第8章-非光物理量的光电检测

LOGO第8章非光物理量的光电检测CompanyLogo光电系统中光信号的时空特点：⑴随时间变化的光信号。⑵随空间变化的光电信号。信号的变换发生于局部的空间范围。随时间缓慢地、周期性或瞬时地变化。是时间的一维函数与空间坐标无关，可用函数F(t)表示。信号发生在一定的空间坐标范围内。信号随空间位置而改，是二维或三维空间函数，用F(x,y,z)表示。随时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,t)表示。CompanyLogo时变光信号的直接检测光学信号有各种不同的变化形式，一般光电系统所处理的输入信号是辐射（光）通量的变化。光信号的直接检测，就是光通量的测量，所以了解和掌握光通量的一般测量方法，对于光电系统的分析和设计是最基本知识。光通量的变化分类不随时间变化的量值随时间缓慢变化的量值随时间周期性变化的量值光强型光电检测系统相位型、频率型光电检测系统脉冲型光电检测系统CompanyLogo各种类型的测量方法的测量误差有明显的不同:振幅测量:相对误差是10－2～10－4数量级频率测量:相对误差是10－6～10－8数量级由于频率的基准可以达到很高的精度。各种测量方法的测量误差CompanyLogo被测光通量沿单一光学通道传送到光电接收器的系统称作单通道测量系统。单通道测量系统常用的测量方法是直读法和指零法。（一）单通道测量系统8.1光强型光电检测系统CompanyLogo直读法为了测量样品的透过率，可以在光路中轮流放置透过率已知的标准样品，每次对电表值标定。经过这样的处理后，再将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测的透过率值。（一）单通道测量系统CompanyLogo，样品透过率为τ，透过样品并为光电检测器接收的光通量为φ，检测器电流灵敏度为S1，放大器增益为K，电表的传递系数为M，转角示值为θ，则直读系统的测量值可表示为：1.直读法（一）单通道测量系统010001KMSKKKMS＝其中CompanyLogo001KKMS1.直读法010KMSK＝其中样品透过率光源光通量电流灵敏度传递系数增益（一）单通道测量系统CompanyLogo保持恒定不变时，被测值τ和电表示值θ之间存在着一一对应的关系，可借以确定被测的τ值。但实际上K0值不是完全不变的，特别是φ0项与照明状态有关，存在着长期工作的不稳定性和不重复性。010001KMSKKKMS＝其中直读法的特点（一）单通道测量系统CompanyLogo指零法指零测量法可以消除由于辐射光通量、光检测器和放大器工作参数不稳定造成的影响，图中表示了采用指零法测量偏振物质偏振面转角的光电装置及系统方框图，在光路中布置有起偏器和检偏器。（一）单通道测量系统CompanyLogo测量偏振物质偏振面转角（一）单通道测量系统CompanyLogo工作原理：⑴事先使检偏器的偏振面相对起偏器转成90°，此时检测器光敏面上的光通量为零。⑵在偏振器之间放置具有偏光性质的被测样品，它引起偏振面的旋转增大了透过光的数值，借助于指示电表可以观察到相对于零位的偏差。⑶若转动检偏器，重新使电表指零，则检偏器的转角等于由被测样品引起的偏振面的转角。⑷用高精度的角度基准对检偏器转角逐点标定后，只要测量出检偏器相对零位的转角即可得到所需的偏振面旋转值。（一）单通道测量系统CompanyLogo，检偏器的读出转角为θ0，偏振器组合的相对转角θx－θ0对于透光率τ的转换因子为M，则对偏振器组合和测量电表输出转角θ分别表示为：00IxSKM求解以上二式有式中，φ0为入射照明光通量；SI为光电器件灵敏度；K为放大器增益。0000xxIKMSKCompanyLogo在无试样的标准状态下，即θx＝0时，调整θ0，使θ＝0。随后加入试样则θx≠0，因而θ≠0，重新调整θ0使θ再次为零，此时由θ=K0(θx-θ0)有θx=θ0上式表明：在指示电表指零状态下，检偏器的转角示值θ0代表了被测偏振面的旋转值θx。0000xxIKMSK（一）单通道测量系统CompanyLogo在上述系统中，电路部分没有直接用于读数，而只是用作电表的指零，指零的效果是由于被测量和已知量相互平衡造成的，这种通过指零将被测量和已知量进行比较测量的方法称作指零法或零示法。它的测量精度取决于读数装置的精度和指零装置的零位漂移。光通量的不稳定性对误差影响不大，因为系统的读数是在零光通量的情况下进行的。指零法的特点（一）单通道测量系统CompanyLogo单通道测量的主要缺点：入射光通量的波动会直接影响测量结果，为了克服这一缺点，采用具有两个光学通道的测量方法。