光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用光電直接檢測(cè)系統(tǒng)

1、 光電直接檢測(cè)系統(tǒng)是將待光信號(hào)直接入射到光檢測(cè)器光敏 面上，光檢測(cè)器響應(yīng)光輻射強(qiáng)度（幅度）并輸出相應(yīng)的電流和 電壓。 檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)光學(xué)天線或直接由檢測(cè)器接收光信號(hào)，前端還 可經(jīng)過頻率濾波和空間濾波等處理。 強(qiáng)度 調(diào)制器 光學(xué)天線光學(xué)通道 接收天線及光 電檢測(cè)器 光電信號(hào) 處理器 光源 信號(hào) 發(fā)射機(jī) 背景噪聲場(chǎng) 接收機(jī) 電路噪聲 回收的 信息 強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型強(qiáng)度調(diào)制直接檢測(cè)模型 假定入射光信號(hào)電場(chǎng)為： tAtEscos 5-1 光場(chǎng)平均光功率為： 2 2 _ 2 AtEP ss 表示 _ 2 tEs tEs 2 的時(shí)間平均值； 5-2 光檢測(cè)器輸出電流為： 2 _ 2 2 A h e tE

2、h e PI sss 稱為光電變換比例常數(shù) h e 5-3 光檢測(cè)器的平方律特性：光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方， 電輸出功率正比于入射光功率的平方。 若光檢測(cè)器負(fù)載電阻RL，則光檢測(cè)器輸出電功率為： LsLso RP h e RIP 2 2 2 5-4 如果入射光是調(diào)幅波，即 ttdAtE s cos1 其中d(t)為調(diào)制信號(hào)，可推導(dǎo)出光檢測(cè)器的輸出電流 為: 5-5 tdAAis 22 2 1 式中第一項(xiàng)為直流項(xiàng)，若光檢測(cè)器輸出端有隔直電容， 則輸出光電流只包含第二項(xiàng)，稱為包絡(luò)檢測(cè)。 5-6 光檢測(cè)器輸出的總功率包括信號(hào)電功率和噪聲功率，可表示為： 2 2 nsLnoo PPR h e PP

3、 5-7 考慮到信號(hào)和噪聲的獨(dú)立性，有： 2 2 sLo PR h e P 2 2 2 nnsLno PPPR h e P 5-8 由信噪比定義，輸出功率信噪比為： ns ns nns s no o p PP PP PPP P P P SNR 212 2 2 2 5-9 ns ns nns s no o p PP PP PPP P P P SNR 212 2 2 2 說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測(cè)系 統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號(hào)的檢測(cè)。 輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經(jīng)過光電轉(zhuǎn)換，信噪 比損失了3dB。實(shí)際應(yīng)用中可以接受。 可見，直接檢測(cè)方法不能改善輸入信噪比，適

4、宜不是很微弱的 光信號(hào)檢測(cè)。但這種方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性高，成本低， 得到廣泛應(yīng)用。 (1)若1 ns PP，則有： 2 nsp PPSNR 5-10 (2) 若1 ns PP，則有： n s p P P SNR 2 1 5-11 在數(shù)字式光電系統(tǒng)中，噪聲對(duì)系統(tǒng)的影響常 使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比 有關(guān)。信噪比高，誤碼率低。由噪聲的概率分 布規(guī)律考慮“概率問題”來衡量。 考慮直接檢測(cè)系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率 為： LNTNDNBNSno RiiiiP _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 , NDNBNS iii和分別為信號(hào)光、背景光和暗電流引

5、起的散粒噪聲。 _ 2 NT i為負(fù)載電阻和放大器的熱噪聲之和。 5-12 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NTNDNBNS s no o p iiii Phe P P SNR 輸出信噪比為： 5-13 _ 2 _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NTNDNBNS s no o p iiii Phe P P SNR 當(dāng)熱噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng) 的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為： L s p RfkT Phe SNR 4 2 2 熱 5-14 當(dāng)散粒噪聲遠(yuǎn)大于熱噪聲時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受散粒噪聲限 制，信噪比為： _ 2 _ 2 _ 2 2 2 NDNBNS s p散 iii Ph

