光电传感与检测技术 教学课件 江晓军 第3章　光电检测系统

光电传感与检测技术 第3章 光电检测系统 3.1 光电检测系统概述 3.2 光电检测方法及系统设计 3.3 光电信号与计算机的接口技术 3.4 光电检测电路举例 3.1 光电检测系统概述 图3-1 光电检测系统的组成框图 3.2 光电检测方法及系统设计 3.2.1 光电检测系统中的常见光源及选用 3.2.2 光电检测中的光学系统 3.2.3 光信号的调制检测 3.2.4 光电信号的检测方法 3.2.5 光电检测信号的偏置放大 3.2.1 光电检测系统中的常见光源及选用 1. 光源类型 2. 光源的选用 1. 光源类型 (1) 热辐射光源 (2) 气体放电光源 (3) 半导体发光器件 (4) 激光光源及其种类 (1) 热辐射光源 物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。 常见的热辐射光源有白炽灯和卤素灯。 1) 白炽灯 白炽灯是一种典型的热辐射光源。 2) 卤素灯 在白炽灯中充入卤族元素或卤化物的灯就是卤素灯 ，它的发光原理与白炽灯一样，只是由于在这类灯中充入了 一定量的碘、溴等卤族元素，因而灯丝的工作温度就可提高 ，且具有较高的发光效率和较长的使用寿命。 (2) 气体放电光源 气体放电光源的发光原理是两电极间的气体受电子激发而发光。 白炽灯的光谱是连续的，而气体放电灯的光谱是不连续的，它与 气体或金属的种类及放电条件有关。 根据充气压力的不同，气体放电光源可分为低压气体放电灯，如 荧光灯(低压汞灯)、低压钠灯；还有高压气体放电灯，如荧光高 压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯。低压汞 灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源，统称为 光谱灯。 (3) 半导体发光器件 发光二极管具有如下特点：工作电压低(1.52V)，耗电 少(10mA下即可在室内得到适当的亮度)；可通过调节电 流或电压来对发光亮度进行调节，且响应速度快，并可直 流驱动；比普通光源的单色性好；发光亮度和发光效 率均较高；容易与集成电路配合使用；体积小，重量 轻，抗冲击，耐振动，寿命长。 1）发光二极管的工作原理 2）发光二极管的极限参数 3）发光二极管的光谱特性 4）发光二极管的伏安特性 5）发光二极管的发光特性 (3) 半导体发光器件 图3-2 半导体发光二极管 a) 结构简图 b) 符号 1）发光二极管的工作原理 图3-3 LED的工作原理 表3-1 常见的发光二极管材料及性能 1）发光二极管的工作原理 2）发光二极管的极限参数 发光二极管的极限参数包括：允许功耗Pm：允许加于 LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超过 此值，LED发热、损坏。最大正向直流电流IFm：允许加 的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。最大 反向电压VRm：所允许图3-4 GaP绿色发光二极管的光谱 分布加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可能被击 穿损坏。工作环境温度topm：发光二极管可正常工作的 环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极管将不 能正常工作，效率大大降低。 3）发光二极管的光谱特性 图3-4 GaP绿色发光二极管的光谱分布 4）发光二极管的伏安特性 图3-5 发光二极管的伏安特性 5）发光二极管的发光特性 图3-6 发光二极管的发光特性 (4) 激光光源及其种类 图3-7 激发与受激辐射过程 a) 自发辐射过程 b) 受激辐射过程 (4) 激光光源及其种类 图3-8 激光器构成图 (4) 激光光源及其种类 图3-9 内腔式氦氖激光器 (4) 激光光源及其种类 图3-10 外腔式氦氖激光器 (4) 激光光源及其种类 图3-11 C 激光器的结构图 (4) 激光光源及其种类 图3-12 红宝石激光器原理图 (4) 激光光源及其种类 图3-13 砷化镓同质结二极管 激光器结构图 2. 光源的选用 (1) 对光源光谱特性的要求 (2) 对光源发光强度的要求 (3) 对光源稳定性的要求 (4) 其他因素 (1) 对光源光谱特性的要求 图3-14 光谱匹配光系图 (2) 对光源发光强度的要求 为确保光电检测系统正常工作，对光源的发光强度有一定要求。 