第九章 光电信号的变化形式与检测方法

1. 第九章 光电信号的变化形式与检测方法 本章内容： 光电变化的基本形式与类型 几何变换的光电检测方法 物理变换的光电检测方法 光电编码器＆条形码 重点内容： 光电变化的基本形式与类型 几何变换的光电检测方法 难点内容： 物理变换的光电检测方法

2. 第一节 光电变化的基本形式与类型 一、基本形式 1、被测对象为辐射源的形式 光电探测器件直接探测物体本身的辐通量以确定目标物的存在。如：火警、侦察、武器制导等。此外，由于物体的辐射与波长＆温度有关，故还可用于探测温度＆光谱分析。

3. 设物体全辐射通量密度为 （1） 在近距离测量时，前置放大器输出的电压信号为 （2） 将（1）代入（2）得 表面前置放大器输出的电压值是温度的函数。

4. 物质的浓度 入射到介质表面的通量 溶液和气体对光的吸收性质 （二）光透过被测对象的形式 当光透过均匀介质时，其光通量的变化为： 则光电变换器的输出电压为： 介质厚度 光电变换系数 透过率

5. （三）光由被测对象反射的形式 通常分为两种：镜面反射：用来判断光信号的有无。如光准直，转速等；漫反射：检测物体表面的外观质量。 光电变化系数 正品表面的反射率 疵病表面的反射率 光电接收器件有效视场内疵病所占地面积 疵病信号电压 被测表面的照度

6. （四）光由被测对象遮挡的形式 可用于检测物体的位移量＆尺寸。主要用在测微计，尺寸检测仪以及光电计数，光开关等领域。 物体遮挡光的位移量 被测表面的照度 光敏面的宽度＆高度 输出位移量的信号电压

7. （五）被测对象经光信息量化的形式 若长度信息量L量化为条纹信息量，则长度 L=qn q为量化单位，采用莫尔条纹变换时，其为光栅节距，达到微米 量级；若采用激光干涉时，其 等于激光波长的二分之一或四分之一；n为条纹个数。 光学 变换 信息

8. 调制器 解调器 信息 信息 （六）光传输信息的形式 光通讯技术即属此类。

9. 二、光电变换的类型 （一）模拟量信息变换 被测的非电信息量变为光信息量时，通常为光通量形式，光电变换后，输出光电流与光通量成正比。这类变换器要求光源、光学系统＆光电器件性能稳定。否则，由于光源辐射通量的波动＆光电器件特性的改变将明显引起输出光电流的变化，给光信号检测带来误差。

10. （二）模数变换 被测信息量通过光学变换量化为数字信息（如光脉冲、条纹个数等），经变换器输出的电信号通常为“0”＆“1”两个状态组成的一系列脉冲数字信号。它只取决于光通量的有无而与光通量的大小无关，故这类变换器对光源＆光电器件的要求不高。

11. 第二节 几何变换的光电检测方法 一、光电测长技术 物体外形尺寸的测量其基本原理是首先通过瞄准确定被测物体的轮廓边缘，然后计算边缘标志间的长度。 （一）瞄准测长方式 瞄准＆测长分开。首先利用各种光电瞄准装置对准被测物体边缘，然后利用各种长度基准计量出两次瞄准间的长度间隔。

12. （二）实时测长方式 瞄准＆测长同时进行。它在几何量的自适应控制＆在线测量中应用广泛。 另种分类方法： 1、光度测量法：根据被测物体的遮光、反光等造成的光量变换，采用单个光电元件测量物体尺寸。精度不超过0.5%~5%。 2、成像测量法：利用物镜对物体的成像关系，以CCD阵列或摄像管等成像器件在观察图像时确定轮廓的边缘＆边缘间的距离。精度可达0.1%~2%。

13. 3、扫描测量法：利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。精度可达0.01%~0.1%。3、扫描测量法：利用扫描光束周期性地照明被测物体，在物体边缘上形成强对比度随时间周期性变化的光分布，通过测量通光与遮光的时间差进行测长。精度可达0.01%~0.1%。 一般系统由三部分组成：将激光束平行投射到被测物体上的激光扫描装置；放置在被测物体后方接收激光束的检测装置＆处理接收信号的电子装置。

