第六章 典型光电测试系统

莫尔条纹1的斜率为
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
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4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
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莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
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被测信号1通过脉冲形成电路转变成脉冲2（或方波），其 重复频率等于被测频率fx，然后将它加到闸门的一个输入端。 闸门由门控信号4来控制其开、闭时间，只有在闸门开通时 间T内，被计数的脉冲5才能通过闸门，被送到十进制电子 计数器进行计数，从而实现频率测量。门控信号的作用时 间T是非常准确的，以它作为时间基准（时基），它是时基 信号发生器提供。时基信号发生器有一个高稳定的石英振 荡器和一系列数字分频器组成，由它输出的标准时间脉冲 （时标）去控制门控电路形成门控信号。

xi iP 1
（6-2）
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指示光栅B的刻线j与x轴的交点坐标为
jP2 xj cos
（6-3）
莫尔条纹1是由A、B两光栅各同i=j刻线的交点连接而成，所以其莫尔条纹的 方程为 xi , j iP （6-4） 1
yi , j ( x j x i , j )ctg (
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主动系统

通过信息调制光源,或者光源发射的光受被 测物体调制.
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被动系统

光信号来自被测物体的自发辐射
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直接检测/相干检测
直接检测: 无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强 携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转 换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的 信息。 相干检测: 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。 因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线 电外差检测，故又称光外差检测。
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对高频测量，计数测频法有较高的精度，随着被测频率的 降低，其相对误差逐渐增大。 对低频测量，周期法有较高的精度，随着被测频率的增高， 其相对误差逐渐增大。
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莫尔条纹测长仪
莫尔条纹携带一维信息已广泛应用于测量长度、角度， 数控系统及光学传递函数测量等方面。莫尔条纹携带三 维信息在测量应变、物体表面不平度、液体薄膜厚度及 医学诊断与机器人视觉等方面的非接触测量中也得到较 好的应用。
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光电转速计


一般转速表的缺点：测量范围小，精度不高，测量时与被 测对象刚性连接，给对象以附加负荷，不适合于小功率情 况下测量。 光电转速计可以避免这些缺点，容易使测量自动化和数字 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。
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主动型：由LED管和光电二极管、光电三极管等组成。 被动型：由光敏电阻、光电二极管等组成。 1.透射分离式主动开关 将发光管和光电接收管相对安装，形成光通路。无物体挡光时开 关接通，有物体挡光时开关关闭。
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由许多光电开关组成的一个点阵，可用于计算机的键盘输入开关。 键盘静止时全部光电开关输出为0态，当某一键按下时，被挡光 的开关输出为1态，这样可构成一定的码对应于输入字符。 此外，透射分离式主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一 些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。
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莫尔条纹的原理


将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠 加在一起,并且两者的栅线成很小的 角度θ ,当光栅对之间有相对运动 时（运动方向与主光栅栅线垂直）， 透过光栅能看到如图所示的明暗相 间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的 光强调制作用． 黑白光栅、位相光栅（干涉和衍射）
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5.被动开关
利用自然光源的特性对光电开关提供信号，形成被动开关。自然 光源多为物体自发辐射，辐射能量多在红外光谱范围内，所以组 成开关的接收器是热电器件、红外光敏电阻或红外光电二极管。
热释电探测器件作光敏元件，将球面反射镜安放在房子 的墙角以会聚入射的光能。热释电探测器有两个特点： 一、只响应突变的或交变的辐射， 二、响应光谱无选择性。
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（a）反射型主动开关示意图 （b）用光纤引导的光电开关，可作为开关用于狭窄区域内。 （c）用于液面自动探测的光电开关
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3. 光电耦合器 发光管和光电接收管用耐高压的塑料封结在一起，可形成光电耦 合器。可实现用低压电器或低压电路控制高压电路，光电耦合器 成为一个隔离开关。适当设计也能起到变压器使用。若把光电接 收管这一边接入可控硅电路，光电耦合器可形成固体继电器。它 还可以在过载保护电路中作为开关。
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(2)周期测量法
在周期测量法中，采用固定频率很高的参考脉冲fs作为计数 器的脉冲源，而让被测信号fx经整形后再经过一个门控电路 去控制闸门，其电路原理如下： 在门控电路输入的两个下降沿之间，门控电路输出高电平 使闸门打开，计数器对fs进行计数，从而实现闸门开启时间 的测量。闸门开启的时间就是被测信号的周期，周期倒数 就是频率。
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光电转速计原理
盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射 或反射至光电探测器3，转速可由光电探测器3产生的脉冲频率决 定。
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为了寿命长、体积小、功耗少，提高可靠性，光电探测器多采用 光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源用发光二极管。 每分钟的转速n与频率f的关系：n=60f/m，m是孔数或齿数或黑 板块的数目。只要测出频率就能决定转速或角速度。 下面只对计数测频法和周期测频法做简要介绍。

