光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用

第九章光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用光電技術(shù)集中了光學(xué)、電子學(xué)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)和家庭生活等各領(lǐng)域。一般都要涉及光輻射信息轉(zhuǎn)換為電信息的問題，使光電檢測技術(shù)成為光電技術(shù)的核心與重要組成局部。

9.1微弱光信號(hào)檢測技術(shù)9.2光電開關(guān)與光電斷續(xù)器9.3條形碼技術(shù)9.4光電測繪技術(shù)9.5其它應(yīng)用9.1微弱光信號(hào)檢測技術(shù)光電檢測中常遇到待測信號(hào)被噪聲淹沒的情況。從噪聲中提取、恢復(fù)和增強(qiáng)信號(hào)成為這類檢測系統(tǒng)的關(guān)鍵。因噪聲通常隨機(jī)發(fā)生，分布的頻譜范圍很寬，而信號(hào)所占頻帶較集中，一般與噪聲不重疊也不同步。因此，降低噪聲、改善信噪比的根本方法可以采用壓縮檢測通帶寬的方法。常用弱光信號(hào)檢測技術(shù)：鎖相放大器、取樣積分器和光子計(jì)算器。一.鎖相放大器它是一種對(duì)交變信號(hào)進(jìn)行相敏檢波的放大器。利用與被測信號(hào)有相同頻率和相位關(guān)系的參考信號(hào)作為比較基準(zhǔn)，只對(duì)被測信號(hào)本身和那些與參考信號(hào)同頻〔或倍頻〕、同相的噪聲分類有響應(yīng)，故能大幅度抑制無用噪聲，改善信噪比，并且具有很高的檢測靈敏度，信號(hào)處理比較簡單。1962年第一臺(tái)儀器問世。據(jù)統(tǒng)計(jì)，已在幾百種場合中得到應(yīng)用。在弱信號(hào)探測儀器中鎖定放大器是一個(gè)非常重要的品種。信噪比可低達(dá)10-5。BW=0.0004Hz〔相當(dāng)于Q值=108〕。輸出信號(hào)DC選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號(hào)AC參考信號(hào)AC信號(hào)通道：對(duì)混有噪聲的初始信號(hào)進(jìn)行選頻放大、對(duì)噪聲作初步窄帶濾波相敏檢波：所用參考信號(hào)是方波形式。參考和輸入信號(hào)先混頻得到和頻和差頻，又經(jīng)低通濾波器，得到幅值與輸入信號(hào)成比例的直流輸出分量。前放混頻乘法器低通濾波器鎖相放大器的組成方框圖參考通道：通過鎖相、移相提供一個(gè)與被測信號(hào)同頻、同相的參考電壓1.構(gòu)成2.鎖相放大器的原理鎖相放大器〔Lock-in-Amplifier〕實(shí)際上是一個(gè)模擬的傅立葉變換器，鎖相放大器的輸出是一個(gè)直流電壓，正比于是輸入信號(hào)中某一特定頻率〔參考輸入頻率〕的信號(hào)幅值，而輸入信號(hào)中的其它頻率成份將不能對(duì)輸出電壓構(gòu)成任何奉獻(xiàn)。適用范圍：鎖相放大器被用來偵測和量測非常小的交流信號(hào)直至數(shù)個(gè)nV。甚至當(dāng)信號(hào)被比它大數(shù)千倍噪聲掩蓋時(shí)，也可以做正確的量測。主要優(yōu)點(diǎn):“窄的頻寬〞能將電路特定的頻率與相位抓出，并濾除噪聲，可準(zhǔn)確測量信號(hào)?！睱ock-in-Amplifier因有相位識(shí)別功能，能將電路中特定頻率、相位鎖住，過濾其它噪聲量測出正確的信號(hào)?！?.鎖相放大技術(shù)的四個(gè)根本環(huán)節(jié)：通過調(diào)制或斬光，將被測信號(hào)由零頻范圍轉(zhuǎn)移到設(shè)定的高頻范圍內(nèi)。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；在調(diào)制頻率上對(duì)有用信號(hào)進(jìn)行選頻放大；在相敏檢波中對(duì)信號(hào)解調(diào)。同步解調(diào)作用截?cái)嗔朔峭皆肼曅盘?hào)，使輸出信號(hào)的帶寬限制在極窄的范圍內(nèi)；通過低通濾波器對(duì)檢波信號(hào)進(jìn)行低通濾波。4.特點(diǎn)：要求對(duì)入射光束進(jìn)行斬光或光源調(diào)制，適用于調(diào)幅光信號(hào)的檢測；極窄帶、高增益放大器，增益可達(dá)1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流－直流信號(hào)變換器；可以補(bǔ)償光檢測中的背景輻射噪聲和前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達(dá)1000倍。二.