1、第四章第四章 非相干檢測方法與系統非相干檢測方法與系統 按光學變換系統將被測量轉換為光信息方式的不同，可將按光學變換系統將被測量轉換為光信息方式的不同，可將光電檢測系統分為光電檢測系統分為相干檢測系統相干檢測系統和和非相干檢測系統非相干檢測系統。第四章第四章 非相干檢測方法與系統非相干檢測方法與系統 被測量被攜帶于光載被測量被攜帶于光載波的強度之中或加載于調制波的強度之中或加載于調制光載波的振幅、頻率或者相光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣的系統稱位變化之中，這樣的系統稱為非相干檢測系統。為非相干檢測系統。 被測信息加載于光載被測信息加載于光載波（只能是相干光源）的振波（只能是相干光源）

2、的振幅、頻率或者相位之中的系幅、頻率或者相位之中的系統稱為相干檢測系統。統稱為相干檢測系統。非相干檢測系統非相干檢測系統 相干檢測系統相干檢測系統主要內容：主要內容： 1 1 光電檢測系統分類光電檢測系統分類 根據系統中光源來源不同根據系統中光源來源不同, ,系統可分為系統可分為主動系統主動系統和和被動系統被動系統。 如果被測信息通過調制光源如果被測信息通過調制光源的電壓或電流，把信息加載到的電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發射調制光，或光載波上，而發射調制光，或者用人工光源照射目標再進行者用人工光源照射目標再進行光電變換，然后由光電接收系光電變換，然后由光電接收系統接收的系統，稱為統接收

3、的系統，稱為主動光電主動光電系統系統。 如果光電系統所接收如果光電系統所接收的信號完全來自于被測對的信號完全來自于被測對象的自發輻射象的自發輻射, ,而不用人而不用人工光源照明的系統，則稱工光源照明的系統，則稱為為被動光學系統被動光學系統。（1 1）根據光源來源分類）根據光源來源分類 主動測量系統主動測量系統(a) (a) 被測量調制光載波的主動系統被測量調制光載波的主動系統 (b)(b)反射式的主動系統反射式的主動系統 被動測量系統被動測量系統被動式光電檢測系統被動式光電檢測系統（2 2）根據光源是否相干分類）根據光源是否相干分類A 若光信息為光強，即被測量被攜帶于光載波的強度之中，若光信息

4、為光強，即被測量被攜帶于光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時光電器件只直不論光源是相干光源還是非相干光源，這時光電器件只直接接收光強度變化，最后用解調的方法檢出被測信息，這接接收光強度變化，最后用解調的方法檢出被測信息，這種方法組成的系統稱為直接光電檢測系統。種方法組成的系統稱為直接光電檢測系統。B 若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統則稱為非相干檢測系統。位變化之中，這樣所組成的系統則稱為非相干檢測系統。 非相干檢測系統非相干檢測系統 通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢

5、測通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢測非相干光調制頻率、振幅、相位的方法統稱為非相干檢測。非相干光調制頻率、振幅、相位的方法統稱為非相干檢測。 相干檢測系統相干檢測系統 如果光源是相干光源，但用光調制的方法使被測信如果光源是相干光源，但用光調制的方法使被測信息加載于調制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電息加載于調制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電解調的方法從調制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被解調的方法從調制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被測信息的系統稱為相干檢測系統。測信息的系統稱為相干檢測系統。 （1 1）光電變換的目的）光電變換的目的 將待測信息加載到光載波上進而形成光

6、電接收將待測信息加載到光載波上進而形成光電接收 器件易于接收的光電信號。器件易于接收的光電信號。 改善系統的空間或時間分辨率和動態品質，提改善系統的空間或時間分辨率和動態品質，提 高傳輸效率和檢測精度。高傳輸效率和檢測精度。 改善系統的信噪比，提高工作可靠性。改善系統的信噪比，提高工作可靠性。2 2 光電變換方法光電變換方法（2 2）光電變換的方法）光電變換的方法變換方法變換方法 光光 學學 原原 理理 應應 用用 范范 圍圍 幾何光幾何光學法學法透射、反射、折射、散透射、反射、折射、散射、遮光、光學成像等射、遮光、光學成像等非相干光學現象或方法非相干光學現象或方法 光開關、光學編碼、光掃光開

