光電檢測系統(tǒng)

1、第五章 光電檢測系統(tǒng),光電檢測系統(tǒng)分類,主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分) 紅外系統(tǒng)/可見光系統(tǒng)(按光源波長分) 點(diǎn)探測/面探測系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分) 模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號處理方式分) 直接檢測？/光外差檢測系統(tǒng)？(按光波對信號的攜帶方式分,直接檢測的基本原理,直接檢測(非相干檢測):都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化,直接檢測的基本特性,光探測器的平方律特性 光電流正比于光電場振幅的平方 輸出的電功率正比于入射光功率的平方 信噪比：表征檢測系統(tǒng)的靈敏度 視場角:表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍 通頻帶寬度:頻帶寬度越寬，通過信號的能量越大，系統(tǒng)

2、的噪聲功率也越大 檢測距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評價(jià)指標(biāo),返回,光外差檢測的基本原理,利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。 兩束相干光入射到探測器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場,又稱相干檢測。只有激光才能進(jìn)行相干檢測。 輸出信號中包含 的差頻信號,因此稱光外差檢測 輸出的中頻功率正比于信號光和本振光功率的乘積,光外差檢測的特性,光探測器的輸出包含有信號光的全部信息：振幅、頻率和相位等； 轉(zhuǎn)換效率高，檢測靈敏度高（比直接檢測高數(shù)量級），對微弱信號的探測有利（盡管信號光功率小，但是本振光功率大） 良好的濾波性能 信噪比損失小 檢測靈敏度高 檢測距離遠(yuǎn) 對探測器的要求比直接檢測高,光外差檢

3、測的空間和頻率條件,空間條件： :兩束光的夾角，l：檢測器光敏面線度 波長越短或口經(jīng)越大，要求相位差角越小，越難滿足要求 頻率條件： 要求信號光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。 如何獲得單頻光和穩(wěn)頻光,信號光與本振光并非平行 而成一夾角,5.3 典型的光電檢測系統(tǒng),你所知道的光電檢測系統(tǒng)? 你能講一講光電檢測系統(tǒng)? 你能評一評光電檢測系統(tǒng),典型的光電檢測系統(tǒng),直接檢測系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制） 莫爾條紋測長儀 激光測距儀 激光準(zhǔn)直 環(huán)境污染檢測系統(tǒng) 光外差檢測系統(tǒng) 激光干涉測長儀（相位調(diào)制） 多普勒測速（頻率調(diào)制） 光外差通信,5.3.1莫爾條紋測長儀,莫爾條紋的原理 將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和

4、P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度,透過光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強(qiáng)調(diào)制作用 長光柵莫爾條紋的形式 橫向條紋:P1=P2, 很小; 縱向條紋: P1P2, =0; 斜條紋: P1P2, 很小. 莫爾條紋演示,縱向條紋,橫向條紋,莫爾條紋的特性,光柵的節(jié)距比光的波長大很多. 莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角(rad)之間的關(guān)系為： 當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線的方向相對移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動(dòng)光柵每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度 因?yàn)楹苄?，放大倍?shù)很大例如: =20,K=172,斜向條紋,莫爾條紋測長儀,兩塊光柵：一塊為指

5、示光柵與工作臺(tái)固定一塊為長光柵工作臺(tái)前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)得到指示光柵相對移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋變化一周指示光柵移動(dòng)的距離為： ：指示光柵移動(dòng)距離中包含的光柵線對數(shù)，：小于個(gè)光柵節(jié)距的小數(shù),簡單光柵讀數(shù)頭 ：燈，：聚光鏡，：指示光柵，：長光柵，：光電探測器,莫爾條紋測長儀,光電探測器接收到的明暗變化的光信號轉(zhuǎn)換成電信號； 通過對莫爾條紋的直接測量，可以測的光柵的位移量； 在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分裝置進(jìn)行細(xì)分，可讀取位移的分?jǐn)?shù)，提高測量的靈敏度和精度,光柵輸出信號波形,莫爾條紋測長儀的應(yīng)用,工業(yè)自動(dòng)化中的核心測控部件 小型智能化的長度測試儀器，用于對長度、直徑、厚度

