行距离测量利用几何光学原理进行距离测量光线沿着光线沿着AQ和和BQ传播，如果能测出两条光线与

3、基准线的夹角传播，如果能测出两条光线与基准线的夹角、，则直线则直线QE（Y）为：）为：AQE：BQE：测点的坐标为：测点的坐标为：tantantantan LYtantantantan21LXtan)2(XLYtan)2(XLY5三角法测距三角法测距 2利用三角测量原理可构成利用三角测量原理可构成简单距离测量传感器，简单距离测量传感器，如图所示。如图所示。A点为入射透镜的中心（称点为入射透镜的中心（称为主点），从光源来的光经为主点），从光源来的光经过透镜聚焦后，以一束细小过透镜聚焦后，以一束细小的光照在被测物上，的光照在被测物上，被测对象被测对象dRS三角法测距传感器三角法测距传感器B点为受光

4、透镜的主点，受点为受光透镜的主点，受光透镜用以对来自于被测光透镜用以对来自于被测物的反射光线进行成像。物的反射光线进行成像。被测物将光反射（不能散被测物将光反射（不能散射）射）xy0入射透镜入射透镜受光透镜受光透镜LAQ（X, Y）光光源源B面型传感器面型传感器6ABLxyQ（X, Y）0dRS光源光垂直照射于物体，光源光垂直照射于物体，所以角所以角= 90。利用面型传感器可测出反利用面型传感器可测出反射成像的位置射成像的位置R，因为因为B点点与面型传感器之间的距离与面型传感器之间的距离BS=d 为已知，故角度为已知，故角度可可由直角由直角BRS求得，所以被求得，所以被测物体的距离为：测物体的

5、距离为：Y=Ltan实际传感器光源为半导体实际传感器光源为半导体激光，激光，面型传感器为位置检测器面型传感器为位置检测器PSD。光光源源被测对象被测对象面型传感器面型传感器入射透镜入射透镜受光透镜受光透镜ABLxyQ（X, Y）0dRS三角法测距传感器三角法测距传感器7PSD（Position Sensitive Detector）位置检测器是一种对感光面位置检测器是一种对感光面上入射光点位置敏感的器件，与光源组合可实现位置的测量。上入射光点位置敏感的器件，与光源组合可实现位置的测量。PSD位置检测器位置检测器工作原理：工作原理：入射光点打到入射光点打到PSD传感器上，根据入射光点作用位置不同

6、，由电传感器上，根据入射光点作用位置不同，由电极极1和电极和电极2输出的电流输出的电流I1、I2会发生变化，且电流的大小与其会发生变化，且电流的大小与其到输到输出电极的距离出电极的距离成反比，即：成反比，即：xIxLI21212IILIx8二、二、PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量中的应用位置传感器在杨氏弹性模量测量中的应用测量的核心问题是如何测量钢丝的微小伸长，对此测量方法有测量的核心问题是如何测量钢丝的微小伸长，对此测量方法有光杠杆法光杠杆法霍尔位置传感器霍尔位置传感器叠栅条纹技术等叠栅条纹技术等金属丝的杨氏弹性模量是金属力学性质的一个重要参数，一般金属丝的杨氏弹性模量是金属力学性质的一个

7、重要参数，一般是用拉伸法来测。是用拉伸法来测。 本例介绍用光电位置传感器本例介绍用光电位置传感器 PSD(Position Sensitive Detector)的的测量装置，该方法不但能精确测出杨氏模量值，而且可得出钢测量装置，该方法不但能精确测出杨氏模量值，而且可得出钢丝受力作用后，伸缩过渡过程的规律。丝受力作用后，伸缩过渡过程的规律。 这些方法各有优缺点，但是它们共同的缺点就是只能得出加砝这些方法各有优缺点，但是它们共同的缺点就是只能得出加砝码后最终的钢丝长度，而不能测出当加上砝码以后钢丝是如何码后最终的钢丝长度，而不能测出当加上砝码以后钢丝是如何变化的（钢丝长度变化的过渡过程）。变化的

