最新复习 (2)ppt课件.ppt

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1、l光电检测技术：光电检测技术： 利用光电传感器实现各类检测。将被测量的量转换利用光电传感器实现各类检测。将被测量的量转换成光通量成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量理技术，完成在线和自动测量。l光电检测系统：光电检测系统： 光学变换光学变换 光电变换光电变换 电路处理电路处理激光光源激光光源 激光的特点激光的特点（1）方向性强或准直性好：经过长距离之后，仍然为细小的光束而不散开）方向性强或准直性好：经过长距离之后，仍然为细小的光束而不散开，发散角发散角可小到可小到0.1mrad左右；左右；（2）单色性好：普通的白光有七种颜

2、色，频率范围很宽。而激光是一种）单色性好：普通的白光有七种颜色，频率范围很宽。而激光是一种单色光单色光，频，频率范围极窄；率范围极窄；（3）亮度高：激光在亮度上的提高，主要依靠光在发射方向上的集中；具有特殊措）亮度高：激光在亮度上的提高，主要依靠光在发射方向上的集中；具有特殊措施的激光器可积累能量，然后突然在极短时间内发光，大大提高了激光功率，从施的激光器可积累能量，然后突然在极短时间内发光，大大提高了激光功率，从而也大大提高了激光的亮度。而也大大提高了激光的亮度。(4)(4) 相干性好相干性好 激光器的类型激光器的类型1. 气体激光器：气体激光器：工作物质为气体，激励方式多样，发射波长最广。

3、工作物质为气体，激励方式多样，发射波长最广。 （1）氦氖激光器：）氦氖激光器：优点：优点：单色性和相干性好，频率和输出幅度较稳定，结构简单，制造方单色性和相干性好，频率和输出幅度较稳定，结构简单，制造方 便，造价低，输出可见红光便，造价低，输出可见红光 。缺点：缺点：效率低，输出功率较小，与其他光源相比，需电压较高，电源也效率低，输出功率较小，与其他光源相比，需电压较高，电源也 较复杂，体积较大。较复杂，体积较大。（2）氩离子激光器）氩离子激光器 以氩气为工作物质的激光器。在大电流的电弧光放电或脉冲放电以氩气为工作物质的激光器。在大电流的电弧光放电或脉冲放电的条件下工作。发出蓝绿色光的条件下工

4、作。发出蓝绿色光 。（3）二氧化碳激光器）二氧化碳激光器 以二氧化碳气体作为工作物质的激光器。在激光器内除充入二氧以二氧化碳气体作为工作物质的激光器。在激光器内除充入二氧化碳外，还充入氦和氮，以提高激光器的输出功率，发红色和红外化碳外，还充入氦和氮，以提高激光器的输出功率，发红色和红外光光 。 低气压纵向激励的二氧化碳激光器是气体激光器中连续输出功率低气压纵向激励的二氧化碳激光器是气体激光器中连续输出功率最大和转换效率最高的一种器件。最大和转换效率最高的一种器件。 特点：小型二氧化碳激光器可用于测距，大功率二氧化碳激光器可用特点：小型二氧化碳激光器可用于测距，大功率二氧化碳激光器可用 作工业加

5、工和热处理等作工业加工和热处理等 2. 固体激光器固体激光器（1）红宝石激光器）红宝石激光器 红宝石激光器是最早制成的固体激光器。红宝石激光器激红宝石激光器是最早制成的固体激光器。红宝石激光器激光波长为光波长为0.6943，脉冲宽度在，脉冲宽度在1ms以内，输出功率一般可达以内，输出功率一般可达10千瓦，能量转换效率为千瓦，能量转换效率为0.1%。脉冲工作单色性差，相干长度仅。脉冲工作单色性差，相干长度仅几毫米。几毫米。 红宝石激光器红宝石激光器 调调Q激光器：激光器：通过控制谐振腔的通过控制谐振腔的Q值按某种规定的程序变值按某种规定的程序变化，当激光器开始工作时使腔内处于低化，当激光器开始工

6、作时使腔内处于低Q状态，谐振腔的状态，谐振腔的激光振荡阈值很高，工作物质上能级不断积累粒子，某一激光振荡阈值很高，工作物质上能级不断积累粒子，某一时刻使得工作物质上能级粒子数积累到最大值，此时若使时刻使得工作物质上能级粒子数积累到最大值，此时若使Q值突然升高，则振荡阈值降低，谐振腔内在短时间内激值突然升高，则振荡阈值降低，谐振腔内在短时间内激光上能级储存的大部分能量转变为光能量，有极强的激光光上能级储存的大部分能量转变为光能量，有极强的激光脉冲输出。脉冲输出。 激光器的锁模：激光器的锁模：锁模指纵模锁定。锁模可以获得超短脉冲。锁模指纵模锁定。锁模可以获得超短脉冲。被锁模的多个纵模激光输出时，产

