光电测量系统设计

光电测量系统设计——设计题目：用干涉法测量钢丝钢丝热伸长度

用干涉法测量钢丝热伸长度

设计目的

1、 了解干涉产生的原理、方法，了解个部分的作用，并能综合运用

2、 灵活运用所学光学知识，掌握光电测量系统中的光路部分的设计原理及方法

3、 根据所学知识，将干涉测量运用于设计一个光电测量系统中的光路部分

一、 迈克尔干涉仪测量原理

迈克尔逊干涉仪的结构简图所示，G 2是一面镀上半透半反膜，M 1、M 2为平面反射镜，M 1是固定的，M 2和精密丝相连，使其可前后移动， M 1和M 2后各有几个小螺丝可调节其方位。当M 2和M 1’严格平行时，M 2移动,表现为等倾干涉的圆环形条纹不断从中心“吐出”或向中心“消失”。两平面镜之间的“空气间隙”距离增大时，中心就会“吐出”一个个条纹；反之则“吞进”一个个条纹。M 2和M 1’不严格平行时，则表现为等厚干涉条纹，M 2移动时，条纹不断移过视场中某一标记位置，M 2平移距离 d 与条纹移动数 N 的关系满足2λ

N d =。

经M 2反射的光三次穿过分光板，而经M 1反射的光只通过分光板一次.补偿板就是为了消除这种不对称而设置的.在使用单色光源时，补偿板并非必要，可以利用空气光程来补偿；但

在复色光源时，因玻璃和空气的色散不同，补偿板则是不可缺少的。

二、 设计原理

1、干涉测量原理

干涉测量技术是一波长为单位的非接触精密测量方法，具有极其广泛的应用范围，其精度可达 以上，且有很高的测量重复性，该方法可实现对长度、距离、位移、振动和运动速度等物理量的高精度非接触测量。

干涉测量基于光波叠加原理，在干涉场中产生明暗交替上网干涉条纹，通过分析条纹的运动状况来获取被测量的相关信息。

将相干光源出射的光束分为两束，一束投射至参考反射镜，并将其反射光作为参考光；另一束投射至被测反射镜，并用反射光作为检测光；再用一分光棱镜使参考光与检测光重合，产生干涉，所形成的干涉场的光强分布为：

),(cos ),(),(2),(),(),(y x y x y x y x y x y x I I I I I t r t r Φ++=

其中：),(y x I r ，),(y x I t 分别为参考光和检测光的强度；),(y x Φ为参考光和检测光之间

的位相差。

若被测反射镜位置发生位移或者形变，将会引起两光束间的光程差变化，也即),(y x Φ发生变化，进而引起),(y x I 的变化。因此，探测),(y x I 的变化，并经过相关的电路处理，得到),(y x Φ的变化，即可得到被测物体位移和振动的相关信息。 干涉场的光强为余弦分布，具有双值性，因此，当2λ

=?L 时，干涉条纹将发生多于一

个条纹的往返位移。条纹移动时探测器输出波形是振动引起两个多周期（非整数个）的条纹移动，

迈克尔逊干涉实验是测量压电陶瓷位移和振动幅度的重要实验之一，其基本工作原理如图1-2所示，R 和T （T 装在陶瓷管的一端）是两个平面镜，做为两臂，G 是个半透半反的分束板，它把由光源射来的光线分为强度相等的两部分（1）和（2）投射到R 和T 上，被R 和T 反射到G ，又经G 反射和透射相聚到光探头上。（1）和（2）这两束光为相干光，因此在E 处相遇时产生一定的干涉图样，若R 与T 严格垂直，则E 处的干涉图样为等倾干涉条纹，实验装置采用的压电陶瓷材料为管状长度为40mm ，壁厚1mm ，在内外壁上分别镀有电极，在电极上加有周期性的对称三角波电压，压电陶瓷随所加电压的变化而伸长或缩短，在陶瓷管的一端装有激光反射镜T ，可以在迈克尔逊干涉仪中当反射镜使用。

