非光物理量的檢測技術(shù)第一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五1本章的主要內(nèi)容8.1光強型光電檢測系統(tǒng)8.2脈沖型光電檢測系統(tǒng)8.3相位型和頻率型光電檢測系統(tǒng)8.4利用物理光學(xué)原理的光電檢測系統(tǒng)8.5其它光電檢測系統(tǒng)第二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五28.1光強型光電檢測系統(tǒng)8.1.1補償式軸徑檢測裝置

8.1.2利用比較法檢測透明薄膜的厚度8.1.3圓形物體偏心度的光電檢測8.1.4對圓柱形零件的外觀檢查主要包括以下幾部分內(nèi)容：有直接（變換）測量法；補償法（差分變換）等。第三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五38.1.1補償式軸徑檢測裝置該裝置利用光量變化對軸徑進行補償式檢測。其工作原理如圖8-12所示。圖8-12光門補償式軸徑檢測原理圖其中放大器輸出電壓U0為式中，K為放大器的放大倍數(shù)。

(8-15)

第四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五4(8-15)

8.1.2利用比較法檢測透明薄膜的厚度采用比較法原理測量透明薄膜厚度的裝置如圖8-13所示。

圖8-13比較法薄膜厚度檢測原理

按照介質(zhì)對光吸收的指數(shù)衰減定律有式中，Iλ透過物體的單色光強度；Iλ0為射入物體的單色光強度；d為吸收物體的厚度；kλ為物體對單色光的吸收系數(shù)。第五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五58.1.3圓形物體偏心度的光電檢測

測定圓形回轉(zhuǎn)體偏心度的原理如圖8-15所示。

圖8-15偏心度的檢測原理

第六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五68.1.4對圓柱形零件的外觀檢查該裝置原理如圖8-18所示。采用反射掃描方式進行檢測。

圖8-18圓柱外觀檢測機構(gòu)原理

第七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五78.2脈沖型光電檢測系統(tǒng)8.2.1物體長度分檢裝置原理

8.2.2液位高度控制器

8.2.3光電探測信號碼的工作原理8.2.4利用測量脈沖頻率測定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速8.2.5利用脈沖持續(xù)時間測定零件尺寸8.2.6脈沖激光測距本節(jié)主要包括：第八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五88.2.1物體長度分檢裝置原理

如圖8-19所示為按長度自動分選的裝置，在傳送帶的兩側(cè)分別配制兩組光源—探測器對5、7和6、8，它們光軸間的距離恰應(yīng)等于產(chǎn)品所需分類的長度。圖8-19按長度自動分選的裝置第九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五9如果工作中要對產(chǎn)品長度進行控制，則可采用圖8-20所示的三組光源一探測器對的方法。圖8-20產(chǎn)品長度檢控裝置

圖8-21長度檢控邏輯圖第十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五108.2.2液位高度控制器

液位高度的控制方法很多，這里介紹一種光電脈沖繼電器型的方法。其工作原理如圖8-22所示。圖8-22繼電器型液位高度控制器

第十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五118.2.3光電探測信號碼的工作原理

為區(qū)別傳送帶上同樣大小箱子中的不同物體，可在箱體外部某個確定的位置上，統(tǒng)一按物類信息預(yù)先印上不同的二進制信號碼。分類時用光電探測這些信號碼，來區(qū)分不同的物類或其它所需的物類特征信息。光電探測信號碼的工作原理如圖8-23所示。圖8-23光電信號碼探測器

第十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五128.2.4利用測量脈沖頻率測定轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速

脈沖法測定圓盤轉(zhuǎn)速的原理如圖8-25所示。圖8-25脈沖法轉(zhuǎn)速測定原理

光源通過轉(zhuǎn)動圓盤上的小孔為光電接收器GD提供光脈沖。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、放大和整形等電路輸出脈沖信號。設(shè)電機轉(zhuǎn)速是n(r/min)，圓盤上均勻開口數(shù)目為m，于是輸出脈沖的頻率為f＝nm／60(Hz)，則有(8-17)

第十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五138.2.5利用脈沖持續(xù)時間測定零件尺寸

脈沖法測定軸徑的原理如圖8-26所示。脈寬的脈沖計數(shù)原理如圖8-27所示。

圖8-26脈沖法測定軸直徑原理

圖8-27脈寬的脈沖計數(shù)原理第十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五14如圖8-28所示是利用光電方法在勻速運動速度為v的傳送帶上測定零件長度的方法。通過測定光電探測器產(chǎn)個暗脈沖的持續(xù)時間t，測定零件的長度l。其關(guān)系為。圖8-28傳送帶上工件長度檢測

第十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五158.2.6脈沖激光測距

脈沖激光測距原理是利用對激光傳播往返時間的測量來完成測距。當(dāng)所計往返時間為t、光速為c，那么所測距離l為（8-20）脈沖激光測距的方框圖如圖8-31所示。由脈沖激光發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)、控制電路、時鐘脈沖振蕩器和計數(shù)顯示電路等組成。各脈沖波形之間的相互關(guān)系如圖8-32所示。