7、生叠加，其叠加结果相被锁模的多个纵模激光输出时，产生叠加，其叠加结果相当于一个振荡频率为的单色余弦波振幅受到调制。当于一个振荡频率为的单色余弦波振幅受到调制。 热辐射光源热辐射光源 白炽灯：白炽灯：可见光谱辐射源，它依靠电能加热金属丝，使它在真空或惰性气体中可见光谱辐射源，它依靠电能加热金属丝，使它在真空或惰性气体中达到白炽状态而发光。白炽灯能量损失较大，可见辐射仅有达到白炽状态而发光。白炽灯能量损失较大，可见辐射仅有6%12%。白炽。白炽灯发光效率低，但因它的结构简单，造价低廉，使用方便，且有连续光谱，灯发光效率低，但因它的结构简单，造价低廉，使用方便，且有连续光谱，所以仍然是应用最广的光源

8、。所以仍然是应用最广的光源。 卤钨灯：卤钨灯： 特点：特点：（1）体积小（）体积小（2）光通量稳定（）光通量稳定（3）紫外线较丰富（）紫外线较丰富（4）发光效率比白）发光效率比白炽灯高炽灯高23倍（倍（5）寿命长。）寿命长。 缺点：缺点：价格较贵，管壁温度高，使用时要注意安全，以免烧毁其它物质。价格较贵，管壁温度高，使用时要注意安全，以免烧毁其它物质。 第三章第三章 光的调制原理光的调制原理光调制：光调制：将信息加载到光载波上，并使光的参量发生变化的将信息加载到光载波上，并使光的参量发生变化的过程称为光调制。光作为载波可分为相干光波和非相干光过程称为光调制。光作为载波可分为相干光波和非相干光波

9、。波。光调制分类：光调制分类： 基于光的特征参量分为振幅调制，频率调制，相位调制，基于光的特征参量分为振幅调制，频率调制，相位调制，光强调制和偏振调制等。光强调制和偏振调制等。 概述概述光强度调制光强度调制 原理：利用外界因素改变光的强原理：利用外界因素改变光的强 度，通过测量光强的变化来度，通过测量光强的变化来 测量外界物理量。测量外界物理量。 辐射式辐射式 利用光电探测器探测待测物体利用光电探测器探测待测物体所辐射出的功率，光谱分布以所辐射出的功率，光谱分布以及温度等参数。及温度等参数。 4TMVes测量输出电压来测量辐射物体的温度测量输出电压来测量辐射物体的温度 待测物待测物透镜透镜光电

10、探测器光电探测器透射式透射式 光通过待测物体，一部分光通量被待检光通过待测物体，一部分光通量被待检测物体吸收或散射，另一部分透过待测测物体吸收或散射，另一部分透过待测物体由光电探测器接收。物体由光电探测器接收。 反射式反射式利用光电探测器件接收待测物利用光电探测器件接收待测物反射的光线，根据反射形式的反射的光线，根据反射形式的不同可以测量转动物体的转速，不同可以测量转动物体的转速，以及物体表面的外观质量。以及物体表面的外观质量。 遮挡式遮挡式 被测物体部分或全部地遮挡或扫被测物体部分或全部地遮挡或扫过入射到光电探测器的光栅，引过入射到光电探测器的光栅，引起光电探测器输出电信号的变化起光电探测器

11、输出电信号的变化 lbA2lbEAEVvvs2测出物体的位移量和物体的尺寸测出物体的位移量和物体的尺寸利用光通量的变化进行光电计数利用光通量的变化进行光电计数和光电自动开关。和光电自动开关。 光的偏振调制光的偏振调制 利用光经过各向异性物质的双折射现象（利用光经过各向异性物质的双折射现象（o光和光和e光）。光）。 光弹效应：光弹效应：某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不某些非晶体材料通常情况下是各向同性的，不 产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生产生双折射现象，当受到外力作用时，就会产生 双折射现象，当外力除去时，双折射随之消失。双折射现象，当外力除去时，双折射随之消失。kPnneo

