光电技术的典型应用

（1）测量范围
钢板宽度的测量测量范围与两探测器的中心距l0有关，若l0 可以大范围的调整与锁定，系统的测量范围将会很大。
还与两只线阵CCD像敏单元长度、像元数N及光学成像物 镜的横向放大倍率β1与β2有关。
(2) 测量精度
分析可得
L
S0
1
N1
S0
2
N2
显然，测量精度与CCD的像元长度S0、光学系统的放大倍率β 等参数有关。
T (N Nd) f
式中，Nd为大于线阵CCD虚设单元的任意数（由设计者决定）。 显然，N与Nd值越大，SH的周期T越长，而提高驱动频率f将
缩短SH的周期T，提高测量速度。
一般驱动频率f为数MHz，N与Nd之和为几千单元，为此， 测量周期很容易实现ms量级。
10.2光电准直技术测量直线度与同轴度
件上，当激光束照射在光电池上时，产生电压V1，V2，V3和V4 电压输出。
如图10-6所示，用两对象限(1和3)与(2和4)输出电压的差值
就能决定光束中心的位置。
图10-6 激光准直原理图
当激光束中心与探测器中心有偏离时，将有偏差信号Vx和 Vy.。
Vx=V2—V4，Vy=V1—V3，其大小和方向由电表直接指示。 该方法比用人眼通过望远镜瞄准更方便，精度也有所提高， 但其准直度受到激光束漂移、光束截面强度分布的不对称及探 测器性能参数差异，灵敏度的差异，以及空气扰动等都会造成 光斑的跳动，影响测量稳定性。 为克服这些问题，常采用了以下几种方法来提高激光准直 仪的对准精度。
10.2.1. 激光准直测量原理
激光准直仪主要由激光器、光束准直系统和光电接收器及
处理电路三部分组成。
激光准直仪还可以按工作原理可分为振幅测量法、干涉测
量法和偏振测量法等。
振幅测量型准直仪的特征是以激光束的强度中心作为直线
基准，在需要准直的点上用光电探测器接收准直信息。
若将四象限光电池固定在靶标上，靶标再安放在被准直工
钢板，精度要求达到0.1mm，速度要求每秒钟至少测量100次。 2.测量方案 采用如图10-3所示两个线
阵CCD探测器分离拼接测量的 方案。
探测器1与探测器2分别安 装在同一个支撑架的两端，它
们的中心距为l0。
被测钢板的两个边缘
分别成像到两只CCD上。 图10-3
3.宽度测量原理
如图10-4所示为宽度测量的原理方框图。 远心照明光源1与2发出的光使被测钢板的边沿能够被成像物 镜清晰地成像在各自线阵CCD的像敏面上。 CCD1与CCD2在同步脉冲的驱动下分别输出如图10-5所示信 号波形U1与U2。
当光学系统的横向放大倍率β1与β2均为1情况下，CCD的像 元长度S0常为几μm到十几μm，因此，宽度测量的精度很容易 做到高于±0.1mm的测量精度。
影响测量精度的另一个因素是2只线阵CCD像元是否共线？ 2只线阵CCD之间的夹角α将影响测量精度，但是可以通过 标定进行修正。
Leabharlann Baidu.测量速度
两只同步驱动的线阵CCD测量周期与转移脉冲SH的周期T有 关，由所选线阵CCD像元数N及驱动频率f决定
在板材（钢带、铝带、玻璃板、塑料板、纸张与布匹等） 生产、加工过程中，经常遇到定长度剪切的工作。
采用光电非接触测量系统可以完成板材自动定长加工，并 获得高精度、高速度、质量稳定的生产效果。
1.定长裁剪系统的结构 裁剪系统的结构如图10-1所示，被裁板材需经传动轮等展开
系统展开，并以驱动轮与从动轮等系统拖动钢板以一定的速度v 通过预先设置的钢板裁剪系统运行到光电检测系统。
(1) 菲涅耳波带片法 利用激光相干性，采用方形菲涅耳波带片获得准直基线。 激光束通过望远镜均匀地照射在波带片上，并充满整个波
带片。 在光轴上的某一位置会出现一个很细的十字亮线，当将屏
经二值化处理
后，得到图10-5中
所示的D1与D2信 号波形。
二值化找出边
界点像元N1与N2，
图10-4 钢板宽度测量原理方框图
图10-5 CCD输出波形
推导出钢板宽度的计算公式，为
L
l0
(
N1S0
1
N2S0
2
)
式中，β1与β2分别为探测器两个光学成像物镜的横向放大倍
率，S0为CCD像敏单元长，式中的正负号与CCD的安装有关。 4.测量范围与测量精度
U＝Ubb－RLSφEeA
图10-2
采用矩形硅光电池，面积为宽度b与长度L的乘积，可以推
导出它输出电压的增量为 ΔU= SφEbRLΔl
采用电压比较器模块可以获得微伏级的鉴别精度，可见，
理论控制精度可以达到微米量级。
10.1.2 钢板宽度的非接触自动测量 1.题目要求 自动生产线非接触测量板材宽度的课题，要求测量1.5m宽
光电检测系统由光源、成像系统（图中省略）、光电传感 器件、变换电路与处理电路等组成。
钢板进入光电系统，入 射到光电传感器的光将被遮 挡，器件接收的光通量将发 生变化，变换电路输出的信 号也将发生变化，钢板进入 到设定位置l0时光电变换电路 发出控制剪刀裁剪命令信号。
2.定长裁剪原理
如图10-1所示，将光电探测系统的中心安装在距裁剪剪刀口 l0远处。
第10章 光电技术的典型应用
前面讨论了各种光电传感器与光电信息变换的基本分类，目 的是帮助我们能够根据光电变换类型选择光电传感器及变换电 路，构建光电系统。
本章将通过常遇到的实际课题具体分析光电技术应用问题。 10.1 用于长度量的测量与控制
主要是对物体外径、长度宽度量等参数的非接触测量与控 制。
10.1.1 板材定长剪切系统
当被裁板材沿箭头所示方向移动到光电探测系统的视场内时， 被裁板材边缘的像成在光电器件的光敏面上，使光电器件输出 的光电流减小。
当电流减小到设定值时，光电变换电路输出电压将达到阈值 电压，使逻辑电路产生跳变，发出停止板材运动指令，触发裁 剪系统执行裁剪命令，剪刀下落将板材剪掉。
板材被剪掉后，光电器件又被光完全照亮，光电流恢复到最 大值，剪刀抬起，传动系统恢复运转，拖动板材继续沿箭头方 向运动。
实现传动、测量与裁剪的自动控制。
3.定长裁剪系统精度分析
若裁剪系统光电传感器采用面积为A的硅光电池，变换电路 如图10-2所示。
设光源所发出的光经成像系统后能够均匀地投射到光电器
件上，光敏面得到的辐照度为Ee。
光电传感器的电流灵敏度为Sφ，它输出的光
电流IL与辐照度Ee的关系为 IL＝SφEeA
输出电压U为