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光电检测技术 第七章.ppt
掌握内容 光电检测系统的分类,光电信号变换方法,直接接测系统, 非相干检测系统,相干检测系统 理解内容 形成各光电检测系统的方法 了解内容 各光电系统的运用 §7.1光电信号变换及光电检测系统分类概述 §7.2直接(光强度调制)检测方法与系统 §7.3随时间变化的光电信号检测方法与系统 §7.4空间分布的光电信号检测方法与系统 (二)光源是否相干分类 1、非相干检测系统 (1)若光信息为光强,即被测量被携带于光载波的强度之中,不论光源是相干光源还是非相干光源,这时光电器件只直接接收光强度变化,最后用解调的方法检出被测信息,这种方法组成的系统称为直接检测光电系统。 (2)若光信息加载于非相干光源的光载波的振幅、频率或者相位变化之中,这样所组成的系统则称为非相干检测系统。 通常把直接检测光信息的光强(或叫光功率)以及检测非相干光调制频率、振幅、相位的方法统称为非相干检测。 2、相干检测系统 如果光源是相干光源,但用光调制的方法使被测信息加载于调制光的幅度、频率或相位之中,然后用光电解调的方法从调制光的幅度、频率或相位之中检测出被测信息的系统称为相干检测系统。 二、光电变换方法 (一)光电变换的目的 (1)将待测信息加载到光载波上进而形成光电接收器件易于接收的光电信号。 (2)改善系统的时间或空间分辨率和动态品质,提高传输效率和检测精度。 (3)改善系统的信噪比,提高工作可靠性。 一、直接检测系统的基本原理 所谓直接检测是将携带有待测两量的光信号直接入射到探测器光敏面,光探测器响应于光辐射强度而输出相应的电流或电压。 二、直接检测系统的基本特性 (一)光探测器的平方律特性 入射光波的光电场为 : 入射光的平均光功率为: 光电探测器输出的电流为: 若光探测器的负载电阻为 ,则光探测 器输出的电功率为 : 光电探测器的平方律特性包含有两层含意: 其一是光电流正比于光场振幅的平方; 其二是电输出功率正比于入射光功率的平方。 如果入射光信号为强度调制光,调制信号为d(t),即调制的入射光信号的强度为P[1+d(t)],那么光电探测器输出的光电流为: 式中,第一项为直流电平,可以用隔直电容隔掉;第二项为所需要的信号,即光载波的包络检测。 (二)直接检测系统的信噪比 直接检测的输出信噪比为: (三)直接检测系统的视场角 视场角是直接检测系统的性能指标之一。它表示系统能“观察”到的空间范围。对于检测系统,被测物看作是在无穷远处,且物方与象方两侧的介质相同。在此条件下,探测器位于焦平面上时,其半视场角(如下图所示)为: 或视场立体角为: 式中,d是探测器直径; 为探测器面积; 为焦距。 三、应用举例 (一)光电开关与光电转速计 1、透射分离型主动开关 2、反射型主动开关 汽油液面探测 3、光电耦合 4、编码计数型主动开关 5、光电转速计 利用激光的相干性,采用方形菲涅 尔波带片来提高激光准直仪的对准精度,如下图,这就是所谓的衍射准直仪。 非相干光电信号按其时空特点分为随时间变化的光电信号和随空间变化的光电信号。前者的特征是信号随时间缓慢变化或周期性以及瞬时变化,发生于有限空间内,与时间有关而与空间无关,信号可表示为F(t)。随空间变化的光电信号发生在一定空间之内,光电信号随空间位置而改变,表示为F(x,y,z),有的还同时随时间改变,表示为F(x,y,z,t)。非相干光电信号的变换与检测方法如图6-5所示。 一、幅值法 这种变换的特点是利用光的透射、反射、折射、遮光或者成像的方法将被测信号直接加载到光通量的变化之中,再用光电器件检测光通量的幅值变化。它广泛用于光开关与光电转速计、激光测距、准直、辐射测温、测表面粗糙度、测气体或液体浓度、测透过率、反射率等。 1、直读法 在采用直读法的光电检测系统中,光源发出的光经待测量调制后直接由光电探测器接收。根据光电探测器输出信号的大小来反映出待测量的变化。 2、指零法 指零法是利用标定好的读数装置来补偿光通量的不稳定影响,使测量系统在输出光通量为零的状态下读数。下面以测量磁光物质在磁场下的偏振角为例来进行说明。下图所示是测量磁光物质在磁场下的偏振角的原理图 3、差动法 在直读法和指零法的光电检测系统中,光路只有一个通道。为了减小单通道法入射光通量波动对测量的影响,可以采用双通道差动法和双通道差动补偿法。
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