第5章光电信息变换

第5章 光电信息变换
第5章 光电信息变换
光信息 电学信息 光电信息变换器
光 源 光 学 系 统
光 电 传 感 器
偏 置 电 路
处 理 电 路
5.l 光电信息变换的分类
5.1.1 光电信息变换的基本形式
信息载荷于光源
信息载荷于透明体
载荷于反射光
载荷于遮挡光
载荷于光学 量化器
光通讯 方式
图5-1
1. 信息载荷于光源的方式
1．透射式光栅传感器
2．反射式光栅传感器
5.3几何光学方法的光电信息变换
5.3.1 长、宽尺寸信息的光电变换
将目标或工件的长、宽等尺寸信息转变为光电信息的 方法有投影放大法，激光三角测量法，光学灵敏杠杆测量 法，激光扫描测量法和差动测量法等。
1. 激光扫描法
激光扫描法是1972年发展起来的一种技术，有人称之 为Laser Shadow Gauge。如图5- 15所示为激光扫描法的原理 图。激光束经过透镜1后被反射镜反射，由于同步位相马达 的转动而形成扫描光束。
图5-15
d Vt 4vm f n
1 4f n v0 N
5.3.2 位移信息的光电变换
将物体位移量变换成光电信号以便进行非接 触测量在工业生产和计量检测中的重要工作。用 线、面阵CCD图像传感器、CMOS图像传感器、象 限探测器、PSD位置传感器等器件与成像物镜配合, 很容易构成被测物像的位移信息变换系统，实现 物体位移量、运动速度、振动周期或频率等参数 的测量。
图5-9
两光束在分光器上相干，得到差拍信号。辐射到光电探测器上的辐 射为 j ( ω ω) t jω t
et Re [ EL e
s
Es e
s
] Re [V (t )]
5.2.2 模-数光电变换电路
模-数光电变换系统对光源和光电器件的要求不象模拟光 电变换那样严格，因此，电路的设计要比模拟光电变换电 路简单得多。
5.2 光电变换电路的分类
光电变换电路输出信号的方式应与光电信息 的函数关系相一致，因此，光电变换电路也有模 拟和模-数两种类型。 5.2.1 模拟光电变换电路
在对测量精度要求 不高的情况下测量受照 面的照度（例如测量教 室课桌表面的照度）时， 常采用简单照度计的变 换电路。调整电位器可 使微安表的指针指示出 光敏面上的照度。
信息载荷于光源中的情况（或光学信息为光源本身）
温度信息
钢水 温度 的探 测 光 谱 分 析 火 灾 报 警
频谱信息 武 器 制 导
夜 视 观 察
强度信息
地形 地貌 普查
成 像 测 量
物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感 器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流 放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰， 常采用光学调制技术或电子斩波调制的方法将其变为交 流信号，然后再解调出被测信息。 例：在全辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐 射出射度Me, λ，物体的全辐射出射度Me, λ与物体温度T的 关系为 ：
图5-13
图5-14所示为测角度用的圆光栅的原理图。圆光栅付包括指示光栅 与圆光栅盘。圆光栅盘是在玻璃圆盘上等间隔地刻线制成。圆盘光 栅与指示光栅重叠产生莫尔条纹。圆盘光栅固定在转轴上，可以转 动。指示光栅、光源、透镜、与光电器件构成固定的光电探测头。
当光栅转盘旋转时， 指示光栅与圆盘光 栅产生的莫尔条纹 将沿圆盘径向移动， 光电探测头读出并 判断莫尔条纹的移 动量和方向，便将 角度量变换成莫尔 条纹信号。
图5-6
图5-8
图5-7
双光路双器件光电变换电路的输出信号与测量系统和参考 系统输出信号的差成正比，温度与光源的影响将被消除。
光外差式光电变换电路
对于微弱辐射信号的探测常采用光外差式光电变换电路。
(1)光外差方式的光电变 换电路具有超过常规光 电变换电路的灵敏度； (2)光外差方式采用激光 为变换媒体，而激光具 有很强的方向性和频率 选择性，使噪声带宽变 得很窄，信噪比得到很 大的提高。
成有限个离散量的方法。光学量化器包含有光栅摩尔条纹 量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。