12、kPllnneo)()(sin2kPlIIoK为物质常数为物质常数光栅莫尔调制光栅莫尔调制 将两块光栅叠合在一起，并使两条栅线交成很小的夹角。将两块光栅叠合在一起，并使两条栅线交成很小的夹角。就可以得到莫尔条纹图案。就可以得到莫尔条纹图案。 原理：原理：当光栅位移一个光栅距时，光通量变化一个周期，当光栅位移一个光栅距时，光通量变化一个周期，在空间上光栅移动的周期为在空间上光栅移动的周期为p，而莫尔条纹移动的周期是，而莫尔条纹移动的周期是B。莫尔条纹有放大作用。莫尔条纹有放大作用。对于对于N个周期变化，位移量为：个周期变化，位移量为：NPx B=P/sinn 光电探测器：光电探测器：把光能直接转

13、换成电信息，其工作原理是把光能直接转换成电信息，其工作原理是基于光电效应。基于光电效应。分类：分类：根据工作效应的不同可以分为：根据工作效应的不同可以分为：（1）光电子发射器件：光电管和光电倍增管）光电子发射器件：光电管和光电倍增管 （2）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻）光电导器件：单晶型、多晶型、合金型的光敏电阻 （3）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管）光生伏特器件：光电池、光电二极管和光电三极管 （4）光磁电器件）光磁电器件 光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像器件等光电探测器也可分为单元器件、阵列器件或成像器件等 第四章第四章 光电探测器光电探测器光电探测

14、器的特性参数光电探测器的特性参数 l量子效率量子效率:IhvepPhePIl 响应度响应度 ：入射的单位光辐射功率所引起的反应入射的单位光辐射功率所引起的反应 电压响应度：电压响应度： suURP 电流灵敏度：电流灵敏度： sdISP光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。光电探测器吸收光子产生光电子，光电子形成电流。 单位时间入射到探测器表面的光子单位时间入射到探测器表面的光子 单位时间内被光子激励的光电子数。单位时间内被光子激励的光电子数。 描述光电器件描述光电器件光电转换能力光电转换能力 光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性光电探测器响应度随入射光的波长改变而改变的特性

15、。峰值响应波长：峰值响应波长：响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长响应度最大时所对应的波长称为峰值响应波长 截止波长：截止波长：当响应度下降到其峰值的当响应度下降到其峰值的50%时所对应的波长。时所对应的波长。l 线性度：线性度：探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的探测器的输出光电流（或光电压）与输入光功率成比例的 程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较程度和范围。通常，弱光照时探测器输出光电流都能在较 大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光大范围内与输入光功率（或辐照度）成线性关系。在强光 照时趋于平方根关系。照时趋于平方根关系。 l 光谱响应：光谱

16、响应：l 响应时间响应时间 当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流当照射探测器的光功率由零增加到某一值时，光电探测器的瞬时输出电流总不能完全跟随输入变化。总不能完全跟随输入变化。 同样，在光照突然停止时也是这样。同样，在光照突然停止时也是这样。 /1tseiti)(tis响应时间：响应时间：阶跃输入时，阶跃输入时， 上升到稳态值上升到稳态值的的0.63倍时的时间倍时的时间 光电探测器的噪声光电探测器的噪声1热噪声：热噪声：凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部凡有功耗电阻的元件都有热噪声，来源于电阻内部自由电子或电荷自由电子或电荷载流子的不规则的热骚动载流子的不

17、规则的热骚动。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成。热噪声与温度成正比，与测量仪器的电子带宽成正比，与频率无关。正比，与频率无关。2暗电流噪声：暗电流噪声：当探测器接入电路后，当探测器接入电路后，由于热电子发射，导致发射或半导体中由于热电子发射，导致发射或半导体中晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流晶格热振动激发出载流子，而产生的输出电流。 3散粒噪声：散粒噪声： 由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过由电子或光生载流子的粒子性所引起的噪声。每一瞬时通过PN结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出电流也随之起伏，引结的载流子数总有微小的不规则起伏，使探测器的输出

18、电流也随之起伏，引起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。起散粒噪声。散粒噪声是与频率无关，与带宽有关的白噪声。系统内部噪声主要是由于元器件中带电粒子的不连续性以及局部不系统内部噪声主要是由于元器件中带电粒子的不连续性以及局部不均匀造成的均匀造成的. l 光电子发射器件光电子发射器件光电管、光电倍增管光电管、光电倍增管:典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件典型的光电子发射型（外光电效应）探测器件. 由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种由光电阴极、阳极和真空管壳组成，是一种电流放大器件电流放大器件。光电倍增管具有很高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测光电倍增管具有很高的电

