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第四章 光电信息技术应用第四章 光电信息技术应用
§ 4.1 光电检测
§ 4.2,光电控制
§ 4.3光纤通信
§ 4.4 光纤传感器
§ 4.5 光电信息技术其它应用上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 2
§ 4.1 光电检测
§ 4.1 光电检测
§ 4.1.1 光电检测基本方法
§ 4.1.2 几何量检测
§ 4.1.3 机械量检测
§ 4.1.4 温度检测
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 3
§ 4.1.1 光电检测基本方法
§ 4.1.1 光电检测基本方法光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。光电传感器可以分为以下三种：
1,直射型
2,反射型
3,辐射型根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 4
一,直接作用法
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 5
二,差动法
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 6
1,调整：
放入标准工件的尺寸,调整光楔,使 φ1＝ φ2,使
μA表读数为,0”，
2,测量：
当工件尺寸无误差时,使 φ1＝ φ2,光电传感器输出 U无交变分量,见图 4.1.1－ 3；
当工件尺寸变小时,φ1>φ2,光电传感器输出 U
有交变分量,幅值取决于 φ1与 φ2之差,U＝ S(φ1-
φ2)=SΔφ。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 7
当工件尺寸变大时,φ1<φ2,光电传感器输出 U有交变分量,幅值取决于 φ1与 φ2之差,U＝ S(φ1-φ2)=－
SΔφ。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 8
3,结论：
1〕 测量值的大小决定于 u的幅值,测量值的正负决定于 u的相位,可通过相敏检波器得到 。
2〕 双光路测量可以消除杂散光,光源波动,温度变化和电源电压波动带来的测量误差,测量精度和灵敏度大大提高 。
4,相敏检波器 (PSD)理论
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 9
三,补偿法用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化,补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值,补偿值的大小反映了被测量变化的大小,
四,脉冲测量法受被测量控制的光通量转换成电脉冲,其参数
（ 脉宽,相位,频率,脉冲数量等 ） 反映了被测量的大小 。
1,脉宽法测长
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 10
图 4.1.1－ 8给出了脉宽法测长的原理 。 被测物 L
在传送带上以速度 v前进,光电传感器将物体的长度 L
转换成脉宽来开启门电路,计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数 N,则
L＝ vt＝ vkN＝ KN
2,相位法测距
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 11
3,频率法测速图 4.1.1－ 10是测速的原理框图 。
设 m为发射片数,n为每分钟转速,则
f=nm/60=N/t
n=60N /（ mt）
只要控制在一定的时间 t内计数 N,就可计算得到轮子的转速 。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 12
§ 4.1.2 几何量检测
§ 4.1.2 几何量检测一,光电测距
1,脉冲激光测距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 (见图 4.1.2－ 2,在 2处装有反射器 ),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,那末不必使用反射器,
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§ 4.1.2 几何量检测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 。
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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
D=ct/2
式中 c 为光的传播速度。
§ 4.1.2 几何量检测脉冲激光测距的工作原理见图 4.1.2－ 1。
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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,
§ 4.1.2 几何量检测脉冲激光测距的方框图见图 4.1.2－ 2。
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由光电器件 5得到的电脉冲,经放大器 7以后,输出一定形状的负脉冲至控制电路 8。 由参考信号产生的负脉冲 A(图 4.1.2－ 3(d))经控制电路 8去打开电子门 12。
这时振荡频率一定的时钟振荡器 11产生的时钟脉冲,
可以通过电子门 12进入计数显示电路 13,计时开始 。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 17
当反射回来经整形后的测距信号 B到来时,关闭电子门 12,计时停止 。 计数和显示的脉冲数如图 4.1.2－
