光電信息技術(shù)應(yīng)用市公開課特等獎市賽課微課一等獎?wù)n件

第四章光電信息技術(shù)應(yīng)用§4.1光電檢測§4.2.光電控制§4.3光纖通信§4.4光纖傳感器§4.5光電信息技術(shù)其它應(yīng)用1第1頁

§4.1光電檢測

§4.1.1光電檢測基本方法§4.1.2幾何量檢測§4.1.3機械量檢測§4.1.4溫度檢測§4.1.5機器人視覺系統(tǒng)2第2頁

一．

直接作使用方法受被測物理量控制光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換成電量后由檢測機構(gòu)直接得到欲測物理量，測量框圖如圖所表示。直接測量法最大優(yōu)點是簡單方便，儀器設(shè)備造價低廉。這種方法缺點是檢測結(jié)果受參數(shù)、環(huán)境、電壓波動等影響較大，精度及穩(wěn)定性較差。適合于測量精度要求不高場所。

依據(jù)檢測原理光電檢測基本方法有直接作使用方法、差動法、賠償法和脈沖法等。§4.1.1光電檢測基本方法3第3頁§4.1.1光電檢測基本方法

二．

差動法利用被測量與某一標準量相比較，所得差或比反應(yīng)了被測量大小。比如，用雙光路差動法測量物體長度，如圖所表示。

4第4頁§4.1.1光電檢測基本方法

1．調(diào)整：放入標準工件尺寸，調(diào)整光楔，使φ1＝φ2，使μA表讀數(shù)為“0”。①當工件尺寸無誤差時，使φ1＝φ2，光電傳感器輸出U無交變分量，見圖。②當工件尺寸變小時，φ1>φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=S·Δφ·R。③當工件尺寸變大時，φ1<φ2，U＝S·(φ1-φ2)·R=－S·Δφ·R。2．測量：3．結(jié)論：1〕測量值大小決定于u幅值，測量值正負決定于u相位2〕測量精度和靈敏度大大提升。5第5頁§4.1.1光電檢測基本方法

4．相敏檢波器(PSD)理論相敏檢波器（Phase-Sensitive-Detector）關(guān)鍵是一個乘法器和一個濾波器，如圖所表示，一路為有用信號uS，另一路為參考信號uR

，現(xiàn)設(shè)ui=uS=Ei

sin(ω1t+θ1)，uR=ERsin(ω2t+θ2)

則uo=ui·uR=1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]-1/2·EiERcos[2π(f1+f2)t+θ1+θ2]

在高頻信號被濾波器濾去后，就有uo＝1/2·EiERcos[2π(f1-f2)t+θ1-θ2]

如f1＝f2，則uo＝1/2·EiERcos(θ1-θ2)=1/2·EiERcosΔθ

6第6頁§4.1.1光電檢測基本方法

4．相敏檢波器(PSD)理論相敏檢波器一個電路如圖所表示，圖中，uS'是信號線圈對uS感應(yīng)電壓，uR'是參考線圈對uR感應(yīng)電壓，uR和uS需滿足以下三個條件：f1＝f2，uR>>uS，uR

和uS同相或反相。同相：當u

R為正半周時，uS'＋uR'＝uR1,，uS'－uR'＝uR2

uo＝uR1＋uR2＝2uS′，當uR為負半周，二極管不導通，uo＝0反相：當uR為正半周，－uS'＋uR

'＝uR1，－uS'－uR'＝uR2uo＝uR1

＋uR2＝－2uS′，當uR為負半周，二極管不導通，uo＝0這么，只要判斷uo正負，就可知道被測工件正負偏差，只要測出uo大小，就可知道工件偏差值。

7第7頁§4.1.1光電檢測基本方法

4．相敏檢波器(PSD)理論實用中，用變壓器線圈比較麻煩，可改用另一個PSD，如圖所表示。

在相敏檢波器中，參考信號要求同測量信號同頻，可經(jīng)過在調(diào)制盤上另裝一套光電接收器而取得。如圖所表示。8第8頁§4.1.1光電檢測基本方法

三、賠償法用光或電方法賠償由被測量改變而引發(fā)光通量改變，賠償器可動元件聯(lián)接讀數(shù)裝置指示出賠償量值，賠償值大小反應(yīng)了被測量改變大小。1.單通道光電賠償式測量該檢測方法又稱賠償直讀法，測量原理如圖所表示。由光敏電阻RG和電阻R0、R1、R2組成電橋，當無光照時，調(diào)整Rw使電橋平衡，當信號光照射光敏電阻時，其阻值RG下降為R’G，使電橋失去平衡，檢流計G中有信號輸出。調(diào)整RW使電橋恢復(fù)平衡，調(diào)整RW時標尺指示器A隨之移動，電橋平衡時，A指示數(shù)值就是待測量值大小。以上是單通道電賠償一個例子。9第9頁§4.1.1光電檢測基本方法

2.雙通道光電賠償式測量在雙光路差動法測量中，用相敏檢波器輸出量直接控制光楔上下移動，直到φ1－φ2＝0，即相敏檢波器輸出量為零，而光楔上下移動與一個讀數(shù)機構(gòu)相連，從讀數(shù)機構(gòu)得到讀數(shù)恰好反應(yīng)光通量改變量，也就是被測量值。

