光電檢測(cè)系統(tǒng)

光電檢測(cè)系統(tǒng)第一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光電檢測(cè)系統(tǒng)分類(lèi)主動(dòng)系統(tǒng)/被動(dòng)系統(tǒng)(按信息光源分)紅外系統(tǒng)/可見(jiàn)光系統(tǒng)(按光源波長(zhǎng)分)點(diǎn)探測(cè)/面探測(cè)系統(tǒng)？(按接受系統(tǒng)分)模擬系統(tǒng)/數(shù)字系統(tǒng)(按調(diào)制和信號(hào)處理方式分)直接檢測(cè)？/光外差檢測(cè)系統(tǒng)？(按光波對(duì)信號(hào)的攜帶方式分)第二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日直接檢測(cè)的基本原理直接檢測(cè)(非相干檢測(cè)): 都是利用光源發(fā)射的光強(qiáng)攜帶信息,直接把接受到的光強(qiáng)變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。第三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日直接檢測(cè)的基本特性光探測(cè)器的平方律特性光電流正比于光電場(chǎng)振幅的平方輸出的電功率正比于入射光功率的平方信噪比：表征檢測(cè)系統(tǒng)的靈敏度視場(chǎng)角: 表征系統(tǒng)能“觀察”到的空間范圍通頻帶寬度: 頻帶寬度越寬，通過(guò)信號(hào)的能量越大，系統(tǒng)的噪聲功率也越大檢測(cè)距離：是系統(tǒng)靈敏度的另外一種評(píng)價(jià)指標(biāo)．返回第四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光外差檢測(cè)的基本原理利用光波的振幅、頻率、相位攜帶信息，而不是光強(qiáng)。兩束相干光入射到探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，形成相干光場(chǎng),又稱(chēng)相干檢測(cè)。只有激光才能進(jìn)行相干檢測(cè)。輸出信號(hào)中包含的差頻信號(hào),因此稱(chēng)光外差檢測(cè)輸出的中頻功率正比于信號(hào)光和本振光功率的乘積。第五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光外差檢測(cè)的特性光探測(cè)器的輸出包含有信號(hào)光的全部信息：振幅、頻率和相位等；轉(zhuǎn)換效率高，檢測(cè)靈敏度高（比直接檢測(cè)高７－８數(shù)量級(jí)），對(duì)微弱信號(hào)的探測(cè)有利（盡管信號(hào)光功率小，但是本振光功率大）良好的濾波性能

信噪比損失小檢測(cè)靈敏度高檢測(cè)距離遠(yuǎn)對(duì)探測(cè)器的要求比直接檢測(cè)高第六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日光外差檢測(cè)的空間和頻率條件空間條件：

θ:兩束光的夾角，l：檢測(cè)器光敏面線度．

波長(zhǎng)越短或口經(jīng)越大，要求相位差角θ越小，越難滿(mǎn)足要求．頻率條件：

要求信號(hào)光和本振光具有高度的單色性和頻率穩(wěn)定性。如何獲得單頻光和穩(wěn)頻光？信號(hào)光與本振光并非平行而成一夾角θ第七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日5.3典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)你所知道的光電檢測(cè)系統(tǒng)???你能講一講光電檢測(cè)系統(tǒng)???你能評(píng)一評(píng)光電檢測(cè)系統(tǒng)???第八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日典型的光電檢測(cè)系統(tǒng)直接檢測(cè)系統(tǒng)（光強(qiáng)調(diào)制）莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀激光測(cè)距儀激光準(zhǔn)直環(huán)境污染檢測(cè)系統(tǒng)光外差檢測(cè)系統(tǒng)激光干涉測(cè)長(zhǎng)儀（相位調(diào)制）多普勒測(cè)速（頻率調(diào)制）光外差通信第九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀莫爾條紋的原理將兩塊光柵(節(jié)距分別為P1和P2)疊加在一起,并且兩者的柵線成很小的角度θ,透過(guò)光柵能看到如圖所示的明暗相間的莫爾條紋.這就是莫爾條紋的光強(qiáng)調(diào)制作用．長(zhǎng)光柵莫爾條紋的形式橫向條紋:P1=P2,θ很小;縱向條紋:P1~P2,θ=0;斜條紋:P1~P2,θ很小.莫爾條紋演示縱向條紋橫向條紋第十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日莫爾條紋的特性光柵的節(jié)距比光的波長(zhǎng)大很多.莫爾條紋的寬度B（mm)、光柵的節(jié)距P(mm)和夾角θ(rad)之間的關(guān)系為：當(dāng)兩光柵沿垂直于柵線的方向相對(duì)移動(dòng)時(shí)，莫爾條紋將沿平行于柵線的方向移動(dòng)．光柵每移動(dòng)一個(gè)節(jié)距Ｐ，莫爾條紋移動(dòng)一個(gè)寬度Ｂ．因?yàn)棣群苄?，放大倍?shù)Ｋ很大．例如:θ=20’,K=172斜向條紋第十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀兩塊光柵：一塊為指示光柵與工作臺(tái)固定．一塊為長(zhǎng)光柵．工作臺(tái)前后移動(dòng)的距離由兩塊光柵形成的莫爾條紋進(jìn)行計(jì)數(shù)得到．指示光柵相對(duì)移動(dòng)一個(gè)節(jié)距，莫爾條紋變化一周．指示光柵移動(dòng)的距離為：

