第5章光电信息变换光信息电学信息第5章光电信息变换光电信息变换器光源光学系统光电传感器偏置电路处理电路5.l光电信息变换的分类5.1.1光电信息变换的基本形式信息载荷于光源信息载荷于透明体载荷于反射光载荷于遮挡光载荷于光学量化器光通讯方式图5-1信息载荷于光源中的情况(或光学信息为光源本身)温度信息频谱信息强度信息钢水温度的探测光谱分析火灾报警武器制导夜视观察地形地貌普查成像测量1.信息载荷于光源的方式物体自身辐射通常是缓慢变化的,因此,经光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰,常采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交流信号,然后再解调出被测信息。例:在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐射出射度Me,λ,物体的全辐射出射度Me,λ与物体温度T的关系为:Me,λ=εMe,λ,s=εσT4US=mτSGKMe,λ=ξMe,λ=ξεσT4光电传感器的变换电路输出的电压通过测量输出电压,并进行相应的标定就能够测出物体的温度。信息可为透明体的透明度,透明体密度的分布,透明体的厚度,透明体介质材料对光的吸收系数等都为载荷信息的方式。提取信息方法是求解:le0Cle02.信息载荷于透明体的方式吸收系数α与介质的浓度C成正比即α=μC则:变换电路的输出信号电压CleU0s利用此信号可以方便地得到介质的浓度C或厚度l等反射有镜面发射与漫反射两种,各具有不同的特点。镜面发射用于测量物体的运动、转动的速度,相位等方面。漫反射本身载荷物体表面性质的信息,例如反射系数载荷表面粗糙度及表面疵病的信息。在检测产品外观质量时,变换电路输出的疵病信号电压US=E(r1-r2)Bξ式中E为被测表面的照度,r1为正品(无疵病)表面的反射系数,r2为疵病表面的反射系数,B为光电器件有效视场内疵病所占的面积,ξ为光电变换系数。可以通过US判断表面疵病的程度和面积。3.信息载荷于反射光的方式物体部分或全部遮挡入射光束,或以一定的速度扫过光电器件的视场,可实现信息载荷于遮挡光。例如:设光电器件光敏面的宽度为b,高度为h,当被测物体的宽度大于光敏面的宽度b时,物体沿光敏面高度方向运动的位移量为Δl,则物体遮挡入射到光敏面上的面积变化为ΔA=bΔl信号电压为ΔU=EΔAξ=EbξΔl可见,用这种方式可以检测被测物体的位移量Δl、运动速度v和加速度等参数,又可以测量物体的宽度b。4.信息载荷于遮挡光的方式直射式光电开关原理ObjectReceiver直射式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时,光线被阻断,接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关(计数)光幕应用(续)三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕应用(续)光幕用于自动收费系统的车辆检测光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法。光学量化器包含有光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。例如,将长度信息量L经光学量化后形成n个条纹信号,则长度信息L为L=qn式中,q称为长度的量化单位,它与光学量化器的性质有关,量化器确定后它是常数。目前,这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。5.信息载荷于光学量化器的方式这种方式,信息首先对光源进行调制,发出载有各种信息的光信号,通过光导显微传送到远方的目的地,再通过解调器将信息还原。由于光纤传输的媒体常为激光,它具有载荷量大,损耗小,速度快,失真小等特点现已广泛地用于声音和视频图像等信息通讯中。6.光通讯方式的信息变换光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式,称为光信息通讯的变换方式。