光電技術(shù)第12講課件

光電技術(shù)

——光電信息變換（1）光學(xué)信息電學(xué)信息第7章

光電信息變換

光電信息變換器光源光學(xué)系統(tǒng)光電傳感器偏置電路處理電路7.l

光電信息變換的分類

7.1.1光電信息變換的基本形式

1.信息載荷于光源的方式

信息載荷于光源中的情況（或光學(xué)信息為光源本身）溫度信息頻譜信息強(qiáng)度信息鋼水溫度的探測光譜分析火災(zāi)報警武器制導(dǎo)夜視觀察地形地貌普查成像測量

物體自身輻射通常是緩慢變化的，因此，經(jīng)光電傳感器獲得的電信號為緩變的信號或直流信號。為克服直流放大器的零點漂移、環(huán)境溫度影響和背景噪聲的干擾，常采用光學(xué)調(diào)制技術(shù)或電子斬波調(diào)制的方法將其變?yōu)榻涣餍盘?，然后再解調(diào)出被測信息。

在輻射測溫應(yīng)用中溫度信息存在于光源的輻射出射度Me,λ，由斯忒藩－玻爾茲曼定律可知物體的輻射出射度Me與物體溫度的關(guān)系為例：全輻射測溫

式中Me,s為同溫度黑體的輻射出射度，ε為物體的發(fā)射系數(shù)，與物體的性質(zhì)、溫度及表面狀況有關(guān)。T為被測體的溫度，即測量的信息量。

在近距離測量時，不考慮大氣的吸收，光電傳感器的變換電路輸出的電壓信號為式中，m為光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制度，τ為光學(xué)系統(tǒng)的透過濾，S為光電器件的靈敏度，G為變換電路的變換系數(shù)，K為放大器的放大倍數(shù)，ξ=mτSGK稱為系統(tǒng)的光電變換系數(shù)。表明變換電路輸出的電壓信號US是溫度T的函數(shù)，溫度變化必然引起電壓的變化。因此，通過測量輸出電壓，并進(jìn)行相應(yīng)的標(biāo)定就能夠測出物體的溫度。

這樣有：

當(dāng)透明介質(zhì)的系數(shù)μ為常數(shù)時，光通量的損耗與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān).變換電路的輸出信號電壓Us為兩邊取自然對數(shù)后

即將變換電路的輸出信號電壓Us送入對數(shù)放大器后，便可以獲得與介質(zhì)的濃度C與介質(zhì)的厚度l有關(guān)信號。利用此信號可以方便地得到介質(zhì)的濃度C（在介質(zhì)的厚度l確定的情況下），或得到介質(zhì)的厚度l（在介質(zhì)的濃度C確定的情況下）。還可以測量液體或氣體的透明度（或混濁度），檢測透明薄膜的厚度、均勻度及雜質(zhì)含量等質(zhì)量問題。

3.信息載荷于反射光的方式

反射有鏡面反射與漫反射兩種，各具有不同的物理性質(zhì)和特點。利用這些性質(zhì)和特點將載荷于反射光的信息檢測出來實現(xiàn)光電檢測的目的。鏡面反射在光電技術(shù)中常用作合作目標(biāo)，用它來判斷光信號的有無等信息的檢測。

在檢測產(chǎn)品外觀質(zhì)量時，變換電路輸出的疵病信號電壓

式中E為被測表面的照度，r1為正品（無疵病）表面的反射系數(shù)，r2為疵病表面的反射系數(shù)，B為光電器件有效視場內(nèi)疵病所占的面積，ξ為光電變換系數(shù)。由式可知，當(dāng)E，r1和ξ已知時，輸出電壓US是r2和B的函數(shù)，因此，可以通過輸出信號電壓US的幅度判斷表面疵病的程度和面積。

這種方式除上述應(yīng)用外，還可應(yīng)用于電視攝像、文字識別、激光測距、激光制導(dǎo)等方面。

變換電路輸出的面積變化信號電壓為可見，用這種方式即可以檢測被測物體的位移量Δl、運動速度v和加速度等參數(shù)，又可以測量物體的寬度b。例如，光電測微儀和光電投影顯微測量儀等測量儀器均屬于這種方式。當(dāng)然可以用這種方式用于產(chǎn)品的光電計數(shù)，光控開關(guān)，和主動式防盜報警等。

5.信息載荷于光學(xué)量化器的方式

光學(xué)量化是指通過光學(xué)的方法將連續(xù)變化的信息變換成有限個離散量的方法。光學(xué)量化器包含有光柵摩爾條紋量化器、各種干涉量化器和光學(xué)碼盤量化器等。