实验装置中光源为He-Ne 激光器，其干涉图纹为一组同心圆形条纹簇，随着陶瓷管上反射镜的微小移动条纹将向内收缩或向外发散，每移动一个条纹，对应的光程差为2λ。则由于钢丝的位移使条纹的变化，即2λN

y =（式中y 为压电陶瓷位移，N 为干涉条纹数目，

λ为选定激光波长）。

图1-2

2、驱动电源电路

系统所要的驱动电源主要是精密基准电压源、高频波形发生器、电压-电流转换器、慢启动保护电路和反馈环路5部分组成，其原理框图如图1-3所示。

图1-3

三、 设计内容

1、光路的组成：

L1 透镜：聚焦

L2 透镜：扩束、准直

L3透镜：聚光

M1、M2全反射镜：折叠光路

2、探测器

光电系统一般都是围绕光电探测器的性能进行设计的，因此探测器的选择非常重要，而探测器的性能由以下一些参数来表征。

光电探测器的工作条件

1.辐射源的光谱分布很多光电探测器，特别是光子探测器，其响应是辐射波长的函数，仅对一定的波长范围内的辐射有信号输出。这种称为光谱响应的信号依赖于辐射波长的关系，决定了探测器探测特定目标的有效程度。所以在说明探测器的性能时，一般都需要给出测定性能时所用辐射源的光谱分布。

2.电路的通频带和带宽因噪声限制了探测器的极限性能，噪声电压或电流均正比于带宽平方根，而且有些噪声还是频率的函数。所以在描述探测器的性能时，必须明确通频带和带宽。

3.工作温度许多探测器，特别是用半导体材料制作的探测器，无论是信号还是噪声，都是和工作温度有密切关系。所以必须明确工作温度。

4.光敏面尺寸探测器的信号和噪声都和光敏面积有关，大部分探测器的信号噪声比与光敏面积的平方要成比例。参考面积一般为1cm2。

5.偏置情况大多数探测器需要某种形式的偏置。例如光电导探测器和电阻辐射热器需要直流偏置电源，光电磁探测器的偏置是磁场。

光电探测器的分类

1.光电子发射探测器

光电子发射效应又称之为外光电效应，它是指当光照射某种物质时，若入射的光子能量

足够大，它和物质中的电子相互作用，致使电子逸出物质表面，这就是光电子发射效应，逸出物质表面的电子叫做光电子。

光电子发射探测器就是基于外光电效应的光电探测器，也叫真空光电探测器。在光辐射下，探测器内光敏材料的电子得到足够的光子能量后，就会逸出光敏材料表面而进入外界空

间，在空间电场的作用下便形成电流。

光电子发射探测器主要包括光电管、光电倍增管及微通道板光电倍增管。光电倍增管具有较高的内增益，其二次发射增益因子可高达107,因面对单个光子能量比较灵敏。此外光电倍增管还具有响应速度快的优点，因此在探测微弱光信号及快速脉冲光信号方面仍然是一个重要的探测器件，广泛应用于航天、遥感、材料、生物、医学等领域。

2.光电导探测器

光电导效应是光子作用于光电导材料，形成本征吸收或杂质吸收，产生载流子，从而使半导体的电导率发生变化。利用光电导效应制作的光探测器称为光电导探测器，简称

PC(Photoconductive)探流或偏压。光电导探测器可根据不同类型的光电导效应和材料差异分为本征型、杂质型、薄膜型和扫积型光电导探测器。光电导探测器在军事和国民经济的各个领域有广泛用途。在可见光或近红外波段主要用于射线测量和探测、工业自动控制、光度计量等；在红外波段主要用于导弹制导、红外热成像、红外遥感等方面。

光电导增益G 是表征光电导探测器特性的一个重要参数，它表示长度为L 的光电导体两端加上电压V 后，由光照产生的光生载流子在电场作用下所形成的外部光电流与光电子形成的内部电流（qN ）之间的比值。

在无光照时，常温下的样品具有一定的热激发载流子浓度，因而样品具有一定的暗电导率0σ样品在有光照时由于吸收光子而产生的光声载流子浓度用?n 和?p 表示，光照稳定情况下的电导率为

00[()()]n p q n n p p σμμ=+?++?

式中，q 为电子电荷电量，

n μ为电子迁移率，p μ为空穴迁移率。得到光电导率为

0()

n p q n p σσσμμ?=-=?+? 3.光伏探测器 光生伏持效应是光照使不均匀半导体或均匀半导体中光生电子和空穴在空间分开而产生电位差的现象。对于不均匀半导体，由于同质的半导体不同的掺杂形成的PN 结、不同质的半导体组成的异质结或金属与半导体接触形成的肖特基势垒都存在内建电场．当光照这种半导体时，由于半导体对光的吸收而产生了光生电子和空穴，它们在内建电场的作用下就会向相反的方向移动和积聚而产生电位差，这种现象是最重要的一类光生伏特效应。对于均匀半导体，由于体内没有内建电场．当光照这种半导体一部分时，由于光生载流子浓度梯度的

