光電信息技術(shù)應(yīng)用

1、光電信息技術(shù)應(yīng)用第1頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一1 4.1 光電檢測(cè) 4.1.1 光電檢測(cè)基本方法4.1.2 幾何量檢測(cè)4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)4.1.4 溫度檢測(cè)4.1.5 機(jī)器人視覺系統(tǒng)第2頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一2 一 直接作用法受被測(cè)物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成電量后由檢測(cè)機(jī)構(gòu)直接得到欲測(cè)的物理量，測(cè)量框圖如圖所示。直接測(cè)量法的最大優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單方便，儀器設(shè)備造價(jià)低廉。這種方法的缺點(diǎn)是檢測(cè)結(jié)果受參數(shù)、環(huán)境、電壓波動(dòng)等影響較大，精度及穩(wěn)定性較差。適合于測(cè)量精度要求不高的場(chǎng)合。 根據(jù)檢測(cè)原理光電檢測(cè)的基本方法有直接作用法、差動(dòng)

2、法、補(bǔ)償法和脈沖法等。4.1.1 光電檢測(cè)基本方法第3頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一34.1.1 光電檢測(cè)基本方法 二 差動(dòng)法利用被測(cè)量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或比反映了被測(cè)量的大小。例如，用雙光路差動(dòng)法測(cè)量物體的長度，如圖所示。 第4頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一44.1.1 光電檢測(cè)基本方法 1調(diào)整：放入標(biāo)準(zhǔn)工件的尺寸，調(diào)整光楔，使12，使A表讀數(shù)為“0”。當(dāng)工件尺寸無誤差時(shí)，使12，光電傳感器輸出U無交變分量，見圖。當(dāng)工件尺寸變小時(shí)，12，US(1-2)R=SR。 當(dāng)工件尺寸變大時(shí)，1uS ，uR 和uS 同相或反相。同相：當(dāng)u R為

3、正半周時(shí)，uSuRuR1,，uSuRuR2 uouR1uR22uS，當(dāng)uR為負(fù)半周，二極管不導(dǎo)通，uo0反相：當(dāng)uR為正半周，uSuR uR1，uSuRuR2 uouR1 uR22uS，當(dāng)uR為負(fù)半周，二極管不導(dǎo)通，uo0這樣，只要判斷uo的正負(fù)，就可知道被測(cè)工件的正負(fù)偏差，只要測(cè)出uo的大小，就可知道工件的偏差值。 第7頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一74.1.1 光電檢測(cè)基本方法4相敏檢波器(PSD)理論實(shí)用中，用變壓器線圈比較麻煩，可改用另一種PSD，如圖所示。 在相敏檢波器中，參考信號(hào)要求同測(cè)量信號(hào)同頻，可通過在調(diào)制盤上另裝一套光電接收器而獲得。如圖所示。第8頁

4、，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一84.1.1 光電檢測(cè)基本方法三、補(bǔ)償法用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，補(bǔ)償值的大小反映了被測(cè)量變化的大小。1. 單通道光電補(bǔ)償式測(cè)量該檢測(cè)方法又稱補(bǔ)償直讀法，測(cè)量原理如圖所示。由光敏電阻RG和電阻R0、R1、R2組成電橋，當(dāng)無光照時(shí)，調(diào)整Rw使電橋平衡，當(dāng)信號(hào)光照射光敏電阻時(shí)，其阻值RG下降為RG，使電橋失去平衡，檢流計(jì)G中有信號(hào)輸出。調(diào)整RW使電橋恢復(fù)平衡，調(diào)整RW時(shí)標(biāo)尺指示器A隨之移動(dòng)，電橋平衡時(shí)，A指示的數(shù)值就是待測(cè)量值的大小。以上是單通道電補(bǔ)償?shù)囊粋€(gè)例子。第9頁，共91

5、頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一94.1.1 光電檢測(cè)基本方法2. 雙通道光電補(bǔ)償式測(cè)量在雙光路差動(dòng)法測(cè)量中，用相敏檢波器的輸出量直接控制光楔上下移動(dòng)，直到120，即相敏檢波器的輸出量為零，而光楔的上下移動(dòng)與一個(gè)讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，從讀數(shù)機(jī)構(gòu)的得到的讀數(shù)正好反映的光通量的變化量，也就是被測(cè)量的值。 第10頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一104.1.1 光電檢測(cè)基本方法1 脈寬法測(cè)長四、脈沖測(cè)量法受被測(cè)量控制的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反映了被測(cè)量的大小。圖給出了脈寬法測(cè)長的原理。LvtvkNKN以上對(duì)零件尺寸的測(cè)量都要求勻速直線運(yùn)

6、動(dòng)，實(shí)現(xiàn)起來較為困難，因此常用于精度要求不高的場(chǎng)合。其中，k是高頻脈沖的時(shí)間當(dāng)量，即表示單位高頻脈沖所代表的時(shí)間，而K是長度當(dāng)量，即表示單位高頻脈沖所代表的長度。第11頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一114.1.1 光電檢測(cè)基本方法在上面的測(cè)量中，由于物體的震動(dòng)，馬達(dá)電壓頻率的波動(dòng)等使v不勻速，這樣就可帶來測(cè)量誤差。為了消除這些誤差，高頻脈沖可取之本系統(tǒng)的馬達(dá)或傳送帶的轉(zhuǎn)動(dòng)輪上，圖所示是利用全脈沖法檢測(cè)零件尺寸的例子該方法的測(cè)量結(jié)果和精度與傳送帶運(yùn)動(dòng)的快、慢或短暫的停止都沒有關(guān)系。但不應(yīng)有零件與傳送帶之間或輪與輪之間的相對(duì)移動(dòng)。此外，如因磨損等造成D1、D2和D3的變化

