第六章 典型光电测试系统
莫尔条纹1的斜率为
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
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11
4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
26
莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
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被测信号1通过脉冲形成电路转变成脉冲2（或方波），其 重复频率等于被测频率fx，然后将它加到闸门的一个输入端。 闸门由门控信号4来控制其开、闭时间，只有在闸门开通时 间T内，被计数的脉冲5才能通过闸门，被送到十进制电子 计数器进行计数，从而实现频率测量。门控信号的作用时 间T是非常准确的，以它作为时间基准（时基），它是时基 信号发生器提供。时基信号发生器有一个高稳定的石英振 荡器和一系列数字分频器组成，由它输出的标准时间脉冲 （时标）去控制门控电路形成门控信号。
xi iP 1
（6-2）
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25
指示光栅B的刻线j与x轴的交点坐标为
jP2 xj cos
（6-3）
莫尔条纹1是由A、B两光栅各同i=j刻线的交点连接而成，所以其莫尔条纹的 方程为 xi , j iP （6-4） 1
yi , j ( x j x i , j )ctg (
2
主动系统
通过信息调制光源,或者光源发射的光受被 测物体调制.
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返回
3
被动系统
光信号来自被测物体的自发辐射
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返回
4
直接检测/相干检测
直接检测: 无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强 携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转 换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的 信息。 相干检测: 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。 因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线 电外差检测，故又称光外差检测。
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19
对高频测量，计数测频法有较高的精度，随着被测频率的 降低，其相对误差逐渐增大。 对低频测量，周期法有较高的精度，随着被测频率的增高， 其相对误差逐渐增大。
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20
莫尔条纹测长仪
莫尔条纹携带一维信息已广泛应用于测量长度、角度， 数控系统及光学传递函数测量等方面。莫尔条纹携带三 维信息在测量应变、物体表面不平度、液体薄膜厚度及 医学诊断与机器人视觉等方面的非接触测量中也得到较 好的应用。
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14
光电转速计
一般转速表的缺点：测量范围小，精度不高，测量时与被 测对象刚性连接，给对象以附加负荷，不适合于小功率情 况下测量。 光电转速计可以避免这些缺点，容易使测量自动化和数字 化。广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机 床的转速测量和调节中。
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主动型：由LED管和光电二极管、光电三极管等组成。 被动型：由光敏电阻、光电二极管等组成。 1.透射分离式主动开关 将发光管和光电接收管相对安装，形成光通路。无物体挡光时开 关接通，有物体挡光时开关关闭。
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7
由许多光电开关组成的一个点阵，可用于计算机的键盘输入开关。 键盘静止时全部光电开关输出为0态，当某一键按下时，被挡光 的开关输出为1态，这样可构成一定的码对应于输入字符。 此外，透射分离式主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一 些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。
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21
莫尔条纹的原理
将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠 加在一起,并且两者的栅线成很小的 角度θ ,当光栅对之间有相对运动 时（运动方向与主光栅栅线垂直）， 透过光栅能看到如图所示的明暗相 间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的 光强调制作用． 黑白光栅、位相光栅（干涉和衍射）