7、關、光學編碼、光掃 描、瞄準定位、光準直、描、瞄準定位、光準直、外觀質量檢測、測長、測外觀質量檢測、測長、測角、測距等角、測距等 物理光物理光學法學法干涉、衍射、散斑、全干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學拍息、波長變換、光學拍頻、偏振等相干光學現頻、偏振等相干光學現象或方法象或方法莫爾條紋、干涉計量、全莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差息計量、散斑計量、外差干涉、外差通信、光譜分干涉、外差通信、光譜分析、多譜勒測速等析、多譜勒測速等 光電子光電子學法學法電光效應、聲光效應、電光效應、聲光效應、磁光效應、空間光調制磁光效應、空間光調制、光纖傳光與傳感等、光纖傳光與傳感等 光調制、光

8、偏轉、光開關光調制、光偏轉、光開關、光通信、光記錄、光存、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等儲、光顯示等 主要內容：主要內容： 1 1、直接檢測系統的基本原理、直接檢測系統的基本原理 所謂直接檢測是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探所謂直接檢測是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度而輸出相應的電流測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度而輸出相應的電流或電壓或電壓。 檢測系統可經光學天線或直接由探測器接收光信號，在檢測系統可經光學天線或直接由探測器接收光信號，在其前端還可以經過頻率濾波和空間濾波處理。接收到的光信其前端還可以經過頻率濾波和空間濾波處理。接收到的光信號

9、入射到光探測器的光敏面上。同時，光學天線也接收到背號入射到光探測器的光敏面上。同時，光學天線也接收到背景輻射，并與信號光一起入射到探測器光敏面上。景輻射，并與信號光一起入射到探測器光敏面上。 （1 1）光探測器的平方律特性）光探測器的平方律特性 入射光波的光電場為入射光波的光電場為 ： 入射光的平均光功率為：入射光的平均光功率為： 光電探測器輸出的電流為：光電探測器輸出的電流為： 為光電變換比例常數，即光電靈敏度。為光電變換比例常數，即光電靈敏度。)cos()(wtAtEs222221)cos()(ssAwtAtEP221sPAPIeh2 2、直接檢測系統的基本特性、直接檢測系統的基本特性 若

10、光探測器的負載電阻為若光探測器的負載電阻為 ，則光探測，則光探測器輸出的電功率為器輸出的電功率為 ：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：其一是光電流正比于光場振幅的平方；其一是光電流正比于光場振幅的平方；其二是輸出電功率正比于入射光功率的平方。其二是輸出電功率正比于入射光功率的平方。 LLPPRPheRIS222)(LR 如果入射光信號為強度調制光，調制信號如果入射光信號為強度調制光，調制信號為為d(t)d(t)，即調制的入射光信號的強度為，即調制的入射光信號的強度為P1+d(t)P1+d(t)，那么光電探測器輸出的光電流，那么光電探測器輸出的光電流為：

11、為： 式中，式中，第一項為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項為所需要的信號，即光載波的包絡檢測。)(1 )(1 tdPhetdPIP(2) (2) 直接檢測系統的信噪比直接檢測系統的信噪比衡量模擬系統好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：22onosnLePPPPRh考慮到信號和噪聲的獨立性，有：22sLoPRheP222nnsLnoPPPRheP由信噪比定義，輸出功率信噪比為：nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222nsnsnnssnoopPPPPPPPPPPSNR212222說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統不適用于輸

12、入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經過光電轉換，信噪比損失了3dB。實際應用中可以接受。可見，直接檢測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱可見，直接檢測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實現，可靠性高，成本低，的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實現，可靠性高，成本低，得到廣泛應用。得到廣泛應用。 若1nsPP，則有：2nspPPSNR5-10 若1nsPP，則有：nspPPSNR21 在數字式光電檢測系統中，噪聲對系統的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關，信噪比高，誤碼率低，由噪聲的概率分布規律來衡量。直接

13、檢測系統的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：LNTNDNBNSnoRiiiiP_2_2_2_2_2_2_2,NDNBNSiii和分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。_2NTi為負載電阻和放大器的熱噪聲之和。_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR輸出信噪比為：_2_2_2_222NTNDNBNSsnoopiiiiPhePPSNR 當熱噪聲是直接檢測系統 的主要噪聲源時，直接檢測系統受熱噪聲限制，信噪比為：224spLehPSNRkTfR熱 當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統受散粒噪聲限制，信噪比為：22_222sp

