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第5章__光电直接检测系统祥解.ppt
光信息科学与技术系 第五章 光电直接检测系统 直接检测系统(光强调制) 莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 大气污染检测系统 光外差检测系统 激光干涉测长仪(相位调制) 多普勒测速(频率调制) 光外差通信 光电检测系统分类 主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分) 点探测/面探测系统(按接受系统分) 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) 直接检测/光外差检测系统(按光波对信号的携带方式分) 误差的平均效应 光电元件对光栅的栅距误差具有消差作用。 莫尔条纹由光栅的大量刻线形成, 对线纹的刻划误差有平均抵消作用, 几条刻线的栅距误差或断裂对莫尔条纹的位置和形状影响甚微。能在很大程度上消除短周期误差的影响。 例栅距W=0.02mm, 接收元件尺寸10×10mm2,在10mm范围内有500条刻线参与工作,某几条刻线误差对莫尔条纹位置和形状基本无影响。 莫尔条纹的特征 放大作用 四倍频细分判向原理 工作台进行长度测量时,指示光栅的移动距离为 x=NP+δ 其中P为光栅节距,N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数; δ为小于一个光栅节距的小数. 最简单的形式是以指示光栅移过的光栅对数N直接进行计数. 当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量时,最小分辨力为1个栅距。为了提高测量的精度,提高分辨力,可使栅距减小,即增加刻线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上,利用电子学的方法,把莫尔条纹的一个周期进行再细分,于是可以读出小数部分,使系统的分辨能力提高.电子细分可分到几十分之一到百分之一. 差频相位检测原理 光电传感器输出信号波形 当光栅相对位移一个栅距时,莫尔条纹移动一个条纹宽度,相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化,使输出电信号周期变化,其输出波形如图: 由此可知,只要计算输出电压的周期数,便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内,输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数,每一周期对应一个栅距。 但是如果只用一个光电元件,其输出信号还存在两个问题: ① 辨向问题:用一个光电元件无法辨别运动方向; ② 精度低;分辨力只为一个栅距P。 辨向原理: 用两个光电元件相距B/4安装(相当于相差90°空间角,B: 2π=B/4: π/2),如图所示,可以解决辨向问题。 当条纹上移时,V2落后于V1 90°。 当条纹下移时,V2超前于V1 90°。 因此,由V1、V2之间的相位关系可以 判别运动方向。 常见的四倍频细分判向原理: 经过信号调节环节对信号进行细分,其电路框图如图所示,在1个条纹周期内放置4个光电二极管,在1个周期内输出4个脉冲,相位差互差90度,每一个脉冲反映了1/4个莫尔条纹周期的长度,系统分辨力提高4倍。 莫尔条纹的应用 莫尔条纹测长仪分长光栅和圆光栅两种,光刻密度相同,通常为25,50,100,250条/mm。被广泛地应用于: 光栅数显表 光栅传感器在位置控制中的应用 轴环式数显表 机械测长和数控机床中。 代表性产品: 德国Heidenhain(海德汉): 封闭式:量程3000mm,分辨力0.1 ?m 开放式:量程1440mm,分辨力0.01?m 开放式:量程270mm 分辨力1nm 英国Renishaw(雷尼绍): 量程:任意分辨力: 0.1 ?m 0.01 ?m 中国长春光机所: 量 程:1000mm 分辨力:0.01 ?m 5.4.2 激光测距仪 1、 脉冲激光测距仪 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,—般可达兆瓦级。由于上述两点,脉冲激光测距在有反射器的情况下,可以达到极远的测程;进行近距离(几公里)测量时,如果测量精度要求不高,不必使用反射器,利用被测目标对脉冲激光的反射取得反射信号,也可以进行测距。 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 式中 c 为光的传播速度。 脉冲激光测距的工作原理 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. * * 相干检测, 光源:相干光源 原理:利用光的振幅、频率、相位携带信息, 检测时需要用光波相干原理。 调制方法:光振幅调制、相位调制,频率调制 测量精度(灵敏度)更高,作用距离更远。 非
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