光电信息变换和信息处理方法可分为2类:一类称为模拟量的光电信息变换,例如前4种变换方式;另一类称为数字量的光电信息变换,例如后2种变换方式。1.模拟光电变换被测的非电量信息载荷于光信息量时,常为光度量的方式送给光电器件,光电器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数:Ip=f(Q)或Up=f(Q)为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系,载体光度量必须稳定。另外,电路参数的变化,放大电路的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。5.1.2光电信息变换的类型2.模-数光电变换在这类光电变换中,被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息(包括光脉冲、条纹信号和数字代码等),再经光电变换电路输出。模-数光电变换只要输出“0”和“1”(高、低电平)两个状态的脉冲即可。输出信号数字信息量F与被测信息量Q的函数关系为:F=f(Q)显然,数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数,而与光的强度无关,也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。光电变换电路输出信号的方式应与光电信息的函数关系相一致,因此,光电变换电路也有模拟和模-数两种类型。5.2.1模拟光电变换电路5.2光电变换电路的分类在对测量精度要求不高的情况下测量受照面的照度(例如测量教室课桌表面的照度)时,常采用简单照度计的变换电路。调整电位器可使微安表的指针指示出光敏面上的照度。光电池光电二极管图5-2为消除温度对测量的影响,采用具有温度补偿功能的光电变换电路。下图中D1为测光光电二极管,D2为补偿光电二极管,D1、D2及电阻、可变电阻器构成电桥。在背景光照下调整可变电阻器使电桥平衡,输出电压表指示为“零”。当测光光电二极管光敏面上的光照度发生变化时,电桥失去平衡,输出电压表将指示出光敏面上的光照度。具有温度补偿功能的变换电路图5-3tbebe1betbetbet1be1)//(RrrIrRrRrRIU热敏电阻Rt可以补偿光电二极管的电流I1受环境温度的影响。下图为利用温度补偿电阻对光电测量电路进行温度补偿的电路,引入负温度系数的热敏电阻能够对光电变换电路进行温度补偿。设光电二极管的电流为I1,三极管的基极电压应为图5-4其中一路经被测溶液入射到测量光电池D1上,另一路经可调光光阑、反光镜到补偿光电池D2上,由光电池D1与D2构成电路为差分式光电变换电路。图7-7所示为光电比色计的电路原理图,这是个电桥差分式的光电变换电路。差分式光电变换电路图5-5图5-6所示为双光路差分式光电变换器的原理结构图。光源发出的光通过反光镜分别进入参考系统与测量光学系统。D1与D2的特性参数应尽量一致。D1与D2按图5-7所示的差分电路的形式连接。另一种常用的双光路双器件光电变换器如图5-8所示。双光路双器件光电变换电路的输出信号与测量系统和参考系统输出信号的差成正比,温度与光源的影响将被消除。图5-6图5-7图5-8对于微弱辐射信号的探测常采用光外差式光电变换电路。光外差式光电变换电路(1)光外差方式的光电变换电路具有超过常规光电变换电路的灵敏度;(2)光外差方式采用激光为变换媒体,而激光具有很强的方向性和频率选择性,使噪声带宽变得很窄,信噪比得到很大的提高。两光束在分光器上相干,得到差拍信号。辐射到光电探测器上的辐射为)]([]ee[sjωsω)sω(LttVREEReettje图5-9模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格,因此,电路的设计要比模拟光电变换电路简单得多。1.激光干涉测位移5.2.2模-数光电变换电路当M3沿着测量光束的光轴移动时,在M1上将出现亮暗交替的干涉条纹,其光强度的变化有一定的规律:图5-10光程差每变化波长λ时,干涉条纹暗亮变化一次,当干涉条纹变化n次时,光程差Δ=nλ。光程差Δ是动镜M3位移量L的二倍。因此,被测位移量为:L=nλ/2只要计量干涉条纹的个数n,便可测出测量头移动的长度。