第五章 光电信号的检测方法
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L= 2/•גN
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
三、双频光相干的差频检测
基本原理：将包含有被测信息的相干光调制波 ＆作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配 的条件下，在光电探测器上进行光学混频， 光电探测器的输出是频率为二光波的差频电 信号。这个输出信号包含有调制信号的振幅、 频率＆相位特征。
1、光学多普勒差频检测：
多普勒效应：运动物体改变入射于其上的波动 性质的现象。
对于Байду номын сангаас丝检测的结构如图5-1所示：
细 丝 直 径
暗
纹
脉
间
冲
距
数
光电器件 单元间距
由于各种光电阵列器件都存在噪声，在噪 声影响下，输出信号在衍射图形暗纹峰值 附近有一定的失真，从而影响检测精度。 减小噪声影响，提高检测精度的方法一般 有以下几种：
多次平均
曲线拟合法
多暗点位置拟合法
降低温度
2、小尺寸的检测
图5－17给出了一数字式激光干涉仪原理示意图。
（二）干涉条纹比较法
图5－18是波长测量精度为10-7的条纹比较法 波长计简化原理图。
（三）干涉条纹跟踪法 这是一种平衡测量法。在干涉仪测量镜位置变化时，通
过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控 制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静 止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得 到测量镜的位移。图5－19表示了利用这种原理测量微小 位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性 影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是所用跟踪系 统的固有惯性限制了测量的快速性，只能测量10KHz以 下的位移交化。
成像法：不需要专门的光源，但被测物要有一定的辉度。
二、表面缺陷检测
1、透射法
透明体的缺陷检测常用于透明胶带、玻璃等拉制 生产线中。如图5-8。
2、反射法
反射法进行表面缺陷检测的结构如图5-9
光源发出的光照射被测表面，反射光经成像系统 成像到线列光敏器件上，被测体表面若存在划痕 或疵点将由阵列器件检出。
ΔZ
心距离
心距离
I A logL A/ 2L I B logL A/ 2L
半导体激光器通过高频调制到被测面上，反
射面上被散射的光点由聚光镜接收，最后 透过窄带滤光片由PSD（半导体位置检测 器）接收。产生的信号电流进入信号处理
装置。在这里，信号电流经前置放大器，
一路反馈到电源驱动器，控制发光强度保 持恒定。另一路经过模拟开关将PSD的两 个输出端分别接入同一电路中。模拟开关 的输出信号进入到取样放大器＆A/D转换 器中，它们以光源调制频率将PSD信号变 换成数字信号，最后，利用电脑计算出被 测量的距离。
第五章 光电信号的检测方法
第五章 光电信号的检测方法
5.1 几何量的光电检测法 5.2 物理变换的光电检测方法 5.3光电检测在其他方面的应用
5.1 几何量的光电检测法
一、尺寸检测 1、微小尺寸的检测 微小尺寸的检测通常用于对微隙、细丝或小孔的尺寸进行检测。
对微小尺寸的检测一般采用激光衍射的方法，当激光照射细丝或小 孔时，会产生衍射图像，用光电器件对衍射图像进行接收，测出暗 纹的间距，即可计算出细丝或小孔的尺寸。
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待 测量信息对光频载波调制和解调的过程。图5－ 15给出了干涉仪的结构配置和信息流程。
表5－1为相干光学信息的类型。
二、单频光相干的条纹检测
