現(xiàn)代傳感第5章

1、1第第5 5章章 光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù) 日期：日期：2第第5 5章章 光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù)n5.1 5.1 概述概述 5.1.1 5.1.1 光學(xué)基礎(chǔ)知識光學(xué)基礎(chǔ)知識 5.1.2 5.1.2 光電傳感器的光電傳感器的組成組成及及特點(diǎn)特點(diǎn)n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光電探測器件光電探測器件n5.4 5.4 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù) n5.5 5.5 紅外傳感技術(shù)紅外傳感技術(shù) 35.1.2 5.1.2 光電傳感器的光電傳感器的組成組成及及特點(diǎn)特點(diǎn) z光電傳感器的一般組成形式主要包括光電傳感器的一般組成形式主要包括光源光源（光能的提供者，良（光能的提供者，良好的光源

2、是保障光電傳感器性能的重要前提）、好的光源是保障光電傳感器性能的重要前提）、光通道光通道（光能（光能量的會聚收集、平行準(zhǔn)直、圖像的放大與縮小、光學(xué)濾波等）、量的會聚收集、平行準(zhǔn)直、圖像的放大與縮小、光學(xué)濾波等）、光電器件光電器件和和測量電路測量電路（對光電器件輸出的電信號進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)（對光電器件輸出的電信號進(jìn)行放大或轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到便于輸出和處理的目的）換，從而達(dá)到便于輸出和處理的目的）四個四個部分。部分。z可用于檢測可用于檢測直接引起光量變化直接引起光量變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫等；也可用來檢測射測溫等；也可用來檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他

3、非電量，如的其他非電量，如零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，零件直徑、表面粗糙度、應(yīng)變、位移、振動、速度、加速度，以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。以及物體的形狀、工作狀態(tài)的識別等。45.1.2 5.1.2 光電傳感器的光電傳感器的組成組成及及特點(diǎn)特點(diǎn) z光電傳感器既可以測量光電傳感器既可以測量光信號光信號，也可以測量其他，也可以測量其他非光信號非光信號，只，只要這些信號最終能引起到達(dá)光電器件的光的變化。要這些信號最終能引起到達(dá)光電器件的光的變化。z根據(jù)被測量引起光變化的方式和途徑的不同，可以分為兩種形根據(jù)被測量引起光變化的方式和途徑的不同，可以分為兩種形式：式：一種一種是

4、被測量直接引起光源的變化，改變了光源的強(qiáng)弱或是被測量直接引起光源的變化，改變了光源的強(qiáng)弱或有無，從而實(shí)現(xiàn)對被測量的測量；有無，從而實(shí)現(xiàn)對被測量的測量；另一種另一種是被測量對光通路產(chǎn)是被測量對光通路產(chǎn)生作用，從而影響到達(dá)光電器件的光的強(qiáng)弱或有無，同樣可以生作用，從而影響到達(dá)光電器件的光的強(qiáng)弱或有無，同樣可以實(shí)現(xiàn)對被測量的測量。實(shí)現(xiàn)對被測量的測量。5第第5 5章章 光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù)n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 5.2.1 5.2.1 對光源的要求對光源的要求 5.2.2 5.2.2 常用光源常用光源n5.3 5.3 光電探測器件光電探測器件n5.4 5.4

5、 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù) n5.5 5.5 紅外傳感技術(shù)紅外傳感技術(shù) 65.2.15.2.1 對光源的對光源的要求要求n光源必須具有足夠的光源必須具有足夠的照度照度：保證被測目標(biāo)具有足夠的亮度和：保證被測目標(biāo)具有足夠的亮度和光通路具有足夠的光通量，將有利于獲得更高的靈敏度和信噪光通路具有足夠的光通量，將有利于獲得更高的靈敏度和信噪比，有利于提高測量精度和可靠性。光源照度不足，將影響測比，有利于提高測量精度和可靠性。光源照度不足，將影響測量穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致測量失敗。另一方面，光源的照度還應(yīng)當(dāng)量穩(wěn)定性，甚至導(dǎo)致測量失敗。另一方面，光源的照度還應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定，盡可能減小能量變化和方向漂移。穩(wěn)定，盡可能減

6、小能量變化和方向漂移。n光源應(yīng)保證光源應(yīng)保證均勻均勻、無遮擋無遮擋或或陰影陰影：否則將會傳輸額外的系統(tǒng)：否則將會傳輸額外的系統(tǒng)誤差或隨機(jī)誤差。誤差或隨機(jī)誤差。 n光源的光源的照射方式照射方式應(yīng)符合傳感器的測量要求：為了實(shí)現(xiàn)對特定應(yīng)符合傳感器的測量要求：為了實(shí)現(xiàn)對特定被測量的測量，傳感器一般會要求光源發(fā)出的光具有一定的方被測量的測量，傳感器一般會要求光源發(fā)出的光具有一定的方向或角度，從而構(gòu)成反射光、透射光、漫反射光、散射光等等。向或角度，從而構(gòu)成反射光、透射光、漫反射光、散射光等等。此時，光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，對測量結(jié)果的影響較大。此時，光源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)顯得尤為重要，對測量結(jié)果的影響較大。

7、75.2.1 5.2.1 對光源的要求對光源的要求n光源的光源的發(fā)熱量發(fā)熱量應(yīng)盡可能?。阂话愀鞣N光源都存在不同應(yīng)盡可能小：一般各種光源都存在不同程度的發(fā)熱，因而對測量結(jié)果可能產(chǎn)生不同程度的影響。程度的發(fā)熱，因而對測量結(jié)果可能產(chǎn)生不同程度的影響。因此，盡可能采用發(fā)熱量較小的冷光源（發(fā)光二極管因此，盡可能采用發(fā)熱量較小的冷光源（發(fā)光二極管等）；或者將發(fā)熱較大的光源進(jìn)行散熱處理，并遠(yuǎn)離敏等）；或者將發(fā)熱較大的光源進(jìn)行散熱處理，并遠(yuǎn)離敏感單元。感單元。 n光源發(fā)出的光必須具有適合的光源發(fā)出的光必須具有適合的光譜范圍光譜范圍：光電傳感器：光電傳感器主要使用的光的波長范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，主要使用

8、的光的波長范圍處在紫外至紅外之間的區(qū)域，一般多用可見光和近紅外光；光源光譜的選擇必須同光一般多用可見光和近紅外光；光源光譜的選擇必須同光電器件的光譜一同考慮，避免出現(xiàn)二者無法對應(yīng)的情形。電器件的光譜一同考慮，避免出現(xiàn)二者無法對應(yīng)的情形。一般地，選擇較大的光源光譜范圍，保證包含光電器件一般地，選擇較大的光源光譜范圍，保證包含光電器件的光譜范圍（主要是峰值點(diǎn)）在內(nèi)即可。的光譜范圍（主要是峰值點(diǎn)）在內(nèi)即可。 85.2.25.2.2 常用常用光源：光源：1.1.熱輻射熱輻射光源光源n熱輻射光源是通過將一些物體加熱后產(chǎn)生熱輻射來實(shí)現(xiàn)照明的。熱輻射光源是通過將一些物體加熱后產(chǎn)生熱輻射來實(shí)現(xiàn)照明的。溫度越高

