第五章 光电直接检测系统(精品)

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,*,*,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,*,*,第五章 光电直接检测系统,光电检测系统分类,主动系统,/,被动系统,(,按信息光源分,),红外系统,/,可见光系统,(,按光源波长分,),点探测,/,面探测系统,(,按接受系统分,),模拟系统,/,数字系统,(,按调制和信号处理方式分,),直接检测,系统,/,相干,检测系统,(,按光波对信号的携带方式分,),光电测量系统,光电信号变化形式：,一种光量 另一种光量,非光量 光量,连续光量 脉冲光量,光电信号变换的目的：,1,、将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号,2,、改善系统的时间或空间分辨力和动态品质，提高传输效率和检测精度,3,、改善系统的检测信噪比，提高工作可靠性。,直接检测的基本原理,直接检测,(,非相干检测,):,都是利用光源发射的光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为电信号的变化。,直接检测系统（光强调制）,莫尔条纹测长仪,激光测距仪,直接检测的基本特性,光探测器的平方律特性,光电流正比于光电场振幅的平方,输出的电功率正比于入射光功率的平方,信噪比：,表征检测系统的灵敏度,视场角,:,表征系统能“观察”到的空间范围,通频带宽度,:,频带宽度越宽，通过信号的能量越大，系统的噪声功率也越大,检测距离：,是系统灵敏度的另外一种评价指标,莫尔条纹,几个世纪以前,法国丝绸工人曾发现一种奇怪的现象,-,两块叠合在一起的薄绸子在光线的照射下会产生绚丽的花纹,他们把这种自然现象称之为,“,莫尔,”,现象,.,在日常生活中,我们也能经常看到这种现象,只是不为人注意罢了,.,在两层纱窗重叠时会出现,“,莫尔,”,现象,两层帐子重叠时也会出现,“,莫尔,”,现象,起初，莫尔现象只是应用于装饰方面。随着科学技术的发展，莫尔现象作为一种精确的检测手段，逐渐应用于光电测量技术中。,长光栅莫尔条纹,播放动画,长光栅光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,圆弧莫尔条纹,单击准备演示,播放动画,辐射、光闸莫尔条纹,播放动画,播放中,环形莫尔条纹,播放动画,播放中,单击准备演示,单击准备演示,辐射形莫尔条纹,播放动画,莫尔条纹测长仪,莫尔条纹的原理,将两块光栅,(,同节距,),叠加在一起,并且两者的栅线成很小的角度,透过光栅能看到,随光栅的移动，某点透过的,光强呈现明暗交替变化,.,这就是莫尔条纹的,光强调制作用,纵向条纹,横向条纹,条纹变化情况与光栅节距之间是什么关系？,光栅相对运动一个节距，条纹变化一个周期,长光栅莫尔条纹,播放动画,光栅栅距很小，肉眼分辨不清，而莫尔条纹却清晰可见,特点：,光栅相对运动一个节距，条纹变化一个周期,相对运动的快，莫尔条纹变化的快，相对运动慢，莫尔条纹变化的慢,节距和莫尔条纹移动宽度的数学关系？,莫尔条纹的特性,光栅的节距比光的波长大很多,.,莫尔条纹的宽度,B,（,mm),、,光栅的节距,P(mm),和夹角,(,rad,),之间的关系为：,当两光栅沿垂直于栅线的方向相对移动时，莫尔条纹将沿平行于栅线的方向移动,光栅每移动一个节距，莫尔条纹移动一个宽度,因为,很小，,放大,倍数很大例如,:,=20,K=172,莫尔条纹测长仪,指示光栅移动的距离为：,：指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，,：,小于个光栅节距的小数,简单光栅读数头,：灯，：聚光镜，：指示光栅，：长光栅，：光电探测器,莫尔条纹测长原理,光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号，计数莫尔条纹的周期数,N,，即为光栅移动的节距数,N,莫尔条纹测长仪的应用,工业自动化中的核心测控部件,小型智能化的长度测试仪器，用于对长度、直径、厚度、表面形状、粗糙度等多种参数的测量。,新一代的计量测试工具,某些几何量计量检测仪器的核心转换系统,某些物理量的计量检测仪器的核心转换系统,纳米级测量的重要仪器,非接触在线测量控制仪器,莫尔条纹测长仪,如果单纯的将光栅节距上做细来提高分辨率，工艺上难以达到，所以在实际系统上并不是单纯的计数，而是利用电子学的方式把莫尔条纹的一个变化周期进行细分，提高系统的分辨力。,细分电路,以移动过的莫尔条纹数量来确定位移量，能测量的最小位移量就是光栅栅距。为了提高分辨率，以测量小于栅距的位移量，应采用细分技术。光栅信号细分技术主要有光学细分、电子细分和微机软件细分方式。,注意：,在电子细分技术中，常采用四倍频细分法，这种细分法也是许多其他细分法的基础。,依次相距,B,4,的位置安放四个光电元件,细分电路原理框图,t,t,1,U,t,p,t,C,R,+,_,+,_,+,_,四倍频细分电路,激光测距仪,激光测距仪的类型,脉冲激光测距仪,相位激光测距仪,激光测距仪的特点,测程远、测量精度高,结构小巧、携带方便,快速、非接触式距离测量,激光对点准确,受气象条件影响较大,激光测距仪广泛应用于工业、国防军事、科学技术。