光电检测原理与技术--第8章-非光物理量的光电检测

第8章非光物理量的光电检测本章的主要内容8.1光强型光电检测系统8.2脉冲型光电检测系统8.3相位型和频率型光电检测系统8.4利用物理光学原理的光电检测系统8.5其它光电检测系统8.1光强型光电检测系统8.1.1直接测量法8.1.2差动测量法8.1.3补偿测量法8.1.4补偿式轴径检测装置8.1.5利用比较法检测透明薄膜的厚度8.1.6利用α射线测量块规厚度的装置8.1.7圆形物体偏心度的光电检测8.1.8利用补偿法测量线材直径8.1.9对圆柱形零件的外观检查本节主要包括以下几部分内容：0/()/iISCS8.1.1直接测量法1.直接测量法原理将携带被检测物理量信息的光量，投射到光电探测器上转换为电信号，经放大后由检测机构直接读出待测量。图8-l所示为采用微安表直接读出入射到光电探测器GD上的光通量。Rｗ为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。μA表为读出机构。当探测器处于线性工作区中，则有图8-1直接测量电路（8-1）式中，Φ为信号光通量；I为探测器产生的光电流；S为探测器的积分灵敏度；Ci为比例常数；a0为表针指零时的角度；a为输出电流I所对应指针的转角。在检测回路中，重要特性是仪表指针的灵敏度Sy，可表示为：//yiSSC在上述检测回路中引入简单的晶体管或其它放大器，如图8-2所示。图8-2利用放大器提高灵敏度/yiSSKC仪表指针的灵敏度为（8-3）（8-2）选定满度时对应的转角为a，则有0()/()iCSK式中，K为晶体管回路的放大倍数。（8-4）(8-5)(8-6)2.系统相对误差和性能评定设某检测关系为A=B·C/D，则增量间关系为2(/)(/)(/)ACDBBDCBCDD最大相对误差ε为////AABBSSDD直读法系统的最大相对误差为////KKSS式中，ΔK／K为放大系统放大率不稳定所引起的相对误差，它与放大电路中的电压波动，环境温度的变化，晶体管工作点的选择等参量变化有关；ΔS/S为光电器件灵敏度的相对误差，它与探测器特性的不稳定性有关；Δα/α为测量机械指示值的相对误差，它与机械结构不稳定性有关。8.1.2差动测量法该方法采用被测量与标准量相比较，利用它们之间的差或比，经放大后的测量数据去控制检测机构。图8-3所示为利用电差动原理进行光通量检测的例子。图8-3差动检测系统1.测量原理2.光电差动装置为进一步提高检测精度，消除不稳定因素对检测结果的影响，设计了由双光路和电桥组成的光电差动装置，其原理如图8-4所示。图8-4双光路光电差动系统当两电路光通量相差较小时，光电探测器GD1和GD2的灵敏度分别为S1和S2，在线性段中它们近似为常数。于是GD1产生的光电流I1=S1Φ1，R1上产生的压降I1R1=S1Φ1R1；GD2产生的光电流I2=S2Φ2，Rw上产生的压降I2Rw=S2Φ2Rw，所以电桥输出的电压U0为如果S1=S2=S，Rw=R1则有(8-8)011122wUSRSR01121()USRSR(8-7)两光电探测器接收光通量波动的影响分析如下：设图中两探测器接收到光通量，且=n。因电源电压波动等原因使光源输出光通量发生变化，在两光路上的光通量也将发生变化，其变化值为ΔΦ1和ΔΦ2，两者间关系为12/12n21/即两光束光通量分别为由和'111'222接收的光通量差为''121122121()()()(1)n式中右边第一项是原信号，第二项是因波动引起的误差。当n→1，→0。1(1)n在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，那么光源波动的影响可以完全消除。设，则12/n12/n''122211/(()/())n(8-9)(8-10)在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性能上的差异，两者完全一致将十分困难。