9、，輻射能就越大，光就越亮，輻射光譜的峰值波長也溫度越高，輻射能就越大，光就越亮，輻射光譜的峰值波長也就越短。（就越短。（白熾燈白熾燈、鹵鎢燈鹵鎢燈）n光源譜線豐富，主要涵蓋可見光和紅外光，峰值約在近紅外區(qū)，光源譜線豐富，主要涵蓋可見光和紅外光，峰值約在近紅外區(qū)，因而可以適于大部分的光電傳感器；因而可以適于大部分的光電傳感器；n發(fā)光效率低發(fā)光效率低，一般僅有，一般僅有15%15%的光譜處在可見光；的光譜處在可見光；n發(fā)熱大發(fā)熱大，約超過，約超過80%80%的能量轉(zhuǎn)化為熱能，因此屬于典型的熱光的能量轉(zhuǎn)化為熱能，因此屬于典型的熱光源；源；n壽命短，一般為壽命短，一般為10001000小時左右；小時左

10、右；n易碎，電壓高，使用有一定危險(xiǎn)。易碎，電壓高，使用有一定危險(xiǎn)。95.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：2.2.氣體放電氣體放電光源光源 n氣體放電光源是通過氣體分子受激發(fā)后，產(chǎn)生氣體放電光源是通過氣體分子受激發(fā)后，產(chǎn)生放電而發(fā)光的，主要有碳弧燈、水銀燈、鈉弧放電而發(fā)光的，主要有碳弧燈、水銀燈、鈉弧燈、氙弧燈、燈、氙弧燈、熒光燈熒光燈（日光燈日光燈）等）等 。n效率高，省電，功率大，光色接近日光，紫外效率高，省電，功率大，光色接近日光，紫外線豐富。此外，氣體放電光源有一定的輻射，線豐富。此外，氣體放電光源有一定的輻射，其廢棄物含有汞，容易污染環(huán)境，玻璃易碎，其廢棄物含有汞，容易污染環(huán)境

11、，玻璃易碎，發(fā)光頻率較低，對人眼有損害。發(fā)光頻率較低，對人眼有損害。 n氣體放電光源一般應(yīng)用于有強(qiáng)光要求的場合，氣體放電光源一般應(yīng)用于有強(qiáng)光要求的場合，適于色溫要求接近日光的情形。適于色溫要求接近日光的情形。105.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：3.3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管 n發(fā)光二極管發(fā)光二極管LED（Light Emiting Diode）是一種）是一種電致發(fā)光電致發(fā)光的的半半導(dǎo)體導(dǎo)體器件。在電場的作用下，半導(dǎo)體材料發(fā)光是基于器件。在電場的作用下，半導(dǎo)體材料發(fā)光是基于電子能級電子能級躍遷躍遷的原理。的原理。n當(dāng)給發(fā)光二極管的當(dāng)給發(fā)光二極管的PN結(jié)加結(jié)加正向正向電壓時，外加電壓時，

12、外加電場將削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，電場將削弱內(nèi)建電場，使空間電荷區(qū)變窄，載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)。載流子的擴(kuò)散運(yùn)動加強(qiáng)。n由于電子遷移率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由由于電子遷移率總是遠(yuǎn)大于空穴的遷移率，因此電子由N區(qū)擴(kuò)區(qū)擴(kuò)散到散到P區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動的主體。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，區(qū)是載流子擴(kuò)散運(yùn)動的主體。由半導(dǎo)體的能帶理論可知，當(dāng)電子與空穴復(fù)合時，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多當(dāng)電子與空穴復(fù)合時，電子由高能級躍遷到低能級，電子將多余的能量以發(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象?？捎嗟哪芰恳园l(fā)射光子的形式釋放出來，產(chǎn)生電致發(fā)光現(xiàn)象。可見，結(jié)型發(fā)光二極管的見，結(jié)型發(fā)光二極管的發(fā)

13、光區(qū)發(fā)光區(qū)為為P P區(qū)。區(qū)。 115.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：3.3.發(fā)光二極管發(fā)光二極管 n體積小，可平面封裝，屬于固體光源，耐振動；體積小，可平面封裝，屬于固體光源，耐振動；n無輻射，無污染，是真正的綠色光源；無輻射，無污染，是真正的綠色光源；n功耗低，僅為白熾燈的功耗低，僅為白熾燈的1/81/8，熒光燈的，熒光燈的1/21/2，發(fā)熱少，是典型的，發(fā)熱少，是典型的冷光源；冷光源；n壽命長，一般可達(dá)壽命長，一般可達(dá)1010萬小時，是熒光燈的數(shù)十倍；萬小時，是熒光燈的數(shù)十倍；n響應(yīng)快，一般點(diǎn)亮只需響應(yīng)快，一般點(diǎn)亮只需1 1毫秒，適于快速通斷或光開關(guān)；毫秒，適于快速通斷或光開關(guān)；

14、n供電電壓低，易于數(shù)字控制，與電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接方便；供電電壓低，易于數(shù)字控制，與電路和計(jì)算機(jī)系統(tǒng)連接方便；n在達(dá)到相同照度的前提下，發(fā)光二極管價格較白熾燈貴，單只在達(dá)到相同照度的前提下，發(fā)光二極管價格較白熾燈貴，單只發(fā)光二極管的功率低，亮度小。發(fā)光二極管的功率低，亮度小。125.2.2 5.2.2 常用光源：常用光源：4.4.激光激光光源光源 n激光是激光是19641964年年錢學(xué)森錢學(xué)森教授首先倡議對教授首先倡議對LASER一詞的意譯名。一詞的意譯名。nLASER是是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation” 的縮寫

15、，意思是的縮寫，意思是“光的受激發(fā)射放大光的受激發(fā)射放大”。n激光器是以發(fā)射高亮度光波為特征的相干光源，即是激光器是以發(fā)射高亮度光波為特征的相干光源，即是“光頻振光頻振蕩器蕩器”的意思。的意思。nOscillation “光的受激發(fā)射振蕩光的受激發(fā)射振蕩”n激光器激光器三三大大要素要素：激光：激光工作物質(zhì)工作物質(zhì)、激勵能源激勵能源、光學(xué)諧振腔光學(xué)諧振腔。n工作物質(zhì)：工作物質(zhì)：固體固體激光器（紅寶石、釹釔鋁石榴石、鈦寶石等）、激光器（紅寶石、釹釔鋁石榴石、鈦寶石等）、氣體氣體激光器（激光器（He-Ne、CO2、Ar+等）和等）和半導(dǎo)體半導(dǎo)體激光器（激光器（GaAs、GaSe、CaS、PbS等）。

16、等）。13第第5 5章章 光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù)n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光電探測器件光電探測器件及弱信號探測技術(shù)及弱信號探測技術(shù) n5.4 5.4 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù) n5.5 5.5 紅外傳感技術(shù)紅外傳感技術(shù) 141.1.外外光電效應(yīng)及器件光電效應(yīng)及器件 n在光的照射下，使得電子逸出物體表面而在光的照射下，使得電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象，稱為外光電效應(yīng)。n光電管光電管和和光電倍增管光電倍增管 光電管光電管光電倍增管光電倍增管152.2.內(nèi)內(nèi)光電效應(yīng)：光電效應(yīng)：(1)(1)光電導(dǎo)

