典型光电测试系统资料课件.ppt

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,（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,式中为“斯特藩-玻耳兹曼常量”（5.6710-8Wm-2K-4），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,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,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,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1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.,9.1光电信号检测种类,(d).反射式直接检测方法,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,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,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.,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。,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.,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L，其大小满足关系,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。,当光路平面垂直于转动方向时,9.1.5光谱型信号检测,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。,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,返回,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,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:,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:,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和+，则干涉场的瞬时光强为,由于光电探测器的频率响应范围远远低于光频，它不能跟随光频变化，所以式中含有2的交变项对探测器的输出响应无贡献。,干涉场中某点（x，y）处光强以低频随时间呈余弦变化,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t，便可知道二者的光学位相差,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。,9.3 激光外差干涉测试技术,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12MHz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。,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波片后又恢复为线偏振光，但频率已发生偏移。垂直于入射光束方向移动（匀速）光栅的方法也可以使通过光栅的第n级衍射光产生的 频移，此处f 是光栅的空间频率，V是光栅移动速度。,4）声光调制器利用布拉格盒（BraggCell）声光调制器可以起到与移动光栅同样的移频效果。这时超声波的传播就相当于移动光栅，其一级衍射光的频移量就等于布拉格盒的驱动频率f，而与光的波长无关。,9.3 激光外差干涉测试技术,二 激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉测长,9.3 激光外差干涉测试技术,二 激光外差干涉测试技术应用 激光外差干涉测量微振动,方解石棱镜及1/4波片的作用是使测量光束的光路既作发射光路，又作接收光路。通过o光和e光在方解石中光路的不同，起到“光学定向耦合”作用，使发射与接收的光无损失地通过方解石棱镜(不考虑光吸收损失)。,频率fs信号由声光调制器的信号源直接输入混频器与拍频信号混频，把多普勒频移fD解调出来。,9.4 典型的光电检测系统,你所知道的光电检测系统?你能讲一讲光电检测系统?你能评一评光电检测系统?,典型的光电检测系统,直接检测系统（光强调制）莫尔条纹测长仪激光测距仪环境污染检测系统光外差检测系统激光干涉测长仪（相位调制）多普勒测速（频率调制）光外差通信,9.4.1莫尔条纹测长仪,莫尔条纹的原理将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠加在一起,并且两者的栅线成很小的角度,透过光栅能看到如图所示的明暗相间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的光强调制作用长光栅莫尔条纹的形式横向条纹:P1=P2,很小;纵向条纹:P1P2,=0;斜条纹:P1P2,很小.莫尔条纹演示,纵向条纹,横向条纹,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,斜向条纹,莫尔条纹测长仪,两块光栅：一块为指示光栅与工作台固定一块为长光栅工作台前后移动的距离由两块光栅形成的莫尔条纹进行计数得到指示光栅相对移动一个节距，莫尔条纹变化一周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,莫尔条纹测长仪,光电探测器接收到的明暗变化的光信号转换成电信号；通过对莫尔条纹的直接测量，可以测的光栅的位移量；在较宽的莫尔条纹间隔内安放细分装置进行细分，可读取位移的分数，提高测量的灵敏度和精度,光栅输出信号波形,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,9.4.2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,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。,若调制光角频率为，在待测量距离D上往返一次产生的相位延迟为，则对应时间t 可表示为：t=/距离L可表示为 式中：信号往返测线一次产生的总的相位延迟。调制信号的角频率，=2f。,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。测程长，精度低；反之，精度高，则测程短解决方法：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。,差频相位检测原理,调制频率越高,测量精度越高.但是,一般相位计工作在低频区.差频后两信号都工作在低频区,但相位差仍保持高频信号的相位差s.,差频后:,相位激光测距仪的原理,精主振f1(高频)和粗主振f2(低频)，由开关控制依次对发光管供电进行两次测相检相器只能工作于较低频率，故设立精本振频率f1-fc，粗本振频率f2-fc基准混频器对本振电压和主振电压进行混频外差，进行外差，输出低频fc的基准电压信号混频器对本振电压和输出信号进行混频外差，输出低频fc的信号电压信号与基准电压的有相同的频率,但相位差仍保持高频信号的相位差.由相检计检出相位差.两次测相的结果输入计算电路计算得到测量结果。,相位激光测距仪的原理图,9.4.3 激光多普勒测速技术,一.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应当波源与观测者之间有相对运动时，观测者所接收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应。多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观测者存在相对运动时，观测者接收到的声波频率与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。爱因斯坦在论物体的电动力学中指出，当光源与观测者有相对运动时，观测者接收到的光波频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。,声学多普勒效应与波源及观测者相对于介质运动有关，光学多普勒效应只与光源和观测者之间的相对运动有关，因此，声学（机械波）和光学（电磁波）的多普勒效应有本质区别。,9.4.3 激光多普勒测速技术,概述1842年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化多普勒效应。1964年，Yeh和Cummins观察到水流中粒子的散射光有频移，首次证实了可用激光多普勒频移技术来确定粒子流动速度。目前，激光多普勒频移技术已广泛地应用到流体力学、空气动力学、燃烧学、生物医学以及工业生产中的速度测量。,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为v，波长=v/f声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，则声波相对于观测者的速度不再是v，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为同理，观测者背离声源有,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒质中设声源S相对于媒质以速度v2迎着观测者D运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周期内完成一次全振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在T内，波源前进了v2T距离，波长变为,则，频率为,同理，声源背离观测者运动有,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应1）声多普勒效应原理声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和v1综合上述情况，可以得到：,观测者向着声源运动时，取正号；反之取负号,声源向着观测者运动时，取负号；反之取正号,总之当声源和观测者相向运动时，接收频率升高；当声源和观测者背离运动时，接收频率降低；,强调：声学只有纵向多普勒效应，没有横向多普勒效应,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理对于任何惯性系，光在真空中的传播速度都相同，所以，光源和观测者谁相对于谁运动是等价的，只取决于相对速度的大小。如图示。,K系中静止的光源从K系的t1时刻开始发出一列光波，这个波列的发射截止时间为t2，于是在K系中此波列发射的时间为（t2 t1），在这段时间内发射的波数为N，光源的频率为,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是,在观测者所在坐标系K中来看，此波列发射截止于t2时刻（光源在S2处）。t2时刻光源发出的光波传到观测者的时刻为,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理,观测者D收到这N个波共需时,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理观测者接收光波的频率为,根据时间相对性,这就是光学多普勒效应公式,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础1.多普勒效应2）光多普勒效应原理若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cos1（远离时取1，接近时取+1，分母符号相反）：,纵向多普勒效应,若相对运动发生在观测者和光源连线的垂直方向上，则cos0,横向多普勒效应,同样的v值下，横向多普勒效应比纵向多普勒效应要小很多。,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理如图。由于v/c非常小，只取纵向多普勒测速公式级数展开的前两项，即,考虑流体中的速度为c/n，将v换成纵向分量,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向多普勒效应）,因，若 则得,于是，流速为,测量出探测器上的拍频信号，就可以得到f，也就可以得到v,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术基础2.激光多普勒测速原理2）频移信号的检测光混频技术（外差干涉）：,方式：零差；外差。,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术应用1.管道内水流的测量,9.4.3 激光多普勒测速技术,二.激光多普勒测速技术应用2血液流速测量,