发光强度过低，系统获得的信号将过小，无法进行正常检测；而 发光强度过高，将会导致系统工作的非线性，甚至可能损坏系统 ，或导致能源的浪费。因此，在系统设计时，应对探测器所获得 的光通量进行正确估计，根据使用要求及探测器的性能来综合考 虑光源的发光强度。 (3) 对光源稳定性的要求 不同的光电检测系统对光源的稳定性有不同的要求。如：脉冲量 的检测和调制光相位的检测，对光源的稳定性要求不高，只要确 保不因光源波动而发生错漏即可；而光强、亮度、照度等的检测 对光源稳定性的要求就很严格。在系统设计时，应根据实际需求 ，即保证满足精度要求，又考虑造价，不因过分要求而使用昂贵 的设备。 (4) 其他因素 在光电检测系统中，发光面的形状和尺寸、光源的结构、光源的 供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方便程 度以及价格等因素，都可能影响到整个系统的最终效果，在设计 时也应该按系统要求给予满足。 3.2.2 光电检测中的光学系统 1. 显微光学系统 2. 望远光学系统 1. 显微光学系统 (1) 显微镜的光学系统的组成 (2) 显微镜的成像原理 (3)显微镜系统中的光束限制 (4)显微镜的重要光学技术参数 (1) 显微镜的光学系统的组成 图3-15 人眼直接观察物体时的示意图 (2) 显微镜的成像原理 图3-16 放大镜的工作原理 (2) 显微镜的成像原理 图3-17 显微镜成像原理图 (3)显微镜系统中的光束限制 图3-18 光学系统中的光束限制 (3)显微镜系统中的光束限制 图3-19 显微镜系统光路 (3)显微镜系统中的光束限制 图3-20 非物方远心光路测量系统 (3)显微镜系统中的光束限制 图3-21 物方远心光路 (4)显微镜的重要光学技术参数 图3-22 景深的形成原理 2. 望远光学系统 (1)望远光学系统的成像原理 (2)望远镜的分类 (3)望远镜的主要参数 图3-23 望远系统的成像原理图 (1)望远光学系统的成像原理 图3-24 开普勒望远镜原理图 (1)望远光学系统的成像原理 图3-25 开普勒望远镜原理图 (1)望远光学系统的成像原理 (2)望远镜的分类 图3-26 折射望远镜示意图 (2)望远镜的分类 图3-27 牛顿望远镜光路图 (2)望远镜的分类 图3-28 卡塞格林望远镜光路图 (2)望远镜的分类 图3-29 格雷果里望远镜光路图 (2)望远镜的分类 图3-30 施密特望远镜光路图 (2)望远镜的分类 图3-31 马克苏托夫望远镜光路图 (3)望远镜的主要参数 1)物镜的口径 2)分辨角 3)视场角 4)视角放大率 5)景深 3.2.3 光信号的调制检测 1. 光调制的基本概念 2. 光信号的调制方法 3. 磁光调制原理 1. 光调制的基本概念 (1)振幅调制 (2)频率调制和相位调制 (3)强度调制 (4)脉冲调制 (5)脉冲编码调制 (1)振幅调制 图3-32 调幅波频谱 (2)频率调制和相位调制 调频或调相就是光载波的频率或相位随着调制信号的变化 规律而改变的振荡。 图3-33 强度调制 (3)强度调制 (3)强度调制 强度调制是使光载波的强度(光强)随调制信号规律变化的激光振 荡，如图3-33所示。光束调制多采用强度调制形式，这是因为接 收器一般都是直接响应其所接收的光强。 (4)脉冲调制 图3-34 脉冲调制形式 a) 调制信号 b) 脉冲幅度调制 c) 脉冲宽度调制 d) 脉冲频率调制 e) 脉冲位置调制 (5)脉冲编码调制 这种调制是把模拟信号先变成电脉冲序列，进而变成代表信号信 息的二进制编码，再对光载波进行强度调制。要实现脉冲编码调 制，必须进行三个过程：抽样、量化和编码。 1)抽样 抽样就是把连续信号波分割成不连续的脉冲波，用一定 的脉冲列来表示，且脉冲列的幅度与信号波的幅度相对应。 2)量化 量化就是把抽样后的脉幅调制波做分级取“整”处理，用 有限个数的代表值取代抽样值的大小。 3)编码 编码是把量化后的数字信号变换成相应的二进制码的过 程。 2. 光信号的调制方法 (1)电光调制器 (2)声光调制器 (1)电光调制器 图3-35 纵向电光强度调制器的结构图 (1)电光调制器 图3-36 电光调制特性曲线 (1)电光调制器 图3-37 横向电光强度调制 (1)电光调制器 图3-38 电光相位调制原理图 (1)电光调制器 图3-39 电光调制器的等效电路图 (1)电光调制器 图3-40 调制器的并联谐振回路 (2)声光调制器 图3-41 声光调制的原理 3. 磁光调制原理 图3-42 磁光体调制器的组成 3.2.4 光电信号的检测方法 1. 直接检测 2. 外差检测 1. 