17、光電導(dǎo)效應(yīng)效應(yīng) n半導(dǎo)體受到光照會產(chǎn)生光生半導(dǎo)體受到光照會產(chǎn)生光生“電子電子空穴空穴”對，使得對，使得導(dǎo)電性能增強(qiáng)。光線越強(qiáng)，導(dǎo)電性越強(qiáng)，電阻越低。導(dǎo)電性能增強(qiáng)。光線越強(qiáng)，導(dǎo)電性越強(qiáng)，電阻越低。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。這種光照后電阻率變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。n光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬沒有光光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬沒有光電導(dǎo)效應(yīng)。電導(dǎo)效應(yīng)。n光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，無需形成光電導(dǎo)效應(yīng)是半導(dǎo)體材料的一種體效應(yīng)，無需形成PNPN結(jié)（結(jié)（無結(jié)無結(jié)光電探測器）。光電探測器）。n光敏電阻是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)工作的，光光敏電阻是利用半導(dǎo)

18、體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)工作的，光敏電阻的電導(dǎo)隨光照變化而變化。敏電阻的電導(dǎo)隨光照變化而變化。16光敏電阻光敏電阻 n將一塊半導(dǎo)體材料兩端加上電極，接上電極引線。由將一塊半導(dǎo)體材料兩端加上電極，接上電極引線。由于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的物體表面，因此把于光導(dǎo)效應(yīng)只限于光照的物體表面，因此把半導(dǎo)體薄半導(dǎo)體薄膜膜沉積在沉積在絕緣基底絕緣基底上。上。n為了減小濕度對靈敏度的影響，光敏電阻一般封裝在為了減小濕度對靈敏度的影響，光敏電阻一般封裝在帶有窗口的金屬或塑料帶有窗口的金屬或塑料外殼外殼內(nèi)。內(nèi)。 17二、內(nèi)光電效應(yīng)：二、內(nèi)光電效應(yīng)：(2)(2)光伏光伏效應(yīng)效應(yīng)n光生伏特效應(yīng)（光生伏特效應(yīng)（結(jié)結(jié)效應(yīng)）：實(shí)現(xiàn)光

19、電效應(yīng)需要有內(nèi)部電勢壘，效應(yīng)）：實(shí)現(xiàn)光電效應(yīng)需要有內(nèi)部電勢壘，當(dāng)照射光激發(fā)出電子空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子當(dāng)照射光激發(fā)出電子空穴對時，電勢壘的內(nèi)建電場將把電子空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光生伏特效空穴對分開，從而在勢壘兩側(cè)形成電荷堆積，形成光生伏特效應(yīng)。應(yīng)。n零偏零偏狀態(tài)：狀態(tài)：硅光電池硅光電池。n1 1、當(dāng)作光電探測器使用，廣泛應(yīng)、當(dāng)作光電探測器使用，廣泛應(yīng)用于近紅外探測器、光電讀出、光用于近紅外探測器、光電讀出、光電耦合、激光準(zhǔn)直、光電開關(guān)等。電耦合、激光準(zhǔn)直、光電開關(guān)等。要求光電池照度特性的線性度好。要求光電池照度特性的線性度好。n2 2、用作電源，廣泛用作太陽能

20、電池，作為人造衛(wèi)星、野外燈、用作電源，廣泛用作太陽能電池，作為人造衛(wèi)星、野外燈塔，無人氣象站、微波站等設(shè)備的電源使用。塔，無人氣象站、微波站等設(shè)備的電源使用。18光敏二極管光敏二極管n處于處于反向偏置反向偏置的的PN結(jié)，在無光照的條件下具有高阻特性，反結(jié)，在無光照的條件下具有高阻特性，反向電流很小。向電流很小。n當(dāng)有光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子當(dāng)有光照時，結(jié)區(qū)產(chǎn)生電子- -空穴對。在電場的作用下，電子空穴對。在電場的作用下，電子向向N區(qū)運(yùn)動，空穴向區(qū)運(yùn)動，空穴向P區(qū)運(yùn)動，從而形成光電流，其方向與反區(qū)運(yùn)動，從而形成光電流，其方向與反向電流一致。光的照度越大，光電流越大。向電流一致。光的照度越大，光電流越

21、大。n由于無光照時反向電流很?。ㄒ话銥榧{安量級），因此光照射由于無光照時反向電流很小（一般為納安量級），因此光照射時的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。時的反向電流基本上與光強(qiáng)成正比。19第第5 5章章 光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù)n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光電探測器件及弱信號探測技術(shù)光電探測器件及弱信號探測技術(shù) n5.4 5.4 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù) n5.5 5.5 紅外傳感技術(shù)紅外傳感技術(shù) 205.4.25.4.2 激光激光衍射衍射法：法：細(xì)絲直徑細(xì)絲直徑測量測量 fdhn對于微小尺寸（對于微小尺寸（500500 m m以下）的各種細(xì)絲、

22、狹縫、微小位移、以下）的各種細(xì)絲、狹縫、微小位移、微小孔等的測量，如果采用幾何光學(xué)放大成像法測量，會由于微小孔等的測量，如果采用幾何光學(xué)放大成像法測量，會由于光的衍射效應(yīng)導(dǎo)致測量誤差增大。光的衍射效應(yīng)導(dǎo)致測量誤差增大。n單色平行光垂直照射被測細(xì)絲，經(jīng)細(xì)絲衍射后，在成像物鏡的單色平行光垂直照射被測細(xì)絲，經(jīng)細(xì)絲衍射后，在成像物鏡的焦平面上形成衍射圖樣。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論和巴比涅互補(bǔ)焦平面上形成衍射圖樣。根據(jù)夫瑯禾費(fèi)衍射理論和巴比涅互補(bǔ)原理，直徑為原理，直徑為d的細(xì)絲和縫寬為的細(xì)絲和縫寬為d的狹縫具有相同的衍射圖樣。的狹縫具有相同的衍射圖樣。根據(jù)夫瑯和費(fèi)衍射理論，衍射圖樣的光強(qiáng)分布為：根據(jù)夫瑯和費(fèi)

23、衍射理論，衍射圖樣的光強(qiáng)分布為：20/sin)/sinsin(ddII21n線陣線陣CCDCCD器件放在成像透鏡的后焦面上，細(xì)絲衍射條紋成像到器件放在成像透鏡的后焦面上，細(xì)絲衍射條紋成像到CCDCCD上，光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換成按時序分布的電壓信號。該信號經(jīng)低上，光強(qiáng)分布轉(zhuǎn)換成按時序分布的電壓信號。該信號經(jīng)低通濾波和放大處理，再利用施密特電路變成方波輸出。通濾波和放大處理，再利用施密特電路變成方波輸出。5.4.2 5.4.2 激光衍射法：細(xì)絲直徑測量激光衍射法：細(xì)絲直徑測量fdhn以像素以像素N為為x軸，以信號電壓為軸，以信號電壓為y軸軸時，利用時鐘脈沖對各方波的寬時，利用時鐘脈沖對各方波的寬度進(jìn)行計(jì)數(shù)

