光电信息技术应用

上一张章首下一张结束节首1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上一张章首下一张结束节首2§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机器人视觉系统上一张章首下一张结束节首3一．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。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。§4.1.1光电检测基本方法上一张章首下一张结束节首4§4.1.1光电检测基本方法二．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。上一张章首下一张结束节首5§4.1.1光电检测基本方法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”。①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。②当工件尺寸变小时，φ1φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=S·Δφ·R。③当工件尺寸变大时，φ1φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=－S·Δφ·R。2．测量：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2〕测量精度和灵敏度大大提高。上一张章首下一张结束节首6§4.1.1光电检测基本方法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ui=uS=Eisin(ω1t+θ1)，uR=ERsin(ω2t+θ2)则uo=ui·uR=1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]-1/2·EiERcos[2π(f1+f2)t+θ1+θ2]在高频信号被滤波器滤去后，就有uo＝1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]如f1＝f2，则uo＝1/2·EiERcos(θ1-θ2)=1/2·EiERcosΔθ上一张章首下一张结束节首7§4.1.1光电检测基本方法4．相敏检波器(PSD)理论相敏检波器的一种电路如图所示，图中，uS'是信号线圈对uS的感应电压，uR'是参考线圈对uR的感应电压，uR和uS需满足以下三个条件：f1＝f2，uRuS，uR和uS同相或反相。同相：当uR为正半周时，uS'＋uR'＝uR1,，uS'－uR'＝uR2uo＝uR1＋uR2＝2uS´，当uR为负半周，二极管不导通，uo＝0反相：当uR为正半周，－uS'＋uR'＝uR1，－uS'－uR'＝uR2uo＝uR1＋uR2＝－2uS´，当uR为负半周，二极管不导通，uo＝0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。上一张章首下一张结束节首8§4.1.1光电检测基本方法4．相敏检波器(PSD)理论实用中，用变压器线圈比较麻烦，可改用另一种PSD，如图所示。在相敏检波器中，参考信号要求同测量信号同频，可通过在调制盘上另装一套光电接收器而获得。如图所示。上一张章首下一张结束节首9§4.1.1光电检测基本方法三、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。1.单通道光电补偿式测量该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图所示。由光敏电阻RG和电阻R0、R1、R2组成电桥，当无光照时，调整Rw使电桥平衡，当信号光照射光敏电阻时，其阻值RG下降为R’G，使电桥失去平衡，检流计G中有信号输出。调整RW使电桥恢复平衡，调整RW时标尺指示器A随之移动，电桥平衡时，A指示的数值就是待测量值的大小。以上是单通道电补偿的一个例子。上一张章首下一张结束节首10§4.1.1光电检测基本方法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。上一张章首下一张结束节首11§4.1.1光电检测基本方法1．脉宽法测长四、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。图给出了脉宽法测长的原理。L＝vt＝vkN＝KN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。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。上一张章首下一张结束节首12§4.1.1光电检测基本方法在上面的测量中，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该方法的测量结果和精度与传送带运动的快、慢或短暂的停止都没有关系。但不应有零件与传送带之间或轮与轮之间的相对移动。此外，如因磨损等造成D1、D2和D3的变化，也会影响检测精度。主动轮转一周工件移动D2对应产生的脉冲数D1n/D3一个脉冲对应零件移动的距离为L＝D2D3/nD1上一张章首下一张结束节首13§4.1.1光电检测基本方法2．相位法测距带有测距功能的望远镜是发射一束调制的脉冲激光，再接收来自于被测物的反射光。发射信号和接收信号的相位差反映了被测物的距离。设Vo和Vi分别代表发射脉冲和接收脉冲，如图4.1.1－9所示，就可用高频填入法测出两信号的相位差，再换算成相对应的距离。