第5章光電信息變換

第5章光電信息變換光信息電學(xué)信息第5章光電信息變換

光電信息變換器光源光學(xué)系統(tǒng)光電傳感器偏置電路處理電路5.l

光電信息變換的分類(lèi)5.1.1光電信息變換的基本形式

信息載荷于光源信息載荷于透明體載荷于反射光載荷于遮擋光載荷于光學(xué)量化器光通訊方式圖5-1信息載荷于光源中的情況（或光學(xué)信息為光源本身）溫度信息頻譜信息強(qiáng)度信息鋼水溫度的探測(cè)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成像測(cè)量1.信息載荷于光源的方式

物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)光電傳感器獲得的電信號(hào)為緩變的信號(hào)或直流信號(hào)。為克服直流放大器的零點(diǎn)漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?hào)，然后再解調(diào)出被測(cè)信息。

例：在全輻射測(cè)溫應(yīng)用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me,λ，物體的全輻射出射度Me,λ與物體溫度T的關(guān)系為：Me,λ=εMe,λ，s=εσT4US=mτSGKMe,λ=ξMe,λ=ξεσT4光電傳感器的變換電路輸出的電壓通過(guò)測(cè)量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測(cè)出物體的溫度。信息可為透明體的透明度，透明體密度的分布，透明體的厚度，透明體介質(zhì)材料對(duì)光的吸收系數(shù)等都為載荷信息的方式。提取信息方法是求解：2.信息載荷于透明體的方式吸收系數(shù)α與介質(zhì)的濃度C成正比即α=μC則：變換電路的輸出信號(hào)電壓利用此信號(hào)可以方便地得到介質(zhì)的濃度C或厚度l等反射有鏡面發(fā)射與漫反射兩種，各具有不同的特點(diǎn)。鏡面發(fā)射用于測(cè)量物體的運(yùn)動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)的速度，相位等方面。漫反射本身載荷物體表面性質(zhì)的信息，例如反射系數(shù)載荷表面粗糙度及表面疵病的信息。在檢測(cè)產(chǎn)品外觀質(zhì)量時(shí)，變換電路輸出的疵病信號(hào)電壓

US=E(r1-r2)Bξ式中E為被測(cè)表面的照度，r1為正品（無(wú)疵病）表面的反射系數(shù)，r2為疵病表面的反射系數(shù)，B為光電器件有效視場(chǎng)內(nèi)疵病所占的面積，ξ為光電變換系數(shù)。可以通過(guò)US判斷表面疵病的程度和面積。3.信息載荷于反射光的方式物體部分或全部遮擋入射光束，或以一定的速度掃過(guò)光電器件的視場(chǎng)，可實(shí)現(xiàn)信息載荷于遮擋光。例如：設(shè)光電器件光敏面的寬度為b，高度為h，當(dāng)被測(cè)物體的寬度大于光敏面的寬度b時(shí)，物體沿光敏面高度方向運(yùn)動(dòng)的位移量為Δl，則物體遮擋入射到光敏面上的面積變化為ΔA=bΔl信號(hào)電壓為ΔU=EΔAξ=EbξΔl可見(jiàn)，用這種方式可以檢測(cè)被測(cè)物體的位移量Δl、運(yùn)動(dòng)速度v和加速度等參數(shù)，又可以測(cè)量物體的寬度b。4.信息載荷于遮擋光的方式直射式光電開(kāi)關(guān)原理ObjectReceiver

直射式光電開(kāi)關(guān)由相互分離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測(cè)物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開(kāi)關(guān)信號(hào)。被檢測(cè)物體光發(fā)射器光接收器光電開(kāi)關(guān)在流

水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開(kāi)關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測(cè)儲(chǔ)料倉(cāng)落料口遮斷式光電開(kāi)關(guān)（計(jì)數(shù)）光幕應(yīng)用（續(xù)）三維尺寸檢測(cè)寬度測(cè)量長(zhǎng)度測(cè)量高度測(cè)量光幕應(yīng)用（續(xù)）光幕用于自動(dòng)收費(fèi)系統(tǒng)的車(chē)輛檢測(cè)

光學(xué)量化是指通過(guò)光學(xué)的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個(gè)離散量的方法。光學(xué)量化器包含有光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學(xué)碼盤(pán)量化器等。

例如，將長(zhǎng)度信息量L經(jīng)光學(xué)量化后形成n個(gè)條紋信號(hào)，則長(zhǎng)度信息L為

L=qn

式中，q稱(chēng)為長(zhǎng)度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，量化器確定后它是常數(shù)。目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)用于精密尺寸測(cè)量、角度測(cè)量和精密機(jī)床加工量的自動(dòng)控制等方面。5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式這種方式，信息首先對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，發(fā)出載有各種信息的光信號(hào)，通過(guò)光導(dǎo)顯微傳送到遠(yuǎn)方的目的地，再通過(guò)解調(diào)器將信息還原。由于光纖傳輸?shù)拿襟w常為激光，它具有載荷量大，損耗小，速度快，失真小等特點(diǎn)現(xiàn)已廣泛地用于聲音和視頻圖像等信息通訊中。

6.光通訊方式的信息變換光通訊技術(shù)的實(shí)質(zhì)是光電變換的一種基本形式，稱(chēng)為光信息通訊的變換方式。

光電信息變換和信息處理方法可分為2類(lèi)：一類(lèi)稱(chēng)為模擬量的光電信息變換，例如前4種變換方式；另一類(lèi)稱(chēng)為數(shù)字量的光電信息變換，例如后2種變換方式。1.模擬光電變換

被測(cè)的非電量信息載荷于光信息量時(shí)，常為光度量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)：