7、，也會(huì)影響檢測(cè)精度。主動(dòng)輪轉(zhuǎn)一周工件移動(dòng)D2 對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的脈沖數(shù)D1n/D3 一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng)零件移動(dòng)的距離為 LD2D3/nD1第12頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一124.1.1 光電檢測(cè)基本方法2 相位法測(cè)距帶有測(cè)距功能的望遠(yuǎn)鏡是發(fā)射一束調(diào)制的脈沖激光，再接收來自于被測(cè)物的反射光。發(fā)射信號(hào)和接收信號(hào)的相位差反映了被測(cè)物的距離。設(shè)Vo和Vi分別代表發(fā)射脈沖和接收脈沖，如圖4.1.19所示，就可用高頻填入法測(cè)出兩信號(hào)的相位差，再換算成相對(duì)應(yīng)的距離。V02 Vi2 VQn VQ n+1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 1 1

8、 1 第13頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一134.1.1 光電檢測(cè)基本方法 3 頻率法測(cè)速圖是測(cè)速的原理框圖。在轉(zhuǎn)動(dòng)輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收到與轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的光脈沖。設(shè)m為反射片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則只要控制在一定的時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)N，就可計(jì)算得到輪子的轉(zhuǎn)速。 f=nm/60=N/t，n=60N/(mt)第14頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一144.1.2 幾何量檢測(cè)4.1.2 幾何量檢測(cè)一光電測(cè)距1脈沖激光測(cè)距脈沖激光測(cè)距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對(duì)集中的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)還利用了激光脈沖持續(xù)時(shí)間極短，能量在時(shí)間上相對(duì)集中的特點(diǎn)。因此瞬時(shí)

9、功率很大，一般可達(dá)兆瓦級(jí)。脈沖激光測(cè)距的工作原理見圖。在1處產(chǎn)生的激光，經(jīng)過待測(cè)的路程射向2處。在2處裝有向1處反射的裝置，1處至2處間的距離D是待測(cè)的。如果在1處有一種裝置，它能夠測(cè)出脈沖激光從1處到達(dá)2處再返回1處所需要的時(shí)間t，則D=ct/2，式中 c 為光的傳播速度。 第15頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一154.1.2 幾何量檢測(cè)脈沖激光測(cè)距儀的原理和結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，測(cè)程遠(yuǎn)主要缺點(diǎn)是絕對(duì)測(cè)距精度較低。精度要求較高的場(chǎng)合可采用相位測(cè)距法。脈沖激光測(cè)距的方框圖見圖。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。a)工作過程第16頁，共

10、91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一164.1.2 幾何量檢測(cè)2相位測(cè)距法在工程建設(shè)中進(jìn)行測(cè)量時(shí)常用30 m或50 m的卷尺(鋼皮尺)一“鏈”復(fù)一“鏈”地進(jìn)行測(cè)量，如圖所示，其結(jié)果是整“鏈”數(shù)與卷尺長度的乘積再加上最后不足一整“鏈”過程可用下式表達(dá) 式中 D待測(cè)距離； Ls測(cè)尺長度； N零或正整數(shù)，即整鏈數(shù)； L不足整尺的距離尾數(shù)。 DNLs+L相位式測(cè)距儀采用了與上述相似的方法來測(cè)量距離，不過它所采用的測(cè)尺不是卷尺，而是“光尺”，這把“光尺”是通過對(duì)光的強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)制實(shí)現(xiàn)的。 第17頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一174.1.2 幾何量檢測(cè)測(cè)距用的調(diào)制光波

11、形如圖所示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長可由下式求出 =c/f2相位測(cè)距法5看出，可由2的倍數(shù)來表示：M2+=(M+m)2 5可看出，光波每前進(jìn)一個(gè)波長，相當(dāng)于相位變化了2，因此距離D可表示如下： D(M+m) 第18頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一184.1.2 幾何量檢測(cè)實(shí)際上為了使用方便，在B點(diǎn)設(shè)置反射器6說明了光波在距離D上往返后的相位變化。則2D=(N+n)或 D=(N+n)/2=Ls(N+n)式中 N零或正整數(shù)，為波長或相位2的倍數(shù)； n是個(gè)小數(shù), n/2；Ls稱它為測(cè)尺長度，Ls /2當(dāng)距離D大于測(cè)尺長度Ls時(shí)，僅用一把“光尺”是無法測(cè)定距離的。但當(dāng)

12、距離D小于測(cè)尺長度Ls，即N等于零時(shí)，式上變?yōu)?DLsn Ls/2 此時(shí)不會(huì)超過2，測(cè)相系統(tǒng)能給出相位移的確定值，距離D也不存在多值解的問題。第19頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一194.1.2 幾何量檢測(cè)如果被測(cè)距離較長，則可以選用一個(gè)較低的測(cè)尺頻率即測(cè)尺長度較長（大于待測(cè)距離）。但由于測(cè)尺長度越大，帶來的測(cè)距誤差也會(huì)越大。例如儀器的測(cè)相誤差為0.1，當(dāng)測(cè)尺長度Ls10m時(shí)，會(huì)引起1cm的距離誤差；而當(dāng)L1000m時(shí)，所引起的誤差就可達(dá)1m。 當(dāng)被測(cè)距離大于基本測(cè)尺長度L時(shí)，可再選一個(gè)或幾個(gè)輔助測(cè)尺Lsb (又叫粗測(cè)測(cè)尺) 。例如選用兩把測(cè)尺，其中Lsb=10米，Ls

13、a1000m，用它們分別測(cè)量某一段長度為386.57m的距離時(shí)，用Lsb測(cè)量時(shí)可得到不足10m的尾數(shù)6.57m，用Lsa測(cè)量可得不足1000m的尾數(shù)386m，將兩者組合起來就可得386.57m，即6.57 Lsb讀數(shù)，386 Lsa讀數(shù)，38657m兩尺組合起來的總讀數(shù)第20頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一204.1.2 幾何量檢測(cè)二.直徑的光電檢測(cè)1.大直徑的測(cè)量為了使用小口徑的透鏡去測(cè)量大直徑的測(cè)件，可以采用雙光路的測(cè)量技術(shù)。圖示出雙光路測(cè)徑裝置的原理圖。圖中1是氦氖激光器，2是旋轉(zhuǎn)掃描鏡。由電動(dòng)機(jī)3帶動(dòng)掃描鏡以一定的速度旋轉(zhuǎn)。光點(diǎn)F位于會(huì)聚透鏡8和10的焦點(diǎn)位置。

