(1.9)--5.1光电检测技术.ppt

《(1.9)--5.1光电检测技术.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(1.9)--5.1光电检测技术.ppt（90页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第五章第五章光电直接检测系统光电直接检测系统光电检测技术光电检测技术制作团队制作团队5.1 5.1 光电直接检测系统的工作原理光电直接检测系统的工作原理5.2 5.2 光电直接检测系统的基本特性光电直接检测系统的基本特性5.3 5.3 直接检测系统的距离方程直接检测系统的距离方程5.4 5.4 光电直接检测系统举例光电直接检测系统举例主要内容主要内容光电检测系统分类光电检测系统分类主动系统主动系统/被动系统被动系统(按信息光源分按信息光源分)红外系统红外系统/可见光系统可见光系统(按光源波长分按光源波长分)点探测点探测/面探测系统面探测系统(按接收系统分按接收系统分)模拟系统模拟系统/数字系统

2、数字系统(按调制和信号处理方式分按调制和信号处理方式分)直接检测直接检测/光外差检测系统光外差检测系统(按光波对信号的携带按光波对信号的携带方式分方式分)相干检测，相干检测，光源：光源：相干光源相干光源原理：原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息，利用光的振幅、频率、相位携带信息，检测检测时需要用光波相干原理。时需要用光波相干原理。调制方法：调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制光振幅调制、相位调制，频率调制测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。测量精度（灵敏度）更高，作用距离更远。非相干检测非相干检测光源：光源：非相干或相干光源非相干或相干光源原理：原理：利用光强度携带信息，将利用光强度携

3、带信息，将光强光强度度转换转换为电信号为电信号，解调电路检出信息。，解调电路检出信息。调制方法：调制方法：光强度调制、偏振调制光强度调制、偏振调制直接检测是一种简单实用的方法。直接检测是一种简单实用的方法。光光光光外外外外差差差差检检检检测测测测直直直直接接接接检检检检测测测测光光光光电电电电检检检检测测测测系系系系统统统统5.1 5.1 光电直接检测的工作原理光电直接检测的工作原理 定义：利用光源出射光束的强度去携带信息，光电定义：利用光源出射光束的强度去携带信息，光电检测器直接把接收到的光强度变换转换为电信号变化，最检测器直接把接收到的光强度变换转换为电信号变化，最后用解调电路检出所携带的

4、信息。后用解调电路检出所携带的信息。直接检测系统（光强调制直接检测系统（光强调制）：）：莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪激光测距仪激光测距仪激光准直激光准直环境污染检测系统环境污染检测系统光电直接检测系统是将光电直接检测系统是将待测光待测光信号直接入射到光检测器信号直接入射到光检测器光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的光敏面上，光检测器响应光辐射强度（幅度）并输出相应的电流和电流和电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信电压。检测系统经光学天线或直接由检测器接收光信号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。号，前端还可经过频率滤波和空间滤波等处理。强度强度调制器调制器光学天线

5、光学天线光学通道光学通道接收天线及光接收天线及光电检测器电检测器光电信号光电信号处理器处理器光源光源信号信号发射机发射机背景噪声场背景噪声场接收机接收机电路噪声电路噪声回收的回收的信息信息强度调制直接检测模型强度调制直接检测模型假定入射光信号电场为：假定入射光信号电场为：光场平均光功率为：光场平均光功率为：表示表示的时间平均值；的时间平均值；光检测器输出电流为：光检测器输出电流为：称为光电变换比例常数称为光电变换比例常数光检测器的平方律特性光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振光电流正比于光电场振幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。幅的平方，电输出功率正比于入射光功率的平方。若光检

6、测器负载电阻若光检测器负载电阻R RL L，则光检测器输出电功率为：，则光检测器输出电功率为：LsLsoRPheRIP222 =n nh h如果入射光是调幅波如果入射光是调幅波，即调光强，即调光强其中其中d d(t t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。()()ttdAtEsw wcos1+=()tdAAis2221a aa a+=5.2 5.2 光电直接检测的基本性质光电