Ip=f(Q)或Up=f(Q)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。另外，電路參數(shù)的變化，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。5.1.2光電信息變換的類(lèi)型2.模-數(shù)光電變換在這類(lèi)光電變換中，被測(cè)信息量Q通過(guò)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)光電變換只要輸出“0”和“1”（高、低電平）兩個(gè)狀態(tài)的脈沖即可。輸出信號(hào)數(shù)字信息量F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(wú)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。

光電變換電路輸出信號(hào)的方式應(yīng)與光電信息的函數(shù)關(guān)系相一致，因此，光電變換電路也有模擬和模-數(shù)兩種類(lèi)型。5.2.1模擬光電變換電路5.2光電變換電路的分類(lèi)

在對(duì)測(cè)量精度要求不高的情況下測(cè)量受照面的照度（例如測(cè)量教室課桌表面的照度）時(shí)，常采用簡(jiǎn)單照度計(jì)的變換電路。調(diào)整電位器可使微安表的指針指示出光敏面上的照度。光電池光電二極管圖5-2

為消除溫度對(duì)測(cè)量的影響，采用具有溫度補(bǔ)償功能的光電變換電路。下圖中D1為測(cè)光光電二極管，D2為補(bǔ)償光電二極管，D1、D2及電阻、可變電阻器構(gòu)成電橋。

在背景光照下調(diào)整可變電阻器使電橋平衡，輸出電壓表指示為“零”。當(dāng)測(cè)光光電二極管光敏面上的光照度發(fā)生變化時(shí)，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。具有溫度補(bǔ)償功能的變換電路圖5-3熱敏電阻Rt可以補(bǔ)償光電二極管的電流I1受環(huán)境溫度的影響。

下圖為利用溫度補(bǔ)償電阻對(duì)光電測(cè)量電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償?shù)碾娐?，引入?fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻能夠?qū)怆娮儞Q電路進(jìn)行溫度補(bǔ)償。設(shè)光電二極管的電流為I1，三極管的基極電壓應(yīng)為圖5-4其中一路經(jīng)被測(cè)溶液入射到測(cè)量光電池D1上，另一路經(jīng)可調(diào)光光闌、反光鏡到補(bǔ)償光電池D2上，由光電池D1與D2構(gòu)成電路為差分式光電變換電路。圖7-7所示為光電比色計(jì)的電路原理圖，這是個(gè)電橋差分式的光電變換電路。

差分式光電變換電路圖5-5

圖5-6所示為雙光路差分式光電變換器的原理結(jié)構(gòu)圖。光源發(fā)出的光通過(guò)反光鏡分別進(jìn)入?yún)⒖枷到y(tǒng)與測(cè)量光學(xué)系統(tǒng)。D1與D2的特性參數(shù)應(yīng)盡量一致。D1與D2按圖5-7所示的差分電路的形式連接。另一種常用的雙光路雙器件光電變換器如圖5-8所示。

雙光路雙器件光電變換電路的輸出信號(hào)與測(cè)量系統(tǒng)和參考系統(tǒng)輸出信號(hào)的差成正比，溫度與光源的影響將被消除。圖5-6圖5-7圖5-8對(duì)于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)常采用光外差式光電變換電路。光外差式光電變換電路(1)光外差方式的光電變換電路具有超過(guò)常規(guī)光電變換電路的靈敏度；(2)光外差方式采用激光為變換媒體，而激光具有很強(qiáng)的方向性和頻率選擇性，使噪聲帶寬變得很窄，信噪比得到很大的提高。兩光束在分光器上相干，得到差拍信號(hào)。輻射到光電探測(cè)器上的輻射為圖5-9模-數(shù)光電變換系統(tǒng)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，因此，電路的設(shè)計(jì)要比模擬光電變換電路簡(jiǎn)單得多。1.激光干涉測(cè)位移

5.2.2模-數(shù)光電變換電路當(dāng)M3沿著測(cè)量光束的光軸移動(dòng)時(shí)，在M1上將出現(xiàn)亮暗交替的干涉條紋，其光強(qiáng)度的變化有一定的規(guī)律：圖5-10光程差每變化波長(zhǎng)λ時(shí)，干涉條紋暗亮變化一次，當(dāng)干涉條紋變化n次時(shí)，光程差Δ＝nλ。光程差Δ是動(dòng)鏡M3位移量L的二倍。因此，被測(cè)位移量為：L=nλ/2只要計(jì)量干涉條紋的個(gè)數(shù)n，便可測(cè)出測(cè)量頭移動(dòng)的長(zhǎng)度。這種結(jié)構(gòu)的量化單位為λ/2。測(cè)量頭左右移動(dòng)的方向可以采用圖5-11所示判斷，根據(jù)兩個(gè)光電器件輸出脈沖的先后判斷測(cè)量頭的移動(dòng)方向。然后，采用可逆計(jì)數(shù)器進(jìn)行加、減計(jì)數(shù)。

圖5-11

兩塊光柵以微小角度重疊時(shí)，在與光柵大致垂直的方向上，將看到明暗相間的粗條紋，稱(chēng)為莫爾條紋(moirefringe)。

如圖其中的a－a線透光面積最大，形成條紋的亮帶，在b－b線上，光線被暗條相互遮擋，形成暗帶。假設(shè)光柵的節(jié)距為d，兩光柵的柵線夾角為θ，則莫爾條紋的間隔m與d和θ的關(guān)系為一般θ角很小，上式可簡(jiǎn)化為2.莫爾條紋測(cè)位移θdm圖5-12

θdm當(dāng)兩光柵相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋就在移動(dòng)的垂直方向上移動(dòng)。光柵每移一個(gè)柵距，莫爾條紋移過(guò)一個(gè)條紋。只要計(jì)量莫爾條紋移過(guò)的個(gè)數(shù)n，便可計(jì)算出光柵的位移量L，即