取樣積分器〔Boxcar平均器〕取樣積分器(Boxcar)，是一種微弱信號(hào)檢測系統(tǒng)。它在原理上是很古老的，它利用周期性信號(hào)的重復(fù)特性，在每個(gè)周期內(nèi)對(duì)信號(hào)的一局部取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個(gè)周期內(nèi)取樣平均信號(hào)的總體便展現(xiàn)了待測信號(hào)的真實(shí)波形。因?yàn)樾盘?hào)提取(取樣)是經(jīng)過屢次重復(fù)的，而噪聲屢次重復(fù)的統(tǒng)計(jì)平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號(hào)波形。利用取樣和平均化技術(shù)測定深埋在噪聲中的周期性信號(hào)的測量裝置。根據(jù)被測信號(hào)的形式可分為定點(diǎn)和掃描測量方式。A1A2門脈沖門延時(shí)整形器掃描發(fā)生器輸入放大器取樣開關(guān)積分器輸出放大器輸出信號(hào)參考輸入固定觸發(fā)輸入信號(hào)1.運(yùn)行步驟：·利用檢測光脈沖的鼓勵(lì)源取得與輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號(hào)；·利用門延時(shí)和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時(shí)延或時(shí)延與時(shí)間成線性關(guān)系的可調(diào)脈寬取樣脈沖串；·取樣脈沖控制取樣開關(guān)對(duì)連續(xù)的周期性變化信號(hào)進(jìn)行掃描取樣；·積分器對(duì)取樣信號(hào)進(jìn)行屢次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號(hào)。2.特點(diǎn)：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號(hào)波形測量或單個(gè)光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同步的鼓勵(lì)信號(hào)；是一個(gè)取樣放大器，在每個(gè)信號(hào)脈沖周期內(nèi)只取一個(gè)輸入信號(hào)值；在屢次取樣過程中，門積分器對(duì)被測信號(hào)的屢次取樣值進(jìn)行線性疊加，而對(duì)隨機(jī)噪聲是矢量疊加，所以對(duì)信號(hào)有恢復(fù)和提取作用；在測量占空比小于50％的窄脈沖光強(qiáng)度下，信噪比好于鎖相放大器；用掃描方式測量信號(hào)波形時(shí)能得到100ns的時(shí)間分辨率；雙通道系統(tǒng)能提供自動(dòng)背景和輻射源補(bǔ)償。三.光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)一種利用光電倍增管檢測光子能量的功能，通過光電子計(jì)數(shù)方法測量極微弱光脈沖信號(hào)的裝置。1.類型：根本的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)(主要介紹)源補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)背景補(bǔ)償?shù)墓庾佑?jì)數(shù)系統(tǒng)PMT比例計(jì)計(jì)數(shù)器數(shù)模轉(zhuǎn)換器放大器光子參考電壓光子脈沖噪聲計(jì)數(shù)脈沖鑒別器模擬輸出數(shù)字輸出模擬輸出根本的光子計(jì)數(shù)系統(tǒng)入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸入信號(hào)脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個(gè)脈沖高達(dá)鑒別器上，從中別離出單光子脈沖，再用計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)光子脈沖數(shù)。計(jì)算出一定時(shí)間間隔內(nèi)的計(jì)數(shù)值，以數(shù)字和模擬形式輸出。2.根本過程：用光電倍增管檢測弱光的光子流，形成包括噪聲信號(hào)在內(nèi)的輸出光脈沖；利用脈沖幅度鑒別器鑒別噪聲脈沖和多光子脈沖，只允許單光子脈沖通過；利用光子脈沖計(jì)數(shù)器檢測光子數(shù)，根據(jù)測量目的，折算出被測參量；為補(bǔ)償輻射源或背景噪聲的影響，可采用雙通道測量方法。3.特點(diǎn)：只適于極弱光測量，不能測量包含許多光子的短脈沖強(qiáng)度；良好的信噪比；必需選擇帶有制冷器的光電倍增管；不用數(shù)模轉(zhuǎn)換即可提供數(shù)字輸出。9.2光電開關(guān)及光電斷續(xù)器