7、直接检测的基本性质一、一、直接检测系统的直接检测系统的信噪比信噪比 衡量模拟系统好坏及灵敏度衡量模拟系统好坏及灵敏度光检测器输出的总功率包括信号电功率和光检测器输出的总功率包括信号电功率和噪声功率，噪声功率，可可表示为：表示为：考虑到信号和噪声的独立性，有：考虑到信号和噪声的独立性，有：()22nsLnooPPRhePP+.=+n nh h22sLoPRheP.=n nh h222nnsLnoPPPRheP+.=n nh h由信噪比定义，输出功率信噪比为：由信噪比定义，输出功率信噪比为：()()()nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222+=+=说明输出信噪比是输入信噪比

8、的平方，可见说明输出信噪比是输入信噪比的平方，可见，直接直接检测系统不适用于输入信噪比小于检测系统不适用于输入信噪比小于1 1或微弱光信号的检测。或微弱光信号的检测。(1)(1)若若，则有：，则有：1nsPP()nspPPSNR21 在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常在数字式光电系统中，噪声对系统的影响常使用使用“误码率误码率”来衡量。误码率仍然与信噪比来衡量。误码率仍然与信噪比有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分有关。信噪比高，误码率低。由噪声的概率分布规律考虑布规律考虑“概率问题概率问题”来衡量。来衡量。i is s0 01 11 11 10 0信号噪声信号噪声i is s0 01

9、 10 00 01 1END二、直接二、直接检测系统的检测极限及趋近方法检测系统的检测极限及趋近方法考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪考虑直接检测系统中存在的所有噪声，则输出噪声总功率为：声总功率为：分别为信号光、背景光和暗电流引分别为信号光、背景光和暗电流引起的散粒噪声。起的散粒噪声。为负载电阻和放大器的热为负载电阻和放大器的热噪声之和。噪声之和。输出信噪比为：输出信噪比为：LNTNDNBNSnoRiiiiP.+=_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和和_2NTi()()_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR+.=n nh h 当散粒噪声远

10、大于热噪声时，直接检测系统受散粒当散粒噪声远大于热噪声时，直接检测系统受散粒噪声噪声限制限制，信噪比为：，信噪比为：()()LspRfkTPheSNRD D.=422n nh h热热()()_2_2_222NDNBNSsp散散iiiPheSNR+.=n nh h 当热噪声是直接检测当热噪声是直接检测系统系统 的主要噪声源时，直的主要噪声源时，直接检测系统受热噪声限制，信噪比为：接检测系统受热噪声限制，信噪比为：决定扫描热检测系统的理论极限决定扫描热检测系统的理论极限 当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接当背景噪声是直接检测系统的主要噪声源时，直接检测检测系统受系统受背景噪声限制，信噪比

11、为：背景噪声限制，信噪比为：()()BsBspPfhPPhefePheSNR.D D.=.D D.=n nh hn nh hn nh h22222背背 当入射信号光波所引起的散粒噪声为直接检测系统当入射信号光波所引起的散粒噪声为直接检测系统的的 主要主要噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比噪声源时，直接检测系统受信号噪声限制，这时信噪比为：为：该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接该式为直流检测在理论上的极限信噪比，称为直接检测系统的量子极限，又称检测系统的量子极限，又称量子限灵敏度量子限灵敏度。若用若用等效噪声功率等效噪声功率NEPNEP值值表示，在量子极限下，直接表示，在

12、量子极限下，直接检测系统理论上可测量的最小功率为：检测系统理论上可测量的最小功率为：()fhPSNRspD D.=n nh h2信信()h hn nfhNEPD D=2量量 假定假定光波长光波长=0.7m=0.7m，检测器的量子效率，检测器的量子效率=1=1，测量带宽，测量带宽f f=1=1，由上式得到系统在，由上式得到系统在量子极限下的最量子极限下的最小可检测功率小可检测功率为为在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。际系统总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。背景限信噪比可以在背景限信噪比可

13、以在激光检测系统激光检测系统中实现，是因为激中实现，是因为激光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信光光谱窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。噪比。WP18min10-=系统系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是是:在在光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍光电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增增，如如光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时光电倍增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管加致冷、屏蔽等措施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限可达到