3(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 。
2,相位测距法测距用的调制光波形如图 4.1.2— 5所示,若其调制频率为 f,光速为 c,则波长 λ可由下式求出
λ=c/f
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 18
如果设光波从 A到 B点的传播过程中相位变化 (又称为相位移 )为 φ,则由图 4.1.2— 6看出,φ可由 2π的倍数来表示：
φ＝ M·2π十 Δφ=(M十 Δm)2π
式中 M—— 零或正整数；
Δm—— 是个小数,
Δm＝ Δφ/2π
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 19
从图 4.1.2— 5可看出,光波每前进一个波长 λ,相当于相位变化了 2π,因此距离 D可表示如下：
D＝ λ(M十 Δm)
由上分析可知,如果测得光波相位移 φ中 2π的整数和小数,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 。
图 4.1.2— 6说明了光波在距离 D上往返后的相位变化 。
为了便于理解,假设测距仪的接收系统置于 A'(实际上测距仪的发射和接收系统都是在 A点 )，
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 20
并且 AB=BA',AA'=2D。 则
2D=λ(N+Δn)
或 D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)
式中 N—— 零或正整数,为波长 λ或相位 2π的倍数；
Δn— -是个小数,Δn＝ Δλ/λ＝ Δφ/2π；
L—— 称它为测尺长度,Ls ＝ λ/2
当距离 D大于测尺长度 L时,仅用一把,光尺,
是无法测定距离的 。 但当距离 D小于测尺长度 L,即 N
等于零时,式上变为
D＝ LsΔn ＝ LsΔφ/2π
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 21
以上分析说明,用一组测尺共同对距离 D进行测量就可以解决距离的多值解,其实质是解决了测距仪高精度和长测程的矛盾 。 在这组测尺中,最短的测尺保证了必要的测距精度,而较长的测尺则保证了仪器所必要的测程 。
二,直径的光电检测
1.大直径的测量图 4.1.2— 7示出双光路测径装置的原理图 。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 22
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 23
下面按标准直径为 D0,大于或小于 D0三种情况讨论 。
（ a） 被测件 12为标准直径 D0
(b) 被测件的直径小于 D0。
(c) 被测件的直径大于 D0
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 24
2,小直径的测量如图 4.1.2-9(a)所示,
当用激光器 1或平行光照射细丝 2时,在其后面相距较远的屏幕 3上便能获得夫琅和费衍射图像,o
点最亮,被测细丝 2的直径 d可按下式计算：
d＝ λL/s
图 4.1.2-9(b)示出测量细丝直径的原理图。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 25
三,光电测长激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪,其简化结构如图 4.1.2－ 10,光源 1是一台单模稳频的氦 — 氖气体激光器,它发出的激光到达干涉仪中的半透半反镜 M后,被分成两光束 A和 B。 这两束光分别经全反射镜 MA和 MB反射后,汇合到光电倍增管 3上 。 这两束光所走过的光程 (路程 )是不同的,因此产生干涉若把反射镜 MA固定,则光束 A的光程不变 。
镜 MB固定在可移动的平台 8上,它与待测物体 7一起移动,这样就改变了光束 B的光程 。 当平台移动半个波长 (λ／ 2)时,光束 B往返的光程改变了 1λ,于涉
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 26
条纹变化一周期 。 平台连续移动,干涉条纹将明暗交替变化,这种明暗变化被光电倍增管 3所接收,并转换为电量的变化,再经过计数电路 4,将干涉条纹的变化数记录下来 。 这时待测物体的长度可按下式计算而得
l＝ N·λ/2
式中 l—— 待测物体的长度；
λ—— 光的波长；
N —— 计数器测得的脉冲数 。
。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 27
§ 4.1.3 机械量检测
§ 4.1.3 机械量检测一,速度的光电检测
1,多普勒效应光电测速利用多普勒效应的原理 。 声波的多普勒效应是人们所熟悉的 。 火车鸣笛通过,开来时声音尖叫,离去时声音低沉,这就是声波的 多普勒效应 。
光波也有类似的现象,当光源和光接收器之间存在相对运动时,光接收器接收到的就不是光源发出的频率 。
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以 V表示光源 S对于观察者 P的相对运动速度，以
a表示相对速度方向和光速进行方向 (即光源到观察者的方向 )的夹角 (图 4.1.3－ 1)。由于多普勒效应，观察者 P接收到的光波频率 f可表示为,
式中 f0—— 光源发出的原频率,
c＝ c0/n是光在介质中的光速,其中 c0是真空中的光速,n是介质的折射率 。
多普勒频移 Δf 为
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 29
2,利用多普勒效应测量固体的运动速度使用激光测速仪可以测量板,线,
管材等的速度 。 原理见图 4.1.3－ 2。
可得在 P'点接收的光频为：
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 30