19、流增益，特别适用于微弱光信号的探测（1）光电管）光电管光电管分为光电管分为真空光电管真空光电管和和充气光电管充气光电管两大类。两大类。真空光电管：真空光电管：管内管内保持真空保持真空，只存在电子运动，只存在电子运动n 真空光电管真空光电管 工作原理：工作原理： 当入射光线透过光窗照射到电阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在当入射光线透过光窗照射到电阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在极间电场作用下，光电子加速运动到阳极被阳极吸收，光电流数值可在阳极极间电场作用下，光电子加速运动到阳极被阳极吸收，光电流数值可在阳极电路中测出。电路中测出。 主要特性主要特性灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，

20、光电管阳极电流与阴极面上光灵敏度：在一定光谱和阳极电压下，光电管阳极电流与阴极面上光 通量之比，反应了光电管的光照特性。通量之比，反应了光电管的光照特性。 伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加伏安特性：一定光照条件下，阳极电流会随其电压增加而增加 。 不同电极结构有不同的饱和电压不同电极结构有不同的饱和电压 。光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要光谱响应：各种真空光电管的光谱响应不同，影响光谱特性的主要 因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等因素是光阴极的结构、材料、厚度及光窗材料等 。暗电流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限，暗电

21、流：在低照度下，暗电流大小和噪声决定了测量光通量的低限， 并影响对弱光的测量精度并影响对弱光的测量精度 。 （2） 光电倍增管光电倍增管 结构和工作原理结构和工作原理由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成。图中由光电阴极、倍增极、阳极和真空管壳组成。图中K是光电阴极，是光电阴极，D是倍增极是倍增极, A是阳极。是阳极。U是极间电压，称为分级电压；分极电压为百伏量级，分级电压之和为总电压，总电是极间电压，称为分级电压；分极电压为百伏量级，分级电压之和为总电压，总电压为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。压为千伏量级。从阴极到阳极，各极间形成逐级递增的加速电场。 特点：特点： 灵

22、敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小，但结构复杂、工作电压高、体积大。电灵敏度高、稳定性好、响应速度快和噪声小，但结构复杂、工作电压高、体积大。电流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。流放大元件，具有较高的电流增益，特别适用于微弱光信号的探测。l 光电导探测器件光电导探测器件（1）硫化镉）硫化镉CdS和硒化镉和硒化镉CdSe 光敏电阻光敏电阻 硫化镉和硒化镉（硫化镉和硒化镉（CdS和和CdSe）是可见光区用得较多的两种光敏是可见光区用得较多的两种光敏电阻。电阻。CdS光敏电阻的峰值波长光敏电阻的峰值波长很接近人眼最敏感的很接近人眼最敏感的555nm波长，波长，可用于视觉亮

23、度有关的测量和底可用于视觉亮度有关的测量和底片曝光方面的测量。片曝光方面的测量。利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。利用光电导效应的半导体材料以光敏电阻应用最为广泛。 特点：特点：响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度响应度高；缺点：受单晶大小的限制，受光面积小，响应时间与光照强度 有关，随着光照强度减弱响应时间增加。有关，随着光照强度减弱响应时间增加。 硫化铅硫化铅PbS和硒化铅和硒化铅PbSe光敏电阻特性光敏电阻特性PbS光敏电阻响应波长范围为光敏电阻响应波长范围为1.03.5mm峰值响应波长为峰值响应波长为2.4 mPbSe响应波长可达响应波长可达

24、4.5mm 光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度光敏电阻是多数载流子导电，温度特性复杂。随着温度的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的的升高，光敏电阻的暗电阻和灵敏度都要下降，温度的变化也会影响光谱特性曲线。变化也会影响光谱特性曲线。例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰例如：硫化铅光敏电阻，随着温度的升高光谱响应的峰值将向短波方向移动。值将向短波方向移动。尤其是红外探测器要采取制冷措施尤其是红外探测器要采取制冷措施温度特性温度特性光敏电阻的应用 基本功能：根据自基本功能：根据自然光的情况决定是然光的情况决定是否开灯。否开灯。 基本结构：整流滤基本结构：整流滤波

25、电路；光敏电阻波电路；光敏电阻及继电器控制；触及继电器控制；触电开关执行电路电开关执行电路 基本原理：光暗时，基本原理：光暗时，光敏电阻阻值很高，光敏电阻阻值很高，继电器关，灯亮；继电器关，灯亮；光亮时，光敏电阻光亮时，光敏电阻阻值降低，继电器阻值降低，继电器工作，灯关。工作，灯关。照明灯自动控制电路K220V灯常闭CdS（1） 硅光电池硅光电池光电池与光电二极管相比，光电池与光电二极管相比，其掺杂浓度高，电阻率低，其掺杂浓度高，电阻率低，不需外加偏压不需外加偏压易于输出光易于输出光电流电流。 l 硅光电池结构硅光电池结构l 光伏探测器件光伏探测器件l 光电池的应用光电池的应用光电探测器件光电

