第4章 光电信息技术1

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
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第三章 光电信息转换
§4.1.1 光电检测基本方法
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)，
第三章 光电信息转换 19
§4.1.2 几何量检测
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并且AB=BA',AA'=2D。则
2D=λ(N+Δn)
或 式中
D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)
(b) 被测件的直径小于D0。
(c) 被测件的直径大于D0
第三章 光电信息转换
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§4.1.2 几何量检测
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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：
λ=c/f
第三章 光电信息转换 17
§4.1.2 几何量检测
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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
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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
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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。
第三章 光电信息转换 18
§4.1.2 几何量检测
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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。
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§4.1.3 机械量检测
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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)。
第三章 光电信息转换 31
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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
第三章 光电信息转换
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§4.1.1 光电检测基本方法
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。
。
第三章 光电信息转换
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§4.1.3 机械量检测
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§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 。
第三章 光电信息转换
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§4.1.1 光电检测基本方法
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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。
第三章 光电信息转换 7
§4.1.1 光电检测基本方法
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第三章 光电信息转换 25
§4.1.2 几何量检测
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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
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。
第三章 光电信息转换
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§4.1.3 机械量检测
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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:
第三章 光电信息转换 12
§4.1.2 几何量检测
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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。
第三章 光电信息转换
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§4.1.2 几何量检测
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脉冲激光测距的工作原理见图4.1.2－1。
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
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
第三章 光电信息转换 3
§4.1.1 光电检测基本方法
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一． 直接作用法
第三章 光电信息转换
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§4.1.1 光电检测基本方法
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二． 差动法
第三章 光电信息转换
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§4.1.1 光电检测基本方法
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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(φ1φ2)=SΔφ。
图4.1.2—7示出双光路测径装置的原理图。
第三章 光电信息转换
Байду номын сангаас
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§4.1.2 几何量检测
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第三章 光电信息转换
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§4.1.2 几何量检测
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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
§4.1.3 机械量检测
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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 。
第三章 光电信息转换
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
第三章 光电信息转换 28
§4.1.3 机械量检测
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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。
§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
第三章 光电信息转换
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§4.1.1 光电检测基本方法
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§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：
可得在P'点接收的光频为：
第三章 光电信息转换
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§4.1.3 机械量检测
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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/f 0 。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。
第三章 光电信息转换
d＝λL/s
图4.1.2-9(b)示出测 量细丝直径的原理图。
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第三章 光电信息转换
§4.1.2 几何量检测
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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