多普勒频移 Δf为：
上式整理后可得物体的运动速度式中 λ0 =c/f 0 。 由上式可知,如果激光波长 λ0已知,光电接受方向选定后,只要测出频差 Δf,即可得到物体的运动速度 。
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 31
一,机械振动的光电检测
1,光电测振的原理图 4.1.3－ 4 (a)
示出测量旋转体或旋转轴振动的原理。
当旋转体振动时使一个光电器件上的电流增大，另一个光电器件上的电流减小，其原理示于图 4.1.3－ 4 (b)。
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 32
2,用 PSD测量旋转轴的振动用 PSD测量旋转轴振动的原理示意图如图 4.1.3－ 5。
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 33
§ 4.1.4 温度检测
§ 4.1.4 温度检测一,工作原理根据斯蒂芬－波兹曼定律 。 物体在单位时间内单位面积上,波长从 0－?所辐射的总能量为
E＝T4
式中,?为黑体系数,对应黑体?＝ 1,其它物体?<1，
为常数,数值等于 5.6686?10-12 w ·cm-2·k-4。
因此,只要测出部分辐射能量 E',就可得到物体的温度 T。
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温度直接测量法的原理框图如图 4.1.4－ 1所示 。
二,部分辐射光电高温计
1,原理采用光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，
采用补偿法。
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 35
2,结构结构框图如图 4.1.4－ 2所示。图中，由热体辐射的能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上，
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 36
调制盘结构如图 4.1.4－ 3所示,φ1为热体辐射的光通量,φ2是参考光通量，调整可变电阻 R可改变 φ2的光通量。
由调制盘的结构可知,φ1和 φ2交替照射在光敏电阻上,
光敏电阻输出 U的波形如图 4.1.4－ 4.
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 37
一,光电比色温度计
1,原理对应于黑体,则有维恩公式可推得：
或对于非黑体来说,根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度 Tc。 比色温度 Tc和实际温度 T有如下关系：
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 38
式中,ελ1和 ελ2是物体的黑度系数，对于灰体来说,ελ1?ελ2?1，即比色温度与真实温度是一致的。
因此,比色温度的概念是对两个波长引入的,而实际上为两个波段,利用光电器件和适当电路,测量两个光波段内辐射能量的比值,经过一定的关系运算后就可得到被测温度 。 两个波段的选择,在实用中,
对于高温测量,由于辐射能量足够大,可将波段选得尽量窄而且靠近,对于低温测量,辐射能量较小,可选两个较宽,但是尽量靠近,甚至部分重叠的波段,
以减少黑度系数的影响 。
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 39
3,结构光电比色温度计的结构分 单通道 和 双通道 两种 。
双通道有两个通道和两个光电器件如图 4.1.4－ 5
所示 。
§ 4.1.4 温度检测
2,优点上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 40
单通道比色计只有一个光电器件和一条通道，用调制盘将两个波段的辐射能量交替投射于同一个光电器件上，由它转换成电信号，经放大后加至流比计。
它的光学系统如图 4.1.4－ 6（ a）所示,调制盘 3的布置见图 4.1.4－ 6（ b）
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 41
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 42
§ 4.1.5 机器人视觉系统
§ 4.1.5 机器人视觉系统一,机器人视觉系统的组成原理机器人视觉系统的组成原理如图 4.1.5－ 1所示 。
上图中,光电信息转换一般由光电导摄像管和固体摄像机完成 。
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特殊用途的机器人视觉系统常采用特殊的摄像系统,
如热释电摄像头,碲镉汞摄像头等,这些摄像头一般工作在红外区域 。
CCD固体摄像机有线阵和面阵两种,如果景物在连续均匀的运动,（ 例如在传送带上 ）,可以利用线阵
CCD获得二维图象,一般情况多用面阵 CCD获得图象信息,并以数字方式输入到计算机 。
机器人视觉系统的图象信息包括亮度信息,颜色信息和距离信息等 。 亮度信息用 A/D转换器按 4－ 10 bit
进行量化,再以矩阵形式构成数字图象,存于计算机内 。 颜色信息是通过彩色电视摄像机获得的 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 44
距离信息常用以下方法获得：
1,立体视法
2,光投影法最简单的方法是采用点光束的激光扫描装置,其原理如图
4.1.5-2所示,
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 45
二,机器人视觉系统的照明对机器人操作来说,物体照明的方案有四种,如图 4.1.5-3所示 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 46
