第四章 光電檢測系統(tǒng)

光電傳感與檢測技術

第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)

按光學變換系統(tǒng)將被測量轉換為光信息方式的不同，可將光電檢測系統(tǒng)分為相干檢測系統(tǒng)和非相干檢測系統(tǒng)。第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)

被測量被攜帶于光載波的強度之中或加載于調制光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣的系統(tǒng)稱為非相干檢測系統(tǒng)。

被測信息加載于光載波（只能是相干光源）的振幅、頻率或者相位之中的系統(tǒng)稱為相干檢測系統(tǒng)。非相干檢測系統(tǒng)相干檢測系統(tǒng)第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)主要內容：

一光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述

1光電檢測系統(tǒng)分類2光電變換方法二直接（光強度調制）檢測方法與系統(tǒng)

1直接檢測系統(tǒng)的原理2直接檢測系統(tǒng)的基本特性

3直接檢測系統(tǒng)的距離方程

三隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

1幅值法2頻率法3相位法4時間法四隨空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)五直接光電檢測系統(tǒng)舉例

1莫爾條紋測長儀2激光測距儀

一光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述1光電檢測系統(tǒng)分類

根據系統(tǒng)中光源來源不同,系統(tǒng)可分為主動系統(tǒng)和被動系統(tǒng)。

如果被測信息通過調制光源的電壓或電流，把信息加載到光載波上，而發(fā)射調制光，或者用人工光源照射目標再進行光電變換，然后由光電接收系統(tǒng)接收的系統(tǒng)，稱為主動光電系統(tǒng)。

如果光電系統(tǒng)所接收的信號完全來自于被測對象的自發(fā)輻射,而不用人工光源照明的系統(tǒng)，則稱為被動光學系統(tǒng)。（1）根據光源來源分類

①

主動測量系統(tǒng)(a)被測量調制光載波的主動系統(tǒng)(b)反射式的主動系統(tǒng)

②被動測量系統(tǒng)被動式光電檢測系統(tǒng)（2）根據光源是否相干分類A若光信息為光強，即被測量被攜帶于光載波的強度之中，不論光源是相干光源還是非相干光源，這時光電器件只直接接收光強度變化，最后用解調的方法檢出被測信息，這種方法組成的系統(tǒng)稱為直接光電檢測系統(tǒng)。B若光信息加載于非相干光源的光載波的振幅、頻率或者相位變化之中，這樣所組成的系統(tǒng)則稱為非相干檢測系統(tǒng)。

①非相干檢測系統(tǒng)通常把直接檢測光信息的光強（或叫光功率）以及檢測非相干光調制頻率、振幅、相位的方法統(tǒng)稱為非相干檢測。

②

相干檢測系統(tǒng)

如果光源是相干光源，但用光調制的方法使被測信息加載于調制光的幅度、頻率或相位之中，然后用光電解調的方法從調制光的幅度、頻率或相位之中檢測出被測信息的系統(tǒng)稱為相干檢測系統(tǒng)。（1）光電變換的目的①將待測信息加載到光載波上進而形成光電接收器件易于接收的光電信號。②改善系統(tǒng)的空間或時間分辨率和動態(tài)品質，提高傳輸效率和檢測精度。③改善系統(tǒng)的信噪比，提高工作可靠性。2光電變換方法（2）光電變換的方法變換方法光學原理應用范圍幾何光學法透射、反射、折射、散射、遮光、光學成像等非相干光學現(xiàn)象或方法光開關、光學編碼、光掃描、瞄準定位、光準直、外觀質量檢測、測長、測角、測距等物理光學法干涉、衍射、散斑、全息、波長變換、光學拍頻、偏振等相干光學現(xiàn)象或方法莫爾條紋、干涉計量、全息計量、散斑計量、外差干涉、外差通信、光譜分析、多譜勒測速等光電子學法電光效應、聲光效應、磁光效應、空間光調制、光纖傳光與傳感等光調制、光偏轉、光開關、光通信、光記錄、光存儲、光顯示等第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)主要內容：

一光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述

1光電檢測系統(tǒng)分類2光電變換方法二直接（光強度調制）檢測方法與系統(tǒng)

1直接檢測系統(tǒng)的原理2直接檢測系統(tǒng)的基本特性

3直接檢測系統(tǒng)的距離方程

三隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

1幅值法2頻率法3相位法4時間法四隨空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)五直接光電檢測系統(tǒng)舉例

1莫爾條紋測長儀2激光測距儀

二直接（光強度調制）檢測系統(tǒng)1、直接檢測系統(tǒng)的基本原理

所謂直接檢測是將攜帶有待測量的光信號直接入射到探測器光敏面，光探測器響應于光輻射強度而輸出相應的電流或電壓。

檢測系統(tǒng)可經光學天線或直接由探測器接收光信號，在其前端還可以經過頻率濾波和空間濾波處理。接收到的光信號入射到光探測器的光敏面上。同時，光學天線也接收到背景輻射，并與信號光一起入射到探測器光敏面上。

