第7章光电式传感器

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,*,1,第 7 章,光电式传感器 2,传感器原理,2,第,7,章 光电式传感器,2,光电式,第三节 光电传感器的应用,2,一、利用几何光学原理进行距离测量,二、金属丝的杨氏模量,测量,三、,激光测距-,传输时间激光测距传感器,四、激光测长,五、激光陀螺,传感器原理,3,一、利用几何光学原理进行距离测量,三角法测距,1,下图为三角法测量原理图,图中,x，y,坐标中,O,为坐标原点，测量系统基准线,AB,的中点,Q,为待测点,X，Y,为待测量点,Q,坐标,L,为基准线,AB,的长度,A(-L/2,0),B(L/2,0),O,x,y,三角法测量原理,Q（X,Y）,E,第四节 光电传感器的应用,2,4,A(-L/2,0),B(L/2,0),O,Q（X,Y）,x,y,三角法测量原理,E,利用几何光学原理进行距离测量,光线沿着,AQ,和,BQ,传播，如果能测出两条光线与基准线的夹角,、，,则直线,QE（Y,）为：,AQE：,BQE：,测点的坐标为：,5,三角法测距,2,利用三角测量原理可构成简单距离测量传感器，,如图所示。,A,点为入射透镜的中心（称为主点），从光源来的光经过透镜聚焦后，以一束细小的光照在被测物上，,被测对象,d,R,S,三角法测距传感器,B,点为受光透镜的主点，受光透镜用以对来自于被测物的反射光线进行成像。,被测物将光反射（不能散射）,x,y,0,入射透镜,受光透镜,L,A,Q（X,Y）,光,源,B,面型传感器,6,A,B,L,x,y,Q（X,Y）,0,d,R,S,光源光垂直照射于物体，所以角,=90。,利用面型传感器可测出反射成像的位置,R，,因为,B,点与面型传感器之间的距离,BS=d,为已知，故角度,可由直角,BRS,求得，所以被测物体的距离为：,Y=Ltan,实际传感器光源为半导体激光，,面型传感器为位置检测器,PSD。,光,源,被测对象,面型传感器,入射透镜,受光透镜,A,B,L,x,y,Q（X,Y）,0,d,R,S,三角法测距传感器,7,PSD（Position Sensitive Detector）,位置检测器是一种对感光面上入射光点位置敏感的器件，与光源组合可实现位置的测量。,PSD,位置检测器,工作原理：,入射光点打到,PSD,传感器上，根据入射光点作用位置不同，由电极,1,和电极,2,输出的电流,I,1,、,I,2,会发生变化，且电流的大小与其,到输出电极的距离,成反比，即：,8,二、,PSD,位置传感器在杨氏弹性模量测量中的应用,测量的核心问题是如何测量钢丝的微小伸长，对此测量方法有,光杠杆法,霍尔位置传感器,叠栅条纹技术等,金属丝的杨氏弹性模量是金属力学性质的一个重要参数，一般是用拉伸法来测。,本例介绍用光电位置传感器,PSD(Position Sensitive Detector),的测量装置，该方法不但能精确测出杨氏模量值，而且可得出钢丝受力作用后，伸缩过渡过程的规律。,这些方法各有优缺点，但是它们共同的缺点就是只能得出加砝码后最终的钢丝长度，而不能测出当加上砝码以后钢丝是如何变化的（钢丝长度变化的过渡过程）。,9,金属丝的杨氏模量测量,由虎克定律可知,金属丝长为,L,截面积为,S,当受到沿长度方向的拉力,F,作用时，,在弹性限度以内，它将伸长一定长度,L,，,那么单位长度的伸长量与单位截面积所受的拉力成正比，,式中：,E,金属丝的杨氏弹性模量,S,金属丝,截面积,L,金属丝,长度,L,金属丝,长度变化量,d,金属丝,截面积半径,F,L,L,金属丝的杨氏模量测量,杨氏模量,(Youngs modulus),是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量。