6、e SNR 5-15 當(dāng)背景噪聲是直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng) 受背景噪聲限制，信噪比為： B s B s p Pfh P P h e fe Phe SNR 2 2 22 2 背 5-16 假定光波長(zhǎng)=0.7m，檢測(cè)器的量子效率=1，測(cè)量帶寬f=1， 由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測(cè)功率為 WP 18 min 10 當(dāng)入射信號(hào)光波所引起的噪聲為直接檢測(cè)系統(tǒng)的主要噪聲源 時(shí)，直接檢測(cè)系統(tǒng)受信號(hào)噪聲限制，這時(shí)信噪比為： fh P SNR s p 2 信 5-17 該式為直流檢測(cè)在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測(cè)系統(tǒng) 的量子極限，又稱量子限靈敏度。 若用等效噪聲功率NEP值表示，在

7、量子極限下，直接檢測(cè)系 統(tǒng)理論上可測(cè)量的最小功率為： fh NEP 2 量 5-18 在實(shí)際直接檢測(cè)系統(tǒng)中，很難達(dá)到量子極限檢測(cè)。實(shí)際系統(tǒng) 總會(huì)有背景噪聲、檢測(cè)器和放大器的熱噪聲。 背景限信噪比可以在激光檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)，是因?yàn)榧す夤庾V 窄，加濾光片很容易消除背景光，實(shí)現(xiàn)背景限信噪比。 系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光 電檢測(cè)過程中利用光檢測(cè)器的內(nèi)增益獲得光電倍增，如光電倍增 管。當(dāng)倍增很大時(shí)，熱噪聲可忽略，同時(shí)加致冷、屏蔽等措施減 小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達(dá)到散粒噪聲限。在特殊條 件下可趨近于量子限。但倍增管也會(huì)帶入噪聲，增益過程中使噪 聲增加。 在直接檢測(cè)中，光電

8、倍增管、雪崩管的檢測(cè)能力較高，采用 有內(nèi)部高增益的檢測(cè)器可使直接檢測(cè)系統(tǒng)趨近于檢測(cè)極限。對(duì)于 光電導(dǎo)器件，主要噪聲為產(chǎn)生復(fù)合噪聲（極限散粒噪聲），光電 導(dǎo)器件極限信噪比低，NEP較大。 直接檢測(cè)系統(tǒng)視場(chǎng)角 D u f d 檢測(cè)器 物鏡 視場(chǎng)角表示系統(tǒng)能檢測(cè)到的空間 范圍，是檢測(cè)系統(tǒng)的性能指標(biāo)之一。 對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)，被測(cè)物看作是在無窮 遠(yuǎn)處，且物方與像方介質(zhì)相同。當(dāng)檢 測(cè)器位于焦平面上時(shí)，其半視場(chǎng)角為： 或視場(chǎng)角立體角為： 2 f A d 從觀察角度講，希望視場(chǎng)角愈大愈好，即大檢測(cè)器面積或減小光學(xué)系 統(tǒng)的焦距，但對(duì)檢測(cè)器會(huì)帶來不利影響： 增加檢測(cè)器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因?yàn)閷?duì)大多數(shù)檢測(cè)器，噪聲

9、功率和面積的平方根成正比。 減小焦距使系統(tǒng)的相對(duì)孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng) 靈敏方式下降。 因此在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，在檢測(cè)到信號(hào)的基礎(chǔ)上盡可能減小系統(tǒng)視場(chǎng)角。 f d 2 5-19 I 0I 0 O 1 頻帶寬度f是光電檢測(cè)系統(tǒng)的重要指標(biāo)之一。檢測(cè)系統(tǒng)要求f應(yīng)保存原有 信號(hào)的調(diào)制信息，并使系統(tǒng)達(dá)到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號(hào)能力， 可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。以脈沖激光波形為例. 對(duì)于輸入信號(hào)為矩形波時(shí)，通過不同帶通濾波器的波形的分 析，可知，要使系統(tǒng)可以復(fù)現(xiàn)輸入信號(hào)波形，要求系統(tǒng)帶寬f： 在輸入信號(hào)為調(diào)幅波時(shí)，一般情況下取頻帶寬度為其包絡(luò) （邊頻）頻率的2倍。如果是調(diào)頻波，