8、（钢丝长度变化的过渡过程）。9金属丝的杨氏模量测量金属丝的杨氏模量测量由虎克定律可知由虎克定律可知金属丝长为金属丝长为L截面积为截面积为S 当受到沿长度方向的拉力当受到沿长度方向的拉力F 作用时，作用时，在弹性限度以内，它将伸长一定长度在弹性限度以内，它将伸长一定长度L，那么单位长度的伸长量与单位截面积那么单位长度的伸长量与单位截面积所受的拉力成正比，所受的拉力成正比，式中：E 金属丝的杨氏弹性模量S 金属丝截面积L 金属丝长度L 金属丝长度变化量d 金属丝截面积半径LLESFLSFLEFLL金属丝的杨氏模量测量金属丝的杨氏模量测量杨氏模量杨氏模量(Youngs modulus)是表征在弹性限

9、度内物质材料抗拉或是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量。抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量。 10测量原理测量原理凸透镜激光发生器PSD放放大大器器I1I2数数据据处处理理钢丝PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图钢丝钢丝长长L=7888.40.5mm，直径直径d=0.5400.001mm，砝码采用英制砝码采用英制 1/20磅砝码，即磅砝码，即 m=22.40.5g，重力加速度取重力加速度取g=9.8m/s2 PSD保持一个角度，即让保持一个角度，即让PSD与发射的激光光线保持与发射的激光光线保持平行。平行。激光经凸透镜射到反光

10、激光经凸透镜射到反光平面上平面上，再反射到再反射到PSD传感器的感光表面上。传感器的感光表面上。然后加砝码（保持钢丝然后加砝码（保持钢丝无摆动），钢丝伸长，无摆动），钢丝伸长，反射光在反射光在PSD上（直线）上（直线）位置变化为位置变化为 r。加法码前的位置反光平面L加法码后的位置r11测量原理测量原理 L = r cos 伸长量伸长量 L 和光点移动量和光点移动量 r 的关系为：的关系为：凸透镜激光发生器PSD放大器I1I2数据处理钢丝PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图加法码前的位置反光平面L加法码后的位置rLr L = r cos LSFLE根据杨氏

11、模量的计算公式：根据杨氏模量的计算公式：式中：E 金属丝的杨氏弹性模量S 金属丝截面积L 金属丝长度L 金属丝长度变化量即可由测得的即可由测得的 L计算出待求的计算出待求的E。12三、激光测距三、激光测距 - - 传输时间激光测距传感器传输时间激光测距传感器 激光在检测领域中的应用十分广泛，有一定的技术含量，对生激光在检测领域中的应用十分广泛，有一定的技术含量，对生产实际有重要的现实意义。产实际有重要的现实意义。激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。亮度高、单色性好等许多优点。传输时间激光测距

12、传输时间激光测距虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。激光测距传感器由于技术上取得了重大进展，使其价格已降到激光测距传感器由于技术上取得了重大进展，使其价格已降到几百美元，从而使它有可能成为许多长距离检测场合最经济有几百美元，从而使它有可能成为许多长距离检测场合最经济有效的检测手段。效的检测手段。 1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380 103km）误差只有误差只有250m。1969年美国人登月后置反射镜于月面，也

13、用激光测量地月之间年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之间距离，误差只有距离，误差只有15cm。 13利用激光传输时间来测量距离的基本原理利用激光传输时间来测量距离的基本原理通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离CtL21传输时间激光传感器工作时传输时间激光传感器工作时先由激光二极管（发射望远镜）对准目标发射先由激光二极管（发射望远镜）对准目标发射激光脉冲激光脉冲（高速（高速Q开关）。该信号为主波信号。开关）。该信号为主波信号。经目标反射后激光向各方向散射。经目标反射后激光向各方向散射。（接收器对准测量目标）部分散射光返回到传感器接收器（

