测控仪器设计第3版浦昭邦电子课件暂缺第1章节测控仪器设计第6章节庄志涛.pptx

; 光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机构成了光、电、机、计算机相结合的现代测控仪器，它具有许多重要的特点 : 1．精度高 光电式仪器是各种测量仪器中精度很高的一种， 如激光干涉仪可达到 （0.03+L/500）μm的测长精度（其中 L是测量长度，单位为 mm），光外差干涉测量是纳米精度测量的主要手段。 2．非接触测量 光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，也没有摩擦，因此它可以实现动态测量。是各种测量方法中效率最高的一种。 3．测量范围大 光是最便于远距离传播的介质，尤其适合于远距离测距、遥控、遥测、光电跟踪等 4．信息处理能力强 本章从光电系统总体设计角度出发对光电系统的精度、设计原则和设计方法进行介绍和讨论，最后通过对激光干涉的设计分析，达到对光电系统设计有一个整体的理解。 ;第一节 测控仪器光电系统的组成和类型; 由组成框图可以看出光电系统的设计主要是研究光信息的检测、传输和变换中的核心技术的设计问题; 1．主动系统与被动系统 主动系统与被动系统是指携带信息的光源（光煤介）是人为制造的还是自然辐射的。 若光电系统的照明是人工光源，如白炽灯、发光管、半导体激光器、激光器等，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电系统 如果光电系统的照明光源是自然光（如太阳光）或者用不是为光电系统特殊设计的光源来携带光信息，这种光电系统称为被动光电系统。 主动光电系统与被动光电系统相比增加了光源、光源光学系统，有时还需要光源调制器。它比被动系统要复杂一些，但信息的对比度好、信噪比高，一般用于精密测量中 。 ; 2．模拟系统与数字系统 按照传输和接收的光信息是模拟量还是数字量，分为模拟系统和数字系统。模拟光信息与数字光信息一般是用调制的方法将被测信息加载到光载波上来获得的。 如果光载波是直流或者是连续的光通量，将被测信息加载到这类光载波上，然后进行传输或变换，则是模拟光???系统。 如果光载波是脉冲量，而将被测信息加载到脉冲光载波的辐度、频率、脉宽或相位之中，则得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换称为数字式光电系统。 数字式光电系统具有比模拟式光电系统更好的传输效率和更好的抗干扰性，尤其适合于光通信。 ;3．直接检测系统（非相干）与相干检测系统 按照光电系统中光电检测是直接检测光功率还是检测光的振幅、频率和相位则分为直接检测系统和相干检测系统。 不论是用相干光源还是非相干光源来携带光信息，而检测器件只直接检测光强度，这种光电系统称为直接检测系统。 如果采用相干光源利用光波的振幅、频率、相位来携带信息，光电检测不是直接检测光强而是检测干涉条纹的振幅、频率或相位则称为相干检测系统。 直接检测系统简单、应用范围广，而相干检测具有更高的检测能力和更高的信噪比，因而系统精度更高、稳定性也更好。 ;第二节 光电系统的特性;二、光谱特性及光谱匹配 光电系统中光载波信号的能量来源是光源或辐射源，辐射能量由光源经测试目标、光学系统和传输介质被光电检测器接收。 为了提高光能的利用效率，要求检测器件的光谱灵敏度分布和辐射源的辐射度分布及各传输环节的透过率分布相覆盖。 在含有多光谱的复合光通量 作用下，传输介质、光学系统的透过率光谱分布分别是 和 ，光电检测器的光电灵敏度系数为 时，那么检测器件的输出 可表示为： 上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系 由于光电系统中光源的辐射波长有一定的范围，并存在有峰值波长，而光电子检测器件对波长有选择性，即存在一个最灵敏的波长，因此为充分利用光能，要求光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配;三、光电灵敏度特性（光谱响应率） 光谱响应率又称光电灵敏度，它是光电系统的光电检测器件的输出（电压V或电流I）与入射光通量之比，即 、 分别称为电压灵敏度和电流量敏度，其单位分别是V/W 和 A/W。若入射光参量用照度表示，则光照灵敏度的单位分别为V/lm 和A/lm 若入射光的波长 λ为单色光，这时输出电压 U(λ)或电流I(λ) 与入射单色辐射通量 Ф(λ)之比称为光谱