3光电信号的探测.ppt

* 第三章 光电信号的探测 主要内容 光电系统简介 光学传感器技术 光电探测器信号放大技术 直接探测技术 外差探测技术 第一节 光电系统简介 光谱 照明方式 用途 光电系统 红外光电系统 可见光光电系统 紫外光电系统 主动 被动 光学计量系统 物理光学系统 显微系统 光学测试系统 天文光学系统 医用光学系统 军用光学系统 一、光电系统分类 二、光电系统的组成 辐射源 传输介质 光学系统 调制器 光电探测器 电子系统 记录 显示 存储 转换 控制 被动照明方式： 主动照明方式： 辐射源 传输介质 光学系统 调制器 光电探测器 电子系统 记录 显示 存储 转换 控制 信息源 信息源 传输介质 光学系统 调制器 光电探测器 电子系统 记录 显示 存储 转换 控制 辐射源 第二节 光学传感技术 对于光信号可以用一般式表示： 信号加载的方式： 强度调制 相位调制 偏振调制 频率调制 一、强度调制传感技术 以光的强度作为调制对象，利用外界因素使之改变，通过测量光强的变化来测量外界的物理量。 调制方式：辐射式，反射式，遮挡式，透射式 探测物体的辐射功率，光谱分析及温度等参数，以便确定待测物体的存在，所处方位以及根据其光谱的分布分析它的物质成份和性质。 例如：物体的测温——斯特藩－波耳兹曼定律 辐射式 ?：比辐射率 ，?：斯特藩－波耳兹曼 ，T：绝对温度 ，?：转换系数 黑体辐射定律： 光电探测器输出的电信号 在漫反射某一位置上的光电探测器只能接收部分反射光，接受到的光通量大小与产生漫反射表面材料的性质，表面的粗糙度、缺陷等因素有关，可监测物体的外观质量 可用于激光测距，激光制导，主动式夜视，电视摄像，文字判读等方面。 反射式 Ev：被检测表面的光照度 ，S：缺陷面积 ，?：光电转换系数，? 1：缺陷表面的反射率 ， ? 2：无缺陷表面的反射率 光电探测器输出的电信号 被测物体部分活全部地遮挡式扫过入射光到探测器的光束，以便引起光探测器输出信号的变化。 可用于光电计数，光电测速，光电自动开关，防盗报警等 遮挡式 I0：入射光强 ，L：介质长度 ，?：吸收系数，介质的吸收系数与介质的浓度成正比。可用于检测流体、气体的浓度，透明度；检测透明薄膜的厚度和质量，透明容器的缺陷，透明胶片的密度等 通过物体的吸收或散射 透射式 二、相位传感技术 利用外界因素改变光波的相位?，通过检测相位变化来测量物理量的变化，光波的相位有光传播的物理长度，传播介质的折射率及其分布等参数决定，改变其参量可产生光波相位的变化； 一般采用光的干涉技术，导致光强的变化，实现物理量的测量。 比如：激光相位测距，迈克尔逊干涉仪 三、偏振传感技术 利用外界因素（应力、磁场、电场等）可改变特定光学介质的传输特性，调制从中通过的光的偏振状态，由光偏振状态的变化，可检测出相位的外界参数 旋光现象 当偏振光通过某些透明物质（如石英晶体）时，偏振光的振动面将以光的传播方向为轴旋转一定的角度，偏振光的振动面的旋转方向与旋转物质的性质有关，旋转角度的大小与波长、旋转物质的厚度有关。 d：物质厚度，?：旋光率，与物质的性质及入射光的波长有关 磁光法拉第效应 Vr：费尔德常量（磁性材料所固有的，与波长温度有关），H：磁场强度，L：长度，?：角度 克尔光电效应 当外加电场作用在各向同性的透明介质上时，各向同性物质的光学性质发生了变化，变成了具有双折射现象的各向异性特性， no和ne为外加电场后寻常光和异常光的折射率，当外加电场方向与光的传播方向垂直，k为克尔常量，?为波长，E为电场强度。 光弹效应 当外力或振动作用于弹性体时，弹性体产生应变，弹性体的折射率发生变化，呈现双折射性质 no和ne为外加电场后寻常光和异常光的折射率，?为波长，p为外力作用强度。 利用外界因素改变光的频率，通过检测光的频率的变化来检测外界物理量的原理，主要指光学多普勒频移 ?0：光源发出的原频率，c＝c0/n：光在介质中的传播速度，c0：真空中的光束，n：介质的折射率，v：物体的运动速度，?：相对速度方向和光传播方向的夹角。 四、频率传感技术 第三节 光电探测器的信号放大技术 一、放大器的噪声 放大器的噪声模型 把放大器内的所有噪声源都折算到输入端En 输入端串联及用阻抗为无限大的噪声电流发生器In Vsi为信号电压， Rs为信号源内阻（或光探测器、传感路内阻）， Ens是信号源噪声， Kv为放大器增益， Zi为放大器输入阻抗， Vso、Eno为放大器输出端的信号和噪声电压。 二、最佳源电阻 噪声系数直接与源电阻