相位�光電測距儀是一種間接測定時(shí)間的光電測距儀,通常用于高精度的測量?;驹硎�?a href="http://www.3575.com.cn/2786.html" target="_blank">光源�(fā)出的光通過�(diào)制器�,成為光�(qiáng)隨高頻信�(hào)變化的調(diào)制光。通過測量�(diào)制光在待測距離上往返傳播的相位差φ來解算距離�
相位式光電測距儀的工作原理可按圖所示的方框圖來說明�
由光源所�(fā)出的光波(紅外光或激光),�(jìn)入調(diào)制器�,被來自主控振蕩器(簡稱主振)的高頻測距信號(hào)所�(diào)�,成為調(diào)幅波。這種�(diào)幅波�(jīng)外光路�(jìn)入接收器,會(huì)聚在光電器件�,光信號(hào)立即�(zhuǎn)化為電信�(hào)。這�(gè)電信�(hào)就是�(diào)幅波往返于測線后經(jīng)過解�(diào)的高頗測距信�(hào),它的相位已延遲了�
這�(gè)高頻測距信號(hào)與來自本�(jī)振蕩器(簡稱本振)的高頻信號(hào)�(jīng)測距信號(hào)混頻器�(jìn)行光電混�,經(jīng)過選頻放大后得到一�(gè)低頻測距信號(hào),用表示。仍保留了高頻測距信�(hào)原有的相位延�。為了�(jìn)行比相,主振高頻測距信號(hào)的一部分稱為參考信�(hào)與本振高頻信�(hào)同時(shí)送入?yún)⒖夹�?hào)混頻�,經(jīng)過選頻放大后,得到可作為比相基準(zhǔn)的低頻參考信�(hào),表�,由于沒有經(jīng)過往返測線的路程,所以不存在象中�(chǎn)生的那一相位延遲。因�,和同時(shí)送人相位器采用數(shù)字測相技�(shù)�(jìn)行相位比較,在顯示器上將顯示出測距信�(hào)往返于測線的相位延遲結(jié)��
�(dāng)采用一�(gè)測尺頻率�(shí),顯示器上就只有不足一周的相位差所相應(yīng)的測距尾�(shù),超過一周的整周�(shù)所相應(yīng)的測距整尺數(shù)就無法知道,為此,相位式測距儀的主振和本振二�(gè)部件中還包含一組粗測尺的振蕩頻�,即主振頻率和本振頻�。如前所�,若用粗測尺頻率�(jìn)行同樣的測量,把精測尺與一組粗測尺的結(jié)果組合起來,就能得到整�(gè)待測距離的數(shù)值了�
1.光源
相位式測距儀的光�,主要有砷化鎵(GaAs)二極管和氦-氖(He-Ne)氣體激光器。前者一般用于短程測距儀�,后者用于中�(yuǎn)程測距儀中。下面對(duì)這二種光源作一介紹�
�1)砷化鎵(GaAs)二極管
砷化鎵(GaAs)二極管是一種晶體二極管,與普通二極管一�,內(nèi)部也有一�(gè)�(jié),如�4-5所示。它的正向電阻很�,反向電阻較�。當(dāng)正向注入�(qiáng)電流�(shí),在�(jié)里就�(huì)有波長為0.72�0.94m之間紅外光出�,而且出射的光�(qiáng)�(huì)隨著注入電流的大小而變化,因此可以簡單地通過改變饋電電流�(duì)光強(qiáng)的輸出�(jìn)行調(diào)�,即所謂“電流直接調(diào)制”。這對(duì)測距儀用作光源十分有意�,因?yàn)槟苤苯诱{(diào)制光�(qiáng),無需再配備結(jié)�(gòu)�(fù)�、功耗較大的�(diào)制器。此外,砷化鎵二極管光源與其他光源比�,還有體積小重量輕,�(jié)�(gòu)牢固和不怕震�(dòng)等優(yōu)�(diǎn),有利于使測距儀小型�,輕便化�
1.光源
相位式測距儀的光�,主要有砷化鎵(GaAs)二極管和氦-氖(He-Ne)氣體激光器。前者一般用于短程測距儀中,后者用于中�(yuǎn)程測距儀�。下面對(duì)這二種光源作一介紹�
�1)砷化鎵(GaAs)二極管
砷化鎵(GaAs)二極管是一種晶體二極管,與普通二極管一樣,�(nèi)部也有一�(gè)�(jié),如�4-5所�。它的正向電阻很小,反向電阻較大。當(dāng)正向注入�(qiáng)電流�(shí),在�(jié)里就�(huì)有波長為0.72�0.94m之間紅外光出�,而且出射的光�(qiáng)�(huì)隨著注入電流的大小而變�,因此可以簡單地通過改變饋電電流�(duì)光強(qiáng)的輸出�(jìn)行調(diào)制,即所謂“電流直接調(diào)制�。這對(duì)測距儀用作光源十分有意義,�?yàn)槟苤苯诱{(diào)制光�(qiáng),無需再配備結(jié)�(gòu)�(fù)�、功耗較大的�(diào)制器。此�,砷化鎵二極管光源與其他光源比較,還有體積小重量�,結(jié)�(gòu)牢固和不怕震�(dòng)等優(yōu)�(diǎn),有利于使測距儀小型化,輕便��
?�?)氦-氖(He-Ne)氣體激光器
�-氖氣體激光器,它由放電管、激�(lì)電源和諧振腔組成。放電管為內(nèi)徑幾�(gè)毫米的水晶管,管�(nèi)充滿了氦與氖的混合氣�,管的長度由幾厘米到幾十厘米不等。管越長,輸出功率越高。在管的兩端裝有光學(xué)精密加工的布儒斯特窗。激�(lì)電源一般可用直�、交流或高頻等電源的放電方式,目前用得最多的是直流電源放電方式,其優(yōu)�(diǎn)是激光輸出穩(wěn)�。諧振腔由兩塊球面反射鏡組成,其中一塊反射鏡是全反射�,另一塊能部分透光,.其透射�2%,即反射率仍�98%�
放電管中的氦原子,在激�(lì)電源的激�(lì)�,不斷躍遷到高能�(jí)�,當(dāng)它和氖原子碰撞時(shí)能量不斷地傳遞給氖原�,使氖原子不斷躍遷到高能�(jí)上,而自己又回到基能�(jí)�。與此同�(shí),處在高能級(jí)上的氖原子在光子的激�(fā)�,又受激輻射躍遷回基能級(jí)上,這時(shí)便產(chǎn)生出新的光子。一般說�,多�(shù)光子將通過管壁飛躍出去,或被管壁吸收,只有沿管壁軸線方向的光子將在兩塊反射鏡之間來回反�,從而造成光的不斷受輻射而放��
布儒斯特窗是光潔度很高的水晶�,窗面法線與管軸線的夾角叫做布儒斯特�。這�(gè)角度隨窗的材料而不同,在水晶窗的情況下,它大約等于56o。當(dāng)光波沿管軸線方向入射至窗面時(shí),光波電振動(dòng)沿紙面方面的分量(圖中以箭頭表示)將不被反射而完全透過去;而沿垂直于紙面方向的分量(圖中以黑點(diǎn)表示)卻被反射掉�,這樣剩下來的光就是沿紙面振動(dòng)的直線偏振光。爾�,這種光在諧振腔內(nèi)來回�(yùn)行,由于受激輻射的新生光子與原有的光子具有相同的振動(dòng)方向,也就是�,積累起來的光始終是沿紙面方向振�(dòng)的直線偏振光,因而每�(dāng)它們來回穿過布濡斯特窗面時(shí),幾乎全部透過�,而很少受到光的損��
裝有布懦斯特窗的激光器,直接輸出直線偏振光,使得光電調(diào)制器組可以不要起偏振片,從而避免了一般調(diào)制器的入射光,因通過起偏振器而造成光強(qiáng)損失�50%的缺�。所以裝有上述激光器的測距儀的測程可�(dá)40�50km�
氦氖氣體激光器�(fā)射的激�,其頻率、相位十分穩(wěn)�,方向性極高,且為連續(xù)�(fā)�,因而它廣泛地應(yīng)用于激光測�、準(zhǔn)�、通訊和全息學(xué)等方�。但氦氖氣體激光器也有其缺�(diǎn),即效率很低,其輸出功率與輸入功率之比僅千分之一。因此,激光測距儀上的激光輸出功率僅�2�5mW�
2. �(diào)制器
采用砷化鎵(GaAs)二極管�(fā)射紅外光的紅外測距儀,發(fā)射光�(qiáng)直接由注入電流調(diào)�,發(fā)射一種紅外調(diào)制光,稱為直接調(diào)�,故不再需要專門的調(diào)制器。但是采用氦氖激光等作光源的相位式測距儀,必須采用一種調(diào)制器,其作用是將測距信號(hào)載在光波�,使�(fā)射光的振幅隨測距信號(hào)電壓而變�,成為一種調(diào)制光,如�4-7電光�(diào)制是利用電光效應(yīng)控制介質(zhì)折射率的外調(diào)制法,也就是利用改變外加電壓來控制介�(zhì)的折射率。目前的光電測距儀都采用一種一次電光效�(yīng)或稱普克爾斯效應(yīng),即;根�(jù)普克爾斯效應(yīng)(線性電光效�(yīng))制作的各種普克爾斯�(diào)制器。這種�(diào)制器有調(diào)制頻帶寬,調(diào)制電壓較低和相位均勻性較好的�(yōu)�(diǎn)。用磷酸二氘鉀(KD2PO4)晶體制成的KD*P�(diào)制器則是目前較優(yōu)良的一種普克爾斯調(diào)制器�
3.棱鏡反射器
在使用光電測距儀�(jìn)行精密測距時(shí),必須在測線的另一端安置一�(gè)反射�,使�(fā)射的�(diào)制光�(jīng)它反射后,被儀器接收器接收。用作反射器的棱鏡是用光�(xué)玻璃精細(xì)制作的四面錐�,如三�(gè)棱面互成直角而底面成三角形平面三�(gè)互相垂直的面上鍍銀,作為反射面,另一平面是透射�。它�(duì)于任意入射角的入射光�,在反射棱鏡的兩�(gè)面上的反射是相等�,所以通常反射光線與入射光線是平行的。因�,在安置棱鏡反射器時(shí),要把它大致�(duì)�(zhǔn)測距儀,對(duì)�(zhǔn)方向偏離�20o以內(nèi),就能把�(fā)射出的光線經(jīng)它折射后仍能按原方向反射回去,使用十分方��
4. 光電�(zhuǎn)換器�
在光電測距儀�,接收器的信�(hào)為光信號(hào)。為了將此信�(hào)送到相位器�(jìn)行相位比�,必須把光信�(hào)�?yōu)殡娦�?hào),對(duì)此要采用光電�(zhuǎn)換器件來完成這項(xiàng)工作。用于測距儀的光電轉(zhuǎn)換器件通常有光電二極管,雪崩光電二極管和光電倍增管。現(xiàn)在分別介紹如��
?�?)光電二極管和雪崩光電二極管
光電二極管的管芯也是一�(gè)�(jié)。和一般二極管相比,在�(gòu)造上的不同點(diǎn)是為了便于接收入射光,而在管子的頂部裝置一�(gè)聚光透鏡,使接收光通過透鏡射向�(jié)。接入電路時(shí),必須反向偏��
光電二極管具有“光電壓”效�(yīng),即�(dāng)有外來光通過聚光透鏡�(huì)聚而照射到�(jié)�(shí),使光能立即�(zhuǎn)換為電能。再�,光電二極管的“光電壓”效�(yīng)與人射光的波長有�(guān),對(duì)波長�0.9�1.0m的光(屬于紅外光)有較高的相�(duì)靈敏�,且使光信號(hào)線性地變換為電信號(hào)�
?�?)光電倍增�
光電倍增管是一種極其靈敏的高增益光電轉(zhuǎn)換器�。它由陰極、多�(gè)放射極和陽極組成�。各極間施加很強(qiáng)的靜電場。當(dāng)陰極在光的照射下有光電子射出�(shí),這些光電子被靜電場加�,�(jìn)而以更大的動(dòng)能打擊發(fā)射極,就能產(chǎn)生好幾�(gè)二次電子(稱為二次發(fā)射),如此一�(jí)比一�(jí)光電子數(shù)增多,直到一�(jí),電子被聚集到陽極上�。若�(jīng)過一�(jí)電子增大�,則�(jīng)過級(jí)倍增到達(dá)陽極的電子流將放大�。由此可�,光電倍增管除了能把光信號(hào)變成電信�(hào)以外,還能把電信�(hào)�(jìn)行高倍率的放�,具有很高的靈敏度,它的放大倍數(shù)�(dá)106�107�(shù)量級(jí)�
5. 差頻測相
在目前測相精度一般為千分之一的情況下,為了保證必要的測距精度,精測尺的頻率必須選得很高,一般為十幾MHz~幾十MHz,例如HGC-1型短程紅外測距儀的精測尺頻率=15MHz,JCY-2型精密激光測距儀的精測尺頻率=30MHz。在這樣高的頻率下直接對(duì)�(fā)射波和接收波�(jìn)行相位比較,受電路中寄生參量的影響在技�(shù)上將遇到極大的困�。另外為了解決測程的要求,須選擇一組頻率較低的粗測尺,�(dāng)粗測尺頻率為150kHz�(shí),與精測尺頻�15MHz,兩者相�100�。這樣有幾種頻率就要配備幾種測相電�,使線路�(fù)雜化。為此,目前相位式測距儀都采用差頻測�,即在測距儀�(nèi)�(shè)置一組與�(diào)制光波的主振測尺頻率()相對(duì)�(yīng)的本振頻率(),�(jīng)混頻�,變成具有相同的差頻。也就是使高頻測距信�(hào)和高頻基�(zhǔn)信號(hào)在�(jìn)入比相前均與本振高頻信號(hào)�(jìn)行差�,成為測距和基準(zhǔn)低頻信號(hào)。在比相�(shí),由于低頻信�(hào)的頻率大幅度降低(如精測尺頻率為15MHz,混頻后低頻�4kHz�(shí),降低了3750倍),周期相�(yīng)�(kuò)�,即表象�(shí)間得到放�,這就大大地提高了測相精度。此�,因測相電路讀�(shù)直接與頻率有�(guān),頻率不同,電路亦應(yīng)改變。若用差頻測�,使“精�、“粗”測尺的各�(gè)不同的高頻信�(hào)差頻后均成為頻率相同的低頻信�(hào),則儀器中只要�(shè)置一套測相電路就可以��
6. 自動(dòng)�(shù)字測�
隨著集成電路和數(shù)字技�(shù)的發(fā)�,為測距儀向自�(dòng)化和�(shù)字化方向�(fā)展提供了條件。目前許多中、短程測距儀幾乎都采用自�(dòng)�(shù)字測相技�(shù)以及距離的數(shù)字顯��
自動(dòng)�(shù)字測相的基本思想是:�(dāng)參考信�(hào)和測距信�(hào)按自�(dòng)�(shù)字測相法作相位比較時(shí),首先將其相位差換成方波,然后再用一�(gè)�(biāo)�(zhǔn)頻率作填充脈沖填入內(nèi),每一�(gè)填充脈沖代表一定距�,如1mm�1cm�,于是用�(jì)�(shù)器計(jì)算出填充脈沖的�(gè)�(shù),通過顯示器即能直接顯示出相應(yīng)的距雀�
維庫電子�,電子知�(shí),一查百��
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