光電檢測(cè)系統(tǒng)ppt精選課件

光學(xué)系統(tǒng),光電探測(cè)器,電路處理,光源,光電檢測(cè)系統(tǒng),檢測(cè)與測(cè)量光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。光電檢測(cè)技術(shù)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)。它將被測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動(dòng)測(cè)量光電檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)變換光電變換電路處理,光電檢測(cè)技術(shù),定義：,被測(cè)信息：,傳感器、檢測(cè)儀器、檢測(cè)裝置、檢測(cè)系統(tǒng),全部操作：,檢測(cè)過程,確定被測(cè)對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作,信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出,物理量（光、電、力、熱、磁、聲、）,被測(cè)對(duì)象：,宇宙萬物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體）,檢測(cè)器具,化學(xué)量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）,檢測(cè)的基本概念,例：空調(diào)機(jī)測(cè)量控制室溫,空氣,被測(cè)對(duì)象：,被測(cè)信息：,檢測(cè)器具：,操作過程：,室內(nèi)空氣,溫度,溫度傳感器-熱電阻、熱電偶,熱敏電阻,電信號(hào),處理,顯示,空調(diào)機(jī),返回,直接測(cè)量：對(duì)儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被測(cè)量的數(shù)值。例如：長(zhǎng)度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺電壓：萬用表質(zhì)量：天平間接測(cè)量：測(cè)量幾個(gè)與被測(cè)量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)量。例如：電功率：P=I*V（電流/電壓）重力加速度：?jiǎn)螖[測(cè)量（L：擺的線長(zhǎng)，T：擺動(dòng)的周期）,返回,測(cè)量,光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。光電檢測(cè)技術(shù)：是利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測(cè)。它將被測(cè)量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動(dòng)測(cè)量光電檢測(cè)系統(tǒng)光學(xué)變換光電變換電路處理,光電檢測(cè)技術(shù),光學(xué)變換,電路處理,光電檢測(cè)系統(tǒng),光電探測(cè)器的種類,光學(xué)變換時(shí)域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學(xué)掃描光學(xué)參量調(diào)制：光強(qiáng)、波長(zhǎng)、相位、偏振形成能被光電探測(cè)器接收，便于后續(xù)電學(xué)處理的光學(xué)信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動(dòng)電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號(hào)的放大和處理）。電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機(jī)與接口、控制。,光電檢測(cè)系統(tǒng),光學(xué)變換,在光電系統(tǒng)中，通常要借助幾何光學(xué)、物理光學(xué)和光電子學(xué)的方法對(duì)信號(hào)進(jìn)行變換，包括將一種光量轉(zhuǎn)換成另一種光量，將非光量轉(zhuǎn)換成光量或?qū)⑦B續(xù)光量轉(zhuǎn)換成脈沖光量目的：將待測(cè)信息加載到光載波上進(jìn)而形成光電信號(hào)改善系統(tǒng)的時(shí)間和空間分辨力和動(dòng)態(tài)品質(zhì)，提高傳輸效率和檢測(cè)精度改善系統(tǒng)的檢測(cè)信噪比，提高工作可靠性,主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按有無人工光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測(cè)器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測(cè)器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測(cè)量