圖8-31脈沖激光測距方框圖

圖8-32脈沖波間的關(guān)系

第十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五168.3相位型和頻率型光電檢測系統(tǒng)8.3.1激光相位測距法

8.3.2激光光波比長儀

8.3.3雙頻激光干涉測長系統(tǒng)本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：第十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五178.3.1激光相位測距法

該方法的原理是基于受正弦調(diào)制的激光波束，通過測定波束傳播過程中相位的變化來確定待測的距離。設(shè)調(diào)制波形如圖8-33所示，若調(diào)制頻率為f，光速為c，調(diào)制波波長λ＝c/f。調(diào)制光波的相位在傳播中不斷變化，設(shè)調(diào)制波從A到B的傳播過程中相位的變化為，其值可用下式表示（8-21）式中，M為零或正整數(shù)，相位變化的整周期數(shù)；m為小數(shù)，為，相位變化不足一周期的尾數(shù)。調(diào)制光波每前進一個波長，相當(dāng)于相位變化2。與相位變化相對應(yīng)的傳播距離l為（8-22）圖8-33調(diào)制波形第十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五18實際測距時，在調(diào)制波形B點的對應(yīng)處設(shè)置角反射器，使調(diào)制波束返回到測距機處，由專門的測相系統(tǒng)測定經(jīng)2l距離傳播后相位的變化量。可用圖8-34所示的展開波形來說明。AB=BA′,AA′＝2l，于是有（8-23）或（8-24）式中，相當(dāng)于測尺的長度。圖8-34往返波形展開圖第十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五198.3.2激光光波比長儀

激光光波比長儀是以激光器作為光源的干涉儀，如圖8-35所示。它以麥克爾遜干涉儀為基礎(chǔ)。圖8-35激光光波比長儀的工作原理

待測零件的長度可由下式得出式中，l為待測物體長度；為激光的波長；N為計數(shù)器測得的脈沖數(shù)。（8-25）第二十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五208.3.3雙頻激光干涉測長系統(tǒng)

該系統(tǒng)采用了雙頻激光干涉法，除可獲得高測量精度外，對環(huán)境要求不高，適合現(xiàn)場使用。雙頻激光群是利用塞曼效應(yīng)的氮氖激光器。即在氦氖激光器的軸向增加一磁場，使其原發(fā)射的主頻線分解為兩個旋轉(zhuǎn)方向相反的圓偏振光，且這兩束光之間有著不大的頻差。由于激光具有良好的空間和時間的相干性，因此上述兩束光之間雖有少量的頻差，但相遇時仍能產(chǎn)生干涉。這樣的干涉常稱為“拍”。設(shè)振幅相同的兩束光，其頻率稍有不同，則其合成振動為：（8-26）將其分解并組合后有

式中，A為光波的振幅；f1,f2為兩束光的頻率，1，2―兩束光的初相角；為兩束光的頻差；其他參量間的關(guān)系為第二十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五21合成振動的光強與振幅平方成正比：

（8-27）光強隨時間變化，相鄰兩最大光強或兩對應(yīng)光強間的時間間隔為（8-28）可見光強以f為頻率，在0~4A2之間變化，把f叫作拍頻。采用光電探測器接收這一光強變化，就可獲得以f為拍頻的周期性電信號。設(shè)棱鏡移動速度為v，則引起的頻率變化為：減法器輸出的脈沖數(shù)N為

則有式中，2頻率為f2的激光波長，，（8-29）（8-30）（8-31）第二十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五228.4利用物理光學(xué)原理的光電檢測系統(tǒng)8.4.1利用衍射測量細絲的直徑

8.4.2利用偏振光全反射檢測液面的裝置8.4.3利用全發(fā)射和干涉原理的測力計

本節(jié)主要包括以下幾部分內(nèi)容：第二十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五238.4.1利用衍射測量細絲的直徑測量裝置原理如圖8－39所示。當(dāng)用激光器或平行光束照射細絲2時，在其后較遠的屏幕3上能獲得細絲的夫瑯和菲衍射圖。O點為中央亮紋，能量最多，各級暗紋和亮紋對稱地分布在兩側(cè)。被測細絲2的直徑d可依據(jù)衍射定律計算式中,為光束的波長，L為細絲到屏幕之間的距離，s為衍射條紋相鄰兩暗紋之間或除中央亮紋外，相鄰亮紋之間的距離。圖8-39利用衍射測定絲徑