14、其中4為分光棱鏡，5、 6、 7為反光鏡。 第21頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一214.1.2 幾何量檢測(cè)下面按標(biāo)準(zhǔn)直徑為D0、大于或小于D0三種情況討論。（a）被測(cè)件12為標(biāo)準(zhǔn)直徑D0（b）被測(cè)件12的直徑小于D0（c）被測(cè)件12的直徑大于D0第22頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一224.1.2 幾何量檢測(cè) 2. 小直徑的測(cè)量如圖 (a)所示，當(dāng)用激光器1或平行光照射細(xì)絲2時(shí)，在其后面相距較遠(yuǎn)的屏幕3上便能獲得夫瑯和費(fèi)衍射圖像，o點(diǎn)最亮，被測(cè)細(xì)絲2的直徑d可按下式計(jì)算： dL/s圖 (b)示出測(cè)量細(xì)絲直徑的原理圖。第23頁，共91頁，2022

15、年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一234.1.2 幾何量檢測(cè) 三. 光電測(cè)長普通單色光源的單色性不夠好，限制了可測(cè)量的長度，且普通光源的亮度也不夠。自從激光誕生后，由于它的單色性、亮度高，很快成了精密測(cè)量中的理想光源。激光光波比長儀實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)以激光器作光源的干涉儀，其簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)如圖，待測(cè)物體的長度可按下式計(jì)算而得： LN/2 式中 L待測(cè)物體的長度；光的波長；N 計(jì)數(shù)器測(cè)得的脈沖數(shù)。第24頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一244.1.3 機(jī)械量檢測(cè)機(jī)械量的種類較廣、檢測(cè)的裝置多種多樣，但從光電檢測(cè)的原理講可歸納為如下兩類： 1先把機(jī)械量(如重力、壓力、力矩、轉(zhuǎn)速等)的變

16、化轉(zhuǎn)換成幾何量的變化，再由幾何量控制投射至光電器件的光通量然后以光電器件得到電信號(hào)經(jīng)放大后測(cè)出機(jī)械量。例：把機(jī)械量變成位移以測(cè)量重量彈簧1下掛框架2，則彈簧的伸長量與框架2中的物體3的重量成正比。第25頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一254.1.3 機(jī)械量檢測(cè) 2若欲測(cè)的機(jī)械量使投射至光電器件的光通量以某一特定的規(guī)律或周期地發(fā)生變化，則可利用光通量不斷變化的特定規(guī)律測(cè)出機(jī)械量。例如機(jī)械量使投射至光電器件的光通量斷續(xù)改變以得到光脈沖，然后由光脈沖的多少或性質(zhì)變化來檢測(cè)機(jī)械量。例：把機(jī)械量變成光脈沖設(shè)軸4的轉(zhuǎn)速需測(cè)在軸4的一端裝一圓盤3，盤的一半被拋光以形成反光面再用黑漆或

17、其他涂料涂盤的另一部分以形成無反光面。轉(zhuǎn)軸4每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù)與光電器件2輸出的脈沖頻率成正比，只要測(cè)出光電器件輸出的脈沖頻率，即每秒鐘的脈沖數(shù)，就可測(cè)得軸4的每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。上述是用光電方法測(cè)量機(jī)械量的基本原理，各機(jī)械量的測(cè)量大多數(shù)是其基本原理的具體應(yīng)用。第26頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一264.1.3 機(jī)械量檢測(cè)一速度的光電檢測(cè)1多普勒效應(yīng)以V表示光源S對(duì)于觀察者P的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度，以表示相對(duì)速度方向和光速進(jìn)行方向(即光源到觀察者的方向)的夾角(如圖)。由于多普勒效應(yīng)，觀察者P接收到的光波頻率f可表示為:式中 f0光源發(fā)出的原頻率， cc0/n是光在介質(zhì)中的光速，其中c0是

18、真空中的光速，n是介質(zhì)的折射率。多普勒頻移f為：第27頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一27可得在P點(diǎn)接收的光頻為： 4.1.3 機(jī)械量檢測(cè)2利用多普勒效應(yīng)測(cè)量固體的運(yùn)動(dòng)速度使用激光測(cè)速儀可以測(cè)量板、線、管材等的速度。原理見圖。多普勒頻移f為：上式整理后可得物體的運(yùn)動(dòng)速度：式中 0 =c/f0 。由上式可知，如果激光波長0已知，光電接受方向選定后，只要測(cè)出頻差f，即可得到物體的運(yùn)動(dòng)速度。第28頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一284.1.3 機(jī)械量檢測(cè)二 機(jī)械振動(dòng)的光電檢測(cè) 1. 光電測(cè)振的原理在圖 (b)中，光電傳感器帶有棱鏡5，而棱鏡5與重物2一

19、起振動(dòng)。若光電器件6上的光通量增大時(shí)，另一光電器件6上的光通量減少，反之亦然。在圖 (a)中，重物2懸掛于彈簧1，光源3發(fā)出的光線通過光闌4、鏡5反射后投至光電器件6。重物2振動(dòng)時(shí)，鏡5亦隨著振動(dòng)，因而引起光電器件6上光通量的變化。在圖 (c)中的光電傳感器有成對(duì)的光柵5與4。光柵5固定不動(dòng)，光柵4隨重物2上下振動(dòng)，因而投射于光電器件6的光通量亦隨著而變化 第29頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一294.1.3 機(jī)械量檢測(cè)1. 光電測(cè)振的原理圖 (a)示出測(cè)量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)體振動(dòng)時(shí)使一個(gè)光電器件上的電流增大，另一個(gè)光電器件上的電流減小，其原理示于圖 (

20、b)。第30頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一304.1.3 機(jī)械量檢測(cè)2. 用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的振動(dòng)用PSD測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸振動(dòng)的原理示意圖如圖。半導(dǎo)體激光器LD發(fā)出平行光照射于上下振動(dòng)的轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，部分反射光照射在PSD 的接收面上，當(dāng)主軸上下振動(dòng)時(shí)，反射光斑在PSD上的位置不斷變化，這樣PSD輸出的信號(hào)正好反映了主軸振動(dòng)的情況，通過信號(hào)處理后主軸的振動(dòng)頻率和振幅都能容易的得到。 第31頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一314.1.4 溫度檢測(cè)4.1.4 溫度檢測(cè) 一工作原理熱體的溫度可以通過處理其所發(fā)出的輻射能來求得。輻射高溫計(jì)就是以發(fā)射體的輻射強(qiáng)度和