L=nd

圖5-13所示為光柵測(cè)長(zhǎng)的原理圖。它先將位移量變換成莫爾條紋信號(hào)，然后再用光電器件讀取信息，這種光柵又稱(chēng)為長(zhǎng)光柵或長(zhǎng)光柵付。它包含指示光柵與標(biāo)尺光柵，指示光柵固定，標(biāo)尺光柵的長(zhǎng)度由位移量決定，一般較長(zhǎng)。

圖5-13

圖5-14所示為測(cè)角度用的圓光柵的原理圖。圓光柵付包括指示光柵與圓光柵盤(pán)。圓光柵盤(pán)是在玻璃圓盤(pán)上等間隔地刻線制成。圓盤(pán)光柵與指示光柵重疊產(chǎn)生莫爾條紋。圓盤(pán)光柵固定在轉(zhuǎn)軸上，可以轉(zhuǎn)動(dòng)。指示光柵、光源、透鏡、與光電器件構(gòu)成固定的光電探測(cè)頭。當(dāng)光柵轉(zhuǎn)盤(pán)旋轉(zhuǎn)時(shí)，指示光柵與圓盤(pán)光柵產(chǎn)生的莫爾條紋將沿圓盤(pán)徑向移動(dòng)，光電探測(cè)頭讀出并判斷莫爾條紋的移動(dòng)量和方向，便將角度量變換成莫爾條紋信號(hào)。圖5-14細(xì)分技術(shù)——在莫爾條紋信號(hào)變化一個(gè)周期內(nèi)，發(fā)出若干個(gè)脈沖，以減小脈沖當(dāng)量。如一個(gè)周期內(nèi)發(fā)出n個(gè)脈沖（n倍頻），即可使測(cè)量精度提高到n倍。零位光柵——在增量式光柵中，為了尋找坐標(biāo)原點(diǎn)、消除誤差積累，在測(cè)量系統(tǒng)中需要有零位標(biāo)記（位移的起始點(diǎn)），因此在光柵尺上除了主光柵刻線外，還必須刻有零位基準(zhǔn)的零位光柵。

1．透射式光柵傳感器

2．反射式光柵傳感器5.3幾何光學(xué)方法的光電信息變換

將目標(biāo)或工件的長(zhǎng)、寬等尺寸信息轉(zhuǎn)變?yōu)楣怆娦畔⒌姆椒ㄓ型队胺糯蠓?，激光三角測(cè)量法，光學(xué)靈敏杠桿測(cè)量法，激光掃描測(cè)量法和差動(dòng)測(cè)量法等。1.激光掃描法

激光掃描法是1972年發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，有人稱(chēng)之為L(zhǎng)aserShadowGauge。如圖5-15所示為激光掃描法的原理圖。激光束經(jīng)過(guò)透鏡1后被反射鏡反射，由于同步位相馬達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)而形成掃描光束。5.3.1長(zhǎng)、寬尺寸信息的光電變換

由于同步馬達(dá)是勻速轉(zhuǎn)動(dòng)的，轉(zhuǎn)速為ωm，平行掃描光束的掃描角速度為ωL＝2ωm，平行掃描光在掃描過(guò)程中被工件遮擋，光束經(jīng)過(guò)透鏡2后被位于焦平面上的探測(cè)器D接收，得到一個(gè)隨時(shí)間變化的光電信號(hào)。再經(jīng)過(guò)后續(xù)的信號(hào)處理電路，就可以得出工件直徑的測(cè)量值。若在掃描光束被遮擋的時(shí)間t內(nèi)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)為n，晶振的時(shí)鐘頻率為v0，分頻數(shù)為N；則被測(cè)工件直徑的計(jì)算式為

圖5-15

將物體位移量變換成光電信號(hào)以便進(jìn)行非接觸測(cè)量在工業(yè)生產(chǎn)和計(jì)量檢測(cè)中的重要工作。用線、面陣CCD圖像傳感器、CMOS圖像傳感器、象限探測(cè)器、PSD位置傳感器等器件與成像物鏡配合,很容易構(gòu)成被測(cè)物像的位移信息變換系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)物體位移量、運(yùn)動(dòng)速度、振動(dòng)周期或頻率等參數(shù)的測(cè)量。

5.3.2位移信息的光電變換這是一種以聚焦光斑光密度分布的集中程度判斷物體軸向位移的方法。點(diǎn)光源通過(guò)成像鏡頭在被測(cè)物體表面成點(diǎn)像，該像點(diǎn)作為新的發(fā)光物點(diǎn)，折回成像物鏡的光路中，在像面上成清楚像。像面的光照度分布呈衍射斑的形式。當(dāng)被測(cè)物表面相對(duì)理想物面前后移動(dòng)時(shí)，像點(diǎn)相對(duì)理想像面同方向地前后移動(dòng)，像點(diǎn)的偏移引起原像面上的離焦，使像面照度分布擴(kuò)散。如在初始像面設(shè)置針孔光欄，并使其直徑小于光斑直徑，這時(shí)，前后移動(dòng)光欄，通過(guò)針孔的光通量將會(huì)改變。1.像點(diǎn)軸上偏移檢測(cè)的光焦點(diǎn)法+ΔZ-ΔZZ0f+ΔZ’-ΔZ/IxabcabcEΔZcbaXYZ光學(xué)編碼器是一種集光、機(jī)、電為一體的數(shù)字化檢測(cè)裝置?？煞譃樵隽渴胶徒^對(duì)式兩類(lèi)。增量式編碼器是將位移轉(zhuǎn)換成周期性的電信號(hào)，再把這個(gè)電信號(hào)轉(zhuǎn)變成計(jì)數(shù)脈沖，用脈沖的個(gè)數(shù)表示位移的大小。絕對(duì)式編碼器的每一個(gè)位置對(duì)應(yīng)一個(gè)確定的數(shù)字碼，因此它的示值只與測(cè)量的起始和終止位置有關(guān)，而與測(cè)量的中間過(guò)程無(wú)關(guān)。光學(xué)編碼器當(dāng)將光束照射到被測(cè)物體時(shí)，用成像物鏡從另外的角度對(duì)物體上的光點(diǎn)位置成像，通過(guò)三角測(cè)量關(guān)系可以計(jì)算出物面的軸向偏移大小。2.像點(diǎn)軸外偏移檢測(cè)的像偏移法（光切法）驅(qū)動(dòng)電路半導(dǎo)體激光器聚光透鏡成像聚光鏡光學(xué)濾光片PSD器件放大器模擬開(kāi)關(guān)取樣放大器A/D變換器輸出電腦ΔZ放大器