例如，将长度信息量L经光学量化后 形成n个条纹信号，则长度信息L为 L=qn 式中，q称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有 关，量化器确定后它是常数。 目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角 度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。
图5-4
差分式光电变换电路
其中一路经被测溶液 入射到测量光电池D1 上，另一路经可调光 光阑、反光镜到补偿 光电池D2上，由光电 池D1与D2构成电路为 差分式光电变换电路。 图7-7所示为光电比色 计的电路原理图，这 是个电桥差分式的光 电变换电路。
图5-5
图5-6所示为双光路差分式光 电变换器的原理结构图。光源发 出的光通过反光镜分别进入参考 系统与测量光学系统。 D1与D2的 特性参数应尽量一致。D1与D2按 图5-7所示的差分电路的形式连接。 另一种常用的双光路双器件光电 变换器如图5-8所示。
e
吸收系数α与介质的浓 度C成正比即α=μC则：
0 e
Cl
变换电路的输出信号电压
Us 0e
Cl
利用此信号可以方便地得到介质的浓度C或厚度l等
3.信息载荷于反射光的方式
反射有镜面发射与漫反射两种，各具有不同的特点。 镜面发射用于测量物体的运动、转动的速度，相位等方面。 漫反射本身载荷物体表面性质的信息，例如反射系数载荷 表面粗糙度及表面疵病的信息。 在检测产品外观质量时，变换 电路输出的疵病信号电压 US=E(r1-r2)Bξ 式中E为被测表面的照度，r1为正品（无疵病）表面的反射 系数，r2为疵病表面的反射系数，B为光电器件有效视场内 疵病所占的面积，ξ为光电变换系数。 可以通过US判断表面疵病的程度和面积。
平行扫描光在扫描过程中被工件遮挡，光束经过透镜2后被位于焦平 面上的探测器D接收，得到一个随时间变化的光电信号。再经过后续 的信号处理电路，就可以得出工件直径的测量值。 由于同步马达是匀速转动的，转速为ωm，平行扫描光束的扫描角速 度为ωL＝2ωm，
若在扫描光束被 遮挡的时间t内计 数器的计数为n， 晶振的时钟频率 为v0，分频数为N； 则被测工件直径 的计算式为
图5-14
细分技术——在莫尔条纹信号变化一个周期内，
发出若干个脉冲，以减小脉冲当量。如一个周期 内发出n个脉冲（n倍频），即可使测量精度提高 到n倍。 零位光栅——在增量式光栅中，为了寻找坐标原 点、消除误差积累，在测量系统中需要有零位标 记（位移的起始点），因此在光栅尺上除了主光 栅刻线外，还必须刻有零位基准的零位光栅。
4.信息载荷于遮挡光的方式
物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电 器件的视场，可实现信息载荷于遮挡光。 例如：设光电器件光敏面的宽度为b，高度为h，当被测 物体的宽度大于光敏面的宽度b时，物体沿光敏面高度方 向运动的位移量为Δl，则物体遮挡入射到光敏面上的面积 变化为 ΔA=bΔl 信号电压为ΔU=EΔAξ=E bξΔl
图5-11
2. 莫尔条纹测位移
两块光栅以微小角度重叠时，在与光栅大致垂直的方向上， 将看到明暗相间的粗条纹，称为莫尔条纹(moire fringe)。
如图其中的a－a线透光面积最大，形成条 纹的亮带，在b－b线上，光线被暗条相互遮挡， 形成暗带。假设光栅的节距为d，两光栅的栅线 夹角为θ，则莫尔条纹的间隔m与d和θ的关系为 d
为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q的函数关系， 载体光度量必须稳定。另外，电路参数的变化，放大电路 的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。
2. 模-数光电变换
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换 量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字 代码等），再经光电变换电路输出。
模-数光电变换只要输出“0”和“1”（高、低电 平）两个状态的脉冲即可。输出信号数字信息量F 与被测信息量Q的函数关系为：F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、 周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度 无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等 外界因素的影响。