光信息量化的變換方式在位移量（長度、寬度和角度）的光電測量系統(tǒng)中得到廣泛的應(yīng)用。長度或角度的信息量經(jīng)光學(xué)量化裝置（光柵、碼盤、干涉儀等）變?yōu)闂l紋或代碼等數(shù)字信息量，再由光電變換電路變?yōu)槊}沖數(shù)字信號輸出。光源發(fā)出的光經(jīng)光學(xué)量化器量化后送給光電器件轉(zhuǎn)換成脈沖數(shù)字信號，再送給數(shù)字電路處理或送給計算機(jī)進(jìn)行處理或運算。例如，將長度信息量L經(jīng)光學(xué)量化后形成n個條紋信號，量化后的長度信息L為：L=qn

式中，q稱為長度的量化單位，它與光學(xué)量化器的性質(zhì)有關(guān)，量化器確定后它是常數(shù)。例如，采用光柵摩爾條紋變換器時，量化單位q等于光柵的節(jié)距，在微米量級；而采用激光干涉量化器時，q為激光波長的1/4或1/8，視具體的光學(xué)結(jié)構(gòu)而定。目前，這種變換形式已廣泛地應(yīng)用于精密尺寸測量、角度測量和精密機(jī)床加工量的自動控制等方面。7.1.2光電信息變換的類型

光電信息變換和信息處理方法可分為2類：一類稱為模擬量的光電信息變換，例如前4種變換方式；另一類稱為數(shù)字量的光電信息變換，例如后2種變換方式。1.模擬光電變換

被測的非電量信息（如溫度、介質(zhì)厚度、均勻度、溶液濃度、位移量、工件尺寸等）載荷于光信息量時，常為光度量（通量、照度和出射度等）的方式送給光電器件，光電器件則以模擬電流Ip或電壓Up信號的形式輸出。即輸出信號量是被測信號量Q的函數(shù)，或稱輸出信號量與被測信號量之間的關(guān)系為模擬函數(shù)關(guān)系?？杀硎緸楹唵巫儞Q電路一般應(yīng)用在測量精度不高的情況下測量受照面的光照度當(dāng)需要提高測量電路的靈敏度時，采用放大器對光電變換信號進(jìn)行放大。具有溫度補償功能的變換電路如圖所示為具有溫度補償功能的電橋式光電變換電路。VD1為測光光電二極管，VD2為補償光電二極管。VD1、VD2、電阻、可變電阻共同構(gòu)成電橋。無光照時調(diào)整可變電阻，使電橋平衡，輸出電壓表為0，當(dāng)測光光電二極管在光敏面上的光照度發(fā)生變化時，電橋失去平衡，輸出電壓表將指示出光敏面上的光照度。補償電路如圖所示：補償光電二極管VD2被遮并與光電二極管VD1封裝在同溫箱中，要求VD1與VD2特性接近，這樣溫度變化使兩個光電二極管的溫度漂移基本相同，又分別接入兩個橋臂，相互補償，以消除溫度對測量電路造成的影響。將左圖中的RL用熱敏電阻代替，構(gòu)成具有溫度補償功能的光電檢測電路，熱敏電阻RL跨接在基極與發(fā)射極間，由于光電二極管的暗電流隨溫度升高而增大，而具有負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻Rt的阻值隨溫度升高而減小，因此，使得三極管的基極電位不隨溫度變化。差分光電變換電路如圖所示為比色計的原理圖，是一種典型的差分式光電變換電路。光源發(fā)出的光經(jīng)聚光鏡匯聚，并以平行光的方式投向到濾光片上。經(jīng)濾光片得到所需要的測量光譜，并分為兩路：一路經(jīng)被測溶液入射到測量光電池D1上，另一路經(jīng)可調(diào)光闌、反光鏡到補償光電池D2上。由光電池D1與D2構(gòu)成的電路稱為差分式光電變換電路。光外差式光電變換電路2.模-數(shù)光電變換

在這類光電變換中，被測信息量Q通過光學(xué)變換量化為數(shù)字信息（包括光脈沖、條紋信號和數(shù)字代碼等），再經(jīng)光電變換電路輸出。模-數(shù)光電變換中的光電變換電路只要輸出“0”和“1”（高、低電平）兩個狀態(tài)的脈沖即可。脈沖的頻率、間隔、寬度、相位等都可以載荷信息。因此，這類光電變換電路的輸出信號不再是電流或電壓，而是數(shù)字信息量F。它與被測信息量Q的函數(shù)關(guān)