24、度進(jìn)行計(jì)數(shù), , 可以得到可以得到N0，N1， N2，, ,其中其中N1，N3，N5，為各為各級暗條紋寬度的計(jì)數(shù)值，取其級暗條紋寬度的計(jì)數(shù)值，取其1 1/ / 2 2作為暗條紋寬度的中點(diǎn)值，相鄰作為暗條紋寬度的中點(diǎn)值，相鄰兩暗點(diǎn)的間距的平均值兩暗點(diǎn)的間距的平均值h為：為：225.4.2 5.4.2 激光衍射法：激光衍射法：薄帶寬度薄帶寬度測量測量 n鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中用到的各種金屬薄帶鐘表工業(yè)中的游絲以及電子工業(yè)中用到的各種金屬薄帶( (寬度在寬度在lmm以下以下) )，也可以和細(xì)絲一樣用激光衍射法測量，也可以和細(xì)絲一樣用激光衍射法測量它的寬度或?qū)挾茸兓?。薄帶除了尺寸小、用普通方?/p>

25、難它的寬度或?qū)挾茸兓?。薄帶除了尺寸小、用普通方法難于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程測量外，由于它有很大寬度和厚度比，于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程測量外，由于它有很大寬度和厚度比，進(jìn)一步增加了測量時的困難和誤差。進(jìn)一步增加了測量時的困難和誤差。235.4.5 5.4.5 激光激光準(zhǔn)直準(zhǔn)直法：法：1.1.利用利用方向方向性性n利用高斯光束的中心線作直線基準(zhǔn)。常用利用高斯光束的中心線作直線基準(zhǔn)。常用He-Ne激光器作為光激光器作為光源，它的發(fā)散角為源，它的發(fā)散角為1mrad1mrad，遠(yuǎn)處的光斑直徑為，遠(yuǎn)處的光斑直徑為50cm50cm，采用準(zhǔn)直，采用準(zhǔn)直望遠(yuǎn)鏡后，可以將發(fā)散角壓縮至望遠(yuǎn)鏡后，可以將發(fā)散角壓縮至0.1mrad0.1m

26、rad。n高斯光束的中心線是一條直線，可以用來作為基準(zhǔn)直線。高斯光束的中心線是一條直線，可以用來作為基準(zhǔn)直線。n用四象限光電池作為接收器，當(dāng)準(zhǔn)直點(diǎn)偏離中心時，光電池就用四象限光電池作為接收器，當(dāng)準(zhǔn)直點(diǎn)偏離中心時，光電池就會輸出與偏差量成正比的電壓信號會輸出與偏差量成正比的電壓信號Vx和和Vy。n采用這種方法進(jìn)行準(zhǔn)直，在采用這種方法進(jìn)行準(zhǔn)直，在2020m內(nèi)的準(zhǔn)直精度可達(dá)內(nèi)的準(zhǔn)直精度可達(dá)0.050.05mm。7070m內(nèi)的準(zhǔn)直精度可達(dá)內(nèi)的準(zhǔn)直精度可達(dá)0.20.2mm。245.4.5 5.4.5 激光準(zhǔn)直法：激光準(zhǔn)直法：2.2.利用利用相干相干性性n當(dāng)激光束通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出來以后，均勻地照射在當(dāng)激光

27、束通過望遠(yuǎn)鏡發(fā)射出來以后，均勻地照射在方形菲涅耳方形菲涅耳波帶片上，并使其充滿整個波帶片。波帶片上，并使其充滿整個波帶片。n這樣，在光軸的某一個位置會出現(xiàn)一個很細(xì)的十字叉。當(dāng)用一這樣，在光軸的某一個位置會出現(xiàn)一個很細(xì)的十字叉。當(dāng)用一個觀察屏放在此處，可以看到清晰的十字亮線。個觀察屏放在此處，可以看到清晰的十字亮線。n調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的焦距，十字叉就會出現(xiàn)在光軸的不同位置。這些調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡的焦距，十字叉就會出現(xiàn)在光軸的不同位置。這些十字叉的交點(diǎn)的連線為一直線，可以用來作為直線基準(zhǔn)來進(jìn)行十字叉的交點(diǎn)的連線為一直線，可以用來作為直線基準(zhǔn)來進(jìn)行準(zhǔn)直測量。十字叉中心的探測可以用光電探測器。準(zhǔn)直測量。十字叉中心的

28、探測可以用光電探測器。n采用這種方法進(jìn)行準(zhǔn)直，在采用這種方法進(jìn)行準(zhǔn)直，在3 3km以內(nèi)的準(zhǔn)直精度達(dá)以內(nèi)的準(zhǔn)直精度達(dá)2525 m。 25n利用光速不變的基本原理，由激光器向被測目標(biāo)發(fā)出一利用光速不變的基本原理，由激光器向被測目標(biāo)發(fā)出一個激光短脈沖信號，該信號經(jīng)目標(biāo)反射后返回，如果激個激光短脈沖信號，該信號經(jīng)目標(biāo)反射后返回，如果激光強(qiáng)發(fā)出脈沖到接收返回信號的時間間隔為光強(qiáng)發(fā)出脈沖到接收返回信號的時間間隔為t，則被測距，則被測距離可表示為：離可表示為：n這種測距方法十分簡單、容易實(shí)現(xiàn)，測量精度主要取決這種測距方法十分簡單、容易實(shí)現(xiàn)，測量精度主要取決于時間間隔的測量精度。但在實(shí)施時，會遇到光傳播路于時

29、間間隔的測量精度。但在實(shí)施時，會遇到光傳播路徑中周圍介質(zhì)如大氣中的氣體成分、溫度、濕度、氣流、徑中周圍介質(zhì)如大氣中的氣體成分、溫度、濕度、氣流、氣壓等的影響。因此通常采用高強(qiáng)度、脈沖寬度超窄的氣壓等的影響。因此通常采用高強(qiáng)度、脈沖寬度超窄的激光脈沖作為光源來提高信噪比和定時精度，以達(dá)到提激光脈沖作為光源來提高信噪比和定時精度，以達(dá)到提高測量距離分辨力的目的。高測量距離分辨力的目的。5.4.6 5.4.6 激光激光測距測距：1.1.脈沖（時間）脈沖（時間）測距法測距法012Lc t265.4.6 5.4.6 激光測距：激光測距：2.2.相位相位測距法測距法 n通過檢測回波與發(fā)射信號的相位差來確定

30、目標(biāo)通過檢測回波與發(fā)射信號的相位差來確定目標(biāo)的距離。（其中的距離。（其中D D可以看作是發(fā)射點(diǎn)至目標(biāo)的可以看作是發(fā)射點(diǎn)至目標(biāo)的往返距離）往返距離）)2(22ND275.4.75.4.7 散斑散斑測量測量 n粗糙表面或許多顆粒會引起激光散射，由于這些散射光彼此不粗糙表面或許多顆粒會引起激光散射，由于這些散射光彼此不規(guī)則的位相關(guān)系可產(chǎn)生干涉的斑紋，稱之為規(guī)則的位相關(guān)系可產(chǎn)生干涉的斑紋，稱之為散斑。散斑。n粗糙表面粗糙表面和和相干光相干光照射是形成散斑現(xiàn)象的兩個基本條件。照射是形成散斑現(xiàn)象的兩個基本條件。n因?yàn)樯呤怯纱植诒砻娴纳⑸涔飧缮嫠纬傻?，所以散斑是粗因?yàn)樯呤怯纱植诒砻娴纳⑸涔飧缮嫠纬傻?/p>

