第9章-光电检测技术的典型应用

第九章光电检测技术的典型应用光电技术集中了光学、电子学和计算机技术，广泛应用于工农业和家庭生活等各领域。一般都要涉及光辐射信息转换为电信息的问题，使光电检测技术成为光电技术的核心与重要组成部分。9.1微弱光信号检测技术9.2光电开关与光电断续器9.3条形码技术9.4光电测绘技术9.5其它应用9.1微弱光信号检测技术光电检测中常遇到待测信号被噪声淹没的情况。从噪声中提取、恢复和增强信号成为这类检测系统的关键。因噪声通常随机发生，分布的频谱范围很宽，而信号所占频带较集中，一般与噪声不重叠也不同步。因此，降低噪声、改善信噪比的基本方法可以采用压缩检测通带宽的方法。常用弱光信号检测技术：锁相放大器、取样积分器和光子计算器。一.锁相放大器它是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比，并且具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。•1962年第一台仪器问世。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。•信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。输出信号DC选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道：对混有噪声的初始信号进行选频放大、对噪声作初步窄带滤波相敏检波：所用参考信号是方波形式。参考和输入信号先混频得到和频和差频，又经低通滤波器，得到幅值与输入信号成比例的直流输出分量。前放混频乘法器低通滤波器锁相放大器的组成方框图参考通道：通过锁相、移相提供一个与被测信号同频、同相的参考电压1.构成2.锁相放大器的原理锁相放大器（Lock-in-Amplifier）实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其它频率成份将不能对输出电压构成任何贡献。适用范围：锁相放大器被用来侦测和量测非常小的交流信号直至数个nV。甚至当信号被比它大数千倍噪声掩盖时，也可以做正确的量测。主要优点:“窄的频宽”能将电路特定的频率与相位抓出，并滤除噪声，可准确测量信号。（Lock-in-Amplifier因有相位识别功能，能将电路中特定频率、相位锁住，过滤其它噪声量测出正确的信号。）3.锁相放大技术的四个基本环节：•通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；•在调制频率上对有用信号进行选频放大；•在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；•通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。4.特点：•要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；•极窄带、高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；•交流－直流信号变换器；•可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。二.取样积分器（Boxcar平均器）取样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的测量装置。根据被测信号的形式可分为定点和扫描测量方式。A1A2门脉冲门延时整形器扫描发生器输入放大器取样开关积分器输出放大器输出信号参考输入固定触发输入信号1.运行步骤：·利用检测光脉冲的激励源取得与输入光脉冲同步的触发信号；·利用门延时和门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；·取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；·积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。2.特点：•适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；•是一个取样放大器，在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；•在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以对信号有恢复和提取作用；•在测量占空比小于50％的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；•用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；•双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。三.光子计数系统一种利用光电倍增管检测光子能量的功能，通过光电子计数方法测量极微弱光脉冲信号的装置。1.类型：»基本的光子计数系统(主要介绍)»源补偿的光子计数系统»背景补偿的光子计数系统PMT比例计计数器数模转换器放大器光子参考电压光子脉冲噪声计数脉冲鉴别器模拟输出数字输出模拟输出基本的光子计数系统入射到光电倍增管阴极上的光子引起输入信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字和模拟形式输出。2.基本过程：•用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；•利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；•利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；•为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。3.特点：•只适于极弱光测量，不能测量包含许多光子的短脉冲强度；•良好的信噪比；•必需选择带有制冷器的光电倍增管；•不用数模转换即可提供数字输出。9.2光电开关及光电断续器从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，其光电检测的输出的是开关量。只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。一、光电开关的结构和分类光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。遮断式光电开关原理ObjectReceiver遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。被检测物体光发射器光接收器2019/10/2419光电开关在流水线上的应用送料器定区域式光电开关咖啡罐流水线运行方向罐装高度检测储料仓落料口遮断式光电开关（计数）光幕两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。光线被遮断（报警）光幕应用光幕应用（续）产品高度测量光幕应用（续）三维尺寸检测宽度测量长度测量高度测量光幕应用（续）纠偏光幕可检测出带材在卷曲过程中的偏移，经控制器和执行机构使带材向正确的方向运动（纠偏）。光幕应用(续)安全区示警反射型光电开关反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散射型）。反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。反射型光电开关及反射镜外形三角反射镜集发射、接收器于一身反射镜反射型光电开关工作原理反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。反射板反射镜被测物体偏振光发射光被测物漫反射型光电开关原理漫反射光线反射光线被检测物体光发射器和光接受器发射光线漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。漫反射型光电开关的应用调制型光电开关原理光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。智能化自学习型光电开关常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。表面反射率对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。二、光电断续器光电断续器也可分为遮断型和反射型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。反射式光电断续器光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为1.1~1.3V，驱动电流控制在20mA以内。光电断续器外形红色光柱齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。光电断续器的应用n当工件经过光电断续器时，接收器即产生一个计数脉冲。光电断续器的应用（续）9.3条形码技术•条码是由一组按特定规则排列的条、空及其对应字符组成的表示一定信息的符号。•利用光电转换能将条形码图形信息转换成计算机能处理的二值化数值，从而为计算机识别。•最早出现于20世纪40年代，是一种同心圆环代码，称作“公牛眼”条码。条码识读系统的组成1.概述•条码识读系统是由扫描系统、信号整形、译码三部分组成。•扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转换成为电信号。•信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能是将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应。•译码部分一般由嵌入式微处理器组成，它的功能就是对条码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端。条码符号的识读原理•条码符号是由宽窄不同，反射率不同的条、空按照一定的编码规则组合起来的一种信息符号。条码识读是利用“色度识别”和“宽度识别”兼有的二进制赋值方式。•色度识别是由于条码符号中条、空对光线具有不同的反射率，从而使条码扫描器接受到强弱不同的反射光信号，相应地产生电位高、低不同的电脉冲。•宽度识别是由条码符号中条、空的宽度来决定电位高、低不同的电脉冲信号的长短。•由光源发出的光线经过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号。整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息。它通过识别起始、终止字符来判别条码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别条和空的数