第七章-典型光电测试系统1分解

1针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作原理和应用。光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。光电开关与光电转速计莫尔条纹测长仪激光测距仪激光干涉测量仪激光多普勒测速仪光弹效应测力计第七章典型光电测试系统27.1光电开关与光电转速计•光电探测器输出开关量•结构较为简单、工作可靠、寿命长3光电开关分为主动型光电开关和被动型光电开关。主动型光电开关由LED管和光电二极管、光电三极管或光电达林顿管组成。被动型光电开关主要由光敏电阻、光电二极管等组成。4（1）透射分离型主动开关（键盘）用于工业自动控制、自动报警及一些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。5（2）反射型主动开关距离足够近遇到障碍反射光如：防盗器用于狭窄区域液位自动控制液位上升，光通量下降如：汽油液位探测6（3）光电耦合器（主动）发光管接在低压电路中，光电三极管接在高压电路中，低压控制高压－隔离、安全也可形成固态继电器过载保护电路开关7（4）编码计数型主动开关可用于计数、编码根据脉冲的周期和个数计算快门时间工业流水线上的产品计数、工件尺寸测量、医用液滴计数8（5）被动开关利用自然光源（因此称被动）：人体、其它热源、太阳光等，红外居多。热释电器件为光敏元件，只响应突变或交变信号；对光谱无选择性。球面反射镜聚光。如自动门系统、报警系统（火焰报警、火车车轮故障自动报警等）。9光电转速计•一般转速计：测量范围小、精度不高、刚性接触（附加负荷），不适合小功率测量。•光电转速计避免上述缺点，可以实现测量自动化和数字化广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机床的转速测量和调节中。10只要测出频率，就可以得到转速带孔的盘带锯齿的盘带黑白反射块的盘转速计测量原理mfn60光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源：发光二极管11计数测量法（1）测量被测信号脉冲数（2）时基信号（控制闸门，精确已知）（3）测高频精度高，低频相对误差增大周期测量法（1）固定的高频脉冲做参考，精确已知（2）信号脉冲控制闸门（3）低频精度高，高频相对误差增大频率测量法127.2莫尔条纹测长仪特点（1）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。（2）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、医学诊断、机器视觉。莫尔条纹定义将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）叠加在一起，并使它们的栅线有一小的交角。当光栅对之间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源看过去，有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，此移动的条纹被称为莫尔条纹。13常用的光栅，其栅距(相邻栅线之间的距离)大于0.01mm，称为黑白光栅。这时光栅栅距远大于光波长，两个光栅叠合在一起，形成莫尔条纹。当使用更小栅距的位相光栅时，莫尔条纹就是由衍射和干涉形成的。14长光栅莫尔条纹常用光栅其栅距大于0.01mm时，光栅栅距远大于光波长称为黑白光栅，两个光栅叠合在一起，形成莫尔条纹。长光栅莫尔条纹形成原理15(1)莫尔条纹方程主光栅A的刻线方程为•指示光栅B的刻线与轴的交点的坐标为•莫尔条纹1是由A、B两光栅各同编号刻线的交点连接而成，其莫尔条纹1的方程求解如下：1iPxicos2jPxj1,iPxjictgiPjPctgxxyjijji)cos()(12,,a.条纹上除(0,0)点外任意一点的坐标：16b.莫尔条纹1的斜率为c.莫尔条纹1的方程可表示为ctgiPiPiPiPxxyytgjiji11120,0,0,0,sinsincos112PPPxPPPxtgysincos112117（2）结论莫尔条纹是周期函数，其周期T=P2/sinθ，又称为莫尔条纹的宽度B。θ≠0，P1=P2，莫尔条纹与x轴夹角为θ/2,当θ很小时，莫尔条纹与y轴近似垂直，此时得到近似“横向莫尔条纹”。θ≠0，P2=P1cosθ,得到严格的横向莫尔条纹θ=0,P1≠P2,得到纵向莫尔条纹其它情况均为斜向莫尔条纹18不同形式的长光栅莫尔条纹栅线夹角很小，可以观察到随光栅的移动，某点透过的光强呈现明暗交替变化，这就是莫尔条纹的调制作用。莫尔条纹把光栅位移信息转变成光强随时间变化的信号。在空间上光栅移动的周期为p，而莫尔条纹移动的周期是B。莫尔条纹有放大作用。19圆光栅莫尔条纹两块圆形光栅重叠在一起也可形成莫尔条纹，利用圆光栅莫尔条纹可以直接进行角度测量。圆光栅可分为径向圆光栅和切向圆光栅。径向圆光栅的刻线都从圆心向外辐射，切向圆光栅的刻线都切于一个小圆。20径向光栅莫尔条纹是由两块栅距角相同的径向光栅保持一个较小的偏心量叠合形成圆弧莫尔条纹。切向光栅莫尔条纹是由两块刻线数相同、切向方向相反而切线圆半径不同的切向圆光栅同心叠合得到的莫尔条纹。径向光栅莫尔条纹（圆弧形）切向莫尔条纹（圆环形）21•径向光栅莫尔条纹，在沿着偏心的方向上，产生近似平行于栅线的纵向莫尔条纹；在位于与偏心方向垂直的位置上产生近似垂直于栅线的莫尔条纹；其它方向为斜向莫尔条纹。•切向莫尔条纹是圆环形的，把它称作圆环莫尔条纹。22当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下指示光栅与工作台固定在一起。通过对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。指示光栅移动的距离x：x=NP+δP为光栅栅距，N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，δ小于一个光栅栅距的小数。