光电技术(第2版)第10章 典型应用1节

1、第10章 光电信息变换技术的典型应用 10.1 长度量光电测量的应用实例 本节介绍应用光电信息变换技术测量长度量的实例，以便系统掌握测量长度的基本方法。 10.1.1 钢板宽度的非接触自动测量 如图10-1所示为采用两个线阵CCD图像传感器对钢板宽度进行非接触自动测量系统原理图。探测器1与探测器2分别安装在同一个支撑架的两端，它们的中心距（如图所示）为l0。 宽度测量原理 如图10-2所示为宽度测量的原理方框图。稳定的远心照明光源1与2发出的光使被测钢板的边沿能够被成像物镜清楚地成像在两个线阵CCD的像敏面上，CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图10-3所示的信号U1与U2。 经二

2、值化处理或A/D转换在提取边界（软件二值化处理），得到如图10-3所示的二值化信号D1与D2。D1的下降沿对应于CCD1的第N1个像敏单元，D2的上升沿对应于2. 测量范围与测量精度CCD2的第N2个像敏单元，它们又分别表示钢板边缘的像在CCD1与CCD2像敏面上的位置。因此，可以推导出钢板的宽度的计算公式，为 （10-1） 式中，1与2分别为两个探测器光学成像物镜的横向放大倍率，S0为CCD像敏单元长，式中的正负号要根据CCD的安装方向确定。 （1）测量范围 钢板宽度的测量测量范围与两探测器的中心距l0有关，即与探测器安装架的调整与锁定方式有关。由式（10-1）可见，钢板的宽度L直接与l0有

3、关，若l0可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。另外，宽度的测量范围还与两探测器成像物镜的横向放大倍率1与2有关，与所选用的CCD像敏单元长及像元数N等参数有关。 （2） 测量精度 对式（10-1）取微分，由于系统确定后除像元数N1与N2外的其他参数均为常数，因此 (10-2) 显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的放大倍率等参数有关。 3. 测量速度 线阵CCD测量周期为其转移脉冲SH的周期T，它由所选线阵CCD的像元数N及驱动频率f决定，（10-3） 式中，Nd为大于线阵CCD虚设单元的任意数（由设计驱动器者决定）。显然，N与Nd值越大，SH的周期T越长，而提高驱动频率

4、f将缩短SH的周期T，提高测量速度。若驱动频率为数MHz，测量周期常为ms量级。11.1.2 板材定长剪切系统1. 定长裁剪系统的结构 在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板等板材）的生产、加工过程中，经常遇到定长度的剪切的工作。采用光电非接触测量系统可以使板材定长加工自动化，并获得高精度、高速度、质量稳定的效果。 裁剪系统的结构如图10-4所示。被裁板材经传动轮和从动导轮展开，并以一定的速度v经裁减装置(剪刀)输送到光电检测系统。光电检测系统由光源、光学成像系统(图中未画)和光电器件构成。2. 定长裁剪原理 当板材进入光电系统，遮挡光路到一定程度时，光电器件输出的信号经处理系统（图中省略）后，发

5、出执行命令信号。剪刀在裁剪控制系统接受执行命令操作裁剪系统执行裁剪动作。 设光电系统的中心安装在距裁剪剪刀口l0远处。当被裁板材沿箭头所示方向运动到光电探测系统的视场内，被裁板材边缘的像成在光电器件的光敏面上，使光电器件输出的光电流减小，输出电压降低。而且，随着板材的运动输出电压将越来越小。当它减小到一定程度，判别电路将输出电压跳变，使板材的运动停止，裁剪系统启动，剪刀下落将板材剪掉。 板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流又恢复到最大值，它使剪刀抬起，启动传动系统使板材继续沿箭头方向运动。实现传动与裁剪的自动控制。3. 定长裁剪系统精度分析 若裁剪系统的光电传感器采用面积为S的硅光电池

6、（或硅光电二极管），在光敏面全被入射光照射时，光电流IL很大，变换电路的输出为低电位，用做整形的非门电路输出为高电平。当光敏面部分被遮挡时，光电流IL减少，变换电路的输出电位增高，当它高于阈值电位Uth值时，非门电路输出将由高变低。输出控制传输系统和剪刀动作的命令。 设光源所发出的光经光学系统后均匀地投射到光电器件上，光敏面上的照度为E。当光电器件为矩形硅光电池时，它输出的光电流IL与入射光照度E的关系为 IL=SEA （10-4）其中，S矩形硅光电池的灵敏度，A为光电器件的受光面积，显然，在被裁板材没进入视场时为整个光电器件的光敏面。 当被裁板材进入视场后，受光面积A将减少，必将引起光电流I