因此提出采用单光电探测器的设想，其装置原理如图8-5所示。其通量波形图如图8-6(a)所示。当Φ1≠Φ2时，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，波形如图8-6(b)所示，幅值的大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、负表示ΔΦ的正负。3.单个探测器的差动测量图8-5单接受器差动系统图8-6单接受器差动系统该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图8-7所示。图8-7单通道补偿系统8.1.3补偿测量法1.单通道光电补偿式测量图8-8所示是单通道利用光楔补偿的例子。该系统增加了晶体管放大环节，由R1、Rw、Rc和R0及晶体三极管BG构成电桥，检流计G作输出指示。图8-8单通道光楔补偿系统采用双光路双元件进行补偿测量时，信息光通量Φ1可由下式导出KSS2211即KSS2121)/((8-11)2.双通道光电补偿式测量式中，K为补偿系数。这时相对误差的最大值ε为：KKSSSS22221111(8-12)采用双光路单元件进行补偿测量时，则有S1＝S2＝S，Φl＝Φ2K，最大相对误差为KK2211(8-13)图8-9所示是一种双通道单探测器光电自动补偿系统的原理图。图8-9双通道单探测器自动补偿系统(1)光楔动态补偿法在图8-9所示双光路补偿装置的基础上，将可逆电机换成恒速旋转的电机，通过必要的传动装置带动光楔不停地往返运动，造成光楔对入射光通量的不断扫描，其补偿作用从最小到最大，再从最大到最小往复进行。同时电机带着刻有读数的圆筒旋转，电路也作相应改变。当光楔到达其补偿位置时，双光路达到平衡，这时恰是放大器输出电信号的过零点，利用脉冲电路产生信号脉冲，控制发光管使其短暂发光，照亮读数简上的被测读数，供人眼观察读出。由于电机连续旋转，该装置测速较快，其测速主要受人眼观察速度的限制。3.对快速变化过程的测量(2)电动态补偿法利用电信号的动态补偿法是将信号电流直接控制惯性极小的可控阻值元件，如晶体二极管或三极管等，把它们作为补偿器来实现电动态补偿测量。这种纯电路的处理方法可将检测速度提高很多。这里的关键是选用可控阻值元件，通常要求其阻值与控制电流或电压成线性关系，且稳定性好。图8-10所示是锗晶体二极管的R-f(I)曲线。由曲线可知，当电流I由0变化到I0之间，阻值变化基本呈线性，作为可控阻值元件只应使用这一范围。图8-10锗晶体二极管的R=f(I)曲线利用晶体二管管实现快速电动态补偿的一个例子如图8-11所示。图8-11利用二极管的快速动态补偿系统8.1.4补偿式轴径检测装置该装置利用光量变化对轴径进行补偿式检测。其工作原理如图8-12所示。图8-12光门补偿式轴径检测原理图其中放大器输出电压U0为)(210UUKU式中，K为放大器的放大倍数。(8-15)(8-15)8.1.5利用比较法检测透明薄膜的厚度采用比较法原理测量透明薄膜厚度的装置如图8-13所示。图8-13比较法薄膜厚度检测原理按照介质对光吸收的指数衰减定律有dkeII0式中，Iλ透过物体的单色光强度；Iλ0为射入物体的单色光强度；d为吸收物体的厚度；kλ为物体对单色光的吸收系数。8.1.6利用α射线测量块规厚度的装置利用α射线测定微小的偏差或微厚度的装置如图8-14所示。图8-14α射线厚度检测原理8.1.7圆形物体信心度的光电检测测定圆形回转体偏心度的原理如图8-15所示。图8-15偏心度的检测原理8.1.8利用补偿法测量线材直径该装置的工作原理如图8-16所示。图8-16补偿法线径检测装置实际检测时采用电磁振子和薄板构成光调制器，调制频率为50Hz。检测和调制的关系，如图8-17所示。图8-17线径检测及调制原理8.1.9对圆柱形零件的外观检查该装置原理如图8-18所示。采用反射扫描方式进行检测。