14、接收（接收器对准测量目标）部分散射光返回到传感器接收器（接收望远镜），被光学系统接收后作为回波信号。望远镜），被光学系统接收后作为回波信号。月球月球地球地球L = Ct /2发射望远镜发射望远镜主波信号主波信号接收望远镜接收望远镜回波信号回波信号14月球月球地球地球L = Ct /2回波信号送到雪崩光电二极管（雪崩光电二极管是一种内部具有回波信号送到雪崩光电二极管（雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号）上形放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号）上形成电信号，再经放大整形后送入时间测量系统。成电信号，再经放大整形后送入时间测量系统。记录并处

15、理从光脉冲发出主波信号到接收回波信号所经历的时间记录并处理从光脉冲发出主波信号到接收回波信号所经历的时间 t，即可测定目标距离即可测定目标距离 L。传输时间激光传感器必须传输时间激光传感器必须极其精确地测定传输时间极其精确地测定传输时间，因为光速太，因为光速太快。快。发射望远镜发射望远镜主波信号主波信号接收望远镜接收望远镜回波信号回波信号15例例光速光速C约为约为3 108m/s，要想使分辨率达到要想使分辨率达到1mm（测量光走（测量光走1mm距离所用的时间），则传输时间测距传感器的电子电路必须能距离所用的时间），则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：分辨出以下极短的时间：

16、 pssmm3/103001. 08要分辨出要分辨出3ps的时间，这对电子技术提出了过高要求，实现起来的时间，这对电子技术提出了过高要求，实现起来十分困难、造价非常高。十分困难、造价非常高。通过示速脉冲振荡器，测取从主波信号发出到接收到回波信号之通过示速脉冲振荡器，测取从主波信号发出到接收到回波信号之间的震荡脉冲数，从而获得主波到回波的时间。间的震荡脉冲数，从而获得主波到回波的时间。ps 微微秒、沙秒、毫纤秒（微微秒、沙秒、毫纤秒（10-12秒）秒）但是如今廉价的传输时间测距激光传感器巧妙地避开了这一障但是如今廉价的传输时间测距激光传感器巧妙地避开了这一障碍，碍，利用统计学原理，即平均法则实现

17、了利用统计学原理，即平均法则实现了1mm的分辨率的分辨率。能保。能保证响应速度。证响应速度。16四、激光测长四、激光测长激光测长技术是利用激光的单色性和方向性测量长度的一种长度激光测长技术是利用激光的单色性和方向性测量长度的一种长度测量技术。常用的方法有干涉法、扫描法、光强法和准直法。测量技术。常用的方法有干涉法、扫描法、光强法和准直法。干涉法干涉法干涉法基于光波的干涉现象进行精密测长。干涉法基于光波的干涉现象进行精密测长。光波干涉现象：光波干涉现象：如右图所示，两束具有相同频率、相位如右图所示，两束具有相同频率、相位和振动方向的光波和振动方向的光波S1、S2，经过不同的，经过不同的光程后在空

18、间相交。当光程差等于波长光程后在空间相交。当光程差等于波长整数倍时，波峰与波峰相遇叠加，光亮整数倍时，波峰与波峰相遇叠加，光亮加强，出现加强，出现亮的干涉条纹亮的干涉条纹；当光程差等；当光程差等于半波长的奇数倍时，波峰与波谷相遇，于半波长的奇数倍时，波峰与波谷相遇，光亮减弱，出现光亮减弱，出现暗的干涉条纹暗的干涉条纹。这种现。这种现象称为象称为光波的干涉现象光波的干涉现象。17l =N/2利用干涉法测量位移的原理如下图所示。利用干涉法测量位移的原理如下图所示。从光源发出的光，经分光镜分为两路。从光源发出的光，经分光镜分为两路。一路透过分光镜射向可动反射镜一路透过分光镜射向可动反射镜M1；另一路