（8-35）第二十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五248.4.2利用偏振光全反射檢測液面的裝置全偏振角ic又叫作布儒斯特角，表示為自然光以全偏振角入射到兩介質(zhì)介面上時，反射光中只有垂直于入射面振動的光束，而無平行于入射面振動的光束。也就是說，反射光是線偏振光。利用偏振光全反射檢測液面位置的原理如圖8-41所示。圖8-41偏振光全反射檢測液面的原理（8-37）第二十五頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五25設(shè)棱鏡折射率為n1，液體折射率為n2，液面以上折射率為n‘2。于是滿足全偏振角的關(guān)系為

滿足全反射角的關(guān)系為

利用的關(guān)系，經(jīng)整理后有（8-38）（8-39）第二十六頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五268.4.4利用雙折射和干涉原理的測力計該裝置利用人工雙折射原理和偏振光干涉原理設(shè)計而成。當(dāng)起偏振器、檢偏振器和雙折射晶體按圖8-42放置，從檢偏振器輸出的光通量與通過起偏振器的光通量0間有以下關(guān)系

式中，、分別為通過晶體尋常光與非尋常光之間的光程差和相位差。在圖8-42的裝置中，由雙折射產(chǎn)生的尋常光與非尋常光的光程差為式中，F(xiàn)為垂直作用于人工雙折射晶體表面的力；C為由材料決定的常數(shù)。通過檢偏振器的光通量為圖8-42偏振器與晶體的放置

（8-40）（8-40）（8-41）第二十七頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五27圖8-43所示為光電測力計的結(jié)構(gòu)原理。圖8-43光電測力計的原理圖第二十八頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五288.5其他光電檢測系統(tǒng)8.5.1

鋼板寬度的非接觸自動測量

8.5.2激光多普勒(Doppler)測速技術(shù)

此外，光電檢測技術(shù)在跟蹤，制導(dǎo)；在激光照排，復(fù)印，打印，光盤存儲；在醫(yī)用圖像傳感的方面的典型應(yīng)用。第二十九頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五298.5.1

鋼板寬度的非接觸自動測量

如圖10-1所示為采用兩個線陣CCD圖像傳感器對鋼板寬度進行非接觸自動測量系統(tǒng)原理圖。探測器1與探測器2分別安裝在同一個支撐架的兩端，它們的中心距（如圖所示）為l0。

第三十頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五30⒈

寬度測量原理

如圖10-2所示為寬度測量的原理方框圖。穩(wěn)定的遠心照明光源1與2發(fā)出的光使被測鋼板的邊沿能夠被成像物鏡清楚地成像在兩個線陣CCD的像敏面上，CCD1與CCD2在同步脈沖的驅(qū)動下分別輸出如圖10-3所示的信號U1與U2。

經(jīng)二值化處理或A/D轉(zhuǎn)換在提取邊界（軟件二值化處理），得到如圖10-3所示的二值化信號D1與D2。D1的下降沿對應(yīng)于CCD1的第N1個像敏單元，D2的上升沿對應(yīng)于第三十一頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五312.測量范圍與測量精度CCD2的第N2個像敏單元，它們又分別表示鋼板邊緣的像在CCD1與CCD2像敏面上的位置。因此，可以推導(dǎo)出鋼板的寬度的計算公式，為

（10-1）

式中，β1與β2分別為兩個探測器光學(xué)成像物鏡的橫向放大倍率，S0為CCD像敏單元長，式中的正負號要根據(jù)CCD的安裝方向確定。

（1）測量范圍

鋼板寬度的測量測量范圍與兩探測器的中心距l(xiāng)0有關(guān)，第三十二頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五32即與探測器安裝架的調(diào)整與鎖定方式有關(guān)。由式（10-1）可見，鋼板的寬度L直接與l0有關(guān)，若l0可以大范圍的調(diào)整與鎖定，系統(tǒng)的測量范圍將會很大。另外，寬度的測量范圍還與兩探測器成像物鏡的橫向放大倍率β1與β2有關(guān)，與所選用的CCD像敏單元長及像元數(shù)N等參數(shù)有關(guān)。

（2）

測量精度

對式（10-1）取微分，由于系統(tǒng)確定后除像元數(shù)N1與N2外的其他參數(shù)均為常數(shù)，因此

(10-2)顯然，測量精度與CCD的像元長度S0、光學(xué)系統(tǒng)的放大倍率β等參數(shù)有關(guān)。第三十三頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五333.測量速度

線陣CCD測量周期為其轉(zhuǎn)移脈沖SH的周期T，它由所選線陣CCD的像元數(shù)N及驅(qū)動頻率f決定，（10-3）

式中，Nd為大于線陣CCD虛設(shè)單元的任意數(shù)（由設(shè)計驅(qū)動器者決定）。顯然，N與Nd值越大，SH的周期T越長，而提高驅(qū)動頻率f將縮短SH的周期T，提高測量速度。若驅(qū)動頻率為數(shù)MHz，測量周期常為ms量級。第三十四頁，共三十七頁，編輯于2023年，星期五348.5.2激光多普勒(Doppler)測速技術(shù)

1842年奧地利科學(xué)家Doppl