光电检测技术与应用第5章光电直接检测系统2.ppt

光信息科学与技术系 第五章 光电直接检测系统 典型的光电检测系统 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 环境污染检测系统 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。 对应关系 莫尔条纹的特征 放大作用 四倍频细分判向原理 指示光栅相对于长光栅移过一个节距莫尔条纹变化一周.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1一个光栅节距的小数. 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. 但实际系统并不单独计数,而是利用电子学的方法,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. 细分方法有:幅值分割、周期测量、倍频、移项、函数变换等方法。 常见的四倍频细分判向原理 差频相位检测原理 莫尔条纹有如下特征： ? 1）平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。 ? 2）对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。 ? 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角θ而改变。θ越小，B越大，相当于把微小的栅距P扩大了 倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。 放大倍数为 1/θ,θ越小, B越大。 例如θ=0.1°时 θ=0.1°=0.1×2π/360 =0ad W=0.02mm BH=11.4592mm。 例，对25线/mm的长光栅而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，则B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的间隔，但无法分辨0.04mm的间隔。 ? 计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。 ? 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如，采用100线/mm光栅时，若光栅移动了x mm（也就是移过了100×x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是100×x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。 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。 细分技术（解决精度问题） 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，经过信号调节环节对信号进行细分，其电路框图如图所示。 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