10第10頁§4.1.1光電檢測基本方法

1．

脈寬法測長四、脈沖測量法受被測量控制光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬、相位、頻率、脈沖數(shù)量等）反應(yīng)了被測量大小。圖給出了脈寬法測長原理。L＝vt＝vkN＝KN以上對零件尺寸測量都要求勻速直線運動，實現(xiàn)起來較為困難，所以慣用于精度要求不高場所。其中，k是高頻脈沖時間當量，即表示單位高頻脈沖所代表時間，而K是長度當量，即表示單位高頻脈沖所代表長度。11第11頁§4.1.1光電檢測基本方法

在上面測量中，因為物體震動，馬達電壓頻率波動等使v不勻速，這么就可帶來測量誤差。為了消除這些誤差，高頻脈沖可取之本系統(tǒng)馬達或傳送帶轉(zhuǎn)動輪上，圖所表示是利用全脈沖法檢測零件尺寸例子該方法測量結(jié)果和精度與傳送帶運動快、慢或短暫停頓都沒相關(guān)系。但不應(yīng)有零件與傳送帶之間或輪與輪之間相對移動。另外，如因磨損等造成D1、D2和D3改變，也會影響檢測精度。主動輪轉(zhuǎn)一周

工件移動D2

對應(yīng)產(chǎn)生脈沖數(shù)D1n/D3

一個脈沖對應(yīng)零件移動距離為

L＝D2D3/nD112第12頁§4.1.1光電檢測基本方法

2．

相位法測距帶有測距功效望遠鏡是發(fā)射一束調(diào)制脈沖激光，再接收來自于被測物反射光。發(fā)射信號和接收信號相位差反應(yīng)了被測物距離。設(shè)Vo和Vi分別代表發(fā)射脈沖和接收脈沖，如圖4.1.1－9所表示，就可用高頻填入法測出兩信號相位差，再換算成相對應(yīng)距離。V02Vi2VQnVQn+1

1000

1010

0101

0111

1100

1111

13第13頁§4.1.1光電檢測基本方法

3．

頻率法測速圖是測速原理框圖。在轉(zhuǎn)動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收到與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)光脈沖。設(shè)m為反射片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則只要控制在一定時間t內(nèi)計數(shù)N，就可計算得到輪子轉(zhuǎn)速。

f=nm/60=N/t，n=60N/(mt)14第14頁§4.1.2幾何量檢測

§4.1.2幾何量檢測一．光電測距1．脈沖激光測距脈沖激光測距利用了激光發(fā)散角小，能量空間相對集中優(yōu)點。同時還利用了激光脈沖連續(xù)時間極短，能量在時間上相對集中特點。所以瞬時功率很大，普通可達兆瓦級。脈沖激光測距工作原理見圖。在1處產(chǎn)生激光，經(jīng)過待測旅程射向2處。在2處裝有向1處反射裝置，1處至2處間距離D是待測。假如在1處有一個裝置，它能夠測出脈沖激光從1處抵達2處再返回1處所需要時間t，則D=ct/2，式中c為光傳輸速度。15第15頁§4.1.2幾何量檢測

脈沖激光測距儀原理和結(jié)構(gòu)較簡單，測程遠．主要缺點是絕對測距精度較低。精度要求較高場所可采取相位測距法。脈沖激光測距方框圖見圖。它由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數(shù)顯示電路等組成。a)工作過程16第16頁§4.1.2幾何量檢測

2．相位測距法在工程建設(shè)中進行測量時．慣用30m或50m卷尺(鋼皮尺)一“鏈”復(fù)一“鏈”地進行測量，如圖所表示，其結(jié)果是整“鏈”數(shù)與卷尺長度乘積再加上最終不足一整“鏈”過程可用下式表示

式中D——待測距離；Ls——測尺長度；N——零或正整數(shù)，即整鏈數(shù)；ΔL——不足整尺距離尾數(shù)。

D＝NLs+ΔL相位式測距儀采取了與上述相同方法來測量距離，不過它所采取測尺不是卷尺，而是“光尺”，這把“光尺”是經(jīng)過對光強度進行調(diào)制實現(xiàn)。

17第17頁§4.1.2幾何量檢測

測距用調(diào)制光波形如圖所表示，若其調(diào)制頻率為f，光速為c，則波長λ可由下式求出λ=c/f2．相位測距法因為調(diào)制光波在傳輸過程中其相位是不停改變。假如設(shè)光波從A到B點傳輸過程中相位改變(又稱為相位移)為φ，則由圖4.1.2—5看出，φ可由2π倍數(shù)來表示：φ＝M·2π+Δφ=(M+Δm)2π從圖4.1.2—5可看出，光波每前進一個波長λ，相當于相位改變了2π，所以距離D可表示以下：D＝λ(M+Δm)18第18頁§4.1.2幾何量檢測

實際上為了使用方便，在B點設(shè)置反射器圖4.1.2—6說明了光波在距離D上往返后相位改變。則2D=λ(N+Δn)或

D=λ(N+Δn)/2=Ls(N+Δn)式中N—零或正整數(shù)，為波長λ或相位2π倍數(shù)；Δn—是個小數(shù),Δn＝Δλ/λ＝Δφ/2π；Ls—稱它為測尺長度，Ls＝λ/2當距離D大于測尺長度Ls時，僅用一把“光尺”是無法測定距離。但當距離D小于測尺長度Ls，即N等于零時，式上變?yōu)镈＝LsΔn＝LsΔφ/2π此時Δφ不會超出2π，測相系統(tǒng)能給出相位移確實定值，距離D也不存在多值解問題。19第19頁§4.1.2幾何量檢測

