第七章 典型光电测试系统(本科)

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。,光电测试系统的特点,非接触、实时、精度高等特点。,常见光电测试系统,光电开关与光电转速计,莫尔条纹测长仪,激光测距仪,激光多普勒测速仪,光弹效应测力计,第七章 典型光电测试系统,1,7,.1,光电开关与光电转速计,光电探测器输出开关量,结构较为简单、工作可靠、寿命长,分为主动型光电开关和被动型光电开关。,2,光电开关的构成,：,光源；光学变换系统（光学调制原理）；光电接收器件；电路转换,影响系统测量精度的因素：从光源和光电探测器件的性能角度考虑,3,（,1,）反射型,主动,开关,光源：发光二级管,光学调制方法：强度调制,光电接收：光电三极管,接收脉冲信号,4,（,2,）光电耦合器,发光管接在低压电路中，光电三极管接在高压电路中，低压控制高压隔,离、安全,5,（,3,）,光电转速计,一般转速计：,测量范围小、精度不高、刚性接触（附加负荷），不适合小功率测量。,光电转速计避免上述缺点，可以实现测量自动化和数字化,广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机床的转速测量和调节中。,6,只要测出频率，就可以得到转速,带孔的盘,带锯齿的盘,带黑白反射块的盘,转速计测量原理,光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，,光源：发光二极管,7,系统构成,电路转换：,放大器、计数器,发光二极管,光敏探测器,光学调制系统,8,问题讨论：,光源的选择,光电探测器件的选择应和光源的光谱段匹配,高速时：光电探测器件的响应时间，计数器的脉冲响应时间对测量精度的影响,9,计数测量法,（,1,）测量被测信号脉冲数,（,2,）时基信号（控制闸门，精确已知）,（,3,）测高频精度高，低频相对误差增大,频率测量,10,周期测量法,（,1,）固定的高频脉冲做参考，精确已知,（,2,）信号脉冲控制闸门,（,3,）低频精度高，高频相对误差增大,频率测量,11,7,.2,莫尔条纹测长仪,特点,（,1,）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。,（,2,）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、,医学诊断、机器视觉。,莫尔条纹定义,将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）,叠加,在一起，并使它们的栅线有一,小的交角,。当光栅对之间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源看过去，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的,明暗相间的条纹移动,，此移动的条纹被称为莫尔条纹。,12,长光栅莫尔条纹,常用光栅其栅距大于,0.01mm,时，光栅栅距远大于光波长称为,黑白光栅,，两个,光栅叠合,在一起，形成莫尔条纹。当使用,更小栅距,的位相光栅时，莫尔条纹由,衍射,和,干涉,形成。,长光栅莫尔条纹形成原理,B,=P2/sin,13,不同形式的长光栅莫尔条纹,栅线夹角很小，可以观察到随光栅的移动，某点透过的,光强呈现明暗交替变化,，这就是,莫尔条纹的调制作用,。莫尔条纹把光栅位移信息转变成光强随时间变化的信号。,在空间上光栅移动的周期为,p,，而莫尔条纹移动的周期是,B,。莫尔条纹有放大作用，,14,当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下,指示光栅与工作台固定在一起,。通过对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。,指示光栅移动的距离,x,：,x = NP +,P,为光栅栅距，,N,为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，,小于一个光栅栅距的小数。