將電機(jī)等物體的轉(zhuǎn)動(dòng)速度、運(yùn)行速度、信息的變化速度等物理量變換成光電信號(hào)的過(guò)程稱(chēng)為速度信息的光電變換。能夠完成速度信息的光電變換的方法有多種，其中利用光電耦合器（光電開(kāi)關(guān)）、旋轉(zhuǎn)光閘、頻閃式轉(zhuǎn)速表等方法實(shí)現(xiàn)的速度信息光電變換即簡(jiǎn)單又容易實(shí)現(xiàn)多種用途的變換。

5.3.3速度信息的光電變換1.光電耦合器件（光電開(kāi)關(guān)）測(cè)速通過(guò)被測(cè)物體改變電路的通斷狀態(tài)，引起電路的通斷，其通斷代表了“1”、“0”信號(hào)，因而又起到1bit的編碼作用。發(fā)光二極管光電二極管輸出型號(hào)柵格,濾光鏡碼盤(pán)常用編碼器

增量編碼器絕對(duì)值編碼器傳送在一轉(zhuǎn)中每一步的唯一的位置信息位置信息一直可用,即使在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)一般應(yīng)用于角度測(cè)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)一般用來(lái)測(cè)試速度與方向也可以用角度測(cè)量，但在掉電或電源出現(xiàn)故障時(shí)位置信息丟失增量編碼器又稱(chēng)脈沖盤(pán)式編碼器，在增量編碼器的圓盤(pán)上等角距地在兩條碼道上開(kāi)有透光的縫隙，內(nèi)外碼道(A、B碼道)的相鄰兩縫距離錯(cuò)開(kāi)半條縫寬增量編碼器的結(jié)構(gòu)與工作原理第三條碼道是在最外圈只開(kāi)有一個(gè)透光狹縫，表示碼盤(pán)零位。在圓盤(pán)兩側(cè)面分別安裝光源和光電接收元件。當(dāng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光源經(jīng)過(guò)透光和不透光的區(qū)域，每個(gè)碼道將有一系列光脈沖由光電元件輸出。通道A單通道信號(hào)編碼器碼盤(pán)只有一圈光柵，編碼器有一對(duì)光電掃描系統(tǒng)，輸出一通道脈沖信號(hào)，后續(xù)設(shè)備根據(jù)單位時(shí)間檢測(cè)到的脈沖數(shù)及編碼器的分辨率計(jì)算出的角速度及線速度可以測(cè)試速度，不能測(cè)試旋轉(zhuǎn)方向信號(hào)輸出如圖：通道A通道B可以測(cè)試速度，可以測(cè)試旋轉(zhuǎn)方向，可以定位3通道編碼器在雙通道編碼器的基礎(chǔ)上增加了一個(gè)零位信號(hào)，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位一般測(cè)長(zhǎng)度使用該信號(hào)，測(cè)速一般不使用該信號(hào)。信號(hào)輸出如圖：通道Z采用圖示電路。經(jīng)過(guò)放大整形后的A、B兩相脈沖分別輸入到D型觸發(fā)器的D端和CP端。由于A、B兩列脈沖相差90°，D觸發(fā)器在A脈沖(CP)的上升沿觸發(fā)。當(dāng)正轉(zhuǎn)時(shí)，B脈沖超前A脈沖90°，故Q=“1”，表示正轉(zhuǎn)；當(dāng)反轉(zhuǎn)時(shí)，A脈沖超前B脈沖90°，D觸發(fā)器在A脈沖(CP)上升沿觸發(fā)時(shí)，D輸入端的B脈沖為低電平“0”，故Q=“0”，而=“1”，表示反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向的判別BA絕對(duì)值編碼器AbsoluteEncoders應(yīng)用于角度測(cè)量及往復(fù)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量在0…360°的每一個(gè)角度位置傳輸一個(gè)唯一的信號(hào)(單圈)在測(cè)量的圈數(shù)中，每一圈，每一個(gè)位置都有唯一的信號(hào)（多圈）即使在掉電或者電源出現(xiàn)故障時(shí),位置信息一直可用.不必復(fù)零!碼盤(pán)材質(zhì)一般為玻璃或高分子材料！絕對(duì)式接觸式編碼器演示4位二進(jìn)制碼盤(pán)

