光电测量技术在工业领域中的应用

光电测量技术在工业领域中的应用光电检测技术介绍：1.光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量2.光电测量技术中运用的器件1)光电传感、光纤传感和图象传感；2)激光、红外、微光探测，定向和制导；3)光电精密测试，在线检测和控制技术；3.光电检测系统光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。光电检测系统图如下：变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存储显示控制4.在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….以下主要介绍几种在光电测量技术中运用比较广泛的光电测量技术原理及其应用：一、光电传感器1.光电传感器原理光电传感器是指能够将可见光转换成某种电量的传感器。光敏二极管是最常见的光传感器。光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小（＜µA），称为光敏二极管的暗电流；当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。在外电场的作用下，光电载流子参于导电，形成比暗电流大得多的反向电流，该反向电流称为光电流。光电流的大小与光照强度成正比，于是在负载电阻上就能得到随光照强度变化而变化的电信号。光敏三极管除了具有光敏二极管能将光信号转换成电信号的功能外，还有对电信号放大的功能。光敏三级管引出三个极——发射极和集电极，基极，工作时集电结反偏，发射结正偏。在无光照时管子流过的电流为暗电流Iceo=（1+β）Icbo（很小），比一般三极管的穿透电流还小；当有光照时，激发大量的电子-空穴对，使得基极产生的电流Ib增大，此刻流过管子的电流称为光电流，集电极电流Ic=（1+β）Ib，可见光电三极管要比光电二极管具有更高的灵敏度。2.光电传感器应用光电传感器是一种小型电子设备，它可以检测出其接收到的光强的变化。早期的用来检测物体有无的光电传感器是一种小的金属圆柱形设备，发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源。这些小而坚固的白炽灯传感器就是今天光电传感器的雏形。1)LED（发光二极管）发光二极管最早出现在19世纪60年代，现在我们可以经常在电气和电子设备上看到这些二极管做为指示灯来用。LED就是一种半导体元件，其电气性能与普通二极管相同，不同之处在于当给LED通电流时，它会发光。由于LED是固态的，所以它能延长传感器的使用寿命。因而使用LED的光电传感器能被做得更小，且比白炽灯传感器更可靠。LED抗震动抗冲击，并且没有灯丝。另外，LED所发出的光能只相当于同尺寸白炽灯所产生光能的一部分。（激光二极管除外，它与普通LED的原理相同，但能产生几倍的光能，并能达到更远的检测距离）。LED能发射人眼看不到的红外光，也能发射可见的绿光、黄光、红光、蓝光、蓝绿光或白光。2)超声波传感器声波传感器所发射和接收的声波，其振动频率都超过了人耳所能听到的范围。它是通过计算声波从发射，经被测物反射回到接收器所需要的时间，来判断物体的位置。对于对射式超声波传感器，如果物体挡住了从发射器到接收器的声波，则传感器就会检测到物体。与光电传感器不同，超声波传感器不受被测物透明度和反光率的影响，因此在许多使用超声波传感器的场合就不适合使用光电传感器来检测。二、光纤传感器1.光纤传感器的原理安装空间非常有限或使用环境非常恶劣的情况下，我们可以考虑使用光纤。光纤与传感器配套使用，是无源元件，另外，光纤不受任何电磁信号的干扰，并且能使传感器的电子元件与其他电的干扰相隔离。光纤有一根塑料光芯或玻璃光芯，光芯外面包一层金属外皮。这层金属外皮的密度比光芯要低，因而折射率低。