第1章 光電檢測技術(shù)與應用

1、機械與精密儀器學院 機械工程及自動化系 孔 令 飛章節(jié)安排傳統(tǒng)的電子技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電信息技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)主要研究主要研究電子或離子電子或離子在固體材在固體材料中的運動規(guī)律及其應用，并料中的運動規(guī)律及其應用，并利用它實現(xiàn)信號處理功能的科利用它實現(xiàn)信號處理功能的科學，是在電子電路和系統(tǒng)的超學，是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過程中逐漸形小型化和微型化過程中逐漸形成和發(fā)展起來的，以實現(xiàn)電路成和發(fā)展起來的，以實現(xiàn)電路的系統(tǒng)化和集成化的系統(tǒng)化和集成化安全檢查可拍照的手機例：空調(diào)機

2、測量控制室溫例：空調(diào)機測量控制室溫被測對象：被測對象：被測信息：被測信息：檢測器具：檢測器具：操作過程：操作過程：室內(nèi)空氣室內(nèi)空氣溫度溫度溫度傳感器溫度傳感器 - - 熱電阻、熱電偶熱電阻、熱電偶空氣空氣 熱敏電阻熱敏電阻 電信號電信號 處理處理 顯示顯示 空調(diào)機空調(diào)機直接測量方式舉例直接測量方式舉例間接測量：間接測量：測量幾個與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)測量幾個與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計算出被測量。關(guān)系式計算出被測量。例如：阿基米德測量皇冠的比重例如：阿基米德測量皇冠的比重非電量非電量電量電量（確定對應關(guān)系）（確定對應關(guān)系）光電傳感器光電傳感器能量控制型-有源傳感器：光敏電阻，

3、光電二極管三極管能量轉(zhuǎn)換型-無源傳感器：光電池光電傳感器：-基于光電效應，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件。-將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應關(guān)系的電量輸出。敏感器是把被測量轉(zhuǎn)換為可用非電量，而傳感器是把被測非電量轉(zhuǎn)換為電量。（確定對應關(guān)系）可用非電量可用非電量（應變力）電量電量（電阻）傳感器傳感器（應變片）被測非電量被測非電量（壓力）敏感器敏感器（彈性元件）傳感器傳感器信號變換器信號變換器輸出環(huán)節(jié)輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對象中提取被測信號，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號變換電路：完成信號的轉(zhuǎn)換、濾波和放大光發(fā)射機光發(fā)射機光學通道光學通道光接收機光接收機光發(fā)射機：分為主動式和被動式 主動式：光源（或加

4、調(diào)制器） 被動式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機：收集入射的光信號并加以處理，恢復光載波信息接收透鏡系統(tǒng)接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器光電檢測器后繼檢測處理器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢測器上接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號的轉(zhuǎn)換光電檢測器：完成光電信號的轉(zhuǎn)換檢測處理電路：完成電信號的放大、調(diào)理及濾波，恢復信號。檢測處理電路：完成電信號的放大、調(diào)理及濾波，恢復信號。外差檢測接收機相干檢測（空間相干）透鏡透鏡光電檢測器光電檢測器接收到的光場空間濾波器空間濾波器頻率濾波器頻率濾

5、波器直接檢測接收機直接檢測接收機外差檢測接收機外差檢測接收機合束鏡合束鏡光電檢測器光電檢測器接收到的光場本地激本地激光器光器本地光場本地光場聚焦光場聚焦光場透鏡透鏡光學變換：通過各種光學元件和光學系光學變換：通過各種光學元件和光學系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實現(xiàn)柵、成像系統(tǒng)等來實現(xiàn) ，作用是將被測，作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實現(xiàn)，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學變換光電變換電路處

6、理各種檢測技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測長度的相對精度達0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達0.04秒；用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達1m（38萬公里）。光電檢測以光為介質(zhì)，用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。光便于遠距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測，如武器制導，光電跟蹤，電視遙測等。可將復雜信息并行處理。同時光電方法還便于信息控制和存儲，易于實現(xiàn)自動化和智能化。光波可永久使用。光照可認為是沒有測量力的，也無磨擦，可實現(xiàn)動態(tài)測量，效率最高。光電轉(zhuǎn)換器對著光源放置，光軸重合，對于光源為發(fā)射光通量最大方向，對于光電器件為靈敏度最高的方向。分為單向反射和漫反射被測物體本身為一輻射源，光

7、電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實現(xiàn)測量。被測物理量被測物理量光通量光通量光電傳感器光電傳感器放大、定標放大、定標直接讀數(shù)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型II、差動測量法：利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數(shù)值比可反應被測量的大小。放大放大相敏檢波器相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤調(diào)制盤被測物被測物光楔光楔反光鏡反光鏡21雙光路差動測量法測量物體長度O1212tUOtO1212tUOtO1212tUOt說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負決定于U的相位，可通過相敏檢波器相敏檢波器得到。測量值測量值U的幅值的幅值工件大小工件大小0,21U時SSU)(,2121工件尺寸變小時SSU)(,

8、2121工件尺寸變大時)sin(),sin(.,2211tEutEuuuuRRisiRs另一路為號一個濾波器，一路為信核心是由一個乘法器和濾去高頻信號后，濾波器濾波器siuu 或RuOu)(2cos2/1)(2cos2/121212121tffEgEtffEgEuuuRiRiRiO)(2cos2/12121tffEgEuuuRiRiOcos2/1)cos(2/1,2121RiRiOEgEEgEuff則如相敏檢波器用途： 可用來測幅、測相，還可高頻信號變成中頻信號（差頻信號）雙光路外差檢測特點： 雙光路可消除雜散光、光源波動、溫度變化和電源電壓波動帶來的測量誤差，使測量精度和靈敏度大大提高。輸出

9、為負。，則輸出為正，則特性分析：OOuu0III、補償測量法： 原理：是用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數(shù)裝置指示出補償量值，其大小反應被測量變化大小。放大放大相敏檢波器相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤調(diào)制盤被測物被測物光楔光楔反光鏡反光鏡21移動控制及讀數(shù)顯示移動控制及讀數(shù)顯示例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動，使1-2=0，光楔移動與讀數(shù)機構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。IV、脈沖測量法： 原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。 （1）脈寬方法測長度：高頻脈沖可取自電動機或轉(zhuǎn)動輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。計數(shù)器值長度當量高頻脈沖時間當量測量關(guān)系式：NKkNKNkvtvLvR1ER2高頻脈沖高頻脈沖N計數(shù)器計數(shù)器L（2）頻率法測速：脈沖測量法特點：抗干擾性能好，精度高，直接與計算機相連，易于實現(xiàn)在線測量和自動化控制。)/(60;/60/t