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5.被动开关
利用自然光源的特性对光电开关提供信号，形成被动开关。自然 光源多为物体自发辐射，辐射能量多在红外光谱范围内，所以组 成开关的接收器是热电器件、红外光敏电阻或红外光电二极管。
热释电探测器件作光敏元件，将球面反射镜安放在房子 的墙角以会聚入射的光能。热释电探测器有两个特点： 一、只响应突变的或交变的辐射， 二、响应光谱无选择性。
9
（a）反射型主动开关示意图 （b）用光纤引导的光电开关，可作为开关用于狭窄区域内。 （c）用于液面自动探测的光电开关
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10
3. 光电耦合器 发光管和光电接收管用耐高压的塑料封结在一起，可形成光电耦 合器。可实现用低压电器或低压电路控制高压电路，光电耦合器 成为一个隔离开关。适当设计也能起到变压器使用。若把光电接 收管这一边接入可控硅电路，光电耦合器可形成固体继电器。它 还可以在过载保护电路中作为开关。
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(2)周期测量法
在周期测量法中，采用固定频率很高的参考脉冲fs作为计数 器的脉冲源，而让被测信号fx经整形后再经过一个门控电路 去控制闸门，其电路原理如下： 在门控电路输入的两个下降沿之间，门控电路输出高电平 使闸门打开，计数器对fs进行计数，从而实现闸门开启时间 的测量。闸门开启的时间就是被测信号的周期，周期倒数 就是频率。
15
光电转速计原理
盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射 或反射至光电探测器3，转速可由光电探测器3产生的脉冲频率决 定。
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16
为了寿命长、体积小、功耗少，提高可靠性，光电探测器多采用 光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源用发光二极管。 每分钟的转速n与频率f的关系：n=60f/m，m是孔数或齿数或黑 板块的数目。只要测出频率就能决定转速或角速度。 下面只对计数测频法和周期测频法做简要介绍。
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典型的光电检测系统
直接检测系统（光强调制）
莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 环境污染检测系统
光外差检测系统
激光干涉测长仪（相位调制） 多普勒测速（频率调制） 光外差通信
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6
光电开关
光电开关分为主动型和被动型开关。
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它对静止的环境辐射不做反应，而能够探测人的活动。当人走近光 电开关作用区域时，热释电器件接收人身辐射，输出电脉冲信号， 使被动开关接通，其过程如下：光电脉冲经放大器和带通滤波器后 形成控制信号去触发定时器。定时器可人为设定时间，在设定时间 内控制信号控制报警器发声，定时完毕后开关断开。
由莫尔条纹1、2、3的方程我们可以得出：莫尔条纹是周期函数，其周 期 T P 2 / sin 。它也称为莫尔条纹的宽度B。 当P1=P2时，则由式（6-6）可得
tg
1 1 cos tg sin 2
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（6-10）
27
就得到“横向莫尔条纹”。横向莫尔条纹与x轴的交角为 2 的夹角很小，因此，可以认为莫尔条纹几乎与y轴垂直。
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8
2.反射型主动开关
反射型主动开关的发光管和光电接收管平行安装（或略有倾 角）。 当发光管发出的光遇到障碍时，在距离足够近时，由障碍 物反射回来的光被光电接收管接收而使开关动作。这种开关可应 用于各种机械运行的行程限制、位置传感，也有效地用于汽车的 紧急制动。
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横向条纹
长光栅莫尔条纹的形式
横向条纹:P1=P2, θ 很小; 纵向条纹: P1~P2, θ =0; 斜条纹: P1~P2, θ 很小.
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纵向条纹
22
长光栅莫尔条纹
播放动画
长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
设光栅对的栅线交角为 ，取主光栅A的零号栅线为y轴，垂直于主光栅A 栅线的方向为x轴。x与y在零号线的交点为原点。
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斜向条纹
B 1 K P
29