（1）光探測器的平方律特性入射光波的光電場為：入射光的平均光功率為：光電探測器輸出的電流為：為光電變換比例常數，即光電靈敏度。2、直接檢測系統(tǒng)的基本特性

若光探測器的負載電阻為，則光探測器輸出的電功率為：光電探測器的平方律特性包含有兩層含意：其一是光電流正比于光場振幅的平方；其二是輸出電功率正比于入射光功率的平方。

如果入射光信號為強度調制光，調制信號為d(t)，即調制的入射光信號的強度為P[1+d(t)]，那么光電探測器輸出的光電流為：式中，第一項為直流電平，可以用隔直電容隔掉；第二項為所需要的信號，即光載波的包絡檢測。(2)直接檢測系統(tǒng)的信噪比—衡量模擬系統(tǒng)好壞及靈敏度光檢測器輸出的總功率包括信號電功率和噪聲功率，可表示為：考慮到信號和噪聲的獨立性，有：由信噪比定義，輸出功率信噪比為：說明輸出信噪比是輸入信噪比的平方，可見，直接檢測系統(tǒng)不適用于輸入信噪比小于1或微弱光信號的檢測。輸出信噪比是輸入信噪比的一半。即經過光電轉換，信噪比損失了3dB。實際應用中可以接受?？梢?，直接檢測方法不能改善輸入信噪比，適宜不是很微弱的光信號檢測。但這種方法簡單，易于實現(xiàn)，可靠性高，成本低，得到廣泛應用。①

若，則有：5-10②

若，則有：在數字式光電檢測系統(tǒng)中，噪聲對系統(tǒng)的影響常使用“誤碼率”來衡量。誤碼率仍然與信噪比有關，信噪比高，誤碼率低，由噪聲的概率分布規(guī)律來衡量。直接檢測系統(tǒng)的檢測極限及趨近方法考慮直接檢測系統(tǒng)中存在的所有噪聲，則輸出噪聲總功率為：分別為信號光、背景光和暗電流引起的散粒噪聲。為負載電阻和放大器的熱噪聲之和。輸出信噪比為：①當熱噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受熱噪聲限制，信噪比為：②當散粒噪聲遠大于熱噪聲時，直接檢測系統(tǒng)受散粒噪聲限制，信噪比為：③當背景噪聲是直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受背景噪聲限制，信噪比為：假定光波長λ=0.7μm，檢測器的量子效率η=1，測量帶寬Δf=1，由上式得到系統(tǒng)在量子極限下的最小可檢測功率為④當入射信號光波所引起的噪聲為直接檢測系統(tǒng)的主要噪聲源時，直接檢測系統(tǒng)受信號噪聲限制，這時信噪比為：該式為直流檢測系統(tǒng)在理論上的極限信噪比，稱為直接檢測系統(tǒng)的量子極限，又稱量子限靈敏度。若用等效噪聲功率NEP值表示，在量子極限下，直接檢測系統(tǒng)理論上可測量的最小功率為：

1在實際直接檢測系統(tǒng)中，很難達到量子極限檢測。實際系統(tǒng)總會有背景噪聲、檢測器和放大器的熱噪聲。2背景限信噪比可以在激光檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)，是因為激光光譜窄，加濾光片很容易消除背景光，實現(xiàn)背景限信噪比。3系統(tǒng)趨近于量子極限意味著信噪比的改善，可行方法是在光電檢測過程中利用光檢測器的內增益獲得光電倍增，如光電倍增管。當倍增很大時，熱噪聲可忽略，同時加致冷、屏蔽等措施減小暗電流及背景噪聲，光電倍增管可達到散粒噪聲限。在特殊條件下可趨近于量子限。但倍增管也會帶入噪聲，增益過程中使噪聲增加。4在直接檢測中，光電倍增管、雪崩管的檢測能力較高，采用有內部高增益的檢測器可使直接檢測系統(tǒng)趨近于檢測極限。對于光電導器件，主要噪聲為產生復合噪聲（極限散粒噪聲），光電導器件極限信噪比低，NEP較大。說明：直接檢測系統(tǒng)視場角檢測器物鏡視場角表示檢測系統(tǒng)能檢測到的空間范圍，是檢測系統(tǒng)的性能指標之一。對于檢測系統(tǒng)，被測物看作是在無窮遠處，且物方與像方介質相同。當檢測器位于焦平面上時，其半視場角為：或視場角立體角Ω為：從觀察角度講，希望視場角愈大愈好，即增大檢測器面積或減小光學系統(tǒng)的焦距，但對檢測器會帶來不利影響：①增加檢測器面積意味著增大系統(tǒng)噪聲。因為對大多數檢測器，噪聲功率和面積的平方根成正比。②減小焦距使系統(tǒng)的相對孔徑加大，引入系統(tǒng)背景輻射噪聲，使系統(tǒng)靈敏方式下降。結論：因此在系統(tǒng)設計時，在檢測到信號的基礎上盡可能減小系統(tǒng)視場角。(3)直接檢測系統(tǒng)的視場角(4)系統(tǒng)的通頻帶寬度頻帶寬度Δf是光電檢測系統(tǒng)的重要指標之一。檢測系統(tǒng)要求Δf應保存原有信號的調制信息，并使系統(tǒng)達到最大輸出功率信噪比。系統(tǒng)按傳遞信號能力，可有以下幾種方法確定系統(tǒng)頻帶寬度。等效矩形帶寬：頻譜曲線下降3dB的帶寬包含90%能量的帶寬頻帶寬度Δf越寬，通過的信號能量越大，但系統(tǒng)的噪聲功率也增大，為保證系統(tǒng)有足夠的信噪比，Δf取值不能太寬，如果要求復現(xiàn)信號的波形，則必須加寬頻帶寬度。當輸入信號為矩形波時，通過對不同帶通濾波器的波形的分析，可知，要使系統(tǒng)可以復現(xiàn)輸入信號波形，要求系統(tǒng)帶寬Δf：小結：（1）當輸入信號為調幅波時，一般情況下取頻帶寬度為其包絡（邊頻）頻率的2倍。（2）如果是調頻波，則要求濾波器加寬頻帶寬度，保證有足夠的邊頻分量通過系統(tǒng)。

