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第 7 章 光电式传感器 2 一、利用几何光学原理进行距离测量 利用几何光学原理进行距离测量 三角法测距 2 二、PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量中的应用 金属丝的杨氏模量测量 测量原理 测量原理 三、激光测距 - 传输时间激光测距传感器 四、激光测长 * 《传感器原理》 北京化工大学信息科学与技术学院测控系 第7章 光电式传感器 2 光电式 第三节 光电传感器的应用2 一、利用几何光学原理进行距离测量 二、金属丝的杨氏模量测量 三、激光测距-传输时间激光测距传感器 四、激光测长 五、激光陀螺 传感器原理 三角法测距 1 下图为三角法测量原理图 图中 x，y 坐标中 O 为坐标原点，测量系统基准线AB的中点 Q 为待测点 X，Y 为待测量点Q坐标 L 为基准线AB的长度 β A(-L/2, 0) B(L/2, 0) α O x y 三角法测量原理 Q（X, Y） E 第四节 光电传感器的应用2 β A(-L/2, 0) B(L/2, 0) O Q（X, Y） α x y 三角法测量原理 E 光线沿着AQ和BQ传播，如果能测出两条光线与基准线的夹角α、β，则直线QE（Y）为： △AQE： △BQE： 测点的坐标为： α β 利用三角测量原理可构成简单距离测量传感器， 如图所示。 A点为入射透镜的中心（称为主点），从光源来的光经过透镜聚焦后，以一束细小的光照在被测物上， 被测对象 d R S 三角法测距传感器 B点为受光透镜的主点，受光透镜用以对来自于被测物的反射光线进行成像。 被测物将光反射（不能散射） x y 0 入射透镜 受光透镜 L A Q（X, Y） 光 源 B 面型传感器 β α A B L x y Q（X, Y） 0 d R S 光源光垂直照射于物体，所以角α= 90°。 利用面型传感器可测出反射成像的位置R，因为B点与面型传感器之间的距离BS=d 为已知，故角度β可由直角BRS求得，所以被测物体的距离为： Y=Ltanβ 实际传感器光源为半导体激光， 面型传感器为位置检测器PSD。 光 源 被测对象 面型传感器 入射透镜 受光透镜 β α A B L x y Q（X, Y） 0 d R S 三角法测距传感器 PSD（Position Sensitive Detector）位置检测器是一种对感光面上入射光点位置敏感的器件，与光源组合可实现位置的测量。 PSD位置检测器 工作原理： 入射光点打到PSD传感器上，根据入射光点作用位置不同，由电极1和电极2输出的电流I1、I2会发生变化，且电流的大小与其到输出电极的距离成反比，即： 测量的核心问题是如何测量钢丝的微小伸长，对此测量方法有 光杠杆法 霍尔位置传感器 叠栅条纹技术等 金属丝的杨氏弹性模量是金属力学性质的一个重要参数，一般是用拉伸法来测。 本例介绍用光电位置传感器 PSD(Position Sensitive Detector)的测量装置，该方法不但能精确测出杨氏模量值，而且可得出钢丝受力作用后，伸缩过渡过程的规律。 这些方法各有优缺点，但是它们共同的缺点就是只能得出加砝码后最终的钢丝长度，而不能测出当加上砝码以后钢丝是如何变化的（钢丝长度变化的过渡过程）。 由虎克定律可知 金属丝长为L 截面积为S 当受到沿长度方向的拉力F 作用时， 在弹性限度以内，它将伸长一定长度ΔL， 那么单位长度的伸长量与单位截面积所受的拉力成正比， 式中： E 金属丝的杨氏弹性模量 S 金属丝截面积 L 金属丝长度 ΔL 金属丝长度变化量 d 金属丝截面积半径 F ΔL L 金属丝的杨氏模量测量 杨氏模量(Youngs modulus)是表征在弹性限度内物质材料抗拉或抗压的物理量，它是沿纵向的弹性模量。 凸透镜 激光 发生器 PSD 放 大 器 I1 I2 数 据 处 理 钢丝 PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图 钢丝 长L=7888.4±0.5mm， 直径d=0.540±0.001mm， 砝码采用英制 1/20磅砝码，即 m=22.4±0.5g，重力加速度取g=9.8m/s2 PSD保持一个角度，即让PSD与发射的激光光线保持平行。 激光经凸透镜射到反光平面上，再反射到PSD传感器的感光表面上。 然后加砝码（保持钢丝无摆动），钢丝伸长，反射光在PSD上（直线）位置变化为 r。 加法码前的位置 反光平面 α ΔL 加法码后的位置 r ?L = r cos? 伸长量 ?L 和光点移动量 r 的关系为： 凸透镜 激光 发生器 PSD 放 大 器 I1 I2 数 据 处 理 钢丝 PSD位置传感器在杨氏弹性模量测量原理图 加法码前的位置 反光平面 α ΔL 加法码后的位置 r α ΔL r ?L =