（一）条纹光强检测法：主要利用光学干涉仪的双光束或 多光束的干涉作用，以光电元件直接检测条纹或同心圆环 形干涉条纹的光强变化实现测量。图5－16结出了—维干 涉测长的实例。当角反射镜M2随被测物移动λ/2时，干涉 条纹的光强发生一个周期变化。采用光电接收器计数干涉 条纹数目的增减和条纹间隔间的相位关系，即能确定被测 物的位置变化。
图5－10 所示为用成像法检验零件表面质量的系 统结构。
三、干涉图形的检测
激光干涉现象已广泛应用于检测领域。在激光 干涉测量中，必须对干涉图形的变化进行精确 的测量。如，干涉条纹的移动计数、条纹间距 的测量、干涉光强的相位变化等。
利用光敏阵列器件对干涉图形检测的系统结构 如图5-11所示。
5.2 物理变换的光电检测方法
一、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、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＆空间改变得外观特性。利用光电方法 对光波的各种干涉现象进行检测＆处理，最后解 算出被测几何＆物理参量的技术通称作光电干涉 测量技术。
图5-6给出了基本测量系统框图。测量时间对两 个线列光电器件进行扫描，将输出信号进行滤波 整形后，控制计数器在比较输出为低电平对脉冲 计数，根据两个计数器的计数之和便可确定出被 测物体的尺寸。
4、物体轮廓尺寸的检测 如图5-7。
投影法：图像清晰、信噪比高，但需要设计一个产生平行 光的光源。
a
b
c c
+ΔZ -ΔZ Z0
E a
b c
f
ΔZ
+ΔZ’ -ΔZ/ Ia b c
x
图中点光源1通过成象镜头2在被测物3表面成点 像，该像点作为新的发光物点，折回成像物镜的 光路中，在像面上成清楚像。像面的光照度分布 呈衍射斑的形式表示于图c中的曲线I，当被测物 表面相对理想物面前后偏移±ΔZ′。 ΔZ 和ΔZ′之 间按几何关系有：
M3
Lasers
M1
f2
F2
F1
f1
M2
M4
f2 f1-f2
PD1
f1±Δf V
PD2
f1-f2
(f2-f1)±Δf
±Δf
双频干涉仪的原理示意图
±ΔN
双频激光装置产生频率相差几兆赫兹的二种频率的激光f1＆f2。 它们在基准光束分光镜M1上分光作二束，其中反射光在光 检测器PD1混频得到二光频的差频信号作为参考信号。透 射光受干涉反射镜M2反射，经反射镜M3反射后成为干涉仪 的参考光束。透过M2的光束经光学滤波器F1后得f1的单频 激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起 的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光检测器PD2中＆参 考光频f2相混频。得到光学差频信号(f2-f1)±Δf。这相当于 多普勒频移Δf对光学差频(f2-f1）的频率调制。然后将PD1 ＆PD2中检测到得两路光拍信号经过电信号混频或作频率 计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频 信号Δf并有Δf＝±2/•גV。若用波数N表示，则：
四、轴向则距
轴问测距即沿检测系统光轴方向位移的 长度检测方法。此方法在复杂工件的形状 检测、仿形量测和光学装置目动凋焦等方 面应用普遍；这里给出几种利用离焦检测 的测距方法。
1、像点轴上偏栘检测的光焦点法
以聚焦光斑光密度分布的集中程度判断物 体轴向位移的方法称为光焦点法。图5-12 （a）表示光焦点法的工作原理图。
小尺寸的检测是指待测尺寸可与光电阵列器件 的尺寸相比拟的场合。检测系统结构如图5-2 所示：
实际测量中，需对信号进行处理。如图5-3和 5-4所示。
3、大尺寸的检测
大尺寸的检测是指被测宽度比阵列器件长度大得多情况。 可采用两个线列光电器件，其结构如图5-5所示。
根据两个线列中被遮住的光敏单元的总数、两线列的尺 寸及放置位置、光学系统的放大倍数即可求得被测体的 尺寸。
这就是双频干涉测长装置的测量公式。
2、萨格纳克效应（光程差随转速而改变的现象）和转动差频 当封闭的光路相对于惯性空间有一转动速度Ω时，顺时针光路和
逆时针光路之间形成与转速成正比的光程差ΔL，其数值满足下列 关系：
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积；φ为转速矢量与面积 A的法线间的夹角。当光路平面垂直于Ω时，上式简化为：