3直接檢測系統(tǒng)的距離方程光電檢測系統(tǒng)的靈敏度在不同的用途時，靈敏度的表達形式不同，在對地測距、搜索和跟蹤等系統(tǒng)中，通常用“檢測距離”來評價系統(tǒng)的靈敏度。對于其他系統(tǒng)的靈敏度亦可用距離方程推演出來。直接檢測系統(tǒng)分為被動檢測和主動檢測系統(tǒng)，其距離方程不同。下面分別進行推導。強度調制器光學天線光學通道接收天線及光電檢測器光電信號處理器光源信號發(fā)射機背景噪聲場接收機電路噪聲回收的信息

(1)被動檢測系統(tǒng)的距離方程被動檢測過程示意圖大氣傳播接收光學系統(tǒng)信號處理接收機接收信息光電檢測被測目標

(1)被動檢測系統(tǒng)的距離方程設被測目標的光譜輻射強度為經大氣傳播后到達接收光學系統(tǒng)表面的光譜輻射照度為：入射到檢測器上的光譜功率為：根據目標輻射強度最大的波段范圍及所選取檢測器光譜響應范圍共同決定選取的λ1―λ2的輻射波段，可得到檢測器的輸出信號電壓為：(1)

①取τ1λ為被測距離L在光譜響應范圍內的平均透過率τ1。②光學系統(tǒng)的透過率τ0λ對光譜響應范圍內平均值。③把檢測器的光譜響應帶看成是一個矩形帶寬。即在響應范圍內λ1<λ<λ2為常數RV，在其它區(qū)域為零。④根據物體的溫度T查表，可計算出在考查波段范圍內的黑體輻射強度，

再乘以物體的平均比輻射率，可得到物體在光譜響應范圍內的輻射強度Ie。令檢測器的方均根噪聲電壓為Vn，則它的輸出信噪比為：將上述值代入VS/Vn表達式，可得：ò=210120lllllllttdRILAVVes都是波長的復雜函數，難有確切的解析表達式。通常作如下簡化處理：(2)(3)即：(4)又因為：(5)將上式代入(4)，可得：(6)式中Ad為檢測器面積；Δf為系統(tǒng)的帶寬；D*為檢測器的歸一化檢測度；AoIe=P0是入射到接收光學系統(tǒng)的平均功率?？紤]到系統(tǒng)的調制特性，入射到探測器上的有效功率為：S(ω)為調制信號的功率譜

為清楚地看出系統(tǒng)各部件對檢測距離的影響，把調制特性考慮為對入射功率的利用系數km，則上式改寫為：(7)第一個括號是目標輻射特性及大氣透過率對檢測距離的影響；第二個括號和第三個括號表示光學系統(tǒng)及檢測器件特性對作用距離的影響；第四個括號是信息處理系統(tǒng)對作用距離的影響。接收光學系統(tǒng)信號處理接收機回收信息光電檢測強度調制器發(fā)射光學系統(tǒng)光源信號發(fā)射機反射目標主動檢測過程示意圖(2)主動檢測距離方程大氣傳播激光在大氣中傳播時，能量若為按指數規(guī)律衰減，令衰減系數為k(λ)，經傳播距離L后光斑面積為SL=ΩL2，光斑SL的輻射照度Ee為：設在距光源L處有一目標，其反射面積為Sa。普通情況下把反射體看作是朗伯反射，即在半球內均勻反射，其反射系數為r。在此條件下，單位立體角的反射光輻射強度Ie(λ)為：主動檢測系統(tǒng)的光源主要為激光光源。令其發(fā)射功率為Ps(λ)；發(fā)射束發(fā)散立體角為Ω；發(fā)射光學系統(tǒng)透過率為τ01(λ)，經調制的光能利用率為km，則發(fā)射機發(fā)射的功率PT(λ)為：假定接收機和發(fā)射機在一處，反射光經大氣傳輸到接收器的過程仍遵守指數規(guī)律衰減，衰減系數仍為k(λ)，則接收功率為：式中，D0為光學系統(tǒng)接收口徑；Ω’=πD02/4L2為接收系統(tǒng)的立體角。如果接收光學系統(tǒng)的透過率為τ02(λ)，則檢測器上接收到的總功率為：式中:檢測器上的輸出電壓為：也用于工業(yè)自動控制、自動報警及一些引爆、燃燒等封閉室內的室外點火控制式中：RV(λ)為檢測器相對光譜響應度，將(5)式代入上式得距離L為：如果目標反射面積Sa等于光斑照射面積ΩL2，則上式可化為：可知，影響檢測距離的因素很多，發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)的大氣特性以及目標反射特性都將影響檢測距離。在前面計算距離時，在被動檢測系統(tǒng)中，由于光譜范圍寬，大氣衰減作用以透過率表示，而在主動檢測系統(tǒng)中，絕大多數系統(tǒng)是以激光做光源，激光光譜較窄，用衰減系數表示，其物理意義是等價的。

