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1、第九章 光电检测技术的典型应用,光电技术集中了光学、电子学和计算机技术，广泛应用于工农业和家庭生活等各领域。一般都要涉及光辐射信息转换为电信息的问题，使光电检测技术成为光电技术的核心与重要组成部分。,9.1 微弱光信号检测技术9.2 光电开关与光电断续器9.3 条形码技术9.4 光电测绘技术9.5 其它应用,9.1 微弱光信号检测技术,光电检测中常遇到待测信号被噪声淹没的情况。从噪声中提取、恢复和增强信号成为这类检测系统的关键。因噪声通常随机发生，分布的频谱范围很宽，而信号所占频带较集中，一般与噪声不重叠也不同步。因此，降低噪声、改善信噪比的基本方法可以采用压缩检测通带宽的方法。常用弱光信号检
2、测技术：锁相放大器、取样积分器和光子计算器。,一.锁相放大器 它是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用与被测信号有相同频率和相位关系的参考信号作为比较基准，只对被测信号本身和那些与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分类有响应，故能大幅度抑制无用噪声，改善信噪比，并且具有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单。,1962年第一台仪器问世。据统计，已在几百种场合中得到应用。在弱信号探测仪器中锁定放大器是一个非常重要的品种。信噪比可低达10-5。BW=0.0004Hz（相当于Q值=108）。,输出信号DC,选频,锁相环,移相器,输入信号AC,参考信号AC,信号通道：对混有噪声的初始信号进行选频放大、
3、对噪声作初步窄带滤波,相敏检波：所用参考信号是方波形式。参考和输入信号先混频得到和频和差频，又经低通滤波器，得到幅值与输入信号成比例的直流输出分量。,前放,混频乘法器,低通滤波器,锁相放大器的组成方框图,参考通道：通过锁相、移相提供一个与被测信号同频、同相的参考电压,1.构成,2.锁相放大器的原理 锁相放大器（Lock-in-Amplifier）实际上是一个模拟的傅立叶变换器，锁相放大器的输出是一个直流电压，正比于是输入信号中某一特定频率（参考输入频率）的信号幅值，而输入信号中的其它频率成份将不能对输出电压构成任何贡献。适用范围：锁相放大器被用来侦测和量测非常小的交流信号直至数个 nV。甚至当
4、信号被比它大数千倍噪声掩盖时，也可以做正确的量测。主要优点:“窄的频宽”能将电路特定的频率与相位抓出，并滤除噪声，可准确测量信号。（Lock-in-Amplifier因有相位识别功能，能将电路中特定频率、相位锁住，过滤其它噪声量测出正确的信号。）,3.锁相放大技术的四个基本环节：通过调制或斩光，将被测信号由零频范围转移到设定的高频范围内。检测系统变成交流系统；在调制频率上对有用信号进行选频放大；在相敏检波中对信号解调。同步解调作用截断了非同步噪声信号，使输出信号的带宽限制在极窄的范围内；通过低通滤波器对检波信号进行低通滤波。,4.特点：要求对入射光束进行斩光或光源调制，适用于调幅光信号的检测；
5、极窄带、高增益放大器，增益可达1011，带宽窄到0.0004Hz；交流直流信号变换器；可以补偿光检测中的背景辐射噪声和前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。,二.取样积分器（Boxcar平均器）,取样积分器(Boxcar)，是一种微弱信号检测系统。它在原理上是很古老的，它利用周期性信号的重复特性，在每个周期内对信号的一部分取样一次，然后经过积分器算出平均值，于是各个周期内取样平均信号的总体便展现了待测信号的真实波形。因为信号提取(取样)是经过多次重复的，而噪声多次重复的统计平均值为零，所以可大大提高信噪比，再现被噪声淹没的信号波形。,利用取样和平均化技术测定深埋在噪声中的周期性信号的