,（,1,）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数,N,进行计数；,（,2,）实际系统利用,电子细分方法,将莫尔条纹的一个周期细分。,莫尔条纹测长原理,15,细分判向原理,（,1,）四倍频细分透镜读数头,1,、灯泡,2,、聚光镜,3,、长光栅,4,、指示光栅,5,、四个柱面聚光镜,6,、狭缝,7,、四个光电二极管,16,（,2,）读数头构成特点及信号处理过程,（,1,）四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内，接受光栅透 过的光能，它们相互之间相差,1/4,个莫尔条纹周期。,（,2,）在每个柱面聚光镜的,焦点,上布置一个光电二极管，进行光电转换。,（,3,）指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，则四个光电二极管分别输出相位差为,90,度的,近似正弦,信号，该信号整形后得到相差,90,度的,方波脉冲信号,（,4,）莫尔条纹变化一个周期，计数器中的到,4,个方波脉冲，提高分辨力,17,（,3,）信号处理电路方框图,18,19,说明,（,1,）光电二极管的输出信号,U1,U4,是包含,直流分量,的正弦,信号（,取样信号,）。,（,2,）,差放,后滤掉直流分量，它们的表达式很清楚的表明这,4,个差放信号是依次相差,90,度的正弦信号。,（,3,）,鉴零器,将正弦信号整形为,方波,，正弦信号每过零一,次，鉴零器就翻转一次，同时为后续的数字电路提供,判向信号。,（,4,）方波信号经,微分,后得到计数器可用的尖脉冲。,20,21,置零信号的产生,为得到测长的,绝对值,，设置零位光栅，给计数器清零。单独加光电转换系统和处理电路。,零位光栅不采用单缝而采用一组非等宽的,黑白条纹,。当与另一个零位光栅重叠时，就能给出单个,尖三角脉冲,。此尖脉冲作为测长计数器的置零信号。,22,零位光栅,零位光栅透过的光能量脉冲,23,特点,激光,方向性好,、,亮度高,、,波长单一,，故测程远、测量精度高。且激光测距仪结构小巧、携带方便，是目前高精度、远距离测距最理想的仪器。,7.3,激光测距仪,激光测距仪分类,（,1,）脉冲激光测距仪,（,2,）相位激光测距仪,24,脉冲激光测距仪,测距原理,由激光器对被测目标发射一个,光脉冲,，然后接收系统接收目标,反射回来的光脉冲,，通过测量光脉冲往返所经过的,时间,来算出目标的距离。,L,为目标距离，,2L,为光脉冲往返所走过的距离。,t,为光脉冲往返所经过的时间。,25,脉,冲,激,光,测,距,仪,发射系统,接收系统,接收光学系统,光电探测器,低噪声宽带放大器,整形电路,门控电路,时钟脉冲振荡器,计数显示器,激光器：,LD,，,ND,：,YAG,（调,Q/,锁模）,电源,发射望远系统,物镜,小孔光阑,干涉滤光片,26,脉冲测距仪步骤,(1),开关,15,闭合,：清计数器,13,；置触发器,8,、,9,为,1,即,Q8,1, O9=1,；发射激光脉冲。,(2),取样参考信号回波,：使触发器,8,置,0,，即,Q8=0,打开异或门,11,，计数器,13,计数,12,为时钟振荡器。,(3),测量信号回波,：同或门,10,使得信号负脉冲可以通过，置触发器,9,为,0,，关闭,11,，,13,停止计数。,27,发射系统,发射系统一般由,激光器,、,电源,和,发射望远系统,组成。激光器输出的光脉冲,峰值功率,极高，峰值功率在兆瓦量级，,脉冲宽度,在几十毫微秒量级。,发射望远系统是,倒置的伽利略望远镜,，它可使激光的发散角进一步,压缩,，一般输出,激光发散角,在,（,10e-210e-3,）,rad,范围以内。单位立体角的光能量得到提高，目标所得到的照度也相应提高，有利于提高作用距离。,28,（,1,）,半导体激光器,作用距离近、体积小、轻便的特点，易于近距离（,2km,以内）使,用。,（,2,）,固体调,Q,激光器,使用最为广泛。钕玻璃和钇铝石榴石作激光工作物质的固体激,光器，发射波长为,1.06,m,，人眼不敏感，隐蔽性好，广泛用于军事目的。,（,3,）,红宝石,作为工作物质的固体激光器工作波长为,0.6943,m,，适合于气象研究,等。