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常用信息检测系统 莫尔条纹具有如下特点 1 放大作用 用Bmm表示莫尔条纹的宽度P mm 表示栅距 rad 为光栅线纹之间的夹角 莫尔条纹宽度B与角成反比越小放大倍数越大 2 均化误差作用 莫尔条纹是由光栅的大量刻线共同组成例如200条mm的光栅10mm宽的光栅就由2000条线纹组成这样栅距之间的固有相邻误差就被平均化了消除了栅距之间不均匀造成的误差 3 莫尔条纹的移动与栅距的移动成比例 当光栅尺移动一个栅距P 时莫尔条纹也刚好移动了一个条纹宽度B只要通过光电元件测出莫尔条纹的数目就可知道光栅移动了多少个栅距工作台移动的距离可以计算出来 2光电直接探测在遥感方面的应用 3 光电直接探测在监测环境污染 方面的应用 52 光外差探测系统 53 光纤传感器检测系统 二光纤的特性 四光调制与解调技术 光调制就是将一个携带信息的信号叠加到载波光波上完成这一过程的器件称为调制器 调制器能使载波光波的参数随外加信号变化而变化这些参数包括光波的振幅位相频率偏振波长等承载信息的调制光波在光纤中传输再由光探测器系统解调然后检测出所需要的信息 1强度调制与解调 原 理 利用光在微弯光纤中强度的衰减原理将光纤夹在两块具周期性波纹的微弯析构成的变形器中构成调制器从波导理论的观点来看当光纤发生弯曲时传输光会有一部分泄漏到包层中去这种泄漏是光纤内发生模式耦合的结果这些耦合模变为辐射模造成传播光能量的损耗 纤芯中的光向包层逸出的原因从几何光学来说是由于全反射条件的破坏造成的从波导理论来说则是光纤的弯曲引起了各种传导模式的耦合则形成耦合模式被送入包层中去产生辐射模 微 弯 调 制 示 意 图 实 际 测 量 框 图 利用这种调制技术可以直接测量位移的变化量 变形器上的变形板位移的大小决定光强的衰减程度 而间接测量的量则可包括温度压力振动应变等 脱 模 器 的 作 用 这里脱模器的作用是在进入探测器之前消除掉进入包层中的光以保证只有纤芯中的光才能传到变形器和探测器 其方法是在几厘米长的包层外边表面上刷上黑漆这就可以以乎完全吸收掉传入包层中的光或者剥去外包层置于折射率匹配的小盒中 其它类型 被测物体移动引起光纤变形 曲率半径随之改变引起辐 射模 其 它 类 型 将光纤绕成多圈螺旋管状增加变形长度以提高灵 敏 度 微 弯 型 水 听 器 多模光纤绕于带有螺纹的铝管螺纹谷内不会发生变形而通过纵向槽的那部分光纤将由于外部压力而变形如果这种压来来自于声波则可依此原理制成水听器 光 强 度 的 外 调 制 技 术 上述微弯调制技术属于内调制属于功能性调制技术它是利用光纤本身特性的改变来实现光调制的 所谓外调制技术是指调制环节发生在光纤以前的部分光纤本身的性质并不改变它只起到传光的作用此时的光纤分为两部分即输入光纤和输出光纤或发送光纤和接收光纤由于接收光强与接收光纤的端面的法向方面有关于是接收光纤的端面可以视为接收信号 反射型光强外调制传感器 a原理 由输入光纤出射的光投射到反射面上其反射光的一部分进入输出光纤进入多少与反射面位置有关 定 量 分 析 反射型光强外调制传感器示意图 检 测 范 围 因此最大检测范围是 即检测位移的范围在 和 之间 遮光型光强外调制技术 上面所言为反射式除此之外还有遮光式一种办法是将发射光纤和接收光纤对准光强调制信号加在移动的遮光板上另一种方法是直接移动接收光纤这两种方式都是使接收光纤只能收到发送光纤发出的部分光从而实现光调制 遮光型光强外调制技术 用这种办法可以测量位移压力温度等物理量这些物理量的变化都可使光强减弱由于闸式要使两光纤距离大一些因此光损耗较大但它可固定两光纤因而使用可靠 折射率光强度调制技术 反射系数式光强调制技术 反射系数与两介质的折射率有关利用折射率的变化来改变反射系数则可达到调制光强的目的下图给出了一种典型装置 调 制 部 分 细 节 调 制 机 理 由光纤左端入射的光一部分沿光路返回到探测器调制机理是 光纤左端有两个反射面其中底面的为全反射面镀膜而成两反射面搭接斜面反射面与折射率为的介质接触调节斜面反射镜的角度使纤芯光经反射后能垂直入射到全反射面上则纤芯光入射到斜反射面时能够部分地透射到的介质中去由费涅尔公式描述 2 偏 振 调 制 与 解 调 许多物理效应都会影响或改变光的偏振状态采用这些效应可设计偏振调制器下面介绍一种典型效应 法拉弟效应磁致旋光效应 法拉弟发现许多物质在磁场的作用下可使穿过它的平面偏振光的偏振方向旋转在光的传播方向上加上强磁场时 实 际 例 子 对于气体 