光电技术第12讲

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,光电技术,光电信息变换（,1,）,光学信息,电学信息,第,7,章,光电信息变换,光电信息变换器,光源,光学系统,光电传感器,偏置电路,处理电路,7.l,光电信息变换的分类,7.1.1,光电信息变换的基本形式,1.,信息载荷于光源的方式,信息载荷于光源中的情况（或,光学信息为光源本身,）,温度信息,频谱信息,强度信息,钢水温度的探测,光谱分析,火灾报警,武器制导,夜视观察,地形地貌普查,成像测量,物体自身辐射通常是缓慢变化的，因此，经光电传感器获得的电信号为缓变的信号或直流信号。为克服直流放大器的零点漂移、环境温度影响和背景噪声的干扰，常采用,光学调制技术或电子斩波调制,的方法将其变为交流信号，然后再解调出被测信息。,在辐射测温应用中温度信息存在于光源的辐射出射度,M,e, ,，由,斯忒藩玻尔兹曼定律,可知物体的辐射出射度,M,e,与物体温度的关系为,例：全辐射测温,式中,M,e, s,为同温度黑体的辐射出射度，,为物体的发射系数，与物体的性质、温度及表面状况有关。,T,为被测体的温度，即测量的信息量。,在近距离测量时，不考虑大气的吸收，光电传感器的变换电路输出的电压信号为,式中，,m,为光学系统的调制度，,为光学系统的透过滤，,S,为光电器件的灵敏度，,G,为变换电路的变换系数，,K,为放大器的放大倍数，,= mSGK,称为系统的光电变换系数。,表明变换电路输出的电压信号,U,S,是温度,T,的函数，温度变化必然引起电压的变化。因此，通过测量输出电压，并进行相应的标定就能够测出物体的温度。,这样有：,2.,信息载荷于透明体的方式,在这种情况下，信息可为透明体的,透明度，透明体密度,的分布，透明体的,厚度,，透明体介质材料对光的,吸收系数,等都为载荷信息的方式。,式中,为透明介质对光的吸收系数，它与介质的浓度,C,成正比，即,=,C,。显然，,为与介质性质有关的系数。,提取信息的方法常用光通过透明介质时,光通量的损耗与入射通量及材料对光吸收的规律,求解。即,当透明介质的系数,为常数时，光通量的损耗与介质的浓度,C,与介质的厚度,l,有关,.,变换电路的输出信号电压,U,s,为,两边取自然对数后,即将变换电路的输出信号电压,U,s,送入对数放大器后，便可以获得与介质的浓度,C,与介质的厚度,l,有关信号。利用此信号可以方便地得到介质的浓度,C,（在介质的厚度,l,确定的情况下），或得到介质的厚度,l,（在介质的浓度,C,确定的情况下）。还可以测量液体或气体的透明度（或混浊度），检测透明薄膜的厚度、均匀度及杂质含量等质量问题。,3.,信息载荷于反射光的方式,反射有镜面反射与漫反射两种，各具有不同的物理性质和特点。利用这些性质和特点将载荷于反射光的信息检测出来实现光电检测的目的。镜面反射在光电技术中常用作合作目标，用它来判断光信号的有无等信息的检测。,在检测产品外观质量时，变换电路输出的疵病信号电压,式中,E,为被测表面的照度，,r,1,为正品（无疵病）表面的反射系数，,r,2,为疵病表面的反射系数，,B,为光电器件有效视场内疵病所占的面积，,为光电变换系数。由式可知，当,E,，,r,1,和,已知时，输出电压,U,S,是,r,2,和,B,的函数，因此，可以通过输出信号电压,U,S,的幅度判断表面疵病的程度和面积。,这种方式除上述应用外，还可应用于电视摄像、文字识别、激光测距、激光制导等方面。,4.,信息载荷于遮挡光的方式,信息载荷于遮挡光的方式，物体部分或全部遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场，实现了信息载荷于遮挡光的过程。,例如，设光电器件光敏面的宽度为,b,，高度为,h,，当被测物体的宽度大于光敏面的宽度,b,时，物体沿光敏面高度方向运动的位移量为,l,，则入射到光敏面上的面积,变换电路输出的面积变化信号电压为,可见，用这种方式即可以检测被测物体的位移量,l,、运动速度,v,和加速度等参数，又可以测量物体的宽度,b,。例如，光电测微仪和光电投影显微测量仪等测量仪器均属于这种方式。,当然可以用这种方式用于产品的光电计数，光控开关，和主动式防盗报警等。,5.,信息载荷于光学量化器的方式,光学量化是指通过光学的方法将连续变化的信息变换成有限个离散量的方法。光学量化器包含有光栅摩尔条纹量化器、各种干涉量化器和光学码盘量化器等。,光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽度和角度）的光电测量系统中得到广泛的应用。,长度或角度的信息量经光学量化装置（光栅、码盘、干涉仪等）变为条纹或代码等数字信息量，再由光电变换电路变为脉冲数字信号输出。光源发出的光经光学量化器量化后送给光电器件转换成脉冲数字信号，再送给数字电路处理或送给计算机进行处理或运算。