这种器件功率可以做得大，已经用它实现了对月测距（不过测距时，不,是接受月球的漫反射光，而是月球上放置一个角反射镜，它可以把接收到的,激光按原方向反射回去）。,（,4,）,CO2,激光器,工作波长为,10.6,m,，在大气中传播损失最小，因此受大气影响最,小，功率也大，最适合于军事目的。,29,接收系统,接收系统由,接收光学系统,、,光电探测器,、,低噪声宽带放大器,和,整形电路,组成。,接受光学系统,包括：接收物镜、小孔光阑及干涉滤光片,光电探测器：光电探测器把光信号转变成电信号,，,再经过低噪声宽带放大器送到整形电路。,作 用,30,系统分析,光源：不同测试要求对光源的要求,增强信号的光学方法的考虑：,光电探测系统的光谱响应和响应时间,测量分辨率分析,时钟振荡频率,激光脉冲的上升时间,影响系统测量精度的因素,系统的噪声分析,31,相位测距原理,（,1,）发射系统发射按频率,f,0,变化的正弦调制光波,（,2,）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的,电信号,（,3,）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离,反射棱镜,相位激光测距仪,32,（,2,）计算过程：,，其中,为相位差角，,0,为光波调制频率,（,1,）相位和时间的关系,（,2,）,（,3,）,其中,，称为,光尺,；,问题：相位计只能测量一个周期之内的相位，不能测量周期数,33,（,3,） “多尺”测量的概念（注意相对精度）,解决办法,34,相位检测原理,(,差频测相,),（,1,）,尽量提高光波调制频率，可提高测量精度,？,和,（,2,）相位计一般工作在低频,矛盾,主振信号和本振信号频差小,35,相位测距仪原理,（,1,）为某频率的正弦电流驱动,发光二极管输出同相位正弦,变化的光波。,（,2,）两个测尺，频率分别为,f1=15MHz,f2=150kHz,（,3,）两个本振信号为,f1-fc,f2-fc (,fc,=4kHZ),（,4,）主振信号与本振信号混频,后得到低频信号，但保持,高频的相位。,36,测量误差分析及校正,实际仪器中电路各环节总会有,时间延迟,而引入相移，,仪器内部光学系统中有一段,光路长度,，并且光学,零件有折射率,等，这些相移将引入误差,误差校正,在,测量以前,，光路转换设备将三角棱镜移近发光二极管前面，对内光路测一次，然后把这个测量结果在正式测距结果中减去，就可得到,校正值,。,其它误差？,37,7.4,激光多普勒测速仪,（,1,）激光多普勒测速仪（简称,LDV,）是利用激光多普勒效,应来测量流体或固体运动速度的一种仪器。因其大多,用在流速测量方面,，也称为激光测速计或,激光流速计,（简称,LD,）。,概述,38,（,2,）激光测速仪利用,运动微粒散射光,的多普勒,频移,来获得,速度信息。由于流体分子的散射光,很弱,，为了得到足,够的光强，需要在流体中,悬浮,有适当尺寸和浓度的,微,粒,起,示踪,作用。,（,3,）激光测速仪实际测得的是这些悬浮微粒的运动速,度。多数,自然微粒,能够较好跟随流体流动。,人工散播,的微粒在微米数量级时，可以兼顾,流动的跟随性,和,激,光多普勒测速要求,。,39,（,4,）光源与探测器处于,相对运动,状态时，探测器所接收到,的光频率将发生变化。,（,5,）光源,固定,，光波从运动的物体,散射,或者,反射,并由固定,的探测器接收时，光频率也将发生变化。,（,6,）多普勒频移与物体运动速度的,方向,、,大小,以及探测器,的探测方位有关系。,40,光学多普勒频移,观测者相对于,光源有相对运动,在,Q,点观测到的光的频率：,由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化,41,观测者和光源相对静止，光源所辐射的物体运动,在运动的,P,点观测到的光的频率：,在,Q,点观测到的光的频率：,双重多普勒频移,42,光的频率太高，因此迄今尚没有可以,直接测量,光频率变化的探测器。,目前采取间接测量的技术，即测量发生多普勒频移的散射光的频率与未发生多普勒频移的原出射光频率的差频信号,f,D,。,得到,f,D,，即可求得物体的运动速度,V,。