典型光电测试系统资料

•光电检测系统的类型•直接检测•光外差检测(相干检测)•典型的光电检测系统第九章光电信号检测技术及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/紫外/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？/光外差干涉检测系统？(相干检测)9.1光电信号检测种类按照光信号的强度、相位、偏振、频率和光谱检测属性，分别讲述光电信号的基本检测方法。9.1.1光强度型信号检测可以分为直接检测和调制检测两种方法。一.光强度型光电信号的直接检测方法：辐射式、透射式、遮挡式和反射式等四种基本检测形式123(a)辐射式312(b)透射式312(c)遮挡式3(d)反射式12（a).辐射式直接检测方法879年德国物理学家斯特藩:黑体单位表面积在单位时间内发出的全辐射辐射度M，与它的绝对温度T的四次方成正比，即4TM式中σ为“斯特藩-玻耳兹曼常量”（5.67×10-8W·m-2·K-4），ε为辐射发射率9.1光电信号检测种类(b).透射式直接检测方法假设待测介质是均匀的，探测光透过待测介质后的光通量可以表达为123(a)辐射式312(b)透射式312(c)遮挡式3(d)反射式12de0式中为入射到介质前的光通量，为介质的吸收系数，d为介质的厚度。对于均匀的液体或气体介质.在探测液体或气体浓度时，为提高探测的灵敏度，应尽量增加探测光透过介质的长度d.9.1光电信号检测种类(c).遮挡式直接检测方法123(a)辐射式312(b)透射式312(c)遮挡式3(d)反射式12光源光电探测器计数产品如图5-2所示为光电产品自动计数系统示意图，每个产品经过成对配置的光源光束和光电探测器时，都实现对光束的一次遮挡，对应光电探测器的一个脉冲信号，然后通过计数脉冲个数实现对产品的计数。类似的应用还包括商场出入人数统计、住宅安全监控报警以及电梯自动启停开关等等.9.1光电信号检测种类(c).遮挡式直接检测方法可逆电机差动放大器指针刻度尺Φ1Φ2探测器1探测器2U1U2可动挡片轴如图5-3所示是一种遮挡补偿式轴径检测原理图，将平行光束Φ1投射到待测物体轴上，部分光束被轴径遮挡，被遮挡光强通量的大小反映了待测轴径的大小，其后的光电探测器1将未经遮挡的光转化为光电流I1和相应的负载电压U1。作为补偿式光强检测结构.)(210UUKU9.1光电信号检测种类(d).反射式直接检测方法123(a)辐射式312(b)透射式312(c)遮挡式3(d)反射式12镜面反射检测方法通常用于判断光信号的有无，在光准直、转速测量以及激光测距技术中多有应用。而漫反射检测方法则不同，其反射光只有一部分入射到光电探测器件上，入射到光电探测器上的光强大小与漫反射表面材料、表面粗糙度以及表面缺陷等因素有关，因此光电探测器的信号输出可以反映漫反射表面的材料性能、粗糙度大小或者表面的缺陷。根据待测反射物体的不同，光反射检测方法有镜面反射和漫反射两种，在光电检测技术中有着不同的应用。9.1光电信号检测种类按照光信号的强度、相位、偏振、频率和光谱检测属性，分别讲述光电信号的基本检测方法。9.1.1光强度型信号检测可以分为直接检测和调制检测两种方法。一.光强调制检测方法光源光电探测器光强交变调制待测液体滤波放大U0杂散光f0f0电机驱动LD驱动调制光束D图5-9光强正弦调制盘图5-9光强正弦调制盘图5-9光强正弦调制盘图5-9光强正弦调制盘•电光调制(P196):电致晶体双折射•声光调制(P199):声学光栅衍射•磁光调制(P206):法拉第磁光效应(法拉第磁旋)二.光信号的三种调制方法9.1.2光相位型信号检测传感器激光器光电探测器固定反射镜测量反射镜分束镜(a)迈克尔逊干涉仪激光器光电探测器传感器固定反射镜分束镜1分束镜2测量反射镜(b)马赫-曾德尔干涉仪激光器光电探测器分束镜(c)萨格纳克干涉仪激光器光电探测器传感器测量镜参考镜(d)法布里-珀罗干涉仪9.1.3光偏振型信号检测在高压传输线中，要检测传输电流，最理想的检测方法就是利用光纤传感器进行检测，检测机理就是石英材料的法拉第磁旋效应，即传输线中的电流产生磁场，引起光纤中信号光的偏振方向发生变化，检测这种变化就可以实现对通电电流的检测.激光器E1E22121EEEE起偏器λ/4波片聚焦透镜聚焦透镜棱镜探测器运算器通电线圈单模光纤abRVLI2式中，V为维尔德常数，L为线圈与光纤间的作用长度，R为通电线圈的直径。212122sinEEEE2121EEEEVLRI由聚焦透镜进入屋拉斯顿棱镜分解出两振动方向垂直的偏振光a和b，经光电探测器接收，其信号大小为E1和E2.9.1.4光频率型信号检测光学多普勒效应差频检测方法:类似于声学的多普勒效应，运动物体改变入射到其上的光信号频率的现象被称作光学多普勒效应。通过对光学多普勒效应进行分析表明：当频率为的单色光入射到以速度v运动的物体上，被物体散射的光波频率会产生多普勒频移.速度方向v光入射方向r0rsv·(rs-r0)(rs-r0)0s（a)vr0rs（b)vrsr0(rs-r0)（c)9.1.4光频率型信号检测萨格纳克效应差频检测方法:当封闭的光路相对于惯性系空间有一转动角速度Ω时，则顺时针传输光路与逆时针传输光路之间将形成与转速成正比的光程差ΔL，其大小满足关系cos4cAL式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积，为角速度矢量与面积A的法线间的夹角，如图5-19所示。