6、测量装置。根据被测信号的形式可分为定点和扫描测量方式。,A1,A2,门脉冲,门延时,整形器,扫描发生器,输入放大器,取样开关,积分器,输出放大器,输出信号,参考输入,固定触发,输入信号,1.运行步骤：利用检测光脉冲的激励源取得与输入光脉冲同步的触发信号；利用门延时和门脉冲宽度控制单元形成与触发脉冲具有恒定时延或时延与时间成线性关系的可调脉宽取样脉冲串；取样脉冲控制取样开关对连续的周期性变化信号进行扫描取样；积分器对取样信号进行多次线性累加，经过滤波后获得输出信号。,2.特点：适用于由脉冲光源产生的连续周期变化的信号波形测量或单个光脉冲的幅度测量。需要有与光脉冲同步的激励信号；是一个取样放大器，
7、在每个信号脉冲周期内只取一个输入信号值；在多次取样过程中，门积分器对被测信号的多次取样值进行线性叠加，而对随机噪声是矢量叠加，所以对信号有恢复和提取作用；在测量占空比小于50的窄脉冲光强度下，信噪比好于锁相放大器；用扫描方式测量信号波形时能得到100ns的时间分辨率；双通道系统能提供自动背景和辐射源补偿。,三.光子计数系统 一种利用光电倍增管检测光子能量的功能，通过光电子计数方法测量极微弱光脉冲信号的装置。1.类型：基本的光子计数系统(主要介绍)源补偿的光子计数系统 背景补偿的光子计数系统,PMT,比例计,计数器,数模转换器,放大器,光子,参考电压,光子脉冲,噪声,计数脉冲,鉴别器,模拟输出,
8、数字输出,模拟输出,基本的光子计数系统,入射到光电倍增管阴极上的光子引起输入信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。计算出一定时间间隔内的计数值，以数字和模拟形式输出。,2.基本过程：用光电倍增管检测弱光的光子流，形成包括噪声信号在内的输出光脉冲；利用脉冲幅度鉴别器鉴别噪声脉冲和多光子脉冲，只允许单光子脉冲通过；利用光子脉冲计数器检测光子数，根据测量目的，折算出被测参量；为补偿辐射源或背景噪声的影响，可采用双通道测量方法。,3.特点：只适于极弱光测量，不能测量包含许多光子的短脉冲强度；良好的信噪比；必需选择带有制冷器的光电倍增管；不用数模
9、转换即可提供数字输出。,9.2 光电开关及光电断续器,从原理上讲，光电开关及光电断续器没有太大的差别，都是由红外线发射元件与光敏接收元件组成，其光电检测的输出的是开关量。只是光电断续器是整体结构，其检测距离只有几毫米至几十毫米，而光电开关的检测距离可达几米至几十米。,一、光电开关的结构和分类,光电开关可分为遮断型和反射型两大类。遮断型光电开关的发射器和接收器相对安放，轴线严格对准。当有物体在两者中间通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个负脉冲信号。遮断型光电开关的检测距离一般可达十几米，对所有能遮断光线的物体均可检测。,遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光
10、发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,光电开关在 流水线上的应用,送料器,落料口,遮断式光电开关（计数）,光幕,两个柱形结构相对而立，每隔数十毫米安装一对发光二极管和光敏接收管，形成光幕，当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号。,当有物体遮挡住光线时，传感器发出报警信号，起保护、预警等作用。,光线被遮断（报警）,光幕应用,光幕应用（续）,产品高度测量,光幕应用（续）,光幕应用（续）,光幕应用(续),安全区示警,反射型光电开关,反射型光电开关分为两种情况：反射镜反射型及被测物漫反射型（简称散
11、射型）。,反射镜反射型光电开关采用较为方便的单侧安装方式，但需要调整反射镜的角度以取得最佳的反射效果。反射镜通常使用三角棱镜，它对安装角度的变化不太敏感，有的还采用偏光镜，它能将光源发出的光转变成偏振光（波动方向严格一致的光）反射回去，提高抗干扰能力。,反射型光电开关及反射镜外形,三角反射镜,集发射、接收器于一身,反射镜反射型光电开关工作原理,反射镜反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体，与反射镜相对安装配合使用。反射镜使用偏光三角棱镜，能将发射器发出的光转变成偏振光反射回去，光接收器表面覆盖一层偏光透镜，只能接受反射镜反射回来的偏振光。,反射板,反射镜,被测物体,偏振光,发射光,被测物漫反
