光电技术第10讲

f2 ( f1 f ) ( f2 f1) f
相当于Δf对频率为（f1-f2）光进行调制。
对两路光拍信号进行混频或频率计数，做加减运算，即可得到表征物体运动速
度的光学差频信号Δf
f 2 v
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用积分器累加差频信号的相位变化，或计数 差频信号的波数N，可得
t
t 2v
2t
2
N 0 fdt 0 dt 0 vdt L
应引起的光学多普勒频移；或电磁场变化引起 的环形激光与反向光波间的光波偏移。 人为产生光频差：如声光控制的布拉格频率分裂 等内调制法，主要用于外差干涉仪和激光外差 通信。
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双频激光干涉仪
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激光器产生频率为f1，f2的激光，二者相差几MHz， 其在其准光束分光镜M1处分为两束，其中反射光在 光电检测器PD1混小三得到两频的差频信号（f1-f2） 作为参考信号。透射光受干涉反射镜M2的反射经光 学滤波器F2得到单频f2的光，由M3反射后作为参考 光；透过M2的光束经光学滤波器F1得到f1单频光， 经M4扳射后附加了镜面运动引起的多普勒频移Δf后， 以f1+Δf的光频入射到光检测器PD2上，并与参考光 频f2混频，得到光学差频信号，其频率为
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图7-30所示为它的结构和信息流程。 干涉仪中的激光源是相干光载波的信号发生器，它
产生振幅为A，频率为fr ，初相位为φ0的载波信号， 用I0(A，fr, φ0)表示。
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载波信号分为二路引入干涉仪。在测量臂中I0(A， fr, φ0) 受到待测位移信号的相位调制。形成I0(A， fr, φ0+Δφ) 的调相信号。待测信息为运动速度v(x)， 产生的调频信号为I0(A, fr+Δf ,φ0) 这样测量臂起到 信号调制器的作用。
位移或振动等。
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2 夫琅和费细丝衍射
ห้องสมุดไป่ตู้d f
S
当d变化时，各条纹位置和间距随之变化。因此可根据亮 点或暗点间的距测出细丝的直径。
若在屏幕位置放置线阵CCD传感器件，可以直接读出
亮、暗条纹的间距，即可测出细丝的直径。测量范围约为
0.01～0.1mm，分辨力为0.05mm，测量精度一般为0.1mm，
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1、像点轴上偏移检测的光焦点法
其原理如下： Z` 2Z f / Z0
式中各参数如图所示
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2、像点轴外偏移检测的像偏移法
其原理如下：
A P1P2 Z sin
Z A A
sin
式中各参数如图所示
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7.3.3 速度信息的光电变换
将电机等物体的转动速度、运行速度、信息的 变化速度等物理量变换成光电信号的过程称为速度 信息的光电变换。能够完成速度信息的光电变换的 方法有多种，其中利用光电耦合器（光电开关）、 旋转光闸、频闪式转速表等方法实现的速度信息光 电变换即简单又容易实现多种用途的变换。
2A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )]}
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光电检测器件及转换电路本身就是一个 低通滤波器，则得到的只是差频信号：
I 2K 2A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )] 2K 2A1 A2 cos(t )
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光学差频信号的形成有两种方式： 由被测量引起的同一光波的频率分离，如运动效
t
L 0 vdt
L N
2
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双频激光干涉测长优点在于整个系统中 的信号是在固定频率偏差下工作的，其 克服了常规干涉仪中采用直流零频系统 所固有的通道耦合复杂、长期工作漂移 等不稳定因素。
提高了测量精度和对环境的适应能力。
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7.4.2 衍射方法的光电信息变换
原理：光束通过被测物产生衍射现象时，将在其后 面的屏幕上形成光强有规则分布的光斑。衍射图样 和衍射物的尺寸、以及光学系统的参数有关。因此 根据衍射图样及其变化就可确定衍射物即被测物的 尺寸。 光的衍射现象有两大类：菲涅耳衍射、夫琅和费衍 射
x
ax`
b sin x`cos
x
b
sin（1
ax`cos1 2） x`co（s 1
）
2
z b tan
bf `/ x`
4
三角法测量精度影响因素： 内因——像差、光点大小和形状、探测器的固有
位置检测不确定度和分辨力，探测器的暗电流、 外界杂散光、电路噪声、温度漂移 外因——被测表面倾斜、光泽、粗糙度、颜色等， 解决方法：实验标定 产品有：日本Keyence，Reinshaw公司OP2，美 国MEDAR公司的2101型
y y`/ 对像的测量方法有两种：
用投影屏上的十字线或米字刻线对工件被测 部位的轮廓边缘分别进行对准，通过工作台 的移动在读数机构上测得工件的尺寸；
另一种是在投影屏上放大 的影像与标准图样（工件 的公差带）比较，检验工 件是否合格。
3
2、激光三角法
随着半导体技术、光电子技术等发展，三角法测 试技术在位移、物体表面形态和质量测试应用多， 其原理如下：
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2、单频光相干的条纹检测
单频光相干测量一般有一维和二维干涉条纹检测。
一维：当用窄光束单频光照明的干涉测量，单元光 电器件为检测元件实现干涉条纹的较小空间范围内 检测条纹波数或相位随时间变化，从而测得物的位 移信息。
二维：当用宽光束照射被测物时，得到平面干涉图 像，反映了被测物表面微观面形的几何参量的变化， 实现了二维空间内对单频光的相位调制，依据干涉 条纹的光强分布进行测量。某点处条纹的空间相位 是从与周围条纹分布的比较中得到的。
已调制光频波在干涉物上和来自参考臂的参考光 波相干涉，呈现出具有稳定的干涉图样（在测位 移情况下）或确定光拍频率（在测速情况下）的 输出信号.