14、散粒噪声限。在在特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过程中使噪声增加声，增益过程中使噪声增加。在直接检测中，在直接检测中，光电倍增管、雪崩管光电倍增管、雪崩管的检测能的检测能力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检力较高，采用有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。测系统趋近于检测极限。对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声对于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，（极限散粒噪声），光电导器件极限信噪比低，NEPNEP较大。较大。三、三、直接检测系统的视场角直接检测系统的视场角直接检

15、测系统视场角直接检测系统视场角检测器检测器物镜物镜视场角表示系统能检测到视场角表示系统能检测到的空间范围，是检测系统的性的空间范围，是检测系统的性能指标之一。对于检测系统，能指标之一。对于检测系统，被测物看作是在无穷远处，且被测物看作是在无穷远处，且物方与像方介质相同。当检测物方与像方介质相同。当检测器位于焦平面上时，其半视场器位于焦平面上时，其半视场角为：角为：或视场角立体角或视场角立体角为：为：wduDw ffd2=w w从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积从观察角度讲，希望视场角愈大愈好，即大检测器面积或减小光学系统的焦距，但对检测器会带来不利影响：或减小光学系统的焦距，但对

16、检测器会带来不利影响：增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多增加检测器面积意味着增大系统噪声。因为对大多数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。数检测器，噪声功率和面积的平方根成正比。减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐减小焦距使系统的相对孔径加大，引入系统背景辐射噪声，使系统灵敏方式下降。射噪声，使系统灵敏方式下降。因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小因此在系统设计时，在检测到信号的基础上尽可能减小系统视场角。系统视场角。四、系统四、系统的通频带宽度的通频带宽度频带宽度频带宽度f f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求求

17、f f应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功应保存原有信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统率信噪比。系统按传递信号能力，可有以下几种方法确定系统频带宽度。频带宽度。()w wI()0IO0w ww w1w wD D对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器对于输入信号为矩形波时，通过不同带通滤波器的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号的波形的分析，可知，要使系统可以复现输入信号波形，要求系统带宽波形，要求系统带宽f f：在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为在输入信号为调幅波时，一般情况下取频带宽度为其包络（边频）频

18、率的其包络（边频）频率的2 2倍。如果是调频波，则要求倍。如果是调频波，则要求滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系滤波器加宽频带宽度，保证有足够的边频分量通过系统。统。04t t D DfThanks for your patience三、直接三、直接检测系统的距离方程检测系统的距离方程光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达光电检测系统的灵敏度在不同的用途时，灵敏度的表达形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用形式不同，在对地测距、搜索和跟踪等系统中，通常用“检测距离检测距离”来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度来评价系统的灵敏度。对于其他系统的灵敏度亦可用距离

19、方程推演出来。亦可用距离方程推演出来。直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方直接检测系统分为被动检测和主动检测系统，其距离方程不同。下面分别进行推导。程不同。下面分别进行推导。1 1、被动检测系统的距离方程、被动检测系统的距离方程被动检测过程示意图被动检测过程示意图大大气气传传播播接收接收光学光学系统系统信信号号处处理理接收机接收机接接收收信信息息光光电电检检测测被测被测目标目标L传播距离设被测目标的光谱辐射强度为设被测目标的光谱辐射强度为经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐经大气传播后到达接收光学系统表面的光谱辐射照度射照度 为为：入射到检测器上的光谱入射到检测器上的光谱功率功

20、率 为：为：l leIl leE21LIEeel ll ll lt t=l lePl ll ll ll ll ll lt tt tt t002100ALIAEPeee.=L L为为目标到光电检测目标到光电检测系统系统的的距离距离A A0 0为为接收光学系统的接收光学系统的入射孔径面积入射孔径面积 根据根据目标辐射强度最大的波段范围及所选取检目标辐射强度最大的波段范围及所选取检测器光谱响应范围共同决定选取的测器光谱响应范围共同决定选取的1 12 2的辐射的辐射波段，可得到检测器的输出信号电压为：波段，可得到检测器的输出信号电压为：为检测器的光谱响应度为检测器的光谱响应度l VR =2121012