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)/相干檢測(cè)系統(tǒng)(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分),光電檢測(cè)系統(tǒng)分類,光電信號(hào)檢測(cè)種類,光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè)光相位型信號(hào)檢測(cè)光偏振型信號(hào)檢測(cè)光頻率型信號(hào)檢測(cè)光譜型信號(hào)檢測(cè),光電信號(hào)檢測(cè)種類,光強(qiáng)度型信號(hào)檢測(cè)-被測(cè)參量作用在光強(qiáng)信號(hào)上-直接檢測(cè)和調(diào)制檢測(cè)光強(qiáng)度型光電信號(hào)直接檢測(cè)光強(qiáng)調(diào)制檢測(cè),光強(qiáng)度型光電信號(hào)直接檢測(cè),輻射式直接檢測(cè),探測(cè)器直接測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的輻射光強(qiáng)，根據(jù)這些信息可以進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)、紅外偵察、武器制導(dǎo)、光譜分析、火災(zāi)報(bào)警、武器制導(dǎo)、夜視觀察、地形地貌普查和成像測(cè)量等的應(yīng)用。,光強(qiáng)度型光電信號(hào)直接檢測(cè),透射式直接檢測(cè),光強(qiáng)度型光電信號(hào)直接檢測(cè),遮擋式直接檢測(cè),光強(qiáng)度型光電信號(hào)直接檢測(cè),反射式直接檢測(cè),疵病信號(hào)電壓,被測(cè)表面的照度,正品表面的反射率,疵病表面的反射率,光電接收器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占地面積,光電測(cè)速,(b),光電數(shù)字式轉(zhuǎn)速表工作原理圖,在待測(cè)轉(zhuǎn)速的軸上固定一個(gè)涂上黑白相間條紋的圓盤，它們具有不同的反射率。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，反光與不反光交替出現(xiàn)，光電敏感器件間斷地接收光的反射信號(hào)，轉(zhuǎn)換為電脈沖信號(hào)。,是在待測(cè)轉(zhuǎn)速軸上固定一帶孔的轉(zhuǎn)速調(diào)置盤，在調(diào)置盤一邊由白熾燈產(chǎn)生恒定光，透過盤上小孔到達(dá)光敏二極管組成的光電轉(zhuǎn)換器上，轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電脈沖信號(hào)，經(jīng)過放大整形電路輸出整齊的脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)速由該脈沖頻率決定。,被動(dòng)光學(xué)系統(tǒng),主動(dòng)光學(xué)系統(tǒng),光電系統(tǒng)所接收的信號(hào)完全來自被測(cè)對(duì)象的自發(fā)輻射而不用人工光源,信息源通過調(diào)制光源的電源電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發(fā)射調(diào)制光；或者用光電系統(tǒng)照射目標(biāo)再進(jìn)行光電變化，被接收系統(tǒng)接收,光強(qiáng)調(diào)制檢測(cè)（將信號(hào)加載到光波上）,光強(qiáng)直接檢測(cè)方法容易受到外部干擾和光強(qiáng)波動(dòng)的影響對(duì)光信號(hào)進(jìn)行光強(qiáng)調(diào)制，提高系統(tǒng)檢測(cè)精度光調(diào)制的優(yōu)點(diǎn):1.容量大2.易加載3.距離遠(yuǎn)4.易保密5.抗電磁干擾能力強(qiáng),主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測(cè)器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測(cè)器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測(cè)量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)/相干檢測(cè)系統(tǒng)(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分),光電檢測(cè)系統(tǒng)分類,1.模擬光電變換,被測(cè)的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時(shí)，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流Ip或電壓Up信號(hào)的形式輸出。即輸出信號(hào)量是被測(cè)信號(hào)量Q的函數(shù)，或稱輸出信號(hào)量與被測(cè)信號(hào)量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系?？