1、2023年1月18日星期三光电检测技术及应用第9章 位移量检测任课教师：徐熙平目 录9.1 激光干涉位移检测 激光干涉原理、激光干涉仪9.2 光栅线位移检测 光栅尺、光源和光强调制、前置放大器9.3 光栅角位移检测 编码器、读数和细分、狭缝及光电信号、编码器误差9.4 轴向位移测量9.5 激光测距 脉冲法、相位法、典型测距仪第9 9章 位移量检测直线位移角位移磁电式（如磁栅传感器）电磁式（如感应同步传感器）光电式（如光栅传感器）位移量转换原理第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测1、激光干涉原理两光波相干的条件：两列波振动方向相同，即两光波的振幅 矢量平行。两光波频率相
2、同。两光波动位移相同或初位相差恒定。1）干涉光的光强最大值条件是 ，即 。即干涉光强为：121 222cosIIII I2cos120,2,4,6,.(0,1,2,3,.)KK 2max1212122()IIIIIII第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测2）干涉光的光强最小值条件是 ，即 。即干涉光强为：干涉条纹的数目与光程差成正比，即：。两相干光的光强相等时，2cos1 2,3,5,.(21)(0,1,2,3,.)2KK 2min1212122()IIIIIIIn 干涉光强与光程差关系002cosIII k2121minmaxminmax2IIIIIIIIK第9 9
3、章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测 条纹对比度越好，有用的电信号越强，直流零漂越不明显，抗干扰能力越强。影像对比度的因素有以下几点：（1）相干光的强度 当两束光光强相等时，对比度最好，差值大，对比度越差，应尽量调整两束光强相等。（2）光斑尺寸 越接近点光源，叠加起来条纹越清晰，对比度越好。（3）光源为非单色光 光源的单色性越好，干涉条纹的对比度越好，可以采用激光作为干涉仪光源。（4）偏振光的变化 偏振方向和大小不同就破坏了相干条纹，降低了对比度，甚至使条纹模糊不清。第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测2、激光干涉仪原理 单频激光干涉仪单频单路干涉仪
4、原理2Lnqn0mcos(2)2LIII第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测单频双路干涉仪原理L44Lnqnqvf 第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测 双频激光干涉仪2和3分别为右旋和左旋增益曲线，频率为 和 激光管的空腔谐振频率 为频率差 a）没被分裂的增益曲线 b）加磁场后被分裂的增益曲线增益频率特性0ff2f1f第9 9章 位移量检测一、激光干涉位移检测一、激光干涉位移检测双频激光干涉仪原理图122sin 2()2Lff t22L 优点为：它是交流系统而不是直流系统，因而从可以根本上解决影响干涉仪可靠性的直流漂移问题。另外，双频干涉仪
5、抗振性强，不需要预热时间，不怕空气湍流的干扰，而空气湍流的干扰使激光光束偏移或使其波前扭曲，正是造成激光干涉仪性能不稳的普遍原因。目前，采用双频激光干涉仪可以使测量速度达每秒300mm，最大量程可达60m以上。第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测 光栅位移传感器是模-数传感器的一种，采用的是与数字计算机相连接的数字控制和数字测量技术。用光栅产生的莫尔条纹来实现位移量变成光学条纹信号。可用来测量长度、角度、振动和应变分布，还可以作为自动控制系统中的反馈信号来校正系统误差。广泛应用于测长、测角和数控机床中。长光栅：用于长度计量和控制 计量光栅 圆光栅：用于角度计量和控制第9
6、9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测1、光栅位移传感器（光栅尺）的光电读数头莫尔条纹信号检取结构1光源 2聚光镜 3标尺光栅 4指示光栅 5透镜 6遮光板 7狭缝 8光电器件第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测光栅位移及遮光图b图e分别表示光栅4沿箭头方向移过 、时，两光栅的相对位置，如果两光栅黑白线条相等，并假定入射通量为 ，那么对于a-d这4个位置的透过通量分别为 、0、。d41d2134dd222第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测光栅输出信号波形理想的条纹信号实际的条纹信号光电信号第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光
7、栅线位移检测光电信号漂移变化maxminmamaxminUUUmUUU 影响调制系数的因素还有接收窗口宽度，调制系数随着狭缝相对宽度的增大反而减小。反之，狭缝宽度减小时，调制系数增大。但是，当狭缝相对宽度进一步减小时，入射到光电器件的光通量将减小，使输出信号幅值显著下降。第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测2、光源和光强调制 常用光源的种类有钨丝白炽灯、激光器和半导体发光器件，对光源的要求是：适应光学系统成像的要求；外形尺寸适应机构设计的要求；光源效率高、寿命长、稳定性好；更换光源时离散性小；光源供电电路简单，对其他电路干扰小。光源强度控制电路的原理框图第9 9章 位移量