21、0l ll ll ll ll ll ll ll ll ll ll lt tt tl ldRILAdRPVVeVes令检测器的方均根噪声电压为令检测器的方均根噪声电压为V Vn n，则它的输出信噪比为：则它的输出信噪比为：=210120l ll ll ll ll ll ll lt tt tdRILVAVVVenns 都是都是波长波长的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化的复杂函数，难有确切的解析表达式。通常作如下简化处理：处理：式中式中 取取1 1为被测距离为被测距离L L在光谱响应范围内的平均透过率在光谱响应范围内的平均透过率1 1。光学系统的透过率光学系统的透过率0 0对光谱响应范

22、围内平均值。对光谱响应范围内平均值。把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为常数内为常数R RV V，在其它区域为零。，在其它区域为零。根据物体的温度根据物体的温度T T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度，再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应射强度，再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度范围内的辐射强度I Ie e。llllttVeR、I和和01即：即：又因为：又因为：=210120l ll ll ll ll ll ll lt tt tdRILV

23、AVVVennsVennsRILVAVV0120t tt t=21010 =nsVVnVeVRIALt tt tfADVRdnVD D=*将上式代入，可得：将上式代入，可得：式中式中A Ad d为检测器面积；为检测器面积；f f为系统的带宽；为系统的带宽；D D*为检测为检测器的归一化检测度；器的归一化检测度；A Ao oI Ie e=P=P0 0是入射到接收光学系统是入射到接收光学系统的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测的平均功率。考虑到系统的调制特性，入射到探测器上的有效功率为：器上的有效功率为：S(S()为调制信号为调制信号的功率谱的功率谱21*010 D D=fADIALdVV

24、enst tt t为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特为清楚地看出系统各部件对检测距离的影响，把调制特性考虑为对入射功率的利用系数性考虑为对入射功率的利用系数k km m，则上式改写为：，则上式改写为：第一个括号是第一个括号是目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响目标辐射特性及大气透过率对检测距离的影响；第二个括号和第三个括号表示第二个括号和第三个括号表示光学系统及检测器件特性对作光学系统及检测器件特性对作用距离的影响；用距离的影响；第四个括号是第四个括号是信息处理系统对作用距离的影响。信息处理系统对作用距离的影响。()()()21212121*001 D D =nsmdeVVf

25、kADAILt tt t大大气气传传播播接收光接收光学系统学系统信信号号处处理理接收机接收机回回收收信信息息光光电电检检测测强度强度调制器调制器发射光发射光学系统学系统光光源源信信号号发射机发射机反射反射目标目标2 2、主动检测距离方程、主动检测距离方程主动检测过程示意图2 2L LS SL LL LW W=后光斑面积后光斑面积经距离经距离()lsPmk()lt01()lTP()L Lk k传播距离传播距离衰减系数衰减系数l l发射面积发射面积S Sa a,反射系数反射系数r r主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为主动检测系统的光源主要为激光光源。令其发射功率为P Ps s()；发

26、射束发散立体角为；发射束发散立体角为；发射光学系统透过率；发射光学系统透过率为为0101()，经调制的光能利用率为，经调制的光能利用率为k km m，则发射机发射，则发射机发射的功率的功率P PT T()为：为：激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰激光在大气中传播时，能量若为按指数规律衰减，令衰减系数为减系数为k(k()，经传播距离，经传播距离L L后光斑面积为后光斑面积为S SL L=L L2 2，光斑光斑S SL L的辐射照度的辐射照度E Ee e为：为：()()()mskPl lt tl ll l01TP=()()()()()LkTLkLTeLPeSPl ll ll ll l

27、l l-W W=2eE 设在距光源设在距光源L L处有一目标，其反射面积为处有一目标，其反射面积为S Sa a。普通情。普通情况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，况下把反射体看作是朗伯反射，即在半球内均匀反射，其反射系数为其反射系数为r r。在此条件下，单位立体角的反射光。在此条件下，单位立体角的反射光辐射强度辐射强度I Ie e()为：为：()()()()LkaLeaerSLPErSl lp pl ll lp pl l-W W=2e1I假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到假定接收机和发射机在一处，反射光经大气传输到接收器的过程仍遵守指数规律衰减，衰减系数仍为接收器的过程仍