4、直接檢測系統(tǒng)應用舉例（1）光電開關與光電轉速計

①

透射分離型主動開關也用于工業(yè)自動控制、自動報警及一些引爆、燃燒等封閉室內的室外點火控制

②

反射型主動開關

汽油液面探測

③

光電耦合可實現(xiàn)用低壓電路控制高壓電路

④

編碼計數型主動開關可用于工業(yè)自動線上產品計數或醫(yī)用液粒計數

⑤

光電轉速計轉速n（單位r/min）與光電探測器的輸出脈沖頻率之間的關系為：n=60f/m,m為孔數或齒數。（2）激光準直儀利用四個象限的光強是否相等來進行準直

利用激光的相干性，采用方形菲涅爾波帶片來提高激光準直儀的對準精度，如下圖，這就是所謂的衍射準直儀。第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)主要內容：

一光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述

1光電檢測系統(tǒng)分類2光電變換方法二直接（光強度調制）檢測方法與系統(tǒng)

1直接檢測系統(tǒng)的原理2直接檢測系統(tǒng)的基本特性

3直接檢測系統(tǒng)的距離方程

三隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

1幅值法2頻率法3相位法4時間法四隨空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)五直接光電檢測系統(tǒng)舉例

1莫爾條紋測長儀2激光測距儀

非相干光電信號按其時空特點分為隨時間變化的光電信號和隨空間變化的光電信號。前者的特征是信號隨時間緩慢變化或周期性以及瞬時變化，發(fā)生于有限空間內，與時間有關而與空間無關，信號可表示為F(t)。隨空間變化的光電信號發(fā)生在一定空間之內，光電信號隨空間位置而改變，表示為F(x，y，z)，有的還同時隨時間改變，表示為F(x，y，z，t)。非相干光電信號的變換與檢測方法如下圖所示。三隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

非相干光電信號的變換與檢測方法1幅值法

這種變換的特點是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法，將被測信號直接加載到光通量的變化之中，再用光電器件檢測光通量的幅值變化。它廣泛用于光開關與光電轉速計、激光測距、準直、輻射測溫、測表面粗糙度、測氣體或液體濃度、測透過率、反射率等。（1）直讀法

在采用直讀法的光電檢測系統(tǒng)中，光源發(fā)出的光經待測量調制后直接由光電探測器接收。根據光電探測器輸出信號的大小來反映出待測量的變化。

IP為由信號光產生的光電流，I0為光電探測器的暗電流，IL/為由背景光產生的光電流，Φ0為光源輻射功率，f(Q)為待測量變化對光源功率的調制函數，Q為待測量，S為光電探測器的積分靈敏度，A為放大電路的增益，U0/為放大電路的零漂。

可見，采用直讀法時，其輸出不僅與待測量有關，而且與其它諸多因素有關，即影響直讀法系統(tǒng)精度的因素是很多的，當諸如環(huán)境因素、背景光、電路參數等因素變化時，都將引起光源功率、暗電流、光電探測器增益、放大電路增益等參數的變化，從而給測量帶來誤差。因此，簡單采用直讀法的光電檢測系統(tǒng)通常只能用于開關控制或粗略的定量計算。輸出U0與光源出射的光通量Φ0有關，Φ0不穩(wěn)定將直接帶來測量誤差，因此，直讀法雖然簡單，但精度不高。若要用此法進行精密定量檢測，則必須對上述誤差進行消除或補償。常見的解決方案：ⅰ對光源進行穩(wěn)定化處理，ⅱ采用鎖相放大器對背景光、暗電流及放大電路零漂等因素消除。

指零法是利用標定好的讀數裝置來補償光通量的不穩(wěn)定影響，使測量系統(tǒng)在輸出光通量為零的狀態(tài)下讀數。下面以測量磁光物質在磁場下的偏振角為例來進行說明。下圖所示是測量磁光物質在磁場下的偏振角的原理圖。（2）指零法被測物質（3）差動法