杀硎緸镮p=f(Q),模擬變換系統(tǒng),或Up=f(Q)光電變換電路輸出的電流Ip或電壓Up不僅與被測(cè)信息量Q值有關(guān)而且與載體光度量有關(guān)。因此，為保證光電變換電路輸出信號(hào)與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系，載體光度量必須穩(wěn)定。否則，載體光度量的變化直接影響被測(cè)信息量。另外，電路參數(shù)的變化，尤其是電源電壓的波動(dòng)，放大電路的噪聲、放大倍率的變化等都影響被測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。而光度量的穩(wěn)定又與光源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等的性能有關(guān)。因此，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的高精度的模擬光電信息變換常常遇到許多其他技術(shù)方面的困難。必須采用各種措施解決這些困難，才能獲得高質(zhì)量的模擬光電信息變換。,模擬變換系統(tǒng),在這類光電變換中，被測(cè)信息量Q通過光學(xué)變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號(hào)和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。模-數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”和“1”（高、低電平）兩個(gè)狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號(hào)不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測(cè)信息量Q的函數(shù)關(guān)系為F=f(Q)顯然，數(shù)字信息量F只取決于光通量變化的頻率、周期、相位和時(shí)間間隔等信息參數(shù)，而與光的強(qiáng)度無關(guān)，也不受電源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等外界因素的影響。因此，這類光電變換方式對(duì)光源和光電器件的要求不象模擬光電變換那樣嚴(yán)格，只要能使光電變換電路輸出穩(wěn)定的“0”和“1”兩個(gè)狀態(tài)即可。,模數(shù)變換系統(tǒng),光電檢測(cè)系統(tǒng)分類,主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)紅外系統(tǒng)多用于軍事,有大氣窗口,需要特種探測(cè)器可見光系統(tǒng)多用于民用點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)(按接受系統(tǒng)分)用單元探測(cè)器接受目標(biāo)的總輻射功率用面接受元件測(cè)量目標(biāo)的光強(qiáng)分布模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)/相干檢測(cè)系統(tǒng)(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分),直接檢測(cè)和相干檢測(cè)系統(tǒng),光電檢測(cè)方法,若光信息為光強(qiáng)，即被測(cè)信號(hào)加載到光載波的強(qiáng)度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源直接檢測(cè)光電系統(tǒng)，也是一種非相干檢測(cè)；若光信息加載于相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中相干檢測(cè)系統(tǒng)；若光源是非相干光，使光信息加載于非相干光源載波的振幅、頻率或相位變化之中非相干檢測(cè)系統(tǒng)。,直接探測(cè)系統(tǒng)的性能分析,光電探測(cè)器的基本功能是把入射到探測(cè)器上的光功率轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的光電流光電流是光電探測(cè)器對(duì)入射光功率的響應(yīng)，如果傳遞的信息表現(xiàn)為光功率的變化，利用光電探測(cè)器的直接光電轉(zhuǎn)換功能就能實(shí)現(xiàn)信息的直接解調(diào),光電探測(cè)器的平方律特性,假定入射光的電場(chǎng)為是等幅余弦變化光電探測(cè)器的光電轉(zhuǎn)換定律若探測(cè)器的負(fù)載電阻為RL，那么光電探測(cè)器的輸出功率,電輸出功率正比于入射光功率的平方；光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方,直接檢測(cè)系統(tǒng)的信噪比,設(shè)入射光電探測(cè)器的信號(hào)功率為Pi，噪聲功率為ni，光電探測(cè)器的輸出電功率為Po，輸出噪聲功率為no，則總的輸入功率為Pini，總的輸出功率為Pono由光電探測(cè)器的平方律特性信