14、NSNBNDehPSNRiii散 當背景噪聲是直接檢測系統的主要噪聲源時，直接檢測系統受背景噪聲 限制，信噪比為：22222sspBBehPPSNRehfPe fPh背假定光波長=0.7m，檢測器的量子效率=1，測量帶寬f=1，由上式得到系統在量子極限下的最小可檢測功率為18min10PW 當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統的主要噪聲源時，直接檢測 系統受信號噪聲限制，這時信噪比為：2spPSNRhf信該式為直流檢測系統在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統理論上可測量的最小功率為：2hfNEP量 1

15、1 在實際直接檢測系統中，很難達到量子極限檢測。實際系在實際直接檢測系統中，很難達到量子極限檢測。實際系統總會有統總會有背景噪聲背景噪聲、檢測器和放大器的、檢測器和放大器的熱噪聲熱噪聲。2 2 背景限信噪比背景限信噪比可以在可以在激光檢測系統激光檢測系統中實現，是因為激光光中實現，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現背景限信噪比。譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現背景限信噪比。3 3 系統趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在系統趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光電檢測過程中利用光檢測器的內增益光檢測器的內增益獲得光電倍增，如光電倍獲得光電

16、倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達到減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達到散粒噪聲限散粒噪聲限。在特殊。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入噪聲，增益過程中使條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。噪聲增加。4 4 在直接檢測中，在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，采的檢測能力較高，采用有內部高增益的檢測器可使直接檢測系統趨近于檢測極限。對用有內部高增益的檢測器可使直接檢測系統趨近于檢測極限。對于光電導器

17、件，主要噪聲為產生復合噪聲（極限散粒噪聲），光于光電導器件，主要噪聲為產生復合噪聲（極限散粒噪聲），光電導器件極限信噪比低，電導器件極限信噪比低，NEPNEP較大。較大。說明：說明：直接檢測系統視場角Dufd檢測器物鏡視場角表示檢測系統能檢測到的空間范圍，是檢測系統的性能指標之一。對于檢測系統，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角為：2fAd從觀察角度講，希望視場角愈大愈好，即增大檢測器面積或減小光學系統的焦距，但對檢測器會帶來不利影響： 增加檢測器面積意味著增大系統噪聲。因為對大多數檢測器，噪聲功率和面積的平方根成正比。 減小焦距

18、使系統的相對孔徑加大，引入系統背景輻射噪聲，使系統靈敏方式下降。結論：因此在系統設計時，在檢測到信號的基礎上盡可能減小系統視場角。fd2(3)直接檢測系統的視場角(4) 系統的通頻帶寬度I 0I0O1頻帶寬度f是光電檢測系統的重要指標之一。檢測系統要求f應保存原有信號的調制信息，并使系統達到最大輸出功率信噪比。系統按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統頻帶寬度。等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬100.060262.0f0389.0f頻帶寬度f越寬，通過的信號能量越大，但系統的噪聲功率也增大，為保證系統有足夠的信噪比， f 取值不能太寬，如果要求復現信號的波形，則必須

19、加寬頻帶寬度。當輸入信號為矩形波時，通過對不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統可以復現輸入信號波形，要求系統帶寬f：小結：（1）當輸入信號為調幅波時，一般情況下取頻帶寬度為其包絡（邊 頻）頻率的2倍。（2）如果是調頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊 頻分量通過系統。04f 3 直接檢測系統的距離方程光電檢測系統的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統中，通常用“檢測距離”來評價系統的靈敏度。對于其他系統的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統分為被動檢測和主動檢測系統，其距離方程不同。下面分別進行推導。強度調制器光學天線光學通道接收天線及

20、光電檢測器光電信號處理器光源信號發射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息 (1) 被動檢測系統的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播eE接收光學系統信號處理接收機接收信息光電檢測L被測目標eI光譜輻射強度L傳播距離大氣光譜透過率1VR光譜響應度00A入射孔徑面積光譜透過率 (1) 被動檢測系統的距離方程設被測目標的光譜輻射強度為eI經大氣傳播后到達接收光學系統表面的光譜輻射照度 為：eE21LIEee的距離為目標到光電檢測系統內的大氣光譜透過率；為被測距離LL1入射到檢測器上的光譜功率 為：eP002100ALIAEPeee透過率為接收光學系統的光譜孔徑面積為接收光學系統的入射10A根據目標輻射