（一）单通道测量系统CompanyLogo反射镜透镜标准样品被测样品光电探测器放大比较器光源双通道系统不仅能完全消除入射光辐射的起伏影响而且可在一定程度上消除杂光引起的不稳定性，是光通量幅度测量中常用的方法。双通道系统的信号处理方法常采用差动法和交替法。（二）双通道测量系统被测光通量沿两个光学通道传送到光电接收器的系统称作双通道测量系统。CompanyLogo。它是一块破璃平板，沿着各截面镀有吸收率不同的膜层。（二）双通道测量系统CompanyLogo⑴在装上被测样品4之前，光屏处于最大吸收位置，并使二通道的输出光通量相等，处于平衡状态。⑶光屏的移动由与之相连的指针机构9显示，指针的位置和不同被测样品的透过率相对应。⑵当插入被测样品之后，测量通道的光通量减少。此时若移动光屏改变透过率值使光屏上透过增大恰好等于被测样品的吸收值，这就可以使二个通道重新达到平衡。⑷这样，光屏或指针的位置就是被测透过率的量度值，并在二通道的输出光通量相等时读出。工作原理CompanyLogo二个通道的光通量分别由检测器接收，由差动放大器7得到增益。放大器输出电压接到伺服电机8的控制绕组上。当两个通道的光通量不相等时，放大器的输出端产生控制电压使电机轴转动带动光屏移动，一直到输出电压为零停止。控制电机的转动方向是根据光通量的关系φⅠφⅡ，还是φⅡφⅠ，按照负反馈的连接方法确定CompanyLogo差动放大器的失调信号为：xrSSI00201S1、S2是两通道光电接收器的灵敏度；φ0为输入光通量；τr是基准通道标准样品的透过率；τx是被测透过率；τ0是可变透过率。02100201002010SSSSSSIrrxxr测量结果与入射光通量无关。从而减少了光辐射源的不稳定对测量误差的影响。CompanyLogo交替法在这种系统中，两个通道的光通量轮流投射到光电接收器上、为此可采用各种不同的交替装置。例如带有光孔的不透明转盘或者带缺口的反射镜等。当转盘的不透明部分遮断测量通道的光通量时，基准通道的光通量通过光孔传送到接收器上。反之，基准光通量被遮断，则测量通道的光被接收。两路信号的转换频率通常是几百赫兹，因此，系统中的光电放大器是交流的。CompanyLogo⑴对于相等的两路光通量，光电流和负载电阻上的信号电压是等幅的，如图(a)所示，此时交流放大器没有输出电压。⑵如果光通量不相等，则接收器的电流将按转换频率交替变化，相邻半周期的幅度差取决于两通道的不平衡状态。输出信号波形如图(b)所示,根据光通量φⅠφⅡ或φⅡφⅠ的不同，信号的相位改变180°，借以控制伺服电机8的转动方向。CompanyLogo光通量的光强（幅度）测量方法的应用场合光通量的幅度测量方法适合于检测直流或缓慢变化的光信号，在光度测量中有广泛的应用。对于复杂的高精度的测量，多采用单个接收器的双通道系统。而在要求一般的场合常采用两个接收器的双通道系统或指零法单通道系统。总结CompanyLogo设计一套测量材料透过率的光电测试自动装置，要求消除光源的不稳定性因素的影响。⑴绘出工作原理图。⑵绘出原理框图。⑶说明工作原理。CompanyLogo（1）频率法测量某些光电系统所处理的光通量是随被测信息的规律呈周期性变化，这种变化可以是正弦的，也可以是方波的。不论哪种形式，信息是载荷在光通量变化的次数多少和频率快慢之中。经过相应的光电转换，采用常规信号的波数和频率测量方法就可以检测出所需要的信息。8.3相位型和频率型光电检测系统CompanyLogo⑴频率测量有较高的测量精度。⑵频率测量是数字式的，测量结果易于和计算机连结，使用较为方便。因此在现代光电测量中常优先考虑采用频率测量法。产生光通量随时间变化的方法是多种多样的。用几何光学方法实现的斩光盘和工业制品的计数检测；用物理光学方法实现的光栅及干涉条纹测量等；下面以干涉测量为例介绍一些典型测量方法的基本原理和特点。优点（1）频率法测量CompanyLogo干涉条纹光强△φ以λ/2为周期变化，也就是当△x移动λ/2长度时引起△φ一个周期的变化。将△φ变化的周期数用波数N表示，可以得到位移x和波数N的关系为：Nx2迈克尔逊干涉仪示意图λ/2是光强变化的周期。λ是干涉仪所用光波波长；φ0是光强变化的幅度。（1）频率法测量CompanyLogo（1）频率法测量单频激光仪的根本弱点就是受环境影响严重，在测试环境恶劣，测量距离较长时，这一缺点十分突出。可动反光镜移动时，光电接收器会输出信号，如果信号超过了计数器的触发电平则就会被记录下来。激光束强度发生变化，就有可能使光电信号低于计数器的触发电平而使计数器停止计数，使光器减弱的主要原