光电检测技术及应用复习

第1章绪论1、物质、能量和信息是人类发展的三大基本要素。2、物质是基础，世界是由物质组成的；能量是一切物质运动的动力；信息是客观世界与主观认识相结合的产物。3、信息技术是一种综合技术，它包括四个基本内容：即感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术以及控制技术。4、感测技术：包括传感技术和测量技术以及遥感、遥测技术；通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服空间上的限制，使人们能更有效地利用信息资源；人工智能与计算机技术：它使人们能更好地加工和再生信息；控制技术：它的作用是根据输入的指令，对信息状态实施干预。5、在当今时代，信息技术还包括微电子信息技术、光电信息技术等。核心是微电子信息技术。光电信息技术是将电子学与光学浑然一体的技术，是光与电子转换及其应用的技术。光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，最后完成对各类物理量进行在线和自动检测。6、差动测量法：调制盘的一半开通，另一半安装反射镜。当调制盘转动时，一束光变成两束光，即21和是交替的。将标准尺寸的工件放入工作位置，调整光楔，使21，使微安表读数为“0”。工件尺寸无误差时，21；当工件尺寸变小时，21；当工件尺寸变大时，21。7、相敏检波器的核心是一个乘法器和一个滤波器。相敏检波器可以用来测幅，也可以用来测相，还可以将高频信号变成中频信号（只要使2121ff，，就可得到差频信号）。8、双光路测量可以消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。9、（P206）锁相放大器：是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。它利用和被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响应。因此，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是弱光检测的一种有效方法。10、锁相放大器的构成：如图混频器：实现相乘滤波器：获得差频前放：阻抗匹配相敏检波：提取同频同相信号参考通道：参考信号标准化1题型：填空题10*2=20分简答题5*10（或8个）=50~40分论述题2~3个9-1所示，信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波。参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频、同相的参考电压。相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，所用参考信号是方波信号。在相敏检波器中参考和输入信号进行混频运算得到两信号的和频及差频。该信号经低通滤波器滤除和频成分后得到与输入信号幅值成比例的直流输出分量。11、锁相放大器的原理：输入信号sV：])cos[(0tVVsms；（9-1）参考信号rV：tVVrmr0cos；（9-2）则输出信号0V为：]})2cos[(){cos(2100ttVVVVVrmsmrs（9-3）式中：为rsVV和的频率差，为相位差。由式（9-3）可见，通过输入信号和参考信号的相关运算后，输出信号的频谱由0变换到差频与和频02的频段上。通过相敏检波器的频谱变换的意义在于可以利用低通滤波器得到窄带的差频信号。同时，和频信号02分量被低通滤波器滤除，于是，输出信号0V变为：)cos(210tVVVrmsm（9-4）式（9-4）表明：在输入信号中只是那些与参考电压同频率的分量才使差频信号为零，即0。此时，输出信号是直流信号，它的幅值取决于输入信号幅值并与参考信号的输入信号相位差有关，并有cos210rmsmVVV（9-5）当00时，rmsmVVV210；20时，00V。12、虽然那些与参考信号同频率、同相位的噪声分量也能够输出直流信号并与被测信号相叠加，但它们终归只占白噪声的极小部分。因此，锁相放大能以极高的信噪比由噪声中提取出有用信号来。