光電檢測系統(tǒng)：8- 光電檢測技術典型應用

第八章、光電檢測技術的典型應用數(shù)字紅外輻射計全自動血沉動態(tài)分析儀

18.1微弱光信號檢測技術一、鎖相放大器

是一種對交變信號進行相敏檢波的放大器。利用和被測信號有相同頻率和相位關系的參考信號作為比較基準，只對被測信號本身和與參考信號同頻（或倍頻）、同相的噪聲分量有響應，能大幅度抑制無用噪聲，改善檢測信噪比。此外，鎖相放大器有很高的檢測靈敏度，信號處理比較簡單，是微弱信號檢測的一種有效辦法。2鎖相放大器3選頻鎖相環(huán)移相器輸入信號AC參考信號AC信號通道相敏檢波輸出信號DC前放混頻乘法器低通濾波器鎖相放大器的組成方框圖參考通道41.鎖相放大器的構成

三個主要部分：信號通道、參考通道和相敏檢波。

信號通道對混有噪聲的初始信號進行選頻放大，對噪聲作初步的窄帶濾波。參考通道通過鎖相和移相提供一個與被測信號同頻、同相的參考電壓。相敏檢波由混頻乘法器和低通濾波器組成，所用參考信號是方波形式。在相敏檢波器中參考和輸入信號進行混頻運算得到兩信號的和頻和差頻。該信號經(jīng)低通濾波器濾除和頻成分后得到與輸入信號幅值成比例的直流輸出分量。52、鎖相放大器的原理同頻、鎖相獲得最大直流輸出63、方波控制相敏放大器工作原理又稱開關混頻器，中心頻率鎖定到被測信號頻率上。RC濾波器傳遞函數(shù)等效噪聲帶寬信噪比的改善7鎖相放大的四個基本環(huán)節(jié)：通過調制或斬光，將被測信號由零頻范圍轉移到設定的高頻范圍內。檢測系統(tǒng)變成交流系統(tǒng)；并保持與輸入信號同步。在調制頻率上對有用信號進行選頻放大；在相敏檢波中對信號解調。同步解調作用截斷了非同步噪聲信號，使輸出信號的帶寬限制在極窄的范圍內；通過低通濾波器對檢波信號進行低通濾波。8特點：要求對入射光束進行斬光或光源調制，適用于調幅光信號的檢測；極窄帶高增益放大器，增益可達1011，帶寬窄到0.0004Hz；交流－直流信號變換器；可以補償光檢測中的背景輻射噪聲＆前置放大器的固有噪聲。信噪比改善可達1000倍。9

取樣積分器(Boxcar)，是一種微弱信號檢測系統(tǒng)。它在原理上是很古老的，它利用周期性信號的重復特性，在每個周期內對信號的一部分取樣一次，然后經(jīng)過積分器算出平均值，于是各個周期內取樣平均信號的總體便展現(xiàn)了待測信號的真實波形。因為信號提取(取樣)是經(jīng)過多次重復的，而噪聲多次重復的統(tǒng)計平均值為零，所以可大大提高信噪比，再現(xiàn)被噪聲淹沒的信號波形。二、取樣積分器（Boxcar平均器）10

利用取樣和平均化技術測定深埋在噪聲中的周期性信號的測量裝置。根據(jù)被測信號的形式可分為穩(wěn)態(tài)和掃描測量方式。運行步驟：利用檢測光脈沖的激勵源取得與輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號；利用門延時與門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時延或時延與時間成線性關系的可調脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開關對連續(xù)的周期性變化信號進行掃描取樣；積分器對取樣信號進行多次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號。二、取樣積分器（Boxcar平均器）111、取樣積分器工作原理