Ｎ：指示光柵移動(dòng)距離中包含的光柵線對(duì)數(shù)，δ：小于１個(gè)光柵節(jié)距的小數(shù)．簡(jiǎn)單光柵讀數(shù)頭１：燈，２：聚光鏡，３：指示光柵，４：長(zhǎng)光柵，５：光電探測(cè)器第十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀光電探測(cè)器接收到的明暗變化的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；通過(guò)對(duì)莫爾條紋的直接測(cè)量，可以測(cè)的光柵的位移量；在較寬的莫爾條紋間隔內(nèi)安放細(xì)分裝置進(jìn)行細(xì)分，可讀取位移的分?jǐn)?shù)，提高測(cè)量的靈敏度和精度．光柵輸出信號(hào)波形第十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日莫爾條紋測(cè)長(zhǎng)儀的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化中的核心測(cè)控部件小型智能化的長(zhǎng)度測(cè)試儀器，用于對(duì)長(zhǎng)度、直徑、厚度、表面形狀、粗糙度等多種參數(shù)的測(cè)量。新一代的計(jì)量測(cè)試工具某些幾何量計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)某些物理量的計(jì)量檢測(cè)儀器的核心轉(zhuǎn)換系統(tǒng)納米級(jí)測(cè)量的重要儀器非接觸在線測(cè)量控制儀器第十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀的類(lèi)型脈沖激光測(cè)距儀相位激光測(cè)距儀激光測(cè)距儀的特點(diǎn)測(cè)程遠(yuǎn)、測(cè)量精度高結(jié)構(gòu)小巧、攜帶方便快速、非接觸式距離測(cè)量激光對(duì)點(diǎn)準(zhǔn)確受氣象條件影響較大激光測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防軍事、科學(xué)技術(shù)。第十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日一、脈沖激光測(cè)距儀測(cè)距原理：由激光器對(duì)被測(cè)目標(biāo)發(fā)射一個(gè)光脈沖，然后接受目標(biāo)反射回來(lái)的光脈沖，通過(guò)測(cè)量光脈沖往返所經(jīng)過(guò)的時(shí)間來(lái)計(jì)算出目標(biāo)的距離。測(cè)距儀原理： 由激光發(fā)射系統(tǒng)、接受系統(tǒng)，門(mén)控電路、時(shí)鐘脈沖振蕩器和計(jì)數(shù)器等組成。脈沖激光測(cè)距儀的原理框圖第十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日脈沖激光測(cè)距儀發(fā)射系統(tǒng)接收系統(tǒng)接收光學(xué)系統(tǒng)光電探測(cè)器低噪聲寬帶放大器整形電路門(mén)控電路時(shí)鐘脈沖振蕩器計(jì)數(shù)顯示器激光器：LD，ND：YAG（調(diào)Q/鎖模）電源發(fā)射望遠(yuǎn)系統(tǒng)物鏡小孔光闌干涉濾光片第十七頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日激光器發(fā)射激光脈沖被分為兩部分：參考信號(hào)和回波信號(hào)。回波脈沖經(jīng)光電探測(cè)器變換成電信號(hào)，再經(jīng)放大和整形后，將電子門(mén)打開(kāi)，使通過(guò)電子門(mén)的時(shí)鐘脈沖進(jìn)入計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)；當(dāng)回波脈沖（負(fù)與門(mén)）到來(lái)時(shí)，關(guān)閉電子們。在參考和回波脈沖之間計(jì)數(shù)器所接收到的時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)代表來(lái)被測(cè)距離。時(shí)鐘頻率越高，測(cè)量的分辨率越高。但分辨率最終取決于激光脈沖的上升時(shí)間。脈沖測(cè)距波形第十八頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日二、相位激光測(cè)距儀相位測(cè)距原理：

相位激光測(cè)距是用無(wú)線電波段的頻率，對(duì)激光束進(jìn)行幅度調(diào)制并測(cè)定調(diào)制光往返一次所產(chǎn)生的相位延遲，再根據(jù)調(diào)制光的波長(zhǎng)，換算此相位延遲所代表的距離。第十九頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日