在计量光栅中取P1=P2，且栅线夹角很小。当主光栅相对于指示光栅移动一 个栅距是，莫尔条纹就移动了一个条纹间隔。在某一点观察时，能看到随着 光栅的移动某点的透过光强作明暗交替变化，这就是莫尔条纹的调制作用。 莫尔条纹把光栅位移信息转化为光强随时间变化的信号。 在空间上光栅移动的周期为P1,而莫尔条纹移动的周期是B。可见莫尔条纹有 放大作用，放大系数K=B/P1。 虽然光栅栅距很小，但是它移动一个栅距，莫尔条纹一个周期在空间尺寸上 要大几百倍，这样就便于安装光电测量头进行测量。此外，莫尔条纹是由一 系列光栅刻线交点组成的，光电器件接收莫尔条纹的透过能量时是覆盖了莫 尔条纹的一部分，即同时接收到许多栅线构成的条纹透过能量。这样既能得 到足够的光能量，有很到的信噪比，而且还能对刻线的工艺误差有平均作用， 平均的结果是刻线误差在测量中的影响减小。
jP2 iP 1 )ctg cos
（6-5）
jP2 iP 1ctg sin
yi , j y0,0 xi , j x0, 0 iP2 iP 1 ctg iP iP 1 sin 1
tg
P P cos 2 1 P 1 sin
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4. 编码计数型主动开关 光电开关可工作在开关状态，那么就很容易变换成计数状态或编 码控制状态。
测量照相机快门动作时间。发光管发出频率的光脉冲， 他放在快门的一边，光电接收管在快门的另一边。当快 门打开前计数器预先归零。快门打开时，光电转换后的 电脉冲使计数器计数。快门关闭时，计数停止。计数器 所计脉冲个数与脉冲周期之乘积就是快门开启时间。
主光栅与指示光栅各刻线交点的连线即构成了莫尔条纹。如果主光栅刻线序 列用i=0,1,2,3……表示，指示光栅刻线序列用j= 0,1,2,3……表示，则两 光栅刻线的交点为[i，j]，则莫尔条纹l由两光栅各同刻线交点[0，0]， [1， 1]， [2，2]……连线构成。设主光栅A的栅距为P1，指示光栅B的栅距为P2， 由图看出，主光栅A的刻线方程为
（6-6）
26
莫尔条纹1的方cos x P 1 sin
（6-7）
同样可以求得莫尔条纹2和3的方程
y2
P2 P P 1 cos x 2 P sin 1 sin
（6-8） （6-9）
P2 P P2 1 cos y3 x P sin 1 sin
频率测量 (1)计数测频法 计数测频法的基本思想就是在某一选定的时间间隔内对 被测信号进行计数，然后将计数值除以时间间隔（时基） 就得到所测频率。
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被测信号1通过脉冲形成电路转变成脉冲2（或方波），其 重复频率等于被测频率fx，然后将它加到闸门的一个输入端。 闸门由门控信号4来控制其开、闭时间，只有在闸门开通时 间T内，被计数的脉冲5才能通过闸门，被送到十进制电子 计数器进行计数，从而实现频率测量。门控信号的作用时 间T是非常准确的，以它作为时间基准（时基），它是时基 信号发生器提供。时基信号发生器有一个高稳定的石英振 荡器和一系列数字分频器组成，由它输出的标准时间脉冲 （时标）去控制门控电路形成门控信号。
xi iP 1
（6-2）
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25
指示光栅B的刻线j与x轴的交点坐标为
jP2 xj cos
（6-3）
莫尔条纹1是由A、B两光栅各同i=j刻线的交点连接而成，所以其莫尔条纹的 方程为 xi , j iP （6-4） 1
yi , j ( x j x i , j )ctg (
2
主动系统
通过信息调制光源,或者光源发射的光受被 测物体调制.
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3
被动系统
光信号来自被测物体的自发辐射
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4
直接检测/相干检测
直接检测: 无论是相干或非相干光源，都是利用光源发射的光强 携带信息。光电探测器直接把接受到的光强的变化转 换为电信号的变化，然后，用解调电路检出所携带的 信息。 相干检测: 利用光波的振幅、频率、相位携带信息，而不是光强。 因为用光波的相干原理，只能用相干光。类似于无线 电外差检测，故又称光外差检测。
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19
对高频测量，计数测频法有较高的精度，随着被测频率的 降低，其相对误差逐渐增大。 对低频测量，周期法有较高的精度，随着被测频率的增高， 其相对误差逐渐增大。
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莫尔条纹测长仪
莫尔条纹携带一维信息已广泛应用于测量长度、角度， 数控系统及光学传递函数测量等方面。莫尔条纹携带三 维信息在测量应变、物体表面不平度、液体薄膜厚度及 医学诊断与机器人视觉等方面的非接触测量中也得到较 好的应用。
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光电转速计
一般转速表的缺点：测量范围小，精度不高，测量时与被 测对象刚性连接，给对象以附加负荷，不适合于小功率情 况下测量。 光电转速计可以避免这些缺点，容易使测量自动化和数字 化。广泛应用于电动机、内燃机、透平、水轮机及各种机 床的转速测量和调节中。