不同而引起载流子的扩散运动。但电子和空穴的迁移率不等，由于两种载流子扩散速度的不同而导致两种电荷的分开，从而比现光生电势。这种现象称为丹倍效应。此外，如果存在外加磁场，也可使得扩散中的两种载流子向相反方向偏转，从而产生光生电势，称为光磁电效应。通常把丹倍效随和光磁电效应称为体积光生伏特效应。

光伏探测器是利用半导体P—N结光生伏特效应而制成的探测器，简称PV （Photovoltaic）探测器。按照对光照敏感“结”的种类不同，又可分为PN结型、PIN结型、金属一半导体结型(肖特基分垒型)和异质结型：最常用的光伏探测器有光电池、光电二极管、光电三极管、PIN管、雪崩二极管等。

光伏探测器按使用要求不同可分为两类，一类是用作能源和探测的光电池；另一类是主要作为光电信号变换的光伏探测器，如光电二极管、光电三极管等。

光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的P—N结光电器件。按用途光电池可分为两大类，即太阳能光电池和测量光电池。太阳能光电池主要用作电源，对它的要求是转换效率高、成本低，由于它具有结构简单、体积小、重量轻、可靠性高、寿命长、在空间能直接利用太阳能转换成电能的特点，因而不仅成为航天工业上的重要电源，还被广泛地应用于供电困难的场所和人们的日常生活中。测量光电他的主要功能是作为光电探测用，即在不加偏置的情况下将光信号转换成电信号，对它的要求是线性范围宽、灵敏度高、光谱响应合适、稳定性好、寿命长，被广泛应用在光度、色度、光学精密计量和测试中。

光电三极管是一种相当于在基极和集电极之间接有光电二极管的普通三极管，因此，结构与—般晶体管相类似．但也有其特殊地方。光电三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二是光电流放大。光电转换过程是在集电极内进行，它与一般光电二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正向电压而基极开路时，则B—G结处于反向偏压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子，电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极，在外电路中有电流(即暗电流)流过。当光照射基区时，在该区产生电子一空穴对，光生电子在内电场作用下漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光电二极管。与此同时，空穴则留在基区，使基极的电位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极。集电结起双重作用，一是把光信号变成电信号起光电二极管的作用；二是将光电流放大，起一般晶体三极管的集电极的作用。

光伏探测器与光电子探测器相比较，主要区别在于：

(1)产生光电变换的部位不同，光电导探测器是均值型，光无论照在它的哪一部分，

受光部分的电导率都要增大，而光伏探测器是结型，只有到达结区附近的光才产生光伏效应.

(2)光电导探测器没有极性，工作时必须外加偏压，而光伏探测器有确定的正负极，不需外加偏压也可以把光信号变为电信号。

(3)光电导探测器的光电效应主要依赖于非平衡载流子中的多子产生与复合运动，弛豫时间较大，同此，响应速度慢．频率响应性能较差。而光伏探测器的光伏效应主要依赖于结区非平衡载流子中的少子漂移运动，弛豫时间较小，因此，响应速度快，频率响应特性好。另外．像雪崩二板管和光电三极管还有很大的内增益作用，不仅灵敏度高，还可以通过较大的电流。

基于上述特点，光伏探测器的应用非常广泛。一般多用于光度测量、光开关、报警系统、图像识别、自动控制等方面。

4.热探测器

热探测器是不同于光子探测器的另一类光探测器。它是基于光辐射与物质相互作用的热效应制成的器件。这是一类研究得最早并且最早得到实际应用的探测器。热探测器有热电偶、热敏电阻和热释电探测器等多种，由于它具有不需致冷、在全部波长上具有平坦响应两大特点，至今仍有广泛应用，甚至在某些领域中它是光子探测器所不能取代的。

热释电效应是指某些物质(例如硫酸三甘肪、锭酸樱、铝酸锡钡等品体)吸收光辐射后将其转换成热能，这个热能使晶体的温度升高，温度的变化又改变了晶体内品格的间距．这就引起在居里温度以下存在的自发极化强度的变化，从而在晶体的特定方向上引起表面电荷的变化，这就是热释电效应。

热探测器探测光辐射包括两个过程：一是吸收光辐射能量后，探测器的温度升高；二是把温度升高所引起的物理特性的变化转变成电信号（如热敏电阻、测辐射热电偶）。

热敏电阻是依据吸收光辐射升温引起电阻的变化来测定光辐射。最简单的热敏电阻是一根短的细丝。在下作温度下，它有一定的电阻值。当细丝吸收了光辐射而升温时，测出温度变化所引起的电阻变化，就可确定所吸收的辐射能量。

