光电检测技术及应用 教学课件 ppt 作者 徐熙平 第9章 位移量检测
56页1、2019年5月25日星期六,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章 位移量检测,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:,第9章 位移量检测,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,,干涉光强与光程差关系,第9章 位移量检测,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
2、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章 位移量检测,一、激光干涉位移检测,2、激光干涉仪原理 单频激光干涉仪,单频单路干涉仪原理,第9章 位移量检测,一、激光干涉位移检测,单频双路干涉仪原理,第9章 位移量检测,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,第9章 位移量检测,一、激光干涉位移检测,双频激光干涉仪原理图,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
3、,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章 位移量检测,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章 位移量检测,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章 位移量检测,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、 。,第9章 位移量检测,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,
4、光电信号,第9章 位移量检测,二、光栅线位移检测,光电信号漂移变化,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章 位移量检测,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章 位移量检测,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,第9章 位移量检测,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章 位移量检测,二、光栅线位移检测,4、光栅位移检测装置(光栅尺) 在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
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