31、，所以散斑是粗糙表面的某些信息的攜帶者。這樣，借助于散斑不僅可以研究糙表面的某些信息的攜帶者。這樣，借助于散斑不僅可以研究粗糙表面本身，而且還可以研究其位置及形狀的變化。以借助粗糙表面本身，而且還可以研究其位置及形狀的變化。以借助散斑現(xiàn)象而獲取這些信息的各種技術(shù)統(tǒng)稱為散斑現(xiàn)象而獲取這些信息的各種技術(shù)統(tǒng)稱為散斑技術(shù)散斑技術(shù)。n客觀（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的。客觀（直接）散斑：由粗糙表面的散射光干涉而直接形成的。n主觀（成像）散斑：在成像光組像面上形成散斑。主觀（成像）散斑：在成像光組像面上形成散斑。28n散斑的空間結(jié)構(gòu)是隨機(jī)分布的顆粒形狀，可以用散斑的空間結(jié)構(gòu)是隨機(jī)分布的顆

32、粒形狀，可以用橫向橫向大小和大小和縱縱向向大小來描述。由于隨機(jī)性質(zhì)，通常用二相鄰亮斑間距的統(tǒng)計(jì)大小來描述。由于隨機(jī)性質(zhì)，通常用二相鄰亮斑間距的統(tǒng)計(jì)平均值來定義散斑的平均尺寸。平均值來定義散斑的平均尺寸。n對圓形照亮區(qū)域，散斑的對圓形照亮區(qū)域，散斑的橫向橫向平均直徑為：平均直徑為：n該式說明，散斑橫向平均直徑與照明區(qū)域大小有關(guān)，大的照明該式說明，散斑橫向平均直徑與照明區(qū)域大小有關(guān)，大的照明區(qū)域?qū)?yīng)大的孔徑角，散斑變小，反之，散斑變大。這是因?yàn)?，區(qū)域?qū)?yīng)大的孔徑角，散斑變小，反之，散斑變大。這是因?yàn)?，大的照明區(qū)域，表明有更多的面積元上的散射的光波參與干涉。大的照明區(qū)域，表明有更多的面積元上的散射的

33、光波參與干涉。n散斑的散斑的縱向縱向平均直徑為：平均直徑為：uTsin/6 . 05.4.7 5.4.7 散斑測量散斑測量 uT2sin/2295.4.7 5.4.7 散斑測量散斑測量 一、用多張散斑圖測量空間位移一、用多張散斑圖測量空間位移n物體表面的移動或變形，必須導(dǎo)致其散斑的相應(yīng)移動。物體表物體表面的移動或變形，必須導(dǎo)致其散斑的相應(yīng)移動。物體表面運(yùn)動與散斑場的運(yùn)動有確定關(guān)系，因此，記錄了散斑場的運(yùn)面運(yùn)動與散斑場的運(yùn)動有確定關(guān)系，因此，記錄了散斑場的運(yùn)動情況，也就能反推出物體表面的運(yùn)動情況。動情況，也就能反推出物體表面的運(yùn)動情況。n當(dāng)激光照射物面時，對物體進(jìn)行第一次拍攝，底片上即記錄了當(dāng)激

34、光照射物面時，對物體進(jìn)行第一次拍攝，底片上即記錄了物面的散斑圖，對物體加載使物體變形后，再拍攝一次，這樣，物面的散斑圖，對物體加載使物體變形后，再拍攝一次，這樣，同一底片上記錄了兩個散斑圖。由于兩次記錄的光學(xué)裝置沒有同一底片上記錄了兩個散斑圖。由于兩次記錄的光學(xué)裝置沒有變化，即物鏡的孔徑角沒有變，故兩個散斑圖是相同的，但是變化，即物鏡的孔徑角沒有變，故兩個散斑圖是相同的，但是位置因物體表面的移動而產(chǎn)生了相應(yīng)的移動，如果能夠測量出位置因物體表面的移動而產(chǎn)生了相應(yīng)的移動，如果能夠測量出兩個散斑圖的移動量，也就知道了物體表面的移動量。兩個散斑圖的移動量，也就知道了物體表面的移動量。305.4.7 5

35、.4.7 散斑測量散斑測量 一、用多張散斑圖測量空間位移一、用多張散斑圖測量空間位移n對這張散斑底片進(jìn)行光學(xué)傅立葉變換，在頻譜面上，將顯示出對這張散斑底片進(jìn)行光學(xué)傅立葉變換，在頻譜面上，將顯示出楊氏干涉條紋。對楊氏干涉條紋進(jìn)行測量，即可求出兩個散斑楊氏干涉條紋。對楊氏干涉條紋進(jìn)行測量，即可求出兩個散斑圖的位移量，由散斑的位移量再求出物體表面的位移。圖的位移量，由散斑的位移量再求出物體表面的位移。n傅立葉譜面的楊氏干涉是如何形成的：兩個相同的面內(nèi)位移散傅立葉譜面的楊氏干涉是如何形成的：兩個相同的面內(nèi)位移散斑圖樣在照相底片上的疊加，必定產(chǎn)生一個新的散斑圖樣，其斑圖樣在照相底片上的疊加，必定產(chǎn)生一個

36、新的散斑圖樣，其特點(diǎn)是成對小顆粒的隨機(jī)分布，在一對顆粒當(dāng)中，一個顆粒屬特點(diǎn)是成對小顆粒的隨機(jī)分布，在一對顆粒當(dāng)中，一個顆粒屬于第一次曝光，而另一個顆粒屬于第二次曝光，記錄是相同的。于第一次曝光，而另一個顆粒屬于第二次曝光，記錄是相同的。顯然，經(jīng)過位移后的散斑，一對顆粒起著兩個小孔的作用，它顯然，經(jīng)過位移后的散斑，一對顆粒起著兩個小孔的作用，它們在遠(yuǎn)場必然產(chǎn)生楊氏干涉條紋。們在遠(yuǎn)場必然產(chǎn)生楊氏干涉條紋。315.4.7 5.4.7 散斑測量散斑測量n（1 1）透明固體折射率和厚度的測定）透明固體折射率和厚度的測定：激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，：激光束經(jīng)擴(kuò)束準(zhǔn)直后，通過半漫透射片照明適當(dāng)傾斜放置的待測透明體

37、，由于在透明通過半漫透射片照明適當(dāng)傾斜放置的待測透明體，由于在透明介質(zhì)分界面上發(fā)生兩次折射，它經(jīng)過透明介質(zhì)后將平移介質(zhì)分界面上發(fā)生兩次折射，它經(jīng)過透明介質(zhì)后將平移d，這，這將使每個散斑從原來沒有透明介質(zhì)時的位置也產(chǎn)生位移將使每個散斑從原來沒有透明介質(zhì)時的位置也產(chǎn)生位移d。325.4.7 5.4.7 散斑測量：（散斑測量：（2 2）測透明液體的折射率測透明液體的折射率n此時假設(shè)有某種介質(zhì)此時假設(shè)有某種介質(zhì)( (例如水例如水) )的折射率為已知，而求另外一種的折射率為已知，而求另外一種介質(zhì)的折射率，故稱這種測試方法為介質(zhì)的折射率，故稱這種測試方法為內(nèi)標(biāo)法內(nèi)標(biāo)法。n在一扁平狀容器內(nèi)先注入水，進(jìn)行第一

