第9章 光电检测技术的典型应用

光电检测技术与应用第九章第九章光电检测技术的典型应用本章内容：9.1微弱光信号检测技术锁相放大器取样积分器光子计数9.2光电开关与光电转速计9.1微弱光信号检测技术一.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。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）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稳态和扫描测量方式。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光电开关与光电转速计•可以用来检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等，也可以用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。•按其输出量的性质可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成份分析，测定液体中某种物质的含量等。根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。模拟式光电传感器：将被测量转换为连续变化的光电流光源发出的光通量经被测物遮去其一部分，使作用在光电元件上的光通量减弱，减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。被测物体本身就是辐射源，直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。•光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态，所以也称为光电元件的开关运行状态。•这类传感器要求光电元件灵敏度高，但对光电特性的线性要求不高。•主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。脉冲光电传感器：将被测量转换为断续变化的光电流应用——光电开关一．继电器原理二．光电继电器•光电继电器：用光电信息转换器件控制继电器的通与断•按原理分类：亮通和暗通两类•亮通(明通)光电控制电路：有光照射于光电器件上使继电器有足够的电流而动作•暗通光电控制电路：光电继电器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放。二．光电继电器？亮通和暗通是相对而言的，可以通过哪些方式将两者相互转换？？当光线较慢地连续变化，上述亮通或暗通控制电路有什么缺点？可以采取什么样的方式补偿这种缺点？三．用电子开关代替继电器•继电器工作时的优缺点：隔离高压区和低压区（使用安全）、工作可靠、但由于金属触点打出火花对电路产生干扰、其寿命有限。•电子开关工作时的优缺点：无触点，使用寿命长，但电子开关不能完全隔断高压区、在大电流工作时散热问题也不能忽视。三．用电子开关代替继电器•电子开关不能完全隔断高压区，为了隔断高压区和低压区，可以使用光电耦合双向可控硅或联合使用光电耦合器和双向可控硅。三．用电子开关代替继电器•双向可控硅基本结构双向可控硅基本结构如图所示。有两个主电极T1、T2（T2是电位参考电极）和一个门极。它可以看成是一对反并联的普通可控硅晶体管。图中(a)为基本结构，(b)为双向可控硅的符号，(c)为双向可控硅型号的部颁标准。四．双向可控硅触发电路双向可控硅特性曲线如图所示。从图中可知，高压的正电压和反电压都能使可控硅导通，只要G对T2加触发电压，正向触发电压和反向触发电压都能使可控硅导通，但导通时可控硅两端有压降存在，导通电流越大，压降越大，消耗的功率也越大，此时一定要采取散热措施。•双向可控硅特征曲线1＋1－3＋3－双向可控硅有四种触发方式，工作在第一象限有二种触发方式1＋和1－，工作在第三象限有二种触发方式3＋和3－。•1＋触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加正电压；•1－触发形式：T1对T2加正电压，G对T2加负电压；•3＋触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加正电压；•3－触发形式：T1对T2加负电压，G对T2加负电压；双向可控硅使用时，一般采用第一和第三象限的组合，但由于双向可控硅元件的结构关系，3＋触发形式在使用时所需控制级功率较大，故相对少用，而1＋～3－和1－～3－的触发组合方式使用较多。•双向可控硅的触发方式五双向可控硅触发电路图(a)简单的光控霓虹灯电路，采用的光敏器件为光敏电阻；六光电继电器的应用•路灯、霓虹灯的自动控制电路图(b)电路提高了霓虹灯控制的灵敏度，采用的光敏器件为光敏三极管；Ic1Ib2Ic2Vb1Vc2VEVccT1T2Vc1假定三极管的发射极导通电压为0.7伏，则：Vb1-VE=VBE10.7伏，T1截止，T2导通。若Vb1，使VBE10.7时，T1导通，则：Vb1Ic1Vc1Ic2VBE1VE若Vb1由大变小，使：Vb1-VE=VBE1只有0.7伏左右，Ic1开始减小，则：Vb1Ic1Vc1Ic2VBE1VE补充：施密特电路防止闪电等短路干扰的路灯控制电路如图所示•印刷机纸张监控器印刷机纸张监控器可以自动监测每次印刷的纸张是否为一张，如果不是一张则发出报警讯响，停止印刷。F1和F2是带施密特触发器的电路，上触发和下触发有回差电压电焊工电焊时一般都要带防护面罩，以保护眼睛被电焊强光刺激，现用液晶屏替代老式的防护玻璃，可减少电焊时摘下防护罩看焊缝质量的麻烦，提高工作效率。•光控电焊眼罩？电路中各个部件的作用？应用——光电转速计光电转速传感器—透射、反射