6、、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測量。 新一代的計(jì)量測試工具 某些幾何量計(jì)量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 某些物理量的計(jì)量檢測儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng) 納米級測量的重要儀器 非接觸在線測量控制儀器,5.3.2激光測距儀,激光測距儀的類型 脈沖激光測距儀 相位激光測距儀 激光測距儀的特點(diǎn) 測程遠(yuǎn)、測量精度高 結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便 快速、非接觸式距離測量 激光對點(diǎn)準(zhǔn)確 受氣象條件影響較大 激光測距儀廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防軍事、科學(xué)技術(shù),一、脈沖激光測距儀,測距原理： 由激光器對被測目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接受目標(biāo)反射回來的光脈沖，通過測量光脈沖往返所經(jīng)過的時(shí)間來計(jì)算出目標(biāo)的距離。 測距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受

7、系統(tǒng)，門控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器和計(jì)數(shù)器等組成,脈沖激光測距儀的原理框圖,脈 沖 激 光 測 距 儀,發(fā)射系統(tǒng),接收系統(tǒng),接收光學(xué)系統(tǒng) 光電探測器 低噪聲寬帶放大器 整形電路,門控電路,時(shí)鐘脈沖振蕩器,計(jì)數(shù)顯示器,激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模） 電源 發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng),物鏡 小孔光闌 干涉濾光片,激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號和回波信號。 回波脈沖經(jīng)光電探測器變換成電信號，再經(jīng)放大和整形后，將電子門打開，使通過電子門的時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器開始計(jì)時(shí)；當(dāng)回波脈沖（負(fù)與門）到來時(shí)，關(guān)閉電子們。 在參考和回波脈沖之間計(jì)數(shù)器所接收到的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)代表來被測距離。 時(shí)鐘頻率越高，測量的分辨率越

8、高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時(shí)間,脈沖測距波形,二、相位激光測距儀,相位測距原理： 相位激光測距是用無線電波段的頻率，對激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長，換算此相位延遲所代表的距離,若調(diào)制光角頻率為，在待測量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為，則對應(yīng)時(shí)間t 可表示為： t=/ 距離L可表示為 式中： 信號往返測線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。 調(diào)制信號的角頻率，=2f,N：測線所包含調(diào)制波長個(gè)數(shù)。N：測線所包含不足波長的小數(shù)部分。 ：稱為測尺長，又稱“光尺,相位延遲,被測距離,距離的測量變成了測線所包含波長個(gè)數(shù)和不足一個(gè)波長的小數(shù)部分的測量,測量信號相

9、位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測定不足2的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。 測程長，精度低；反之，精度高，則測程短 解決方法： 用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的光尺）進(jìn)行測量，一個(gè)用來測量距離的大數(shù)，另一個(gè)用于精確測量距離的尾數(shù)。 就可以既擴(kuò)大測程又保證精度。 如果需要還可以用更多的頻率測量,差頻相位檢測原理,調(diào)制頻率越高,測量精度越高.但是,一般相位計(jì)工作在低頻區(qū). 差頻后兩信號都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號的相位差s,差頻后,相位激光測距儀的原理,精主振f1(高頻)和粗主振f2 (低頻) ，由開關(guān)控制依次對發(fā)光管供電進(jìn)行兩次測相 檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精

10、本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc 基準(zhǔn)混頻器對本振電壓和主振電壓進(jìn)行混頻外差，進(jìn)行外差，輸出低頻fc的基準(zhǔn)電壓 信號混頻器對本振電壓和輸出信號進(jìn)行混頻外差，輸出低頻fc的信號電壓 信號與基準(zhǔn)電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號的相位差.由相檢計(jì)檢出相位差.兩次測相的結(jié)果輸入計(jì)算電路計(jì)算得到測量結(jié)果,相位激光測距儀的原理圖,5.3.3激光多普勒測速,頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。 光外差檢測：可見光的頻率很高（Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無法直接檢測多普勒頻移因此，需要光外差的方法： 同一光源的兩束相干光以一定的條件投射到光電探測器表面進(jìn)行混頻，就能在輸出的電信號中得到兩束光的差頻,激光多普勒測速的原理,激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，一束經(jīng)透鏡會(huì)聚測點(diǎn)，被該處正以速度V運(yùn)動(dòng)的微粒向四面八方散射，散射光發(fā)生了頻移，頻率為（）。 另一束經(jīng)濾光片衰減后也由透鏡會(huì)聚于測點(diǎn)，有一部分穿越測點(diǎn)作為參考光束，頻率為。 進(jìn)入光闌由透鏡會(huì)聚到光電倍增管的光電陰極上的有兩束頻率相近的光，發(fā)生干涉,參考光模式,設(shè)：兩光束的夾角為，光波波長為，則干涉條紋的間距為： 干涉條紋的空間頻率為,若粒子運(yùn)動(dòng)的速度