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这个信号消除了光频载波的影响，以干涉条纹的相位 分布或光拍的时间性变化表征出被测量的变化。因此 这被看作是光学解调制的过程。
干涉测量的调制和解调过程可以是时间性的，也可以 是空间性的。根据调制的方式不同，形成了各种类型 的光学图样。这种以光波的时空相干性为基础，受被 测信息调制的光波时空变换称作相干光学信息。它的 形成和检测过程就是光载波受待测信息调制和已调制 光波解调再现为信息的过程。根据相干光学信息的时 空状态和调制方式，可以分为：局部空间的一维时间 调制的光信号和在二维空间内时间或空间调制光信号。
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1、光电耦合器件（光电开关）测速
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2、利用频闪式转速表测速
频闪效应：依据人眼的视觉暂存效应，物消失后的一 定时间内，人眼视网膜能在一段时间内保持视觉印象， 大维时间为1/20~1/5s。 测量原理：用一个可调频率的闪光灯照射频闪盘时， 在闪光频率与频闪盘转动频率相同时频闪盘在某一位 置灯恰好闪亮，使人眼清晰地看到频闪像在同一位置 静止不动，闪光频率乘以60即为频闪盘每分钟的转数。
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干涉条纹的时序变化检测主要有：干涉条纹光强检 测法、干涉条纹比较法、干涉条纹跟踪法等。
干涉条纹光强检测法 利用干涉仪的双光束或多光束的干涉作用，以光电器
件直接检测条形或同心圆环形条纹的光强变化来实 现测量的。
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干涉条纹比较法 测量波长
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干涉条纹跟踪法
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3.双频光相干的差频检测
电信号与光振幅平方成正比：
也可高达0.05mm。
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作业：以光学多普勒差频检测为例说明双频激光 干涉仪的工作原理
P211——7.7
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E1 A1 sin(1t 1)
E2 A2 sin(2t 2 )
光电检测器输出电流为
I K (E1 E2 )2 K[ A1 sin(1t 1) A2 sin(2t 2 )]2
A2 K{ 1
2
A2 2
A12 2
c os 2(1t
1)
A22 2
c os 2(2t
2)
2 A1 A2 cos[(1 2 )t (1 2 )]
5
3、光学灵敏杠杆法
其原理如下： •找拐点法
D x2 x1 d
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测弦找中点法
两弦端点座标：(x1, y1), (x1, y2 ) y3 y1 ( y2 y1) / 2 D x3 x2 d
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4、激光扫描法
其原理如下：
v L f 2m f 4vm f
d
vt
vm fn
1 v0
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7.4 物理光学方法的光电信息变换
由于光具有波动的属性，单一频率的光波 在它们的传输过程中会发生衍射，几束光的叠 加能形成干涉。衍射和干涉现象通常是发生在 一定的空间域内，由此组成各种衍射和干涉图 样。空间分布的光波间的干涉可以形成全息图 样和散斑图样。不同频率光波间的干涉会形成 光学拍频，空间域内的拍频分布构成光拍图形。
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1、夫琅和费单缝衍射
BC bsin
bsin
b
b sin sin
2k (2k
2 1)
2
xk
k
f
b
s f
b
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由于b值的微小变化将引起条纹位置和间隔的明显变化， 因此可以用目测或照相记录或光电的方法测量出条纹间距，
从而求得b值或其变化量。利用物体的微小间隔、位移或 振动等代替狭缝或狭缝的一边，则可测量物体的微小间隔、
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7.4.1 干涉方法的光电信息变换
1、光电干涉测量技术 各种干涉现象都是以光波波长为基准，与形成它的外部 几何参数包括长度、距离、角度、面形、微位移、运动 方向和速度、传输介质等存在着严格的内在联系。
在这种变换过程中，光波作为物质的载体，载荷了待测 信息及其变化，表现出随时间和空间改变的外观特性。 从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待测信息 对光频载波的调制和解调的过程。各种类型的干涉仪 器或干涉装置是光频波的调制器和解调器。
光电技术（第13讲） ——光电信息变换（2）