,10,测量原理,凸透镜,激光,发生器,PSD,放,大,器,I,1,I,2,数,据,处,理,钢丝,PSD,位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图,钢丝,长,L,=7888.4,0.5mm,，,直径,d,=0.540,0.001mm,，,砝码采用英制,1/20,磅砝码，即,m,=22.4,0.5g,，,重力加速度取,g,=9.8m/s,2,PSD,保持一个角度，即让,PSD,与发射的激光光线保持平行。,激光经凸透镜射到反光平面上,，,再反射到,PSD,传感器的感光表面上。,然后加砝码（保持钢丝无摆动），钢丝伸长，反射光在,PSD,上（直线）位置变化为,r,。,加法码前的位置,反光平面,L,加法码后的位置,r,11,测量原理,L,=,r,cos,伸长量,L,和光点移动量,r,的关系为：,凸透镜,激光,发生器,PSD,放,大,器,I,1,I,2,数,据,处,理,钢丝,PSD,位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图,加法码前的位置,反光平面,L,加法码后的位置,r,L,r,L,=,r cos,根据杨氏模量的计算公式：,式中：,E,金属丝的杨氏弹性模量,S,金属丝,截面积,L,金属丝,长度,L,金属丝,长度变化量,即可由测得的,L,计算出待求的,E,。,12,三、激光测距,-,传输时间激光测距传感器,激光在检测领域中的应用十分广泛，有一定的技术含量，对生产实际有重要的现实意义。,激光测距是激光最早的应用之一。这是由于激光具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。,传输时间激光测距,虽然原理简单、结构简单，但以前主要用于军事和科学研究方面，在工业自动化方面却很少见。,激光测距传感器由于技术上取得了重大进展，使其价格已降到几百美元，从而使它有可能成为许多长距离检测场合最经济有效的检测手段。,1965年前苏联利用激光测地球和月球之间距离（380,10,3,km）,误差只有250,m。,1969,年美国人登月后置反射镜于月面，也用激光测量地月之间距离，误差只有15,cm。,13,利用激光传输时间来测量距离的基本原理,通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离,传输时间激光传感器工作时,先由激光二极管（发射望远镜）对准目标发射,激光脉冲,（高速,Q,开关）。该信号为主波信号。,经目标反射后激光向各方向散射。,（接收器对准测量目标）部分散射光返回到传感器接收器（接收望远镜），被光学系统接收后作为回波信号。,月球,地球,L=Ct/,2,发射望远镜,主波信号,接收望远镜,回波信号,14,月球,地球,L=Ct/,2,回波信号送到雪崩光电二极管（雪崩光电二极管是一种内部具有放大功能的光学传感器，因此它能检测极其微弱的光信号）上形成电信号，再经放大整形后送入时间测量系统。,记录并处理从光脉冲发出主波信号到接收回波信号所经历的时间,t，,即可测定目标距离,L。,传输时间激光传感器必须,极其精确地测定传输时间,，因为光速太快。,发射望远镜,主波信号,接收望远镜,回波信号,15,例,光速,C,约为3,10,8,m/s，,要想使分辨率达到1,mm,（测量光走,1mm,距离所用的时间），则传输时间测距传感器的电子电路必须能分辨出以下极短的时间：,要分辨出,3,ps,的时间，这对电子技术提出了过高要求，实现起来十分困难、造价非常高。,通过示速脉冲振荡器，测取从主波信号发出到接收到回波信号之间的震荡脉冲数，从而获得主波到回波的时间。,ps,微微秒、沙秒、毫纤秒（10,-12,秒）,但是如今廉价的传输时间测距激光传感器巧妙地避开了这一障碍，,利用统计学原理，即平均法则实现了1,mm,的分辨率,。能保证响应速度。,16,四、激光测长,激光测长技术是利用激光的单色性和方向性测量长度的一种长度测量技术。常用的方法有干涉法、扫描法、光强法和准直法。,干涉法,干涉法基于光波的干涉现象进行精密测长。,光波干涉现象：,如右图所示，两束具有相同频率、相位和振动方向的光波,S1,、,S2,，经过不同的光程后在空间相交。当光程差等于波长整数倍时，波峰与波峰相遇叠加，光亮加强，出现,亮的干涉条纹,；当光程差等于半波长的奇数倍时，波峰与波谷相遇，光亮减弱，出现,暗的干涉条纹,。