假如被測距離較長，則能夠選取一個較低測尺頻率即測尺長度較長（大于待測距離）。但因為測尺長度越大，帶來測距誤差也會越大。比如儀器測相誤差為0.1％，當測尺長度Ls＝10m時，會引發(fā)1cm距離誤差；而當L＝1000m時，所引發(fā)誤差就可達1m。當被測距離大于基本測尺長度L時，可再選一個或幾個輔助測尺Lsb(又叫粗測測尺)。比如選取兩把測尺，其中Lsb=10米，Lsa＝1000m，用它們分別測量某一段長度為386.57m距離時，用Lsb測量時可得到不足10m尾數(shù)6.57m，用Lsa測量可得不足1000m尾數(shù)386m，將二者組合起來就可得386.57m，即6.57……Lsb讀數(shù)，386

……Lsa讀數(shù)，386．57m……兩尺組合起來總讀數(shù)20第20頁§4.1.2幾何量檢測

二.直徑光電檢測1.大直徑測量為了使用小口徑透鏡去測量大直徑測件，能夠采取雙光路測量技術(shù)。圖示出雙光路測徑裝置原理圖。圖中1是氦氖激光器，2是旋轉(zhuǎn)掃描鏡。由電動機3帶動掃描鏡以一定速度旋轉(zhuǎn)。光點F位于會聚透鏡8和10焦點位置。其中4為分光棱鏡，5、6、7為反光鏡。

21第21頁§4.1.2幾何量檢測

下面按標準直徑為D0、大于或小于D0三種情況討論。（a）被測件12為標準直徑D0（b）被測件12直徑小于D0（c）被測件12直徑大于D022第22頁§4.1.2幾何量檢測

2.小直徑測量如圖(a)所表示，當用激光器1或平行光照射細絲2時，在其后面相距較遠屏幕3上便能取得夫瑯和費衍射圖像，o點最亮，被測細絲2直徑d可按下式計算：

d＝λL/s圖(b)示出測量細絲直徑原理圖。23第23頁§4.1.2幾何量檢測

三.

光電測長普通單色光源單色性不夠好，限制了可測量長度，且普通光源亮度也不夠。自從激光誕生后，因為它單色性、亮度高，很快成了精密測量中理想光源。激光光波比長儀實質(zhì)上就是一個以激光器作光源干涉儀，其簡化結(jié)構(gòu)如圖，待測物體長度可按下式計算而得：L＝N·λ/2

式中L—待測物體長度；λ—光波長；N—計數(shù)器測得脈沖數(shù)。24第24頁§4.1.3機械量檢測機械量種類較廣、檢測裝置各種多樣，但從光電檢測原理講可歸納為以下兩類：

1．先把機械量(如重力、壓力、力矩、轉(zhuǎn)速等)改變轉(zhuǎn)換成幾何量改變，再由幾何量控制投射至光電器件光通量．然后以光電器件得到電信號經(jīng)放大后測出機械量。例：把機械量變成位移以測量重量彈簧1下掛框架2，則彈簧伸長量與框架2中物體3重量成正比。25第25頁§4.1.3機械量檢測2．若欲測機械量使投射至光電器件光通量以某一特定規(guī)律或周期地發(fā)生改變，則可利用光通量不停改變特定規(guī)律測出機械量。比如機械量使投射至光電器件光通量斷續(xù)改變以得到光脈沖，然后由光脈沖多少或性質(zhì)改變來檢測機械量。例：把機械量變成光脈沖設(shè)軸4轉(zhuǎn)速需測在軸4一端裝一圓盤3，盤二分之一被拋光以形成反光面再用黑漆或其它涂料涂盤另一部分以形成無反光面。轉(zhuǎn)軸4每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)與光電器件2輸出脈沖頻率成正比，只要測出光電器件輸出脈沖頻率，即每秒鐘脈沖數(shù)，就可測得軸4每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)。上述是用光電方法測量機械量基本原理，各機械量測量大多數(shù)是其基本原理詳細應(yīng)用。26第26頁§4.1.3機械量檢測一．速度光電檢測1．多普勒效應(yīng)以V表示光源S對于觀察者P相對運動速度，以

表示相對速度方向和光速進行方向(即光源到觀察者方向)夾角(如圖)。因為多普勒效應(yīng)，觀察者P接收到光波頻率f可表示為:式中f0——光源發(fā)出原頻率，c＝c0/n是光在介質(zhì)中光速，其中c0是真空中光速，n是介質(zhì)折射率。多普勒頻移Δf為：27第27頁可得在P'點接收光頻為：

§4.1.3機械量檢測

2．利用多普勒效應(yīng)測量固體運動速度使用激光測速儀能夠測量板、線、管材等速度。原理見圖。多普勒頻移Δf為：上式整理后可得物體運動速度：式中λ0=c/f0