26、探测器件 利用光电池做探测器有频率响应高，光电流利用光电池做探测器有频率响应高，光电流随光照度线性变化等特点。随光照度线性变化等特点。将太阳能转化为电能将太阳能转化为电能 实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成实际应用中，把硅光电池经串联、并联组成电池组。电池组。硅太阳能电池硅太阳能电池 硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、硅太阳能电池包括单晶硅太阳能电池、多晶硅太阳能电池、非晶硅太阳能电池。非晶硅太阳能电池。 单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为单晶硅太阳能电池在实验室里最高的转换效率为23%,23%,而规而规模生产的单晶硅太阳能电池模生产的单晶硅太阳能电池, ,其效率

27、为其效率为15%15%。 多晶硅半导体材料的价格比较低廉多晶硅半导体材料的价格比较低廉, ,但是由于它存在着较但是由于它存在着较多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验多的晶粒间界而有较多的弱点。多晶硅太阳能电池的实验室最高转换效率为室最高转换效率为18%,18%,工业规模生产的转换效率为工业规模生产的转换效率为10%10%。l CCD概述概述 CCD的特点：的特点：以电荷作为信号以电荷作为信号。 CCD的基本功能：的基本功能：电荷的存贮和电荷的转移电荷的存贮和电荷的转移。 CCD的工作原理是的工作原理是电荷的产生、存贮、传输和检电荷的产生、存贮、传输和检测测。电荷耦合器件电荷耦合器

28、件CCD（Charge Coupled Devices） （1）电荷存贮）电荷存贮 在栅极未施加电压时，在栅极未施加电压时，P型半导体分布均匀的空穴（多数载流子）型半导体分布均匀的空穴（多数载流子） 栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层栅极加正向电压，空穴远离栅极，形成耗尽层 电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度电压提高，耗尽层扩散，形成反型层（电子被表面势吸引，极薄，密度 极高）极高） 反型层形成时的外加电压称为阈值电压反型层形成时的外加电压称为阈值电压 MOS电容的衬底材料由电容的衬底材料由P型换成型换成N型，偏置电压也反号，则反型层为空穴型，偏置电压也反号，

29、则反型层为空穴 深度耗尽状态，深度耗尽状态，CCD工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即工作状态（因为少数载流子缺乏，反型层不能立即 形成）形成）l CCD工作原理工作原理（2）电荷耦合）电荷耦合 电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另外一个势阱电极电压的变化使得电荷从一个势阱转移到另外一个势阱CCD电极间的距离必须很小电极间的距离必须很小,才能保证电荷的转移才能保证电荷的转移（3）电荷的注入和检测）电荷的注入和检测 电荷的注入电荷的注入(光注入方式和电注入方式光注入方式和电注入方式)光注入方式光注入方式 当光照射到当光照射到CCD硅片上时，硅片上时，在栅极附近的体内产生电子在栅极附近

30、的体内产生电子-空穴对空穴对，其多数载，其多数载流子被栅极电压排开，流子被栅极电压排开，少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷少数载流子则被其收集在势阱中形成信号电荷，CCD摄像器件的光敏单元为光注入方式。摄像器件的光敏单元为光注入方式。 电荷的检测（输出方式）电荷的检测（输出方式）*电流输出方式电流输出方式 CCD的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容的重要特性之一是信号电荷在转移过程中与时钟脉冲没有任何电容耦合，但在输出端则不可避免。耦合，但在输出端则不可避免。 n N型沟道三相线阵型沟道三相线阵CCD摄像原理摄像原理实际结构是把光敏的实际结构是把光敏的CCD和读出的

31、移位寄存器分开和读出的移位寄存器分开 在在1下的耗尽区内由于下的耗尽区内由于光学的本征光学的本征激发激发产生电子空穴对，（光）电子将产生电子空穴对，（光）电子将作为少数载流子在作为少数载流子在1势阱之中。光势阱之中。光束是通过透明电极或电极之间进入半束是通过透明电极或电极之间进入半导体的，所激发出来的光电子数与光导体的，所激发出来的光电子数与光强有关，也与积分时间长短有关。于强有关，也与积分时间长短有关。于是光强分布图就变成是光强分布图就变成CCD势阱中光势阱中光电子电荷量分布图。积分完毕后，电电子电荷量分布图。积分完毕后，电极上的电压变成三相重叠的快速脉冲，极上的电压变成三相重叠的快速脉冲，