19、由分光镜反射到固定反射镜另一路由分光镜反射到固定反射镜M2；并分别从并分别从M1、M2反射回来，经过分光镜叠加在接受屏上。反射回来，经过分光镜叠加在接受屏上。每当每当M1移动移动1/2波长时，接受屏上的干涉条纹就会出现一次由暗到波长时，接受屏上的干涉条纹就会出现一次由暗到亮或者由亮到暗的变化。亮或者由亮到暗的变化。计算这些明暗变化次数即可以计算出计算这些明暗变化次数即可以计算出M1的移动量（位移量）。的移动量（位移量）。利用这一原理测量位移的光学系统称为迈克尔逊干涉系统。利用这一原理测量位移的光学系统称为迈克尔逊干涉系统。位移量计算公式：位移量计算公式：N为干涉条纹数。为干涉条纹数。18利用专

20、门的测量及计算方法，利用专门的测量及计算方法，条纹挪动数可精确测到几十分之一到几百分之一，条纹挪动数可精确测到几十分之一到几百分之一，对可见光波段，长度可精确测量到对可见光波段，长度可精确测量到10-6m。S激光光源激光光源P1P2M2M1L1L2计数器计数器ll2l1MBM2MBM1、M2 平面镜MB 分束器L1、L2 透镜应用这一原理可测微小长度、光波波长和透明媒质的折射率。应用这一原理可测微小长度、光波波长和透明媒质的折射率。迈克耳孙干涉仪迈克耳孙干涉仪的干涉条纹的干涉条纹19五、激光陀螺（五、激光陀螺（Laser Gyroscope）陀螺仪陀螺仪(gyroscope)意即意即“旋转指示

21、器旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。陀螺仪陀螺仪陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。达到了精密仪器领域内的高技术水平。随着光电技术、微米纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤随着光电技术、微米纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代

22、物陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件高速转子，高速转子，称为称为固态陀螺仪固态陀螺仪。20激光陀螺仪的工作原理是基于激光陀螺仪的工作原理是基于萨格纳克萨格纳克(Sagnac)效应效应。激光陀螺仪激光陀螺仪1913年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。如图所示，将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们如图所示，将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕在同一个环路内沿相反方向循

23、行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是上产生干涉。这就是萨格纳克效应萨格纳克效应。萨格纳克萨格纳克(Sagnac)效应效应萨格纳克效应中条纹移动数与萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。积之积成正比。21激光陀螺仪即是基于激光陀螺仪即是基于萨格纳克萨格纳克效应利用光程差来测量旋转角速度。效应利用光程差来测量旋转角速度。M5辅助镜辅助镜M1镜镜M2镜镜M3镜镜M4半透明镜半透明镜光接收器光接收器导航基准坐标系导航基准坐标系气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器气体激光器惯性坐标系惯性坐标系激光陀螺仪是激光陀

24、螺仪是一种一种惯性元件，惯性元件，它由它由导航基准坐标系、惯性坐标系组成。导航基准坐标系、惯性坐标系组成。陀螺仪陀螺仪感应感应惯性坐标系相对导航基准坐标系的角偏差惯性坐标系相对导航基准坐标系的角偏差（效应）（效应），并将这个信号提供给惯性系统。并将这个信号提供给惯性系统。22M5辅助镜辅助镜M1镜镜M2镜镜M3镜镜M4半透明镜半透明镜光接收器光接收器激光陀螺是一个在惯性坐标系内转动的激光陀螺是一个在惯性坐标系内转动的环行谐振腔激光器环行谐振腔激光器。环行谐振腔激光器结构如图。环行谐振腔激光器结构如图。在正方形的四个边上放置四个稳频氦氖激光器，其两端都可输出激在正方形的四个边上放置四个稳频氦氖激光器，其两端都可输出激光；环行谐振腔激光器构成惯性坐标系；光；环行谐振腔激光器构成惯性坐标系；导航基准坐标系导航基准坐标系与被测系统与被测系统固定在一起，在其四边形的固定在一起，在其四边形的四个顶角，分别固定装有与四个顶角，分别固定装有与激光成激光成 45的四块反射镜，的四块反射镜，M1、M2、M3为全反射镜，为全反射镜，M4为部分反射镜。为部分反射镜。当光束沿着两个相反方向循环当光束沿着两个相反方向循环传播时，激光的振荡谐振频率传播时，激光的振荡谐振频率Vn=nC/L式中：L 整个光回路的有效程长C 光