。由上式可知，假如激光波長λ0已知，光電接收方向選定后，只要測出頻差Δf，即可得到物體運動速度。28第28頁§4.1.3機械量檢測

二．

機械振動光電檢測

1.光電測振原理在圖(b)中，光電傳感器帶有棱鏡5，而棱鏡5與重物2一起振動。若光電器件6上光通量增大時，另一光電器件6’上光通量降低，反之亦然。在圖(a)中，重物2懸掛于彈簧1，光源3發(fā)出光線經(jīng)過光闌4、鏡5反射后投至光電器件6。重物2振動時，鏡5亦伴隨振動，因而引發(fā)光電器件6上光通量改變。在圖(c)中光電傳感器有成正確光柵5與4。光柵5固定不動，光柵4隨重物2上下振動，因而投射于光電器件6光通量亦伴隨而改變

29第29頁§4.1.3機械量檢測

1.光電測振原理圖(a)示出測量旋轉(zhuǎn)體或旋轉(zhuǎn)軸振動原理。

當旋轉(zhuǎn)體振動時使一個光電器件上電流增大，另一個光電器件上電流減小，其原理示于圖(b)。30第30頁§4.1.3機械量檢測

2.用PSD測量旋轉(zhuǎn)軸振動用PSD測量旋轉(zhuǎn)軸振動原理示意圖如圖。半導體激光器LD發(fā)出平行光照射于上下振動轉(zhuǎn)動軸上，部分反射光照射在PSD接收面上，當主軸上下振動時，反射光斑在PSD上位置不停改變，這么PSD輸出信號恰好反應(yīng)了主軸振動情況，經(jīng)過信號處理后主軸振動頻率和振幅都能輕易得到。31第31頁§4.1.4溫度檢測

§4.1.4溫度檢測

一．工作原理熱體溫度能夠經(jīng)過處理其所發(fā)出輻射能來求得。輻射高溫計就是以發(fā)射體輻射強度和光譜成份來確定熱體溫度儀表。輻射高溫計通常按絕對黑體輻射強度刻度，即當絕對黑體總輻射能與非黑體(實際物體)總輻射相等時，此時絕對黑體溫度叫做非黑體輻射溫度(黑體溫度)。依據(jù)輻射溫度定義，非黑體在真實溫度T時總輻射能E等于黑體在溫度T0時總輻射能，即:依據(jù)斯蒂芬－波茲曼定律。物體在單位時間內(nèi)單位面積上，波長從0－

所輻射總能量為E＝

T4。32第32頁§4.1.4溫度檢測

§4.1.4溫度檢測測量波長從0～整個波譜范圍內(nèi)輻射功率來確定溫度儀器稱為全輻射測溫儀。但考慮到光電器件光譜響應(yīng)以及光學系統(tǒng)光譜透過率等原因，利用光電器件接收不可能成為全輻射型。稱為部分輻射光電高溫計。如1000度目標時，石英透鏡只能透過0.2~4m輻射，占總65％若采取PbS光敏電阻因為它光譜響應(yīng)范圍只占某一波段，其響應(yīng)范圍更小。非黑體實際溫度T與黑體溫度T0關(guān)系：要依據(jù)物體輻射作用來測量它們溫度，首先測出它們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)而變修正值而得到實際溫度。33第33頁§4.1.4溫度檢測

1、溫度直接測量法原理框圖如圖所表示。當前光電高溫計類型很多，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）三色測溫法；5）最大波長法；6)直接測量法34第34頁§4.1.4溫度檢測

二．

部分輻射光電高溫計1．原理采取光電信息轉(zhuǎn)換器件對部分輻射進行敏感測量，采取賠償法。2.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)框圖如圖所表示。圖中，由熱體輻射能量，經(jīng)透鏡聚焦后照射在調(diào)制盤上。35第35頁§4.1.4溫度檢測

調(diào)制盤結(jié)構(gòu)如圖所表示，φ1為熱體輻射光通量，φ2是參考光通量，調(diào)整可變電阻R可改變φ2光通量。由調(diào)制盤結(jié)構(gòu)可知，φ1和φ2交替照射在光敏電阻上，光敏電阻輸出U波形如圖4.1.4－4.36第36頁§4.1.4溫度檢測

三．

光電比色溫度計1．

原理對應(yīng)于黑體，則有維恩公式可推得：對于非黑體來說，依據(jù)兩個輻射強度比值所求得是所謂比色溫度Tc。比色溫度Tc和實際溫度T有以下關(guān)系：37第37頁§4.1.4溫度檢測

式中，ελ1和ελ2是物體黑度系數(shù)，對于灰體來說，ελ1

ελ2

1，即比色溫度與真實溫度是一致。所以，比色溫度概念是對兩個波長引入，而實際上為兩個波段，利用光電器件和適當電路，測量兩個光波段內(nèi)輻射能量比值，經(jīng)過一定關(guān)系運算后就可得到被測溫度。兩個波段選擇，在實用中，對于高溫測量，因為輻射能量足夠大，可將波段選得盡可能窄而且靠近，對于低溫測量，輻射能量較小，可選兩個較寬、不過盡可能靠近、甚至部分重合波段，以降低黑度系數(shù)影響。38第38頁§4.1.4溫度檢測