7、L的下降。考虑硅光电池的灵敏度S为常数，光源所发出的光是稳定的，故也是常数，则，光电流IL的变化只与受光面积A有关，对于矩形硅光电池，面积为光电池的宽度b与长度L的乘积，即 IL=SEbL （10-5）被裁板材进入视场后，设光电池被遮挡的长度为l，光电流变为 IL=SEb（L-l） （10-6） 显然，光电流的变化与光电池被遮挡的长度l有关，对式（10-6）取微分得 IL=SEbl （10-7）式中的负号表明光电流随遮挡量的增加而减少。 可以推出图10-5中U随遮挡量的变化关系为 U= SEbRLl （10-8）表明，控制精度与反向电路的电压鉴别量有关，采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精

8、度，由式（10-8）推倒出的理论控制精度可以达到微米量级。但是，由于光源的稳定度，和生产环境（灰尘），震动，背景光等因素的影响可能带来远远超过计算的误差。选用PSD、线阵列光电二极管器件或线阵CCD等传感器为光电探测器，可以克服上述因素带来的误差，使实际控制精度得到提高。 10.3 利用激光准直技术测量物体的直线度与同轴度 1. 激光准直测量原理 激光准直仪具有拉钢丝法的直观性、简单性和普通光学准直的精度，并可实现自动控制。激光准直仪主要由激光器、光束准直系统和光电接收及处理电路三部分组成。激光准直仪还可以按工作原理可分为振幅测量法、干涉测量法和偏振测量法等。 下面仅介绍振幅(光强)测量法。

9、振幅测量型准直仪的特征是以激光束的强度中心作为直线基准，在需要准直的点上用光电探测器接收它。光电探测器一般采用光电池或PSD(位置敏感探测器)。将四象限光电池固定在靶标上，靶标放在被准直的工件上，当激光束照射在光电池上时，产生电压V1，V2，V3和V4。 如图10-11所示，用两对象限(1和3)与(2和4)输出电压的差值就能决定光束中心的位置。若激光束中心与探测器中心重合时，由于四块光电池接收相同的光能量，这时指示电表指示为零；当激光束中心与探测器中心有偏离时，将有偏差信号Vx和Vy。 Vx=V2V4，Vy=V1V3，其大小和方向由电表直接指示。这种方法比用人眼通过望远镜瞄准更方便，精度上也有

10、一定的提高，但其准直度受到激光束漂移、光束截面上强度分布不对称、探测器灵敏度不对称，以及空气扰动造成的光斑跳动的影响。为克服这些问题，常采用了以下几种方法来提高激光准直仪的对准精度。 (1) 菲涅耳波带片法 利用激光的相干性，采用方形菲涅耳波带片来获得准直基线。当激光束通过望远镜后，均匀地照射在波带片上，并使其充满整个波带片。于是在光轴上的某一位置出现一个很细的十字亮线，当用一个屏放在该位置上时，可以清晰地看到如图10-12所示的十字亮线。调节望远镜的焦距，十字亮线就会出现在光轴的不同位置上，这些十字亮线中心点的连线为一直线，这条线可作为基准来进行准直测量。由于十字亮线为干涉的结果，所以具有良

11、好的抗干扰特性。同时，还可以克服光强分布不对称的影响。(2) 位相板法 在激光束中放置一块二维对称的位相板，它由四块扇形涂层组成，相邻涂层光程差为/2 (即位相差为)。在位相板后面的光束任何截面上都出现暗十字条纹。暗十字线中心的连线是一条直线，利用这条线作基准可直接进行准直测量。若在暗十字中心处插入一方孔PA，在孔后的屏幕PB上可观察到一定的衍射分布，如图10-13所示。假若方孔中心精确与光轴重合，在PB上的第二衍射图像将出现四个对称的亮点，并被两条暗线(十字线)分开。 若方孔中心与光轴有偏移，那么，在PB上的衍射图像就不对称。这些亮点强度的不对称随着孔的偏移而增加。因此，这个偏移的大小和方向

12、可以通过测量PB上的四个亮点的强度得到。 (3) 双光束准直法 在PB处放一四象限光电池来探测，若I1、I2、I3、I4分别表示四个象限上四块光电池探测到的信号，则靶标的位移为 ； (10-27)式中，A=I1I3；B=I2I4。 菲涅耳波带片和位相板准直系统都采用三点准直方法，即连接光源、菲涅耳波带片的焦点(或方孔中心)和像点，从而降低了对激光束方向稳定性的要求。任何中间光学元件(如波带片或方孔)的偏移都将引起像的位移，为消除像移的影响可以将中间光学元件装在被准直的工件上，而把靶标装在固定不动的位置上。 该准直法使用一个复合棱镜将光束分为两束，当激光器的出射光束漂移时，经过棱镜以后的两个光束

13、的漂移方向相反，采用两光束的平分线作为准直基准可以克服激光器的漂移和部分空气扰动的影响。 10.3.2 不直度的测量 如图10-14所示为激光准直仪测量机床导轨不直度的测量原理图。将激光准直仪固定在机床床身上或放在机床体外，在滑板上固定光电探测靶标，光电探测器件可选用四象限光电池或PSD。测量时首先将激光准直仪发出的光束调到与被测机床导轨大体平行，再将光电靶标对准光束。 滑板沿机床导轨运动，光电探测器输出的信号经放大、运算处理后，输入到记录器或计算机，记录不直度曲线。也可以对机床导轨进行分段测量，读出每个点相对于激光束的偏差值。10.3.3 不同轴度的测量 大型柴油机轴承孔的不同轴度，以及轮船