10、則要求濾波器加寬頻帶寬 度，保證有足夠的邊頻分量通過系統(tǒng)。 0 4 f 5-20 等效矩形帶寬： 頻譜曲線下降3dB的帶寬 包含90%能量的帶寬 0 1 06 . 0 0 2 62. 0 f 0 3 89. 0 f 光電檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時(shí)， 靈敏度的表達(dá)形式不同，在對(duì)地測(cè)距、搜索和 跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測(cè)距離”來評(píng)價(jià)系 統(tǒng)的靈敏度。對(duì)于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距 離方程推演出來。 直接檢測(cè)系統(tǒng)分為被動(dòng)檢測(cè)和主動(dòng)檢測(cè)系 統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進(jìn)行推導(dǎo)。 強(qiáng)度 調(diào)制器 光學(xué)天線光學(xué)通道 接收天線及 光電檢測(cè)器 光電信號(hào) 處理器 光 源 信 號(hào) 發(fā)射機(jī) 背景噪聲場(chǎng) 接收機(jī) 電路噪

11、聲 回收的 信息 1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程 被動(dòng)檢測(cè)過程示意圖 大 氣 傳 播 e E e P 接收光 學(xué)系統(tǒng) 信 號(hào) 處 理 接收機(jī) 接 收 信 息 光 電 檢 測(cè) L s V 被測(cè) 目標(biāo) e I 光譜輻射強(qiáng)度 L傳播距離 大氣光譜透過率 1 V R 光譜響應(yīng)度 0 0 A入射孔徑面積 光譜透過率 設(shè)被測(cè)目標(biāo)的光譜輻射強(qiáng)度為 e I 經(jīng)大氣傳播后到達(dá)接收光學(xué)系統(tǒng)表面的光譜輻射照度 為： e E 2 1 L I E e e 的距離為目標(biāo)到光電檢測(cè)系統(tǒng) 內(nèi)的大氣光譜透過率；為被測(cè)距離 L L 1 入射到檢測(cè)器上的光譜功率 為： e P 00 2 1 00 A L I AEP e ee 透過率為

12、接收光學(xué)系統(tǒng)的光譜 孔徑面積為接收光學(xué)系統(tǒng)的入射 1 0 A 根據(jù)目標(biāo)輻射強(qiáng)度最大的波段范圍及所選取檢測(cè)器光譜響應(yīng)范圍共同決定選取 的12的輻射波段，可得到檢測(cè)器的輸出信號(hào)電壓為： 2 1 2 1 01 2 0 dRI L A dRPV VeVes 為檢測(cè)器的光譜響應(yīng)度 V R 5-21 1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程 2 1 01 2 0 dRI L A V Ves 1、被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的距離方程 都是波長(zhǎng)的復(fù)雜函數(shù)，難有確切 的解析表達(dá)式。通常作如下簡(jiǎn)化處理： Ve R、I和 01 式中 取1為被測(cè)距離L在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的平均透過率1。 光學(xué)系統(tǒng)的透過率0對(duì)光譜響應(yīng)范圍內(nèi)平均值。 把檢測(cè)器的光譜響

13、應(yīng)帶看成是一個(gè)矩形帶寬。即在響應(yīng)范圍內(nèi)為 常數(shù)RV，在其它區(qū)域?yàn)榱恪?根據(jù)物體的溫度T查表，可計(jì)算出在考查波段范圍內(nèi)的黑體輻射強(qiáng)度， 再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應(yīng)范圍內(nèi)的輻射強(qiáng)度Ie。 將上述值代入5-22式，可得： 令檢測(cè)器的方均根噪聲電壓為Vn，則 它的輸出信噪比為： 2 1 01 2 0 dRI LV A V V Ve nn s 5-22 Ve nn s RI LV A V V 01 2 0 5-23 2 1 01 2 0 dRI LV A V V Ve nn s 即： 2 1 010 n s V V n Ve V RIA L 5-24 又因?yàn)椋?fA DV R d n

14、 V * 5-25 將上式代入5-24，可得： 2 1 * 010 fA DIA L dV V e n s 5-26 式中Ad為檢測(cè)器面積；f為系統(tǒng)的 帶寬；D*為檢測(cè)器的歸一化檢測(cè) 度；AoIe=P0是入射到接收光學(xué)系 統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調(diào)制 特性，入射到探測(cè)器上的有效功率 為： dSP 2 1 0 S()為調(diào)制信號(hào)的功率譜 為清楚地看出系統(tǒng)各部件對(duì)檢測(cè)距離的影響，把調(diào)制特性考 慮為對(duì)入射功率的利用系數(shù)km，則上式改寫為： 2 1 2 1 2 1 2 1 * 001 ns m d e VVf k A D AIL 5-27 第一個(gè)括號(hào)是目標(biāo)輻射特性及大氣透過率對(duì)檢測(cè)距離的影響； 第二個(gè)