14. 扫描器 接收器 反射镜 带有多面反射镜的电机 激光器 滤光片 聚光镜 Fθ透镜 放大器 θ 光电元件 ω 物体 处理器 输出显示 脉宽测量 边缘检测 典型的激光扫描测量系统

15. 激光束经过反射镜折回到透镜上，并由位于透镜焦平面上的多面反射镜旋转扫描，平行照射到被测物体上。然后经光接收器所得到的光电信号在电子处理器中进行边缘检测＆脉宽测量。最后经运算处理后，由数字显示给出测量结果。其物体直径可由下式求得：激光束经过反射镜折回到透镜上，并由位于透镜焦平面上的多面反射镜旋转扫描，平行照射到被测物体上。然后经光接收器所得到的光电信号在电子处理器中进行边缘检测＆脉宽测量。最后经运算处理后，由数字显示给出测量结果。其物体直径可由下式求得： 时钟脉冲计数器记录的脉冲数 时钟周期 透镜焦距

16. 二、轴向测距（沿检测系统光轴方向的长度检测方法）二、轴向测距（沿检测系统光轴方向的长度检测方法） （一）像点轴上偏移检测的光焦点法（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。

17. b c a c +ΔZ -ΔZ +ΔZ’ -ΔZ/ f a I Z0 b E a c b c x ΔZ

18. （二）像点轴外偏移检测的像偏移法（光切法）（二）像点轴外偏移检测的像偏移法（光切法） 当将光束照射到被测物体时，用成像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过三角测量关系可以计算出物面的轴向偏移大小。

19. 驱动电路 A/D变换器 取样放大器 模拟开关 半导体激光器 光学滤光片 聚光透镜 PSD器件 电脑 入射光点距中心距离 放大器 信号电极距PSD光敏区中心距离 成像聚光镜 输出

20. 半导体激光器通过高频调制到被测面上，反射面上被散射的光点由聚光镜接收，最后透过窄带滤光片由PSD（半导体位置检测器）接收。产生的信号电流进入信号处理装置。在这里，信号电流经前置放大器，一路反馈到电源驱动器，控制发光强度保持恒定。另一路经过模拟开关将PSD的两个输出端分别接入同一电路中。模拟开关的输出信号进入到取样放大器＆A/D转换器中，它们以光源调制频率将PSD信号变换成数字信号，最后，利用电脑计算出被测量的距离。半导体激光器通过高频调制到被测面上，反射面上被散射的光点由聚光镜接收，最后透过窄带滤光片由PSD（半导体位置检测器）接收。产生的信号电流进入信号处理装置。在这里，信号电流经前置放大器，一路反馈到电源驱动器，控制发光强度保持恒定。另一路经过模拟开关将PSD的两个输出端分别接入同一电路中。模拟开关的输出信号进入到取样放大器＆A/D转换器中，它们以光源调制频率将PSD信号变换成数字信号，最后，利用电脑计算出被测量的距离。

21. 第三节 物理变换的光电检测方法 一、光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部几何参数包括长度、距离、角度、等存在着严格的内在联系。在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测信息及其变化，表现出随时间＆空间改变得外观特性。利用光电方法对光波的各种干涉现象进行检测＆处理，最后解算出被测几何＆物理参量的技术通称作光电干涉测量技术。

22. 二、单频光相干的条纹检测 （一）条纹光强检测法：主要利用光学干涉仪的双光束或多光束的干涉作用，以光电元件直接检测条纹或同心圆环形干涉条纹的光强变化实现测量。 （二）干涉条纹比较法 见课本P229 （三）干涉条纹跟踪法 见课本P230

23. 数字式激光干涉仪 A 3 4 1 2 6 5 B V V 控制器 1 2 1 数字倍率 有理化 显示 2 打印 气压计 温度计 可逆计数 细分倍频 光电放大 整形辨向