6.光通讯方式的信息变换
光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式， 称为光信息通讯的变换方式。
这种方式，信息首先对光源进行调 制，发出载有各种信息的光信号， 通过光导显微传送到远方的目的地， 再通过解调器将信息还原。由于光 纤传输的媒体常为激光，它具有载 荷量大，损耗小，速度快，失真小 等特点现已广泛地用于声音和视频 图像等信息通讯中。
Object
被检测物体
光电开关在流 水线上的应用
定区域式光电开关 罐装高度检测
送料器 储料仓 咖啡罐
落料口
流水线运行方向
遮断式光电开关 （计数）
光幕应用（续） 长度 测量
宽度 测量
高度 测量
三维尺寸 检测
光幕应用（续）
光幕用于 自动收费系统的 车辆检测
5.信息载荷于光学量化器的方式
光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换
1. 激光干涉测位移
当M3沿着测量光 束的光轴移动时， 在M1上将出现亮 暗交替的干涉条 纹，其光强度的 变化有一定的规 律：
图5-10
光程差每变化波长λ时，干 涉条纹暗亮变化一次，当干 涉条纹变化n次时，光程差Δ ＝nλ。光程差Δ是动镜M3位 移量L的二倍。因此，被测 位移量为： L=nλ/2 只要计量干涉条纹的个数n， 便可测出测量头移动的长度。 这种结构的量化单位为λ/2。 测量头左右移动的方向可以 采用图5-11所示判断，根据 两个光电器件输出脉冲的先 后判断测量头的移动方向。 然后，采用可逆计数器进行 加、减计数。
可见，用这种方式可以检测被测物体的位移量Δl、运动速 度v和加速度等参数，又可以测量物体的宽度b。
直射式光电开关原理
光发射器 Receiver 光接收器
直射式光电开关由 相互分离且相对安装的 光发射器和光接受器组 成。当被检测物体位于 发射器和接受器之间时， 光线被阻断，接受器接 受不到红外线而产生开 关信号。
5.1.2 光电信息变换的类型
光电信息变换和信息处理方法可分为2类：一类称为模 拟量的光电信息变换，例如前4种变换方式；另一类称为数 字量的光电信息变换，例如后2种变换方式。
1. 模拟光电变换
被测的非电量信息载荷于光信息量时，常为光度量的方 式送给光电器件，光电器件则以模拟电流Ip 或电压Up 信号 的形式输出。即输出信号量是被测信号量Q的函数： Ip=f(Q) 或 Up= f(Q)
d m 2 sin( / 2)
一般θ角很小， 上式可简化为
m
θ
m
d

Leabharlann Baidu
图5-12
当两光栅相对移动时，莫尔条纹就在移动的垂直方向上移
动。光栅每移一个栅距，莫尔条纹移过一个条纹。只要计 量莫尔条纹移过的个数n，便可计算出光栅的位移量L，即
L= nd
m
θ
d
图5-13所示为光柵测长的原理图。它先将位移量变换 成莫尔条纹信号，然后再用光电器件读取信息，这种光栅 又称为长光栅或长光栅付。它包含指示光栅与标尺光栅， 指示光栅固定，标尺光栅的长度由位移量决定，一般较长。
光电池
图5-2
光电二极管
具有温度补偿功能的变换电路
为消除温度对测量的影响，采用具有温度补偿功能的 光电变换电路。下图中D1为测光光电二极管，D2为补偿光 电二极管，D1、D2及电阻、可变电阻器构成电桥。 在背景光照下调整可 变电阻器使电桥平衡，输 出电压表指示为“零”。 当测光光电二极管光敏面 上的光照度发生变化时， 电桥失去平衡，输出电压 表将指示出光敏面上的光 照度。
Me, λ=εMe, λ，s= εσT4
光电传感器的变换电路输出的电压 US= mτSGKMe, λ=ξMe, λ =ξεσT4
通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的 温度。
2.信息载荷于透明体的方式
信息可为透明体的透明度，透明体密度的分布，透明体的 厚度，透明体介质材料对光的吸收系数等都为载荷信息的 方式。 l 提取信息方法是求解： 0
图5-3
下图为利用温度补偿电阻对光电测量电路进行 温度补偿的电路，引入负温度系数的热敏电阻能够 对光电变换电路进行温度补偿。 设光电二极管的电流为I1，三极管的基极电压应为
Rt rbe rbe U be I1 ( Rt //rbe ) I1 rbe Rt rbe 1 Rt
热敏电阻Rt可以补偿光电 二极管的电流I1受环境温 度的影响。