+5V輸入公共碼道

最小分辨角度為

α=360°/2n

4個(gè)電刷光電式絕對(duì)編碼器的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，它由光源、絕對(duì)式光碼盤(pán)、接收光電元件及后續(xù)光電讀出裝置組成。絕對(duì)碼盤(pán)所能分辨的旋轉(zhuǎn)角度，即碼盤(pán)的分辨力α為α=360o/2n式中：n為碼道數(shù)?？梢?jiàn)，碼道數(shù)越多，能分辨的角度越小，就越精確。為了提高角位移的分辨力，常規(guī)方法就是增加碼盤(pán)的碼道數(shù)。當(dāng)然這要受到制作工藝的限制。為此，可以采用多級(jí)碼盤(pán)，以達(dá)到提高分辨力的目的。為了提高精度，限制錯(cuò)碼率，常用循環(huán)碼盤(pán)。循環(huán)碼的特點(diǎn)是相鄰兩個(gè)數(shù)的代碼只有一位碼是不同的，故用循環(huán)碼(格雷碼)來(lái)代替直接二進(jìn)制碼，就可消除多位錯(cuò)碼現(xiàn)象。格雷碼二進(jìn)制碼格雷碼和二進(jìn)制碼2.利用頻閃式轉(zhuǎn)速表測(cè)速頻閃測(cè)速法是利用人眼的頻閃效應(yīng)來(lái)測(cè)量轉(zhuǎn)速的。頻閃效應(yīng)：物體在人視野中過(guò)去后，人的視網(wǎng)膜能在一段時(shí)間內(nèi)保持視覺(jué)暫留現(xiàn)象。一般暫留0.2~0.05ｓ。頻閃盤(pán)：測(cè)量轉(zhuǎn)速所用的圓盤(pán)當(dāng)頻閃盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)頻率是光源閃光頻率整數(shù)倍時(shí)，頻閃像清晰。如測(cè)出相鄰兩次頻閃像清晰時(shí)的閃頻ｎ1和ｎ2，則頻閃盤(pán)轉(zhuǎn)速為：頻閃測(cè)速儀5.1光電信息變換有哪幾種基本形式？全輻射測(cè)溫屬于哪種形式？在這種形式中應(yīng)采用怎樣的技術(shù)才能更好地將信息檢測(cè)出來(lái)？答:有6種光電信息變換的基本形式：①信息載荷于光源的方式；②信息載荷于透明體的方式；③信息載荷于反射光的形式；④信息載荷于遮擋光的形式；⑤信息載荷于光學(xué)量化器的方式；⑥光通信方式的信息變換。全輻射測(cè)溫屬于①。由于物體自身輻射通常是緩慢變化的，經(jīng)變換后的電信號(hào)為緩變信號(hào)或直流信號(hào)。為克服直流放大器的零點(diǎn)漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用電子斬波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?hào)，然后再解調(diào)出信息。第5章習(xí)題5.2如何測(cè)量透明薄膜的厚度？

答:根據(jù)：由光電變換求出ｌ7.3測(cè)量物體表面粗糙度及表面疵病可采用哪種光電信息變換形式

？

答:采用信息載荷于反射光的變換方式5.5模擬光電變換與模－數(shù)光電變換電路有什么區(qū)別？為什么說(shuō)模擬光電變換電路受環(huán)境條件影響要比模－數(shù)光電變換電路大？答：模擬光電變換中被測(cè)的非電量信息載荷于光信息量電器件以模擬電流Ip或電壓Up信號(hào)的形式輸出。而模－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）兩種狀態(tài)的脈沖即可，都是數(shù)字量。模擬光電變換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。這與光源、光學(xué)系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等的性能有關(guān)。另外，各種電路參數(shù)的變化都將影響被測(cè)信號(hào)的穩(wěn)定。必須采用各種措施解決這些技術(shù)困難，才能獲得高質(zhì)量的模擬光電信息變換。而模－數(shù)光電變換電路只要輸出“0”和“1”，電路就簡(jiǎn)單多了。5.8假設(shè)兩塊光柵的節(jié)距為0.2mm，兩光柵的柵線夾角為1°，求所形成莫爾條紋的間隔。若光電器件測(cè)出莫爾條紋走過(guò)10個(gè)，求兩光柵相互移動(dòng)的距離。條紋間隔解:相互移動(dòng)距離L=Nｄ=10×0.2=2(mm)5.9假設(shè)調(diào)制波是頻率為500Hz、振幅為5V、初相位為0的正弦波，載波頻率為10kHz、振幅為50V，求調(diào)幅波的表達(dá)式、帶寬及調(diào)制度。解:則由調(diào)制波是正弦波題意：Ω=2π×500=1000πω=2π×104φ=0又則帶寬:Bm=2Fmax=2×500=1000Hz5.4物理光學(xué)方法的光電信息變換

衍射和干涉現(xiàn)象通常是發(fā)生在一定的空間域內(nèi)，由此組成各種衍射和干涉圖樣。衍射后的干涉現(xiàn)象組成了有名的莫爾條紋?？臻g分布的光波間的干涉可以形成全息圖樣和散斑圖樣。不同頻率光波間的干涉會(huì)形成光學(xué)拍頻，空間域內(nèi)的拍頻分布構(gòu)成光拍圖形。

1.光電干涉測(cè)量技術(shù)各種干涉現(xiàn)象都是以光波波長(zhǎng)為基準(zhǔn)，與形成它的外部幾何參數(shù)包括長(zhǎng)度、距離、角度、面形、微位移、運(yùn)動(dòng)方向和速度、傳輸介質(zhì)等存在著嚴(yán)格的內(nèi)在聯(lián)系。5.4.1干涉方法的光電信息變換從信息處理的角度來(lái)看，干涉測(cè)量實(shí)質(zhì)上是待測(cè)信息對(duì)光頻載波的調(diào)制和解調(diào)的過(guò)程。各種類(lèi)型的干涉儀器或干涉裝置是光頻波的調(diào)制器和解調(diào)器。可用最常見(jiàn)的干涉儀來(lái)說(shuō)明這個(gè)模型。

圖5-16用單一光電器件檢測(cè)干涉條紋可以在較小的空間進(jìn)行。檢測(cè)對(duì)象一般是干涉條紋的波數(shù)或相位隨時(shí)間的變化。適用于測(cè)量物體整體位移或速度。2.單頻光相干的條紋檢測(cè)①干涉條紋光強(qiáng)檢測(cè)法利用干涉儀的光干涉，以光電器件直接檢測(cè)條紋的光強(qiáng)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。用光電接收器檢測(cè)干涉條紋時(shí)，光電信號(hào)不僅取決于條紋的光強(qiáng)對(duì)比，而且決定于接收器的光闌尺寸和干涉條紋之間寬度的比例關(guān)系。采用兩束不同頻率的相干光作光源，其中一束頻率已知，另一束未知，則在干涉儀中各自形成干涉條紋。再經(jīng)光電檢測(cè)后形成兩種頻率的電信號(hào)，通過(guò)比較波長(zhǎng)不同的兩束光干涉條紋頻率的變化來(lái)計(jì)算未知光的頻率，這種方法稱(chēng)為干涉條紋比較法。