取樣點的值是信號和噪聲的和，以信號和噪聲功率平均值來看積分前后信噪比的變化。若輸入信號為Vsi，經(jīng)過積分器M次積累后所得到的輸出電壓為Vs，則12

輸入噪聲電壓Vni是隨機量

，噪聲分布是正態(tài)分布時，其數(shù)學期望為零，方差等于噪聲平均功率Pni，所以輸出噪聲電壓Vn也是正態(tài)分布的隨機變量，它的數(shù)學期望和方差分別是:13通過累積以后獲得的信噪比為通過累積以后信號噪聲幅值比(SNR)為14

取樣積分器的核心組件是取樣門和積分器，通常采用取樣脈沖控制RC積分器來實現(xiàn)，使在取樣時間內被取樣的波形作同步積累，并將所積累的結果(輸出)保持到下一次取樣。152．定點式取樣積分器

取樣積分器通常有兩種工作模式，即定點式和掃描式。定點式取樣積分器是測量周期信號的某一瞬態(tài)平均值；掃描式取樣積分器則可以恢復和記錄被測信號的波形。下面分別討論這兩種模式。定點式取樣是對被噪聲淹沒的信號在固定點取樣、平均，所以經(jīng)m次取樣平均后，其幅值信噪比改善為定點式取樣積分器能在噪聲中提取信號瞬時值，功能與鎖定放大器相同，不同的定點可通過手控延時電路來實現(xiàn)。163．掃描式取樣積分器掃描式取樣積分器利用取樣脈沖在信號波形上延時取樣，可以恢復被測信號波形。它主要包括可變時延的取樣脈沖和在取樣脈沖控制下作同步積累這兩個過程。掃描式取樣積分器可得到形狀與輸入的被測信號相同，而在時間上大大放慢了的輸出波形，故掃描式取樣積分器能在噪聲中提取信號并恢復波形。17181920取樣積分技術的運行步驟：利用檢測光脈沖的激勵源取得和輸入光脈沖同步的觸發(fā)信號；利用門延時和門脈沖寬度控制單元形成與觸發(fā)脈沖具有恒定時延或時延與時間成線性關系的可調脈寬取樣脈沖串；取樣脈沖控制取樣開關對連續(xù)的周期性變化信號進行掃描取樣；積分器對取樣信號進行多次線性累加，經(jīng)過濾波后獲得輸出信號。21取樣積分器的特點：適用于由脈沖光源產(chǎn)生的連續(xù)周期變化的信號波形測量或單個光脈沖的幅度測量。需要有與光脈沖同步的激勵信號；是一個取樣放大器，在每個信號脈沖周期內只取一個輸入信號值；在多次取樣過程中，門積分器對被測信號的多次取樣值進行線性疊加，而對隨機噪聲是矢量疊加，所以，對信號有恢復和提取作用；在測量占空比小于50％的窄脈沖光強度下，信噪比好于鎖相放大器；用掃描方式測量信號波形時能得到100ns的時間分辨率；雙通道系統(tǒng)能提供自動背景和輻射源補償。22

一種利用光電倍增管能檢測單個光子能量的功能，通過光電子計數(shù)的方法測量極微弱光脈沖信號的裝置。1、類型：基本的光子計數(shù)系統(tǒng)；輻射源補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)；背景補償?shù)墓庾佑嫈?shù)系統(tǒng)。三、光子計數(shù)系統(tǒng)23PMT比例計計數(shù)器數(shù)模轉換器放大器光子參考電壓光子脈沖噪聲技術脈沖鑒別器模擬輸出數(shù)字輸出模擬輸出基本的光子計數(shù)系統(tǒng)入射到光電倍增管陰極上的光子引起輸出信號脈沖，經(jīng)過放大器輸送到一個脈沖高度鑒別器上，從中分離出單光子脈沖，再用計數(shù)器計數(shù)光子脈沖數(shù)。計算出一定時間間隔內的計數(shù)值，以數(shù)字和模擬形式輸出。24基本過程：用光電倍增管檢測弱光的光子流，形成包括噪聲信號在內的輸出光脈沖；利用脈沖幅度鑒別器鑒別噪聲脈沖和多光子脈沖，只允許單光子脈沖通過；利用光子脈沖計數(shù)器檢測光子數(shù)，根據(jù)測量目的，折算出被測參量；為補償輻射源或背景噪聲的影響，可采用雙通道測量方法。25特點：只適合于極弱光測量不能測量包含許多光子的短脈沖強度；良好的信噪比；必需選擇帶有制冷器的光電倍增管；不用數(shù)模轉換即可提供數(shù)字輸出。26§8.2激光衍射法衍射：光在傳播過程中繞過障礙物的邊緣而偏離直線傳播的現(xiàn)象。說明:衍射現(xiàn)象是否明顯取決于障礙物線度與波長的對比，波長越長，障礙物越小，衍射越明顯。27