测辐射热电偶是利用热能和电能相万转化的温差电效应制成的热探测器。在由两种导体或半导体材料组成的闭合回路中，如果接点的温度不同，那么回路中就有电流流通。这一现象称为温差电效应或塞贝克效应。产生热电流的电动势称为温差电势或塞贝克电势。

热释电探测器是一种利用某些晶体材料自发极化强度随温度变化所产生的热释电效应制成的新型热探测器。晶体受辐射照射时，由于温度的改变使自发极化强度发生变化，结果在垂直于自发极化方向的晶体两个外表面之间出现感应电荷，利用感应电荷的变化可测量光辐射的能量。因为热释电探测器的电信号正比于探测器温度随时间的变化率，不像其它热探测器需要有个热平衡过程，所以其响应速度比其他热探侧器快得多，一般热探测器的时间常数典型值在1—0.01s范围．而热释电探测器的有效时间常数低达10-4—3xl0-4.虽然目前热释电探侧器在比探测率和响应速度方面还不及光子探测器，但由于它还具有光谱响应范同宽．较大的频响带宽，在室温下工作无需致冷，可以有大面积均匀的光敏面，不需偏压，使用方便等特点．而得到日益广泛的应用。

与光子探测器相比，热探测器的主要缺点是：响应较低，响应时间校长，一般地，要同时得到灵敏度高、响应快的特性是困难的。然而自热释电探测器出现后，缓和了这一矛盾。热释电探测器的响应度和响应速度已比过去那些热探测器有了很大提高，因此热探测器的使

的远红外域更用范围扩大了，延伸到原来部分光子探测器独占的领域，而且在大于14m

有广阔的用途。

下面介绍几种常用的热释电探测器

○1.TGS(硫酸三甘肽)及其同晶体探测器在空温下其热释电系数大，介电常数小。在较宽的频率范围内，这类探测器的探测灵敏度较高，因此它是至今仍使用得相当广泛的热释电探测器。

○2.SBN[铌酸锶钡)热释电探测器这种热释电探测器因由于材料中钡含量的提高而使居里温度相应提高。

○3.压电陶瓷热释电探测器

○4.聚合物热释电探测器

○5.快速热释电探测器

5.其它光电探测器件

电荷耦合器件(简称CCD)

CCD摄像器件的基本性能参数

(1)分辨率作为像敏感器件最重要的一个参数是空间分辨率。CCD的分辨率与每个像元的尺寸和像元之间的间距有关，CCD器件像素数愈多，分辨率愈高。当像素数一定时，转移损失率对空间分辨串的影响亦很大。

(2)暗电流暗电流主要由耗尽区的热激发载流子形成以及si和sio2界面态的复合等原因造成.暗电流使势阱慢慢地被填满，减小了动态范围。尤其是暗电流在整个成像区不均匀时，使像面严重畸变。目前成像区CCD器件在室温下的暗电流约为5—10nA·cm-l叫。

(3)灵敏度灵敏度主要由CCD器件响应度和各种噪声因素共同决定。由于CCD结构复杂，噪声源也较多，主要有光子噪声、暗电流噪声、表面捕获噪声、“肥零”噪声和输出电路噪声等。当然理想的CCD摄像器件希望有高灵敏度。

(4)动态范围动态范围是指对于光照度有较大变化时，器件仍能线性响比。它的上限是由电荷最大存贮容量决定，下限仍是噪声所限制。

(5)光谱响应 CCD器件的光谱响应与所用材料有关。通常用Si材料制做的CCD其光谱响应曲线与硅光电二极管相同。

狭缝

1 信号放大计数器显示

光电器件

图2 信号处理系统

在本实验设计中我们选择使用SPD-032硅雪崩光电探测器，下面简单介绍其基本参数：

用途

0.4～1.1μm波长信号的优良探测器，适用于光功率计、激光测距、测速、测角、光电探测、光电信息传输等系统

特点

n+p-πp+达通型结构，内部有雪崩倍增效应，高灵敏度、高速响应、低噪声

主要技术指标

光敏面直径(mm) 0.8

响应度(0.9um) 60A/W

响应度(1.06um) 15A/W

响应上升时间(ns) 3

暗电流(uA) 200

噪声(PW/Hz1/2) 0.15

工作电压(V) 275~475

工作温度(℃) -40~+70

探测波长(um) 0.4~1.1

3、源电路设计

通过对电路结构的设计和对元器件的选用，实现直流稳定度高达1．5×10 、长期工作电流变化小于1 A 的高稳定度恒流激光器驱动源；同时，为了满足干涉测量的应用需要，使用正弦调制方式(是电路的另一独特之处)，实现了适用于不同干涉测量需要的光波频率和光强的调制驱动，则具体的驱动电源电路如下：