32、把电荷包依次从输出端读出。把电荷包依次从输出端读出。l CCD摄像原理摄像原理（1）面阵）面阵CCD摄像器件摄像器件 分成分成三个区域：三个区域：成像区成像区、存贮区存贮区和和读出移位寄存区读出移位寄存区。（2） 每读出一行以后，存贮每读出一行以后，存贮区再转移一行。如此重复，区再转移一行。如此重复，直到全部像素被输出。在存直到全部像素被输出。在存贮区信号逐行输出的同时，贮区信号逐行输出的同时，成像区中另一电极正处于合成像区中另一电极正处于合适电压，对光强进行积分，适电压，对光强进行积分，这样这样隔行成像隔行成像分辨率高。分辨率高。 一、一、PSD工作原理工作原理PSD的结构的结构一维一维PS

33、D工作原理工作原理外部引出端子外部引出端子外封装外封装PNPN结结窗口窗口 入射光点，入射光点，受光面（电阻层），受光面（电阻层），输出电极输出电极1 1，输出电极输出电极2 2，电流电流1 1，电流电流2 2，正电荷移动，正电荷移动，负电荷移负电荷移动动 PSD位置探测器位置探测器一维一维PSD的位置检测的位置检测 入射光在半导体内产生正负等量电荷，即通过入射光在半导体内产生正负等量电荷，即通过PN结在入射点附近的结在入射点附近的P层层产生正电荷，在产生正电荷，在N层产生负电荷。层产生负电荷。P层不均匀的正电荷形成电流，引出端输出层不均匀的正电荷形成电流，引出端输出与与到输出电极距离到输出电

34、极距离成反比的电流。成反比的电流。 LxLII01012IIILxIII212针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指标的不同，形成了各种各样的光电测试度等指标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列举一些典型光电测试系统，介绍系统。本章列举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作原理和应用。光电测试系统的工作原理和应用。光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。点。l 光电开关与光电转速计光电开关与光电转速计 l 莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 l 激光测距仪激光测距仪 第五章第五章 典型光电测试系

35、统典型光电测试系统（1 1）反射型）反射型主动主动开关开关距离足够近距离足够近遇到障碍反射遇到障碍反射光如：防盗器光如：防盗器用于狭窄区域用于狭窄区域液位自动控制液位自动控制液位上升，光通量下液位上升，光通量下降如：汽油液位探测降如：汽油液位探测只要测出频率，就可以得到转速只要测出频率，就可以得到转速带孔的盘带孔的盘带锯齿的盘带锯齿的盘带黑白反射带黑白反射块的盘块的盘l 转速计测量原理转速计测量原理mfn60光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光电探测器件：光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源：发光二极管光源：发光二极管 光电转速计光电转速计l 系统构成系统构成电路转换：电路转换：放

36、大器、计数器放大器、计数器发光二极管发光二极管光敏探测器光敏探测器光学调制系统光学调制系统n周期测量法周期测量法（1 1）固定的高频脉冲做参考，精确已知）固定的高频脉冲做参考，精确已知（2 2）信号脉冲控制闸门）信号脉冲控制闸门（3 3）低频精度高，高频相对误差增大）低频精度高，高频相对误差增大l 频率测量频率测量莫尔条纹测长仪莫尔条纹测长仪 l 莫尔条纹定义莫尔条纹定义 将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光栅）栅）叠加叠加在一起，并使它们的栅线有一在一起，并使它们的栅线有一小的交角小的交角。当光栅对之。当光栅对之间有相对运动时（其运

37、动方向与主光栅栅线垂直），对着光源间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源看过去，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的看过去，就会发现有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条明暗相间的条纹移动纹移动，此移动的条纹被称为莫尔条纹。，此移动的条纹被称为莫尔条纹。 常用的光栅，其栅距常用的光栅，其栅距( (相邻栅线之间的距离相邻栅线之间的距离) )大于大于0.01mm0.01mm，称为，称为黑白光栅黑白光栅。这时光栅栅距远大于光波长，两。这时光栅栅距远大于光波长，两个个光栅叠合光栅叠合在一起，形成莫尔条纹。当使用在一起，形成莫尔条纹。当使用更小栅距更小栅距的位的位相光栅时，莫尔条纹就是由相

38、光栅时，莫尔条纹就是由衍射衍射和和干涉干涉形成的。形成的。 当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。当长光栅固定，指示光栅相对移动一个栅距，莫尔条纹就变化一个周期。一般情况下一般情况下指示光栅与工作台固定在一起指示光栅与工作台固定在一起。通过对指示光栅和长光栅。通过对指示光栅和长光栅形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。形成的莫尔条纹计数得到工作台前后移动的距离。n 指示光栅移动的距离指示光栅移动的距离x x ： x = NP + x = NP + P P为光栅栅距，为光栅栅距，N N为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数，为指示光栅移动距离中包含的光栅线对数， 小