在直讀法和指零法的光電檢測系統(tǒng)中，光路只有一個通道。為了減小單通道法入射光通量波動對測量的影響，可以采用雙通道差動法和雙通道差動補償法。

差動檢測系統(tǒng)基本結構1

在差動法的光電檢測系統(tǒng)中，需要將光源發(fā)出的光分為兩路，一路經待測量調制后到達光電探測器，稱為信號光路；另一路不受待測量變化的影響，稱為參考光路。將這兩路光檢測出來后取出它們的差值作為輸出，用來顯示或控制。為了更好的消除光源波動的影響，上圖兩路輸出可以不采用差動的方法，而是取比值作為輸出，這樣可以完全補償光源波動的影響。設到達兩個光電二極管的信號光通量和參考光通量分別為Φ1和Φ2，若Φ2/Φ1=n，由光源波動引起的變化量為ΔΦ1和ΔΦ2，則ΔΦ2/ΔΦ1=n，光源波動后兩通道的光通量記為Φ1／和Φ２／，則它們的比值為：

可見，盡管光源的光通量發(fā)生了波動，但兩通道的光通量之比保持不變，由于Φ2是固定的，故系統(tǒng)輸出只與待測量有關，而不受光源光通量的影響。注意：以上分析建立在兩個通道的光電探測器性能完全一致，即靈敏度、暗電流及溫度系數等都完全一致，但實際中很難做到，因此可采用一個光電探測器實現(xiàn)差動檢測。差動檢測系統(tǒng)結構2

注意：以上分析建立在兩個通道的光電探測器性能完全一致，即靈敏度、暗電流及溫度系數等都完全一致，但實際中很難做到，因此可采用一個光電探測器實現(xiàn)差動檢測。光源發(fā)出的光由一個旋轉的調制圓盤分解成兩束相位差為π的脈沖調制光，經過信號光路和參考光路后交替照射到光電二極管上。

差動檢測系統(tǒng)測位移的結構3差動系統(tǒng)還可以采用如下結構，使得當待測信號為某一值時，兩路光信號光通量相等，即Φ１＝Φ２＝Φ。當待測信號變化時，引起其中一路光信號的光通量增加，而另一路光的光通量減小，即用探測器分別將Φ１、Φ２檢測出以后進行如下處理：由于ΔΦ為待測量的函數，故輸出反映了待測量的變化。而當光源光通量變化時，引起Φ和ΔΦ同時以相同的比例變化，因此對它們的比值將不起作用。例：溶液濃度的測量光源1發(fā)出的光經單色器2后成為單色光，該單色光的波長應選為待測溶液的峰值吸收波長。將該光線用分束器BS分成兩束，分別通過待測溶液S2和參比溶液S1，并用兩個性能一致的光電探測器接收。由于參比溶液對工作波長的光不產生吸收，而待測溶液對該波長的光有較強的吸收，因此，探測器PD1接收到的光強度I1即為入射光強度I0，而探測器PD2接收到的光強度I2取決于待測溶液的濃度。系統(tǒng)輸出電壓為：

式中，C0為比例常數;IΦ1為PD1上產生的光電流;IΦ２為PD2上產生的光電流；K1、K2為PD1和PD2的靈敏度，、為到達PD1和PD2上的光通量。若PD1和PD2性能一致，則K1＝K2，故上式可變?yōu)椋?/p>

由于在忽略反射和散射的情況下，I1=I0,故

結論：最后輸出電壓即為溶液的吸光度值，亦即反映了溶液的濃度。(4)補償法

差動系統(tǒng)能夠消除背景光、暗電流、前置放大器零漂等因素的影響，但對光源光通量不穩(wěn)定、探測器老化等因素不能完全補償，只有當Φ2/Φ1=n＝１時，才能完全消除這些因素的影響。因此，若能在檢測過程中始終保持Φ2＝Φ1，則能起到完全補償的作用，補償法即源于此思想。它的工作原理及過程為：光源發(fā)出的光經過干涉濾光片后成為單色光，由分光器分成兩路，分別通過4和5達到光電探測器PD1和PD2。

A、檢測前，先在待測試樣及參考試樣比色皿中均放入參考溶液（如蒸餾水），將參考通道中的光闌打到透光量最大，調節(jié)信號通道中的光闌，使電路的輸出為零，即使到達PD1和PD2的信號光及參考光強度相等。

B、測量開始時，在信號通道中放入待測溶液試樣，由于待測溶液對工作波長的光要產生吸收，因此，到達PD1的信號光強度將減小，差動輸出將不為零，調節(jié)參考通道中的光闌，使參考光強亦減小，直到與信號光強相等，即輸出重新為零為止。此時，根據連接在參考通道中光闌上的刻度盤的讀數，即可讀出待測溶液的濃度值。(5)開關法

前面介紹的幾種檢測方法都是基于由待測量對光源光通量進行調制，然后用光電探測器檢測出調制光的光通量的大小，屬于模擬變換。而開光式光電檢測系統(tǒng)是通過檢測光的有無來檢測出待測量，屬于數字變換，它是最簡單的光強度調制檢測系統(tǒng)。開關法最典型的光電檢測系統(tǒng)的例子是光電轉速計。轉速n（單位r/min）與光電探測器的輸出脈沖頻率之間的關系為：n=60f/m,m為孔數或齒數。