8、检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测3、四相交流信号和前置放大器四相交流信号和光电器件空间位置的对应关系11011sinkkuUUk22021sin2kkuUUk33031sin()kkuUUk440413sin()2kkuUUk111011()sinuuu222021()cosuuu333031()sinuuu 444041()cosuuu 第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测前置放大器原理图用4个差分放大器产生四相交流信号 用两个差分放大器，然后用两个倒相器产生四相交流信号。第9 9章 位移量检测二、光栅线位移检测二、光栅线位移检测4、光栅位移检测装置（光栅尺）在
9、光电读数头内部安装指示光栅，当光电读数头与标尺光栅相对运动时，便产生位移信号至输出放大器。位移信号经放大、细分、整形后，得到相位差 的两路脉冲信号，然后由方向判别器判别两路脉冲信号的先后顺序（即位移方向），再控制可逆计数器进行加或减计数。光栅位移检测装置的原理框图 2第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测1、概述 将角度量变换为数字代码的装置叫做轴角编码器。直读式编码器 增量式编码器直读式光电轴角编码器的结构原理图第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测4 4个电刷 4 4位二进制码盘 +5V +5V输入公共码道 最小分辨角度为 =360/2n 第9 9章
10、 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测电路处理框图 一般在中、低位数采用直读式编码器，高位数（19位以上）采用增量式编码器。第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测2、增量式轴角编码器 增量式编码器的特点是输出信号是相对起始位置的变化量。增量式编码器的码盘不是存储的角位置信息，而是角度增量信息。圆光栅付4圈码道光栅及信号波形第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测增量式编码器信号处理电路原理框图第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测模拟量对径相加平均结构第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测3、绝对式光电轴角
11、编码器的基本原理 码盘与轴固定在一起，随着轴的旋转，静止不动的狭缝读出与之相对的码盘位置上的代码，由于它直接由码盘上读出角位置故称之为直读式，此外它的读数能给出绝对值，不受起始位置和中间某些错误读数的影响，亦称为绝对式。10码道光电绝对式码盘透光区不透光区零位标志第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测5位数码盘及展开图案o036021600012960000222nnn第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测位数、位序与分辨率的关系5位码盘的角分辨率为：低位（）代码所代表的角度为 高位（）代码所代表的角度oo536011.252o2o11.2542o180
12、第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测十进制、二进制和循环码对照表 循环码也称周期码或格雷码，这种码由任何数变到相邻的数（加“1”或减“1”）时代码中只有一位数字发生变化，即使产生误差也不会太大。第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测简单译码电路循环码码盘第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测4、读数和细分 对径读数偏心误差21000.485er 为消除偏心、晃动所造成的误差采用了对边读数的方法，对边读数的基本原理是偏心。晃动在某一位置所造成的误差，和在其对径方向读数所产生的误差数值大小相等符号相反。将这两个误差的读数相加再除以2，就
13、可得到不带偏心、晃动误差的真实转角读数。第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测 细分码道 在高位数码盘中，外圈码道（精码）的线条很细，光通过细线条时由于衍射等现象大大降低信号的对比度。为加宽线条宽度，一是加大码盘的直径，但码盘过大将引起一系列问题；二是用两个相同线宽的码道来代替一个细码道，这两个码道就是细分码道。细分码道第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测5、狭缝及光电信号 编码器中取信号的方法有两种：一是用狭缝；二是用光学成像。码盘、狭缝和光电器件的对应关系 从光源发出的光束经过光学系统投射到码盘上，被对准狭缝的码盘图案调制随角度变化的光通量，光电接
14、收器件又使这个变化的光通量转变成交变的电信号。第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测光电信号转换曲线第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测光电转换误差实际曲线曲线1：在理想状态下的光电转换曲线曲线2和3：由于某种原因使光电信号幅度发生变化（增大或减少），光电转换曲线也相应变化。第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测6、编码器误差 量化误差 光学轴角编码器的原理是把一个连续的圆周角度量，在 这一分辨率区间内的任何点均读取同一角度值，这就和没一点的实际值产生了误差，即为量化误差。最大值为 ，中误差为 转换点位置误差 模拟信号量转换为数字信