28、遵守指数规律衰减，衰减系数仍为k(k()，则接收功率为：，则接收功率为：式中，式中，D D0 0为光学系统接收口径；为光学系统接收口径；=D D0 02 2/4L/4L2 2为接收系统为接收系统的立体角。如果接收光学系统的透过率为的立体角。如果接收光学系统的透过率为0202()，则检测，则检测器上接收到的总功率为器上接收到的总功率为：式中式中:()()()()LkaTerSLDPl ll ll ll l2420e4IP-W W=W W=()()()()()LkamseLDkSkPl ll ll ll lt tl l242002d4PP-W W=()()rkl lt tl lt t0201=()

29、()()()()l ll ll ll ll lVLkamsVReLDkSkPR2420ds4PV-W W=式中：式中：R RV V()为检测器相对光谱响应度，将前面式代为检测器相对光谱响应度，将前面式代入上式得距离入上式得距离L L为：为：如果目标反射面积如果目标反射面积S Sa a等于光斑照射面积等于光斑照射面积L L2 2，则上式可，则上式可化为：化为：()()()412*204L D DW W=-LkdnsamsefAVVDDkSkPl ll l检测器上的输出电压为：检测器上的输出电压为：可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收可知，影响检测距离的因素很多，发射系统、接收系统的大气特

30、性以及目标反射特性都将影响检测距系统的大气特性以及目标反射特性都将影响检测距离。离。在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围在前面计算距离时，在被动检测系统中，由于光谱范围宽，大气衰减作用以宽，大气衰减作用以透过率透过率表示，而在主动检测系统中，表示，而在主动检测系统中，绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减绝大多数系统是以激光做光源，激光光谱较窄，用衰减系数表示，其物理意义是等价的。系数表示，其物理意义是等价的。()()()212*204L D D=-LkdnsmsefAVVDkDkPl ll lThanks for your patience5.4 5.4 光电直接检测的

31、距离光电直接检测的距离一、莫尔一、莫尔条纹测长仪条纹测长仪属于光栅属于光栅传感器传感器,光栅光栅的的分类分类:按用途分按用途分物理光栅物理光栅计量光栅计量光栅利用光的衍射现象，主要用于利用光的衍射现象，主要用于光谱分析、光波长测量。光谱分析、光波长测量。利用莫尔条纹现象，主要用于利用莫尔条纹现象，主要用于长度、角度、速度、加速度、长度、角度、速度、加速度、振动等物理量的测量。振动等物理量的测量。计量光栅计量光栅长光栅长光栅圆光栅圆光栅用于长度测量用于长度测量用于角度测量用于角度测量径向光栅径向光栅切向光栅切向光栅环形光栅环形光栅莫尔（莫尔（MoireMoire）条纹现象）条纹现象:法国法国的纺

32、织工人发现，当两层薄丝绸重叠在一起做的纺织工人发现，当两层薄丝绸重叠在一起做相对运动时，则形成一种漂动的水波形花样相对运动时，则形成一种漂动的水波形花样播放中播放中圆弧莫尔条纹圆弧莫尔条纹单击准备演示单击准备演示播放动画播放动画光闸莫尔条纹光闸莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中环形莫尔条纹环形莫尔条纹播放动画播放动画播放中播放中单击准备演示单击准备演示单击准备演示单击准备演示辐射形莫尔条纹辐射形莫尔条纹播放动画播放动画莫尔条纹携带的一维莫尔条纹携带的一维信息用于测量长度和信息用于测量长度和角度；角度；莫尔条纹携带的二维莫尔条纹携带的二维信息用于测量应变、信息用于测量应变、物体表面不平度、薄物

33、体表面不平度、薄膜厚度、医学诊断和膜厚度、医学诊断和机器人机器人计量光栅可分为计量光栅可分为透射式光透射式光栅栅和和反射式光栅反射式光栅两大类，均由两大类，均由光源、光栅副、光敏元件三大光源、光栅副、光敏元件三大部分组成。光敏元件可以是光部分组成。光敏元件可以是光敏二极管，也可以是光电池。敏二极管，也可以是光电池。在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要在检测技术中常用的是计量光栅。计量光栅主要是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很是利用光的透射和反射现象，常用于位移测量，有很高的分辨力，可优于高的分辨力，可优于0.10.1 m m。透射式光栅透射式光栅一般是用光学玻璃或不锈钢做基体