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有,根據(jù)信噪比的定義，輸出信噪比為,若（Pi/ni）1，則有輸出信噪比等于輸入信噪比之半，光電轉(zhuǎn)換后的信躁比損失不大，適宜于強(qiáng)光探測(cè),直接探測(cè)系統(tǒng)的噪聲,信號(hào)光功率的散粒噪聲背景光功率的散粒噪聲光電器件熱噪聲光電器件暗電流引起的散粒噪聲,直接檢測(cè)屬于非相干檢測(cè)，噪聲有：,非相干信號(hào)的光電變換與檢測(cè),直接檢測(cè)系統(tǒng)-隨時(shí)間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法這類信號(hào)的變換通常集中發(fā)生于局部的空間范圍，它的特征參量只隨時(shí)間緩慢地，或周期性或瞬時(shí)地變化，因此是時(shí)間的一維函數(shù)而與空間坐標(biāo)無關(guān)，可用函數(shù)F(t)表示。-隨空間變化的光電信號(hào)變換與檢測(cè)方法這類信號(hào)發(fā)生在一定的空間坐標(biāo)范圍內(nèi)，光信號(hào)的參量隨空間位置而改變。因此是二維或三維空間的函數(shù)，用函數(shù)F(x,y,z)表示，其中隨時(shí)間變化的信號(hào)稱作時(shí)空變化的光電信號(hào)，用函數(shù)F(x,y,z,t)表示。,測(cè)距原理：由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接受目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測(cè)量光脈沖往返所經(jīng)過的時(shí)間來計(jì)算出目標(biāo)的距離。測(cè)距儀原理：由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器和計(jì)數(shù)器等組成。,脈沖激光測(cè)距儀的原理框圖,一、脈沖激光測(cè)距儀,脈沖激光測(cè)距儀,發(fā)射系統(tǒng),接收系統(tǒng),接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器低噪聲寬帶放大器整形電路,門控電路,時(shí)鐘脈沖振蕩器,計(jì)數(shù)顯示器,激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng),物鏡小孔光闌干涉濾光片,激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號(hào)和回波信號(hào)?；夭}沖經(jīng)光電探測(cè)器變換成電信號(hào)，再經(jīng)放大和整形后，將電子門打開，使通過電子門的時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)回波脈沖（負(fù)與門）到來時(shí)，關(guān)閉電子們。在參考和回波脈沖之間計(jì)數(shù)器所接收到的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)代表來被測(cè)距離。時(shí)鐘頻率越高，測(cè)量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時(shí)間。,脈沖測(cè)距波形,若調(diào)制光角頻率為，在待測(cè)量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為：t=/距離L可表示為式中：信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。調(diào)制信號(hào)的角頻率，=2f。,N：測(cè)線所包含調(diào)制波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。N：測(cè)線所包含不足波長(zhǎng)的小數(shù)部分。：稱為測(cè)尺長(zhǎng)，又稱“光尺”。,相位延遲：,被測(cè)距離：,距離的測(cè)量變成了測(cè)線所包含波長(zhǎng)個(gè)數(shù)和不足一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分的測(cè)量。,測(cè)量信號(hào)相位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測(cè)定不足2的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。測(cè)程長(zhǎng)，精度低；反之，精度高，則測(cè)程短解決方法：用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的光尺）進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)用來測(cè)量距離的大數(shù)，另一個(gè)用于精確測(cè)量距離的尾數(shù)。就可以既擴(kuò)大測(cè)程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測(cè)量。,差頻相位檢測(cè)原理,調(diào)制頻率越高,測(cè)量精度越高.