三,工业机器人的视觉系统图 4.1.5－ 4是组成工业机器人视觉系统的一种方案 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统
第四章 光电信息技术应用第四章 光电信息技术应用
§ 4.1 光电检测
§ 4.2,光电控制
§ 4.3光纤通信
§ 4.4 光纤传感器
§ 4.5 光电信息技术其它应用上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 2
§ 4.1 光电检测
§ 4.1 光电检测
§ 4.1.1 光电检测基本方法
§ 4.1.2 几何量检测
§ 4.1.3 机械量检测
§ 4.1.4 温度检测
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 3
§ 4.1.1 光电检测基本方法
§ 4.1.1 光电检测基本方法光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。光电传感器可以分为以下三种：
1,直射型
2,反射型
3,辐射型根据检测原理光电检测的基本方法有直接作用法、差动法、补偿法和脉冲法等上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 4
一,直接作用法
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 5
二,差动法
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 6
1,调整：
放入标准工件的尺寸,调整光楔,使 φ1＝ φ2,使
μA表读数为,0”，
2,测量：
当工件尺寸无误差时,使 φ1＝ φ2,光电传感器输出 U无交变分量,见图 4.1.1－ 3；
当工件尺寸变小时,φ1>φ2,光电传感器输出 U
有交变分量,幅值取决于 φ1与 φ2之差,U＝ S(φ1-
φ2)=SΔφ。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 7
当工件尺寸变大时,φ1<φ2,光电传感器输出 U有交变分量,幅值取决于 φ1与 φ2之差,U＝ S(φ1-φ2)=－
SΔφ。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 8
3,结论：
1〕 测量值的大小决定于 u的幅值,测量值的正负决定于 u的相位,可通过相敏检波器得到 。
2〕 双光路测量可以消除杂散光,光源波动,温度变化和电源电压波动带来的测量误差,测量精度和灵敏度大大提高 。
4,相敏检波器 (PSD)理论
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 9
三,补偿法用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化,补偿器的可动元件联接读数装置指示出补偿量值,补偿值的大小反映了被测量变化的大小,
四,脉冲测量法受被测量控制的光通量转换成电脉冲,其参数
（ 脉宽,相位,频率,脉冲数量等 ） 反映了被测量的大小 。
1,脉宽法测长
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 10
图 4.1.1－ 8给出了脉宽法测长的原理 。 被测物 L
在传送带上以速度 v前进,光电传感器将物体的长度 L
转换成脉宽来开启门电路,计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数 N,则
L＝ vt＝ vkN＝ KN
2,相位法测距
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 11
3,频率法测速图 4.1.1－ 10是测速的原理框图 。
设 m为发射片数,n为每分钟转速,则
f=nm/60=N/t
n=60N /（ mt）
只要控制在一定的时间 t内计数 N,就可计算得到轮子的转速 。
§ 4.1.1 光电检测基本方法上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 12
§ 4.1.2 几何量检测
§ 4.1.2 几何量检测一,光电测距
1,脉冲激光测距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 (见图 4.1.2－ 2,在 2处装有反射器 ),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,那末不必使用反射器,
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§ 4.1.2 几何量检测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 。
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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
D=ct/2
式中 c 为光的传播速度。
§ 4.1.2 几何量检测脉冲激光测距的工作原理见图 4.1.2－ 1。
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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,
§ 4.1.2 几何量检测脉冲激光测距的方框图见图 4.1.2－ 2。
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由光电器件 5得到的电脉冲,经放大器 7以后,输出一定形状的负脉冲至控制电路 8。 由参考信号产生的负脉冲 A(图 4.1.2－ 3(d))经控制电路 8去打开电子门 12。
这时振荡频率一定的时钟振荡器 11产生的时钟脉冲,
可以通过电子门 12进入计数显示电路 13,计时开始 。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 17