光束照在这两种材料的边界处（入射角在一定范围内，），被全部反射回来。根据光学原理，所有光束都可以由光纤来传输。两条入射光束（入射角在接受角以内）沿光纤长度方向经多次反射后，从另一端射出。另一条入射角超出接受角范围的入射光，损失在金属外皮内。这个接受角比两倍的最大入射角略大，这是因为光纤在从空气射入密度较大的光纤材料中时会有轻微的折射。光在光纤内部的传输不受光纤是否弯曲的影响（弯曲半径要大于最小弯曲半径）。大多数光纤是可弯曲的，很容易安装在狭小的空间。2.光纤传感器的分类及应用光纤传感按探测外部扰动方式可分为外部传感与内部传感。光纤传感饿也可按调制方式分为：幅度调制、偏振调制、相位调制和频率调制。它们大多数是在光纤敏感部位从环境影响或外部扰动来获取数据，这些外部变化改变光信号一个或多个参数来从而达到调制光信号的目的。我们可以比较从敏感部位返回来的调制光与它们原来的信号光来读取测量数据。3.光纤传感器的特殊应用由于光纤受使用环境影响小并且抗电磁干扰，因而能被用在一些特殊的场合，如：适用于真空环境下的真空传导光纤（VFT）和适用于爆炸环境下的光纤。在这两个应用中，特制的光纤安装在特殊的环境中，经一个法兰引出来接到外面的传感器上，光纤和法兰的尺寸多种多样。本安型传感器，如NAMUR型的传感器，可直接用在特殊或有爆炸性危险的环境中。三、激光干涉测量技术迄今大多数精确测量位移的干涉仪都以稳定的激光源为基础，以确保其具有足够的相干长度，而整套系统的价格也相当昂贵。据报导，耶路撒冷的一家以色列公司最近发明一项专利，以未采取特殊稳定措施的氦-氖激光器的固有稳定性为基础，研制出一种廉价而精密的位移测量系统。据称，其性能与相对昂贵和复杂的稳定激光干涉仪位移计相似，在1米的距离上测量精度达到0.3微米。激光干涉仪最令人感兴趣的应用之一也许是对引力波的测定。爱因斯坦曾推测，诸如星体爆炸，黑洞撞击和宇宙“最初”的大碰撞之类的强烈天文事件可能形成引力波。但由于这种波如果存在的话也非常弱，因此，几十年来从未能探测到，也无法确定其是否存在。随着激光技术的发展，激光干涉精密测量的灵敏度空前提高，人们重新对此发生了浓厚兴趣。据最近报导，德国和英国正在德国汉诺威附近建立一个称为GEO600的系统，试图对引力波进行探测。四、激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术（简称LDV）是一种出现于上世纪60年代的测量流体或固体速度的新技术，它具有非接触测量、精度高、测点小、动态响应快、可测多维速度和判别速度方向等优点，在航空、航天、机械、能源、化工、造纸、水利、交通、海洋、气象、环保、生物、医学等领域的研发工作中，有着重要的应用价值。由于LDV系统复杂、技术含量高，涉及光、机、电、计算机软件和流体力学，我国长期依赖进口来满足科研和教学需要，花费了大量外汇。1.激光多普勒测速技术原理1)激光束经分光镜分成两束，一束经透镜会聚测点，被该处正以速度V运动的微粒向四面八方散射，散射光发生了频移，频率为（ν＋νＤ）。2)另一束经滤光片衰减后也由透镜会聚于测点，有一部分穿越测点作为参考光束，频率为ν。3)进入光阑由透镜会聚到光电倍增管的光电阴极上的有两束频率相近的光，发生干涉。参考光模式激光多普勒测速仪是测量通过激光探头的示踪粒子的多普勒信号，再根据速度与多普勒频率的关系得到速度。由于是激光测量，对于流场没有干扰，测速范滤光片MBSQvPMTvueiesQ围宽，而且由于多普勒频率与速度是线性关系，和该点的温度，压力没有关系，是目前世界上速度测量精度最高的仪器。2.激光测速仪激光测速仪是采用激光测距的原理。激光测距（即电磁波，其速度为30万公里/秒），是通过对被测物体发射激光光束，并接收该激光光束的反射波，记录该时间差，来确定被测物体与测试点的距离。激光测速是对被测物体进行两次有特定时间间隔的激光测距，取得在该一时段内被测物体的移动距离，从而得到该被测物体的移动速度。