21、光譜成分來確定熱體溫度的儀表。輻射高溫計(jì)通常按絕對(duì)黑體的輻射強(qiáng)度刻度，即當(dāng)絕對(duì)黑體的總輻射能與非黑體(實(shí)際物體)的總輻射的相等時(shí)，此時(shí)絕對(duì)黑體的溫度叫做非黑體的輻射溫度(黑體溫度)。根據(jù)輻射溫度的定義，非黑體在真實(shí)溫度T時(shí)的總輻射能E等于黑體在溫度T0時(shí)的總輻射能，即:根據(jù)斯蒂芬波茲曼定律。物體在單位時(shí)間內(nèi)單位面積上，波長從0所輻射的總能量為 ET4。第32頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一324.1.4 溫度檢測(cè)4.1.4 溫度檢測(cè)測(cè)量波長從0整個(gè)波譜范圍內(nèi)的輻射功率來確定溫度的儀器稱為全輻射測(cè)溫儀。但考慮到光電器件的光譜響應(yīng)以及光學(xué)系統(tǒng)的光譜透過率等因素，利用光電器件

22、接收不可能成為全輻射型。稱為部分輻射光電高溫計(jì)。如1000度的目標(biāo)時(shí)，石英透鏡只能透過0.24m的輻射，占總65若采用PbS光敏電阻因?yàn)樗墓庾V響應(yīng)范圍只占某一波段，其響應(yīng)的范圍更小。非黑體的實(shí)際溫度T與黑體溫度T0的關(guān)系：要根據(jù)物體的輻射作用來測(cè)量它們的溫度，首先測(cè)出它們的輻射溫度即黑體溫度，然后在此基礎(chǔ)上乘上隨物體黑度系數(shù)而變的修正值而得到實(shí)際溫度。第33頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一334.1.4 溫度檢測(cè)1、溫度直接測(cè)量法的原理框圖如圖所示。目前光電高溫計(jì)的類型很多，按作用原理大致分為五類：1）部分輻射法；2）亮度法；3）比色法；4）三色測(cè)溫法；5）最大波長法

23、；6)直接測(cè)量法第34頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一344.1.4 溫度檢測(cè) 二 部分輻射光電高溫計(jì)1原理采用光電信息轉(zhuǎn)換器件對(duì)部分輻射進(jìn)行敏感測(cè)量，采用補(bǔ)償法。2. 結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。圖中，由熱體輻射的能量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調(diào)制盤上。第35頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一354.1.4 溫度檢測(cè)調(diào)制盤結(jié)構(gòu)如圖所示，1為熱體輻射的光通量，2是參考光通量，調(diào)整可變電阻R可改變2的光通量。由調(diào)制盤的結(jié)構(gòu)可知，1和2交替照射在光敏電阻上，光敏電阻輸出U的波形如圖4.1.44.第36頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一364.

24、1.4 溫度檢測(cè)三 光電比色溫度計(jì) 1 原理對(duì)應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得：對(duì)于非黑體來說，根據(jù)兩個(gè)輻射強(qiáng)度的比值所求得是所謂的比色溫度Tc。比色溫度Tc和實(shí)際溫度T有如下關(guān)系：第37頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一374.1.4 溫度檢測(cè)式中，1和2是物體的黑度系數(shù)，對(duì)于灰體來說，121，即比色溫度與真實(shí)溫度是一致的。因此，比色溫度的概念是對(duì)兩個(gè)波長引入的，而實(shí)際上為兩個(gè)波段，利用光電器件和適當(dāng)電路，測(cè)量?jī)蓚€(gè)光波段內(nèi)輻射能量的比值，經(jīng)過一定的關(guān)系運(yùn)算后就可得到被測(cè)溫度。兩個(gè)波段的選擇，在實(shí)用中，對(duì)于高溫測(cè)量，由于輻射能量足夠大，可將波段選得盡量窄而且靠近，對(duì)于低溫測(cè)量

25、，輻射能量較小，可選兩個(gè)較寬、但是盡量靠近、甚至部分重疊的波段，以減少黑度系數(shù)的影響。第38頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一384.1.4 溫度檢測(cè) 2 優(yōu)點(diǎn) 3 結(jié)構(gòu)光電比色溫度計(jì)的結(jié)構(gòu)分單通道和雙通道兩種。雙通道有兩個(gè)通道和兩個(gè)光電器件，如圖所示。 容易測(cè)得物體的真實(shí)溫度，正確性好，穩(wěn)定性好，測(cè)量距離的遠(yuǎn)近，中間是否有介質(zhì)吸收，熱體的大小等因素對(duì)溫度測(cè)定影響較小。 第39頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一394.1.4 溫度檢測(cè)單通道比色計(jì)只有一個(gè)光電器件和一條通道，用調(diào)制盤將兩個(gè)波段的輻射能量交替投射于同一個(gè)光電器件上，由它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)放

26、大后加至流比計(jì)。它的光學(xué)系統(tǒng)如圖6（a）所示 ，調(diào)制盤3的布置見圖6（b）第40頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一404.1.4 溫度檢測(cè)第41頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一414.2. 光電控制 4.2.1 光電繼電器 4.2.2 光電遙控 4.2.3 光纖開關(guān)第42頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一424.2.1 光電繼電器 一繼電器原理 繼電器是低壓電路控制高壓電器通與不通的聯(lián)接器件。 繼電器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4.2.11所示。繼電器的電路符號(hào)如圖4.2.12所示。第43頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分