34、，一般是用光学玻璃或不锈钢做基体，在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形在其上均匀地刻划出间距、宽度相等的条纹，形成连续的透光区和不透光区。成连续的透光区和不透光区。透射式圆光栅透射式圆光栅反射式圆光栅反射式圆光栅一、莫尔一、莫尔条纹光栅原理条纹光栅原理 构成：构成：主光栅主光栅-标尺光栅，定光栅；标尺光栅，定光栅；指示光栅指示光栅-动光栅动光栅计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，计量光栅由标尺光栅（主光栅）和指示光栅组成，标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指标尺光栅和指示光栅的刻线宽度和间距完全一样。将指示光栅与标尺光栅叠合在一起，两者之间保持很小的间示光栅与标尺光栅

35、叠合在一起，两者之间保持很小的间隙（隙（0.05mm0.05mm或或0.1mm0.1mm）。在长光栅中标尺光栅固定不动，）。在长光栅中标尺光栅固定不动，而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成而指示光栅安装在运动部件上，所以两者之间可以形成相对运动。相对运动。在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面在透射式直线光栅中，把主光栅与指示光栅的刻线面相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅相对叠和在一起，中间留有很小的间隙，并使两者的栅线保持很小的夹角线保持很小的夹角，光栅节距为，光栅节距为P P。计量光栅计量光栅主光栅主光栅q指示光栅指示光栅在两光栅的刻线重合处，光在两光栅的

36、刻线重合处，光从缝隙透过，形成亮带；在从缝隙透过，形成亮带；在两光栅刻线的错开处，由于两光栅刻线的错开处，由于相互挡光作用而形成暗带。相互挡光作用而形成暗带。莫尔条纹是周期性函数。莫尔条纹是周期性函数。这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条这种亮带和暗带形成明暗相间的条纹称为莫尔条纹，条纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装纹方向与刻线方向近似垂直。通常在光栅的适当位置安装光敏元件，即可检测到亮暗变化。光敏元件，即可检测到亮暗变化。当指示光栅沿当指示光栅沿x x轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹轴（例如水平方向）自左向右移动时，莫尔条纹的亮带和暗带将顺序自下而上不

37、断地掠过光敏元件（在演示中就的亮带和暗带将顺序自下而上不断地掠过光敏元件（在演示中就是我们的眼睛）。光敏元件是我们的眼睛）。光敏元件“观察观察”到莫尔条纹的光强变化近似到莫尔条纹的光强变化近似于正弦波变化。光栅移动一个栅距于正弦波变化。光栅移动一个栅距P P，光强变化一个周期。，光强变化一个周期。Thanks for your patienceB01 23 456789i i012345678j j.BP1P2主光栅的刻线方程主光栅的刻线方程:x x=iP=iP1 1 由于由于光栅的刻线非常光栅的刻线非常细微，很难分辨到底移动了多细微，很难分辨到底移动了多少个栅距，而利用莫尔条纹具少个栅距，而

38、利用莫尔条纹具有放大作用，当光栅移动了一有放大作用，当光栅移动了一个节距时个节距时P P，莫尔条纹移动了，莫尔条纹移动了一个宽度一个宽度B B。q qsinPB=指示光栅各个刻指示光栅各个刻线与线与X X轴交点轴交点Xj=jP2/cosP1P2 莫尔莫尔条纹有如下特征：条纹有如下特征：1 1）平均效应：平均效应：莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同形成的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度的，对光栅的刻划误差有平均作用，从而能在很大程度上消除光栅刻线不均匀引起的误差。上消除光栅刻线不均匀引起的误差。2 2）对应关系：对应关系：当指示光栅沿与栅线垂直的方向作

39、相对当指示光栅沿与栅线垂直的方向作相对移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动移动时，莫尔条纹则沿光栅刻线方向移动（两者的运动方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向方向相互垂直）；指示光栅反向移动，莫尔条纹亦反向移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上移动。在图中，当指示光栅向右移动时，莫尔条纹向上运动。运动。3 3）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光）放大作用：莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角栅栅距，它随着指示光栅与主光栅刻线夹角而而改变。改变。越小，越小，B B越大，相当于把微小的栅距越大，相当于把微小的栅距P P扩扩大了大了 倍

