第4章光电信息技术应用-1

• 激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。 • 回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后， 将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始 计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。 • 在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代 表来被测距离。 • 钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激 光脉冲的上升时间。
§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，一般可达兆瓦级。 脉冲激光测距的工作原理 见图。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。
3． 频率法测速 图是测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光 电传感器可接收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射片数， n为每分钟转速，则
f=nm/60=N/t，n=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。
3、 频率法测速
设m为反射片数，n为每分钟转速，则脉冲频率f f=nm/60 若在时间t内计数器测量脉冲数为N，则 nm/60=N/t→ n=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。
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激光测距仪的类型 – 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪 激光测距仪的特点 – 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大 激光测距仪广泛应用于工业、国 防军事、科学技术。
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a)工作过程
脉冲激光测距的方框图见图。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。
1、 直射型 光电转换器对着光源放置，并使他们的光轴 重合，即对于光源为发射光通量的最大方向，对 于光电转换器件为灵敏度最高的方向。 2、 反射型 分为单向反射和漫反射。 3、 辐射型 被测物体本生就是辐射源。
一、直接作用法
受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量 后由检测机构直接得到欲测的物理量，测量框图如图所示。 直接测量法的最大优点是简单方便，仪器设备造价低廉。这 种方法的缺点是检测结果受参数、环境、电压波动等影响较 大，精度及稳定性较差。适合于测量精度要求不高的场合。
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
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
§4.1 光电检测
光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。 它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并 综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测
1． 脉宽法测长
图给出了脉宽法测长的原理。 L＝vt＝vkN＝KN
其中，k是高频脉冲的时间当 量，即表示单位高频脉冲所代 表的时间，而K是长度当量， 即表示单位高频脉冲所代表的 长度。
以上对零件尺寸的测量都要求匀速直线运动，实现起来 较为困难，因此常用于精度要求不高的场合。
在上面的测量中，由于物体的震动，马达电压频率的波动等 使v不匀速，这样就可带来测量误差。为了消除这些误差，高 频脉冲可取之本系统的马达或传送带的转动轮上，图所示是 利用全脉冲法检测零件尺寸的例子
• 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量 装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形 状和大小要求。
• 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。
§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： 直射型
反射型
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
• 光电变换
– 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 – 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放 大和处理）。
• 电路处理
– 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控 制。
光电检测系统与人操作功能比较
• 被测物体
手控
感觉器官
人脑
• 被测物体
执行机构
光电传感
微机
• 光电传感部分相当于人身的感觉器官
量。
光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理
光电检测系统
• 光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电 器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光 辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射 等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐 射并转换为电信号。
• 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的 信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运 算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体 的几何量或物理量。
• 控制跟踪型
– 跟踪控制：激光制导，红外制导
– 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值 控制
• 图象分析型
– 图形检测 – 图形分析
光电检测技术的特点
• 高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 • 高速度：光速是最快的。
• 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。
• 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行 测量。
光电检测系统
光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 传 感 变 换 电 路
电 信 号 处 理
存 显 控
储 示 制
光学变换
电路处理
光电检测系统
• 光学变换
– – – –
时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
这样，只要判断uo的正负，就可知道被测工件的正负偏差， 只要测出uo的大小，就可知道工件的偏差值。
实用中，用变压器线圈比较麻烦，可改用另一种PSD，如图所 示。场效应管作为电子开关，-9V夹断。该电路实际上是用单 位方波作为参考信号去乘以信号电压，即正半周去控制信号导 通，相当于1×us =us，负半周去控制信号反相导通， -1×(-us) =us。同理，当参考信号与信号电压反相时，用单位方波的正 半周去控制信号反相导通，1×(-us) =-us，用单位方波的负半 周去控制信号导通-1×us =-us。
特点 • 结构简单 • 精度差
二、 差动法
利用被测量与某一标准量相比较，所得差或比反映了被测 量的大小。例如，用双光路差动法测量物体的长度，如图所 示。当调制盘转动时，一束光分为两束， φ1、φ2是交替的。
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。
光电检测系统的功能分类
• 测量检查型:
– 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、 距离。 – 运动量：速度、加速度、振动 – 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 – 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 – 机械量：重量、压力、应变、压强 – 电学量：电流、电压、电场、磁场 – 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光 谱
2. 双通道光电补偿式测量 在双光路差动法测量中，用相敏检波器的输出 量直接控制光楔上下移动，直到φ1－φ2＝0，即相 敏检波器的输出量为零，而光楔的上下移动与一个
读数机构相连，从读数机构的得到的读数正好反映
的光通量的变化量，也就是被测量的值。
四、 脉冲测量法
基本原理：
• 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。
脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远．主要缺点 是绝对测距精度较低。精度要求较高的场合可采用相位测 距法。
工作过程： 按下10→通过9给出整机复位→触发脉冲激光器1→产生激 光脉冲→由2取样作为起始点，与回波光脉冲一起经光阑3→ 干涉滤光片4→光电转换器件5→电脉冲经放大器6→整形器 7→控制电路8→打开门12→通过对11产生的标准时钟计数→ 显示电路13显示。
- 1/2· iERcos[2π(f1+f2)t+θ1+θ2] E
在高频信号被滤波器滤去后，就有
uo＝1/2· iERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2] E
如f1＝f2 ，则uo＝1/2· iERcos(θ1-θ2)= 1/2· iERcosΔθ E E
相敏检波器可以用来测幅，也可用来测相。输出u0 的正副有两个信号的相位差决定Δθ=0，输出为正， Δθ=π°，输出为负。
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(φ1φ2)=－SΔφ。
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
相敏检波器（Phase-Sensitive-Detector）的核心是一个乘法器 和一个滤波器，如图所示，一路为有用信号uS，另一路为参考 信号uR ，现设