27、，星期一434.2.1 光電繼電器 一繼電器原理第44頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一44二光電繼電器 光電繼電器： 用光電信息轉(zhuǎn)換器件控制繼電器的通與斷開 按原理分類：亮通和暗通兩類 亮通(明通)光電控制電路：有光照射于光電器件上使繼電器有足夠的電流而動(dòng)作 暗通光電控制電路：光電繼電器不受光照時(shí)能使繼電器動(dòng)作，而受光照時(shí)繼電器釋放第45頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一45二光電繼電器？亮通和暗通是相對(duì)而言的，可以通過哪些方式將兩者相互轉(zhuǎn)換？當(dāng)光線較慢地連續(xù)變化，上述亮通或暗通控制電路有什么缺點(diǎn)？可以采取什么樣的方式補(bǔ)償這種缺點(diǎn)？三用電子開關(guān)代替

28、繼電器 繼電器工作時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)：隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)（使用安全）、工作可靠、但由于金屬觸點(diǎn)打出火花對(duì)電路產(chǎn)生干擾、其壽命有限 電子開關(guān)工作時(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)：無觸點(diǎn)，使用壽命長，但電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)、在大電流工作時(shí)散熱問題也不能忽視第46頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一46三用電子開關(guān)代替繼電器電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)，為了隔斷高壓區(qū)和低壓區(qū)，可以使用光電耦合雙向可控硅或聯(lián)合使用光電耦合器和雙向可控硅。第47頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一47三用電子開關(guān)代替繼電器第48頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一48 雙向可控硅基本結(jié)

29、構(gòu)雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)如圖所示。有兩個(gè)主電極T1、T2（T2是電位參考電極）和一個(gè)門極。它可以看成是一對(duì)反并聯(lián)的普通可控硅晶體管。圖中 (a)為基本結(jié)構(gòu)，(b)為雙向可控硅的符號(hào)，(c)為雙向可控硅型號(hào)的部頒標(biāo)準(zhǔn)。四雙向可控硅觸發(fā)電路第49頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一49雙向可控硅特性曲線如圖所示。從圖中可知，高壓的正電壓和反電壓都能使可控硅導(dǎo)通，只要G對(duì)T2加觸發(fā)電壓，正向觸發(fā)電壓和反向觸發(fā)電壓都能使可控硅導(dǎo)通，但導(dǎo)通時(shí)可控硅兩端有壓降存在，導(dǎo)通電流越大，壓降越大，顯然，消耗的功率也大，這時(shí)，一定要采取散熱措施。 1133 雙向可控硅特征曲線第50頁，共91頁，20

30、22年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一50雙向可控硅有四種觸發(fā)方式，工作在第一象限有二種觸發(fā)方式1和1，工作在第三象限有二種觸發(fā)方式3和3。 1觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加正電壓； 1觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加正電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓； 3觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加正電壓； 3觸發(fā)形式：T1對(duì)T2加負(fù)電壓，G對(duì)T2加負(fù)電壓；雙向可控硅使用時(shí)，一般采用第一和第三象限的組合，但由于雙向可控硅元件的結(jié)構(gòu)關(guān)系，3觸發(fā)形式在使用時(shí)所需控制級(jí)功率較大，故相對(duì)少用，而13和13的觸發(fā)組合方式使用較多。 雙向可控硅的觸發(fā)方式第51頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一5

31、1五 雙向可控硅觸發(fā)電路第52頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一52圖(a)簡(jiǎn)單的光控霓虹燈電路，采用的光敏器件為光敏電阻；六 光電繼電器的應(yīng)用 路燈、霓虹燈的自動(dòng)控制電路圖(b)電路提高了霓虹燈控制的靈敏度，采用的光敏器件為光敏三極管；第53頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一53Ic1Ib2Ic2Vb1Vc2VEVccT1T2Vc1假定三極管的發(fā)射極導(dǎo)通電壓為0.7伏，則：Vb1-VE = VBE10.7時(shí)， T1導(dǎo)通，則：Vb1 Ic1 Vc1 Ic2 VBE1 VE 若Vb1由大變小，使：Vb1-VE = VBE1只有0.7伏左右， Ic1開始

32、減小，則：Vb1 Ic1 Vc1 Ic2VBE1 VE 補(bǔ)充：施密特電路第54頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一54防止閃電等短時(shí)干擾的路燈控制電路如圖所示 第55頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一55 印刷機(jī)紙張監(jiān)控器印刷機(jī)紙張監(jiān)控器可以自動(dòng)監(jiān)測(cè)每次印刷的紙張是否為一張，如果不是一張則發(fā)出報(bào)警訊響，停止印刷圖是監(jiān)控器的電路原理圖。F1和F2是帶施密特觸發(fā)器的電路，上觸發(fā)和下觸發(fā)有回差電壓 第56頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一56電焊工電焊時(shí)一般都要帶防護(hù)面罩，以保護(hù)眼睛被電焊強(qiáng)光刺激，現(xiàn)用液晶屏替代老式的防護(hù)玻璃，可減少電

33、焊時(shí)摘下防護(hù)罩看焊縫質(zhì)量的麻煩，提高工作效率。 光控電焊眼罩工作原理如圖所示。 光控電焊眼罩？ 電路中各個(gè)部件的作用？第57頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一574.3光纖通信 4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成 4.3.2光纖通信系統(tǒng) 4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)第58頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一58光發(fā)送機(jī)電發(fā)送機(jī)電接收機(jī)光接收機(jī)中繼器4.3.1光纖通信原理及構(gòu)成光纖通信系統(tǒng)的基本組成如圖所示，主要由3部分構(gòu)成：光發(fā)送機(jī)，光纖傳輸線及光接收機(jī)。由于目前的光纖通信系統(tǒng)基本上采用數(shù)字通信技術(shù)，因此只對(duì)數(shù)字光纖通信系統(tǒng)的三部分進(jìn)行介紹。第59頁，共91頁，2

34、022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一59一、光纖1、光纖（Optical Fiber）是由純石英拉制的而成的高度透明的玻璃絲。常用的通信光纖為降低傳輸損耗均由三部分組成：纖芯、包層、表面涂層，并且纖芯折射率略高于包層折射率。2、光纖種類非常多，分類標(biāo)準(zhǔn)也不同 ：1）按材料種類分，常見有三種：全石英光纖、塑包石英光纖、全塑光纖2）按折射率徑向分布的不同，光纖可分為：階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖。如圖所示。ab纖芯包層涂層2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r第60頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一60折射光到達(dá)纖芯包層界面時(shí)，若入射角大于臨界角c時(shí)，將發(fā)