從原理上講，光電開關(guān)及光電斷續(xù)器沒有太大的差異，都是由紅外線發(fā)射元件與光敏接收元件組成，其光電檢測的輸出的是開關(guān)量。只是光電斷續(xù)器是整體結(jié)構(gòu)，其檢測距離只有幾毫米至幾十毫米，而光電開關(guān)的檢測距離可達(dá)幾米至幾十米。一、光電開關(guān)的結(jié)構(gòu)和分類

光電開關(guān)可分為遮斷型和反射型兩大類。遮斷型光電開關(guān)的發(fā)射器和接收器相對(duì)安放，軸線嚴(yán)格對(duì)準(zhǔn)。當(dāng)有物體在兩者中間通過時(shí)，紅外光束被遮斷，接收器接收不到紅外線而產(chǎn)生一個(gè)負(fù)脈沖信號(hào)。遮斷型光電開關(guān)的檢測距離一般可達(dá)十幾米，對(duì)所有能遮斷光線的物體均可檢測。

遮斷式光電開關(guān)原理ObjectReceiver遮斷式光電開關(guān)由相互別離且相對(duì)安裝的光發(fā)射器和光接受器組成。當(dāng)被檢測物體位于發(fā)射器和接受器之間時(shí)，光線被阻斷，接受器接受不到紅外線而產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。被檢測物體光發(fā)射器光接收器2024/1/1519光電開關(guān)在流水線上的應(yīng)用送料器定區(qū)域式光電開關(guān)咖啡罐流水線運(yùn)行方向罐裝高度檢測儲(chǔ)料倉落料口遮斷式光電開關(guān)〔計(jì)數(shù)〕光幕

兩個(gè)柱形結(jié)構(gòu)相對(duì)而立，每隔數(shù)十毫米安裝一對(duì)發(fā)光二極管和光敏接收管，形成光幕，當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

當(dāng)有物體遮擋住光線時(shí)，傳感器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，起保護(hù)、預(yù)警等作用。光線被遮斷〔報(bào)警〕