,一、脉冲激光测距仪,测距原理：,由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。,测距仪原理：,由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。,脉冲激光测距仪的原理框图,（二）时间测量,利用周期性光通量变化的时间周期或单个光脉冲间的时间间隔来测量信息方法。,脉冲激光测距仪或激光雷达,功率为几瓦的激光器,被测目标,接收系统,主波脉冲回波脉冲的时间差。,D=c/2f,N=K,N,K,为测距脉冲当量，,N,为计数值。,脉,冲,激,光,测,距,仪,发射系统,接收系统,接收光学系统,光电探测器,低噪声宽带放大器,整形电路,门控电路,时钟脉冲振荡器,计数显示器,激光器：,LD,，,ND,：,YAG,（调,Q/,锁模）,电源,发射望远系统,物镜,小孔光阑,干涉滤光片,激光器发射激光脉冲被分为两部分：参考信号和回波信号。,回波脉冲经光电探测器变换成电信号，再经放大和整形后，将电子门打开，使通过电子门的时钟脉冲进入计数器开始计时；当回波脉冲（负与门）到来时，关闭电子们。,在参考和回波脉冲之间计数器所接收到的时钟脉冲个数代表来被测距离。,时钟频率越高，测量的分辨率越高。但分辨率最终取决于激光脉冲的上升时间。,脉冲测距波形,二、相位激光测距仪,相位测距原理：,相位激光测距是用无线电波段的频率，对激光束进行幅度调制并测定调制光往返一次所产生的相位延迟，再根据调制光的波长，换算此相位延迟所代表的距离。,三、光通量的相位时间测量,（一）相位测量,相位法光波测距,D,协作靶的反射镜,光电接收器,LD,光波波长与光速和频率之间的关系为 入,c/f,（光尺）,光波每前进一个波长，相位变化,2,，,L=,入（,N+n,）,/2 -L,s,（,N+n,）,其中，,Ls,称作测尺长度,N,：,测线所包含调制波长个数。,N,：,测线所包含不足波长的小数部分。,：,称为测尺长，又称“光尺”。,相位延迟：,被测距离：,距离的测量变成了测线所包含波长个数和不足一个波长的小数部分的测量。,测量信号相位的方法都不能确定出相位的整周期数,N,，,只能测定不足,2,的尾数,N,。,由于,N,值不确定，距离,L,就成为多值解。,距离大于测尺长度，则无法用一把光尺来测定距离。,解决方法：,用两个频率的波（两个不同的光尺）进行测量，一个用来测量距离的大数，另一个用于精确测量距离的尾数。,就可以既扩大测程又保证精度。,如果需要还可以用更多的频率测量。,四，光电检测的距离,检测距离：,是系统灵敏度的另外一种评价指标,为了提高测距系统的作用距离，应该使用功率大，发散角小的光源，光学系统的透过率要高，使用大相对口径的光学系统和小面积的光电器件，同时要求光电检测的信噪比高，带宽窄。,一、幅度测量,（一）单通道测量系统,1,、定义：被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统通称为单通道测量系统。,2,、原理：由辐射源产生的光辐射通量经过置于光路上的被测样品或标准样品的部分吸收或散射，出射到接收器的光敏面上。利用光电转换信号放大器可以测量出载有信息的光通量，最后由指示电表显式记录下被测量的结果。,3,、测量方法,（,1,）直读法,第三节 时变光信号的变换与检测,被测样品,光电接收器,放大器,电表,S,I,K,M,0,I,I,0,I,I,轮流放置标准样品对电表值进行标定，然后将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测样品的透过率值。,转角,示值,检测器电流灵敏度,放大器增益,电表传递系数,透过率,光通量,（,2,）指零法,电路部分不用于读数，而只是用作电表的指零，使,被测量与已知量进行比较测量,。它可以消除由于辐射光通量，光检测器放大器工作参数不稳定造成的影响，只取决于读数装置的精度指零装置的零位漂移。,起,偏,器,检,偏,器,放大,电表,样,品,光电,接收,Q,S,I,K,0,1,x,0,首先，检偏器的偏振面相对起偏器转成,90,，此时检测器光敏面上的光通量为零。在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值，借助于指示表可以观察到相对于零位的偏差。如转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角。,（二）双通道测量系统,光辐射源,光检测器,标准样品,被测样品,反射镜,透镜,放大器,1,、差动法,2,、差动补偿法,可变透过率的光屏（沿着各截面镀有吸收率不同膜层的玻璃平板）,伺服,电机,指针机构,差动放大器,3.,红外线气体分析仪,红外线气体分析仪是根据气体对红外线具有选择性的吸收的特性来对气体成分进行分析的。不同气体其吸收波段（吸收带）不同，从图中可以看出，,CO,气体对波长为,4.65 m,附近的红外线具有很强的吸收能力，,CO,2,气体则发生在,2.78 m,和,4.26 m,附近以及波长大于,13 m,的范围对红外线有较强的吸收能力。如分析,CO,气,体，则可以利用,4.26 m,附近的吸收波段进行分析。,图,11.6,几种气体对红外线的透射光谱,