《光电传感与检测技术》课件.ppt

*************************************光电编码器增量式编码器由光栅盘、光源和光电检测器组成。光栅盘上有等间距透明和不透明条纹，旋转时产生脉冲信号。通常有A、B两相输出，通过相位差可判断旋转方向。脉冲计数确定相对位置，但断电后位置信息丢失。绝对式编码器光栅盘上有多条径向轨道，形成格雷码或二进制码图案。每个位置对应唯一的编码，即使断电也能立即知道绝对位置。分辨率由码盘轨道数决定，通常需要多个光电检测器同时读取各轨道。线性编码器工作原理与旋转编码器类似，但测量直线位移。由固定的光栅尺和移动的读取头组成。广泛应用于数控机床、精密仪器等需要高精度线性位置测量的场合。光电传感器的信号处理1前置处理包括信号放大、滤波和电平转换等。由于光电传感器输出信号通常较弱(微安或微伏级)，需要高增益、低噪声放大器。同时需要带通滤波器去除环境光干扰和电子噪声。2信号调理将传感器信号转换为标准形式，包括模拟信号处理(如积分、微分、比较)或数字转换(ADC)。此阶段还可能包括非线性校正、温度补偿等处理，提高信号质量。3数据处理利用微处理器或DSP对数字化信号进行处理，如滤波、特征提取、模式识别等。现代光电传感系统越来越多地采用数字信号处理技术，提高抗干扰能力和智能化水平。4输出接口将处理结果转换为所需的输出格式，如开关量(继电器、晶体管输出)、模拟量(电压、电流)或数字接口(RS232、RS485、以太网等)，便于与控制系统集成。光电检测系统的噪声分析光子散粒噪声由光子到达的随机性导致，符合泊松分布，无法完全消除1热噪声由电子元件中载流子热运动产生，与温度成正比2散粒噪声由电流中载流子数量的随机涨落导致31/f噪声低频噪声，噪声功率与频率成反比4暗电流噪声由检测器无光照时的本底电流涨落引起5光电检测系统中，不同噪声源在不同工作条件下占主导。高光照强度下，光子散粒噪声占主导；低光照强度下，热噪声和暗电流噪声更为重要。了解系统的主要噪声来源，有助于选择合适的抑制策略。噪声功率谱密度分析是评估系统噪声特性的重要工具。通过分析不同频率下的噪声分布，可以选择合适的工作频率和滤波方案，最大限度地提高信噪比。信噪比优化技术光学滤波使用光学滤光片减少背景光和非信号波长的干扰。包括带通滤波器(只允许特定波长范围通过)、截止滤波器(阻挡特定波长以下或以上的光)和陷波滤波器(阻挡特定波长)。调制解调技术将信号光调制为特定频率，然后通过锁相放大检测该频率的信号成分。这能有效抑制背景光和低频噪声的影响，特别适用于低信号强度的测量。信号平均与积分通过多次采样和平均，或长时间积分，减少随机噪声的影响。平均次数或积分时间越长，随机噪声降低越多，但会降低系统响应速度。电子滤波使用模拟或数字滤波器去除特定频段的噪声。常用的有低通滤波器(去除高频噪声)、带通滤波器(只允许特定频率范围通过)和陷波滤波器(去除特定频率)。光电检测系统的误差分析12345系统误差由系统设计、器件特性等因素导致的确定性误差，可通过校准补偿。包括非线性、零点漂移、增益误差等。随机误差由噪声和随机干扰引起的不确定性，无法完全消除，但可通过统计方法减小。典型来源包括光子噪声、热噪声等。环境因素温度、湿度、振动、电磁干扰等环境因素导致的测量偏差。可通过温度补偿、屏蔽、隔振等方法减轻影响。操作误差由操作不当或程序错误导致的测量偏差。通过标准操作程序、自动化和用户界面优化可减少此类误差。量化误差在模数转换过程中由于有限分辨率导致的误差。增加ADC位数可减小量化误差，但会增加成本和复杂度。光电检测系统的校准方法标准源校准使用经过认证的标准光源或标准样品对检测系统进行校准。标准源应具有已知且稳定的特性，如光谱分布、强度等。这种方法是最基本也是最可靠的校准方法。比较法校准将待校准系统与已校准的参考系统进行比较，测量同一对象，根据差异调整系统参数。这种方法适用于无法直接获得标准源的情况，但依赖参考系统的准确性。自校准技术系统内置校准功能，能够自动或半自动完成校准过程。例如，在测量前先测量已知特性的参考位置或材料，然后自动调整系统参数。这种方法便于现场使用。校准过程中应考虑环境因素(如温度、湿度)的影响，必要时进行环境控制或补偿。校准结果应记录并定期验证，以确保系统长期保持准确性。对于高精度系统，建议建立可追溯至国家或国际标准的校准链。光电检测在距离测量中的应用飞行时间法发射光脉冲并测量其往返所需时间，根据光速计算距离。精度取决于时间测量精度，适用于中远距离测量。激光雷达是典型应用，广泛用