12、射型光电开关原理,漫反射光线,反射光线,被检测物体,光发射器和光接受器,发射光线,漫反射型光电开关集光发射器和光接受器于一体。当被测物体经过该光电开关时，发射器发出的光线经被测物体表面反射由接受器接受，于是产生开关信号。,额定距离,漫反射型光电开关的应用,调制型光电开关原理,光电开关的LED多采用中频（40kHz左右）窄脉冲电流驱动，从而发射40kHz调制光脉冲。相应地，接收光电元件的输出信号经40kHz选频交流放大器及专用的解调芯片处理，可以有效地防止太阳光、日光灯的干扰，又可减小发射LED的功耗。,智能化自学习型光电开关,常规反射型光电开关的动作距离是不变的（与型号有关），当检测流水线上的
13、漫反射物体时，必须调节安装距离，十分不方便。自学习型光电开关上设置了一只阈值开关，当流水线上的被检测物体到达光电开关面前时，按下阈值开关数秒，待“学习”指示灯闪亮停止后，内部的微处理器就记住了两者之间的距离，就能在一定的允许范围内，可靠地对之后来到的被检测物体作出反应。当流水线上的被检测品种改变时，只需再次“学习”，而不必调节机械安装螺丝。,表面反射率,对于漫反射式光电开关发出的光线需要被检测物表面将足够的光线反射回接收器，所以检测距离和被检测物体的表面反射率及粗糙程度将决定接收器接收到光线强度，被检测物体的表面还应尽量垂直于光电开关的发射光线。,二、光电断续器,光电断续器也可分为遮断型和反射
14、型两种。遮断型光电断续器也称为槽式光电开关，通常是标准的U字型结构。其发射器和接收器做在体积很小的同一塑料壳体中，分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，两者能可靠地对准，为安装和使用提供了方便。当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生表示检测到的开关量信号。槽式光电开关比较可靠，较适合高速检测。,反射式光电断续器,光电断续器是较便宜、简单、可靠的光电器件。它广泛应用于自动控制系统、生产流水线、机电一体化设备、办公设备和家用电器中。光电断续器的发光二极管可以直接用直流电驱动，亦可用40kHz尖脉冲电流驱动；红外LED的正向压降约为1.11.3V，驱动电流控制在20mA以内。,光电断续器外
15、形,红色光柱,齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,光电断续器的应用,n,光电断续器的应用（续）,9.3 条形码技术,条码是由一组按特定规则排列的条、空及其对应字符组成的表示一定信息的符号。利用光电转换能将条形码图形信息转换成计算机能处理的二值化数值，从而为计算机识别。最早出现于20世纪40年代，是一种同心圆环代码，称作“公牛眼”条码。,条码识读系统的组成1.概述条码识读系统是由扫描系统、信号整形、译码三部分组成。,扫描系统由光学系统及探测器即光电转换器件组成，它完成对条码符号的光学扫描，并通过光电探测器，将条码条空图案的光信号转
16、换成为电信号。信号整形部分由信号放大、滤波、波形整形组成，它的功能是将条码的光电扫描信号处理成为标准电位的矩形波信号，其高低电平的宽度和条码符号的条空尺寸相对应。译码部分一般由嵌入式微处理器组成，它的功能就是对条码的矩形波信号进行译码，其结果通过接口电路输出到条码应用系统中的数据终端。,条码符号的识读原理条码符号是由宽窄不同，反射率不同的条、空按照一定的编码规则组合起来的一种信息符号。条码识读是利用“色度识别”和“宽度识别”兼有的二进制赋值方式。色度识别是由于条码符号中条、空对光线具有不同的反射率，从而使条码扫描器接受到强弱不同的反射光信号，相应地产生电位高、低不同的电脉冲。宽度识别是由条码符
17、号中条、空的宽度来决定电位高、低不同的电脉冲信号的长短。,由光源发出的光线经过光学系统照射到条码符号上面，被反射回来的光经过光学系统成像在光电转换器上，使之产生电信号。整形电路的脉冲数字信号经译码器译成数字、字符信息。它通过识别起始、终止字符来判别条码符号的码制及扫描方向；通过测量脉冲数字电信号0、1的数目来判别条和空的数目；通过测量0、1信号持续的时间来判别条和空的宽度。,条码识读器的分类(1)从扫描方式来分类 条码识读设备从扫描方式上可分为接触和非接触两种条码扫描器。接触式识读设备包括光笔与卡槽式条码扫描器；非接触式识读设备包括CCD扫描器和激光扫描器。(2)从操作方式来分类 条码识读设备