②干涉條紋比較法圖5-17在干涉儀測(cè)量鏡位置變化時(shí)，通過(guò)光電器件實(shí)時(shí)地檢測(cè)出干涉條紋的變化。時(shí)間利用控制系統(tǒng)使參考鏡沿相應(yīng)方向移動(dòng)，以維持干涉條紋保持靜止不動(dòng)，再由驅(qū)動(dòng)參考鏡的電壓得到測(cè)量鏡的位移，這種方法稱(chēng)為干涉條紋跟蹤法。③干涉條紋跟蹤法雙頻光差頻檢測(cè)是將被測(cè)調(diào)制光和本機(jī)振蕩光波在滿(mǎn)足波前匹配的條件下，在光電探測(cè)器上進(jìn)行混頻后輸出兩光波的差頻電信號(hào)。解調(diào)電信號(hào)獲得被測(cè)物體的信息。雙頻獲得分兩類(lèi)：①被測(cè)量引起原光波頻率分離。如：多普勒頻移、薩格納克頻移等。②人為產(chǎn)生光頻差。如：聲光控制的布喇格頻偏盒和旋轉(zhuǎn)光柵等的外部頻偏器，以及在氣體激光器上加橫向磁場(chǎng)產(chǎn)生的塞曼效應(yīng)的頻率分裂等內(nèi)部調(diào)制方法。3.雙頻光相干的差頻檢測(cè)氣體激光陀螺環(huán)型諧振腔合光棱鏡氣體激光陀螺儀①光學(xué)多普勒（Doppler）差頻檢測(cè)多普勒效應(yīng)——運(yùn)動(dòng)物體能改變?nèi)肷溆谄渖系牟▌?dòng)性質(zhì)的現(xiàn)象。多普勒頻移Δf=fs-f0=V0(rs-r0)/λPDV0(rs-r0)V0rs-r0r0f0fs入射光散射光物體速度θα可推出若θ=0，則入射光就有一部分穿越測(cè)點(diǎn)作為參考光束，參考光與散射光形成雙頻光，進(jìn)入光闌由透鏡會(huì)聚到光電倍增管的光電陰極上發(fā)生干涉，可獲得運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)信息。只要測(cè)出散射光的頻率，就可以得到粒子的速度激光多普勒測(cè)速儀激光多普勒測(cè)速的特點(diǎn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快空間分辨率高流速測(cè)量范圍寬測(cè)量精度高激光多普勒測(cè)速的應(yīng)用管道內(nèi)水流流層研究；流速分布／亞音速或超音速氣流／旋流的測(cè)量大氣遠(yuǎn)距離測(cè)量；風(fēng)速測(cè)量可燃?xì)怏w火焰的流體力學(xué)研究；水洞、風(fēng)洞和海流測(cè)量②薩格納克(Sagnac)效應(yīng)和轉(zhuǎn)動(dòng)差頻Sagnac效應(yīng)原理圖在圓形環(huán)路（周長(zhǎng)）中

光程差由于環(huán)路面積亦即有光程差：薩格納克效應(yīng)——光程差隨轉(zhuǎn)速而改變的現(xiàn)象在環(huán)形激光器中，激光束的基頻縱模頻率為：得頻率差：環(huán)形激光器Ω測(cè)量公式由小型化的環(huán)形激光器及相應(yīng)的光學(xué)差頻檢測(cè)裝置組成激光陀螺儀。它可以感知相對(duì)慣性空間的轉(zhuǎn)動(dòng)，在慣性導(dǎo)航中作為光學(xué)陀螺儀使用。接收器激光器激光陀螺示意圖光學(xué)陀螺的優(yōu)勢(shì)1）精度高(零漂穩(wěn)定性?xún)?yōu)于0.001o/hr)；2）單軸靈敏度高；3）可靠性好(無(wú)故障時(shí)間大于1萬(wàn)小時(shí))；4）不需要恒溫（有腔長(zhǎng)控制系統(tǒng)）；5）動(dòng)態(tài)環(huán)境造成的誤差極小；6）輸入軸對(duì)準(zhǔn)穩(wěn)定性極高；7）成本低（相對(duì)于同樣精度的機(jī)電陀螺）1、夫瑯和費(fèi)單縫衍射

氦氖激光器發(fā)出的單色平行光垂直照射在寬為b的狹縫AB上，經(jīng)透鏡在其焦平面處的屏幕上形成夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。5.4.2衍射方法的光電信息變換當(dāng)狹縫寬度b變小時(shí)，衍射條紋將對(duì)稱(chēng)于中心亮點(diǎn)向兩邊擴(kuò)展，條紋間距增大。激光衍射圖樣明亮清晰，衍射級(jí)次可以很高。為相鄰兩衍射點(diǎn)的間距圖7-44所示為距離屏幕的距離L為1m處，不同狹縫寬度b(0.01～0.5mm)所形成的衍射圖樣。由于b值的微小變化將引起條紋位置和間隔的明顯變化，因此可以用光電的方法測(cè)量出條紋間距，從而求得b值或其變化量。利用物體的微小間隔、位移或振動(dòng)等代替狹縫或狹縫的一邊，則可測(cè)量物體的微小間隔、位移或振動(dòng)等。屏幕離開(kāi)狹縫的距離L遠(yuǎn)大于狹縫寬度b時(shí)有