2．

優(yōu)點3．結(jié)構(gòu)光電比色溫度計結(jié)構(gòu)分單通道和雙通道兩種。雙通道有兩個通道和兩個光電器件，如圖所表示。

輕易測得物體真實溫度，正確性好，穩(wěn)定性好，測量距離遠近，中間是否有介質(zhì)吸收，熱體大小等原因?qū)囟葴y定影響較小。

39第39頁§4.1.4溫度檢測

單通道比色計只有一個光電器件和一條通道，用調(diào)制盤將兩個波段輻射能量交替投射于同一個光電器件上，由它轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后加至流比計。它光學系統(tǒng)如圖4.1.4－6（a）所表示

，調(diào)制盤3布置見圖4.1.4－6（b）40第40頁§4.1.4溫度檢測

41第41頁§4.2.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)42第42頁§4.2.1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聯(lián)接器件。

繼電器結(jié)構(gòu)及工作原理如圖4.2.1－1所表示。繼電器電路符號如圖4.2.1－2所表示。43第43頁§4.2.1光電繼電器

一．繼電器原理44第44頁二．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電流而動作

暗通光電控制電路：光電繼電器不受光照時能使繼電器動作，而受光照時繼電器釋放45第45頁二．光電繼電器？亮通和暗通是相對而言，能夠經(jīng)過哪些方式將二者相互轉(zhuǎn)換？？當光線較慢地連續(xù)改變，上述亮通或暗通控制電路有什么缺點？能夠采取什么樣方式賠償這種缺點？三．用電子開關(guān)代替繼電器繼電器工作時優(yōu)缺點：隔離高壓區(qū)和低壓區(qū)（使用安全）、工作可靠、但因為金屬觸點打出火花對電路產(chǎn)生干擾、其壽命有限

電子開關(guān)工作時優(yōu)缺點：無觸點，使用壽命長，但電子開關(guān)不能完全隔斷高壓區(qū)、在大電流工作時散熱問題也不能忽略46第46頁三．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)，能夠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。47第47頁三．用電子開關(guān)代替繼電器48第48頁雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)雙向可控硅基本結(jié)構(gòu)如圖所表示。有兩個主電極T1、T2（T2是電位參考電極）和一個門極。它能夠看成是一對反并聯(lián)普通可控硅晶體管。圖中(a)為基本結(jié)構(gòu)，(b)為雙向可控硅符號，(c)為雙向可控硅型號部頒標準。四．雙向可控硅觸發(fā)電路49第49頁雙向可控硅特征曲線如圖所表示。從圖中可知，高壓正電壓和反電壓都能使可控硅導通，只要G對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通，但導通時可控硅兩端有壓降存在，導通電流越大，壓降越大，顯然，消耗功率也大，這時，一定要采取散熱辦法。

1＋1－3＋3－雙向可控硅特征曲線50第50頁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T2加正電壓，G對T2加正電壓；1－觸發(fā)形式：T1對T2加正電壓，G對T2加負電壓；3＋觸發(fā)形式：T1對T2加負電壓，G對T2加正電壓；3－觸發(fā)形式：T1對T2加負電壓，G對T2加負電壓；雙向可控硅使用時，普通采取第一和第三象限組合，但因為雙向可控硅元件結(jié)構(gòu)關(guān)系，3＋觸發(fā)形式在使用時所需控制級功率較大，故相對少用，而1＋~3－和1－~3－觸發(fā)組合方式使用較多。

雙向可控硅觸發(fā)方式51第51頁五雙向可控硅觸發(fā)電路52第52頁圖(a)簡單光控霓虹燈電路，采取光敏器件為光敏電阻；六光電繼電器應(yīng)用路燈、霓虹燈自動控制電路圖(b)電路提升了霓虹燈控制靈敏度，采取光敏器件為光敏三極管；53第53頁Ic1Ib2Ic2Vb1Vc2VEVccT1T2Vc1假定三極管發(fā)射極導通電壓為0.7伏，則：Vb1-VE

=VBE1<0.7伏，T1截止，T2導通.若Vb1，使VBE1>0.7時，T1導通，則：Vb1Ic1Vc1Ic2

VBE1VE

若Vb1由大變小，使：Vb1-VE=VBE1只有0.7伏左右，Ic1開始減小，則：Vb1Ic1Vc1Ic2

VBE1VE

補充：施密特電路54第54頁預(yù)防閃電等短時干擾路燈控制電路如圖所表示

55第55頁印刷機紙張監(jiān)控器印刷機紙張監(jiān)控器能夠自動監(jiān)測每次印刷紙張是否為一張，假如不是一張則發(fā)出報警訊響，停頓印刷圖是監(jiān)控器電路原理圖。F1和F2是帶施密特觸發(fā)器電路，上觸發(fā)和下觸發(fā)有回差電壓

56第56頁電焊工電焊時普通都要帶防護面罩，以保護眼睛被電焊強光刺激，現(xiàn)用液晶屏替換傳統(tǒng)防護玻璃，可降低電焊時摘下防護罩看焊縫質(zhì)量麻煩，提升工作效率。

光控電焊眼罩工作原理如圖所表示。光控電焊眼罩？電路中各個部件作用？57第57頁§4.3光纖通信

§4.3.1光纖通信原理及組成

§4.3.2光纖通信系統(tǒng)