当反射回来经整形后的测距信号 B到来时,关闭电子门 12,计时停止 。 计数和显示的脉冲数如图 4.1.2－
3(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 。
2,相位测距法测距用的调制光波形如图 4.1.2— 5所示,若其调制频率为 f,光速为 c,则波长 λ可由下式求出
λ=c/f
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 18
如果设光波从 A到 B点的传播过程中相位变化 (又称为相位移 )为 φ,则由图 4.1.2— 6看出,φ可由 2π的倍数来表示：
φ＝ M·2π十 Δφ=(M十 Δm)2π
式中 M—— 零或正整数；
Δm—— 是个小数,
Δm＝ Δφ/2π
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 19
从图 4.1.2— 5可看出,光波每前进一个波长 λ,相当于相位变化了 2π,因此距离 D可表示如下：
D＝ λ(M十 Δm)
由上分析可知,如果测得光波相位移 φ中 2π的整数和小数,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 。
图 4.1.2— 6说明了光波在距离 D上往返后的相位变化 。
为了便于理解,假设测距仪的接收系统置于 A'(实际上测距仪的发射和接收系统都是在 A点 )，
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 20
并且 AB=BA',AA'=2D。 则
2D=λ(N+Δn)
或 D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)
式中 N—— 零或正整数,为波长 λ或相位 2π的倍数；
Δn— -是个小数,Δn＝ Δλ/λ＝ Δφ/2π；
L—— 称它为测尺长度,Ls ＝ λ/2
当距离 D大于测尺长度 L时,仅用一把,光尺,
是无法测定距离的 。 但当距离 D小于测尺长度 L,即 N
等于零时,式上变为
D＝ LsΔn ＝ LsΔφ/2π
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 21
以上分析说明,用一组测尺共同对距离 D进行测量就可以解决距离的多值解,其实质是解决了测距仪高精度和长测程的矛盾 。 在这组测尺中,最短的测尺保证了必要的测距精度,而较长的测尺则保证了仪器所必要的测程 。
二,直径的光电检测
1.大直径的测量图 4.1.2— 7示出双光路测径装置的原理图 。
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§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 23
下面按标准直径为 D0,大于或小于 D0三种情况讨论 。
（ a） 被测件 12为标准直径 D0
(b) 被测件的直径小于 D0。
(c) 被测件的直径大于 D0
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 24
2,小直径的测量如图 4.1.2-9(a)所示,
当用激光器 1或平行光照射细丝 2时,在其后面相距较远的屏幕 3上便能获得夫琅和费衍射图像,o
点最亮,被测细丝 2的直径 d可按下式计算：
d＝ λL/s
图 4.1.2-9(b)示出测量细丝直径的原理图。
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 25
三,光电测长激光光波比长仪实质上就是一个以激光器作光源的干涉仪,其简化结构如图 4.1.2－ 10,光源 1是一台单模稳频的氦 — 氖气体激光器,它发出的激光到达干涉仪中的半透半反镜 M后,被分成两光束 A和 B。 这两束光分别经全反射镜 MA和 MB反射后,汇合到光电倍增管 3上 。 这两束光所走过的光程 (路程 )是不同的,因此产生干涉若把反射镜 MA固定,则光束 A的光程不变 。
镜 MB固定在可移动的平台 8上,它与待测物体 7一起移动,这样就改变了光束 B的光程 。 当平台移动半个波长 (λ／ 2)时,光束 B往返的光程改变了 1λ,于涉
§ 4.1.2 几何量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 26
条纹变化一周期 。 平台连续移动,干涉条纹将明暗交替变化,这种明暗变化被光电倍增管 3所接收,并转换为电量的变化,再经过计数电路 4,将干涉条纹的变化数记录下来 。 这时待测物体的长度可按下式计算而得
l＝ N·λ/2
式中 l—— 待测物体的长度；
λ—— 光的波长；
N —— 计数器测得的脉冲数 。
。
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§ 4.1.3 机械量检测
§ 4.1.3 机械量检测一,速度的光电检测
1,多普勒效应光电测速利用多普勒效应的原理 。 声波的多普勒效应是人们所熟悉的 。 火车鸣笛通过,开来时声音尖叫,离去时声音低沉,这就是声波的 多普勒效应 。
光波也有类似的现象,当光源和光接收器之间存在相对运动时,光接收器接收到的就不是光源发出的频率 。
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以 V表示光源 S对于观察者 P的相对运动速度，以
a表示相对速度方向和光速进行方向 (即光源到观察者的方向 )的夹角 (图 4.1.3－ 1)。由于多普勒效应，观察者 P接收到的光波频率 f可表示为,
式中 f0—— 光源发出的原频率,
c＝ c0/n是光在介质中的光速,其中 c0是真空中的光速,n是介质的折射率 。
多普勒频移 Δf 为
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 29
2,利用多普勒效应测量固体的运动速度使用激光测速仪可以测量板,线,
管材等的速度 。 原理见图 4.1.3－ 2。
可得在 P'点接收的光频为：
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 30