15、括號(hào)和第三個(gè)括號(hào)表示光學(xué)系統(tǒng)及檢測(cè)器件特性對(duì)作 用距離的影響； 第四個(gè)括號(hào)是信息處理系統(tǒng)對(duì)作用距離的影響。 大 氣 傳 播 L k 傳播距離 衰減系數(shù) 2 LS L L 后光斑面積經(jīng)距離 e E e I r Sa 反射系數(shù) 反射面積 P d P 接收光 學(xué)系統(tǒng) 信 號(hào) 處 理 接收機(jī) 回 收 信 息 0 立體角 接收口徑 D 02 透過率 光 電 檢 測(cè) 強(qiáng)度 調(diào)制器 發(fā)射光 學(xué)系統(tǒng) 光 源信 號(hào) 發(fā)射機(jī) s P m k 01 T P 反射 目標(biāo) L s V 2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程 主動(dòng)檢測(cè)過程示意圖 主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps()； 發(fā)射束發(fā)散立體角為；發(fā)射光學(xué)系統(tǒng)透

16、過率為01()，經(jīng)調(diào) 制的光能利用率為km，則發(fā)射機(jī)發(fā)射的功率PT()為： ms kP 01T P 激光在大氣中傳播時(shí)，能量若為按指數(shù)規(guī)律衰減，令衰減系數(shù)為 k()，經(jīng)傳播距離L后光斑面積為SL=L2，光斑SL的輻射照度Ee 為： Lk T Lk L T e L P e S P 2 e E 設(shè)在距光源L處有一目標(biāo)，其反射面積為Sa。普通情況下把反射 體看作是朗伯反射，即在半球內(nèi)均勻反射，其反射系數(shù)為r。在 此條件下，單位立體角的反射光輻射強(qiáng)度Ie() 為： Lk a L ea erS L P ErS 2 e 1 I 2、主動(dòng)檢測(cè)距離方程 假定接收機(jī)和發(fā)射機(jī)在一處，反射光經(jīng)大氣傳輸?shù)浇邮掌鞯倪^程

17、 仍遵守指數(shù)規(guī)律衰減，衰減系數(shù)仍為k()，則接收功率為： Lk a T erS L DP 2 4 2 0 e 4 IP 式中，D0為光學(xué)系統(tǒng)接收口徑；=D02/4L2為接收系統(tǒng)的立體 角。如果接收光學(xué)系統(tǒng)的透過率為02()，則檢測(cè)器上接收到 的總功率為： Lk ams e L DkSkP 2 4 2 0 02d 4 PP 式中: rk 0201 檢測(cè)器上的輸出電壓為： V Lk ams V Re L DkSkP R 2 4 2 0 ds 4 PV 式中：RV()為檢測(cè)器相對(duì)光譜響應(yīng)度，將5-25式代入上式得距 離L為： V Lk ams V Re L DkSkP R 2 4 2 0 ds 4

18、PV 4 1 2 *2 0 4 L Lk dns ams e fAVV DDkSkP 如果目標(biāo)反射面積Sa等于光斑照射面積L2，則上式可化為： 2 1 2 *2 0 4 L Lk dns ms e fAVV DkDkP 可知，影響檢測(cè)距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣 特性以及目標(biāo)反射特性都將影響檢測(cè)距離。 在前面計(jì)算距離時(shí)，在被動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以 透過率表示，而在主動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中，絕大多數(shù)系統(tǒng)是以激光做光源，激光光 譜較窄，用衰減系數(shù)表示，其物理意義是等價(jià)的。 計(jì)量光柵可分為透射式光柵 和反射式光柵兩大類，均由光源、 光柵副、光敏元件三大部分組成。 光敏元件可以