38、次曝光，然后放掉水再在一扁平狀容器內(nèi)先注入水，進(jìn)行第一次曝光，然后放掉水再注入待測液體注入待測液體( (例如酒精例如酒精) )進(jìn)行第二次曝光。進(jìn)行第二次曝光。n設(shè)設(shè)D為容器內(nèi)液體厚度，為容器內(nèi)液體厚度， 為入射角，為入射角， 、及及n 、n 及分別是及分別是水和酒精的折射角與折射率，水和酒精的折射角與折射率，d1 1、d2 2是激光束通過容器中的水是激光束通過容器中的水和酒精時相應(yīng)的平移量，則：和酒精時相應(yīng)的平移量，則：335.4.8 5.4.8 全息干涉全息干涉測量測量 n全息（照相）術(shù)是由全息（照相）術(shù)是由DennieGabor（蓋伯）教授于（蓋伯）教授于19481948年發(fā)明年發(fā)明的，的

39、，19601960年激光器出現(xiàn)以后，全息術(shù)才獲得了真正的發(fā)展，所年激光器出現(xiàn)以后，全息術(shù)才獲得了真正的發(fā)展，所以常稱激光全息照相技術(shù)。以常稱激光全息照相技術(shù)。n普通照相是把物體表面反射和散射的光，通過照相鏡頭（透鏡）普通照相是把物體表面反射和散射的光，通過照相鏡頭（透鏡）成像在感光膠片上。在感光膠片上記錄的只是物體的光強(qiáng)分布，成像在感光膠片上。在感光膠片上記錄的只是物體的光強(qiáng)分布，得到的是物體的平面像。得到的是物體的平面像。n全息照相則不用透鏡成像，全息照相則不用透鏡成像，而是借助一束參考光與來自而是借助一束參考光與來自物體的反射或散射光在感光物體的反射或散射光在感光膠片上產(chǎn)生干涉，從而記錄膠

40、片上產(chǎn)生干涉，從而記錄物光的全部信息，即物光的物光的全部信息，即物光的振幅和相位。振幅和相位。345.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n將這張具有干涉圖樣的膠片經(jīng)過適當(dāng)曝光與沖洗處理之后，就將這張具有干涉圖樣的膠片經(jīng)過適當(dāng)曝光與沖洗處理之后，就得到了被攝物體的全息圖（照片），它與普通照片毫無共同之得到了被攝物體的全息圖（照片），它與普通照片毫無共同之處，只能看到一些明暗變化的干涉條紋圖，但它確實(shí)記錄了物處，只能看到一些明暗變化的干涉條紋圖，但它確實(shí)記錄了物體的三維幾何信息。體的三維幾何信息。n要想直接看到物體的像，只要將原來的參考光照射全息圖，并要想直接看到物體的像，只要將原來的

41、參考光照射全息圖，并在全息圖另一側(cè)向全息圖看去，就會看到原來物體的像。在全息圖另一側(cè)向全息圖看去，就會看到原來物體的像。355.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n拍攝全息像的過程稱為全息拍攝全息像的過程稱為全息記錄記錄過程，顯像過過程，顯像過程稱為全息程稱為全息重現(xiàn)重現(xiàn)過程。過程。n全息干涉的基本概念是，將相隔一段時間拍攝全息干涉的基本概念是，將相隔一段時間拍攝的物體波分別記錄在同一張全息圖上，再現(xiàn)此的物體波分別記錄在同一張全息圖上，再現(xiàn)此全息圖時，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生干涉。通過干全息圖時，再現(xiàn)的二光波就發(fā)生干涉。通過干涉條紋的檢測，就可獲得被測物體在拍攝時間涉條紋的檢測，就可獲得

42、被測物體在拍攝時間間隔內(nèi)發(fā)生的變化。間隔內(nèi)發(fā)生的變化。 n實(shí)時法實(shí)時法全息干涉術(shù)、全息干涉術(shù)、兩次曝光兩次曝光全息干涉術(shù)。全息干涉術(shù)。365.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n實(shí)時法實(shí)時法全息干涉術(shù)指再現(xiàn)時，不取走原物體。這時，原物由于全息干涉術(shù)指再現(xiàn)時，不取走原物體。這時，原物由于外界原因，如受應(yīng)力、熱膨脹或溫度變化等因素影響，而使它外界原因，如受應(yīng)力、熱膨脹或溫度變化等因素影響，而使它發(fā)生微小位移或變形，那么再現(xiàn)的初始物光波與變形或位移后發(fā)生微小位移或變形，那么再現(xiàn)的初始物光波與變形或位移后的物光波，因?yàn)楸舜舜嬖诠獬滩疃a(chǎn)生干涉現(xiàn)象，從而在觀察的物光波，因?yàn)楸舜舜嬖诠獬滩疃a(chǎn)

43、生干涉現(xiàn)象，從而在觀察再現(xiàn)像時，不僅可以看到物體本身，而且可以看到物體上面復(fù)再現(xiàn)像時，不僅可以看到物體本身，而且可以看到物體上面復(fù)雜的干涉條紋。雜的干涉條紋。n改變外界條件，光程差發(fā)生變化，干涉條紋也會隨著移動。改變外界條件，光程差發(fā)生變化，干涉條紋也會隨著移動。n這樣，就可以通過改變應(yīng)力、溫度，觀察條紋的變化情況來研這樣，就可以通過改變應(yīng)力、溫度，觀察條紋的變化情況來研究物體的變化趨勢，從而探測和檢查物體的內(nèi)部缺陷。究物體的變化趨勢，從而探測和檢查物體的內(nèi)部缺陷。375.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n假定物體只有假定物體只有位移位移，那么物體上的條紋分布是均勻的。，那么物體

44、上的條紋分布是均勻的。n如果物體只有如果物體只有變形變形，那么物體上變形大的地方條紋就密集而且，那么物體上變形大的地方條紋就密集而且條紋數(shù)多，變形小的地方條紋稀疏而且少。條紋數(shù)多，變形小的地方條紋稀疏而且少。n假定假定加載加載時，物體內(nèi)部有時，物體內(nèi)部有缺陷缺陷，缺陷處外表面的變形與其他地，缺陷處外表面的變形與其他地方不同，因此，該處會顯現(xiàn)密集的圓環(huán)簇，通過觀察圓環(huán)簇的方不同，因此，該處會顯現(xiàn)密集的圓環(huán)簇，通過觀察圓環(huán)簇的大小和位置，就能判別物體內(nèi)部缺陷情況。大小和位置，就能判別物體內(nèi)部缺陷情況。n因?yàn)橄噜徚烈驗(yàn)橄噜徚? (或暗或暗) )條紋意味著該兩個空間位置間有條紋意味著該兩個空間位置間有

45、2 2的位的位移，所以只要數(shù)出觀察位置間的干涉條紋數(shù)目，就能定量地求移，所以只要數(shù)出觀察位置間的干涉條紋數(shù)目，就能定量地求出該位置變形值的相對大小。出該位置變形值的相對大小。385.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n當(dāng)物體同時存在位移和變形時，情況變得復(fù)雜，但是當(dāng)物體同時存在位移和變形時，情況變得復(fù)雜，但是通過觀察均勻分布條紋上重疊的不均勻環(huán)狀或其他形通過觀察均勻分布條紋上重疊的不均勻環(huán)狀或其他形狀條紋，還是能確定物體的變形情況。所以，可以用狀條紋，還是能確定物體的變形情況。所以，可以用實(shí)時法干涉計(jì)量對工件作探傷和檢驗(yàn)處理。實(shí)時法干涉計(jì)量對工件作探傷和檢驗(yàn)處理。n該方法該方法不足