18、从操作方式上可分为手持式和固定式两种条码扫描器。,(3)按识读码制的能力来分类 条码扫描设备从原理上可分为光笔、CCD、激光和拍摄四类条码扫描器。(4)从扫描方向来分 条码扫描设备从扫描方向上可分为单向和全向条码扫描器。其中全向条码扫描器又分为平台式和悬挂式。常用的条码识读设备主要有：CCD扫描器、激光手持式扫描器和全向激光扫描器三种。,常用识读设备 1激光枪激光扫描器的扫描方式有单线扫描、光栅式扫描和全角度扫描三种方式。,2CCD扫描器这种扫描器主要采用了CCD(Charge Coupled Device)-电荷耦合装置。CCD元件是一种电子自动扫描的光电转换器，也叫CCD图像感应器。它可以
19、代替移动光束的扫描运动机构，不需要增加任何运动机构，便可以实现对条码符号的自动扫描。一种是手持式CCD扫描器，另一种是固定式CCD扫描器。这两种扫描器均属于非接触式，只是形状和操作方式不同，其扫描机理和主要元器件完全相同。,9.4 光电测绘技术,一、波带板激光准直激光准直的方法利用激光方向性好的特点，将激光束通过望远镜系统射出，在需要准直的点上用光电探测器接收；利用激光相干性好的特点，在望远镜前加设一个波带板，此时在望远镜前的一段距离内，可观察到由波带板衍射效应所形成的衍射图样，衍射图样中心光斑的连续，就是仪器所给的准直线，它适用于长距离、高精度的准直测量。,系统组成（1）激光器点光源：采用小
20、功率单模He-Ne立体激光器，输出为高斯光束，并在一般场合下加有针孔光栏，直接约为0.10.5mm。（2）波带板：根据菲涅耳衍射原理设计，透光带或遮光带边缘具有很高的位置精度，且透光部分有很好的透光性能，常为圆形波带板。通常利用电化学工业在金属薄板上形成透光孔而得到波带板图案。（3）光电接收装置：具有很高放大倍率的电子线路，一般采用调制光源以及相应的带有选频放大的光电接收装置。,位移传感器,ND,控制器,K,位移计,显示器,接收头,自动准直测量的接收装置,当波带板成像照射在接收头上偏离中心时，接收头就有差动信号输出，经放大器放大后，再经过功率放大，推动可逆电机。可逆电机由丝杆接收头连接，使接收
21、头向波带板成像中心一定，直至没有差动信号输出才停止。在接收头上装有位移传感器，接收头一定时，位移传感器将位移量转换成电信号，经过位移计处理，由显示器显示位移值。,应用激光铅垂仪：定铅垂线的仪器，用在矿山竖井测量投射垂线方向等；激光导向仪：进行定向控制的仪器，当需定向的工作机械等上装有光电接收器时，通过自动控制系统可使工作机械等恢复到原位；激光水准仪等：利用激光准直线定水平或水平面的仪器；激光经纬仪：进行角度坐标测量定向准直测量的仪器。,二、光电测距 它是以光为发射源，利用光波传播的距离等于光速与传播时间的乘积这一基本原理进行测距的。（一）脉冲法激光测距仪（二）相位法激光测距仪（三）超高频及多波
22、相位测距仪,9.5 其它应用,1 在生活中的应用 衣、食、住、行2 在安全及军事方面的应用 安全方面的应用，军事方面的应用3 在工业方面的应用 光束检测，红外成像检测，激光检测4 在农业方面的应用,自20世纪初以来，光电检测系统在人类生活中扮演了举足轻重的角色。有了光电检测技术，人类首次准确地测量了地月距离；随着光电探测技术的发展，人类甚至可以操纵单个原子 光电子技术的每一次突破，都对人类的生活或科学研究带来了冲击性的影响。没有光电检测技术，就不会产生复印机和数码相机的诞生；没有光电检测技术，我们甚至连有声电影都看不到,光电检测技术作为现代信息技术的前端，它的发展依赖新的检测原理、并靠不断创新的工艺和材料来实现。光电检测技术直接推动了光电子材料的发展，促进了先进制造技术的发展，创造了亚微米、深亚微米集成电路，对地球科学和人居环境也有一定的影响。在过去的二十年中，光电检测系统在科学研究、工业、农业、国防和军事、资源与环境、林牧渔业等行业中，都取得了长足的发展。,