,例如，将长度信息量,L,经光学量化后形成,n,个条纹信号，量化后的长度信息,L,为：,L,=q,n,式中，,q,称为长度的量化单位，它与光学量化器的性质有关，量化器确定后它是常数。例如，采用光栅摩尔条纹变换器时，量化单位,q,等于光栅的节距，在微米量级；而采用激光干涉量化器时，,q,为激光波长的,1/4,或,1/8,，视具体的光学结构而定。,目前，这种变换形式已广泛地应用于精密尺寸测量、角度测量和精密机床加工量的自动控制等方面。,6.,光通讯方式的信息变换,信息首先对光源进行调制，发出载有各种信息的光信号，通过光导纤维传送到远方的目的地，再通过解调器将信息还原。由于光纤传输的媒体常为激光，它具有载荷量大，损耗小，速度快，失真小等特点现已广泛地用于声音和视频图像等信息通讯中。,目前，光通讯技术正在蓬勃地发展，信息高速公路的主要组成部分为光通讯技术。光通讯技术的实质是光电变换的一种基本形式，称为,光信息通讯的变换方式,。,7.1.2,光电信息变换的类型,光电信息变换和信息处理方法可分为,2,类：一类称为模拟量的光电信息变换，例如前,4,种变换方式；另一类称为数字量的光电信息变换，例如后,2,种变换方式。,1.,模拟光电变换,被测的非电量信息（如温度、介质厚度、均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等）载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照度和出射度等）的方式送给光电器件，光电器件则以模拟电流,I,p,或电压,U,p,信号的形式输出。即输出信号量是被测信号量,Q,的函数，或称输出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函数关系。可表示为,简单变换电路,一般应用在测量精度不高的情况下测量受照面的光照度,当需要提高测量电路的灵敏度时，采用放大器对光电变换信号进行放大。,当光照很弱时，,Ev,0,，此时流过光电三极管的电流为,0,，,Ic,为最大值。,集电极电流,Ic,随光照度的增强而减小。因此，该照度计的调整过程是：先将光敏面遮暗，调节电阻,R1,与,R3,使电流表指针指示满刻度，此时指针的位置为照度计的零点；然后改变光照度 ，根据标定照度值在表头上进行刻度。显然电流表指针的零点是照度计的最大照度测量值。,光照计的原理,具有温度补偿功能的变换电路,如图所示为具有温度补偿功能的电桥式光电变换电路。,VD1,为测光光电二极管，,VD2,为补偿光电二极管。,VD1,、,VD2,、电阻、可变电阻共同构成电桥。无光照时调整可变电阻，使电桥平衡，输出电压表为,0,，当测光光电二极管在光敏面上的光照度发生变化时，电桥失去平衡，输出电压表将指示出光敏面上的光照度。,补偿电路如图所示：,补偿光电二极管,VD2,被遮并与光电二极管,VD1,封装在同温箱中，要求,VD1,与,VD2,特性接近，这样温度变化使两个光电二极管的温度漂移基本相同，又分别接入两个桥臂，相互补偿，以消除温度对测量电路造成的影响。,将左图中的,R,L,用热敏电阻代替，构成具有温度补偿功能的光电检测电路，热敏电阻,RL,跨接在基极与发射极间，由于光电二极管的暗电流随温度升高而增大，而具有负温度系数的热敏电阻,Rt,的阻值随温度升高而减小，因此，使得三极管的基极电位不随温度变化。,差分光电变换电路,如图所示为比色计的原理图，是一种典型的差分式光电变换电路。,光源发出的光经聚光镜汇聚，并以平行光的方式投向到滤光片上。经滤光片得到所需要的测量光谱，并分为两路：一路经被测溶液入射到测量光电池,D1,上，另一路经可调光阑、反光镜到补偿光电池,D2,上。由光电池,D1,与,D2,构成的电路称为差分式光电变换电路。,双光路单光电接收器件检测系统中，光源发出的光经反射镜分为两路，经调制盘的转动，使参考光与测量光分时进入系统，并分时由光电器件,VD,接收。,VD,分时接收到参考光信号和测量光信号后输出如图所示波形，输出信号差即为实测信号。,光外差式光电变换电路,2.,模,-,数光电变换,在这类光电变换中，被测信息量,Q,通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。,模,-,数光电变换中的光电变换电路只要输出“,0”,和“,1”,（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量,F,。它与被测信息量,Q,的函数关系为,F=,f,(Q),显然，数字信息量,F,只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。,因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的,“,0,”,和,“,1,”,两个状态即可。,