建筑材料热工设备-4-光电检测技术

建筑材料热工设备第四章光电检测技术光机电技术光学技术机械技术电子技术光机电测控技术光机电传感器融合核心部分基础1-2光机电测控技术概念核心：物理量→光学量→电信号→机械运动属性：光机电技术是一种交叉学科，光学、电子学、材料学、半导体技术、计算机技术、仪器仪表等等目的：物理量的检测、传递、控制应用：精密测量、红外探测、遥感、激光雷达、空中侦察、制导武器、导航、跟踪、光通信、图像处理、夜视、深空探测等等1-2光机电测控技术概念传感器的概念传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）敏感器：能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。1-2光机电测控技术概念1-3光机电测控与人工操作区别比较：被测物体感觉器官人脑手控被测物体光机电传感器微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官被测对象光学系统光电传感器变换电路处理电路后续电路显示控制存储光机电测控系统光源光学系统机电执行机构1-4光机电测控系统的组成光机电测控技术的特点高精度：测长度nm量级；高速度：光速是最快的；非接触式检测：可长距离工作；远距离、大量程：遥控、遥测和遥感；受光学介质的影响大（水、空气、尘土）成本高。1-4光机电测控系统的组成热辐射：由于外界热量传递给物体而发生的辐射称为热辐射。热辐射源的特性：它的辐射能量直接与它的温度有关。热平衡辐射：如果物体从周围物体吸收幅射能所得到的热量恰好等于自身辐射而减少的能量，则辐射过程达到平衡状态，这称为热平衡辐射。2-2光辐射与热辐射热辐射主要在红外波段任何物体只要它的温度高于热力学温度（0K或摄氏-273℃），它就一定不断地发射电磁辐射（热辐射）。由于其中的分子、原子受到热激发而产生并向外部发射各种波长的电磁波。只要外界传递热量给物体以维持物体的温度不变，物体就能不改变内能持续稳定地发射电磁波。2-2光辐射与热辐射在研究热平衡辐射所遵从的规律时，我们假定物体发射能量和吸收能量的过程中，除了物体的热状态有所改变外，它的成分不发生变化。热辐射的辐射光谱是连续的。热辐射具有连续的辐射谱，波长自远红外区到紫外区，并且辐射能按波长的分布主要决定于物体的温度。热辐射不仅与物体温度有关，而且与物体表面特征有关。2-2光辐射与热辐射若物体在任何温度下，对任何波长的辐射能的吸收比都等于1，即，则称该物体为绝对黑体（简称黑体）。它没有反射，也没有透射(当然黑体仍然要向外辐射)。黑体具有最大的发射率。宇宙黑洞可视为理想的黑体。2-2光辐射与热辐射黑体五、普朗克定律描述黑体的光谱辐射出射度与波长、绝对温度直接的关系黑体光谱辐射出射度为：μm)(W/m11π2),(2/52bTkhceehcTM)sW(10)000036.0626176.6(234h)KsW(10)000044.0380662.1(123k)scm(10)000000012.099792458.2(110c式中h—普朗克常数k—玻尔兹曼常数c—光速2-2光辐射与热辐射每条曲线都有一个峰值，随着温度的升高，此峰值向短波方向移动普朗克曲线2-2光辐射与热辐射本定律由德国物理学家威廉·维恩（WilhelmWien）于1893年通过对实验数据的经验总结提出。威廉·维恩提出本定律的时间是在普朗克黑体辐射定律出现之前，且过程完全基于对实验数据的经验总结。后来证明，本定律是更为广义的普朗克黑体辐射定律的一个直接推论。六、维恩位移定律描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律设黑体辐射的峰值波长，则存在如下的简单关系：K)m(8.2897μTm已知物体的温度时，可以计算其峰值辐射波长，反之亦然。