但是,一般相位計(jì)工作在低頻區(qū).差頻后兩信號(hào)都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差s.,差頻后:,相位激光測(cè)距儀的原理,精主振f1(高頻)和粗主振f2(低頻)，由開關(guān)控制依次對(duì)發(fā)光管供電進(jìn)行兩次測(cè)相檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc基準(zhǔn)混頻器對(duì)本振電壓和主振電壓進(jìn)行混頻外差，進(jìn)行外差，輸出低頻fc的基準(zhǔn)電壓信號(hào)混頻器對(duì)本振電壓和輸出信號(hào)進(jìn)行混頻外差，輸出低頻fc的信號(hào)電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差.由相檢計(jì)檢出相位差.兩次測(cè)相的結(jié)果輸入計(jì)算電路計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。,相位激光測(cè)距儀的原理圖,長(zhǎng)度量光電測(cè)量的應(yīng)用實(shí)例,應(yīng)用光電信息變換技術(shù)測(cè)量長(zhǎng)度量的實(shí)例，以便系統(tǒng)掌握測(cè)量長(zhǎng)度的基本方法。,10.1.1鋼板寬度的非接觸自動(dòng)測(cè)量,如圖10-1所示為采用兩個(gè)線陣CCD圖像傳感器對(duì)鋼板寬度進(jìn)行非接觸自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)原理圖。探測(cè)器1與探測(cè)器2分別安裝在同一個(gè)支撐架的兩端，它們的中心距（如圖所示）為l0。,寬度測(cè)量原理,如圖10-2所示為寬度測(cè)量的原理方框圖。穩(wěn)定的遠(yuǎn)心照明光源1與2發(fā)出的光使被測(cè)鋼板的邊沿能夠被成像物鏡清楚地成像在兩個(gè)線陣CCD的像敏面上，CCD1與CCD2在同步脈沖的驅(qū)動(dòng)下分別輸出如圖10-3所示的信號(hào)U1與U2。,經(jīng)二值化處理或A/D轉(zhuǎn)換在提取邊界（軟件二值化處理），得到如圖10-3所示的二值化信號(hào)D1與D2。D1的下降沿對(duì)應(yīng)于CCD1的第N1個(gè)像敏單元，D2的上升沿對(duì)應(yīng)于,2.測(cè)量范圍與測(cè)量精度,CCD2的第N2個(gè)像敏單元，它們又分別表示鋼板邊緣的像在CCD1與CCD2像敏面上的位置。因此，可以推導(dǎo)出鋼板的寬度的計(jì)算公式，為,（10-1）,式中，1與2分別為兩個(gè)探測(cè)器光學(xué)成像物鏡的橫向放大倍率，S0為CCD像敏單元長(zhǎng)，式中的正負(fù)號(hào)要根據(jù)CCD的安裝方向確定。,（1）測(cè)量范圍,鋼板寬度的測(cè)量測(cè)量范圍與兩探測(cè)器的中心距l(xiāng)0有關(guān)，,即與探測(cè)器安裝架的調(diào)整與鎖定方式有關(guān)。由式（10-1）可見，鋼板的寬度L直接與l0有關(guān)，若l0可以大范圍的調(diào)整與鎖定，系統(tǒng)的測(cè)量范圍將會(huì)很大。另外，寬度的測(cè)量范圍還與兩探測(cè)器成像物鏡的橫向放大倍率1與2有關(guān)，與所選用的CCD像敏單元長(zhǎng)及像元數(shù)N等參數(shù)有關(guān)。,（2）測(cè)量精度對(duì)式（10-1）取微分，由于系統(tǒng)確定后除像元數(shù)N1與N2外的其他參數(shù)均為常數(shù)，因此,(10-2),顯然，測(cè)量精度與CCD的像元長(zhǎng)度S0、光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率等參數(shù)有關(guān)。,3.測(cè)量速度,線陣CCD測(cè)量周期為其轉(zhuǎn)移脈沖SH的周期T，它由所選線陣CCD的像元數(shù)N及驅(qū)動(dòng)頻率f決定，,（10-3）,式中，Nd為大于線陣CCD虛設(shè)單元的任意數(shù)（由設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)器者決定）。顯然，N與Nd值越大，SH的周期T越長(zhǎng)，而提高驅(qū)動(dòng)頻率f將縮短SH的周期T，提高測(cè)量速度。,若驅(qū)動(dòng)頻率為數(shù)MHz，測(cè)量周期常為ms量級(jí)。,板材定長(zhǎng)剪切系統(tǒng),1.定長(zhǎng)裁剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),在板材（鋼帶、鋁帶、玻璃板、塑料板等板材）的生產(chǎn)、加工過程中，經(jīng)常遇到定長(zhǎng)度的剪切的工作。采用光電非接觸測(cè)量系統(tǒng)可以使板材定長(zhǎng)加工自動(dòng)化，并獲得高精度、高速度、質(zhì)量穩(wěn)定的效果。,裁剪系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖10-4所示。