第4章 光电信息技术1

第四章光电信息技术应用

第四章光电信息技术应用§4.1光电检测§4.2.光电控制§4.3光纤通信§4.4光纤传感器§4.5光电信息技术其它应用

1第三章光电信息转换§4.1光电检测

§4.1光电检测

§4.1.1光电检测基本方法§4.1.2几何量检测§4.1.3机械量检测§4.1.4温度检测§4.1.5机器人视觉系统2第三章光电信息转换§4.1.1光电检测基本方法

§4.1.1光电检测基本方法

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。光电传感器可以分为以下三种：

1、直射型2、反射型3、辐射型

根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等

3第三章光电信息转换

一．

直接作用法§4.1.1光电检测基本方法

4第三章光电信息转换

二．

差动法§4.1.1光电检测基本方法

5第三章光电信息转换

1．调整：

放入标准工件的尺寸，调整光楔，使φ1＝φ2，使μA表读数为“0”，

2．测量：

当工件尺寸无误差时，使φ1＝φ2，光电传感器输出U无交变分量，见图4.1.1－3；当工件尺寸变小时，φ1>φ2，光电传感器输出U有交变分量，幅值取决于φ1与φ2之差，U＝S(φ1-φ2)=SΔφ。

§4.1.1光电检测基本方法

6第三章光电信息转换

当工件尺寸变大时，φ1<φ2，光电传感器输出U有交变分量，幅值取决于φ1与φ2之差，U＝S(φ1-φ2)=－SΔφ。§4.1.1光电检测基本方法

7第三章光电信息转换3．结论：

1〕测量值的大小决定于u的幅值，测量值的正负决定于u的相位，可通过相敏检波器得到。2〕双光路测量可以消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，测量精度和灵敏度大大提高。4．相敏检波器(PSD)理论§4.1.1光电检测基本方法

8第三章光电信息转换

三、补偿法

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,补偿值的大小反映了被测量变化的大小.

四．

脉冲测量法

受被测量控制的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。

1．

脉宽法测长§4.1.1光电检测基本方法

9第三章光电信息转换

图4.1.1－8给出了脉宽法测长的原理。被测物L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉宽来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，则

L＝vt＝vkN＝KN

2．

相位法测距

§4.1.1光电检测基本方法

10第三章光电信息转换

3．

频率法测速

图4.1.1－10是测速的原理框图。设m为发射片数，n为每分钟转速，则f=nm/60=N/tn=60N/（mt）

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。

§4.1.1光电检测基本方法

11第三章光电信息转换§4.1.2几何量检测

§4.1.2几何量检测

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，—般可达兆瓦级。由于上述两点，脉冲激光测距在有反射器的情况下(见图4.1.2－2，在2处装有反射器)，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，那末不必使用反射器，12第三章光电信息转换§4.1.2几何量检测

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。

13第三章光电信息转换

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。

§4.1.2几何量检测

脉冲激光测距的工作原理见图4.1.2－1。14第三章光电信息转换

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.

§4.1.2几何量检测

脉冲激光测距的方框图见图4.1.2－2。15第三章光电信息转换

由光电器件5得到的电脉冲，经放大器7以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路8。由参考信号产生的负脉冲A(图4.1.2－3(d))经控制电路8去打开电子门12。这时振荡频率一定的时钟振荡器11产生的时钟脉冲，可以通过电子门12进入计数显示电路13，计时开始。§4.1.2几何量检测

16第三章光电信息转换

当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门12，计时停止。计数和显示的脉冲数如图4.1.2－3(g)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。2．相位测距法

测距用的调制光波形如图4.1.2—5所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长λ可由下式求出

λ=c/f§4.1.2几何量检测

17第三章光电信息转换

如果设光波从A到B点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为φ，则由图4.1.2—6看出，φ可由2π的倍数来表示：φ＝M·2π十Δφ=(M十Δm)2π

式中M——零或正整数；

Δm——是个小数，

Δm＝Δφ/2π§4.1.2几何量检测

18第三章光电信息转换

从图4.1.2—5可看出，光波每前进一个波长λ，相当于相位变化了2π，因此距离D可表示如下：

D＝λ(M十Δm)

由上分析可知，如果测得光波相位移φ中2π的整数和小数，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λ就是相位式激光测距仪的“测尺”长度。图4.1.2—6说明了光波在距离D上往返后的相位变化。为了便于理解，假设测距仪的接收系统置于A'(实际上测距仪的发射和接收系统都是在A点)，§4.1.2几何量检测

19第三章光电信息转换并且AB=BA',AA'=2D。则

2D=λ(N+Δn)

或

D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)式中N——零或正整数，为波长λ或相位2π的倍数；

Δn—-是个小数,Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；

L——称它为测尺长度，Ls＝λ/2

当距离D大于测尺长度L时，仅用一把“光尺”是无法测定距离的。但当距离D小于测尺长度L，即N等于零时，式上变为

D＝LsΔn＝LsΔφ/2π§4.1.2几何量检测

20第三章光电信息转换

以上分析说明，用一组测尺共同对距离D进行测量就可以解决距离的多值解，其实质是解决了测距仪高精度和长测程的矛盾。在这组测尺中，最短的测尺保证了必要的测距精度，而较长的测尺则保证了仪器所必要的测程。二.直径的光电检测

1.大直径的测量图4.1.2—7示出双光路测径装置的原理图。

§4.1.2几何量检测

21第三章光电信息转换§4.1.2几何量检测

22第三章光电信息转换

下面按标准直径为D0、大于或小于D0三种情况讨论。（a）被测件12为标准直径D0

(b)

被测件的直径小于D0。(c)

被测件的直径大于D0

§4.1.2几何量检测

23第三章光电信息转换

2.小直径的测量

如图4.1.2-9(a)所示,当用激光器1或平行光照射细丝2时，在其后面相距较远的屏幕3上便能获得夫琅和费衍射图像，o点最亮，被测细丝2的直径d可按下式计算：

d＝λL/s

图4.1.2-9(b)示出测量细丝直径的原理图。

§4.1.2几何量检测

24第三章光电信息转换

三.