,以上是以出射光为参考，单束散射光为测量的情形。不能判断速度的方向。,43,说明：激光的出现使得光学多普勒效应用于测速成为可能,（,1,）一般物体的运动速度远小于光速，由此噪声的多普勒频移相对于光,速变化很小。,（,2,）普通光源的带宽要比多普勒频移,f,D,大得多，因而无法根据频带的移,动来测定,f,D,，在激光出现以前，光学多普勒效应除了天文学上用来,测量速度极高速运动的发光天体的速率外，并无广泛应用。,（,3,）,激光：频带极窄的相干辐射源，带宽,10Hz,。,（,4,）以中等速度运动的物体所引起的激光多普勒频移与激光光源的带宽,相比大很多。,44,激光多普勒测速仪的组成,激光多普勒测速仪示意图,激光多普勒测速仪由,激光器,、,光学系统,、,信号处理,系统等部分组成。,45,（,1,）激光器,多普勒频移相对光波频率来说变化很小，因此，必须用,频带窄,及,能量集中,的激光作光源。,为便于连续工作，通常使用,气体激光器,，如,He-,Ne,激光器或氩离子激光器。,He-,Ne,激光器,功率较小，适用于流速较低或者被测粒子较大的情况；,氩离子激光器,功率较大，信号较强，应用最广泛。,46,（,2,）光学系统,LDV,按光学系统的结构不同，可分为双散射型、参考光束型和单光束型三种光路。,前向散射光路图,47,光学系统分,发射,和,接收,两部分。发射部分由,分束器,及,反射器,S,把光线分成强度相等的,两束平行光,，然后通过,会聚透镜,L1,聚焦在待测粒子,P,上，接收部分用,接收透镜,L2,把散射光束收集，送到光电接收器,PM,上。,为避免直接入射光及外界杂光也进入接收器，在相应位置上设有,挡光器,R,及,小孔光阑,D,。,（,3,）频差测量电路和计算机,实现多普勒信号的处理和记录存储。,48,激光多普勒测速技术的特点和应用,特点：,属于,非接触测量,，对被测流场分布不发生干扰，还可在腐蚀性流体等恶劣环境条件下进行测量；,动态,响应快,，可进行实时测量；,空间,分辨率高,，目前已可测到,10,微米小范围内的流速；,流速,测量范围宽,，目前已能测,10,-4,103,米,/,秒的速度；,在光学系统和所用波长确定后，仅需测出频移或频差就可求得流速，,测量精度高,。,对散射粒子的尺寸和浓度有一定要求,光学系统和信号处理装置复杂，价格高，使用上存在一定的局限性。,49,应用,管道内水流的层流研究，流速分布的测量；湍流的测量；亚音速、超音速喷气流速度的测量；漩涡的测量；高分子化合物减阻的测量。,一些特殊的流动现象的研究，如：血液流动等非牛顿型流体，气,-,固、液,-,固、气,-,液二相流，非常缓慢移动现象的研究。,大气的远距离测量，风速测量。,可燃气体火焰的流体力学研究，如：速度分布，平均速度，紊流速度，脉动火焰的瞬间速度。,用于水洞、风洞，海流测量，船舶研究及航空等。,进入工厂直接用于生产，如测定铝板、钢板的轧制速度，固体粉末输送速度。,50,7.5,光弹效应测力计,光弹效应,是一种人工双折射，利用物质的光弹效应可以构成测力计，还可以用于声、振动、位移等参数检测。这种检测系统灵敏度高，惯性,小，工作寿命长，具有广阔的应用前景,。,定义,51,光弹效应原理,当一束单色光入射到各向同性介质表面时，它的折射光只有一束光。但是，当一束单色光入射到各向异性介质表面时，一般产生两束折射光，这种现象称为双折射。,某些非晶体如透明塑料、玻璃等，在通常情况下是各向同性的，不产生双折射现象。但当它们受到外力作用时就会产生双折射现象。这种,应力双折射现象称为弹光效应,。当外力除去，材料内部处于无应力状态时，双折射随之消失，这是一种人工双折射，或称暂时双折射。,物质的等效光轴在应力的方向,。,52,光弹效应原理,沿,MN,方向有压力或张力，折射率在,MN,方向和其他方向不同， 力,学形变下,光弹材料呈各向异性。,53,由透射光强,I,即可测压强,P,。,54,光弹效应测力计的基本结构,55,为使,I,和,F,成接近,线性,关系，光电测力计光路中放置若干云母片,7,，,用以产生附加光程差。,选择不同参数的测力元件，调节光源亮度，选用不同的光电探测器件和光电检流仪表，光弹效应测力计的测量范围和灵敏度可以在相当宽的范围内变化。,56,