40、。由此可见，计量光栅起到光学放倍。由此可见，计量光栅起到光学放大器的作用。大器的作用。q qsinsin/1 1例，对例，对2525线线/mm/mm的长光栅而言，的长光栅而言，P P0.04mm0.04mm，若若 =0.016rad=0.016rad，则，则B B=2.5mm.=2.5mm.，光敏元件可以分辨，光敏元件可以分辨2.5mm2.5mm的间隔，但无法分辨的间隔，但无法分辨0.04mm0.04mm的间隔。的间隔。计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光计量光栅的光学放大作用与安装角度有关，而与两光栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须大于光敏元件栅的安装间隙无关。莫尔条纹的宽度必须

41、大于光敏元件的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。的尺寸，否则光敏元件无法分辨光强的变化。4 4）莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等莫尔条纹移过的条纹数与光栅移过的刻线数相等。例如例如，采用，采用100100线线/mm/mm光栅时，若光栅移动了光栅时，若光栅移动了x x mmmm（也就（也就是移过了是移过了100100 x x条光栅刻线），则从光电元件面前掠过条光栅刻线），则从光电元件面前掠过的莫尔条纹也是的莫尔条纹也是100100 x x条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，条。由于莫尔条纹比栅距宽得多，所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹产生的电脉所以能够被光敏元件所识别。将此莫尔条纹

42、产生的电脉冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。冲信号计数，就可知道移动的实际距离了。光电传感器光电传感器输出信号波形输出信号波形当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个当光栅相对位移一个栅距时，莫尔条纹移动一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个条纹宽度，相应照射在光电池上的光强度发生一个周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形周期的变化，使输出电信号周期变化，其输出波形如图：如图：由此可知，只要计算输出电压的周期数，便由此可知，只要计算输出电压的周期数，便可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。可测出位移量。从而实现了位移量向电量的转换。在一个周期内，输出波形的变化是位移

43、在一个栅在一个周期内，输出波形的变化是位移在一个栅距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。距内变化的余弦函数，每一周期对应一个栅距。但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在但是如果只用一个光电元件，其输出信号还存在两个问题：两个问题：辨向问题：用一个光电元件无法辨别运辨向问题：用一个光电元件无法辨别运动方向；动方向；精度低；分辨力只为一个栅距精度低；分辨力只为一个栅距P P。辨辨向原理：向原理：用两个光电元件相距用两个光电元件相距B/4B/4安装（相当于相差安装（相当于相差9090空间角，空间角，B:2=B/4:/2B:2=B/4:/2），如图所示，可以解），如图所示，可以解决辨向问题。决

44、辨向问题。当条纹上移时，当条纹上移时，V V2 2落后于落后于V V1 1 90 90。当条纹下移时，当条纹下移时，V V2 2超前于超前于V V1 1 9090。因此，由因此，由V V1 1、V V2 2之间的相位关系可以之间的相位关系可以 判别运动方向。判别运动方向。在在辨向逻辑原理辨向逻辑原理中，两个相隔中，两个相隔1/41/4莫尔莫尔条纹间距的光电元件，条纹间距的光电元件，将各自得到相差将各自得到相差/2/2的的电信号电信号u u1 1和和u u2 2。它们经。它们经整形转换成两个方波信整形转换成两个方波信号号u u1 1和和u u2 2。1 1）当光栅沿）当光栅沿A A方向移方向移动

45、时，动时，u1 u1 经微分电路后产生经微分电路后产生的脉冲（图中充填的脉冲）的脉冲（图中充填的脉冲）正好发生在正好发生在u2u2处于处于“l”l”电电平时，从而经平时，从而经 Yl Yl 输出一个输出一个计数脉冲；而计数脉冲；而u1u1经反相并经反相并微分后产生的脉冲（图中未微分后产生的脉冲（图中未充填的脉冲）则与充填的脉冲）则与 u2 u2 的的“0”0”电平相遇，与门电平相遇，与门 Y2 Y2 被被阻塞，没有脉冲输出阻塞，没有脉冲输出。2 2）当光栅）当光栅沿相反方沿相反方向向移动时，移动时，u1u1的微分脉冲发的微分脉冲发生在生在u2u2为为“0”0”电平时，与电平时，与门门Y1Y1无