被裁板材經(jīng)傳動(dòng)輪和從動(dòng)導(dǎo)輪展開，并以一定的速度v經(jīng)裁減裝置(剪刀)輸送到光電檢測(cè)系統(tǒng)。光電檢測(cè)系統(tǒng)由光源、光學(xué)成像系統(tǒng)(圖中未畫)和光電器件構(gòu)成。,2.定長(zhǎng)裁剪原理,當(dāng)板材進(jìn)入光電系統(tǒng)，遮擋光路到一定程度時(shí)，光電器件輸出的信號(hào)經(jīng)處理系統(tǒng)（圖中省略）后，發(fā)出執(zhí)行命令信號(hào)。剪刀在裁剪控制系統(tǒng)接受執(zhí)行命令操作裁剪系統(tǒng)執(zhí)行裁剪動(dòng)作。設(shè)光電系統(tǒng)的中心安裝在距裁剪剪刀口l0遠(yuǎn)處。當(dāng)被裁板材沿箭頭所示方向運(yùn)動(dòng)到光電探測(cè)系統(tǒng)的視場(chǎng)內(nèi)，被裁板材邊緣的像成在光電器件的光敏面上，使光電器件輸出的光電流減小，輸出電壓降低。而且，隨著板材的運(yùn)動(dòng)輸出電壓將越來越小。當(dāng)它減小到一定程度，判別電路將輸出電壓跳變，使板材的運(yùn)動(dòng)停止，裁剪系統(tǒng)啟動(dòng)，剪刀下落將板材剪掉。,板材被剪掉后，光電器件又被光完全照亮，光電流又恢復(fù)到最大值，它使剪刀抬起，啟動(dòng)傳動(dòng)系統(tǒng)使板材繼續(xù)沿箭頭方向運(yùn)動(dòng)。實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)與裁剪的自動(dòng)控制。,3.定長(zhǎng)裁剪系統(tǒng)精度分析,若裁剪系統(tǒng)的光電傳感器采用面積為S的硅光電池（或硅光電二極管），在光敏面全被入射光照射時(shí)，光電流IL很大，變換電路的輸出為低電位，用做整形的非門電路輸出為高電平。當(dāng)光敏面部分被遮擋時(shí)，光電流IL減少，變換電路的輸出電位增高，當(dāng)它高于閾值電位Uth值時(shí)，非門電路輸出將由高變低。輸出控制傳輸系統(tǒng)和剪刀動(dòng)作的命令。,設(shè)光源所發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)后均勻地投射到光電器件上，光敏面上的照度為E。當(dāng)光電器件為矩形硅光電池時(shí)，它輸出的光電流IL與入射光照度E的關(guān)系為IL=SEA（10-4）其中，S矩形硅光電池的靈敏度，A為光電器件的受光面積，顯然，在被裁板材沒進(jìn)入視場(chǎng)時(shí)為整個(gè)光電器件的光敏面。,當(dāng)被裁板材進(jìn)入視場(chǎng)后，受光面積A將減少，必將引起光電流IL的下降?？紤]硅光電池的靈敏度S為常數(shù)，光源所發(fā)出的光是穩(wěn)定的，故也是常數(shù)，則，光電流IL的變化只與受光面積A有關(guān)，對(duì)于矩形硅光電池，面積為光電池的寬度b與長(zhǎng)度L的乘積，即IL=SEbL（10-5）被裁板材進(jìn)入視場(chǎng)后，設(shè)光電池被遮擋的長(zhǎng)度為l，光電流變?yōu)镮L=SEb（L-l）（10-6）,顯然，光電流的變化與光電池被遮擋的長(zhǎng)度l有關(guān)，對(duì)式（10-6）取微分得IL=SEbl（10-7）式中的負(fù)號(hào)表明光電流隨遮擋量的增加而減少。可以推出圖10-5中U隨遮擋量的變化關(guān)系為U=SEbRLl（10-8）表明，控制精度與反向電路的電壓鑒別量有關(guān)，采用電壓比較器模塊可以獲得微伏級(jí)的鑒別精度，由式（10-8）推倒出的理論控制精度可以達(dá)到微米量級(jí)。但是，由于光源的穩(wěn)定度，和生產(chǎn)環(huán)境（灰塵），震動(dòng)，背景光等因素的影響可能帶來遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過計(jì)算的誤差。選用PSD、線陣列光電二極管器件或線陣CCD等傳感器為光電探測(cè)器，可以克服上述因素帶來的誤差，使實(shí)際控制精度得到提高。,簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)的形位檢測(cè),光學(xué)目標(biāo):不考慮被測(cè)對(duì)象的物理本質(zhì)，只把它們看作是與背景間有一定光學(xué)反差的幾何形體或圖形景物。根據(jù)光強(qiáng)空間分布的復(fù)雜程度和測(cè)量目的，光學(xué)目標(biāo)可以分成簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)和復(fù)雜圖形景物。,一、定義及分類,簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)通常由點(diǎn)、線、平面等簡(jiǎn)單規(guī)則圖形組成。包括刻線、狹縫、十字線、光斑、成像系統(tǒng)得到的遠(yuǎn)處物體的彌散圓及工業(yè)規(guī)則圖形等。測(cè)量的目的是確定目標(biāo)相對(duì)基準(zhǔn)坐標(biāo)的角度或位置偏差。