（1）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数N进行计数；（2）实际系统利用电子细分方法将莫尔条纹的一个周期细分。莫尔条纹测长原理23细分判向原理（1）四倍频细分透镜读数头1、灯泡2、聚光镜3、长光栅4、指示光栅5、四个柱面聚光镜6、狭缝7、四个光电二极管24（2）读数头构成特点及信号处理过程（1）四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内，接受光栅透过的光能，它们相互之间相差1/4个莫尔条纹周期。（2）在每个柱面聚光镜的焦点上布置一个光电二极管，进行光电转换。（3）指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，则四个光电二极管分别输出相位差为90度的近似正弦信号，该信号整形后得到相差90度的方波脉冲信号（4）莫尔条纹变化一个周期，计数器中的到4个方波脉冲，提高分辨力25（5）采用可逆计数器，可以判断指示光栅的移动方向（3）信号处理电路方框图26（4）整形、细分、判向电路的更详细的方框图示意27tUUtUUUtUUtUUUtUUtUUUtUUtUUUAAAAAcos)23sin(sin)sin(cos)2sin(sin)0sin(100410031002001ttUUUUttUUUUttUUUUttUUUUAAAAcoscos2sinsin2coscos2sinsin2242,4131,3424,2313,128说明（1）光电二极管的输出信号U1～U4是包含直流分量的正弦信号（取样信号）。（2）差放后滤掉直流分量，它们的表达式很清楚的表明这4个差放信号是依次相差90度的正弦信号。（3）鉴零器将正弦信号整形为方波，正弦信号每过零一次，鉴零器就翻转一次，同时为后续的数字电路提供判向信号。29（4）方波信号经微分后得到计数器可用的尖脉冲。（5）Q+和Q-控制触发器，触发器的输出加到计数器的加减控制端（6）Q+和Q-经或门得到计数尖脉冲，尖脉冲经过单稳整形后输出到可逆计数器的计数时钟端进行计数。010111GtptGq4321qqqqQ1443322134231241GtGtGtGtQGtGtGtGtQ3031置零信号的产生•为得到测长的绝对值，设置零位光栅，给计数器清零。单独加光电转换系统和处理电路。•零位光栅不采用单缝而采用一组非等宽的黑白条纹。当与另一个零位光栅重叠时，就能给出单个尖三角脉冲。此尖脉冲作为测长计数器的置零信号。32零位光栅零位光栅透过的光能量脉冲33特点激光方向性好、亮度高、波长单一，故测程远、测量精度高。且激光测距仪结构小巧、携带方便，是目前高精度、远距离测距最理想的仪器。7.3激光测距仪激光测距仪分类（1）脉冲激光测距仪（2）相位激光测距仪34脉冲激光测距仪测距原理由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收系统接收目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离。tcL2L为目标距离，2L为光脉冲往返所走过的距离。t为光脉冲往返所经过的时间。35脉冲测距仪原理(1)开关15闭合：清计数器13；置触发器8、9为1,即Q[8]＝1,O[9]=1；发射激光脉冲。(2)取样参考信号回波：使触发器8置0，即Q[8]=0,打开异或门11，计数器13计数。(3)测量信号回波：同或门10使得信号负脉冲可以通过，置触发器9为0，关闭11，13停止计数。36各级波形逻辑关系cnctL22测量分辨率时钟振荡频率取得愈高，则测量分辨率愈高。但是最小分辨距离并不由计数系统单独可以提高，它主要取决于激光脉冲的上升时间。脉冲测距仪原理37发射系统发射系统一般由激光器、电源和发射望远系统组成。激光器输出的光脉冲峰值功率极高，峰值功率在兆瓦量级，脉冲宽度在几十毫微秒量级。发射望远系统是倒置的伽利略望远镜，它可使激光的发散角进一步压缩，一般输出激光发散角在（10e-2~10e-3）rad范围以内。单位立体角的光能量得到提高，目标所得到的照度也相应提高，有利于提高作用距离。38（1）半导体激光器作用距离近、体积小、轻便的特点，易于近距离（2km以内）使用。（2）固体调Q激光器使用最为广泛。钕玻璃和钇铝石榴石作激光工作物质的固体激光器，发射波长为1.06µm，人眼不敏感，隐蔽性好，广泛用于军事目的。（3）红宝石作为工作物质的固体激光器工作波长为0.6943µm，适合于气象研究等。这种器件功率可以做得大，已经用它实现了对月测距（不过测距时，不是接受月球的漫反射光，而是月球上放置一个角反射镜，它可以把接收到的激光按原方向反射回去）。（4）CO2激光器工作波长为10.6µm，在大气中传播损失最小，因此受大气影响最小，功率也大，最适合于军事目的。39接收系统接收系统由接收光学系统、光电探测器、低噪声宽带放大器和整形电路组成。脉冲激光回波信号通过接收物镜、小孔光阑3及干涉滤光片4后到达光电探测器5上，光电探测器把光信号转变成电信号，再经过低噪声宽带放大器送到整形电路。40相位测距原理（1）发射系统发射按频率f0变化的正弦调制光波（2）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的电信号（3）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离反射棱镜相位激光测距仪41（2）计算过程：0t021cL00012()()22NLcLNLNN002/fcL2/N，其中φ为相位差角，ω0为光波调制频率（1）（2）（3）其中，称为光尺；42（3）“多尺”测量的概念（注意相对精度）43相位检测原理(差频测相))cos(0tAedd)cos(0sdmstBe)cos(tceLL)]()cos[(0tDeLdr])()cos[(0sLdmtEe（1）尽量提高光波调制频率，可提高测量精度（2）相位计一般工作在低频44相位测距仪原理（1）为某频率的正弦电流驱动发光二极管输出同相位正弦变化的光波。（2）两个测尺，频率分别为f1=15MHz,,f2=150kHz（3）两个本振信号为f1-fc,f2-fc(fc=4kHZ)（4）主振信号与本振信号混频后得到低频信号，但保持高频的相位。45测量误差及校正由于实