15、号量时，由于各方面影响，转换点变为一个转换区间。于是实际的转换点位置与理论转换点位置产生偏差，即为转换点位置误差。3602n232第9 9章 位移量检测三、光栅角位移检测三、光栅角位移检测（1）码盘和狭缝刻划误差 对径误差、不封闭误差和不均匀性误差，前两个影响信号相位，后一个影响幅度、相位、波形。（2）零件加工及装配误差 会对幅度和相位等产生影响。（3）光电器件的暗流和灵敏度 影响信号的幅度和直流电平。（4）光源和光学系统误差 光源强度的变化直接影响信号的幅度变化。（5）电子电路误差 直接影响转换点误差，信号幅度和相位的变化，也会产生读数误差。对一个实际编码器很难用定量的方法来分析上述因素所带
16、来的误差大小。实际上是用标准仪器对编码器进行检验，确定其测角误差的大小范围，即不确定度误差。第9 9章 位移量检测四、轴向位移测量四、轴向位移测量光三角位移测量系统的工作原理图第9 9章 位移量检测四、轴向位移测量四、轴向位移测量光三角成像光学系统成像原理图00sincossin()sin()SlHlS第9 9章 位移量检测四、轴向位移测量四、轴向位移测量PSD的等效电路模型 S 的探测原理是利用PSD器件的横向光电效应来实现的。12L12(2)2IIRRLSIIR若取 ，则L0R 12122II LSII第9 9章 位移量检测四、轴向位移测量四、轴向位移测量光三角原理三种特殊测量情况 若光学
17、系统的角放大率为 ，则由下图和角放大率公式可知 ，即0tan1tan()lff0tantan()lff 第9 9章 位移量检测四、轴向位移测量四、轴向位移测量00sinsinsin()SlHlS0tantanlff 00sincossinsin()SlHlS0tantanlff 00000sincossin2sin(2)SlHlS00tantan2lff 第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距 激光测距广泛应用于大地测量、地震、制导、跟踪、火炮控制等。激光测距有脉冲法、相位法和脉冲相位法。脉冲法精确度低，而相位法精确度高。除激光测距外，还有微波测距，它可以全天候测距，但精确度低。1、脉
18、冲法测距 工作原理脉冲法测距的原理示意图2cLtc 光速；t 激光脉冲往返时间（主波与回波的时间间隔）第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距测距机的组成框图及波形cpNtfcp2cNLfLcp2LcqNf第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距脉冲前沿的变化产生的误差22tcLct 大气折射率变化引起的光速的偏差（可以忽略不计）测量时间的误差而引起的测距误差：时标脉冲的周期引起的误差脉冲前沿变化引起的误差放大器和整形电路的时间响应不够使脉冲前沿变斜第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距 前置放大器 前置放大器设计的好坏直接影响测距的精确度和测距的量程测距误差。由于前置放大
19、器的上限频率不高引起信号脉冲前沿变斜，产生测距误差。由于前置放大器的固有噪声直接影响探测最小信号脉冲幅值，使测量距离受到限制。典型的前置放大器原理电路图第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距2、相位法测距 相位法测距的基本原理2tf2 2cLf距离与相位移关系当测相周期为 时：当测相周期为 时：222CqLf44CqLf第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距 测尺频率的选择（1）分散的直接测尺频率方式（中、短程测距）测尺频率和测尺长度直接相对应，如下表所示：，所以，放大器和调制器难以满足增益和相位的稳定性，只适于中、短程。4/10ff低高第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激
20、光测距（2）集中间接测尺频率方式（长程测距和部分中程测距）用两个测尺频率测量同一段距离：用差频作为光波的调制频率，其相位移为：即：111122222=22=2f tNNf tNN 122 NN12NNN12NNN 1212122-22f ftNNNNNN sLqLNN 采用差频测相后，能大大压缩测相系统频带宽度，使放大器和调制器的稳定性提高。第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距 差频测相差频测相框图12TRTRTRT LTRT L22tttt第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距 自动数字测相（电子相位计）平衡式移相-鉴相法（分手动和自动）自动数字测相（准确度高、相应速度快，易于自动化、微机化）差频式测相方法 ccc2tfcpcp ccpcc22fmf tfff数字测相原理框图gcnfcpg2fMmncpg2Mf第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距数字测相电路的工作波形第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距3典型仪器简介半导体红外测距仪原理图第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距调制发射电路第9 9章 位移量检测五、激光测距五、激光测距接收放大电路