14、轴系的不同轴度等的测量均可以采用激光准直仪和定心靶来进行。其测量原理如图10-15所示。在轴承座1两端的轴承孔中各置一定心靶2，并调整激光准直仪3使其光束通过两定心靶的中心，即建立了直线度基准。再将测量靶(与定心靶2同)依次放人各轴承孔，测量靶中心相对于激光束基准的偏移值。但要将激光束精确地调到两定心靶的中心位置比较费事。如图10-16(a)所示，要调整激光束通过A、B两点，仪器需要完成升降、左右平移、左右偏摆，上下俯仰等动作，因此相应的仪器结构也比较复杂。为了减少这些困难，可设计使激光光轴通过支承球体中心。这样，在测量不同轴度时，调整就比较简单，仪器结构也大为简化。 测量时仪器的支承球安装在

15、 A点上，如图10-16(b)所示，仪器仅需调整偏摆、 俯仰就可很快对准B点。这种激光准直仪还有一个优点，就是可以随时在球心处设置定心靶(图10-17)，来检查光束漂移的情况。光束漂移后还可通过非共轴的倒置伽利略望远镜系统，调整目镜或物镜的径向位置使光轴重新通过球心，从而在测量过程中消除了仪器因激光束漂移所带来的误差。 10.7 表面粗糙度的检测方法 1. 测量原理 用光纤测量表面粗糙度是近年来发展起来的一项新技术。它以光在粗糙表面的散射理论为基础，根据散射场的统计特性与表面粗糙度的特性之间的关系，通过对散射1514210场的测定来计算或评定表面粗糙度。由于光纤测量表面粗糙度具有结构简单，测量

16、省时，精度高以及能实现快速自动测量等优点，因此这种方法发展很快。 根据PBeakmann等人的理论，当一束光射至金属表面时，由于表面的微观不平，反射光将发生漫反射现象，其漫反射光强的表达式为 (10-36) 式中 I0为入射光强，T为表面相关长度，为光束入射角，为光束散射角，为光束波长，C为常数，L为被照亮面的长度。Rq为高低不平表面反射率的均方根值，为与表面粗糙度相关的函数，可以作为表面粗糙度的表征值。F为粗糙表面的反射函数，与粗糙表面反射率R及入射光的入射角有关。并且，漫反射光强可分为镜面反射光强与散射光强二部分之和，其中，镜反射光强为 (10-37) 散射光强为 (10-38) 上两式中

17、都含有Rq，可见，通过测量Is可以来计算或评定表面粗糙度，这就是镜反射法。如果能测得Is和Id求其比值，同样可以计算或评定表面粗糙度，这是求比值法。 由于求比值法和镜面反射法中含有F项或T项，从而带来了表面反射率和表面相关长度的影响，这是造成前述存在问题的主要原因。 从式（10-38）中可以看出，镜面反射光强项中不含有相关长度T值。这样，如果单测镜反射光强，即可消除表面相关长度的影响。镜面反射光强项中还含有与表面反射率R有关的F项，其表达式为 (10-39) 因此，F可以看作是表面反射率R随1、2变化的函数。 只有在120情况下，FR。此时有镜面反射光强为 (10-40) 如图10-38所示，

18、光纤1和光纤2同时以0角测量表面已知的粗糙度的标准样块和表面粗糙度未知的被测样块的表面镜反射光强。由于标准样块和被测样块是采用同种材料经相同的加工方法得到，因此，其表面反射率相同。因此，其表面反射率相同。 求比值得到 由于Rq2为已知， S可以计算或评定出Rq1值。 根据这个条件，设计如下测量装置。2. 实验装置 如图10-38(b)所示，系统采用溴钨灯光源，光纤传感器用Y型同轴光纤传光束。光源发出的光经过聚光镜，投射到传光束的入射端，再由光纤内芯投射到试件表面，光纤外环接收反射光。光电转换器件采用二只性能相同的PIN光电二极管，为消除杂散光的干扰，光纤外环出射端与光电二级管封闭在一起。二个表面反射光信号Is1和Is2经光电二级管分别转换成电信号Vs1和Vs2，再经放大和A/D转换，输入到单片机系统，经微机处理得到比值S，最后，按式(10-43)，求得被测试件表面粗糙度值，并送数码管显示。 3. 实验方法 由于实验过程与理论推导所假定的条件相差较大，所以，理论上推导的公式并不完全适用，必须对仪器进行在线定标，然后求出相应的拟合公式。 现在所使用的粗糙度标准是根据绝对测量法制定的。实际上，用触针法和用光切法得到粗糙度的值有很