24. 图中激光器1产生的相干光束经扩束镜2在半透明反射镜3上被光束分束。其中，反射光电元件5接收经激光电源控制器对激光器进行频率稳定＆功率稳定。透射光束由半反射镜6分束。由反射镜A反射的参考光束，经角反射镜4＆固定反射镜B反射的是测量光束。二个相干光束在二个光电检测器1＆2上分别形成干涉条纹。调整二检测器的相互位置，使处于干涉条纹空间分别周期的四分之一位置上，以便得到相差为90°电相位的二路光电信号。检测器的光电信号经前置放大、抵消直流分量、整形、辨向、细分倍频的电路处理后得到代表被测物体位移方向的加减计数脉冲，再通过可逆计数器累计计数脉冲。在数字倍率计中，通过气压计＆温度计对影响测量精度的空气折射率＆环境因素作精确修正。计算电路给出有理化计算，最后显示＆打印出实测的位移值，实际的测量装置得到0.1um以上的测长精度。图中激光器1产生的相干光束经扩束镜2在半透明反射镜3上被光束分束。其中，反射光电元件5接收经激光电源控制器对激光器进行频率稳定＆功率稳定。透射光束由半反射镜6分束。由反射镜A反射的参考光束，经角反射镜4＆固定反射镜B反射的是测量光束。二个相干光束在二个光电检测器1＆2上分别形成干涉条纹。调整二检测器的相互位置，使处于干涉条纹空间分别周期的四分之一位置上，以便得到相差为90°电相位的二路光电信号。检测器的光电信号经前置放大、抵消直流分量、整形、辨向、细分倍频的电路处理后得到代表被测物体位移方向的加减计数脉冲，再通过可逆计数器累计计数脉冲。在数字倍率计中，通过气压计＆温度计对影响测量精度的空气折射率＆环境因素作精确修正。计算电路给出有理化计算，最后显示＆打印出实测的位移值，实际的测量装置得到0.1um以上的测长精度。

25. 三、双频光相干的差频检测 基本原理：将包含有被测信息的相干光调制波＆作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配的条件下，在光电探测器上进行光学混频，光电探测器的输出是频率为二光波的差频电信号。这个输出信号包含有调制信号的振幅、频率＆相位特征。 1、光学多普勒差频检测： 多普勒效应：运动物体改变入射于其上的波动性质的现象。

26. M3 F2 F1 Lasers M1 f2 f1 M2 M4 f2 f1±Δf f1-f2 V PD1 PD2 f1-f2 (f2-f1)±Δf ±Δf 双频干涉仪的原理示意图 ±ΔN

27. 双频激光装置产生频率相差几兆赫兹的二种频率的激光f1＆f2。它们在基准光束分光镜M1上分光作二束，其中反射光在光检测器PD1混频得到二光频的差频信号作为参考信号。透射光受干涉反射镜M2反射，经反射镜M3反射后成为干涉仪的参考光束。透过M2的光束经光学滤波器F1后得f1的单频激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光检测器PD2中＆参考光频f2相混频。得到光学差频信号(f2-f1)±Δf。这相当于多普勒频移Δf对光学差频(f2-f1）的频率调制。然后将PD1＆PD2中检测到得两路光拍信号经过电信号混频或作频率计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频信号Δf并有Δf＝±2/ג•V。若用波数N表示，则：双频激光装置产生频率相差几兆赫兹的二种频率的激光f1＆f2。它们在基准光束分光镜M1上分光作二束，其中反射光在光检测器PD1混频得到二光频的差频信号作为参考信号。透射光受干涉反射镜M2反射，经反射镜M3反射后成为干涉仪的参考光束。透过M2的光束经光学滤波器F1后得f1的单频激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光检测器PD2中＆参考光频f2相混频。得到光学差频信号(f2-f1)±Δf。这相当于多普勒频移Δf对光学差频(f2-f1）的频率调制。然后将PD1＆PD2中检测到得两路光拍信号经过电信号混频或作频率计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频信号Δf并有Δf＝±2/ג•V。若用波数N表示，则： L= 2/ג•N 这就是双频干涉测长装置的测量公式。

28. 2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变得现象）＆转动差频2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变得现象）＆转动差频 3、二维平面的外差干涉测量

29. 第四节 光电编码器与条形码 定义：用光电方法将转角＆位移转换为各种代码形式的数字脉冲的传感器。 分类： 直线－线性编码器 转动方式 转动－轴角编码器 构造类型 投射光 光束利用 反射光