§4.3.3光纖網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)58第58頁光發(fā)送機電發(fā)送機電接收機光接收機中繼器§4.3.1光纖通信原理及組成光纖通信系統(tǒng)基本組成如圖所表示，主要由3部分組成：光發(fā)送機，光纖傳輸線及光接收機。因為當前光纖通信系統(tǒng)基本上采取數(shù)字通信技術(shù)，所以只對數(shù)字光纖通信系統(tǒng)三部分進行介紹。59第59頁一、光纖1、光纖（OpticalFiber）是由純石英拉制而成高度透明玻璃絲。慣用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，而且纖芯折射率略高于包層折射率。2、光纖種類非常多，分類標準也不一樣：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）按折射率徑向分布不一樣，光纖可分為：階躍折射率分布光纖和漸變折射率分布光纖。如圖所表示。ab纖芯包層涂層2a2bn1n2n0r2a2bn1n2n0r60第60頁折射光抵達纖芯——包層界面時，若入射角大于臨界角

c時，將發(fā)生全反射，若包層折射率為n2，則定義為3、光纖導光原理1）階躍折射率分布光纖射線理論光纖導光原理可用射線理論與導波理論兩種方法進行分析。右圖為光波在階躍折射率分布光纖中傳輸路徑。全部>c光線都將被限制在光纖芯中，這就是光纖導光基本原理。

n2n1n0θi

r光纖一個外特征參量是光纖數(shù)值孔徑(NumericalAperture)，它代表了光纖集光能力：NA=n0sin

i=n1cosc=(n12-n22)2在光纖技術(shù)中常引用相對折射率差φ61第61頁2）利用導波理論可將光纖分為多模光纖與單模光纖。所以NA近似可表示為：NA數(shù)值孔徑代表光纖集光能力，只取決于折射率，而與光纖芯徑無關(guān)。這個結(jié)論在普通多模光纖中是正確。但當光纖芯徑降到一定值時，此時射線理論不能解釋可能產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，數(shù)值孔徑概念實際不存在。所以在單模光纖中不用數(shù)值孔徑概念。有時是為了形象比較而借用此名稱，但并不直接表征接收角大小。多模光纖纖芯直徑2a=50μm，單模光纖纖芯直徑2a=8~12μm，包層直徑均為50μm。在多模光纖中，能夠激勵起大量傳輸模式，不一樣模式在橫向功率分布是不一樣，入射光功率按一定百分比分配給這些模式進行傳輸，不一樣模式在軸向傳輸常數(shù)不一樣。在單模光纖中，通常只能激勵起一個模式，稱為基模。3）光纖兩個主要特征：損耗特征和色散特征62第62頁63第63頁二、光發(fā)送機

光發(fā)送機功效是未來自電發(fā)送機電脈沖信號變換成光脈沖信號，并以數(shù)字光纖通信系統(tǒng)傳輸性能所要求光脈沖信號波形耦合到光源組件尾纖中數(shù)字光發(fā)送機組成框圖如圖4.3.1-6所表示輸入接口線路編碼調(diào)制電路控制電路光源電信號輸入光信號輸出64第64頁1、線路編碼

電發(fā)送機輸出是適合于電纜傳輸雙極性碼，而光源不可能發(fā)射負脈沖，所以要變換為適合光纖傳輸單極性碼。數(shù)字光纖通信系統(tǒng)中，普遍采取二進制二電平碼，有光脈沖表示“1”，無光脈沖表示“0”。但簡單二電平碼會帶來一些問題。所以，要對來自電端機信號進行線路編碼。2、光源與調(diào)制電路經(jīng)過碼型變換電脈沖信號碼流對光源進行調(diào)制，將電信號轉(zhuǎn)換為光信號。光源波長應(yīng)位于光纖低損耗傳輸窗口，單色性要好，以減小光纖色散對帶寬限制。當前光纖通信系統(tǒng)采取半導體激光器（LD）作為光源，在低通信容量系統(tǒng)中，也可選取LED做光源。電信號轉(zhuǎn)換為光信號調(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輸入電信號輸出光信號IP輸入電信號輸出光信號IthIb65第65頁101011APD光信號電信號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定時提取三、光接收機光接收機是光纖通信系統(tǒng)主要組成部分，其作用是未來自光纖光信號轉(zhuǎn)換成電信號，恢復(fù)光載波所攜帶原信號。圖4.3.1-8給出了數(shù)字光接收機組成框圖。

66第66頁1、光電檢測器光電檢測器是光接收機第一個關(guān)鍵部件，其作用是將由光纖傳送來光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光電檢測器主要有PIN光電二極管和雪崩光電二極管APD兩種。PIN管使用簡單，只需10~20V反向偏壓，但PIN管沒有增益。APD管含有10~200倍增益，能夠提升光接收機靈敏度，但需要幾十伏以上偏壓，增益特征受溫度影響較嚴重2、前置放大器

經(jīng)光電檢測器檢測到微弱信號電流，流經(jīng)負載電阻建立起信號電壓后，由前置放大器進行預(yù)放大。除光電檢測器性能優(yōu)劣影響光接收機靈敏度之外，前置放大器對光接收機靈敏度有十分主要影響。為此，前置放大器必須是低噪聲、寬頻帶放大器。3、主放大器

主放大器用來提供高增益，將前置放大器輸出信號放大到適合判決電路所需電平。前置放大器輸出信號電平普通為mV量級，而主放大器輸出信號電平普通為1~3V。

67第67頁4、均衡器

光在光纖中傳輸時，因為將受到色散影響，信號將發(fā)生畸變與展寬，使碼元間相互影響，出現(xiàn)誤碼。均衡器作用是對主放大器輸出失真數(shù)字脈沖信號進行整形，使之成為最有利于判決、碼間干擾最小波形，通常為升余弦波