21、強度最大的波段范圍及所選取檢測器光譜響應范圍共同決定選取的12的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：21210120dRILAdRPVVeVes為檢測器的光譜響應度VR(1) 10eVIR、 、 、 取1為被測距離L在光譜響應范圍內的平均透過率1。 光學系統的透過率0對光譜響應范圍內平均值。 把檢測器的光譜響應帶看成是一個矩形帶寬。即在響應范圍內1W，即莫爾現象具有使柵，即莫爾現象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數目比讀光柵刻線的數目要方便距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數目比讀光柵刻線的數目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應關系，就可以容易地得多。通過光柵柵距

22、的位移和莫爾條紋位移的對應關系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數，獲取小于光柵柵距的微小位移量。測量莫爾條紋移動數，獲取小于光柵柵距的微小位移量。莫爾條紋莫爾條紋光學放大作用舉例光學放大作用舉例 有一直線光柵，每毫米刻線數為有一直線光柵，每毫米刻線數為5050，主光柵與，主光柵與指示光柵的夾角指示光柵的夾角 1.81.8 ，則：，則： 分辨力分辨力 =柵距W =1mm/50=0.02mm=20m （由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化） 莫爾條紋的莫爾條紋的寬度是柵距的寬度是柵距的3232倍：倍： L W / = 0.02mm/（1.8 *3.14/180

23、 ） = 0.02mm/0.0314 = 0.637mm 由于較大，因此可以用小面積的光電池由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察觀察”莫爾條紋莫爾條紋光強的變化。光強的變化。A 長光柵長光柵 莫爾條紋莫爾條紋條紋寬度：條紋寬度： WWB)2/sin(2W-柵距，柵距， a-線寬，線寬， b-縫寬縫寬W=a+b ，a=b=W/2 特例：當特例：當 =0, w1=w2 B= 光閘莫爾條紋光閘莫爾條紋 當當 =0, w1w2 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動長光柵莫爾條紋播放動畫播放動畫長光柵光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫莫爾條紋特性：莫爾條紋特性： 方向

24、性：垂直于角平分線，當夾角很小時方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時 與光柵移動方向垂直與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距同步性：光柵移動一個柵距 莫爾條紋移動一個間距一方向對應莫爾條紋移動一個間距一方向對應放大性：夾角放大性：夾角很小很小 BW 光學放大光學放大 提高靈敏度提高靈敏度可調性：夾角可調性：夾角 條紋間距條紋間距B 靈活靈活準確性：大量刻線準確性：大量刻線 誤差平均效應誤差平均效應 克服個別克服個別/局部誤差局部誤差 提高精度提高精度 B 圓光柵莫爾條紋圓光柵莫爾條紋光柵光柵 - 徑向光柵、切向光柵、環形光柵徑向光柵、切向光柵、環形光柵徑向圓光柵徑向圓光柵 切向圓光柵切向

25、圓光柵 徑向光柵的圓弧形莫爾條紋徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵兩塊徑向光柵 - 柵距角相同柵距角相同/ /不大偏心量不大偏心量光柵不同區域，光柵不同區域，柵柵線交角線交角不同不同- 圓弧形莫爾條紋圓弧形莫爾條紋 （不同曲率半徑）（不同曲率半徑）條紋寬度條紋寬度 - 隨位置變化隨位置變化偏心垂直位置上偏心垂直位置上- 條紋近似垂直于柵線條紋近似垂直于柵線偏心方向上偏心方向上- 條紋近似平行于柵線條紋近似平行于柵線- 橫向莫爾條紋橫向莫爾條紋- 縱向莫爾條紋縱向莫爾條紋其他位置其他位置 - 斜向莫爾條紋斜向莫爾條紋實際應用實際應用特例特例 - 光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）光閘莫爾條紋（同

26、心、柵距角相同）主光柵（一個柵距角）主光柵（一個柵距角）- 透光量（一個周期）透光量（一個周期）莫爾條紋莫爾條紋 - 圓弧形、圓弧形、 環形、輻射形環形、輻射形 切向光柵的環形莫爾條紋切向光柵的環形莫爾條紋兩塊切向光柵兩塊切向光柵 -柵距角相同柵距角相同/ /切線圓半切線圓半徑不同徑不同/ /同心疊合同心疊合環形莫爾條紋環形莫爾條紋 - 以光柵中心為圓心的同心圓簇以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度條紋寬度 - 隨條紋位置變化隨條紋位置變化應用：高精度角度測量和分度應用：高精度角度測量和分度- 全光柵平均效應全光柵平均效應優點：優點： 環形環形光柵的輻射形莫爾條紋光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環形光柵