當(dāng)d變化時(shí)，各條紋位置和間距隨之變化。因此可根據(jù)亮點(diǎn)或暗點(diǎn)間的距測(cè)出細(xì)絲的直徑。2夫瑯和費(fèi)細(xì)絲衍射如圖7-45所示，由氦氖激光器發(fā)出的激光束照射細(xì)絲（被測(cè)物）時(shí)，其衍射效應(yīng)和狹縫一樣，在屏幕（在焦距為f的透鏡的焦平面處）上形成夫瑯和費(fèi)衍射圖樣。相鄰兩暗點(diǎn)或亮點(diǎn)間隔S與細(xì)絲直徑d的關(guān)系為

測(cè)量范圍約為0.01～0.1mm，分辨力為0.05mm，測(cè)量精度一般為0.1mm

利用激光衍射傳感器可以測(cè)量微小間隔（如薄膜材料表面涂層厚度），微小直徑（如漆包線，棒料直徑變化量），薄帶寬度（如鐘表游絲），狹縫寬度，微孔孔徑，微小位移以及能轉(zhuǎn)換成位移的物理量如重量、溫度、振動(dòng)、加速度、壓力等。

3.應(yīng)用舉例（1）轉(zhuǎn)鏡掃描式激光衍射測(cè)徑儀激光照射被測(cè)細(xì)絲，在反射鏡處形成衍射圖樣。同步電機(jī)帶動(dòng)反射鏡轉(zhuǎn)動(dòng)，使衍射圖樣亮暗條紋相繼掃過(guò)狹縫被光電倍增管接收轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。設(shè)狹縫的初始寬度為b、光電器件置于第k（一般取2或3）級(jí)條紋的暗點(diǎn)處，距零級(jí)中心線為xk，xk=kLλ/b。當(dāng)被測(cè)物作簡(jiǎn)諧振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)方程為x=XMsinωt，則狹縫寬度變?yōu)閎=XMsinωt，衍射條紋位置由于光電器件的位置固定，即xk為定值，xk’的變化使光電器件所接收的光強(qiáng)隨之變化。若滿(mǎn)足XM<1/2條件，便可以直接測(cè)出物體振動(dòng)的幅度。

（2）激光衍射振幅測(cè)量?jī)x圖5-185.5時(shí)變光電信息的調(diào)制

1.載波與調(diào)制

調(diào)制——使載波信號(hào)中的一個(gè)或幾個(gè)特征參數(shù)按被傳送信息的特征變化以實(shí)現(xiàn)信息傳送目的的方法。二次調(diào)制——使調(diào)制后的載波再使其特征參數(shù)隨被測(cè)信息而改變。調(diào)制增加了復(fù)雜性，但能更好地從背景噪聲和干擾中分離出有用的信號(hào)，提高信噪比和測(cè)量靈敏度。此外，調(diào)制信號(hào)還能簡(jiǎn)化檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，改善系統(tǒng)的工作品質(zhì)，擴(kuò)大目標(biāo)定位系統(tǒng)的視場(chǎng)和搜索范圍。5.5.1調(diào)制的基本原理與類(lèi)型調(diào)制器——在輻射源或光路系統(tǒng)中進(jìn)行光通量調(diào)制的裝置解調(diào)——從已調(diào)制信號(hào)中分離并提取出有用的信息，即恢復(fù)原始信息的過(guò)程。（1）按時(shí)空狀態(tài)分類(lèi)①時(shí)間調(diào)制：載波隨時(shí)間和信息變化。②空間調(diào)制：載波隨空間位置變化后再按信息規(guī)律調(diào)制。③時(shí)空混合調(diào)制：載波隨時(shí)間、空間和信息同時(shí)變化。2.光電信息調(diào)制的分類(lèi)

①直流載波：不隨時(shí)間而只隨信息變化的調(diào)制；②交變載波：載波隨時(shí)間周期變化的調(diào)制。又分：a.連續(xù)載波：調(diào)幅波、調(diào)頻波、調(diào)相波。b.脈沖載波：脈沖調(diào)寬、調(diào)幅、調(diào)頻。調(diào)頻(2)按載波波形和調(diào)制方式分類(lèi)圖5-19(1)連續(xù)波調(diào)制連續(xù)波調(diào)制的光載波通常具有諧波的形式式中φ0為光通量的直流分量，一般不載荷任何信息；φm和ω為載波交變分量的振幅和頻率。

由于光載波不可能是負(fù)值，所以載波的交變分量總是疊加在直流分量之上，被測(cè)信息可以對(duì)交流分量的振幅、頻率或者初相位等參數(shù)進(jìn)行調(diào)制，使之隨信息變化。3.典型的調(diào)制方法式中，V（t）為由被測(cè)信息決定的調(diào)制函數(shù)，根據(jù)調(diào)制參量的不同可以分為：

振幅調(diào)制（AM）：調(diào)制參量為交流幅度φm[V(t)]頻率調(diào)制（FM）：調(diào)制參量為圓頻率ω[V(t)]相位調(diào)制（PM）：調(diào)制參量為初始相位φ[V(t)]一般情況下，調(diào)制后的載波信號(hào)的形式為

光載波信號(hào)的幅度瞬時(shí)值隨調(diào)制信息成比例（線性）變化，而頻率、相位保持不變則式中V（t）是調(diào)制函數(shù)，規(guī)定；m是調(diào)制度或調(diào)制深度，表示V（t）對(duì)載波幅度的調(diào)制能力振幅調(diào)制式中Ω=2πF為被測(cè)信息的諧波角頻率；F、φ為相應(yīng)的頻率和初相位。顯然被調(diào)制的載波信號(hào)為如按單一諧波規(guī)律變化的被傳送信息用三角公式展開(kāi)，得到調(diào)幅波的頻譜

可見(jiàn)，正弦調(diào)制函數(shù)的調(diào)幅信號(hào)除了零頻率分量外還包含有三個(gè)諧波分量，即以f0為中心頻率的基頻和基波振幅之半、頻率分別為（f0+F0）、（f0-F0）的兩個(gè)分量。