13、光电检测的基本方法：直接作用法、差动测量法、补偿测量法和脉冲测量法等。14、频率法测速：图1-10是频率测速的原理框图。在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射光片数，n为每分钟转速，则)/(60,/60/mtNntNnmf只要控制在一定的时间t内计数N，就可计算得到轮子的转速。第2章光电检测器件工作原理及特性1、光电效应：在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发生了变化（电导率改变、发射电子、产生感应电动势等）的现象。2、光电效应可分为外光电效应和内光电效应两大类。（1）外光电效应：是指受到光辐射的作用后，产生电子发射的现象。（2）内光电效应：是指受到光照射的物质内部电子能量状态产生变化，但不存在表面发射电子的现象。3、光电导效应：当光照射到半导体材料时，晶格原子或杂质原子的束缚态电子吸收光子能量并被激发为传导态自由电子，引起材料的载流子浓度增加，因而导致材料的电导率增大。光子激发产生的载流子仍保留在材料内部，因此光电导效应是一种内光电效应。3、为什么光电导器件常做成蛇形（如右图所示）？答：光敏面做成蛇形，这样既可以保证有较大的受光表面，也可以减小电极之间的距离；从而既可减小载流子的两极间渡越时间，也有利于提高灵敏度。考点：1、锁相放大器的原理和方法，并请图示。2、如何做到同频同相位信号的提取？24、光热效应：某些物质在受到光照射后，由于温度变化而造成材料性质发生变化的现象。（热释电效应、辐射热计效应、温差电效应）5、热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起表面电荷变化的现象。（考点：人体感应器的物理工作原理）第3章半导体光电检测器件及应用1、火焰检测报警器：当被检测物体的温度高于燃点或被点燃处发生火灾时，物体将发生波长接近于m2.2的辐射（或“跳变”的火焰信号）。该辐射光将被PbS光敏电阻3R接收，使前置放大器的输出跟随火焰“跳变”的信号，并经电容2C耦合，送到由32VV、组成的高输入阻抗放大器放大。火焰的“跳变”信号被放大后送给控制检测中心的放大器，并由控制检测中心发出火灾警报信号或执行灭火动作，如喷淋出水或灭火泡沫。【2C起到什么作用？（提取耦合信号）】2、照相机电子快门：①照相机曝光控制电路是由光敏电阻R、开关K和电容1C构成的充电电路、时间检出电路（电压比较器）、三极管V构成的驱动放大电路和电磁铁M带动的开门叶片（执行单元）等组成。②在初始状态，开关K处于图中所示的位置，电压比较器的正输入端的电位为1R与1PR对电源电压bbU分压所得的阈值电压thU（一般为1.5V~1），而电压比较器的负输入端电位RU近似为电源电位bbU，显然电压比较器负输入端的电位高于正输入端的电位，比较器输出为低电平，三极管截止，电磁铁M不吸合，开门叶片闭合。③当按动快门的按钮时，开关K与由光敏电阻R及2PR构成的测光与充电电路接通，这时，电容1C两端的电压CU为0.由于电压比较器的负输入端的电位低于正输入端而使其输出为高电平，使三极管V导通，电磁铁将带动快门的叶片打开快门，照相机开始曝光。快门3打开的同时，电源bbU通过电位器2PR与光敏电阻R向电容1C充电，且充电的速度取决于景物的照度，景物照度愈高，则光敏电阻R的阻值愈低，充电速度愈快。【1C的作用（控制曝光时间）】3、光谱辐射仪：主要用于光源、荧光粉或其他辐射源的发射光谱测量。测量光源时，将反光镜0M移开，被测量光通过光导纤维进入测量系统，经过光栅单色仪分光后，出射光谱由光电倍增管接收，光电倍增管输出的光电流经放大器放大、DA/转换后进入微机。另一方面，微机输出信号驱动步进电机，使单色仪对被测光源进行光谱扫描，光电倍增管就逐一接收到被测光源各波长的光谱信号。同理，可获得标准光源光谱功率分布。仪器通过标准光源（已知光谱功率分布）和被测光源的比较测量，可获得被测光源的光谱功率分布。测量荧光样品时，反光镜0M进入光路；紫外灯发射的激光经过紫外滤光片照到荧光样品上，激发的荧光经反光镜0M进入测量系统。【考点：①谁产生分光效果？（G：反射式光栅）②电机怎么移动？