27、兩塊環形光柵（相同）（相同）- 柵線相對柵線相對/ /不大的偏心量不大的偏心量輻射形莫爾條紋輻射形莫爾條紋 - 條紋近似直線條紋近似直線/呈輻射狀呈輻射狀特點：條紋數目特點：條紋數目/位置位置 - 偏心量大小偏心量大小/ 圓心連線方向圓心連線方向光柵旋轉光柵旋轉 - 條紋數目條紋數目/位置（不變）位置（不變）偏心量（一個柵距）偏心量（一個柵距）- 莫爾條紋數目莫爾條紋數目增加一條（一個象限內）增加一條（一個象限內）應用：主軸偏移、晃動應用：主軸偏移、晃動播放中播放中圓弧莫爾條紋播放動畫播放動畫光閘莫爾條紋播放動畫播放動畫環形莫爾條紋播放動畫播放動畫播放中播放中單擊準備演示單擊準備演示輻射形莫爾

28、條紋播放動畫播放動畫 計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續的透光區和不透光區。1 莫爾條紋測長儀在檢測技術中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優于0.1m。 黑白光柵 莫爾條紋光柵原理莫爾條紋光柵原理 構成：構成： 主光柵主光柵-標尺光柵，標尺光柵，定光柵定光柵；指示光柵指示光柵-動光柵動光柵 計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標尺光柵和指示光柵的刻線

29、寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。 在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角，光柵節距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是周期性函數。 計量光柵主光柵指示光柵 這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，條紋方向與刻線方向近似垂直。通常在光柵的適當位置安裝光敏元件，即可檢測到亮暗變化。 當指示光

30、柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個周期。 由于光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關系式： sinPB 莫爾條紋有如下特征： 1）平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。 2）對應關系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵

31、刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。 3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角而改變。越小，B 越大，相當于把微小的柵距P擴大了 1/sin 倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。 例，對25線/mm的長光柵而言，P0.04mm，若=0.016rad，則B = 2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。 計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝間隙無關。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光

32、強的變化。 4）莫爾條紋移過的條紋數與光柵移過的刻線數相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了x mm（也就是移過了100 x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100 x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產生的電脈沖信號計數，就可知道移動的實際距離了。 光電傳感器輸出信號波形光電傳感器輸出信號波形 當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應照射在光電池上的光強度發生一個周期的變化，使輸出電信相應照射在光電池上的光強度發生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖

33、：號周期變化，其輸出波形如圖： 由此可知，只要計算輸出電壓的周期數，便可測出位移量。由此可知，只要計算輸出電壓的周期數，便可測出位移量。從而實現了位移量向電量的轉換。在一個周期內，輸出波形的變從而實現了位移量向電量的轉換。在一個周期內，輸出波形的變化是位移在一個柵距內變化的余弦函數，每一周期對應一個柵距。化是位移在一個柵距內變化的余弦函數，每一周期對應一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題： 辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向；辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向； 精度低；分辨力只有一個柵距精度低；分辨力只有

34、一個柵距P P。 辨向原理：辨向原理： 用兩個光電元件相距用兩個光電元件相距B/4安裝（相當于相差安裝（相當于相差90空間角，空間角，B: 2=B/4: /2），如圖所示，可以解決辨向問題。），如圖所示，可以解決辨向問題。 當條紋上移時，當條紋上移時，V2落后于落后于V1 90。 當條紋下移時，當條紋下移時，V2超前于超前于V1 90。 因此，由因此，由V1、V2之間的相位關系可以之間的相位關系可以 判別運動方向。判別運動方向。 細分技術細分技術（解決精度問題）（解決精度問題） 當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為

35、測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎上，經過信號調節環節對信號進行細分，雙光電元件的基礎上，經過信號調節環節對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。其電路框圖如圖所示。 4P莫爾條紋的應用莫爾條紋測長儀分長光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應用于： 光柵數顯表光柵傳感器在位置控制中的應用軸環式數顯表1.機械測長和數控機床中。 代表性產品：代表性產品： 德國德國Heideai（海德漢）