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典型的光电检测系统

直接检测系统（光强调制）


莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 环境污染检测系统

光外差检测系统


激光干涉测长仪（相位调制） 多普勒测速（频率调制） 光外差通信
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光电开关
光电开关分为主动型和被动型开关。
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它对静止的环境辐射不做反应，而能够探测人的活动。当人走近光 电开关作用区域时，热释电器件接收人身辐射，输出电脉冲信号， 使被动开关接通，其过程如下：光电脉冲经放大器和带通滤波器后 形成控制信号去触发定时器。定时器可人为设定时间，在设定时间 内控制信号控制报警器发声，定时完毕后开关断开。
由莫尔条纹1、2、3的方程我们可以得出：莫尔条纹是周期函数，其周 期 T P 2 / sin 。它也称为莫尔条纹的宽度B。 当P1=P2时，则由式（6-6）可得
tg
1 1 cos tg sin 2
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（6-10）
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就得到“横向莫尔条纹”。横向莫尔条纹与x轴的交角为 2 的夹角很小，因此，可以认为莫尔条纹几乎与y轴垂直。
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2.反射型主动开关
反射型主动开关的发光管和光电接收管平行安装（或略有倾 角）。 当发光管发出的光遇到障碍时，在距离足够近时，由障碍 物反射回来的光被光电接收管接收而使开关动作。这种开关可应 用于各种机械运行的行程限制、位置传感，也有效地用于汽车的 紧急制动。
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横向条纹

长光栅莫尔条纹的形式


横向条纹:P1=P2, θ 很小; 纵向条纹: P1~P2, θ =0; 斜条纹: P1~P2, θ 很小.
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纵向条纹
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长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
设光栅对的栅线交角为 ，取主光栅A的零号栅线为y轴，垂直于主光栅A 栅线的方向为x轴。x与y在零号线的交点为原点。
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斜向条纹
B 1 K P
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在计量光栅中取P1=P2，且栅线夹角很小。当主光栅相对于指示光栅移动一 个栅距是，莫尔条纹就移动了一个条纹间隔。在某一点观察时，能看到随着 光栅的移动某点的透过光强作明暗交替变化，这就是莫尔条纹的调制作用。 莫尔条纹把光栅位移信息转化为光强随时间变化的信号。 在空间上光栅移动的周期为P1,而莫尔条纹移动的周期是B。可见莫尔条纹有 放大作用，放大系数K=B/P1。 虽然光栅栅距很小，但是它移动一个栅距，莫尔条纹一个周期在空间尺寸上 要大几百倍，这样就便于安装光电测量头进行测量。此外，莫尔条纹是由一 系列光栅刻线交点组成的，光电器件接收莫尔条纹的透过能量时是覆盖了莫 尔条纹的一部分，即同时接收到许多栅线构成的条纹透过能量。这样既能得 到足够的光能量，有很到的信噪比，而且还能对刻线的工艺误差有平均作用， 平均的结果是刻线误差在测量中的影响减小。

红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 可见光系统多用于民用 用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布

点探测/面探测系统(按接受系统分)



模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分) 直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携
带方式分)
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莫尔条纹的特性


光栅的节距比光的波长大很多. 莫尔条纹的宽度B（mm)、光栅的 节距P(mm)和夹角θ (rad)之间的 关系为：
B P P 2 tan 2


当两光栅沿垂直于栅线的方向相对 移动时，莫尔条纹将沿平行于栅线 的方向移动．光栅每移动一个节距 Ｐ，莫尔条纹移动一个宽度Ｂ． 因为θ 很小，放大倍数Ｋ很大．例 如: θ =20’,K=172
第六章 典型光电测试系统


光电测试具有非接触、实时和高精度等优 点，应用越来越广泛。 由于测试对象、任务要求、测试原理及测 试精度等指标的不同，因此就形成了各种 光电测试系统。
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光电检测系统分类

主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
2.圆光栅莫尔条纹
两块圆形光栅重叠在一起也可以形成莫尔条纹。利用圆光栅莫尔条纹可以直 接进行角度测量。 圆光栅可分为：径向圆光栅和切向圆光栅。 径向圆光栅的刻线都从圆心向外辐射； 切向圆光栅的切线都切于一个小圆。 径向光栅莫尔条纹是由两块栅距角相同 的径向光栅保持一个较小的偏心量e叠 合形成圆弧莫尔条纹，其径向光栅莫尔 条纹图案如图6-12（a）。 在沿着偏心的方向上，产生近似平行于 栅线的纵向莫尔条纹；在位于与偏心方 向垂直的位置上产生近似垂直于栅线的 莫尔条纹、其他地方为斜向莫尔条纹。
。实用中两光栅
P2 P 1 cos 当 0 ，而 时，就得到了严格的横向莫尔条纹。 因此当两光栅栅距不同时，总能找到一个角度，得到横向莫尔条纹。
当
0 ， P2 P 1
时，就得到了图6-11（b）所示的纵向莫尔条纹。
其他情况都是斜向莫尔条纹，如图6-11（c）所示。
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