光幕應(yīng)用光幕應(yīng)用〔續(xù)〕產(chǎn)品高度測量光幕應(yīng)用〔續(xù)〕

三維尺寸檢測寬度測量長度測量高度測量光幕應(yīng)用〔續(xù)〕糾偏

光幕可檢測出帶材在卷曲過程中的偏移，經(jīng)控制器和執(zhí)行機(jī)構(gòu)使帶材向正確的方向運(yùn)動(dòng)（糾偏）。光幕應(yīng)用(續(xù))平安區(qū)示警反射型光電開關(guān)反射型光電開關(guān)分為兩種情況：反射鏡反射型及被測物漫反射型〔簡稱散射型〕。反射鏡反射型光電開關(guān)采用較為方便的單側(cè)安裝方式，但需要調(diào)整反射鏡的角度以取得最正確的反射效果。反射鏡通常使用三角棱鏡，它對(duì)安裝角度的變化不太敏感，有的還采用偏光鏡，它能將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光〔波動(dòng)方向嚴(yán)格一致的光〕反射回去，提高抗干擾能力。反射型光電開關(guān)及反射鏡外形三角反射鏡集發(fā)射、接收器于一身反射鏡反射型光電開關(guān)工作原理反射鏡反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體，與反射鏡相對(duì)安裝配合使用。反射鏡使用偏光三角棱鏡，能將發(fā)射器發(fā)出的光轉(zhuǎn)變成偏振光反射回去，光接收器外表覆蓋一層偏光透鏡，只能接受反射鏡反射回來的偏振光。反射板反射鏡被測物體偏振光發(fā)射光被測物漫反射型光電開關(guān)原理漫反射光線反射光線被檢測物體光發(fā)射器和光接受器發(fā)射光線漫反射型光電開關(guān)集光發(fā)射器和光接受器于一體。當(dāng)被測物體經(jīng)過該光電開關(guān)時(shí)，發(fā)射器發(fā)出的光線經(jīng)被測物體外表反射由接受器接受，于是產(chǎn)生開關(guān)信號(hào)。額定距離漫反射型光電開關(guān)的應(yīng)用調(diào)制型光電開關(guān)原理光電開關(guān)的LED多采用中頻〔40kHz左右〕窄脈沖電流驅(qū)動(dòng)，從而發(fā)射40kHz調(diào)制光脈沖。相應(yīng)地，接收光電元件的輸出信號(hào)經(jīng)40kHz選頻交流放大器及專用的解調(diào)芯片處理，可以有效地防止太陽光、日光燈的干擾，又可減小發(fā)射LED的功耗。

智能化自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)常規(guī)反射型光電開關(guān)的動(dòng)作距離是不變的〔與型號(hào)有關(guān)〕，當(dāng)檢測流水線上的漫反射物體時(shí)，必須調(diào)節(jié)安裝距離，十分不方便。自學(xué)習(xí)型光電開關(guān)上設(shè)置了一只閾值開關(guān)，當(dāng)流水線上的被檢測物體到達(dá)光電開關(guān)面前時(shí)，按下閾值開關(guān)數(shù)秒，待“學(xué)習(xí)〞指示燈閃亮停止后，內(nèi)部的微處理器就記住了兩者之間的距離，就能在一定的允許范圍內(nèi)，可靠地對(duì)之后來到的被檢測物體作出反響。當(dāng)流水線上的被檢測品種改變時(shí)，只需再次“學(xué)習(xí)〞，而不必調(diào)節(jié)機(jī)械安裝螺絲。外表反射率對(duì)于漫反射式光電開關(guān)發(fā)出的光線需要被檢測物外表將足夠的光線反射回接收器，所以檢測距離和被檢測物體的外表反射率及粗糙程度將決定接收器接收到光線強(qiáng)度，被檢測物體的外表還應(yīng)盡量垂直于光電開關(guān)的發(fā)射光線。二、光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器也可分為遮斷型和反射型兩種。遮斷型光電斷續(xù)器也稱為槽式光電開關(guān)，通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)。其發(fā)射器和接收器做在體積很小的同一塑料殼體中，分別位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，兩者能可靠地對(duì)準(zhǔn)，為安裝和使用提供了方便。當(dāng)被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開關(guān)就產(chǎn)生表示檢測到的開關(guān)量信號(hào)。槽式光電開關(guān)比較可靠，較適合高速檢測。反射式光電斷續(xù)器光電斷續(xù)器是較廉價(jià)、簡單、可靠的光電器件。它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、生產(chǎn)流水線、機(jī)電一體化設(shè)備、辦公設(shè)備和家用電器中。光電斷續(xù)器的發(fā)光二極管可以直接用直流電驅(qū)動(dòng)，亦可用40kHz尖脈沖電流驅(qū)動(dòng)；紅外LED的正向壓降約為1.1~1.3V，驅(qū)動(dòng)電流控制在20mA以內(nèi)。光電斷續(xù)器外形紅色光柱