19、是光敏二極管，也 可以是光電池。透射式光柵一般 是用光學(xué)玻璃或不銹鋼做基體， 在其上均勻地刻劃出間距、寬度 相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū) 和不透光區(qū)。 5.4.1 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀 在檢測(cè)技術(shù)中常用的是計(jì)量光柵。計(jì)量光柵主要是利用光 的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測(cè)量，有很高的分辨力，可優(yōu) 于0.1m。 黑白光柵 計(jì)量光柵由標(biāo)尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標(biāo)尺 光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與 標(biāo)尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或 0.1mm）。在長(zhǎng)光柵中標(biāo)尺光柵固定不動(dòng)，而指示光柵安裝 在運(yùn)動(dòng)部件上，所以兩者之間可以形成相對(duì)運(yùn)動(dòng)。 在透射式直線光柵中，

20、把主 光柵與指示光柵的刻線面相對(duì)疊 和在一起，中間留有很小的間隙， 并使兩者的柵線保持很小的夾角 ，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻 線重合處，光從縫隙透過，形成 亮帶；在兩光柵刻線的錯(cuò)開處， 由于相互擋光作用而形成暗帶。 這種亮帶和暗帶形成明暗相間的 條紋稱為莫爾條紋.莫爾條紋是周 期性函數(shù)。 計(jì)量光柵 主光柵 指示光柵 莫爾條紋光柵原理莫爾條紋光柵原理 構(gòu)成：構(gòu)成： 主光柵主光柵-標(biāo)尺光柵，標(biāo)尺光柵，定光柵定光柵指示光柵指示光柵-動(dòng)光動(dòng)光柵柵 莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá) 橫向莫爾條紋特征 當(dāng)指示光柵沿x軸（例如水平方 向）自左向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條 紋的亮帶和暗帶將順序自下而 上不斷地掠過光敏元件（在演

21、 示中就是我們的眼睛）。光敏 元件“觀察”到莫爾條紋的光 強(qiáng)變化近似于正弦波變化。光 柵移動(dòng)一個(gè)柵距P，光強(qiáng)變化一 個(gè)周期。 由于光柵的刻線非常細(xì)微，很難分辨到底移動(dòng)了多少個(gè)柵 距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當(dāng)光柵移動(dòng)了一個(gè)節(jié)距 時(shí)P，莫爾條紋移動(dòng)了一個(gè)寬度B。且滿足關(guān)系式： sinPB 莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應(yīng)：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的， 對(duì)光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵 刻線不均勻引起的誤差。 2）對(duì)應(yīng)關(guān)系：當(dāng)指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對(duì)移動(dòng) 時(shí)，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動(dòng)（兩者的運(yùn)動(dòng)方向相互垂 直）；指示光柵反向移動(dòng)，莫爾條紋亦反向移動(dòng)

22、。在圖中，當(dāng) 指示光柵向右移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋向上運(yùn)動(dòng)。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨 著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B越大，相 當(dāng)于把微小的柵距P擴(kuò)大了 倍。由此可見，計(jì)量光柵起 到光學(xué)放大器的作用。 sin/ 1 W W BC ABBH 2 4 2 2 sin 22 放大倍數(shù)為放大倍數(shù)為 1/,1/,越小越小, , B B越大。越大。 例如例如=0.1=0.1時(shí)時(shí) =0.1=0.1=0.1=0.12/360 2/360 =0.00175432rad=0.00175432rad W=0.02mm BW=0.02mm BH H=11.4592mm=11.4592m

23、m。 例，對(duì)25線/mm的長(zhǎng)光柵而言，P0.04mm，若=0.016rad， 則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨 0.04mm的間隔。 計(jì)量光柵的光學(xué)放大作用與安裝角度有關(guān)，而與兩光柵的 安裝間隙無關(guān)。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸， 否則光敏元件無法分辨光強(qiáng)的變化。 4）莫爾條紋移過的條紋數(shù)與光柵移過的刻線數(shù)相等。例如， 采用100線/mm光柵時(shí)，若光柵移動(dòng)了x mm（也就是移過了 100 x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也 是100 x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏 元件所識(shí)別。將此莫爾條紋產(chǎn)生的電脈沖信號(hào)計(jì)數(shù)，就可知 道移動(dòng)