35、生全反射，若包層折射率為n2，則定義為 3、光纖的導(dǎo)光原理1）階躍折射率分布光纖的射線理論光纖的導(dǎo)光原理可用射線理論與導(dǎo)波理論兩種方法進(jìn)行分析。右圖為光波在階躍折射率分布光纖中的傳播路徑。 所有 c的光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導(dǎo)光的基本原理。 n2n1n0ir光纖的一個(gè)外特性參量是光纖的數(shù)值孔徑(Numerical Aperture)，它代表了光纖的集光能力：NA = n0sini = n1cosc = (n12-n22)2在光纖技術(shù)中常引用相對(duì)折射率差第61頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一612）利用導(dǎo)波理論可將光纖分為多模光纖與單模光纖。因此NA近似的可表

36、示為：NA數(shù)值孔徑代表光纖的集光能力，只取決于折射率，而與光纖的芯徑無關(guān)。這個(gè)結(jié)論在一般的多模光纖中是正確的。但當(dāng)光纖芯徑降到一定值時(shí)，此時(shí)射線理論不能解釋可能產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象，數(shù)值孔徑的概念實(shí)際不存在。因此在單模光纖中不用數(shù)值孔徑的概念。有時(shí)是為了形象比較而借用此名稱，但并不直接表征接收角的大小。多模光纖的纖芯直徑2a = 50m ，單模光纖的纖芯直徑2a = 8 12m，包層直徑均為50m。在多模光纖中，可以激勵(lì)起大量的傳輸模式，不同模式在橫向的功率分布是不同的，入射的光功率按一定比例分配給這些模式進(jìn)行傳播，不同模式在軸向的傳播常數(shù)不同。在單模光纖中，通常只能激勵(lì)起一個(gè)模式，稱為基模。 3）

37、光纖的兩個(gè)重要特性：損耗特性和色散特性第62頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一62第63頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一63二、光發(fā)送機(jī) 光發(fā)送機(jī)的功能是將來自電發(fā)送機(jī)的電脈沖信號(hào)變換成光脈沖信號(hào)，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求的光脈沖信號(hào)波形耦合到光源組件的尾纖中數(shù)字光發(fā)送機(jī)的組成框圖如圖4.3.1-6所示輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號(hào)輸入光信號(hào)輸出第64頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一641、線路編碼 電發(fā)送機(jī)輸出的是適合于電纜傳輸?shù)碾p極性碼，而光源不可能發(fā)射負(fù)脈沖，所以要變換為適合光纖傳輸?shù)膯螛O性碼。數(shù)

38、字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采用二進(jìn)制二電平碼，有光脈沖表示“1”，無光脈沖表示“0”。但簡(jiǎn)單的二電平碼會(huì)帶來一些問題。因此，要對(duì)來自電端機(jī)的信號(hào)進(jìn)行線路編碼。2、光源與調(diào)制電路經(jīng)過碼型變換的電脈沖信號(hào)碼流對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。光源的波長應(yīng)位于光纖的低損耗傳輸窗口，單色性要好，以減小光纖色散對(duì)帶寬的限制。目前的光纖通信系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選用LED做光源。電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)的調(diào)制方式有直接調(diào)制與間接調(diào)制。 (a) LED數(shù)字調(diào)制 (b) LD數(shù)字調(diào)制IP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)IP輸入電信號(hào)輸出光信號(hào)Ith Ib第65頁，共91頁，2022年，5

39、月20日，4點(diǎn)17分，星期一651 0 1 0 1 1APD光信號(hào)電信號(hào)主放大器峰值檢波均衡器判決再生高壓直流變換器前置放大AGC定時(shí)提取三、光接收機(jī)光接收機(jī)是光纖通信系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將來自光纖的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，恢復(fù)光載波所攜帶的原信號(hào)。圖4.3.1-8給出了數(shù)字光接收機(jī)的組成框圖。 第66頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一661、光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器是光接收機(jī)的第一個(gè)關(guān)鍵部件，其作用是將由光纖傳送來的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電檢測(cè)器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD兩種。PIN管使用簡(jiǎn)單，只需1020V 的反向偏壓，但PIN管沒有增益。APD管具

40、有10200倍的增益，可以提高光接收機(jī)的靈敏度，但需要幾十伏以上的偏壓，增益特性受溫度的影響較嚴(yán)重2、前置放大器 經(jīng)光電檢測(cè)器檢測(cè)到的微弱的信號(hào)電流，流經(jīng)負(fù)載電阻建立起信號(hào)電壓后，由前置放大器進(jìn)行預(yù)放大。除光電檢測(cè)器性能優(yōu)劣影響光接收機(jī)的靈敏度之外，前置放大器對(duì)光接收機(jī)的靈敏度有十分重要的影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶的放大器。 3、主放大器 主放大器用來提供高的增益，將前置放大器的輸出信號(hào)放大到適合判決電路所需的電平。前置放大器的輸出信號(hào)電平一般為mV量級(jí)，而主放大器的輸出信號(hào)電平一般為13V。 第67頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一674、均衡器 光在光

41、纖中傳輸時(shí)，由于將受到色散的影響，信號(hào)將發(fā)生畸變與展寬，使碼元間相互影響，出現(xiàn)誤碼。均衡器的作用是對(duì)主放大器輸出的失真的數(shù)字脈沖信號(hào)進(jìn)行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小的波形，通常為升余弦波 5、判決再生與定時(shí)提取 判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)在判決時(shí)刻輸出的電壓信號(hào)比判決電平高，則判斷為“1”碼，否則判斷為“0”碼。這樣，可在判決再生電路的輸出端得到一個(gè)和發(fā)送端發(fā)出的數(shù)字脈沖信號(hào)基本是一致由矩形脈沖組成的數(shù)字脈沖序列。為了精確地確定“判決時(shí)刻”，就需要從信號(hào)碼流中提取準(zhǔn)確的定時(shí)信息用來標(biāo)定，以保證和發(fā)送端一致。這個(gè)工作由“定時(shí)提取”電路來完成。 6、峰值檢波器與A