復(fù)雜圖形景物的圖形分布復(fù)雜，空間頻率高，密度等級(jí)豐富，測(cè)量的目的在于確定圖形的細(xì)節(jié)和層次、分析圖形的內(nèi)容等；,在實(shí)際的光電工程中很多對(duì)象可以制作或簡(jiǎn)化成簡(jiǎn)單的光學(xué)目標(biāo)。例如，許多幾何量的形位測(cè)量就常常利用被測(cè)物體與其背景間的光學(xué)反差來確定物體邊緣輪廓。而大多數(shù)的物體輪廓，特別是工業(yè)圖形都是相對(duì)簡(jiǎn)單和規(guī)則的。此外，在對(duì)星體、飛行物等遠(yuǎn)處活動(dòng)目標(biāo)的跟蹤測(cè)量中，也需要將它們看作是在廣闊背景上的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的輻射光斑來確定該點(diǎn)源的空間坐標(biāo)。因此，簡(jiǎn)單光學(xué)目標(biāo)的測(cè)量是物體空間狀態(tài)檢測(cè)的重要方面。,測(cè)定目標(biāo)相對(duì)基準(zhǔn)的角度偏差和位置偏差在生產(chǎn)、科研和軍事中有廣泛的應(yīng)用。例如大尺寸工件的安裝與加工、高速公路和鋼軌的自動(dòng)鋪設(shè)、地下隧道的自動(dòng)掘進(jìn)等工程中采用的自動(dòng)準(zhǔn)直測(cè)量；精密小尺寸測(cè)量中的目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)和位置偏移測(cè)量；現(xiàn)代天文望遠(yuǎn)鏡中的光電導(dǎo)星；軍事應(yīng)用中的激光制導(dǎo)和激光定向等都是這些方面的典型應(yīng)用。,二、作用,三、四象限探測(cè)器,1、結(jié)構(gòu),通常是由四個(gè)光電池排列形成直角坐標(biāo)，制作在共同的襯底上，彼此電絕緣，有單獨(dú)的信號(hào)輸出端。象限之間的間隔稱為“死區(qū)”，要求死區(qū)作的很窄。若“死區(qū)”太寬，而入射光斑較小時(shí)，就無法判別光斑的位置；“死區(qū)”過分狹窄，可能引起信號(hào)之間的相互串?dāng)_，對(duì)工藝的要求也高。,2、工作原理及應(yīng)用,有光斑投射表面時(shí)，各象限光電池的輸出信號(hào)與所接收的光能量成正比，因此能用以測(cè)出光斑的光亮度中心。若光斑形狀是有規(guī)則的，并已知時(shí)，則可借以確定它的幾何位置。根據(jù)四象限探測(cè)器的坐標(biāo)軸線和測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間安裝角度的不同，可將它的應(yīng)用方法分作和差電路和直差電路兩種。,和差電路,四象限探測(cè)器的坐標(biāo)軸線和測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間成水平安裝。電路的連接是先計(jì)算相鄰象限的和，再計(jì)算和信號(hào)的差。,設(shè)光斑形狀為彌散圓，在探測(cè)器四象限、上所占的面積分別為S1、S2、S3、S4，光斑半徑為r，光斑中心為。,光斑的光密度均勻，光斑相對(duì)探測(cè)器中心O的偏移,測(cè)量范圍。,測(cè)量靈敏度較高，非線性影響較小，對(duì)目標(biāo)光斑的不均勻性適應(yīng)性較強(qiáng)，適用于高精度的定位測(cè)量。但信號(hào)處理電路復(fù)雜，需要進(jìn)行多次和差運(yùn)算。各環(huán)節(jié)性能的差異會(huì)引起測(cè)量誤差。,和差電路的特點(diǎn),直差電路,四象限探測(cè)器的坐標(biāo)軸線和測(cè)量系統(tǒng)基準(zhǔn)線間成45角安裝。各象限間的連接按對(duì)角線方向相減。,直差電路的特點(diǎn),電路簡(jiǎn)單。非線性和靈敏度相對(duì)較低。,四、光電位置傳感器,PSD（PositionSensitiveDetectors）是一種能測(cè)量光點(diǎn)在探測(cè)器表面上連續(xù)位置的光學(xué)探測(cè)器。PSD由P襯底、PIN光電二極管及表面電阻組成。光電位置傳感器的積分靈敏度是與光敏層上受光斑點(diǎn)相對(duì)光敏面中心的偏移位置有關(guān)。,1、結(jié)構(gòu),位置分辨率高、光譜響應(yīng)寬、響應(yīng)速度快、位置和光強(qiáng)同時(shí)測(cè)量、不受光斑的約束、可靠性高。,光學(xué)位置和角度的探測(cè)、光學(xué)遙測(cè)系統(tǒng)、位移和振動(dòng)測(cè)量、激光對(duì)中和準(zhǔn)直、距離測(cè)試、人類運(yùn)動(dòng)姿態(tài)分析。,2、特點(diǎn),3、應(yīng)用范圍,4、工作原理,當(dāng)一束光落在PSD上，相應(yīng)于光能量的電荷在入射點(diǎn)產(chǎn)生，電荷通過P型電阻層被電極收集。P型層是均勻一體的電阻層，被電極收集到的光電流與入射點(diǎn)和電極間距成反比。由此可得出如下公式：I1和I2是電極的光電流，L和I0分別代表電極間距和總光電流。,當(dāng)PSD幾何中心設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn):,當(dāng)PSD一端設(shè)定為坐標(biāo)原點(diǎn)：,5、分類及轉(zhuǎn)換公式,PSD可分一維PSD和二維PSD。