對(duì)于頻譜分布在F0△F（Ω=2πF0）范圍內(nèi)的任意函數(shù)V(t)，所對(duì)應(yīng)的調(diào)幅波頻譜是由以載波頻率f0為中心的一系列邊頻組成，分別為f0F1；f0F2；…；f0ΔF。式中F1，F(xiàn)2…均為ΔF內(nèi)的頻譜分量；頻譜圖如圖7-48(e)所示。若調(diào)制信號(hào)具有連續(xù)的帶寬Fmax，則調(diào)幅波的頻帶是f0Fmax，帶寬為Bm=2Fmax，其中Fmax是調(diào)制信號(hào)的最高頻率（圖中虛線）。圖5-20調(diào)制載波的頻譜是選擇檢測(cè)通道帶寬的依據(jù)。例若載波頻率為f0=10kHz，調(diào)制信號(hào)頻率為F0＝500Hz，求調(diào)幅后載波頻譜分布和帶寬。載波頻譜分布在fL和fH之間fL＝（10－0.5）kHz＝9.5kHzfH＝（10＋0.5）kHz＝10.5kHz調(diào)幅波的帶寬：Bm=1kHz。解：1.機(jī)械調(diào)器

①旋轉(zhuǎn)光閘（調(diào)制盤(pán)）5.5.2信號(hào)的調(diào)制最簡(jiǎn)單的調(diào)制盤(pán)，有時(shí)叫做斬波器。在圓形的板上由透明和不透明相間的扇形區(qū)構(gòu)成。當(dāng)以圓盤(pán)中心為軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，就可以對(duì)通過(guò)它的光束M進(jìn)行調(diào)制。調(diào)制光束的頻率f由調(diào)制盤(pán)中透光扇形的個(gè)數(shù)N和調(diào)制盤(pán)的轉(zhuǎn)速n決定，f＝Nn/60(Hz)。斬波器若調(diào)制盤(pán)的圖形局部透光區(qū)域近似為方形，而光束截面為寬度不等的矩形，所形成的調(diào)制波形是方波、梯形波和三角波等。經(jīng)調(diào)制后的波形是由調(diào)制盤(pán)圖形、光束和探測(cè)器的截面形狀和大小，照在調(diào)制盤(pán)上的位置決定。φttφφtφt

調(diào)幅型調(diào)制原理可用所謂初升太陽(yáng)式調(diào)制盤(pán)來(lái)說(shuō)明，其原理如圖7-13所示。在圓形調(diào)制盤(pán)上分為兩半，上半部是由透光與不透光的等間隔扇形面相間組成，下半部制成半透區(qū)，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行調(diào)制時(shí)將調(diào)制盤(pán)置于像面即物鏡焦面上。

某目標(biāo)像點(diǎn)落在調(diào)制盤(pán)某A點(diǎn)處，所占透明區(qū)的面積不同，透過(guò)的通量W也不同。其規(guī)律是離軸心愈遠(yuǎn)占透明區(qū)的面積S愈大。調(diào)制型調(diào)制盤(pán)原理

（1）調(diào)幅型調(diào)制的實(shí)現(xiàn)調(diào)幅型波形

實(shí)際中使用的調(diào)幅式調(diào)制盤(pán)還要復(fù)雜些。例如在制導(dǎo)中所用的調(diào)制盤(pán)，如圖所示。其圖案作了兩方面的修改，一方面是將半透明的下半?yún)^(qū)改成透光與不透光等寬的同心半圓環(huán)，且?guī)Лh(huán)甚密，使得不論何等待測(cè)大小的目標(biāo)通過(guò)該區(qū)時(shí)，透射比均為50％。另一方面是將上半?yún)^(qū)中的扇形面沿盤(pán)的徑向再行分格，每個(gè)格子的面積大小相等。這一改進(jìn)的重要作用是抑制非目標(biāo)的背景。

實(shí)用調(diào)幅式調(diào)制盤(pán)

它由四個(gè)同心環(huán)帶組成，由內(nèi)向外每增一個(gè)環(huán)帶其格子數(shù)增加一倍，只要目標(biāo)像偏離該調(diào)制盤(pán)的中心，盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)就將產(chǎn)生調(diào)制信號(hào)。從調(diào)制信號(hào)的頻率不同就可得知目標(biāo)像所處調(diào)制盤(pán)上的位置，就可獲得偏離量的大小。

上圖調(diào)制盤(pán)不能反映目標(biāo)所在的方位信息。為此設(shè)計(jì)了下圖調(diào)頻式調(diào)制盤(pán)，從中心向外每個(gè)環(huán)帶所分格子數(shù)成倍增加，而在每個(gè)環(huán)帶中透光格子的密度不均勻，其規(guī)律是按正弦關(guān)系分配。（2）調(diào)頻型調(diào)制的實(shí)現(xiàn)以R為半徑將圓盤(pán)分為兩個(gè)區(qū)域，每個(gè)區(qū)域中都采用初升太陽(yáng)式調(diào)制圖案，兩區(qū)相位相差。當(dāng)目標(biāo)像落在內(nèi)圈、外圈及兩區(qū)邊界上時(shí)，將產(chǎn)生如右圖所示的調(diào)制波形，通過(guò)鑒相電路就可解調(diào)出目標(biāo)的偏離信號(hào)，但不能反映偏離的方位角。調(diào)相式調(diào)制盤(pán)

調(diào)制波形

（3）調(diào)相型調(diào)制的實(shí)現(xiàn)有些場(chǎng)合又可用反射和透射扇形構(gòu)成調(diào)制盤(pán)，如圖是比較光路中的機(jī)械調(diào)制方案。為消除可能引起的系統(tǒng)誤差，在許多光電檢測(cè)系統(tǒng)中采用雙光路法。比較光路中的調(diào)制

它由固定狹縫和運(yùn)動(dòng)反射鏡構(gòu)成。下