39、于一小于一个光栅栅距的小数。个光栅栅距的小数。（1 1）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数）简单的莫尔条纹测长仪只对指示光栅移过的光栅线对数N N进行计数；进行计数；（2 2）实际系统利用）实际系统利用电子细分方法电子细分方法将莫尔条纹的一个周期细分。将莫尔条纹的一个周期细分。l 莫尔条纹测长原理莫尔条纹测长原理（2 2）读数头构成特点及信号处理过程）读数头构成特点及信号处理过程（1 1）四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内，接受光栅透）四个柱面聚光镜布置在莫尔条纹的一个周期内，接受光栅透 过的光能，它们相互之间相差过的光能，它们相互之间相差1/41/4个莫尔条纹周期。个莫尔

40、条纹周期。（2 2）在每个柱面聚光镜的）在每个柱面聚光镜的焦点焦点上布置一个光电二极管，进行光电上布置一个光电二极管，进行光电转换。转换。（3 3）指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，则四个光）指示光栅移动一个栅距，莫尔条纹变化一个周期，则四个光电二极管分别输出相位差为电二极管分别输出相位差为9090度的度的近似正弦近似正弦信号，该信号整形信号，该信号整形后得到相差后得到相差9090度的度的方波脉冲信号方波脉冲信号（4 4）莫尔条纹变化一个周期莫尔条纹变化一个周期，计数器中的到，计数器中的到4 4个方波脉冲个方波脉冲，提高，提高分辨力分辨力l特点特点 激光激光方向性好方向性好、亮度高亮

41、度高、波长单一波长单一，故测程远、测量精度，故测程远、测量精度高。且激光测距仪结构小巧、携带方便，是目前高精度、高。且激光测距仪结构小巧、携带方便，是目前高精度、远距离测距最理想的仪器。远距离测距最理想的仪器。激光测距仪激光测距仪l激光测距仪分类激光测距仪分类（1 1）脉冲激光测距仪）脉冲激光测距仪（2 2）相位激光测距仪）相位激光测距仪l 脉冲激光测距仪脉冲激光测距仪n 测距原理测距原理 由激光器对被测目标发射一个由激光器对被测目标发射一个光脉冲光脉冲，然后接收系统接，然后接收系统接收目标收目标反射回来的光脉冲反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的，通过测量光脉冲往返所经过的时时间间来

42、算出目标的距离。来算出目标的距离。tcL2L为目标距离，为目标距离， 2L为光脉冲往返所走过的距离。为光脉冲往返所走过的距离。t为光脉冲往返所经过的时间。为光脉冲往返所经过的时间。n 脉冲测距仪原理脉冲测距仪原理(1)(1)开关开关1515闭合闭合：清计数器：清计数器1313；置触发器；置触发器8 8、9 9为为1, 1,即即Q8Q81, O9=11, O9=1；发射激光脉；发射激光脉冲。冲。(2)(2)取样参考信号回波取样参考信号回波：使触发器：使触发器8 8置置0 0，即即Q8=0, Q8=0, 打开异或门打开异或门1111，计数器，计数器1313计计数。数。(3)(3)测量信号回波测量信

43、号回波：同或门：同或门1010使得信号负使得信号负脉冲可以通过，置触发器脉冲可以通过，置触发器9 9为为0 0，关闭，关闭1111，1313停止计数。停止计数。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n 发射系统发射系统 发射系统一般由发射系统一般由激光器激光器、电源电源和和发射望远系统发射望远系统组成。组成。激光器输出的光脉冲峰值功率极高，峰值功率在兆瓦量级，激光器输出的光脉冲峰值功率极高，峰值功率在兆瓦量级，脉冲宽度在几十毫微秒量级。发

44、射望远系统是脉冲宽度在几十毫微秒量级。发射望远系统是倒置的伽利倒置的伽利略望远镜略望远镜，它可使激光的发散角进一步，它可使激光的发散角进一步压缩压缩，一般输出激，一般输出激光发散角在光发散角在（10e-210e-3）rad范围以内。单位立体角的范围以内。单位立体角的光能量得到提高，目标所得到的照度也相应提高，有利于光能量得到提高，目标所得到的照度也相应提高，有利于提高作用距离。提高作用距离。 n 接收系统接收系统 接收系统由接收接收系统由接收光学系光学系统统、光电探测器光电探测器、低噪声宽带低噪声宽带放大器放大器和和整形电路整形电路组成。脉冲组成。脉冲激光回波信号通过接收物镜、激光回波信号通过