42、GC放大器將由升余弦波組成的數(shù)字脈沖信號(hào)取出一部分送到峰值檢波器進(jìn)行檢波，檢波后的直流信號(hào)再送到AGC放大器進(jìn)行比較放大，產(chǎn)生一個(gè)AGC電壓。用該電壓一方面去控制光電檢測(cè)器（APD管）的反向偏置電壓，另一方面送到主放大器去調(diào)整主放大器的工作點(diǎn)，以控制主放大器的增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定的升余弦波，保證碼元判決的正確性。 第68頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一68一、時(shí)分復(fù)用系統(tǒng)4.3.2光纖通信系統(tǒng)時(shí)分復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM），是將不同信道的信號(hào)在時(shí)間上交替排列組合成復(fù)合比特流。 二、波分復(fù)用系統(tǒng)單模光纖具有非常寬的帶寬。

43、在1.3m (1.251.35m)波段和1.55m(1.501.60m)波段，都具有高達(dá)100nm的低損耗傳輸范圍。另一方面，作為光源的半導(dǎo)體激光器的線寬已小于0.1nm，因此，在一根單模光纖中，可同時(shí)傳輸多個(gè)不同波長的信號(hào)。波分復(fù)用（Wavelength Division Multiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，通過在一根單模光纖中傳輸多個(gè)信道信號(hào)，來大幅度增加通信容量的。 第69頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一69圖4.3.2-2為一單向傳輸?shù)腤DM系統(tǒng)原理框圖。 n個(gè)光發(fā)送機(jī)發(fā)送出由不同波長1 ，2，n承載的光信號(hào)，通過光復(fù)用器耦合到同一根單模光纖

44、中，經(jīng)過光纖傳輸?shù)竭_(dá)接收端后，由解復(fù)用器將不同波長信號(hào)在空間上分開，分別進(jìn)入各自的光接收機(jī)。對(duì)于長途通信，還需在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以補(bǔ)償光信號(hào)的損耗。復(fù)用器解復(fù)用器12n12n1 2n光纖光放大器光接收機(jī)1光接收機(jī)2光接收機(jī)n光發(fā)送機(jī)1光發(fā)送機(jī)2光發(fā)送機(jī)n隨著1.55m波段摻鉺光纖放大器(EDFA)的商用化，可以利用EDFA對(duì)傳送的光信號(hào)進(jìn)行放大，實(shí)現(xiàn)超長距離無電再生中繼傳輸，WDM系統(tǒng)得到了極其廣泛的應(yīng)用。在1.55m波段傳送多路信道信號(hào)，這些信道波長間隔非常窄，且共享一個(gè)EDFA，將這種信道密集的WDM系統(tǒng)稱為密集波分復(fù)用（Dense Wavelength Division

45、Multiplexing，DWDM）系統(tǒng)。 第70頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一701. 復(fù)用器/解復(fù)用器 波分復(fù)用系統(tǒng)的核心部件是波分復(fù)用器件，即復(fù)用器和解復(fù)用器（也稱合波器與分波器）。這里介紹閃爍光柵波分復(fù)用器。 圖4.3.2-3 閃爍光柵波分復(fù)用器12341 234光纖透鏡閃爍光柵 閃爍光柵是在玻璃襯底上沉積環(huán)氧樹脂，然后在環(huán)氧樹脂上制造光柵線。如圖4.3.2-3所示，當(dāng)不同波長的入射光從同一角度照射到光柵上后，由于光柵的色散作用，不同波長的光將以不同的角度反射，然后經(jīng)透鏡會(huì)聚到不同的輸出光纖，實(shí)現(xiàn)解復(fù)用的功能；反過來，可以完成光波的復(fù)用功能。 第71頁，共91

46、頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一71 2、 光放大器 在長途DWDM系統(tǒng)中，需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行中繼放大。如果采用光電混合中繼方式的話，則首先要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行解復(fù)用，然后對(duì)每一信道進(jìn)行中繼再生，再將各信道光信號(hào)復(fù)用到傳輸光纖中。這樣，將需要大量的中繼設(shè)備，系統(tǒng)成本非常高。寬帶寬的光放大器可以對(duì)多信道信號(hào)同時(shí)放大，而不需要進(jìn)行解復(fù)用，目前應(yīng)用最廣泛的光放大器是摻鉺光纖放大器(Er Doped Fiber Amplifier，EDFA) 鉺是一種稀土元素，在制造光纖的過程中，向纖芯中摻入三價(jià)鉺離子( Er+3)，便形成了摻鉺光纖。EDFA 主要由摻鉺光纖(EDF)、泵浦光源、耦合器、光隔離

47、器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所示。信號(hào)光耦合器光隔離器摻鉺光纖隔離器光光濾波器輸出光泵浦光第72頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一724.4 光纖傳感器 4.4.1元件型光纖傳感器 4.4.2 傳輸型光纖傳感器第73頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一734.4.1元件型光纖傳感器 一、微彎損耗光纖傳感器基于微彎損耗機(jī)理的強(qiáng)度調(diào)制型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示 。傳感光纖被夾在一個(gè)變形器中，變形器具有一定的變形函數(shù)，當(dāng)外力使變形器的上下兩部分靠近，則光纖將會(huì)按照變形器的變形函數(shù)形狀發(fā)生彎曲變形，光纖中傳輸光產(chǎn)生損耗。因此由光纖中光功率的數(shù)值可得到諸

48、如壓力、位移等被測(cè)量的大小。光輸入光輸出變形器多模光纖L微彎損耗光纖傳感器原理第74頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一74設(shè)光纖的微彎變形函數(shù)為正弦型式中D(t) 外界信號(hào)導(dǎo)致的彎曲幅度； q 空間頻率； z 變形點(diǎn)到光纖入射端的距離；設(shè)光纖微彎變形函數(shù)的微彎周期為，則有 根據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù) 的近似表達(dá)式:第75頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一75式中 比例系數(shù)；光纖中產(chǎn)生微彎變形的長度；光纖中光波傳播常數(shù)差；式表明，與光纖彎曲幅度D(t)的平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴(yán)重，損耗就越高。 還與光纖彎曲變形的長度成正比，作用