頻率法應用于被測信息呈周期性變化的情況，這時被測信息載荷于光通量的變化次數或頻率的變化快慢之中，通過測量光通量的波數和頻率的方法測出被測值。使光通量的波數和頻率隨被測信息變化的方法有許多種，如用幾何光學的透光和反光的方法，使光通過旋轉的多孔圓盤或反光的多面體，用光柵的莫爾條紋技術或光干涉的干涉條紋技術等。2頻率法

頻率法與前面介紹的幅值測量法相比具有更高的測量精度，這是因為頻率的穩(wěn)定度高于幅值的穩(wěn)定度，大約高出兩個數量級以上。另外，頻率測量是數字式的，易于與計算機連接，使用方便。

頻率法分為：（１）波數測量法（２）頻率測量法（１）波數測量法

波數測量法通常用測量光通量隨被測信息變化的周期數來檢測被測值，如光柵莫爾條紋測量技術。下圖所示是用光柵測量位移的例子。

光柵莫爾條紋測量原理圖

莫爾條紋變化一周，光通量變化為當光柵位移為b時，引起光通量變化一周，當光通量變化周期數（波數）為Ｎ時，位移Ｘ＝Ｎb，該光通量變化被光電器件轉換為電信號，再經過放大、整形、判向和細分獲得電脈沖，由計數器記錄下來。（2）頻率測量法

在前述例子中，若要測量光柵尺的運動速度，只需要將光柵尺的位移對時間微分，即：式中，dN/dt為波數的時間變化率即頻率；而dx/dt為速度，即運動速度與光通量變化頻率成正比。這種通過測量光通量變化的頻率來測量被測參數的方法稱作頻率測量法。波數測量法與頻率測量法對光通量的幅度變化不敏感，因而對光源系統(tǒng)的穩(wěn)定性要求比幅值法低。3相位法

圖激光相位測距儀原理圖設正弦調制光波往返后相位延遲φ，又令激光調制頻率為ω，則光波在被測距離上往返一次所需時間φ=ωt.若被測距離為Ｄ，從發(fā)射到接收到返回光的時間為t，光的傳播速度為c，則t=2D/c,由上兩式計算出待測距離為:其中，n為空氣折射率，如果光載波的光通量被調制成隨時間呈周期性變化，而被測信息加載于光通量的相位之中，檢測到這個相位值即能確定被測值，這種方法稱為光通量的相位測量法。典型的光通量相位測量實例是相位激光測距儀，如圖所示。

對上式進行微分，得到最小可測量距離表明：測距儀可測的最小距離與相位測量分辨率成正比，與光源激勵頻率成反比。４時間法

若光源發(fā)出的光通量是脈沖式輻射，這時可用單個脈沖的時間延遲來測距離，稱為時間法。脈沖式激光測距儀和激光雷達都是時間法測距的典型應用。下面兩圖是脈沖激光測距儀的原理方框圖和各級波形圖。在參考脈沖及回波脈沖之間，計數器接收到的時鐘脈沖個數代表了被測距離。假設計數器在參考脈沖和回波脈沖之間接收到了n個時鐘控制脈沖，時鐘脈沖的重復周期為τ，則被測距離為其中，i是測距的脈沖當量，即單位脈沖對應的被測距離。四空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

第四章非相干檢測方法與系統(tǒng)主要內容：

一光電信號變換及光電檢測系統(tǒng)分類概述

1光電檢測系統(tǒng)分類2光電變換方法二直接（光強度調制）檢測方法與系統(tǒng)

1直接檢測系統(tǒng)的原理2直接檢測系統(tǒng)的基本特性

3直接檢測系統(tǒng)的距離方程

三隨時間變化的光電信號檢測方法與系統(tǒng)

1幅值法2頻率法3相位法4時間法四空間分布的光電信號檢測方法與系統(tǒng)(不講)五光電直接檢測系統(tǒng)舉例

1莫爾條紋測長儀2激光測距儀

莫爾條紋的種類：

長光柵的莫爾條紋

圓光柵的莫爾條紋

五光電直接檢測系統(tǒng)舉例

計量光柵的基本元件是主光柵和指示光柵。它們是在一塊長條形光學玻璃上，均勻刻上許多明暗相間、寬度相等的刻線，如圖所示。常用的光柵每毫米有10、25、50、100和250條線。若劃線寬度為a,縫隙寬度為b，則光柵節(jié)距或柵距W為W＝a+b。通常取a=b＝W/2。光柵與莫爾條紋示意圖主光柵指示光柵指示光柵移動方向莫爾條紋

若將兩塊光柵(主光柵、指示光柵)疊合在一起，并且使它們的刻線之間成一個很小的角度θ，如右圖所示。由于遮光效應，兩塊光柵的刻線相交處形成亮帶，而在一塊光柵的刻線與另一塊光柵的縫隙相交處形成暗帶，在與光柵刻線垂直的方向，將出現(xiàn)明暗相間的條紋，這些條紋就稱為莫爾條紋。