將一束光投射在一個小圓孔上，在小孔后放置一塊毛玻璃屏，觀察小圓孔的衍射花樣。圓孔衍射28單縫衍射圖樣29一、激光衍射傳感的基本原理和方法利用參考物與被測物之間的間隙形成單縫，當激光照射這個間隙時，產(chǎn)生單縫衍射。衍射計量的基本原理是檢測單縫的遠場衍射光強，即對夫朗和費衍射光強進行分析。30檢測面上的衍射光強分布為：顯然，測定任一個暗條紋的位置就可精確知道間隙W的尺寸或尺寸變化，對暗條紋有：：衍射角，時的光強，即光軸上的光強。31當不太大時，由遠場條件有：：第n條級暗條紋中心距中央零級條紋中心的距離。：檢測面距觀測平面的距離。：可測定量，：被測量。這就是激光衍射傳感器檢測的基本原理。32當被測物尺寸變化δ時，相當于單縫尺寸W改變δ，衍射條紋的位置隨之改變：式中：W0、W—起始縫寬和最后縫寬。以參考物為基準，被測物的尺寸或輪廓完全可以由衍射條紋的位置來測定。因此激光衍射測量的基本思想是把難于測量的微小尺寸W或δ，通過遠場衍射轉為大尺寸的測量，其放大比可達103-104倍，測量靈敏度大大提高。

33由以上討論可知，激光衍射法是利用衍射條紋的精確測量來達到精密傳感的。對衍射條紋的測量大體是兩種方法：記錄固定位置的衍射光強

記錄衍射分布特征尺寸

–測量衍射極點之間的距離二、激光衍射傳感技術1.間隙計量法間隙計量法主要適合：作尺寸的比較測量；作工件形狀輪廓測量；作應變的感應器使用。3435應變測量362.分離間隙法分離間隙法由于組成單縫的兩個棱邊不在向一平面上，所以出現(xiàn)的衍射條紋發(fā)生不對稱變化。

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薄膜材料表面涂層厚度測量：使用分離間隙法，圖示為其原理。薄膜材料表面涂層厚度測量383.愛里圓斑法當需要精確測定微小內孔的尺寸時，可采用愛里圓斑法來測量，即利用圓孔的遠場衍射。衍射花樣中心是一個圓形亮斑，外邊繞著明暗相間的環(huán)形條紋，這種衍射像稱為愛里圓。39圓孔衍射測量圖表示了圓孔的夫瑯和費衍射原理，接收屏上衍射條紋的光強分布為中心亮斑(即第一暗環(huán))的直徑為圓孔的夫瑯禾費衍射原理示意圖40三、測量分辨率、精度與最大量程測量分辨率測量分辨率就是測量能達到的靈敏度，是指激光衍射技術能分辨的最小量值。對上式求微分求出激光衍射法的測量分辨率為：該式表明，縫寬愈小，R愈大，λ愈長，所取衍射級次愈高，則分辨率愈小，靈敏度愈高。41測量精度由誤差理論，衍射技術的測量精度由基本公式中的所有可能誤差因素