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主动型：由LED管和光电二极管、光电三极管等组成。 被动型：由光敏电阻、光电二极管等组成。 1.透射分离式主动开关 将发光管和光电接收管相对安装，形成光通路。无物体挡光时开 关接通，有物体挡光时开关关闭。
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由许多光电开关组成的一个点阵，可用于计算机的键盘输入开关。 键盘静止时全部光电开关输出为0态，当某一键按下时，被挡光 的开关输出为1态，这样可构成一定的码对应于输入字符。 此外，透射分离式主动开关也用于工业自动控制、自动报警及一 些引爆、燃烧等封闭室内的室外点火等控制。
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21
莫尔条纹的原理
将两块光栅(节距分别为P1和P2)叠 加在一起,并且两者的栅线成很小的 角度θ ,当光栅对之间有相对运动 时（运动方向与主光栅栅线垂直）， 透过光栅能看到如图所示的明暗相 间的莫尔条纹.这就是莫尔条纹的 光强调制作用． 黑白光栅、位相光栅（干涉和衍射）
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5.被动开关
利用自然光源的特性对光电开关提供信号，形成被动开关。自然 光源多为物体自发辐射，辐射能量多在红外光谱范围内，所以组 成开关的接收器是热电器件、红外光敏电阻或红外光电二极管。
热释电探测器件作光敏元件，将球面反射镜安放在房子 的墙角以会聚入射的光能。热释电探测器有两个特点： 一、只响应突变的或交变的辐射， 二、响应光谱无选择性。
9
（a）反射型主动开关示意图 （b）用光纤引导的光电开关，可作为开关用于狭窄区域内。 （c）用于液面自动探测的光电开关
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10
3. 光电耦合器 发光管和光电接收管用耐高压的塑料封结在一起，可形成光电耦 合器。可实现用低压电器或低压电路控制高压电路，光电耦合器 成为一个隔离开关。适当设计也能起到变压器使用。若把光电接 收管这一边接入可控硅电路，光电耦合器可形成固体继电器。它 还可以在过载保护电路中作为开关。
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(2)周期测量法
在周期测量法中，采用固定频率很高的参考脉冲fs作为计数 器的脉冲源，而让被测信号fx经整形后再经过一个门控电路 去控制闸门，其电路原理如下： 在门控电路输入的两个下降沿之间，门控电路输出高电平 使闸门打开，计数器对fs进行计数，从而实现闸门开启时间 的测量。闸门开启的时间就是被测信号的周期，周期倒数 就是频率。
15
光电转速计原理
盘1装在欲测转速的轴上，光源2发出的光线，经盘1调制后透射 或反射至光电探测器3，转速可由光电探测器3产生的脉冲频率决 定。
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16
为了寿命长、体积小、功耗少，提高可靠性，光电探测器多采用 光电池、光敏二极管或光敏三极管，光源用发光二极管。 每分钟的转速n与频率f的关系：n=60f/m，m是孔数或齿数或黑 板块的数目。只要测出频率就能决定转速或角速度。 下面只对计数测频法和周期测频法做简要介绍。
济南大学物理科学与技术学院 5
典型的光电检测系统
直接检测系统（光强调制）
莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光准直 环境污染检测系统
光外差检测系统
激光干涉测长仪（相位调制） 多普勒测速（频率调制） 光外差通信
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6
光电开关
光电开关分为主动型和被动型开关。
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它对静止的环境辐射不做反应，而能够探测人的活动。当人走近光 电开关作用区域时，热释电器件接收人身辐射，输出电脉冲信号， 使被动开关接通，其过程如下：光电脉冲经放大器和带通滤波器后 形成控制信号去触发定时器。定时器可人为设定时间，在设定时间 内控制信号控制报警器发声，定时完毕后开关断开。
由莫尔条纹1、2、3的方程我们可以得出：莫尔条纹是周期函数，其周 期 T P 2 / sin 。它也称为莫尔条纹的宽度B。 当P1=P2时，则由式（6-6）可得
tg
1 1 cos tg sin 2
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（6-10）
27
就得到“横向莫尔条纹”。横向莫尔条纹与x轴的交角为 2 的夹角很小，因此，可以认为莫尔条纹几乎与y轴垂直。
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8
2.反射型主动开关
反射型主动开关的发光管和光电接收管平行安装（或略有倾 角）。 当发光管发出的光遇到障碍时，在距离足够近时，由障碍 物反射回来的光被光电接收管接收而使开关动作。这种开关可应 用于各种机械运行的行程限制、位置传感，也有效地用于汽车的 紧急制动。
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横向条纹
长光栅莫尔条纹的形式
横向条纹:P1=P2, θ 很小; 纵向条纹: P1~P2, θ =0; 斜条纹: P1~P2, θ 很小.