36、：（海德漢）：封閉式：量程封閉式：量程3000，分辨力，分辨力0.1 開放式：量程開放式：量程1440，分辨力，分辨力0.01開放式：量程開放式：量程270 分辨力分辨力1英國英國Renishaw（雷尼紹）：（雷尼紹）： 量程：任意分辨力：量程：任意分辨力： 0.1 0.01 中國長春光機所：中國長春光機所： 量量 程：程：1000mm 分辨力：分辨力：0.01 2 激光測距儀(1)(1) 脈沖激光測距儀脈沖激光測距儀脈沖激光測距利用了激光的發散角小，能量空間相對集中的優點。同時還利用了激光脈沖持續時間極短，能量在時間上相對集中的特點。因此瞬時功率很大，般可達兆瓦級。由于上述兩點，脈沖激光測距

37、在有反射器的情況下，可以達到極遠的測程；進行近距離(幾公里)測量時，如果測量精度要求不高，不必使用反射器，利用被測目標對脈沖激光的反射取得反射信號，也可以進行測距。 在在1處產生的激光，經過待測的路程射向處產生的激光，經過待測的路程射向2處。在處。在2處裝處裝有向有向1處反射的裝置，處反射的裝置，1處至處至2處間的距離處間的距離D是待測的。如果是待測的。如果在在1處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從處有一種裝置，它能夠測出脈沖激光從1處到達處到達2處再返處再返回回1處所需要的時間處所需要的時間t，則，則 式中式中 c 為光的傳播速度。為光的傳播速度。脈沖激光測距的工作原理脈沖激光測距的工作原理2

38、/ tcD 取樣器激光器測器光電檢時鐘振蕩器電子門計數器控制電路放大電路整形電路復原電路發射光束回波光束啟動按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測距儀原理方塊圖它由脈沖激光發射系統、接收系統、控制電路、時鐘脈沖振蕩器以及計數顯示電路等組成. 由光電器件得到的電脈沖，經放大器以后，輸出一定形狀的由光電器件得到的電脈沖，經放大器以后，輸出一定形狀的負脈沖至控制電路。由參考信號產生的負脈沖負脈沖至控制電路。由參考信號產生的負脈沖A(圖圖(d)經控制電經控制電路去打開電子門。這時振蕩頻率一定的時鐘振蕩器產生的時鐘路去打開電子門。這時振蕩頻率一定的時鐘振蕩器產生的時鐘脈沖，可以通過電子門進入計數顯示電路，計時開始

39、。當反射脈沖，可以通過電子門進入計數顯示電路，計時開始。當反射回來經整形后的測距信號回來經整形后的測距信號B到來時，關閉電子門，計時停止。計到來時，關閉電子門，計時停止。計數和顯示的脈沖數如圖數和顯示的脈沖數如圖(g)所示。從計時開始到計時停止的時間所示。從計時開始到計時停止的時間正比于參考信號與測距信號之間的時間。正比于參考信號與測距信號之間的時間。 則被測距離為：則被測距離為：取樣器激光器測器光電檢時鐘振蕩器電子門計數器控制電路放大電路整形電路復原電路發射光束回波光束啟動按鈕小孔光闌干涉濾光片脈沖測距儀原理方塊圖2/ncD(2) 相位激光測距儀測距用的調制光波形如圖所示，若其調制頻率為f，

40、光速為c，則波長可由式=c/f求出。光波每前進一個波長相當于相位變化了2則距離D可表示為：2,nnND“光尺”測量距離原理圖發射接收回波強調制正弦光棱鏡合作目標0DD測距時，調制激光照在合作目標上，被反回接收經光電轉換后得到相同的電信號，與光源的驅動電壓相比較，測得相位差，由相位差可算得所測距離。 為了便于理解測距儀的測相系統,對光波往返二倍距離后的相位移進行測量，圖中說明了光波在距離L上往返后的相位變化。如果設光波從A到A點的傳播過程中相位變化(又稱為相位移)為，則由圖看出，被測距離為：nNLnNDs2fcLns22,2 由上分析可知，如果測得光波相位移中2的整數N和小數n，就可以確定出被測距離值，所以調制光波可以被認為是一把“光尺”，其波長就是相位式激光測距儀的“測尺”長度。 式中當N等于0時，fc，LLnLnDsss2222 可由檢相器檢出，得被測距離，但當N不等于0時，N的大小不能確定，出現測量誤差。目前的相位測距儀只可測相位尾數，不能求整周期數N，因此在測距離較長時，選用較低的測尺頻率便會有很大的誤差（多值解），而且由于儀器存在測量誤差，選用大的測尺長度愈大測距誤差越大。解決方法就是采用幾個精度不同的“光尺”配