图8-18圆柱外观检测机构原理8.2脉冲型光电检测系统8.2.1物体长度分检装置原理8.2.2液位高度控制器8.2.3光电探测信号码的工作原理8.2.4气体流量自动检控装置8.2.5利用测量脉冲频率测定转盘转速8.2.6利用脉冲持续时间测定零件尺寸8.2.7全脉冲法测定零件尺寸8.2.8光栅数字测径仪8.2.9脉冲激光测距本节主要包括以下几部分内容：8.2.1物体长度分检装置原理如图8-19所示为按长度自动分选的装置，在传送带的两侧分别配制两组光源—探测器对5、7和6、8，它们光轴间的距离恰应等于产品4所需分类的长度。图8-19按长度自动分选的装置如果工作中要对产品长度进行控制，则可采用图8-20所示的三组光源一探测器对的方法。图8-20产品长度检控装置图8-21长度检控逻辑图8.2.2液位高度控制器液位高度的控制方法很多，这里介绍一种光电脉冲继电器型的方法。其工作原理如图8-22所示。图8-22继电器型液位高度控制器8.2.3光电探测信号码的工作原理为区别传送带上同样大小箱子中的不同物体，可在箱体外部某个确定的位置上，统一按物类信息预先印上不同的二进制信号码。分类时用光电探测这些信号码，来区分不同的物类或其它所需的物类特征信息。光电探测信号码的工作原理如图8-23所示。图8-23光电信号码探测器8.2.4气体流量自动检控装置该装置是由转子式流量计和光电探测器组成，原理如图8-24所示。图8－24气体流量检控器当流量变化时，可产生表8-1所示的几种状态，表中接收器受光照为“1”，不受光照为“0”，利用这些状态的变化，通过放大器、数字电路，译码器和阀门等，就可进行流量控制，也可用指示灯进行报警。8.2.5利用测量脉冲频率测定转盘转速脉冲法测定圆盘转速的原理如图8-25所示。图8-25脉冲法转速测定原理光源通过转动圆盘上的小孔为光电接收器GD提供光脉冲。经光电转换、放大和整形等电路输出脉冲信号。设电机转速是n(r/min)，圆盘上均匀开口数目为m，于是输出脉冲的频率为f＝nm／60(Hz)，则有mfn/60(8-17)8.2.6利用脉冲持续时间测定零件尺寸脉冲法测定轴径的原理如图8-26所示。脉宽的脉冲计数原理如图8-27所示。图8-26脉冲法测定轴直径原理图8-27脉宽的脉冲计数原理如图8-28所示是利用光电方法在匀速运动速度为v的传送带上测定零件长度的方法。通过测定光电探测器产个暗脉冲的持续时间t，测定零件的长度l。其关系为。vtL图8-28传送带上工件长度检测8.2.7全脉冲法测定零件尺寸它是一种与零件运动速度无关的测试方法。只要被测零件移动单位长度。不管其运动速度的快慢均使检测系统产生固定的n个脉冲，当被测物全部移过。共计产生m个脉冲，则零件长度为l＝m／n。图8-29所示是利用全脉冲法检测零件尺寸的例子。其工作原理如下。图8-29全脉冲法零件长度检测原理1.计数脉冲发生系统光电输入系统A的作用是产生计数脉冲。工件置于传送带上，主动轮I带动传送带移动的同时，也带动轮Ⅱ转动。轮Ⅱ的周边打有均匀分布的小孔共n个。在周边的某个位置上安装光电探测器与光源对，构成脉冲发生系统。主动轮每转动一周，对应工件移动距离是D2，与此对应产生的脉冲数是D1n／D3。则一个脉冲对应零件移动的距离l为132/nDDDl（8-18）2.控制脉冲发生电路光电输入系统B的作用是产生控制脉冲。光源与对应的光电探测器安装在待测零件的两侧。当无零件挡光时，光束照射光电探测器产生正信号；当零件挡光时，无光输入光电探测器，无信号产生。零件挡光过程产生暗脉冲，也就是控制脉冲，由光电输入电路B输出。3.系统检测原理随着主动轮的不断转动，由计数脉冲发生电路不断产生代表一定移动量的计数脉冲，并从光电输入电路A传送给门2。而门2的开关是由待测零件是否挡光决定。当零件挡光时，由光电输入电路B给与非门1传送暗脉冲信号，经门1反相后成为控制脉冲，将门2打开，对应暗脉冲或控制脉冲持续时间内门2一直打开，计数脉冲经门2给计数器计数，暗脉冲结束门2关闭，计数器停止计数。这时计数器所计数如果是N，那么零件的长度为NnDD