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长光栅莫尔条纹
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长光栅光闸莫尔条纹
播放动画
设光栅对的栅线交角为 ，取主光栅A的零号栅线为y轴，垂直于主光栅A 栅线的方向为x轴。x与y在零号线的交点为原点。
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斜向条纹
B 1 K P
29
在计量光栅中取P1=P2，且栅线夹角很小。当主光栅相对于指示光栅移动一 个栅距是，莫尔条纹就移动了一个条纹间隔。在某一点观察时，能看到随着 光栅的移动某点的透过光强作明暗交替变化，这就是莫尔条纹的调制作用。 莫尔条纹把光栅位移信息转化为光强随时间变化的信号。 在空间上光栅移动的周期为P1,而莫尔条纹移动的周期是B。可见莫尔条纹有 放大作用，放大系数K=B/P1。 虽然光栅栅距很小，但是它移动一个栅距，莫尔条纹一个周期在空间尺寸上 要大几百倍，这样就便于安装光电测量头进行测量。此外，莫尔条纹是由一 系列光栅刻线交点组成的，光电器件接收莫尔条纹的透过能量时是覆盖了莫 尔条纹的一部分，即同时接收到许多栅线构成的条纹透过能量。这样既能得 到足够的光能量，有很到的信噪比，而且还能对刻线的工艺误差有平均作用， 平均的结果是刻线误差在测量中的影响减小。
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第六章光电检测原理与系统
• 信噪比损失小； • 检测灵敏度高 NEP hf
例如：量子效率为１，Δf为１Hz，则外差检测的灵敏度极 限为１个光子。
系统对探测器性能的要求
• 光外差检测对探测器的要求比直接检测高 – 响应频带宽 – 均匀性好 – 工作温度高
光电检测有关电路（p120）----前置放大器
通常在选定探测器和相应的偏置电路以后就可知所获信号 和噪声的大小。用恒压信号源或恒流信号源来等效探测器和偏 置电路的输出信号,如图所示。同时用源电阻的热噪声来等效探 2 测器和偏置电路的总噪声 Ens 4kTn Rs f，用最小噪声系数原则设 计前置放大器。
光电子学法
磁光效应、空间光调制 、光纤传光与传感等
光电信号的变换方法与应用
• 几何光学变换法是利用几何光学意义上的光传播的直线性、
通光、遮光、反射、折射、成像等光学方法进行变换，在光 开关、光扫描、光学编码以及光电瞄准、测距、几何尺寸及
外观品质检验等技术中应用十分广泛；
• 物理光学变换法是利用光的干涉、衍射、散斑、全息、光谱 等光学方法进行干涉计量、光谱分析、散斑全息测量等； • 光电子学法是利用光控器件及光导纤维光学等方法实现光调 制、光记录、光存储、光传输等。
光电检测技术
Ch6 光电检测原理与系统
吕勇 lvyong@
•光电检测系统相关概念 •直接（非相干）探测基本原理 •相干探测的基本原理 •光电探测有关电路 •数据处理与误差分析
光电信号变换
• 在光电系统中，通常要借助于几何光学、物理光学和光电子
学的方法对信号进行变换，包括将一种光量转换为另一种光 量，将非光量转换为光量或将连续光量转换为脉冲光量等。
非相干检测
如果光源是非相干光，但用光调制的方法使被 测信息载荷于调制光的幅度、频率或相位之中，然 后用光电的方法从调制光的幅度、频率或相位之中 检测出被测信息，则仍为非相干检测。因此，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、振幅或相位的方法统称为非相干检 测。
光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段： 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量，用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断，它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号，传输给图像处理 系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号，图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征，从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高，光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科，已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一，它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号，由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息，