图5-13给出像偏移测量轴向位移的原理示意图。
下图为采用PSD和半导体激光器的距离传感器示意图。
驱动电路
半导体 激光器
聚光 透镜
光学 滤光 片
PSD 器件
模拟开关 取样放大器
A/D变 换器
成像聚光镜
信号电 极距 PSD光 敏区中
放大器 输出
电脑 Z K I A I B
IA IB
入射光 点距中
像点的ΔZ′偏移引起原像面上的离焦，使像面照 度分布扩散，如图所示。
2、像点轴外偏移检测的像偏移法
像点偏移法又称光切法。它是一种三角测量方式的轴 向位移测量方法。当将光束照射到被测物体时，用成 像物镜从另外的角度对物体上的光点位置成像，通过 三角测量关系可以计算出物面的轴向位移大小。这种 方法数毫米到数米的距离范围可实现高精度的测量。 在工业领域内的离面位移检测中常常用到。
这一光程差随转速而改变的现象称作萨格纳克效应，图5－22给 出这一效应的图解说明。
三个或三个以上反射绕组成的激光谐振腔使光路转折形 成闭合环路。这种激光器称作环形激光器(如图5－23)。
小型化的环形激光器及相应的光学差频检测装置组成了 激光陀螺。它可以感知相对惯性空间的转动，在惯性导 航中作为光学陀螺仪使用。此外，作为一种测角装置， 它是一种以物理定律为基准的客观角度基准，有很高的 测角分辨率。图5－23(b)给出了早期激光陀螺的结构示 意图。
三、双频光相干的差频检测
基本原理：将包含有被测信息的相干光调制波 ＆作为基准的本机振荡光波在满足波前匹配 的条件下，在光电探测器上进行光学混频， 光电探测器的输出是频率为二光波的差频电 信号。这个输出信号包含有调制信号的振幅、 频率＆相位特征。
1、光学多普勒差频检测：
多普勒效应：运动物体改变入射于其上的波动 性质的现象。
对于Байду номын сангаас丝检测的结构如图5-1所示：
细 丝 直 径
暗
纹
脉
间
冲
距
数
光电器件 单元间距
由于各种光电阵列器件都存在噪声，在噪 声影响下，输出信号在衍射图形暗纹峰值 附近有一定的失真，从而影响检测精度。 减小噪声影响，提高检测精度的方法一般 有以下几种：
多次平均
曲线拟合法
多暗点位置拟合法
降低温度
2、小尺寸的检测
图5－17给出了一数字式激光干涉仪原理示意图。
（二）干涉条纹比较法
图5－18是波长测量精度为10-7的条纹比较法 波长计简化原理图。
（三）干涉条纹跟踪法 这是一种平衡测量法。在干涉仪测量镜位置变化时，通
过光电接收器实时地检测出干涉条纹的变化。同时利用控 制系统使参考镜沿相应方向移动，以维持干涉条纹保持静 止不动。这时，根据参考镜位移驱动电压的大小可直接得 到测量镜的位移。图5－19表示了利用这种原理测量微小 位移的干涉测量装置。这种方法能避免干涉测量的非线性 影响，并且不需要精确的相位测量装置。但是所用跟踪系 统的固有惯性限制了测量的快速性，只能测量10KHz以 下的位移交化。
成像法：不需要专门的光源，但被测物要有一定的辉度。
二、表面缺陷检测
1、透射法
透明体的缺陷检测常用于透明胶带、玻璃等拉制 生产线中。如图5-8。
2、反射法
反射法进行表面缺陷检测的结构如图5-9
光源发出的光照射被测表面，反射光经成像系统 成像到线列光敏器件上，被测体表面若存在划痕 或疵点将由阵列器件检出。
ΔZ
心距离
心距离
I A logL A/ 2L I B logL A/ 2L
半导体激光器通过高频调制到被测面上，反
射面上被散射的光点由聚光镜接收，最后 透过窄带滤光片由PSD（半导体位置检测 器）接收。产生的信号电流进入信号处理
装置。在这里，信号电流经前置放大器，
一路反馈到电源驱动器，控制发光强度保 持恒定。另一路经过模拟开关将PSD的两 个输出端分别接入同一电路中。模拟开关 的输出信号进入到取样放大器＆A/D转换 器中，它们以光源调制频率将PSD信号变 换成数字信号，最后，利用电脑计算出被 测量的距离。
第五章 光电信号的检测方法
第五章 光电信号的检测方法
5.1 几何量的光电检测法 5.2 物理变换的光电检测方法 5.3光电检测在其他方面的应用
5.1 几何量的光电检测法
一、尺寸检测 1、微小尺寸的检测 微小尺寸的检测通常用于对微隙、细丝或小孔的尺寸进行检测。
