光电检测技术的典型应用

第九章、光电检测技术的典型应用•数字红外辐射计全自动血沉动态分析仪据海尔洗衣机的技术专家介绍，这种洗净即停技术是海尔洗衣机最新研发的技术成果，它采用全方位的光电检测技术，通过即时检测桶内水的脏污变化程度，在整个洗衣过程中可以随时感知衣物的污浊度，以此自动判断用水量及洗涤时间，就像电饭煲煮饭一样，米饭煮好时自动跳闸。9.1微弱光信号检测技术一、锁相放大器它是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。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）、同相的噪声分类有响应，故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，是微弱信号检测的一种有效办法。锁相放大器选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC前放混频乘法器低通滤波器锁相放大器的组成方框图参考通道1.锁相放大器的构成它有三个主要部分:信号通道、参考通道和相敏检波。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。相敏检波有混频乘法器和低通滤波器组成，所用参考信号是方波形式。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和差频。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。2、锁相放大器的原理ssmcos[()t+]VVrrmcostVV0rrmsm{1cos(+t)+cos[(2+)t+]}2sVVVVV3、方波控制的相敏放大器工作原理0rmsm1'=cos(+t)2VVV2220022224(1)1ddfeKRCRCKRCffef00()()ifSNRSNRif锁相放大技术的四个基本环节：•通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；•在调制频率上对有用信号进行选频放大；•在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；•通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。特点：•要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；•极窄带高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；•交流－直流信号变换器；•可以补偿光检测中的背景辐射噪声＆前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。二、取样积分器（Boxcar平均器）利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。根据被测信号的形式可分为稳态和扫描测量方式。1、运行步骤：•利用检测光脉冲的激励源取得＆输入光脉冲同步的触发信号；•利用门延时＆门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；•取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；•积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。取样积分器取样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。1、取样积分器的工作原理取样点的值，应是信号和噪声的和，我们以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为Vs，则输入噪声电压Vni是随机量，当噪声的分布是正态分布时，数学期望是零，方差等于噪声平均功率Pni，所以输出噪声电压Vn也是正态分布的随机变量，它的数学期望和方差分别是通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后信号噪声幅值比(SNIR)为一个取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输出)保持到下一次取样取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。2．定点式取样积分器定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经m次取样平均后，其幅值信噪比改善为定点式取样积分器仅能在噪声中提取信号瞬时值，其功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。3．扫描式取样积分器扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。1、取样积分技术的运行步骤：•利用检测光脉冲的激励源取得和输入光脉冲同步的触发信号；•利用门延时和门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；•取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；•积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。2、取样积分器的特点：•适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；•是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；•在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以，对信号有恢复和提取作用；•在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；•用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；•双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。三、光子计数系统一种利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的方法测量极微弱光脉冲信号的装置。1、类型：•基本的光子计数系统：•辐射源补偿的光子计数系统；•背景补偿的光子计数系统。PMT比例计计数器数模转换器放大器光子参考电压光子脉冲噪声技术脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出基本的光子计数系统入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字和模拟形式输出。2、基本过程：•用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；•利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；•利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；•为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。3、特点：•只适合于极弱光测量不能测量包含许多光子的短脉冲强度；•良好的信噪比；•必需选择带有制冷器的光电倍增管；•不用数模转换即可提供数字输出。