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，
• 〔3〕远距离、大量程：光是最便于远距离 测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
光电检测技术与应用 第6章 光外差检测系统2
eη PC = 2 Ps PL R L 光外差检测中频输出有效信号功率为： hν
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
2
eη 2 在直接检测中，检测器输出电功率为： P0 = Ps R L hν 两种方法得到的信号功率比G为： PC 2 PL G = = P0 Ps
2
可知，在微弱光信号下，外差检测更有用。
fs fL
转镜 输出
ν
可变光阑
反射镜
光电检测器
放大器
外差检测实验装置图
偏心轮转动相当于目标沿光波方向并有一运动速度，光的 回波产生多普勒频移，其频率为fs。可变光阑用来限制两光束 射向光电检测器的空间方向，线栅偏振镜用来使两束光变为偏 振方向相同的相干光，然后两束光垂直投射到检测器上。 首先设入射到检测器上的信号光场和本机振荡光场分别为：
中频输出有效信号功率就是瞬时中频功率在中频周期内的平 均值，即： ____ 2 V C2 eη PC = = 2 Ps PL R L RL hν 当ωL-ωs=0，即信号光频率等于本振光频率时，则瞬时中频 电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ϕ L −ϕ s )]
8
如果把信号的测量限制在差频的通常范围内，则可以得到通 过以ωC为中心频率的带通滤波器的瞬时中频电流为：
iC (t )=αAs AL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
中频滤波器输出端，瞬时中频信号电压为：
VC (t )=iC (t ) RL =αAs AL RL cos [(ω L −ω s )t + (ϕ L −ϕ s )]
这是外差探测的一种特殊形式，称为零差探测。 9
6.2 光外差检测特性
6.2.1 光外差检测可获得全部信息
光电检测系统的原理和设计方法
光电检测系统的原理和设计方法
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴的检测技术。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
光电检测电路的基本构成
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框光电二极管的工作模式与等效模型
光电二极管的工作模式
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
光电二极管的等效电路模型。
光电检测系统
长度：直尺、游标卡尺、千分尺
电压：万用表
质量：天平
间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式 计算出被测量。例如：
电功率：P = I * V（电流/电压）
重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周
期）
g
4
T
2L
2
返回
光电探测器的种类
类型 PN结
非PN结 电子管类
以光电子学为基础,以光电器件为主体,研究和发展光电信 息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：
1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析
光信息量化的变换方式在位移量（长度、宽 度和角度）的光电测量系统中得到广泛的应 用。
若长度信息量L量化为条纹信息量，则长度 L=qn
q为量化单位，采用莫尔条纹变换时，其为光栅节距，达到微米 量级；若采用激光干涉时，其 等于激光波长的二分之一或四分之一；n为条纹个数。
信息载入光学信息的方式
光通讯方式的信息变换
光电检测系统
光 光 被 光 光变 电
源
学 系 统
测 对 象
学 变 换
电换 传电 感路
信 号 处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
Байду номын сангаас
光电检测系统
光学变换
时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。
