测控仪器设计(第6章)选读.ppt

第六章 光电系统设计 光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及 计算机相结合，构成光、电、机、计算机相结合的现代仪器。 特点： 1. 精度高---如激光干涉仪可达到 的测长精度（其中 是测量长度，单位为 ），光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。 2.非接触测量--它可以实现动态测量,是各种测量方法中效率最高的一种。 3. 测量范围大---适合于远距离测距、遥控、遥测、光电跟踪等。 4. 信息处理能力强---光电子测量可以提供被测对象的最大信息含量；适于与计算机接口，构成自动化、智能化的测控系统。 本章分为七节： 第一节 测控仪器光电系统的组成和类型 一、光电系统的组成 光电系统是测控仪器的重要组成部分，测控仪器中的光电系统的组 成框图如图6-1所示。 光源---传递信息的媒介，是光电系统的源头。 光学系统—将光源发出的光变换为会聚光束、发散光束、平行光束，或其他形式的结构光束，作为载波作用于被测对象。 信息的光学变换--通过各种光学元器件，如透镜、平面镜、棱镜、光栅、码盘、波片、偏振器、调制器、狭缝、滤波器等来实现在光载波中含有被测对象的光信息。 光电转换--光信息被光电检测器接收，并转换为易于处理的电信号，再经电路和逻辑变换等处理， 显示---被测量 控制---用于探测等 二、光电系统的类型 光电系统分为主动系统与被动系统，模拟系统与数字系统，直接探测 系统与相干探测系统等。 第二节 光电系统的特性 光电系统由实现光学变换的光学或光电子学系统与实现光电变换的光 电探测器组成。光电系统的被测量是光信息而输出量是经过光电变换的 电信息，不同原理的光电系统其性能指标是不同的，本节只归纳其共性 特性。 由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即： （6－4） 式中， 是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率， 是光信息的频 率， 为时间常数。 当频率增加时响应率 要降低，当 降到 的 时所对应 的频率 ，称为上限载止频率，这时有 。 第三节 光电系统的设计原则 在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。 二、干扰光最小原则 光电系统中的干扰光主要指杂散光、背景光和“回授光”。干扰光最小原 则指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。 三、共光路原则 在光电系统中为了实现精密测量和减小共模干扰，经常采用差动 测量系统，以实现被测量与标准量的比较，如图6-4所示。 第四节 光电测量系统中的光源及照明系统 光电测量中，光是信息的载体，光源及照明系统的质量对光电测量 往往起着关键的作用。本节将对光源的特性、光源的种类、照明光学系 统及光源选用等问题加以介绍。 2．光谱功率谱分布 光源输出的功率与光谱有关，即与光的波长 有关，称为光谱的功 率分布。常见的有四种典型的分布，如图6-6所示。 3．空间光强分布特征 由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向是不同 的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线， 就得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线，如图6-7所示 为HG500型发光二极管的配光曲线。 为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向作为照明方向。为 了充分利用其他方向的光，可以用反光罩，反光罩的焦点应位于光源 的发光中心。 4．光源的温度和颜色 任何物体，只要其温度在绝对零度以上，就向外界发出辐射，称为 温度辐射。黑体是一种完全的温度辐射体，其辐射本领 表示为： 式中， 为辐射本领； 为吸收率，当 时的物体称 为绝对黑体。 二、光电测量中的常用光源 物体温度大于绝对零度时就会向外辐射能量，辐射以光子形式进行， 我们就会看到光。 3．气体放电光源 利用气体放电原理来发光的光源称为气体放电光源。 特点： 1）发光效率高，比白炽灯高2～10倍，可节省能源。 2）结构紧凑，耐震、耐冲击。 3）寿命长，大约是白炽灯的2～10倍，可节省能源。