45、接收物镜、小孔光阑小孔光阑3 3及及干涉滤光片干涉滤光片4 4后到后到达光电探测器达光电探测器5 5上，光电探测上，光电探测器把光信号转变成电信号器把光信号转变成电信号，再再经过低噪声宽带放大器送到整经过低噪声宽带放大器送到整形电路。形电路。n 相位测距原理相位测距原理（1 1）发射系统发射按频率）发射系统发射按频率f f0 0变化的正弦调制光波变化的正弦调制光波（2 2）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的）接收系统得到调制的光波回波，并转换成与其频率完全相同的 电信号电信号（3 3）测得发射与接收光波之间的相位差（角），即可测得距离）测得发射与接收光波之间的相位差（角），

46、即可测得距离反射棱镜反射棱镜l 相位激光测距仪相位激光测距仪（2）计算过程：）计算过程：0t021cL 00012()()22NLcL NL NN002/fcL 2/N，其中，其中为相位差角，为相位差角，0为光波调制频率为光波调制频率（1）（2）（3）其中其中，称为，称为光尺光尺；（3） “多尺多尺”测量的概念（注意相对精度）测量的概念（注意相对精度）n相位检测原理相位检测原理( (差频测相差频测相) ) )cos(0tAedd)cos(0sdmstBe)cos(tceLL)()cos(0tDeLdr)()cos(0sLdmtEe（1 1）尽量提高光波调制频尽量提高光波调制频率，可提高测量精度

47、率，可提高测量精度？（2 2）相位计一般工作在低）相位计一般工作在低频频n 相位测距仪原理相位测距仪原理（1 1）为某频率的正弦电流驱动）为某频率的正弦电流驱动 发光二极管输出同相位正弦发光二极管输出同相位正弦 变化的光波。变化的光波。（2 2）两个测尺，频率分别为）两个测尺，频率分别为 f1=15MHz,f2=150kHzf1=15MHz,f2=150kHz（3 3）两个本振信号为）两个本振信号为f1-fc,f1-fc, f2-fc (fc=4kHZ) f2-fc (fc=4kHZ)（4 4）主振信号与本振信号混频）主振信号与本振信号混频 后得到低频信号，但保持后得到低频信号，但保持 高频的

48、相位。高频的相位。第八章第八章 光纤测量技术光纤测量技术1. 201. 20世纪世纪7070年代中期，新技术，光纤传感伴随光纤技术、年代中期，新技术，光纤传感伴随光纤技术、 光通信技术形成光通信技术形成2. 2. 光纤测量技术以光波为载体，以光纤为媒质来感知和传光纤测量技术以光波为载体，以光纤为媒质来感知和传 输外界信号输外界信号3. 3. 优点：优点： 灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、不受电磁干扰、光路灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、不受电磁干扰、光路 可挠曲、易于与微机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重可挠曲、易于与微机连接、便于遥测、结构简单、体积小、重 量轻、耗电少。量轻、耗

49、电少。8.1 概述概述8.1.2 光纤的特性光纤的特性n 光纤的损耗特性光纤的损耗特性 传输损耗即传输损耗即光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光光从光纤的一端射入而从另一端射出时，光 强将减弱强将减弱 ，计算公式为：，计算公式为： )dB/km(log1010LPPP P P为每公里的光纤衰减系数；为每公里的光纤衰减系数；P P0 0为输入端光功率；为输入端光功率；P P1 1为输出端光功率；为输出端光功率；L L为光纤长度为光纤长度 。n 光纤的色散特性光纤的色散特性 当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光的色散特性，在输出端当一个光脉冲信号通过光纤时，由于光的色散特性，在输出端的光脉冲响应被

50、拉长，即的光脉冲响应被拉长，即脉冲被展宽脉冲被展宽，出现明显的脉冲失真，出现明显的脉冲失真，叫做脉冲信号的延时失真。脉冲失真叫做脉冲信号的延时失真。脉冲失真在数字编码通信中危害：在数字编码通信中危害：当脉冲速率很高时，会形成码间干扰，导致误码，使通信难以当脉冲速率很高时，会形成码间干扰，导致误码，使通信难以进行。光纤的色散是决定信息传输容量的重要特性。进行。光纤的色散是决定信息传输容量的重要特性。 色散分类：色散分类：模式色散、材料色散、波导色散。模式色散、材料色散、波导色散。8.3 光纤测量技术光纤测量技术l 概述概述 （1）光纤传感技术：利用光波参数的变化，测量导致光波参数变化）光纤传感技