若調(diào)制光角頻率為ω，在待測(cè)量距離D上往返一次產(chǎn)生的相位延遲為φ，則對(duì)應(yīng)時(shí)間t可表示為：

t=φ/ω距離L可表示為式中：

φ——信號(hào)往返測(cè)線一次產(chǎn)生的總的相位延遲。

ω——調(diào)制信號(hào)的角頻率，ω=2πf。第二十頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日N：測(cè)線所包含調(diào)制波長(zhǎng)個(gè)數(shù)。ΔN：測(cè)線所包含不足波長(zhǎng)的小數(shù)部分。

λ：稱(chēng)為測(cè)尺長(zhǎng)，又稱(chēng)“光尺”。相位延遲：被測(cè)距離：距離的測(cè)量變成了測(cè)線所包含波長(zhǎng)個(gè)數(shù)和不足一個(gè)波長(zhǎng)的小數(shù)部分的測(cè)量。第二十一頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日測(cè)量信號(hào)相位的方法都不能確定出相位的整周期數(shù)N，只能測(cè)定不足2π的尾數(shù)N。由于N值不確定，距離L就成為多值解。測(cè)程長(zhǎng)，精度低；反之，精度高，則測(cè)程短解決方法：用兩個(gè)頻率的波（兩個(gè)不同的光尺）進(jìn)行測(cè)量，一個(gè)用來(lái)測(cè)量距離的大數(shù)，另一個(gè)用于精確測(cè)量距離的尾數(shù)。就可以既擴(kuò)大測(cè)程又保證精度。如果需要還可以用更多的頻率測(cè)量。第二十二頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日差頻相位檢測(cè)原理■調(diào)制頻率越高,測(cè)量精度越高.但是,一般相位計(jì)工作在低頻區(qū).■差頻后兩信號(hào)都工作在低頻區(qū),但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差φs.差頻后:第二十三頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日相位激光測(cè)距儀的原理精主振f1(高頻)和粗主振f2(低頻)，由開(kāi)關(guān)控制依次對(duì)發(fā)光管供電進(jìn)行兩次測(cè)相檢相器只能工作于較低頻率，故設(shè)立精本振頻率f1-fc，粗本振頻率f2-fc基準(zhǔn)混頻器對(duì)本振電壓和主振電壓進(jìn)行混頻外差，進(jìn)行外差，輸出低頻fc的基準(zhǔn)電壓信號(hào)混頻器對(duì)本振電壓和輸出信號(hào)進(jìn)行混頻外差，輸出低頻fc的信號(hào)電壓信號(hào)與基準(zhǔn)電壓的有相同的頻率,但相位差仍保持高頻信號(hào)的相位差.由相檢計(jì)檢出相位差.兩次測(cè)相的結(jié)果輸入計(jì)算電路計(jì)算得到測(cè)量結(jié)果。相位激光測(cè)距儀的原理圖第二十四頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日激光多普勒測(cè)速頻率調(diào)制：運(yùn)動(dòng)物體的反射或散射光發(fā)生多普勒頻移而改變光的頻率。光外差檢測(cè)：可見(jiàn)光的頻率很高（１０１４Hz)，一般光電器件不能響應(yīng)，也就無(wú)法直接檢測(cè)多普勒頻移．因此，需要光外差的方法： 同一光源的兩束相干光以一定的條件投射到光電探測(cè)器表面進(jìn)行混頻，就能在輸出的電信號(hào)中得到兩束光的差頻．第二十五頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日激光多普勒測(cè)速的原理激光束經(jīng)分光鏡分成兩束，一束經(jīng)透鏡會(huì)聚測(cè)點(diǎn)，被該處正以速度V運(yùn)動(dòng)的微粒向四面八方散射，散射光發(fā)生了頻移，頻率為（ν＋νＤ）。另一束經(jīng)濾光片衰減后也由透鏡會(huì)聚于測(cè)點(diǎn)，有一部分穿越測(cè)點(diǎn)作為參考光束，頻率為ν。進(jìn)入光闌由透鏡會(huì)聚到光電倍增管的光電陰極上的有兩束頻率相近的光，發(fā)生干涉。參考光模式第二十六頁(yè)，共二十九頁(yè)，2022年，8月28日設(shè)：兩光束的夾角為α，光波波長(zhǎng)為λ，則干涉條紋的間距為：

干涉條紋的空間頻率為：若粒子運(yùn)動(dòng)的速度為ν，運(yùn)動(dòng)的方向與條紋垂線的夾角為β，則粒子散射光的頻