5、判決再生與定時提取

判決即是用一判決電平與均衡器輸出信號進行比較，當在判決時刻輸出電壓信號比判決電平高，則判斷為“1”碼，不然判斷為“0”碼。這么，可在判決再生電路輸出端得到一個和發(fā)送端發(fā)出數(shù)字脈沖信號基本是一致由矩形脈沖組成數(shù)字脈沖序列。為了準確地確定“判決時刻”，就需要從信號碼流中提取準確定時信息用來標定，以確保和發(fā)送端一致。這個工作由“定時提取”電路來完成。

6、峰值檢波器與AGC放大器將由升余弦波組成數(shù)字脈沖信號取出一部分送到峰值檢波器進行檢波，檢波后直流信號再送到AGC放大器進行比較放大，產(chǎn)生一個AGC電壓。用該電壓首先去控制光電檢測器（APD管）反向偏置電壓，另首先送到主放大器去調(diào)整主放大器工作點，以控制主放大器增益，從而使均衡器輸出幅度穩(wěn)定升余弦波，確保碼元判決正確性。

68第68頁一、時分復(fù)用系統(tǒng)§4.3.2光纖通信系統(tǒng)時分復(fù)用（TimeDivisionMultiplexing，TDM），是將不一樣信道信號在時間上交替排列組合成復(fù)合比特流。

二、波分復(fù)用系統(tǒng)單模光纖含有非常寬帶寬。在1.3μm(1.25~1.35μm)波段和1.55μm(1.50~1.60μm)波段，都含有高達100nm低損耗傳輸范圍。另首先，作為光源半導體激光器線寬已小于0.1nm，所以，在一根單模光纖中，可同時傳輸多個不一樣波長信號。波分復(fù)用（WavelengthDivisionMultiplexing，WDM）技術(shù)正是基于這種思想，經(jīng)過在一根單模光纖中傳輸多個信道信號，來大幅度增加通信容量。69第69頁圖4.3.2-2為一單向傳輸WDM系統(tǒng)原理框圖。n個光發(fā)送機發(fā)送出由不一樣波長λ1，λ2，…λn承載光信號，經(jīng)過光復(fù)用器耦合到同一根單模光纖中，經(jīng)過光纖傳輸?shù)诌_接收端后，由解復(fù)用器將不一樣波長信號在空間上分開，分別進入各自光接收機。對于長途通信，還需在傳輸光纖中加入中繼器或光放大器，以賠償光信號損耗。復(fù)用器解復(fù)用器…λ1λ2λnλ1λ2λnλ1λ2…λn光纖…光放大器光接收機1光接收機2光接收機n光發(fā)送機1光發(fā)送機2光發(fā)送機n伴隨1.55μm波段摻鉺光纖放大器(EDFA)商用化，能夠利用EDFA對傳送光信號進行放大，實現(xiàn)超長距離無電再生中繼傳輸，WDM系統(tǒng)得到了極其廣泛應(yīng)用。在1.55μm波段傳送多路信道信號，這些信道波長間隔非常窄，且共享一個EDFA，將這種信道密集WDM系統(tǒng)稱為密集波分復(fù)用（DenseWavelengthDivisionMultiplexing，DWDM）系統(tǒng)。

70第70頁1.復(fù)用器/解復(fù)用器

波分復(fù)用系統(tǒng)關(guān)鍵部件是波分復(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λ1λ2λ3λ4λ1

λ2λ3λ4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所表示，當不一樣波長入射光從同一角度照射到光柵上后，因為光柵色散作用，不一樣波長光將以不一樣角度反射，然后經(jīng)透鏡會聚到不一樣輸出光纖，實現(xiàn)解復(fù)用功效；反過來，能夠完成光波復(fù)用功效。

71第71頁2、光放大器

在長途DWDM系統(tǒng)中，需要對光信號進行中繼放大。假如采取光電混合中繼方式話，則首先要對光信號進行解復(fù)用，然后對每一信道進行中繼再生，再將各信道光信號復(fù)用到傳輸光纖中。這么，將需要大量中繼設(shè)備，系統(tǒng)成本非常高。寬帶寬光放大器能夠?qū)Χ嘈诺佬盘柾瑫r放大，而不需要進行解復(fù)用，當前應(yīng)用最廣泛光放大器是摻鉺光纖放大器(ErDopedFiberAmplifier，EDFA)

鉺是一個稀土元素，在制造光纖過程中，向纖芯中摻入三價鉺離子(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、光隔離器及光濾波器組成，結(jié)構(gòu)如圖4.3.2-4所表示。信號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72第72頁§4.4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73第73頁§4.4.1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理強度調(diào)制型傳感器結(jié)構(gòu)如圖所表示。傳感光纖被夾在一個變形器中，變形器含有一定變形函數(shù)，當外力使變形器上下兩部分靠近，則光纖將會按照變形器變形函數(shù)形狀發(fā)生彎曲變形，光纖中傳輸光產(chǎn)生損耗。所以由光纖中光功率數(shù)值可得到諸如壓力、位移等被測量大小。光輸入光輸出變形器多模光纖LΛ微彎損耗光纖傳感器原理74第74頁設(shè)光纖微彎變形函數(shù)為正弦型式中D(t)——外界信號造成彎曲幅度；q——空間頻率；z——變形點到光纖入射端距離；設(shè)光纖微彎變形函數(shù)微彎周期為

