第9章 光电检测技术的典型应用ppt课件.ppt
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1、光电检测技术与应用,第九章,第九章 光电检测技术的典型应用,本章内容: 9.1 微弱光信号检测技术锁相放大器取样积分器光子计数 9.2 光电开关与光电转速计,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。利用与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,改善信噪比,并且具有很高的检测灵敏度,信号处理比较简单。,输出信号DC,选频,锁相环,移相器,输入信号AC,参考信号AC,信号通道:对混有噪声的初始信号进行选频放大、对噪声作初步窄带滤波,相敏检波:所用参
2、考信号是方波形式,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:通过锁相、移相提供一个与被测信号同频、同相的参考电压,1.构成,2. 锁相放大器的原理 锁相放大器( Lock-in-Amplifier )实际上是一个模拟的傅立叶变换器,锁相放大器的输出是一个直流电压,正比于是输入信号中某一特定频率(参考输入频率)的信号幅值,而输入信号中的其它频率成份将不能对输出电压构成任何贡献。 适用范围:锁相放大器被用来侦测和量测非常小的交流信号直至数个 nV。甚至当信号被比它大数千倍噪声掩盖时,也可以做正确的量测。 主要优点:”窄的频宽”能将电路特定的频率与相位抓出,并滤除噪声,可准确测
3、量信号。( Lock-in-Amplifier因有相位识别功能,能将电路中特定频率、相位锁住,过滤其它噪声量测出正确的信号。),3. 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。,4. 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
4、和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。,A1,A2,门脉冲,门延时,整形器,扫描发生器,输入放大器,取样开关,积分器,输出放大器,输出信号,参考输入,固定触发,输入信号,1.运行步骤:利用检测光脉冲的激励源取得与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
5、出信号。,2. 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检测光子能量的功能,通过光电子计数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 (主要介绍)源补
6、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,计数脉冲,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入信号脉冲,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
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