1、 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第九章 光电信号检测技术及系统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。9.1.19.1.1光强度型信号检测光强度型信号检测 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
2、、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 4TM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 de0 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
3、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.)(210UUKU9.1光电信号检测种类(d).
4、反射式直接检测方法 镜面反射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。9.1.19.1.1光强度型信号检测光强度型信号检测
5、 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)二二.光信号的三种调制方法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
6、检测. RVLI2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。212122sinEEEE2121EEEEVLRI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萨格纳克效应
7、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cos4cAL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 cAL49.1.5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
8、变化。单通道测量变化双通道测量变化II0I=MKIK SKSMMM 00I0KKKSM， 0I SKM 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222)(AhqtEhqSPIpLLppRPhqRIS222返回返回0其中，9
9、.2.1 三角法测试技术三角法测试技术 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三角法测试技术基础激光器会聚透镜a接收透镜光电探测器xxba）直射式结构cossinxbaxx9.2.2 三角法测试技术三角法测试技术三角法测试技术基础激光器会聚透镜2a接收透镜光电探测器xxb1b）斜射式结构)cos()sin(cos21211xbaxx9.2.2 三角法测试技术三角法测试技术在上述的三角法测
10、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:zb图7-16 三角法原理示意图激光器fxtanbz / tanxf/ xbfz 9.2.2 三角法测试技术三角法测试技术 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
11、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。)(cos)()2(cos)(2cos121)(2cos121),(cos)cos(),(222x,yt-EEx,ytEEx,ytEtEyxtEtEtyxItrtrtrtr),(cos2/2/),(22yxtEEEEtyxitrtr )/1/(2),(),(00vttyxyx/2vfv2fv2nVfv tttttfNLLtvtvtf0000d22 2d2d2d 所以由于fffffffDD00ss() 9.4 9.4 典型的光电检测系统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?
12、 你能评一评光电检测系统?典型的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
13、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=172PPB2tan21PBK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 NPx莫尔条纹测长仪 光电
14、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
15、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（调Q/锁模）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
16、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
17、次产生的总的相位延迟。 调制信号的角频率，=2f。 cctL2120fLN：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”。0L相位延迟：被测距离：NNN2)(2)()(2NNNNfcL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 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
18、量。差频相位检测原理主振ed光调制混频em相位计本振el混频er光电接收反射器ems 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.差频后差频后:相位激光测距仪的原理精主振f1粗主振f2精本振f1fc粗本振f2fc开关开关发光管光电二极管放大器基准混频器信号混频器相位计运算显示指令发射物镜接收物镜精主振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
19、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激光多普勒测速技术一一. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应 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，此现象称为多收到的频率不等于波源振动频率，此现象称为多普勒效应普勒效应。 多普勒在其声学理论中指出，在声源、介质、观多普勒在其声学理论中指
20、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。与声源频率不同的现象就是声学多普勒效应。 爱因斯坦在爱因斯坦在论物体的电动力学论物体的电动力学中指出，当光中指出，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）多普频率与光源频率不同，即存在光（电磁波）多普勒效应。勒效应。9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术 概述概述 1842年奥地利科学家年奥地利科学家Doppler等人首次发现，任等人首次发现，任何形式的波传
21、播，波源、接收器、传播介质或散何形式的波传播，波源、接收器、传播介质或散射体的运动会使频率发生变化射体的运动会使频率发生变化多普勒效应。多普勒效应。 1964年，年，Yeh和和Cummins观察到水流中粒子的散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。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生产中的速度测量。9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普
22、勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应1）声多普勒效应原理）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声波是依赖于介质传播的，离开介质就谈不上波的存在。的存在。 设声源的频率为设声源的频率为 f，声波在媒质中的速度为，声波在媒质中的速度为v，波，波长长=v/f声源不动，观测者相对于媒质以速度声源不动，观测者相对于媒质以速度v1运动运动 设声源相对于介质静止，观测者迎向声源运动，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则声波相对于观测者的速度不再是v，而是，而是v+v1，则观测者接收到声波的频率为
23、则观测者接收到声波的频率为 同理，观测者背离声源有同理，观测者背离声源有 /111fvvvfvvvvvf 1fvvvf9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应1）声多普勒效应原理）声多普勒效应原理声源相对于媒质以速度声源相对于媒质以速度v2运动，观测者静止于媒运动，观测者静止于媒质中质中 设声源设声源S相对于媒质以速度相对于媒质以速度v2迎着观测者迎着观测者D运动。运动。波源在运动过程中按照自己的频率振动，一个周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期内完成一次全
24、振动，在媒质中产生一个完整波形；同时在形；同时在T内，波源前进了内，波源前进了v2T距离，波长变为距离，波长变为TvvTvvTTv)(222S1S2v2Dv2T )(22fvvvTvvvvf 2fvvvf9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应1）声多普勒效应原理）声多普勒效应原理声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为声源和观测者相对于媒质运动，速度分别为v2和和v1综合上述情况，可以得到：综合上述情况，可以得到： 21fvvvvf9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础
25、激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应2）光多普勒效应原理）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，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，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。只取决于相对速度的大小。如图示。yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2v12ttNfs9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理 在观测者所在坐标系在观测者所在坐标系K中来看，
26、此波列发射始于中来看，此波列发射始于t1时刻（光源在时刻（光源在S1处），接收这个波列的时刻是处），接收这个波列的时刻是yDOK 系系K 系系O xxys1s2r1r2vcrt111cos)(1212222ttcvcrtcrtcos)(1212ttvrr12tt 9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应2）光多普勒效应原理）光多普勒效应原理cvttcos1)(12129.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应2）光多普勒效应原
27、理）光多普勒效应原理 观测者接收光波的频率为观测者接收光波的频率为cvttNNfDcos1)(1212221212/1cvttttcvttcvNfDcos1) (/1122212ttNfssDfvcvcfcos229.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二.激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础1. 多普勒效应多普勒效应2）光多普勒效应原理）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，则若相对运动发生在观测者和光源连线上，则cos1（远离时取（远离时取1 ，接近时取，接近时取+1，分母符号相反）：，分母符号相反）：sDfvcvcfsDfcvf2219.4.3 激光多普
28、勒测速技术激光多普勒测速技术二二.激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理）多普勒测速原理 如图。由于如图。由于v/c非常小，只非常小，只取纵向多普勒测速公式级取纵向多普勒测速公式级数展开的前两项，即数展开的前两项，即sDfcvf 1L12vQDSR21cos,cosvvncvffncvffss/cos1 /cos122119.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理1）多普勒测速原理）多普勒测速原理 探测器接收到的两束光频率之差为（
29、忽略横向多探测器接收到的两束光频率之差为（忽略横向多普勒效应）普勒效应）)cos(cos/1212sfncvfffcos20nvf 210sfc fnvcos209.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术基础激光多普勒测速技术基础2. 激光多普勒测速原理激光多普勒测速原理2）频移信号的检测）频移信号的检测 光混频技术（外差干涉）：光混频技术（外差干涉）：ftAAAAkti2cos221)(2122219.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二.激光多普勒测速技术应用激光多普勒测速技术应用1. 管道内水流的测量管道内水流的测量Q图3-37 管道水流多普勒测速原理示意图=1412 v 16mm 探测器 数据处理9.4.3 激光多普勒测速技术激光多普勒测速技术二二. 激光多普勒测速技术应用激光多普勒测速技术应用2血液流速测量血液流速测量 流体探测器 显微物镜观察目镜激光器图3-38 激光多普勒显微镜