直接检测 (1)直接检测系统的组成 (2)直接检测系统的基本特征 (1)直接检测系统的组成 图3-43 直接检测系统的构成框图 (2)直接检测系统的基本特征 (2)直接检测系统的基本特征 2. 外差检测 (1)外差检测系统的构成 (2)外差检测的基本原理 (1)外差检测系统的构成 图3-44 外差检测系统的构成框图 3.2.5 光电检测信号的偏置放大 (1)前置放大器的设计步骤 (2)放大器频率及带宽的确定 3.2.5 光电检测信号的偏置放大 图3-45 探测器与偏置电路的等效 a) 恒压源 b) 恒流源 (1)前置放大器的设计步骤 1)测量或计算光电探测器及偏置电路的源电阻RS。 2)从噪声匹配原则出发，选择前置放大器第一级的管型。 3)在管型选定后，第一、第二级采用噪声尽可能低的器件，按照 最佳源电阻的原则来确定管子的工作点，并进行工作频率、带宽 等参量的计算及选择。 (2)放大器频率及带宽的确定 1)根据所采用的光电探测器的噪声谱和选定放大器的典型噪声谱 ，确定工作频率。 2)光电检测系统中按照白噪声的特点，工作频率选定后，应尽可 能减小电路的频带宽度，这是减小噪声影响的重要措施，可采用 选频放大、锁相放大等技术。 3)当信号频率在一定范围内变化，不能选用固定频率的窄带滤波 方式工作时，除确定必要的窄带外，可采用设计选通积分器的方 法来抑制噪声。 4)在某些系统如脉冲系统中，为保持信号的波形，必须采用频带 宽度较宽的处理电路，电路系统的频率特性由滤波器带宽决定。 图3-46 探测器噪声的频率特性 a) 典型探测器的噪声谱 b) 晶体管噪声系数的频率特性 (2)放大器频率及带宽的确定 3.3 光电信号与计算机的接口技术 3.3.1 单元光电信号的处理与数据采集 3.3.2 光电单元信号与计算机的接口技术 3.3.3 光电单元信号与单片机的接口技术 3.3.1 单元光电信号的处理与数据采集 1.单元光电信号的二值化处理 2. 单元光电信号的A/D数据采集 1.单元光电信号的二值化处理 (1)固定阈值法二值化处理 (2)浮动阈值法二值化处理 (1)固定阈值法二值化处理 图3-47 固定阈值法二值化处理电路 (2)浮动阈值法二值化处理 图3-48 浮动阈值法二值化处理电路 2. 单元光电信号的A/D数据采集 (1) A/D转换器及其工作原理 (2)光电信号的A/D数据采集 (1) A/D转换器及其工作原理 图3-49 逐次逼近式ADC的内部框图 (1) A/D转换器及其工作原理 图3-50 双积分式ADC转换原理图 (1) A/D转换器及其工作原理 图3-51 V/F式ADC原理图及其输出波形 a) 原理电路 b) 工作时各点波形 (1) A/D转换器及其工作原理 图3-52 三位并行ADC转换原理电路 (2)光电信号的A/D数据采集 图3-53 用于高速检测某点光照度的数据采集系统原理框图 3.3.2 光电单元信号与计算机的接口技术 1. ADC与计算机的接口技术 2. ADC与计算机连接应遵循的接口原则 3. 八位ADC芯片与CPU的接口 4. DAC与计算机的接口技术 1. ADC与计算机的接口技术 图3-54 ADC与计算机的连接 2. ADC与计算机连接应遵循的接口原则 (1)数据输出接口 (2)ADC芯片与微型机接口中的时序配合 (3)ADC数据输入方式 3. 八位ADC芯片与CPU的接口 (1)ADC0809的内部逻辑结构 (2)信号引脚 (3)ADC0809与CPU的接口 (1)ADC0809的内部逻辑结构 图3-55 ADC0809内部逻辑结构 (1)ADC0809的内部逻辑结构 表3-2 通道选择表 (2)信号引脚 图3-56 ADC0809引脚排列图 (3)ADC0809与CPU的接口 图3-57 ADC0809与CPU的接口 4. DAC与计算机的接口技术 1)AD7522的结构 这种芯片的功能部件框图如图3-59所示，其引 脚功能见表3-3。 2)CPU与AD7522接口举例 AD7522为十位DAC，当它与八位的 微处理器CPU接口时，必须进行输入数据的两级缓冲锁存。 4. DAC与计算机的接口技术 图3-58 DAC芯片的简化功能示意图 1)AD7522的结构 图3-59 AD7522的功能部件框图 1)AD7522的结构 表3-3 AD7522引脚功能表 1)AD7522的结构 表3-3 AD7522引脚功能表 2)CPU与AD7522接口举例 图3-60 CPU与AD7522接口 3.3.3 光电单元信号与单片机的接口技术 1. 光电开关量信号与单片机的接口(输入、输出) 2. 光电A/D转换与单片机的接口 1. 光电开关量信号与单片机的接口(输入、输出) (1)简单开关量输出接口 (2)光电耦合器 1. 光电开关量信号与单片机的接口