V02Vi2VQnVQn+1100010100101011111001111上一张章首下一张结束节首14§4.1.1光电检测基本方法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。f=nm/60=N/t，n=60N/(mt)上一张章首下一张结束节首15§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，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。上一张章首下一张结束节首16§4.1.2几何量检测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。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。a)工作过程上一张章首下一张结束节首17§4.1.2几何量检测2．相位测距法在工程建设中进行测量时．常用30m或50m的卷尺(钢皮尺)一“链”复一“链”地进行测量，如图所示，其结果是整“链”数与卷尺长度的乘积再加上最后不足一整“链”过程可用下式表达式中D——待测距离；Ls——测尺长度；N——零或正整数，即整链数；ΔL——不足整尺的距离尾数。D＝NLs+ΔL相位式测距仪采用了与上述相似的方法来测量距离，不过它所采用的测尺不是卷尺，而是“光尺”，这把“光尺”是通过对光的强度进行调制实现的。上一张章首下一张结束节首18§4.1.2几何量检测测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长λ可由下式求出λ=c/f2．相位测距法由于调制光波在传播过程中其相位是不断变化的。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—5看出，φ可由2π的倍数来表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π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+Δm)上一张章首下一张结束节首19§4.1.2几何量检测实际上为了使用方便，在B点设置反射器图4.1.2—6说明了光波在距离D上往返后的相位变化。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；Ls—称它为测尺长度，Ls＝λ/2当距离D大于测尺长度Ls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Ls，即N等于零时，式上变为D＝LsΔn＝LsΔφ/2π此时Δφ不会超过2π，测相系统能给出相位移的确定值，距离D也不存在多值解的问题。上一张章首下一张结束节首20§4.1.2几何量检测如果被测距离较长，则可以选用一个较低的测尺频率即测尺长度较长（大于待测距离）。但由于测尺长度越大，带来的测距误差也会越大。例如仪器的测相误差为0.1％，当测尺长度Ls＝10m时，会引起1cm的距离误差；而当L＝1000m时，所引起的误差就可达1m。当被测距离大于基本测尺长度L时，可再选一个或几个辅助测尺Lsb(又叫粗测测尺)。例如选用两把测尺，其中Lsb=10米，Lsa＝1000m，用它们分别测量某一段长度为386.57m的距离时，用Lsb测量时可得到不足10m的尾数6.57m，用Lsa测量可得不足1000m的尾数386m，将两者组合起来就可得386.57m，即6.57……Lsb读数，386……Lsa读数，386．57m……两尺组合起来的总读数上一张章首下一张结束节首21§4.1.2几何量检测二.直径的光电检测1.大直径的测量为了使用小口径的透镜去测量大直径的测件，可以采用双光路的测量技术。图示出双光路测径装置的原理图。图中1是氦氖激光器，2是旋转扫描镜。由电动机3带动扫描镜以一定的速度旋转。光点F位于会聚透镜8和10的焦点位置。其中4为分光棱镜，5、6、7为反光镜。上一张章首下一张结束节首22§4.1.2几何量检测下面按标准直径为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12的直径小于D0（c）被测件12的直径大于D0上一张章首下一张结束节首23§4.1.2几何量检测2.小直径的测量如图(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(b)示出测量细丝直径的原理图。上一张章首下一张结束节首24§4.1.2几何量检测三.光电测长普通单色光源的单色性不够好，限制了可测量的长度，且普通光源的亮度也不够。自从激光诞生后，由于它的单色性、亮度高，很快成了精密测量中的理想光源。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，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。上一张章首下一张结束节首25§4.1.3机械量检测机械量的种类较广、检测的装置多种多样，但从光电检测的原理讲可归纳为如下两类：1．先把机械量(如重力、压力、力矩、转速等)的变化转换成几何量的变化，再由几何量控制投射至光电器件的光通量．然后以光电器件得到电信号经放大后测出机械量。例：把机械量变成位移以测量重量弹簧1下挂框架2，则弹簧的伸长量与框架2中的物体3的重量成正比。上一张章首下一张结束节首26§4.1.3机械量检测2．若欲测的机械量使投射至光电器件的光通量以某一特定的规律或周期地发生变化，则可利用光通量不断变化的特定规律测出机械量。例如机械量使投射至光电器件的光通量断