这种结构的量化单位为λ/2。测量头左右移动的方向可以采用图5-11所示判断,根据两个光电器件输出脉冲的先后判断测量头的移动方向。然后,采用可逆计数器进行加、减计数。图5-11)2/sin(2dm两块光栅以微小角度重叠时,在与光栅大致垂直的方向上,将看到明暗相间的粗条纹,称为莫尔条纹(moirefringe)。如图其中的a-a线透光面积最大,形成条纹的亮带,在b-b线上,光线被暗条相互遮挡,形成暗带。假设光栅的节距为d,两光栅的栅线夹角为θ,则莫尔条纹的间隔m与d和θ的关系为一般θ角很小,上式可简化为dm2.莫尔条纹测位移θdm图5-12θdm当两光栅相对移动时,莫尔条纹就在移动的垂直方向上移动。光栅每移一个栅距,莫尔条纹移过一个条纹。只要计量莫尔条纹移过的个数n,便可计算出光栅的位移量L,即L=nd图5-13所示为光柵测长的原理图。它先将位移量变换成莫尔条纹信号,然后再用光电器件读取信息,这种光栅又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅,指示光栅固定,标尺光栅的长度由位移量决定,一般较长。图5-13图5-14所示为测角度用的圆光栅的原理图。圆光栅付包括指示光栅与圆光栅盘。圆光栅盘是在玻璃圆盘上等间隔地刻线制成。圆盘光栅与指示光栅重叠产生莫尔条纹。圆盘光栅固定在转轴上,可以转动。指示光栅、光源、透镜、与光电器件构成固定的光电探测头。当光栅转盘旋转时,指示光栅与圆盘光栅产生的莫尔条纹将沿圆盘径向移动,光电探测头读出并判断莫尔条纹的移动量和方向,便将角度量变换成莫尔条纹信号。图5-14细分技术——在莫尔条纹信号变化一个周期内,发出若干个脉冲,以减小脉冲当量。如一个周期内发出n个脉冲(n倍频),即可使测量精度提高到n倍。零位光栅——在增量式光栅中,为了寻找坐标原点、消除误差积累,在测量系统中需要有零位标记(位移的起始点),因此在光栅尺上除了主光栅刻线外,还必须刻有零位基准的零位光栅。1.透射式光栅传感器2.反射式光栅传感器5.3几何光学方法的光电信息变换将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的方法有投影放大法,激光三角测量法,光学灵敏杠杆测量法,激光扫描测量法和差动测量法等。1.激光扫描法激光扫描法是1972年发展起来的一种技术,有人称之为LaserShadowGauge。如图5-15所示为激光扫描法的原理图。激光束经过透镜1后被反射镜反射,由于同步位相马达的转动而形成扫描光束。5.3.1长、宽尺寸信息的光电变换由于同步马达是匀速转动的,转速为ωm,平行扫描光束的扫描角速度为ωL=2ωm,平行扫描光在扫描过程中被工件遮挡,光束经过透镜2后被位于焦平面上的探测器D接收,得到一个随时间变化的光电信号。再经过后续的信号处理电路,就可以得出工件直径的测量值。若在扫描光束被遮挡的时间t内计数器的计数为n,晶振的时钟频率为v0,分频数为N;则被测工件直径的计算式为NfnvnfvVtdm4140图5-15将物体位移量变换成光电信号以便进行非接触测量在工业生产和计量检测中的重要工作。用线、面阵CCD图像传感器、CMOS图像传感器、象限探测器、PSD位置传感器等器件与成像物镜配合,很容易构成被测物像的位移信息变换系统,实现物体位移量、运动速度、振动周期或频率等参数的测量。5.3.2位移信息的光电变换这是一种以聚焦光斑光密度分布的集中程度判断物体轴向位移的方法。点光源通过成像镜头在被测物体表面成点像,该像点作为新的发光物点,折回成像物镜的光路中,在像面上成清楚像。像面的光照度分布呈衍射斑的形式。当被测物表面相对理想物面前后移动时,像点相对理想像面同方向地前后移动,像点的偏移引起原像面上的离焦,使像面照度分布扩散。如在初始像面设置针孔光栏,并使其直径小于光斑直径,这时,前后移动光栏,通过针孔的光通量将会改变。1.像点轴上偏移检测的光焦点法+ΔZ-ΔZZ0f+ΔZ’-ΔZ/IxabcabcEΔZcbaXYZ光学编码器是一种集光、机、电为一体的数字化检测装置。可分为增量式和绝对式两类。增量式编码器是将位移转换成周期性的电信号,再把这个电信号转变成计数脉
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