这种现象称为,光波的干涉现象,。,17,l=N/2,利用干涉法测量位移的原理如下图所示。,从光源发出的光，经分光镜分为两路。,一路透过分光镜射向可动反射镜,M1,；,另一路由分光镜反射到固定反射镜,M2,；,并分别从,M1,、,M2,反射回来，经过分光镜叠加在接受屏上。,每当,M1,移动,1/2,波长时，接受屏上的干涉条纹就会出现一次由暗到亮或者由亮到暗的变化。,计算这些明暗变化次数即可以计算出,M1,的移动量（位移量）。,利用这一原理测量位移的光学系统称为迈克尔逊干涉系统。,位移量计算公式：,N,为干涉条纹数。,18,利用专门的测量及计算方法，,条纹挪动数可精确测到几十分之一到几百分之一，,对可见光波段，长度可精确测量到10,-6,m。,S,激光光源,P,1,P,2,M,2,M,1,L,1,L,2,计数器,l,l,2,l,1,M,B,M,2,M,B,M,1,、M,2,平面镜,M,B,分束器,L,1,、L,2,透镜,应用这一原理可测微小长度、光波波长和透明媒质的折射率。,迈克耳孙干涉仪,的干涉条纹,19,五、激光陀螺（,Laser Gyroscope,）,陀螺仪,(gyroscope),意即“旋转指示器”，是指敏感角速率和角偏差的一种传感器。,陀螺仪,陀螺仪从传统的刚体转子陀螺仪到新型的固态陀螺仪，种类十分繁多。,液浮陀螺、静电陀螺和动力调谐陀螺是技术成熟的三种刚体转子陀螺仪，达到了精密仪器领域内的高技术水平。,随着光电技术、微米纳米技术的发展，新型陀螺仪如激光陀螺、光纤陀螺和微机械陀螺应运而生。它们都是广义上的陀螺仪，是根据近代物理学原理制成的具有陀螺效应的传感器。因其无活动部件,高速转子，称为,固态陀螺仪,。,20,激光陀螺仪的工作原理是基于,萨格纳克,(Sagnac),效应,。,激光陀螺仪,1913,年萨格纳克发明了一种可以旋转的环形干涉仪。,如图所示，将同一光源发出的一束光分解为两束，让它们在同一个环路内沿相反方向循行一周后会合，然后在屏幕上产生干涉。这就是,萨格纳克效应,。,萨格纳克,(Sagnac),效应,萨格纳克效应中条纹移动数与干涉仪的角速度和环路所围面积之积成正比。,21,激光陀螺仪即是基于,萨格纳克,效应利用光程差来测量旋转角速度。,M,5,辅助镜,M,1,镜,M,2,镜,M,3,镜,M,4,半透明镜,光接收器,导航基准坐标系,气体激光器,气体激光器,气体激光器,气体激光器,惯性坐标系,激光陀螺仪是,一种,惯性元件，,它由,导航基准坐标系、惯性坐标系组成。,陀螺仪,感应,惯性坐标系相对导航基准坐标系的角偏差,（效应）,，并将这个信号提供给惯性系统。,22,M,5,辅助镜,M,1,镜,M,2,镜,M,3,镜,M,4,半透明镜,光接收器,激光陀螺是一个在惯性坐标系内转动的,环行谐振腔激光器,。,环行谐振腔激光器结构如图。,在正方形的四个边上放置四个稳频氦氖激光器，其两端都可输出激光；环行谐振腔激光器构成惯性坐标系；,导航基准坐标系,与被测系统固定在一起，在其四边形的四个顶角，分别固定装有与激光成 45的四块反射镜，,M,1,、M,2,、M,3,为全反射镜，,M,4,为部分反射镜。,当光束沿着两个相反方向循环传播时，激光的振荡谐振频率,V,n,=,nC/L,式中：,L,整个光回路的有效程长,C,光速,n,媒质折射率,气体激光器,气体激光器,气体激光器,气体激光器,23,若整个系统是稳定的，惯性坐标系中环行激光器沿顺时针方向和逆时针方向传播双向激光光束的谐振频率相等，两束光之间不产生相位差。,当整个系统绕垂直于闭合环路的轴向旋转时，则惯性坐标系中环行激光器沿顺时针方向和逆时针方向传播的光束的有效光程不再相同，激光振荡频率略有差别，产生频率偏移,V=4A/CL,式中：,V,系统不转动时激光振荡频率,A,环行腔轴线所围的面积,环行腔转动的角速度,L,整个光回路的有效程长,C,光速,借助部分反射镜和辅助镜，可使这两束方向相反的激光从陀螺装置的同一方向射出，进入光接收器。,由此得到正比于转动角度的频差信号，作为导航和制导的传感