（温度与峰值波长成反比）m2-2光辐射与热辐射维恩位移定律说明了一个物体越热，其辐射谱的波长越短（或者说其辐射谱的频率越高）。譬如在宇宙中，不同恒星随表面温度的不同会显示出不同的颜色，温度较高的显蓝色，次之显白色，濒临燃尽而膨胀的红巨星表面温度只有2000-3000K，因而显红色。太阳的表面温度是6000K，根据维恩位移定律计算得的峰值辐射波长则为502nm，这近似处于可见光光谱范围的中点，为黄光。描述黑体电磁辐射能流密度的峰值波长与自身温度之间反比关系的定律2-2光辐射与热辐射光电效应光照射到物体表面上使物体发射电子、或导电率发生变化、或产生光电动势等，这种因光照而引起物体电学特性发生改变统称为光电效应光电效应包括外光电效应和内光电效应2-2光辐射与热辐射光电效应外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象2-2光辐射与热辐射光电效应光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。光生伏特效应是指半导体在受到光照射时产生电动势的现象。PN结的光生伏特效应：当用适当波长的光照射PN结时，由于内建场的作用（不加外电场），光生电子拉向n区，光生空穴拉向p区，相当于PN结上加一个正电压。半导体内部产生电动势（光生电压）；如将PN结短路，则会出现电流（光生电流）。2-2光辐射与热辐射光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起电荷表面电荷变化的现象．辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．光热效应2-2光辐射与热辐射自然光源和人造光源大都是由单色光组成的复色光。不同光源在不同光谱上辐射出不同的光谱功率，常用光谱功率分布来描述。若令其最大值为1，将光谱功率分布进行归一化，那么经过归一化后的光谱功率分布称为相对光谱功率分布。光源的光谱功率分布通常可分成四种情况：线状光谱带状光谱连续光谱混合光谱低压汞灯、激光高压汞灯、高压钠灯荧光灯热辐射光源、白炽灯光谱功率分布（相对光谱功率分布）2-3光源的基本特性参数2.1波的叠加(1)干涉干涉指两列或多列光波在空间相遇时相互迭加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。相干两个波的相差φ2–φ1恒为0或者固定值，则这两个波被称之为相干的。相干是产生干涉的必要条件，另外一个条件是两个波源的频率几乎相同。非偏振光可以描述成两个正交的、振幅相同但相位差随时间变化的平面偏振波合成的结果，故在满足相长干涉、相消干涉的情况下，也有干涉现象产生。2-5光路分析的基本规律(2)衍射当障碍物的线度与光波波长可比拟时，光线偏离直线传播，进入几何暗影区，并形成明暗相间的条纹的现象。衍射也是波叠加的结果，表现为直线传播的光束在遇到障碍时的绕射。按照光源和屏到障碍物的距离，可以把衍射分为两种：当光源和屏与障碍物的距离都是有限远，或其中一个是有限远时，称为Fresnel衍射。当光源和屏与障碍物的距离都是无限远时，称为Fraunhofer衍射；在实验室常利用凸透镜的聚焦性模拟来自“无限远处”的平行光。2-5光路分析的基本规律2.2光的偏振态与旋光光波电矢量振动的空间分布对于光的传播方向失去对称性的现象叫做偏振。偏振光包括如下几种：①线偏振光，在光的传播过程中，只包含一种振动，其振动方向始终保持在同一平面内，这种光称为线偏振光（或平面偏振光)。②部分偏振光，光波包含一切可能方向的横振动，但不同方向上的振幅不等，在两个互相垂直的方向上振幅具有最大值和最小值，这种光称为部分偏振光。自然光和部分偏振光实际上是由许多振动方向不同的线偏振光组成。③椭圆偏振光，在光的传播过程中，空间每个点的电矢量均以光线为轴作旋转运动，且电矢量端点描出一个椭圆轨迹，这种光称为椭圆偏振光。