46、脉冲输出；而无脉冲输出；而u1 u1 的的反相微分脉冲则发生在反相微分脉冲则发生在 u2u2的的“1”1”电平时，与门电平时，与门Y2Y2输出输出一个计数脉冲。一个计数脉冲。u2 u2 的电平的电平状态实际上是与门的控制信号，状态实际上是与门的控制信号，移动方向不同，移动方向不同，u1u1所产生的所产生的计数脉冲的输出路线也不同计数脉冲的输出路线也不同。细分细分技术（解决精度问题）技术（解决精度问题）当使用一个光电池通过判断信当使用一个光电池通过判断信号周期的方法来进行位移测量号周期的方法来进行位移测量时，最小分辨力为时，最小分辨力为1 1个栅距。为个栅距。为了提高测量的精度，提高分辨了提高测

47、量的精度，提高分辨力，可使栅距减小，即增加刻力，可使栅距减小，即增加刻线密度。另一种方法是在双光线密度。另一种方法是在双光电元件的基础上，经过信号调电元件的基础上，经过信号调节环节对信号进行细分。节环节对信号进行细分。其电路框图其电路框图四倍频四倍频法辨向原理法辨向原理框图：框图：四四相相取取样样计计 数数脉脉 冲冲形形 成成编编码码正正反反向向计计 数数数数显显输输出出光电光电信号信号1 1）四相信号的获得）四相信号的获得为了消除莫尔条纹信号为了消除莫尔条纹信号的的直流分量直流分量和判向，需要四个相位差和判向，需要四个相位差9090的谐波信号：的谐波信号：12343600-sincossin

48、-cos四相信号波形图四相信号波形图 运算运算运算运算运算运算运算运算+-+-+-DG1DG3DG2DG4Sin-SinCos-Cos鉴零器鉴零器微分微分t1p12Sin鉴零器鉴零器微分微分t3p3-2Sin鉴零器鉴零器微分微分t2p22Cos鉴零器鉴零器微分微分t4p4-2Cos方波方波尖脉冲尖脉冲计数电路工作过程计数电路工作过程 工作过程：工作过程：1 1、4 4个相位差为个相位差为9090，含直流成分的光电信号，含直流成分的光电信号DG1DG1，DG2DG2，DG3DG3，DG4DG4经过经过4 4个运算差分放大器，个运算差分放大器，消去直流分量；消去直流分量；2 2、sinsin,co

49、s,cos,-sin,-sin,-cos,-cos经过鉴零整形经过鉴零整形成方波，为编码提供判向信号成方波，为编码提供判向信号t t1 1,t,t2 2,t,t3 3,t,t4 4(t(ti i)；3 3、t ti i经过微分电路输出尖脉冲，作为编码电路经过微分电路输出尖脉冲，作为编码电路计数信号。计数信号。触发器p1t1p4t2t3p2t4p3t1p2t2p3t3p4t4p1Q减法脉冲减法脉冲Q+加法脉冲加法脉冲Q主脉冲主脉冲（送可逆计数器）（送可逆计数器）可可逆逆计计数数器器加加减减法法控制线上控制电位控制线上控制电位74537453、74547454（1414脚）脚）逻辑图：逻辑图：编码

50、逻辑表达式：编码逻辑表达式：3)3)编码电路工作过程（目的：判向、计数）编码电路工作过程（目的：判向、计数）Thanks for your patience阿波罗登月时安放在月球阿波罗登月时安放在月球上的激光测距仪反射镜上的激光测距仪反射镜激光测距仪出现于激光测距仪出现于2020世世纪纪6060年代中期，最早应年代中期，最早应用于航空、航天中，随用于航空、航天中，随数字处理技术的发展逐数字处理技术的发展逐步在测绘、工业测量、步在测绘、工业测量、自动化控制和武器系统自动化控制和武器系统中得到了广泛应用中得到了广泛应用 二、激光测距仪二、激光测距仪探测距离远探测距离远精度高精度高抗干扰性能强抗干扰