46、之處不足之處是要求就地處理（包括顯影、定影）是要求就地處理（包括顯影、定影）全息干板，并且有嚴(yán)格的定位精度要求，稍有定位變?nèi)⒏砂?，并且有?yán)格的定位精度要求，稍有定位變化就會掩蓋物體的真實(shí)變化；另外，它還必須保留原化就會掩蓋物體的真實(shí)變化；另外，它還必須保留原物體，對它作實(shí)地觀察，這也帶來工作上的不方便。物體，對它作實(shí)地觀察，這也帶來工作上的不方便。為了克服這些缺點(diǎn)，發(fā)展了為了克服這些缺點(diǎn)，發(fā)展了兩次曝光兩次曝光全息干涉術(shù)。全息干涉術(shù)。395.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n在兩次曝光全息干涉術(shù)中，全息底板的制作與實(shí)時法不同。它在兩次曝光全息干涉術(shù)中，全息底板的制作與實(shí)時法不同

47、。它采用采用兩步兩步操作，操作，第一步第一步攝取變形前物體的全息像（與實(shí)時法相攝取變形前物體的全息像（與實(shí)時法相同）；但在同）；但在第二步第二步操作時，它并不先對干板作顯、定影處理，操作時，它并不先對干板作顯、定影處理，而是在同一位置，相同的未處理干板上，對變形后物體進(jìn)行第而是在同一位置，相同的未處理干板上，對變形后物體進(jìn)行第二次全息記錄過程，換言之，在同一塊全息干板上連續(xù)攝下變二次全息記錄過程，換言之，在同一塊全息干板上連續(xù)攝下變形前、后兩次的物光波干涉記錄，然后，再作干板的顯、定影形前、后兩次的物光波干涉記錄，然后，再作干板的顯、定影處理。這樣，全息底片處記錄了處理。這樣，全息底片處記錄了

48、兩個兩個不同狀態(tài)的物體不同狀態(tài)的物體全息圖全息圖。當(dāng)再現(xiàn)時，也能看到由變形或位移而引起的當(dāng)再現(xiàn)時，也能看到由變形或位移而引起的干涉條紋干涉條紋。n目前，兩次曝光法已被用來研究許多材料的特性，如檢查材料目前，兩次曝光法已被用來研究許多材料的特性，如檢查材料內(nèi)部的缺陷、由外界條件變化產(chǎn)生材料形變?nèi)缓鬁y出材料性能內(nèi)部的缺陷、由外界條件變化產(chǎn)生材料形變?nèi)缓鬁y出材料性能參數(shù)、以及不同時刻材料或物體的變化等。參數(shù)、以及不同時刻材料或物體的變化等。 405.4.8 5.4.8 全息干涉測量全息干涉測量 n最后應(yīng)當(dāng)指出，全息干涉計(jì)量適應(yīng)的位移或形變最后應(yīng)當(dāng)指出，全息干涉計(jì)量適應(yīng)的位移或形變不能不能太大太大或或

49、太小太小。如果太大，干涉條紋過分密集，人眼無。如果太大，干涉條紋過分密集，人眼無法分辨；太小，條紋過分稀疏也無法正確測量。因而法分辨；太小，條紋過分稀疏也無法正確測量。因而選擇合適的狀態(tài)變化或該狀態(tài)變化是否適合于全息干選擇合適的狀態(tài)變化或該狀態(tài)變化是否適合于全息干涉計(jì)量必須事先給予考慮。涉計(jì)量必須事先給予考慮。n另外，光波另外，光波頻率頻率變化也直接影響到相位差，從而也影變化也直接影響到相位差，從而也影響到條紋變化測量的準(zhǔn)確性。因此，要提高測量精度響到條紋變化測量的準(zhǔn)確性。因此，要提高測量精度也應(yīng)嚴(yán)格控制激光器輸出光波頻率的穩(wěn)定性。也應(yīng)嚴(yán)格控制激光器輸出光波頻率的穩(wěn)定性。 41第第5 5章章

50、光電傳感技術(shù)光電傳感技術(shù)n5.1 5.1 概述概述 n5.2 5.2 常用光源常用光源 n5.3 5.3 光電探測器件及弱信號探測技術(shù)光電探測器件及弱信號探測技術(shù) n5.4 5.4 激光傳感技術(shù)激光傳感技術(shù) n5.5 5.5 紅外傳感技術(shù)紅外傳感技術(shù) 425.5.1 5.5.1 紅外輻射的紅外輻射的基本知識基本知識n紅外在大氣中有紅外在大氣中有三個波段區(qū)間三個波段區(qū)間能基本完全透過，我們稱之為能基本完全透過，我們稱之為大大氣窗口氣窗口，分為，分為近紅外近紅外（0.760.761.11.1um），），中紅外中紅外（3 35 5um），），遠(yuǎn)紅外遠(yuǎn)紅外（8 81414um）。）。n紅外線不具有像無

51、線電遙控那樣穿過遮擋物去控制被控對象的紅外線不具有像無線電遙控那樣穿過遮擋物去控制被控對象的能力，紅外線的輻射距離一般為能力，紅外線的輻射距離一般為幾米幾米到到幾十米幾十米或更遠(yuǎn)一點(diǎn)?；蚋h(yuǎn)一點(diǎn)。n紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)，按照功能能夠分成五類：成五類：（1 1）輻射計(jì)）輻射計(jì)，用于輻射和光譜測量；，用于輻射和光譜測量；（2 2）搜索和跟）搜索和跟蹤系統(tǒng)蹤系統(tǒng)，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的，用于搜索和跟蹤紅外目標(biāo)，確定其空間位置并對它的運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；運(yùn)動進(jìn)行跟蹤；（3 3）熱成像系統(tǒng)）熱成像系統(tǒng)，可產(chǎn)生整個目

52、標(biāo)紅外輻射，可產(chǎn)生整個目標(biāo)紅外輻射的分布圖像；的分布圖像；（4 4）紅外測距和通信系統(tǒng)）紅外測距和通信系統(tǒng)；（5 5）混合系統(tǒng)）混合系統(tǒng)，是，是指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。指以上各類系統(tǒng)中的兩個或者多個的組合。435.5.2 5.5.2 紅外輻射的紅外輻射的基本定律基本定律（1 1）基爾霍夫基爾霍夫定律定律n一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻一個物體向周圍輻射熱能的同時也吸收周圍物體的輻射能；如果幾個物體處于同一溫場中，各物體的熱發(fā)射能；如果幾個物體處于同一溫場中，各物體的熱發(fā)射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)。射本領(lǐng)正比于它的吸收本領(lǐng)。n黑體是在任何溫度下全部吸收任何波長輻射的物

