第1章 光電檢測(cè)技術(shù)與應(yīng)用

1、機(jī)械與精密儀器學(xué)院 機(jī)械工程及自動(dòng)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(cè)技術(shù)光電檢測(cè)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(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，并料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的科利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的科學(xué)，是在電子電路和系統(tǒng)的超學(xué)，是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過(guò)程中逐漸形小型化和微型化過(guò)程中逐漸形成和發(fā)展起來(lái)的，以實(shí)現(xiàn)電路成和發(fā)展起來(lái)的，以實(shí)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(jī)例：空調(diào)機(jī)

2、測(cè)量控制室溫例：空調(diào)機(jī)測(cè)量控制室溫被測(cè)對(duì)象：被測(cè)對(duì)象：被測(cè)信息：被測(cè)信息：檢測(cè)器具：檢測(cè)器具：操作過(guò)程：操作過(guò)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(hào)電信號(hào) 處理處理 顯示顯示 空調(diào)機(jī)空調(diào)機(jī)直接測(cè)量方式舉例直接測(cè)量方式舉例間接測(cè)量：間接測(cè)量：測(cè)量幾個(gè)與被測(cè)量相關(guān)的物理量，通過(guò)函數(shù)測(cè)量幾個(gè)與被測(cè)量相關(guān)的物理量，通過(guò)函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)量。關(guān)系式計(jì)算出被測(cè)量。例如：阿基米德測(cè)量皇冠的比重例如：阿基米德測(cè)量皇冠的比重非電量非電量電量電量（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）（確定對(duì)應(yīng)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(wú)源傳感器：光電池光電傳感器：-基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件。-將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。敏感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用非電量，而傳感器是把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量。（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）可用非電量可用非電量（應(yīng)變力）電量電量（電阻）傳感器傳感器（應(yīng)變片）被測(cè)非電量被測(cè)非電量（壓力）敏感器敏感器（彈性元件）傳感器傳感器信號(hào)變換器信號(hào)變換器輸出環(huán)節(jié)輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)信號(hào)，轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)信號(hào)變換電路：完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波和放大光發(fā)射機(jī)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光學(xué)通道光接收機(jī)光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式 主動(dòng)式：光源（或加

4、調(diào)制器） 被動(dòng)式：無(wú)自身光源，來(lái)自被測(cè)物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號(hào)并加以處理，恢復(fù)光載波信息接收透鏡系統(tǒng)接收透鏡系統(tǒng)光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器后繼檢測(cè)處理器后繼檢測(cè)處理器接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測(cè)器上接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測(cè)器上光電檢測(cè)器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換光電檢測(cè)器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測(cè)處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)。檢測(cè)處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)。外差檢測(cè)接收機(jī)相干檢測(cè)（空間相干）透鏡透鏡光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)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(cè)接收機(jī)直接檢測(cè)接收機(jī)外差檢測(cè)接收機(jī)外差檢測(cè)接收機(jī)合束鏡合束鏡光電檢測(cè)器光電檢測(cè)器接收到的光場(chǎng)本地激本地激光器光器本地光場(chǎng)本地光場(chǎng)聚焦光場(chǎng)聚焦光場(chǎng)透鏡透鏡光學(xué)變換：通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)系光學(xué)變換：通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)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(lái)實(shí)現(xiàn)柵、成像系統(tǒng)等來(lái)實(shí)現(xiàn) ，作用是將被測(cè)，作用是將被測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換光電變換電路處

6、理各種檢測(cè)技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測(cè)長(zhǎng)度的相對(duì)精度達(dá)0.05um/m；光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)0.04秒；用激光測(cè)距法測(cè)量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m（38萬(wàn)公里）。光電檢測(cè)以光為介質(zhì)，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測(cè)等。可將復(fù)雜信息并行處理。同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。光波可永久使用。光照可認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的，也無(wú)磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，效率最高。光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置，光軸重合，對(duì)于光源為發(fā)射光通量最大方向，對(duì)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(cè)物體本身為一輻射源，光

7、電檢測(cè)器通過(guò)接收被測(cè)物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測(cè)量。被測(cè)物理量被測(cè)物理量光通量光通量光電傳感器光電傳感器放大、定標(biāo)放大、定標(biāo)直接讀數(shù)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型II、差動(dòng)測(cè)量法：利用被測(cè)量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測(cè)量的大小。放大放大相敏檢波器相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤(pán)調(diào)制盤(pán)被測(cè)物被測(cè)物光楔光楔反光鏡反光鏡21雙光路差動(dòng)測(cè)量法測(cè)量物體長(zhǎng)度O1212tUOtO1212tUOtO1212tUOt說(shuō)明：測(cè)量值的大小決定了U的幅值，測(cè)量值的正負(fù)決定于U的相位，可通過(guò)相敏檢波器相敏檢波器得到。測(cè)量值測(cè)量值U的幅值的幅值工件大小工件大小0,21U時(shí)SSU)(,2121工件尺寸變小時(shí)SSU)(,

8、2121工件尺寸變大時(shí))sin(),sin(.,2211tEutEuuuuRRisiRs另一路為號(hào)一個(gè)濾波器，一路為信核心是由一個(gè)乘法器和濾去高頻信號(hào)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(lái)測(cè)幅、測(cè)相，還可高頻信號(hào)變成中頻信號(hào)（差頻信號(hào)）雙光路外差檢測(cè)特點(diǎn)： 雙光路可消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度和靈敏度大大提高。輸出

9、為負(fù)。，則輸出為正，則特性分析：OOuu0III、補(bǔ)償測(cè)量法： 原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測(cè)量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測(cè)量變化大小。放大放大相敏檢波器相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤(pán)調(diào)制盤(pán)被測(cè)物被測(cè)物光楔光楔反光鏡反光鏡21移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示移動(dòng)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(dòng)，使1-2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測(cè)值。IV、脈沖測(cè)量法： 原理：測(cè)量中將被測(cè)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(cè)量的大小。 （1）脈寬方法測(cè)長(zhǎng)度：高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來(lái)的誤差。計(jì)數(shù)器值長(zhǎng)度當(dāng)量高頻脈沖時(shí)間當(dāng)量測(cè)量關(guān)系式：NKkNKNkvtvLvR1ER2高頻脈沖高頻脈沖N計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器L（2）頻率法測(cè)速：脈沖測(cè)量法特點(diǎn)：抗干擾性能好，精度高，直接與計(jì)算機(jī)相連，易于實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量和自動(dòng)化控制。)/(60;/60/t