齒盤每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，光電斷續(xù)器就輸出一個(gè)脈沖。通過脈沖頻率的測量或脈沖計(jì)數(shù)，即可獲得齒盤轉(zhuǎn)速和角位移。光電斷續(xù)器的應(yīng)用n

當(dāng)工件經(jīng)過光電斷續(xù)器時(shí)，接收器即產(chǎn)生一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖。光電斷續(xù)器的應(yīng)用〔續(xù)〕9.3條形碼技術(shù)條碼是由一組按特定規(guī)那么排列的條、空及其對(duì)應(yīng)字符組成的表示一定信息的符號(hào)。利用光電轉(zhuǎn)換能將條形碼圖形信息轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)能處理的二值化數(shù)值，從而為計(jì)算機(jī)識(shí)別。最早出現(xiàn)于20世紀(jì)40年代，是一種同心圓環(huán)代碼，稱作“公牛眼〞條碼。條碼識(shí)讀系統(tǒng)的組成1.概述條碼識(shí)讀系統(tǒng)是由掃描系統(tǒng)、信號(hào)整形、譯碼三局部組成。掃描系統(tǒng)由光學(xué)系統(tǒng)及探測器即光電轉(zhuǎn)換器件組成，它完成對(duì)條碼符號(hào)的光學(xué)掃描，并通過光電探測器，將條碼條空?qǐng)D案的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成為電信號(hào)。信號(hào)整形局部由信號(hào)放大、濾波、波形整形組成，它的功能是將條碼的光電掃描信號(hào)處理成為標(biāo)準(zhǔn)電位的矩形波信號(hào)，其上下電平的寬度和條碼符號(hào)的條空尺寸相對(duì)應(yīng)。譯碼局部一般由嵌入式微處理器組成，它的功能就是對(duì)條碼的矩形波信號(hào)進(jìn)行譯碼，其結(jié)果通過接口電路輸出到條碼應(yīng)用系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)終端。條碼符號(hào)的識(shí)讀原理?xiàng)l碼符號(hào)是由寬窄不同，反射率不同的條、空按照一定的編碼規(guī)那么組合起來的一種信息符號(hào)。條碼識(shí)讀是利用“色度識(shí)別〞和“寬度識(shí)別〞兼有的二進(jìn)制賦值方式。色度識(shí)別是由于條碼符號(hào)中條、空對(duì)光線具有不同的反射率，從而使條碼掃描器接受到強(qiáng)弱不同的反射光信號(hào)，相應(yīng)地產(chǎn)生電位高、低不同的電脈沖。寬度識(shí)別是由條碼符號(hào)中條、空的寬度來決定電位高、低不同的電脈沖信號(hào)的長短。由光源發(fā)出的光線經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)照射到條碼符號(hào)上面，被反射回來的光經(jīng)過光學(xué)系統(tǒng)成像在光電轉(zhuǎn)換器上，使之產(chǎn)生電信號(hào)。整形電路的脈沖數(shù)字信號(hào)經(jīng)譯碼器譯成數(shù)字、字符信息。它通過識(shí)別起始、終止字符來判別條碼符號(hào)的碼制及掃描方向；通過測量脈沖數(shù)字電信號(hào)0、1的數(shù)目來判別條和空的數(shù)目；通過測量0、1信號(hào)持續(xù)的時(shí)間來判別條和空的寬度。條碼識(shí)讀器的分類(1)從掃描方式來分類條碼識(shí)讀設(shè)備從掃描方式上可分為接觸和非接觸兩種條碼掃描器。