光电子技术课程设计指导书改.doc

PAGE 1 PAGE I 光电子技术基础课程设计指导书 西安理工大学 2010年12月 目录 第1章 激光测距技术原理…………………1 1.1 激光的特点 1.2 相位法激光测距技术原理 第2章 光电池及其应用电路分析………………………….7 第3章 热释电传感器及其应用…………………………….13 第4章 光电耦合器及其应用电路 …………………………24 第1章 激光测距技术原理 1.1 激光的特点 1.激光的亮度高。固体激光器的亮度更可高达1011W／cm2Sr这是因为激光虽然功率有限，但是由于光束极小，于是具有极高的功率密度，所以激光的亮度一般都大于我们所见所有光（包括可见光中的强者：太阳光），这也是激光可用于星际测量的根本原因所在；? 2.激光的单色性好。这是因为激光的光谱频率组成单一。?3.激光的方向性好。激光具有非常小的光束发散角，经过长距离的飞行以后仍然能够保持直线传输；? 4.激光的相干性好。我们通常所见到的可见光是非相干光，激光可以做到他们都做不到的事情，比如说切割钢材。? 在测距领域，激光的作用更是不容忽视，可以这样说，激光测距是激光应用最早的领域（1960年产生，1962年即被应用于地球与月球间距离的测量）。测量的精确度和分辨率高、抗干扰能力强，体积小同时重量轻的激光测距仪受到了大多数有测距需求的企业、机构或个人的青睐，其市场需求空间大，应用领域广行业需求多，并且起着日益重要的作用。? ? 1.2 ?相位法激光测距技术原理：? 当今市场上主流的激光测距仪是基于相位法的激光测距仪。这是因为基于相位法的激光测距仪轻易地就可以克服超声波测距的一大缺陷：误差过大，使测量精度达到毫米级别。而基于此法的激光测距仪主要的缺点在于电路复杂、作用距离较短（一百米左右，经过众多科学工作者的努力，现在也有作用距离在几百米的相位法激光测距仪）。 相位法激光测距技术，是采用无线电波段频率的激光，进行幅度调制并将正弦调制光往返测距仪与目标物间距离所产生的相位差测定，根据调制光的波长和频率，换算出激光飞行时间，再依次计算出待测距离。该方法一般需要在待测物处放置反射镜，将激光原路反射回激光测距仪，由接收模块的鉴波器进行接收处理。也就是说，该方法是一种有合作目标要求的被动式激光测距技术。如下图所示： 由图所显示的关系，我们可以知道，用正弦信号调制发射信号的幅度，通过检测从目标反射的回波信号与发射信号之间的相移φ，通过计算即可以得到待测距离。Δ D=ct/2 = 1 \* GB3 ① t=φ/ω = 2 \* GB3 ② 又有ω=2nf = 3 \* GB3 ③ φ=N+Δφ = 4 \* GB3 ④ 即D=（N+Δφ） *c/(4nf) = 5 \* GB3 ⑤ 其中，D是待测距离，也即测距仪与目标物间距离； C是光速，等于299792458m/s（假设光速未受环境影响）； t是往返测距仪与目标物间距离一次的时间； φ是激光光束往返一次后所形成的相位差； Δφ是激光光束往返一次后所形成的相位差不足半波长的部分； N是相位差中半波长的个数； ω是调制信号的角频率。 由于N的个数在激光飞行之后并不能确定，所以这就导致了基于相位法的激光测距仪只能测定Δφ，相位差中不足半波长的部分。这就形成了相位法的内伤：最长作用距离固定，由调制光的波长决定。但是从另一方面看，相位法激光测距仪可以准确地测量半个波长内的相位差，这也成就了相位法激光测距仪最为突出的优点：测量精度高，可达到毫米级别。 1.2.1 光谱特性 光敏电阻的光电导效应不是在任意的光照下都能呈现，只有光子能量大于材料的间接能隙（原子的能级之差）时，光敏电阻才能呈现光电导效应。光敏电阻与入射光光谱之间的特性，称之为光敏电阻的光谱特性。不同光敏材料的光谱特性有很大差异。 光敏电阻按材料分类有两种类型：本征型光敏电阻和掺杂型光敏电阻。由于掺杂材料灵活改变了光敏电阻的光谱特性，目前市场上所采用的基本上是掺杂型光敏电阻。其光谱特性及最佳工作波长范围可分为三类：一类是紫外光敏感型光敏电阻，如硫化镉和硒化镉等。另一类是可见光敏感型光敏电阻，如硫化铊等。还有一类是红外光敏感型光敏电阻，如硫化铅等。常见的光敏电阻有硫化镉光敏电阻、硫化铅光敏电阻、锑化铟光敏电阻、碲镉汞系列光敏电阻等。特别提示的是：硫化镉与人眼的光谱光视效率曲线的范围和峰值波长(555nm) 非常接近，因此可用于与人眼有关的仪器，例如照相机、照度计、光度计等。 图1-3 光敏电阻的光谱特性曲线 1.2.2 照度特性 在光敏电阻上加上一定电压时，光敏电阻的光电流或光电阻与入射光照度之间的关系称为光敏电阻的照度特性。CdS光敏电阻在恒定电压作用下的光照特性曲线如图1-4所示，当照度很低时，曲线近似为