PSD光敏面上光點(diǎn)位置可由如下公式得出：這里X1和X2代表每一電極輸出信號(hào)（光電流），x是光點(diǎn)位置坐標(biāo)。,復(fù)雜光學(xué)圖像的掃描檢測(cè),光學(xué)目標(biāo)通常是復(fù)雜的二維或三維的圖形或景物，有著更為復(fù)雜的光強(qiáng)分布形式。被測(cè)量對(duì)象的發(fā)光強(qiáng)度不僅隨時(shí)間改變，而且與坐標(biāo)位置有關(guān)。這些目標(biāo)的光強(qiáng)分布結(jié)構(gòu)細(xì)密、空間頻率分布廣、灰度層次豐富、動(dòng)態(tài)范圍寬。是應(yīng)用范圍最廣的光學(xué)信息來源。,一、檢測(cè)方法,為了對(duì)復(fù)雜目標(biāo)進(jìn)行傳真、錄放、檢測(cè)、處理和顯示、存貯，最基本的變換方法是圖像數(shù)據(jù)的采集和再現(xiàn)。也就是在光信號(hào)采集的情況下如何將物體在空間域內(nèi)的光強(qiáng)分布變換成時(shí)域內(nèi)的電信號(hào)的變化，或者在圖形再現(xiàn)的情況下如何將時(shí)序電信號(hào)變換成空間光強(qiáng)的分布。,在觀察和測(cè)量復(fù)雜圖像時(shí)，常常希望光電系統(tǒng)具有在大視場(chǎng)范圍內(nèi)精確分辨圖形細(xì)節(jié)能力。雖然可采用有大視場(chǎng)光學(xué)系統(tǒng)和多通道并行檢測(cè)光電器件的組合裝置，但這種方法存在著許多困難。例如，像質(zhì)好、視場(chǎng)大的光路系統(tǒng)本身是復(fù)雜的，而從大視場(chǎng)的背景輻射干擾中檢測(cè)出小尺寸目標(biāo)物體可能得到的信噪比較低。特別是并行檢測(cè)需要有一個(gè)大面積、高分辨率、有并行輸入能力的多像素光電檢測(cè)器件，這在目前尚難以實(shí)現(xiàn)。,能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)的空時(shí)(或時(shí)空)變換和光電(或電光)變換的最常用的技術(shù)就是圖像掃描。它們?cè)诓煌愋偷膱D像儀器中是不可缺少的重要環(huán)節(jié)。工程上真正得到應(yīng)用的圖像采集的方法是光電掃描技術(shù)。在這種方法中只用了一個(gè)窄視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)光電檢測(cè)通道。,二、黑白激光打印機(jī),從功能結(jié)構(gòu)上區(qū)分，激光打印機(jī)可分為打印控制器和打印引擎兩大部分。打印控制器就是打印機(jī)的控制電路，負(fù)責(zé)接收來自計(jì)算機(jī)終端或網(wǎng)絡(luò)的打印命令及相關(guān)數(shù)據(jù)，并指揮打印引擎進(jìn)行相關(guān)動(dòng)作，屬于常規(guī)性部件。打印引擎則根據(jù)來自打印控制器的命令進(jìn)行實(shí)際的圖像打印工作，激光打印機(jī)的實(shí)際性能更多取決于打印引擎。,目前，具備打印引擎設(shè)計(jì)制造能力的只有CANON（佳能）、Minolta（美能達(dá)）、Xerox（施樂）、Brother、SAMSUNG（三星）、Hitachi（日立）等少數(shù)幾個(gè)廠商。各打印機(jī)廠商則向這些引擎廠商購(gòu)買或?qū)ｉT定制打印引擎，然后根據(jù)引擎設(shè)計(jì)出打印控制器及驅(qū)動(dòng)程序，由此形成打印引擎市場(chǎng)與激打整機(jī)的二級(jí)市場(chǎng)。,雖然它屬于常規(guī)的功能型部件，但其設(shè)計(jì)優(yōu)劣對(duì)打印機(jī)的性能和質(zhì)量都會(huì)有些影響。我們可以看到，市面上許多采用相同打印引擎的激光打印機(jī)產(chǎn)品，卻存在較大的性能差異，其原因就在于不同的打印機(jī)廠商采用了不同的控制器設(shè)計(jì)方案。,1、打印控制器,從功能上說，打印控制器實(shí)際上是一臺(tái)功能完善的專用計(jì)算機(jī)，它包括I/O接口、處理器、內(nèi)存和控制接口四大模塊，少數(shù)高端機(jī)型甚至還配置了硬盤。I/O接口負(fù)責(zé)與計(jì)算機(jī)或網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通訊，終端用戶的打印指令和待打印的文檔數(shù)據(jù)都是通過I/O接口傳遞給打印機(jī)。處理器接收到打印指令之后，許可數(shù)據(jù)傳輸開始，文檔數(shù)據(jù)就被傳送到內(nèi)存中。同時(shí)，處理器將這個(gè)打印信息轉(zhuǎn)換為同樣的位圖圖像數(shù)據(jù)。控制接口，它負(fù)責(zé)的是將處理器發(fā)出的打印動(dòng)作指令傳給打印引擎。在這套系統(tǒng)中，處理器起到了核心職能，所有數(shù)據(jù)通訊、文檔轉(zhuǎn)換、圖像解釋和引擎控制工作都是由它來完成，相當(dāng)于打印機(jī)的大腦。,打印控制器負(fù)責(zé)的是前期的邏輯處理工作，而真正的打印任務(wù)則是由打印引擎來完成的。對(duì)黑白型激打來說，打印引擎主要包括感光鼓、激光掃描器、反射棱鏡、碳粉盒、走紙機(jī)構(gòu)和熱轉(zhuǎn)印單元等多