49、長度越長，損耗也越大。 與光纖微彎周期有關(guān)，當(dāng) 時(shí)產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。因此，從獲得最高靈敏度的角度考慮，需要選擇合適的微彎周期。第76頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一76二、干涉式光纖傳感器 對(duì)上式微分得：式中第一項(xiàng)表示光纖長度變化引起的相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項(xiàng)為光纖折射率變化引起的相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項(xiàng)為光纖芯徑變化引起的相位差（泊松效應(yīng)）。對(duì)調(diào)制在相位中的信號(hào)需要進(jìn)行解調(diào)，用于光相位解調(diào)的干涉結(jié)構(gòu)有多種，如雙光束干涉法、三光束干涉法、多光束干涉法及環(huán)形干涉法等，此處主要介紹雙光束干涉法。光波通過長度為 的光纖，其相位延遲為其中為光波在光

50、纖中的傳播常數(shù)，nk0第77頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一77光源探測(cè)器信號(hào)臂參考臂3dB(a) 邁克爾遜干涉儀 雙光束光纖干涉儀有邁克爾遜(Michlson)干涉儀、馬赫-陳德爾(Mach-Zehnder)干涉儀及斐索(Fizeau)干涉儀，基本結(jié)構(gòu)如圖所示。在邁克爾遜干涉儀中，光源發(fā)射光經(jīng)3dB光纖耦合器被分成功率相等的兩部分，分別進(jìn)入信號(hào)臂光纖與參考臂光纖，然后分別被端面的反射鏡反射回各自的光纖中，在信號(hào)臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔槐徽{(diào)制，在參考臂光纖中傳輸?shù)墓獠ㄏ辔慌c外界無關(guān)。被反射回來的光波在3dB耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，信號(hào)由與此端相連的探測(cè)器接收。 1

51、）邁克爾遜干涉儀 第78頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一78光源信號(hào)臂參考臂3dB探測(cè)器3dB(b) 馬赫-陳德爾干涉儀光源探測(cè)器傳輸光纖3dBM1M2自聚焦透鏡(c) 斐索干涉儀2）馬赫-陳德爾干涉儀3）斐索干涉儀馬赫-陳德爾干涉儀使用了兩個(gè)3dB耦合器，光源發(fā)出的相干光由第一個(gè)3dB耦合器進(jìn)入信號(hào)臂光纖與參考臂光纖，在經(jīng)第二個(gè)3dB耦合器后在探測(cè)器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。馬赫-陳德爾干涉儀的優(yōu)點(diǎn)是克服了邁克爾遜干涉儀中反饋光波對(duì)光源的影響，得到廣泛的應(yīng)用。 在斐索干涉儀中，光源發(fā)出的相干光束經(jīng)3dB耦合器進(jìn)入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分從

52、光纖輸出后又被一個(gè)外部的反射鏡反饋回光纖中，這兩部分反饋光在耦合器的另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。通常在光纖出射端加一自聚焦透鏡來提高外部反饋光的耦合效率。這種干涉儀的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，通過改變光纖端面與外部反射鏡的間距就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖中光波相位的調(diào)制。第79頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一79現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場(chǎng)。設(shè)信號(hào)光與參考光的場(chǎng)強(qiáng)分別為： 兩光束相干產(chǎn)生的干涉場(chǎng)分布為相應(yīng)的光強(qiáng)分布為這樣，可將相位變化轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度變化，可以獲得被測(cè)信號(hào)的大小。第80頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一80光纖光柵是利用光纖的光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向

53、產(chǎn)生周期性變化，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵根據(jù)其折射率分布形式有光纖Bragg光柵、啁啾光柵等光纖Bragg光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）是一種反射型濾波器件，其機(jī)理是后向傳播的LP01模與前向傳播的LP01模之間發(fā)生耦合，根據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，一般小于1m。FBG的傳輸特性如圖所示。 IFBG反射譜BI輸入譜IFBG透射譜B三、光纖光柵傳感器 FBG的反射光波中心波長為第81頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一81由于光纖光柵的柵距是沿光纖軸向分布的，因此在外界信號(hào)如溫度、壓力的作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率變化，柵距也隨

54、之變化，導(dǎo)致反射波長變化：光纖光柵的反射波長受到被測(cè)量的調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長變化就可以得到被測(cè)量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測(cè)量反射譜或透射譜，是最簡(jiǎn)單的方法，但光譜儀的價(jià)格較高，而且不適合在線實(shí)時(shí)測(cè)量。此外還有波長掃描法、光學(xué)濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。由光纖光柵反射回來的光波進(jìn)入不等臂馬赫-陳德爾干涉儀，設(shè)干涉儀參考臂與測(cè)量臂幾何長度差為 ，則干涉信號(hào)相位為：當(dāng)反射波長變化 ，則干涉信號(hào)相位亦隨之改變，變化量為：由相位變化量可以得到波長偏移量，進(jìn)而獲得溫度或壓力信息。第82頁，共91頁，2022年，5月20日，4點(diǎn)17分，星期一82四、法拉第電流傳感器 法拉第電流傳感器是利用光纖的磁光效應(yīng)實(shí)現(xiàn)電流測(cè)量的，按調(diào)制參數(shù)分類，則屬于偏振調(diào)制型。磁光效應(yīng)，又稱法拉第（Faradag）效應(yīng)，是指某些物質(zhì)在外磁場(chǎng)的作用下，使通過它的線偏振光的偏振方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)。設(shè)法拉第材料的長度為l，沿長度方向施加的外磁場(chǎng)強(qiáng)度為H，則線偏振光通過它后偏振方向旋轉(zhuǎn)的角度為光纖的磁光效應(yīng)最典型的應(yīng)用就是高壓傳輸線用的電流傳感器，其結(jié)構(gòu)如圖所示。將光纖繞在被測(cè)導(dǎo)線上，設(shè)圈數(shù)為N，導(dǎo)線中通過的電流為I，由安培環(huán)