接觸式識(shí)讀設(shè)備包括光筆與卡槽式條碼掃描器；非接觸式識(shí)讀設(shè)備包括CCD掃描器和激光掃描器。(2)從操作方式來分類條碼識(shí)讀設(shè)備從操作方式上可分為手持式和固定式兩種條碼掃描器。(3)按識(shí)讀碼制的能力來分類條碼掃描設(shè)備從原理上可分為光筆、CCD、激光和拍攝四類條碼掃描器。(4)從掃描方向來分條碼掃描設(shè)備從掃描方向上可分為單向和全向條碼掃描器。其中全向條碼掃描器又分為平臺(tái)式和懸掛式。常用的條碼識(shí)讀設(shè)備主要有：CCD掃描器、激光手持式掃描器和全向激光掃描器三種。常用識(shí)讀設(shè)備1．激光槍激光掃描器的掃描方式有單線掃描、光柵式掃描和全角度掃描三種方式。2．CCD掃描器這種掃描器主要采用了CCD(ChargeCoupledDevice)-電荷耦合裝置。CCD元件是一種電子自動(dòng)掃描的光電轉(zhuǎn)換器，也叫CCD圖像感應(yīng)器。它可以代替移動(dòng)光束的掃描運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，不需要增加任何運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，便可以實(shí)現(xiàn)對(duì)條碼符號(hào)的自動(dòng)掃描。一種是手持式CCD掃描器，另一種是固定式CCD掃描器。這兩種掃描器均屬于非接觸式，只是形狀和操作方式不同，其掃描機(jī)理和主要元器件完全相同。9.4光電測繪技術(shù)一、波帶板激光準(zhǔn)直激光準(zhǔn)直的方法利用激光方向性好的特點(diǎn)，將激光束通過望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)射出，在需要準(zhǔn)直的點(diǎn)上用光電探測器接收；利用激光相干性好的特點(diǎn)，在望遠(yuǎn)鏡前加設(shè)一個(gè)波帶板，此時(shí)在望遠(yuǎn)鏡前的一段距離內(nèi)，可觀察到由波帶板衍射效應(yīng)所形成的衍射圖樣，衍射圖樣中心光斑的連續(xù)，就是儀器所給的準(zhǔn)直線，它適用于長距離、高精度的準(zhǔn)直測量。系統(tǒng)組成〔1〕激光器點(diǎn)光源：采用小功率單模He-Ne立體激光器，輸出為高斯光束，并在一般場合下加有針孔光欄，直接約為0.1~0.5mm?！?〕波帶板：根據(jù)菲涅耳衍射原理設(shè)計(jì)，透光帶或遮光帶邊緣具有很高的位置精度，且透光局部有很好的透光性能，常為圓形波帶板。通常利用電化學(xué)工業(yè)在金屬薄板上形成透光孔而得到波帶板圖案?！?〕光電接收裝置：具有很高放大倍率的電子線路，一般采用調(diào)制光源以及相應(yīng)的帶有選頻放大的光電接收裝置。位移傳感器ND控制器K位移計(jì)顯示器接收頭自動(dòng)準(zhǔn)直測量的接收裝置當(dāng)波帶板成像照射在接收頭上偏離中心時(shí)，接收頭就有差動(dòng)信號(hào)輸出，經(jīng)放大器放大后，再經(jīng)過功率放大，推動(dòng)可逆電機(jī)?？赡骐姍C(jī)由絲桿＆接收頭連接，使接收頭向波帶板成像中心一定，直至沒有差動(dòng)信號(hào)輸出才停止。在接收頭上裝有位移傳感器，接收頭一定時(shí)，位移傳感器將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)過位移計(jì)處理，由顯示器顯示位移值。應(yīng)用激光鉛垂儀：定鉛垂線的儀器，用在礦山豎井測量投射垂線方向等；激光導(dǎo)向儀：進(jìn)行定向控制的儀器，當(dāng)需定向的工作機(jī)械等上裝有光電