对微小尺寸的检测一般采用激光衍射的方法，当激光照射细丝或小 孔时，会产生衍射图像，用光电器件对衍射图像进行接收，测出暗 纹的间距，即可计算出细丝或小孔的尺寸。
从信息处理的角度来看，干涉测量实质上是待 测量信息对光频载波调制和解调的过程。图5－ 15给出了干涉仪的结构配置和信息流程。
表5－1为相干光学信息的类型。
二、单频光相干的条纹检测
（一）条纹光强检测法：主要利用光学干涉仪的双光束或 多光束的干涉作用，以光电元件直接检测条纹或同心圆环 形干涉条纹的光强变化实现测量。图5－16结出了—维干 涉测长的实例。当角反射镜M2随被测物移动λ/2时，干涉 条纹的光强发生一个周期变化。采用光电接收器计数干涉 条纹数目的增减和条纹间隔间的相位关系，即能确定被测 物的位置变化。
图5－10 所示为用成像法检验零件表面质量的系 统结构。
三、干涉图形的检测
激光干涉现象已广泛应用于检测领域。在激光 干涉测量中，必须对干涉图形的变化进行精确 的测量。如，干涉条纹的移动计数、条纹间距 的测量、干涉光强的相位变化等。
利用光敏阵列器件对干涉图形检测的系统结构 如图5-11所示。
5.2 物理变换的光电检测方法
一、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、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＆空间改变得外观特性。利用光电方法 对光波的各种干涉现象进行检测＆处理，最后解 算出被测几何＆物理参量的技术通称作光电干涉 测量技术。
图5-6给出了基本测量系统框图。测量时间对两 个线列光电器件进行扫描，将输出信号进行滤波 整形后，控制计数器在比较输出为低电平对脉冲 计数，根据两个计数器的计数之和便可确定出被 测物体的尺寸。
4、物体轮廓尺寸的检测 如图5-7。
投影法：图像清晰、信噪比高，但需要设计一个产生平行 光的光源。
a
b
c c
+ΔZ -ΔZ Z0
E a
b c
f
ΔZ
+ΔZ’ -ΔZ/ Ia b c
x
图中点光源1通过成象镜头2在被测物3表面成点 像，该像点作为新的发光物点，折回成像物镜的 光路中，在像面上成清楚像。像面的光照度分布 呈衍射斑的形式表示于图c中的曲线I，当被测物 表面相对理想物面前后偏移±ΔZ′。 ΔZ 和ΔZ′之 间按几何关系有：
M3
Lasers
M1
f2
F2
F1
f1
M2
M4
f2 f1-f2
PD1
f1±Δf V
PD2
f1-f2
(f2-f1)±Δf
±Δf
双频干涉仪的原理示意图
±ΔN
双频激光装置产生频率相差几兆赫兹的二种频率的激光f1＆f2。 它们在基准光束分光镜M1上分光作二束，其中反射光在光 检测器PD1混频得到二光频的差频信号作为参考信号。透 射光受干涉反射镜M2反射，经反射镜M3反射后成为干涉仪 的参考光束。透过M2的光束经光学滤波器F1后得f1的单频 激光，经测量用角反射镜M4的反射，附加了镜面运动引起 的多普勒频移Δf，以f1±Δf的光频在光检测器PD2中＆参 考光频f2相混频。得到光学差频信号(f2-f1)±Δf。这相当于 多普勒频移Δf对光学差频(f2-f1）的频率调制。然后将PD1 ＆PD2中检测到得两路光拍信号经过电信号混频或作频率 计数相减运算，即可以得到表征物体运动速度的光学差频 信号Δf并有Δf＝±2/•גV。若用波数N表示，则：
四、轴向则距
轴问测距即沿检测系统光轴方向位移的 长度检测方法。此方法在复杂工件的形状 检测、仿形量测和光学装置目动凋焦等方 面应用普遍；这里给出几种利用离焦检测 的测距方法。
1、像点轴上偏栘检测的光焦点法
以聚焦光斑光密度分布的集中程度判断物 体轴向位移的方法称为光焦点法。图5-12 （a）表示光焦点法的工作原理图。
小尺寸的检测是指待测尺寸可与光电阵列器件 的尺寸相比拟的场合。检测系统结构如图5-2 所示：
实际测量中，需对信号进行处理。如图5-3和 5-4所示。
3、大尺寸的检测
大尺寸的检测是指被测宽度比阵列器件长度大得多情况。 可采用两个线列光电器件，其结构如图5-5所示。
根据两个线列中被遮住的光敏单元的总数、两线列的尺 寸及放置位置、光学系统的放大倍数即可求得被测体的 尺寸。