30. 可辨向的增量式编码器 图案均匀，光信号脉冲一样，无记忆功能 方向辨别 不可辨向的脉冲发生器 增量式 有零位信号的 零位信号 信号性质 无零位信号的 绝对式－绝对式编码器 图案不均匀，光信号脉冲不一样，有记忆功能

31. 一、最简单的编码器－光电开关 通过被测物体改变电路的通断状态，引起电路的通断，其通断代表了“1”、“0”信号，因而又起到1bit的编码作用。 1、结构 光敏三极管 光敏三极管 光缝 罩体 红外发光二极管 红外发光二极管 基座 反射式 透过式

32. 2、基本工作原理 在实际应用中，需要解决两个主要问题：光线的对准＆消除环境光的干扰。光线的对准可在机械安装上利用步枪的瞄准原理来设计，消除环境干扰可从结构＆线路两方面考虑，结构上可在红外光敏管上交套筒＆透镜。线路上采用脉冲源或经过高频调制的脉冲源去驱动发光器件，光敏管的电信号在放大、滤波后，经过与发光二极管的驱动脉冲同步开启的门电路送出所需脉冲信号，再经检波把由高频脉冲运载的真信号检出。最后，利用整形电路进行整形，输出合适的脉冲信号。

33. 工作原理图 接收 回路 放大 回路 同步 回路 检波 回路 积分 回路 透射 或反射 发射 回路 振荡 回路 电源 回路 驱动 回路 整形 回路 电源输入 输出

34. 3、应用 （1）测速 M 计数显示器 整形 利用马达转轴上的反射小片，使发光管的发射光不断反射到光敏管上，通过计数显示可直观地记录下马达的运转速率。

35. （2）读数 可逆计数器 整形 变向

36. 二、绝对式编码器 图案不均匀，光脉冲不一样，它是在可运动的光学元件的各位置坐标上刻制出表示相应坐标的代码形式的绝对地址，在元件运动过程中读取这些代码，即能实时测得坐标的变化。优点：无需起动时位置重合；抗干扰能力强；无误差累积；可靠性高；再现性好；通电后恢复原来状态；信号并行传送等。缺点：结构复杂，价格高；将任意位置取左零位时需进行一定的运算等。

37. 10码道光电绝对式码盘 绝对式编码器按照角度直接进行编码，可直接把被测转角用数字代码表示出来。根据内部结构和检测方式有接触式、光电式等形式。 透光区 不透光区 零位标志

38. 绝对式接触式编码器演示 4位二进制码盘 4个电刷 +5V输入 公共码道 最小分辨角度为 α=360°/2n

39. 绝对式光电编码器 低位 a）光电码盘的平面结构（8码道） b）光电码盘与光源、光敏元件的对应关系（4码道） 高位

40. 绝对式光电编码器的分辨力及分辨率 绝对式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘上的码道数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为： α=360°/2n 分辨率=1/2n

41. 三、增量式编码器 图案均匀，光脉冲一样，可把任意位置作为基准点。从该点开始将位移或转角按一定的量化单位检测，计量脉冲数即可折算为位移或转角。多采用光栅技术的测长测角装置。优点：零点可任意予置，并且测量范围仅受计数器容量限制而与光学器件无关。缺点：一旦停电则失掉当前位置；高速移动时，高频脉冲使计数装置不能实时跟踪；噪声会造成计数误差积累。

42. 增量式光电编码器的分辨力及分辨率 增量式光电编码器的测量精度取决于它所能分辨的最小角度，而这与码盘圆周上的狭缝条纹数n 有关，即最小能分辨的角度及分辨率为：

43. 增量式编码器内部结构 LED 光栏板及辨向用的A、B狭缝 转轴 A B 光敏元件 C A B C 盘码及狭缝 零位标志

44. 四、角编码器 角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。

45. 角编码器外形

46. 拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。 角编码器外形（续）

47. 角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）角编码器外形（参考德国图尔克传感与自动化技术专业公司）

48. 编码器的安装方式 1.编码器的套式安装 安装套

49. 2.编码器的轴式安装 安装轴

50. 编码器在定位加工中的应用 1—绝对式编码器 2—电动机3—转轴4—转盘5—工件 6—刀具