④圆偏振光，旋转电矢量端点描出圆轨迹的光称圆偏振光，是椭圆偏振光的特殊情形。2-5光路分析的基本规律(2)人为双折射现象：某些各向同性介质在外力（机械力、电场力）作用下会变成各向异性介质，从而产生双折射现象，而有些各向异性介质在外力作用下会改变双折射性质，这类现象称为人为双折射现象。电光效应在外界电场作用下会形成各向异性而产生双折射。在磁场作用下，Faraday效应也能使非晶体产生双折射现象。光弹性效应：玻璃、塑料等非晶体在通常情况下是各向同性的，但在机械应力（拉力或压力）作用下会变成各向异性而显示双折射现象，这就是光弹性效应。利用光弹性效应来研究应力分布方法已经成为一个专门的学科，称为光测弹性力学。2-5光路分析的基本规律光调制的分类：内调制、外调制内调制：将待传输信号直接加载于光源，以改变光源的输出特性来实现调制。实例：半导体激光器电源激光器谐振腔外调制：在光源外的光路上放置调制器，将待传输信号加载于调制器上，来实现调制。解调：从已调制信号中恢复原始信号的过程，调制的逆过程。2-6光辐射调制概述调制的作用：使光信号携带信息、抑制背景干扰、抑制系统固有噪声和外部电磁干扰。光辐射调制的基本原理调制的形式：模拟调制、脉冲调制、数字调制。模拟调制：信息信号连续改变载波的强度、频率、相位或偏振（载波是模拟信号）。特点：信息信号的幅度与波参数的幅度之间一一对应。模拟调制形式：调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）。2-6光辐射调制概述模拟调制的原理强度调制：振幅调制：频率调制：2-6光辐射调制概述脉冲调制载波：对信息信号的幅度按一定规律间隔取样，用脉冲序列作载波（载波是脉冲序列）。方法：脉冲的幅度、宽度、频率或位置随信息信号的幅度变化。分类：脉冲调幅（PAM）、脉冲调宽（PWM）、脉冲调频（PFM）、脉冲调位（PPM）。2-6光辐射调制概述脉冲调制脉冲幅度调制脉冲宽度调制脉冲频率调制脉冲位置调制信息信号2-6光辐射调制概述数字调制方式：把信息以编码形式转变位脉冲序列特点：脉冲在时间上固定，幅度被量化优点：•效率高、失真小；•抑制噪声能力强、精度高；•系统易于实现。2-6光辐射调制概述声光调制概念：弹光效应：当一块各向同性的透明介质受外力作用时，介质的折射率会发生变化。声光效应：声波是一种机械应力弹性波，当超声波作用于介质时，也会引起弹光效应。通常把超声波引起的弹光效应称为声光效应。声光栅：当超声波在声光介质中传播时，介质密度呈疏密的交替变化，这会导致折射率大小的交替变化。这样，可以把超声波作用下的介质等效为一块“相位光栅”，即声光栅。光栅的条纹间隔等于超声波的波长λs。声光衍射：声光栅与光学条纹光栅相似，当入射光束通过该介质时，则入射光波被声光栅衍射。衍射光束的强度、频率和方向等都随着超声场的变化而变化。2-6光辐射调制概述电光调制电光调制是利用某些晶体材料在外加电场作用下折射率发生变化的电光效应而进行工作的。用来作调制元件的晶体必须按相对于光轴的一些特殊方向切割成长方形或圆柱形等形状。当电场加在晶体上时，其折射率的变化可能产生线性效应（普克尔效应）或平方效应（克尔效应）。加电场的方向通常有两种方式：一是电场沿着晶体主轴z轴（光轴方向），使电场方向与光线方向平行，产生纵向电光效应；二是电场沿晶体任一主轴x轴或y轴或z轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向相垂直，即产生横向电光效应。2-6光辐射调制概述横向电光调制器原理线性电光效应：某些晶体的o光和e光在横向电压作用下产生的位相差与电压值成线性zy'-x'dLV2-6光辐射调制概述电光效应某些各向同性的透明介质（如气体、液体和玻璃态固体）在电场作用下显示出光学各向异性，物质的折射率因外加电场而发生变化的现象为电光效应。有些各