如果改變θ角，兩條莫爾條紋間的距離B也隨之變化。由下圖可知，條紋間距B與柵距W和夾角θ有如下關系：

當指示光柵沿著主光柵刻線的垂直方向移動時，莫爾條紋將會沿著這兩個光柵刻線夾角的平分線的平行方向移動，光柵每移動一個W，莫爾條紋也移動一個間距B。

θ越小，B越大，θ當小于1°以后，可使B>>W，即莫爾現(xiàn)象具有使柵距放大的作用。因此，讀出莫爾條紋的數目比讀光柵刻線的數目要方便得多。通過光柵柵距的位移和莫爾條紋位移的對應關系，就可以容易地測量莫爾條紋移動數，獲取小于光柵柵距的微小位移量。莫爾條紋光學放大作用舉例

有一直線光柵，每毫米刻線數為50，主光柵與指示光柵的夾角=1.8，則：分辨力=柵距W=1mm/50=0.02mm=20m

（由于柵距很小，因此無法觀察光強的變化）莫爾條紋的寬度是柵距的32倍：

L≈W/θ=0.02mm/（1.8*3.14/180

）

=0.02mm/0.0314=0.637mm

由于較大，因此可以用小面積的光電池“觀察”莫爾條紋光強的變化。A長光柵莫爾條紋條紋寬度：

W-柵距，a-線寬，b-縫寬W=a+b

，a=b=W/2

特例：當=0,w1=w2

→B=→光閘莫爾條紋當=0,w1≠w2

→縱向莫爾條紋均勻刻線主光柵指示光柵夾角明暗相間條紋莫爾條紋移動長光柵莫爾條紋播放動畫長光柵光閘莫爾條紋播放動畫莫爾條紋特性：方向性：垂直于角平分線，當夾角很小時→與光柵移動方向垂直同步性：光柵移動一個柵距→莫爾條紋移動一個間距一方向對應放大性：夾角θ很小→B>>W→光學放大→提高靈敏度可調性：夾角θ↓→條紋間距B↑→靈活準確性：大量刻線→誤差平均效應→克服個別/局部誤差→提高精度B圓光柵莫爾條紋光柵---徑向光柵、切向光柵、環(huán)形光柵徑向圓光柵切向圓光柵①徑向光柵的圓弧形莫爾條紋兩塊徑向光柵

---柵距角相同/不大偏心量光柵不同區(qū)域，柵線交角不同---

圓弧形莫爾條紋（不同曲率半徑）條紋寬度---隨位置變化偏心垂直位置上---條紋近似垂直于柵線偏心方向上---條紋近似平行于柵線---橫向莫爾條紋---縱向莫爾條紋其他位置---斜向莫爾條紋實際應用特例---光閘莫爾條紋（同心、柵距角相同）主光柵（一個柵距角）---透光量（一個周期）莫爾條紋---圓弧形、環(huán)形、輻射形②切向光柵的環(huán)形莫爾條紋兩塊切向光柵

---柵距角相同/切線圓半徑不同/同心疊合環(huán)形莫爾條紋---以光柵中心為圓心的同心圓簇條紋寬度---隨條紋位置變化應用：高精度角度測量和分度---全光柵平均效應優(yōu)點：③環(huán)形光柵的輻射形莫爾條紋兩塊環(huán)形光柵（相同）---柵線相對/不大的偏心量輻射形莫爾條紋---條紋近似直線/呈輻射狀特點：條紋數目/位置---偏心量大小/

圓心連線方向光柵旋轉---條紋數目/位置（不變）偏心量（一個柵距）---莫爾條紋數目增加一條（一個象限內）應用：主軸偏移、晃動播放中……圓弧莫爾條紋播放動畫光閘莫爾條紋播放動畫環(huán)形莫爾條紋播放動畫播放中……單擊準備演示輻射形莫爾條紋播放動畫五光電直接檢測系統(tǒng)舉例

計量光柵可分為透射式光柵和反射式光柵兩大類，均由光源、光柵副、光敏元件三大部分組成。光敏元件可以是光敏二極管，也可以是光電池。透射式光柵一般是用光學玻璃或不銹鋼做基體，在其上均勻地刻劃出間距、寬度相等的條紋，形成連續(xù)的透光區(qū)和不透光區(qū)。1莫爾條紋測長儀在檢測技術中常用的是計量光柵。計量光柵主要是利用光的透射和反射現(xiàn)象，常用于位移測量，有很高的分辨力，可優(yōu)于0.1m。黑白光柵

莫爾條紋光柵原理

構成：主光柵---標尺光柵，定光柵；指示光柵---動光柵

計量光柵由標尺光柵（主光柵）和指示光柵組成，標尺光柵和指示光柵的刻線寬度和間距完全一樣。將指示光柵與標尺光柵疊合在一起，兩者之間保持很小的間隙（0.05mm或0.1mm）。在長光柵中標尺光柵固定不動，而指示光柵安裝在運動部件上，所以兩者之間可以形成相對運動。