，則有依據(jù)光纖模式理論，可得到微彎損耗系數(shù)近似表示式:75第75頁式中——百分比系數(shù)；——光纖中產(chǎn)生微彎變形長度；——光纖中光波傳輸常數(shù)差；式表明，

與光纖彎曲幅度D(t)平方成正比，彎曲幅度越大，模式耦合越嚴重，損耗就越高。

還與光纖彎曲變形長度成正比，作用長度越長，損耗也越大。

與光纖微彎周期相關(guān)，當時產(chǎn)生諧振，微彎損耗最大。所以，從取得最高靈敏度角度考慮，需要選擇適當微彎周期。76第76頁二、干涉式光纖傳感器

對上式微分得：式中第一項表示光纖長度改變引發(fā)相位差（應(yīng)變效應(yīng)或熱脹效應(yīng)），第二項為光纖折射率改變引發(fā)相位差（光彈效應(yīng)或熱光效應(yīng)），第三項為光纖芯徑改變引發(fā)相位差（泊松效應(yīng)）。對調(diào)制在相位中信號需要進行解調(diào)，用于光相位解調(diào)干涉結(jié)構(gòu)有各種，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。光波經(jīng)過長度為光纖，其相位延遲為其中為光波在光纖中傳輸常數(shù)，＝nk077第77頁光源探測器信號臂參考臂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)如圖所表示。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兩部分，分別進入信號臂光纖與參考臂光纖，然后分別被端面反射鏡反射回各自光纖中，在信號臂光纖中傳輸光波相位被調(diào)制，在參考臂光纖中傳輸光波相位與外界無關(guān)。被反射回來光波在3dB耦合器另一端匯合，產(chǎn)生干涉條紋，信號由與此端相連探測器接收。1）邁克爾遜干涉儀

78第78頁光源信號臂參考臂3dB探測器3dB(b)馬赫-陳德爾干涉儀光源探測器傳輸光纖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3dB耦合器，光源發(fā)出相干光由第一個3dB耦合器進入信號臂光纖與參考臂光纖，在經(jīng)第二個3dB耦合器后在探測器端匯合，產(chǎn)生干涉條紋。馬赫-陳德爾干涉儀優(yōu)點是克服了邁克爾遜干涉儀中反饋光波對光源影響，得到廣泛應(yīng)用。

在斐索干涉儀中，光源發(fā)出相干光束經(jīng)3dB耦合器進入傳輸光纖，在光纖出射端一部分被光纖端面反射回光纖中，一部分從光纖輸出后又被一個外部反射鏡反饋回光纖中，這兩部分反饋光在耦合器另一端匯合產(chǎn)生干涉條紋。通常在光纖出射端加一自聚焦透鏡來提升外部反饋光耦合效率。這種干涉儀特點是結(jié)構(gòu)非常簡單，經(jīng)過改變光纖端面與外部反射鏡間距就能夠?qū)崿F(xiàn)對光纖中光波相位調(diào)制。79第79頁現(xiàn)以雙光束干涉儀為例來分析干涉場。設(shè)信號光與參考光場強分別為：

兩光束相干產(chǎn)生干涉場分布為對應(yīng)光強分布為這么，可將相位改變轉(zhuǎn)換為強度改變，能夠取得被測信號大小。80第80頁光纖光柵是利用光纖光折變效應(yīng)，使纖芯折射率沿軸向產(chǎn)生周期性改變，在纖芯內(nèi)形成空間相位光柵。光纖光柵依據(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（FiberBraggGrating，F(xiàn)BG）是一個反射型濾波器件，其機理是后向傳輸LP01模與前向傳輸LP01模之間發(fā)生耦合，依據(jù)相位匹配條件，要求光柵周期很小，普通小于1μm。FBG傳輸特征如圖所表示。λIFBG反射譜λBλI輸入譜λIFBG透射譜λB三、光纖光柵傳感器

FBG反射光波中心波長為

81第81頁因為光纖光柵柵距是沿光纖軸向分布，所以在外界信號如溫度、壓力作用下，光纖將產(chǎn)生軸向應(yīng)變與折射率改變，柵距也隨之改變，造成反射波長改變：光纖光柵反射波長受到被測量調(diào)制產(chǎn)生偏移，解調(diào)出波長改變就能夠得到被測量。解調(diào)方法有光譜法，用光譜儀直接測量反射譜或透射譜，是最簡單方法，但光譜儀價格較高，而且不適合在線實時測量。另外還有波長掃描法、光學濾波法及干涉法。在此介紹干涉解調(diào)法。由光纖光柵反射回來光波進入不等臂馬赫-陳德爾干涉儀，設(shè)干涉儀參考臂與測量臂幾何長度差為，則干涉信號相位為：當反射波長改變，則干涉信號相位亦隨之改變，改變量為：由相位改變量能夠得到波長偏移量，進而取得溫度或壓力信息。82第82頁四、法拉第電流傳感器

法拉第電流傳感器是利用光纖磁光效應(yīng)實現(xiàn)電流測量，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)，是指一些物質(zhì)在外磁場作用下，使經(jīng)過它線偏振光偏振方向發(fā)生