53、體，黑體是在任何溫度下全部吸收任何波長輻射的物體，黑體的吸收本領(lǐng)與波長和溫度無關(guān)。黑體的吸收本領(lǐng)與波長和溫度無關(guān)。n黑體的吸收本領(lǐng)最大，加熱后，它發(fā)射的熱輻射也比黑體的吸收本領(lǐng)最大，加熱后，它發(fā)射的熱輻射也比任何物體都要大。任何物體都要大。0EEr445.5.2 5.5.2 紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律（2）斯忒斯忒藩藩玻耳茲曼玻耳茲曼定律定律物體的總的出射輻射度與溫度的四次方成正比。物體的總的出射輻射度與溫度的四次方成正比。40)(TTM4)(TTMT455.5.2 5.5.2 紅外輻射的基本定律紅外輻射的基本定律（2 2）維恩維恩位移位移定律定律熱輻射電磁波中包含各種波長，從實(shí)驗(yàn)可

54、知，熱輻射電磁波中包含各種波長，從實(shí)驗(yàn)可知，物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度成以物體峰值輻射波長與物體自身的絕對溫度成以下關(guān)系：下關(guān)系：KmTm2897465.5.35.5.3 紅外紅外探測器探測器：1.1.熱熱探測器探測器n熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱熱探測器也通稱為能量探測器，其原理是利用輻射的熱效應(yīng)，通過效應(yīng)，通過熱電變換熱電變換來探測輻射。來探測輻射。n入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫入射到探測器光敏面的輻射被吸收后，引起響應(yīng)元的溫度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利度升高，響應(yīng)元材料的某一物理量隨之而發(fā)生變化。利用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)

55、出不同類型的熱探測器，其換能用不同物理效應(yīng)可設(shè)計(jì)出不同類型的熱探測器，其換能過程主要有：熱阻效應(yīng)（熱敏電阻）、熱伏效應(yīng)（熱電過程主要有：熱阻效應(yīng)（熱敏電阻）、熱伏效應(yīng)（熱電偶偶/熱電堆熱釋電效應(yīng)。熱電堆熱釋電效應(yīng)。n由于各種熱探測器都是先將輻射轉(zhuǎn)化為熱并產(chǎn)生溫升，由于各種熱探測器都是先將輻射轉(zhuǎn)化為熱并產(chǎn)生溫升，而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數(shù)要比光子探而這一過程通常很慢，熱探測器的時間常數(shù)要比光子探測器大得多。因此，熱探測器不適合用于快速、高靈敏測器大得多。因此，熱探測器不適合用于快速、高靈敏度的探測。熱探測器的最大優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)范圍較寬且度的探測。熱探測器的最大優(yōu)點(diǎn)是光譜響應(yīng)范圍較寬且

56、較平坦。較平坦。475.5.3 5.5.3 紅外探測器：紅外探測器：2.2.光子光子探測器探測器n光子探測器的工作機(jī)理是光子與探測器材料直接作用，產(chǎn)生內(nèi)光子探測器的工作機(jī)理是光子與探測器材料直接作用，產(chǎn)生內(nèi)光電效應(yīng)，其換能過程包括：光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光光電效應(yīng)，其換能過程包括：光生伏特效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)、光電磁效應(yīng)等。它基于入射光子流與探測材料相互作用產(chǎn)生的光電磁效應(yīng)等。它基于入射光子流與探測材料相互作用產(chǎn)生的光電效應(yīng)，具體表現(xiàn)為探測器響應(yīng)元自由載流子（即電子或空穴）電效應(yīng)，具體表現(xiàn)為探測器響應(yīng)元自由載流子（即電子或空穴）數(shù)目的變化。數(shù)目的變化。n由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，

57、光子探測器的響由于這種變化是由入射光子數(shù)的變化引起的，光子探測器的響應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測器的響應(yīng)正比與所吸收的能應(yīng)正比于吸收的光子數(shù)。而熱探測器的響應(yīng)正比與所吸收的能量，因此，光子探測器的探測率一般比熱探測器要大量，因此，光子探測器的探測率一般比熱探測器要大1 1至至2 2個數(shù)個數(shù)量級，其響應(yīng)時間為微秒或納秒級。量級，其響應(yīng)時間為微秒或納秒級。n光子探測器的光譜響應(yīng)特性與熱探測器完全不同，通常需要制光子探測器的光譜響應(yīng)特性與熱探測器完全不同，通常需要制冷至較低溫度才能正常工作。冷至較低溫度才能正常工作。485.5.3 5.5.3 紅外探測器：紅外探測器：3.3.基本參數(shù)基本參數(shù) n（

58、1 1）響應(yīng)率）響應(yīng)率r：輸出電壓輸出電壓與與輸入輸入的紅外輻射的紅外輻射功率功率之比。之比。n（2 2）響應(yīng)波長范圍）響應(yīng)波長范圍：紅外探測器的：紅外探測器的響應(yīng)率響應(yīng)率r與輻射的與輻射的波長波長有一有一定的關(guān)系。曲線定的關(guān)系。曲線為為熱熱敏探測器的特性，熱敏紅外探測器響應(yīng)敏探測器的特性，熱敏紅外探測器響應(yīng)率率r與波長與波長無關(guān)；無關(guān)；光光電探測器的光譜響應(yīng)如圖中曲線電探測器的光譜響應(yīng)如圖中曲線所示，所示，P對應(yīng)響應(yīng)峰值對應(yīng)響應(yīng)峰值rP，rP/2/2于對應(yīng)為截止波長于對應(yīng)為截止波長c。 PUr0495.5.3 5.5.3 紅外探測器：紅外探測器：3.3.基本參數(shù)基本參數(shù) n(3)(3)噪聲等

59、效功率噪聲等效功率(NEP)(NEP)：若投射到探測器上的紅外輻射功率所：若投射到探測器上的紅外輻射功率所產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功產(chǎn)生的輸出電壓正好等于探測器本身的噪聲電壓，這個輻射功率就叫做噪聲等效功率率就叫做噪聲等效功率(NEP)(NEP)。噪聲等效功率是一個可測量的。噪聲等效功率是一個可測量的量。設(shè)入射輻射的功率為量。設(shè)入射輻射的功率為P，測得的輸出電壓為，測得的輸出電壓為U0，然后除去，然后除去輻射源，測得探測器的噪聲電壓為輻射源，測得探測器的噪聲電壓為UN，則按比例計(jì)算，要使，則按比例計(jì)算，要使U0UN，的輻射功率為：，的輻射功率為：n(4) (4) 探

60、測率探測率D* *：經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)：經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)NEPNEP與檢測元件的面積與檢測元件的面積S S和放和放大器帶寬大器帶寬f 乘積的平方根成正比，比例系數(shù)的倒數(shù)稱為探測乘積的平方根成正比，比例系數(shù)的倒數(shù)稱為探測率率D* *。D* *實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏感元件具有單位面積、放實(shí)質(zhì)上就是當(dāng)探測器的敏感元件具有單位面積、放大器的帶寬為大器的帶寬為1Hz時的輻射所獲得的信噪比。時的輻射所獲得的信噪比。rUUUPNN0NEP)/cm(NEP*WHzfSUrfSDN505.5.45.5.4 紅外傳感系統(tǒng)的紅外傳感系統(tǒng)的組成組成n（1 1）待測目標(biāo)）待測目標(biāo)：根據(jù)待測目標(biāo)的紅外輻射特性可進(jìn)行紅外系：根據(jù)