光电信号检测第五章 光电直接检测系统.ppt

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. 由光电器件得到的电脉冲，经放大器以后，输出一定形状的负脉冲至控制电路。由参考信号产生的负脉冲A(图(d))经控制电路去打开电子门。这时振荡频率一定的时钟振荡器产生的时钟脉冲，可以通过电子门进入计数显示电路，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门，计时停止。计数和显示的脉冲数如图(g)所示。从计时开始到计时停止的时间正比于参考信号与测距信号之间的时间。 则被测距离为： 2、 相位激光测距仪 测距用的调制光波形如图所示，若其调制频率为f，光速为c，则波长λ可由式λ=c/f 求出。光波每前进一个波长λ相当于相位变化了2π则距离D可表示为： “光尺”测量距离原理图 测距时，调制激光照在合作目标上，被反回接收经光电转换后得到相同的电信号，与光源的驱动电压相比较，测得相位差，由相位差可算得所测距离。 为了便于理解测距仪的测相系统对光波往返二倍距离后的相位移进行测量，图中说明了光波在距离L上往返后的相位变化。 如果设光波从A到A’点的传播过程中相位变化(又称为相位移)为φ，则由图看出，被测距离为： 由上分析可知，如果测得光波相位移φ中2π的整数N和小数?n，就可以确定出被测距离值，所以调制光波可以被认为是一把“光尺”，其波长λ就是相位式激光测距仪的“测尺”长度。 式中当N等于0时， Δφ可由检相器检出，得被测距离，但当N不等于0时，N的大小不能确定，出现测量误差。目前的相位测距仪只可测相位尾数Δφ，不能求整周期数N，因此在测距离较长时，选用较低的测尺频率便会有很大的误差（多值解），而且由于仪器存在测量误差，选用大的测尺长度愈大测距误差越大。解决方法就是采用几个精度不同的“光尺”配合使用。即除了基本测尺长度L外，再选一个或几个辅助测尺Lsb，然后将各测尺的测距读数组合起来得到单一的和准确的距离值。