M2/LRCWCCWΩAnΩ当光路平面垂直于转动方向时cAL49.1.5光谱型信号检测分光系统光源试样（a）分光系统光源试样检测器件（b）图2-21光谱检测的两种典型布局检测器件运用吸收方法实现光谱检测系统的两种典型布局如图2-21（a）和（b）所示，主要由四个组成部分，即：光源，固定或放置被检试样的容器，分光系统，检测器件及信号处理.9.2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。光源被测对象放大器光电探测器指针显示A/D样品样品PINPIN差动或比较处理输出被测标准分光00单通道测量变化双通道测量变化PINSI放大器电表LED/LD0IkIMII0I=MKIKSKSMMM00I0KKKSM，0ISKM照明光通量为恒定，样品透光率为，透过样品后光强为，PIN灵敏度为，放大器增益为，电表传递系数为则：例如：液体样品的光透光率的检测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．222)(AhqtEhqSPIpLLppRPhqRIS222返回样品样品PINPIN差动或比较处理输出被测标准分光00PINPINr000xI01S2S基准通道M0其中，9.2.1三角法测试技术•引言：•激光三角法是激光测试技术的一种，也是激光技术在工业测试中的一种较为典型的测试方法。•该方法具有结构简单、测试速度快、实时处理能力强、使用灵活方便等特点，在长度、距离以及三维形貌等的测试中有广泛地应用。9.2.2三角法测试技术三角法测试技术基础激光器会聚透镜θa接收透镜光电探测器xx′ba）直射式结构cos'sin'xbaxx单点直射式结构:9.2.2三角法测试技术三角法测试技术基础单点斜射式结构:激光器会聚透镜θ2a接收透镜光电探测器xx′bθ1b）斜射式结构)cos(')sin(cos'21211xbaxx从图中可以看出，斜射式入射光的光点照射在被测面的不同点上，无法知道被测面中某点的位移情况，而直射式却可以。因此，当被测面的法线无法确定或被测面面形复杂时，只能采用直射式结构。9.2.2三角法测试技术•在上述的三角法测量原理中，要计算被测面的位移量，需要知道距离a，而在实际应用中，一般很难知道a的具体值，或者知道其值但准确度也不高，影响系统的测试准确度。实际应用中可以采用另一种表述方式，如图所示•有下列关系:zbβ图7-16三角法原理示意图激光器f′x′tanbz'/'tanxf'/'xbfz9.2.2三角法测试技术•激光三角法测量技术的测量准确度受传感器自身因素和外部因素的影响。•传感器自身影响因素主要包括:–光学系统的像差;–光点大小和形状;–探测器固有的位置检测不确定度和分辨力;–探测器暗电流和外界杂散光的影响;–探测器检测电路的测量准确度和噪声;–电路和光学系统的温度漂移等等。•测量准确度的外部影响因素主要有:–被测表面倾斜;–被测表面光泽、粗糙度、表面颜色等。•在使用之前必须通过实验进行标定。9.3激光外差干涉测试技术引言：单频激光干涉仪的光强信号及光电转换器件输出的电信号都是直流量，直流漂移是影响测量准确度的重要原因，信号处理及细分都比较困难。为了提高光学干涉测量的准确度，七十年代起有人将电通讯的外差技术移植到光干涉测量领域，发展了一种新型的光外差干涉技术。概念：光外差干涉是指两只相干光束的光波频率产生一个小的频率差，引起干涉场中干涉条纹的不断扫描，经光电探测器将干涉场中的光信号转换为电信号，由电路和计算机检出干涉场的相位差。特点：克服单频干涉仪的漂移问题；细分变得容易；提高了抗干扰性能。9.3激光外差干涉测试技术一激光外差干涉测试技术原理①外差干涉技术原理设测试光路和参考光路的光波频率分别为ω和ω+Δω，则干涉场的瞬时光强为)(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),,(222x,yt-φEEx,yφtEEx,yφtEtEyxφtEtEtyxItrtrtrtr由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频ω，它不能跟随光频变化，所以式中含有2ω的交变项对探测器的输出响应无贡献。)],(cos[2/2/),,(22yxφtEEEEtyxitrtr干涉场中某点（x，y）处光强以低频Δω随时间呈余弦变化9.3激光外差干涉测试技术一.激光外差干涉测试技术原理①外差干涉技术原理在干涉场中，放入两个探测器，一个放在基准点(x0,y0)处，称之为基准探测器，其输出基准信号i(x0,y0,t)，另一个放在干涉场某探测点(xi,yi)处，称之为扫描探测器，输出信号为i(xi,yi,t)。将两信号相比，测出信号的过零时间差Δt，便可知道二者的光学位相差)/1/(π2),(),(00vttyxφyxφ由控制系统控制扫描探测器对整个干涉场扫描，就可以测出干涉场各点的位相差。扫描探测器（xi,yi）基准探测器（x0,y0）（a）Δt1/Δνti(x,y,t)（b）图4-32外差干涉图样和电信号9.3激光外差干涉测试技术②激光外差干涉仪的光源外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大）3）光学机械移频当干涉仪中的参考镜以匀速v沿光轴方向移动时，则垂直入射的反射光将产生的频移为。如果圆偏振光通过一个旋转中的半波片，则透射光将产生两倍于半波片旋转频率f的频移，即。/2vfv29.3激光外差干涉测试技术3）光学机械移频在参考光路中放入一个固定的1/4波片和一旋转的1/4波片，如果固定1/4波片的主方向定位合适，它可以把入射的线偏振光转变为圆偏振光。该圆偏振光两次穿过旋转的1/4波片，使其产生2f的频移。圆偏振光再次穿过固定1/4波片后