24、的實(shí)際距離了。 光電傳感器輸出信號(hào)波形光電傳感器輸出信號(hào)波形 當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng)當(dāng)光柵相對(duì)位移一個(gè)柵距時(shí)，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)條紋寬度，相應(yīng) 照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期照射在光電池上的光強(qiáng)度發(fā)生一個(gè)周期的變化，使輸出電信號(hào)周期 變化，其輸出波形如圖：變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí)由此可知，只要計(jì)算輸出電壓的周期數(shù)，便可測(cè)出位移量。從而實(shí) 現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在現(xiàn)了位移量向電量的轉(zhuǎn)換。在一個(gè)周期內(nèi)，輸出波形的變化是位移在 一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦

25、函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。一個(gè)柵距內(nèi)變化的余弦函數(shù)，每一周期對(duì)應(yīng)一個(gè)柵距。 但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題：但是如果只用一個(gè)光電元件，其輸出信號(hào)還存在兩個(gè)問題： 辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動(dòng)方向；辨向問題：用一個(gè)光電元件無法辨別運(yùn)動(dòng)方向； 精度低；分辨力只為一個(gè)柵距精度低；分辨力只為一個(gè)柵距P。 辨向原理：辨向原理： 用兩個(gè)光電元件相距用兩個(gè)光電元件相距B/4安裝（相當(dāng)于相差安裝（相當(dāng)于相差90空間角，空間角， B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。），如圖所示，可以解決辨向問題。 當(dāng)條紋上移時(shí)，當(dāng)條紋上移時(shí)，V2落后于落后于V1 90。 當(dāng)條紋

26、下移時(shí)，當(dāng)條紋下移時(shí)，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關(guān)系可以之間的相位關(guān)系可以 判別運(yùn)動(dòng)方向。判別運(yùn)動(dòng)方向。 細(xì)分技術(shù)細(xì)分技術(shù)（解決精度問題）（解決精度問題） 當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來進(jìn)行位移當(dāng)使用一個(gè)光電池通過判斷信號(hào)周期的方法來進(jìn)行位移 測(cè)量時(shí)，最小分辨力為測(cè)量時(shí)，最小分辨力為1個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高個(gè)柵距。為了提高測(cè)量的精度，提高 分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在 雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信號(hào)進(jìn)行細(xì)分，雙光電元件的基礎(chǔ)上，經(jīng)過信號(hào)調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)對(duì)信

27、號(hào)進(jìn)行細(xì)分， 其電路框圖如圖所示。其電路框圖如圖所示。 4 B 代表性產(chǎn)品：代表性產(chǎn)品： 德國(guó)德國(guó)Heidenhain（海德漢）：（海德漢）： 封閉式：量程封閉式：量程3000mm，分辨力，分辨力0.1 m 開放式：量程開放式：量程1440mm，分辨力，分辨力0.01m 開放式：量程開放式：量程270mm 分辨力分辨力1nm 英國(guó)英國(guó)Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 m 0.01 m 中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所：中國(guó)長(zhǎng)春光機(jī)所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 m 脈沖激光測(cè)距的工作原理脈沖激光測(cè)距的工作原理 2/ tcD 脈 沖

28、 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)（調(diào)Q/鎖模）鎖模） 電源 發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng) 物鏡 小孔光闌 干涉濾光片 取樣器 激光器 測(cè)器 光電檢 時(shí)鐘振蕩器電子門計(jì)數(shù)器 控制電路 放大電路 整形電路 復(fù)原電路 發(fā)射光束 回波光束 啟動(dòng)按鈕 小孔光闌 干涉濾光片 脈沖測(cè)距儀原理方塊圖 它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時(shí)鐘脈沖 振蕩器以及計(jì)數(shù)顯示電路等組成. 2/ncD 測(cè)距用的調(diào)制光波形如圖所示， 若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則 波長(zhǎng)可由式=c/f 求出。光波每前進(jìn)一個(gè)波長(zhǎng)相 當(dāng)于相位變化了2則距離D可表 示為： 2 , nnND 發(fā)射 接收 回波 強(qiáng)調(diào)制 正弦光 棱鏡 合作目標(biāo) 0 D D 測(cè)距時(shí)，調(diào)制激光照在合 作目標(biāo)上，被反回接收經(jīng)光 電轉(zhuǎn)換后得到相同的電信號(hào)， 與光源的驅(qū)動(dòng)電壓相比較， 測(cè)得相位差，由相位差可算 得所測(cè)距離。 nNLnND s 2