第6章_光电系统设计PPT课件
图6-2频率响应特性
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
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，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，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。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
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，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，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。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
第6章之一 光电直接检测系统(最新)
E s (t ) = A [ + d (t )]cos w t 1
5-5
其中d(t)为调制信号，可推导出光检测器的输出电流为:
式中第一项为直流项，若光检测器输出端有隔直 电容，则输出光电流只包含第二项，称为包络检测。
1 2 = aA + aA 2 d (t ) is 2
5-6
6.2 光电直接检测系统的基本特性
① 取τ1λ为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率τ1。 ② 光学系统的透过率τ0λ对光谱响应范围内平均值。 ③ 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。 ④根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。
1、被动检测系统的距离方程 令检测器的方均根噪声电压为Vn，则 它的输出信噪比为：
A0 Vs = 2 L
2
1
I et 1t 0 RV d
式中 的解析表达式。通常作如下简化处理：
Vs A0 2 5-22 = 1 Iet1t 0 RV d Vn Vn L2 I e、t1、t 0 和RV 都是波长的复杂函数，难有确切
Pmin
= 10 - 18 W
6.2.2 直接检测系统的检测极限 在实际直接检测系统中，很难达到量子极限检测。实际系统 总会有背景噪声、检测器和放大器的热噪声。 背景限信噪比可以在激光检测系统中实现，是因为激光光谱 窄，加滤光片很容易消除背景光，实现背景限信噪比。 系统趋近于量子极限意味着信噪比的改善，可行方法是在光 电检测过程中利用光检测器的内增益获得光电倍增，如光电倍 增管。当倍增很大时，热噪声可忽略，同时加致冷、屏蔽等措 施减小暗电流及背景噪声，光电倍增管可达到散粒噪声限。在 特殊条件下可趋近于量子限。但倍增管也会带入噪声，增益过 程中使噪声增加。 在直接检测中，光电倍增管、雪崩管的检测能力较高，采用 有内部高增益的检测器可使直接检测系统趋近于检测极限。对 于光电导器件，主要噪声为产生复合噪声（极限散粒噪声）， 光电导器件极限信噪比低，NEP较大。
光电检测系统原理
光电检测系统原理光电检测系统是一种常用的传感器，广泛应用于自动化控制领域，例如机械加工、纺织、食品处理、生物化学和医疗卫生等。
其原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，通过电路处理后，将电信号转换成机械或其他可控制的信号，实现自动检测和控制。
本文将从光电器件、处理电路、应用领域等方面进行详细介绍。
一、光电器件光电器件是光电检测系统的核心部分，其主要功能是将光信号转化为电信号，其种类包括光敏二极管（PD）、光电二极管（PH）、光励磁二极管（PC）、光电晶体管（PT）、硅光电池（PD）等。
其中，PD是一种光敏半导体器件，应用范围十分广泛。
PD中的光信号通过PN结被掺杂之后，使之成为具有光电特性的二极管，根据入射光信号的强弱，PD产生的电流也随之变化。
PH、PC、PT相比PD更加敏感，其检测范围可以覆盖可见光和红外光谱区域，使用时需要更加谨慎，但其具有相对较高的灵敏度和更快的响应速度，可以满足更高的应用需求。
硅光电池具有较高的光电转换效率，但其使用条件较为苛刻，易受温度变化等环境因素影响。
二、处理电路处理电路是光电检测系统中的第二个核心部分，主要功能是对从光电器件收集的电信号进行处理和放大，以满足后续电路的工作需要。
处理电路一般分为前端电路和后端电路两大部分。
（一）前端电路前端电路是光电检测系统中的第一级信号处理电路，主要由前放电路、驱动电路、滤波电路和保护电路组成。