多普勒频移 Δf为：
上式整理后可得物体的运动速度式中 λ0 =c/f 0 。 由上式可知,如果激光波长 λ0已知,光电接受方向选定后,只要测出频差 Δf,即可得到物体的运动速度 。
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 31
一,机械振动的光电检测
1,光电测振的原理图 4.1.3－ 4 (a)
示出测量旋转体或旋转轴振动的原理。
当旋转体振动时使一个光电器件上的电流增大，另一个光电器件上的电流减小，其原理示于图 4.1.3－ 4 (b)。
§ 4.1.3 机械量检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 32
2,用 PSD测量旋转轴的振动用 PSD测量旋转轴振动的原理示意图如图 4.1.3－ 5。
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§ 4.1.4 温度检测
§ 4.1.4 温度检测一,工作原理根据斯蒂芬－波兹曼定律 。 物体在单位时间内单位面积上,波长从 0－?所辐射的总能量为
E＝T4
式中,?为黑体系数,对应黑体?＝ 1,其它物体?<1，
为常数,数值等于 5.6686?10-12 w ·cm-2·k-4。
因此,只要测出部分辐射能量 E',就可得到物体的温度 T。
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温度直接测量法的原理框图如图 4.1.4－ 1所示 。
二,部分辐射光电高温计
1,原理采用光电信息转换器件对部分辐射进行敏感测量，
采用补偿法。
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 35
2,结构结构框图如图 4.1.4－ 2所示。图中，由热体辐射的能量，经透镜聚焦后照射在调制盘上，
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 36
调制盘结构如图 4.1.4－ 3所示,φ1为热体辐射的光通量,φ2是参考光通量，调整可变电阻 R可改变 φ2的光通量。
由调制盘的结构可知,φ1和 φ2交替照射在光敏电阻上,
光敏电阻输出 U的波形如图 4.1.4－ 4.
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 37
一,光电比色温度计
1,原理对应于黑体,则有维恩公式可推得：
或对于非黑体来说,根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度 Tc。 比色温度 Tc和实际温度 T有如下关系：
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 38
式中,ελ1和 ελ2是物体的黑度系数，对于灰体来说,ελ1?ελ2?1，即比色温度与真实温度是一致的。
因此,比色温度的概念是对两个波长引入的,而实际上为两个波段,利用光电器件和适当电路,测量两个光波段内辐射能量的比值,经过一定的关系运算后就可得到被测温度 。 两个波段的选择,在实用中,
对于高温测量,由于辐射能量足够大,可将波段选得尽量窄而且靠近,对于低温测量,辐射能量较小,可选两个较宽,但是尽量靠近,甚至部分重叠的波段,
以减少黑度系数的影响 。
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 39
3,结构光电比色温度计的结构分 单通道 和 双通道 两种 。
双通道有两个通道和两个光电器件如图 4.1.4－ 5
所示 。
§ 4.1.4 温度检测
2,优点上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 40
单通道比色计只有一个光电器件和一条通道，用调制盘将两个波段的辐射能量交替投射于同一个光电器件上，由它转换成电信号，经放大后加至流比计。
它的光学系统如图 4.1.4－ 6（ a）所示,调制盘 3的布置见图 4.1.4－ 6（ b）
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 41
§ 4.1.4 温度检测上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 42
§ 4.1.5 机器人视觉系统
§ 4.1.5 机器人视觉系统一,机器人视觉系统的组成原理机器人视觉系统的组成原理如图 4.1.5－ 1所示 。
上图中,光电信息转换一般由光电导摄像管和固体摄像机完成 。
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特殊用途的机器人视觉系统常采用特殊的摄像系统,
如热释电摄像头,碲镉汞摄像头等,这些摄像头一般工作在红外区域 。
CCD固体摄像机有线阵和面阵两种,如果景物在连续均匀的运动,（ 例如在传送带上 ）,可以利用线阵
CCD获得二维图象,一般情况多用面阵 CCD获得图象信息,并以数字方式输入到计算机 。
机器人视觉系统的图象信息包括亮度信息,颜色信息和距离信息等 。 亮度信息用 A/D转换器按 4－ 10 bit
进行量化,再以矩阵形式构成数字图象,存于计算机内 。 颜色信息是通过彩色电视摄像机获得的 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 44
距离信息常用以下方法获得：
1,立体视法
2,光投影法最简单的方法是采用点光束的激光扫描装置,其原理如图
4.1.5-2所示,
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 45
二,机器人视觉系统的照明对机器人操作来说,物体照明的方案有四种,如图 4.1.5-3所示 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统上一张章首 下一张 结束节首目录第三章 光电信息转换 46
三,工业机器人的视觉系统图 4.1.5－ 4是组成工业机器人视觉系统的一种方案 。
§ 4.1.5 机器人视觉系统