四、设计装置误差分析与改进

a)误差分析

激光干涉测量精度受到多种因素影响。其测量误差主要包括: ①系统误差, 主要指受到激光干涉测量方法及测量系统元部件制造精度的限制, 测量系统所存在

的不可消除的误差; ②阿贝、余弦误差, 在测量系统安装过程中, 测量轴线与被测

对象的运动轴线之间的误差角以及测量过程中被测对象多自由度运动等形成的误

差; ③环境误差, 干涉仪工作过程中, 环境的波动(空气温度、压力及相对湿度的

变化) 引起空气折射率的变化, 由此导致的误差; ④延时误差,由干涉仪测量电路

延时、测量数据滞后所产生的误差。上述各种误差会导致测量结果的不准确, 从而

影响测量精度。为提高测量精度, 一方面针对误差源,采用改进措施, 另一方面通

过多种途径对各项补偿进行补偿。在测量精度达到纳米级时, 仅靠改进措施无法满

足精度要求, 必须对其各项误差进行深入分析、补偿, 以提高测量精度。下面对上

面几种误差详细分析：

①系统误差

激光测量系统中反射镜初始位置所决定的跨距以及测量系统中各元部件自身精度

所导致的测量误差称为系统误差。系统误差主要包括固定跨距引起的误差和反射镜镜面不平度引起的误差。

(1) 固定跨距引起的误差

干涉镜与反射镜初始位置之间的距离称为跨距。反射镜的初始位置是指干涉仪读数为零时, 反射器所在的位置。由于固定跨距的长短不影响干涉仪读数,在自动补偿中可以不予考虑。

(2) 反射镜镜面不平度引起的误差

从测量原理可知, 测量光束经两次反射镜反射后与参考光发生干涉, 以获取频移量, 从而得到被测对象的位置。由于反射镜面型制造精度只能达到20～30nm, 精度有限, 会导致测量结果精度下降。在纳米级测量应用场合, 必须对反射镜型面误差进行补偿。

②环境误差

由于激光测量系统是利用光学效应进行被测对象的实际位置测量, 因此激光测量系统

对工作环境十分敏感。在高精度的激光测量系统中, 要求将实际工作环境控制在较为严格的范围内, 其中环境控制的主要指标为空气温度、压力以及空气的相对湿度等。以上指标变化的综合结果将会引起空气折射率发生变化,从而导致波长的变化, 最终引起测量误差。由于激光干涉仪是以激光波长为基准的测量仪器, 波长值的正确与否将直接影响测量结果的准确性。因此在具有纳米级测量精度要求的应用场合, 必须对因环境变化所引起的误差进行补偿。

③延时误差

通常, 由于测量精度要求不高, 测量系统中的电路延时、数据滞后等造成的测量误差可以忽略。随着测量技术向微观方向发展, 对测量系统的要求越来越高, 甚至达到纳米及更高要求, 因此, 测量系统中所存在的电路延时、数据滞后等将会严重影响到测量精度, 必须对其进行补偿, 以提高测量精度, 从而满足实际应用对测量系统的超高精度要求。

④阿贝误差、余弦误差

假设反射镜为被测对象, 其运动轴线通过反射镜中心O。当测量轴线与反射镜运动轴线不重合时, 反射镜绕镜面中心O的微小旋转将导致光程发生变化,从而引起测量误差, 该误差为阿贝误差。当测量轴线与被测对象运动轴线不平行时, 测量结果与被测对象的实际位置存在偏差, 该误差为余弦误差。

五、结束语

本文提出了一种利用激光干涉的方法对微小振动进行实时的测量，通过传感器电路得到探测信号，近处理后能较好的反映实际的振幅和频率，本方法不需要利用计算机来进行复杂的运算，实现了微小位移的较高精度的实时测量，本测量系统广泛的应用在测量物体振动、厚度、压力、温度传感等方面。

参考文献

1、物理光学与应用光学，石顺祥，张海兴，刘劲松，西安电子科技大学出版社

2、激光原理，周炳昆，高以智，陈倜熔，国防科技大学出版社

3、光电测试技术（第二版），范志刚，电子工业出版社

4、互联网