光电测长

激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪，其简化结构如图4.1.2－10，光源1是一台单模稳频的氦—氖气体激光器，它发出的激光到达干涉仪中的半透半反镜M后，被分成两光束A和B。这两束光分别经全反射镜MA和MB反射后，汇合到光电倍增管3上。这两束光所走过的光程(路程)是不同的，因此产生干涉若把反射镜MA固定，则光束A的光程不变。镜MB固定在可移动的平台8上，它与待测物体7一起移动，这样就改变了光束B的光程。当平台移动半个波长(λ／2)时，光束B往返的光程改变了1λ，于涉§4.1.2几何量检测

25第三章光电信息转换条纹变化一周期。平台连续移动，干涉条纹将明暗交替变化，这种明暗变化被光电倍增管3所接收，并转换为电量的变化，再经过计数电路4，将干涉条纹的变化数记录下来。这时待测物体的长度可按下式计算而得

l＝N·λ/2

式中l——待测物体的长度；

λ——光的波长；

N——计数器测得的脉冲数。。§4.1.2几何量检测

26第三章光电信息转换§4.1.3机械量检测

§4.1.3机械量检测

一．速度的光电检测

1．多普勒效应

光电测速利用多普勒效应的原理。声波的多普勒效应是人们所熟悉的。火车鸣笛通过，开来时声音尖叫，离去时声音低沉，这就是声波的多普勒效应。光波也有类似的现象，当光源和光接收器之间存在相对运动时，光接收器接收到的就不是光源发出的频率。27第三章光电信息转换

以V表示光源S对于观察者P的相对运动速度，以a表示相对速度方向和光速进行方向(即光源到观察者的方向)的夹角(图4.1.3－1)。由于多普勒效应，观察者P接收到的光波频率f可表示为:式中

f0——光源发出的原频率，

c＝c0/n是光在介质中的光速，其中c0是真空中的光速，n是介质的折射率。多普勒频移Δf为§4.1.3机械量检测

28第三章光电信息转换2．利用多普勒效应测量固体的运动速度

使用激光测速仪可以测量板、线、管材等的速度。原理见图4.1.3－2。

可得在P'点接收的光频为：

§4.1.3机械量检测

29第三章光电信息转换多普勒频移Δf为：上式整理后可得物体的运动速度

式中

λ0=c/f0

。由上式可知，如果激光波长λ0已知，光电接受方向选定后，只要测出频差Δf，即可得到物体的运动速度。§4.1.3机械量检测

30第三章光电信息转换

一．

机械振动的光电检测

1.光电测振的原理

图4.1.3－4(a)示出测量旋转体或旋转轴振动的原理。

当旋转体振动时使一个光电器件上的电流增大，另一个光电器件上的电流减小，其原理示于图4.1.3－4(b)。

§4.1.3机械量检测

31第三章光电信息转换2.用PSD测量旋转轴的振动

用PSD测量旋转轴振动的原理示意图如图4.1.3－5。§4.1.3机械量检测

32第三章光电信息转换§4.1.4温度检测

§4.1.4温度检测

一．工作原理

根据斯蒂芬－波兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从0－所辐射的总能量为

E＝T4

式中，为黑体系数，对应黑体＝1，其它物体<1，为常数，数值等于5.668610-12w·cm-2·k-4。

因此，只要测出部分辐射能量E'，就可得到物体的温度T。

33第三章光电信息转换温度直接测量法的原理框图如图4.1.4－1所示。

二．

部分辐射光电高温计

1．

原理采用光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，采用补偿法。

§4.1.4温度检测

34第三章光电信息转换

2.结构结构框图如图4.1.4－2所示。图中，由热体辐射的能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上，

§4.1.4温度检测

35第三章光电信息转换调制盘结构如图4.1.4－3所示，φ1为热体辐射的光通量，φ2是参考光通量，调整可变电阻R可改变φ2的光通量。由调制盘的结构可知，φ1和φ2交替照射在光敏电阻上，光敏电阻输出U的波形如图4.1.4－4.§4.1.4温度检测

36第三章光电信息转换

一．

光电比色温度计

1．

原理

对应于黑体，则有维恩公式可推得：

或

对于非黑体来说，根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度Tc。比色温度Tc和实际温度T有如下关系：

§4.1.4温度检测

37第三章光电信息转换

式中，ελ1和ελ2是物体的黑度系数，对于灰体来说，ελ1ελ21，即比色温度与真实温度是一致的。因此，比色温度的概念是对两个波长引入的，而实际上为两个波段，利用光电器件和适当电路，测量两个光波段内辐射能量的比值，经过一定的关系运算后就可得到被测温度。两个波段的选择，在实用中，对于高温测量，由于辐射能量足够大，可将波段选得尽量窄而且靠近，对于低温测量，辐射能量较小，可选两个较宽、但是尽量靠近、甚至部分重叠的波段，以减少黑度系数的影响。§4.1.4温度检测

38第三章光电信息转换

3．结构

光电比色温度计的结构分单通道和双通道两种。

双通道有两个通道和两个光电器件如图4.1.4－5所示。

§4.1.4温度检测

2．

优点39第三章光电信息转换

单通道比色计只有一个光电器件和一条通道，用调制盘将两个波段的辐射能量交替投射于同一个光电器件上，由它转换成电信号，经放大后加至流比计。它的光学系统如图4.1.4－6（a）所示，调制盘3的布置见图4