前放电路的作用是放大从光电器件获得的弱电信号；驱动电路是用于对光电器件进行驱动的电路，使其在有效频率范围内工作；滤波电路则可以用来滤除杂乱的高频或低频信号；最后，保护电路则可以将前端电路和后端电路隔离，防止过高电压或过电流对后续模块造成损害。
（二）后端电路后端电路是对前端电路处理后的信号进行进一步处理和放大的电路，主要由比较电路、微处理器、放大电路、输出电路、计时电路和显示电路组成。
后端处理电路可以根据应用需要设置不同的模块，例如可通过比较电路可以实现对输入信号的阈值比较，以触发输出信号；在微处理器中可以设置一定的软件算法，用于对信号进行更加复杂的处理。
光电检测系统工程管理方案
光电检测系统工程管理方案一、前言光电检测系统是一种利用光电技术进行物体检测和测量的系统，广泛应用于工业生产、安防监控、医疗设备等领域。
在今天的工程管理中，光电检测系统的设计、安装和维护已成为一个复杂的任务，需要有系统的管理和规划。
本文将着重对光电检测系统工程管理进行探讨，并提出一套符合实际需求的管理方案。
二、光电检测系统工程概述光电检测系统是一种依托于光电技术，通过光敏器件和电子设备进行检测和传输的系统。
在工程实践中，光电检测系统通常包括了硬件设备、软件系统和网络结构三个方面。
硬件设备主要包括传感器、光源、光电转换器等，软件系统主要包括数据处理、信号控制等，网络结构主要包括数据传输、通信设备等。
在实际的光电检测系统工程中，需要对系统进行全面的管理和规划，以确保系统的性能和可靠性。
光电检测系统的工程管理主要包括了以下几个方面：1. 系统设计和规划：根据实际需求，对系统进行设计和规划，包括硬件设备的选型、软件系统的开发和网络结构的布局等。
2. 工程施工和安装：根据设计方案，对系统进行实际的施工和安装，确保系统稳定运行和安全使用。
3. 系统调试和优化：对系统进行调试和优化工作，以确保系统性能达到预期的要求。
4. 系统维护和保养：对系统进行定期的维护和保养工作，以延长设备的使用寿命和保证系统的可靠性。
5. 系统监控和管理：对系统进行全面的监控和管理，发现和解决问题，并保障系统的长期稳定运行。
三、光电检测系统工程管理方案1. 系统设计和规划在系统设计和规划阶段，需要制定详细的工程计划和方案，包括技术方案、施工方案、调试方案等。
在设计方案上，要充分考虑实际需求和预算限制，选择合适的硬件设备、软件系统和网络结构。
在施工方案上，要制定详细的施工进度和质量控制措施，确保施工质量和进度。
在调试方案上，要制定详细的调试方案和优化措施，及时解决问题，确保系统性能符合要求。
2. 工程施工和安装在工程施工和安装阶段，要严格按照设计方案和施工方案进行施工和安装工作。
《光电检测系统》课件
智能化：通过人工 智能技术实现检测 系统的自主学习和 决策
自动化：通过自动 化技术实现检测系 统的无人值守和自 动运行
集成化：将多种检 测技术集成到一个 系统中，提高检测 效率和准确性
网络化：通过网络 技术实现检测系统 的远程监控和管理 ，提高检测系统的 安全性和可靠性
THANK YOU
汇报人：
光电子的发射：光电子从物体表面发射出来，形成光电流
光电效应的应用：光电效应广泛应用于光电检测系统，如光电倍增管、光电二极管等光电器 件
光电转换器件
光电二极 管：将光 信号转换 为电信号
光电三极 管：将光 信号转换 为电信号， 具有放大 功能
光电池： 将光信号 转换为电 能
光电传感 器：将光 信号转换 为电信号， 用于检测 和控制
优点：结构简单、成本低、易于维护
缺点：对环境光线敏感，需要避免强光照射
反射式光电检测系统
工作原理：利用光电效应，将光信 号转换为电信号
优点：响应速度快，稳定性ห้องสมุดไป่ตู้，抗 干扰能力强
添加标题
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添加标题
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应用领域：广泛应用于工业自动化、 安防监控等领域
缺点：对环境光线敏感，需要定期 校准和维护
添加标题
添加标题
添加标题
添加标题
光电传感器由一个发光二极管和一 个光敏二极管组成，发光二极管发 出光线，光敏二极管接收光线。
报警器接收到报警信号后，发出声 音或灯光报警，提醒人们注意火灾 危险。
光电式转速计的工作原理
光电式转速计主要由光源、光电转换器和信号处理电路组成。 光源发出光束，照射到被测物体上，形成反射光。 光电转换器将反射光转换为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，得到转速信号。 光电式转速计具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。