在透射式直線光柵中，把主光柵與指示光柵的刻線面相對疊和在一起，中間留有很小的間隙，并使兩者的柵線保持很小的夾角θ，光柵節(jié)距為P。在兩光柵的刻線重合處，光從縫隙透過，形成亮帶；在兩光柵刻線的錯開處，由于相互擋光作用而形成暗帶。莫爾條紋是周期性函數。計量光柵

這種亮帶和暗帶形成明暗相間的條紋稱為莫爾條紋，條紋方向與刻線方向近似垂直。通常在光柵的適當位置安裝光敏元件，即可檢測到亮暗變化。

當指示光柵沿x軸（例如水平方向）自左向右移動時，莫爾條紋的亮帶和暗帶將順序自下而上不斷地掠過光敏元件（在演示中就是我們的眼睛）。光敏元件“觀察”到莫爾條紋的光強變化近似于正弦波變化。光柵移動一個柵距P，光強變化一個周期。由于光柵的刻線非常細微，很難分辨到底移動了多少個柵距，而利用莫爾條紋具有放大作用，當光柵移動了一個節(jié)距時P，莫爾條紋移動了一個寬度B。且滿足關系式：

莫爾條紋有如下特征：

1）平均效應：莫爾條紋是由光柵的大量刻線共同形成的，對光柵的刻劃誤差有平均作用，從而能在很大程度上消除光柵刻線不均勻引起的誤差。

2）對應關系：當指示光柵沿與柵線垂直的方向作相對移動時，莫爾條紋則沿光柵刻線方向移動（兩者的運動方向相互垂直）；指示光柵反向移動，莫爾條紋亦反向移動。在圖中，當指示光柵向右移動時，莫爾條紋向上運動。

3）放大作用：莫爾條紋的間距是放大了的光柵柵距，它隨著指示光柵與主光柵刻線夾角θ而改變。θ越小，B越大，相當于把微小的柵距P擴大了1/sinθ

倍。由此可見，計量光柵起到光學放大器的作用。

例，對25線/mm的長光柵而言，P＝0.04mm，若θ=0.016rad，則B=2.5mm.，光敏元件可以分辨2.5mm的間隔，但無法分辨0.04mm的間隔。

計量光柵的光學放大作用與安裝角度有關，而與兩光柵的安裝間隙無關。莫爾條紋的寬度必須大于光敏元件的尺寸，否則光敏元件無法分辨光強的變化。

4）莫爾條紋移過的條紋數與光柵移過的刻線數相等。例如，采用100線/mm光柵時，若光柵移動了xmm（也就是移過了100×x條光柵刻線），則從光電元件面前掠過的莫爾條紋也是100×x條。由于莫爾條紋比柵距寬得多，所以能夠被光敏元件所識別。將此莫爾條紋產生的電脈沖信號計數，就可知道移動的實際距離了。

光電傳感器輸出信號波形當光柵相對位移一個柵距時，莫爾條紋移動一個條紋寬度，相應照射在光電池上的光強度發(fā)生一個周期的變化，使輸出電信號周期變化，其輸出波形如圖：

由此可知，只要計算輸出電壓的周期數，便可測出位移量。從而實現(xiàn)了位移量向電量的轉換。在一個周期內，輸出波形的變化是位移在一個柵距內變化的余弦函數，每一周期對應一個柵距。但是如果只用一個光電元件，其輸出信號還存在兩個問題：①辨向問題：用一個光電元件無法辨別運動方向；②精度低；分辨力只有一個柵距P。

辨向原理：

用兩個光電元件相距B/4安裝（相當于相差90°空間角，B:2π=B/4:π/2），如圖所示，可以解決辨向問題。當條紋上移時，V2落后于V190°。當條紋下移時，V2超前于V190°。因此，由V1、V2之間的相位關系可以判別運動方向。

細分技術（解決精度問題）

當使用一個光電池通過判斷信號周期的方法來進行位移測量時，最小分辨力為1個柵距。為了提高測量的精度，提高分辨力，可使柵距減小，即增加刻線密度。另一種方法是在雙光電元件的基礎上，經過信號調節(jié)環(huán)節(jié)對信號進行細分，其電路框圖如圖所示。

莫爾條紋的應用莫爾條紋測長儀分長光柵和圓光柵兩種，光刻密度相同，通常為25，50，100，250條/mm。被廣泛地應用于：光柵數顯表光柵傳感器在位置控制中的應用軸環(huán)式數顯表機械測長和數控機床中。

代表性產品：

德國Heidenhain（海德漢）：封閉式：量程3000mm，分辨力0.1m開放式：量程1440mm，分辨力0.01m開放式：量程270mm

分辨力1nm英國Renishaw（雷尼紹）：

量程：任意分辨力：0.1m0.01m中國長春光機所：

量程：1000mm分辨力：0.01m

2激光測距儀(1)脈沖激光測距儀脈沖激光測距利用了激光的發(fā)散角小，能量空間相對集中的優(yōu)點。同時還利用了