（左右移动）】4、光电耦合器件的特点：①具有电隔离的功能②信号传输是单向性的③具有抗干扰和噪声的能力④响应速度快⑤使用方便，具有一般固体器件的可靠性，体积小，质量轻，抗震，密封防水，性能稳定，耗电省，成本低，工作温度范围在C0100~55-之间⑥既具有耦合特性又具有隔离特性【考点：为什么能抗干扰？[①光电耦合器件的输入阻抗很低（单向导电性的电阻小）②发光二极管存在截止电流③光电耦合器件的输入/输出端是用光耦合的，且这种耦合又是在一个密封管壳内进行的（结构特性）④光电耦合器件的输入/输出间的寄生电容很小，绝缘电阻又非常大（电隔离特性）]】第4章光电信号检测电路1、【光电信号输入电路的静态计算】恒流源型器件光电信号输入电路直流等效电路：（如左下图）bU是反向偏置电压,LR是负载电阻，与输入光通量成正比的电压信号U。LbIRUIU)((非线性函数）。内电阻=外电阻时，输出功率最大。2、【光电信号输入电路的动态计算】交流检测电路交流等效电路：（如右上图）：cC：提取交流信号;LR:交变信号负载电阻。第5章光电直接检测系统1、莫尔条纹：若两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）互相重叠，并使它们的栅线之间形成一个较小的夹角，当光栅对之间有一相对运动时，透过光栅对看另一边的光源，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动，这就形成莫尔条纹。2、莫尔条纹的工作原理①一束恒定不变的光照射到运动的光栅对上时，通过光栅对的光强就变成固定周期的交变光。在某一点观察时，能看到随着光栅的移动，某点的透过光强作明暗交替变化，光栅对光起了调制作用。假如两个计量光栅的节距相等，且两光栅夹角很小，当主光栅相对于指示光栅移动一个节距时，莫尔PMT与电机移动步长非线性4条纹就移动了一个莫尔条纹间隔，即移动了一个莫尔条纹的宽度B，即sin/PB。由此可见，莫尔条纹有放大作用，放大倍数sin1//PBK。②一般情况下指示光栅与工作台固定在一起。工作台前后移动的距离由指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹测长系统进行计数来得到。指示光栅相对于长光栅移过一个节距，莫尔条纹变化一周。工作台移过进行长度测量时，指示光栅移动的距离为NPx（式中：P为光栅节距；N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数；为小于1个光栅节距的小数。2、脉冲激光测距仪的测距原理：由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接收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算出目标的距离。光在空气中传播的速度smc/100.38。设目标的距离为L，光脉冲往返所走过的距离即为2L，若光脉冲往返所经过的时间为t，则cLt/2。3、脉冲测距仪原理：当按动启动按钮10时，复原电路9给出复原信号使整机复原，准备进行测量；同时触发脉冲激光器1，产生激光脉冲，该激光脉冲除一小部分能量由取样器2直接送到接收器（把此信号称为参考信号）外，绝大部分激光能量射向被测目标，由被测目标把激光能量反射回到接收系统得到回波信号（或测距信号）。参考信号及回波信号先后经小孔光阑3和干涉滤光片4聚焦到光电检测器5上变换成电脉冲信号。小孔光阑3的作用是限制视场角，阻挡杂光进入系统。干涉滤光片4一般只允许激光光谱信号进入系统，阻止背景光谱进入检测器，从而有效地降低背景噪声，提高信噪比。由光电检测器件5得到的电脉冲，经放大电路6和整形电路7，输出一定形状的负脉冲到控制电路8。由参考信号产生的负脉冲A经控制电路8去打开电子门12.这时振荡频率一定的时钟振荡器11产生的时钟脉冲，可以通过电子门12进入计数显示电路13，计时开始。当反射回来经整形后的测距信号B到来时，关闭电子门12，计时停止。在参考脉冲及回波信号之间，计数器接收到的时钟脉冲个数代表了被测距离。设计数器在参考脉冲和回波脉冲接收到n个时钟脉冲，时钟脉冲的重复周期为，则被测距离为cn