约为 固体和液体 为 的量级 如对于1厘米长的 样品 高斯的磁场 此时 振动面将转动 利用法拉第效应测磁场 实 验 装 置 图 3相位调制与解调 一 利用光相位调制来测量某些物理量的开发应用已有一百多年的历史不过一般以空间作为干涉光路的干涉仪体积大环境条件要求严格调整也困难因此限制了在工业中的应用 光导纤维的出现为光学干涉仪开辟了广阔的天地因为用光纤代替自由空间作为干涉光路有两个突出的优点一是减少了干涉仪安装和校准的固有困难可使仪器小型化块体化二是可以用加长光纤的方法使干涉光路对环境参数的响应灵敏度增加 调 制 原 理 光纤中传导的光其相位变化取决于处界物理量产生的光纤波导的下面三个参数的变化 光纤物理长度的变化 轴向应变伸长热膨胀引起的伸长泊松比变化引起长度伸长 光纤折射系数及分布的变化温度引起光弹效应 光纤横截面几何尺寸的变化压力热膨胀 外施参量与光相位的关系可由被测量产生的光纤参量变化来求得下面以温度来说明外施温度对光纤的热影响是最简单的情况此时可只考虑温度对长度和折射率变化而忽略温度引起的直径变化则 几种干涉测量仪与光纤干涉传感器原理 迈克尔逊干涉仪 单色光经分束器分为光强相等的两束光一束射向固定反射镜然后反射到分束器被其透射部分由探测器接收 另一束入射到可移动反射镜上然后反射回分束器经分束器反射的部分也传到探测器 当光程差小于激光器的相干长度时传到探测器的两束光则产生干涉 迈克尔逊干涉仪示意图 可见可移动反射镜每移动 长度光探测器的输出就从最大值变到最小值再变到最大值变化一个周期如果使用 激光它能检测的位移大致为 即 的位移 马赫泽德干涉仪示意图 与迈克尔逊干涉仪之区别 1 它没有光返回到激光器利于激光 器减少不稳定噪声 2 从分束器向上也可以获得两束光 一为参考光的反射一为信号光的 透射若需要可利用这两束光 获得第二个输出信号 塞格纳克干涉仪 塞格纳克干涉仪的特点 这种干涉仪的特点是激光束分为干涉和透射两束沿相反方向传播最后汇合到分束器回到探测器 在这种干涉仪中任何一块反射镜在垂直表面的方向上移动两束光的光源变化皆相等因此不会在探测器上探测到光强之变化 但是当将此装置置于一个可绕垂直于光束平面轴旋转的平台上时由于塞格纳克效应两束传播方向相反的光就会有不同的延迟 4 法布里珀罗 干涉仪 法布里一珀罗干涉仪的特点 最终探测信号电流为 上式括号中的后三项相当于光频的电流变化光电探测器不能响应如此高频率的变化可以忽略因此上式可简化为 可见通过于涉现象能把光束之间的相位差转变为光强变化当E1 E1 E2时可进步简化为 激光器 固定反射镜 探测器 可移动反射镜 调制器 两相干光的位相差为 式中 为空气中的光传播常数 为两相干光的光程差 固定反射镜 光 源 探测器 可移动反射镜 传感器 定 量 分 析 微弯效应造成的损耗 可写成如下形式 式中 为齿距 为齿数目 为变形幅度 为纤芯半径 为光纤外半径 为内外层折射率差值其中任何一个参数改变都会起到光强调制的作用在实际问题里变形器及光纤参数全部固定时则可认为 探测器 脱 模 器 脱 模 器 脱模器 探测器 输入光纤 输出光纤 反射面 反射镜面的移动方向是与光纤探头端面垂直的反射镜面在其背面距离 处形成输入光纤的虚象因此光强调制作用是与虚光纤和输出光纤的耦合相联系的 设两光纤皆为阶跃折射率光纤芯径为 数值孔径为 两光纤垂直距离为 并定义 2a d 2r 输出光纤 输入光纤的镜像 则当距离 时两光纤的耦合为零无反射光进入输出光纤 当 时两光纤耦合最强输出光强达最大值此时输入光纤的像发出的光维底面积 将输出光纤端面积全部遮盖是一个常数光维底面积为 光闸 输入光纤 输出光纤 光源 探测器 信号处理 调制器 全反射面 其中 为强度反射系数 为入射角可见若 介质由于压力或温度的变化引起 微小变化则会导致反射系数的变化从而导致反射光强的改变利用此原理可设计温度或压力传感器 d 振动面旋转的角度 由经验公式给出 式中 为静磁通量 为光所穿越的媒质长度 是比例因子称费尔德常数一种特定媒质的费尔德常数随频率和温度而变 调制电压 恒定磁场 起偏器 起偏器 线偏振光从左面进入晶体横向的直流磁场使YIG晶体在此方向上引起磁化饱和而总的磁化强度矢量由恒定磁场和线圈磁场所引起可以改变方向它对晶体轴的倾斜角度正比于线圈中的调制电流 因为法拉弟旋转依赖于磁化强度的轴向分量所以线圈电源控制了 角检偏器按照马吕定律把这一偏振调制转换为振幅调制也就是说要传递的信息作为调制电压加在线圈上则出射的激光束以振幅变化的形式携带着信息 这样为了获得更大的法拉弟效应可以将放在磁场中的法拉弟材料做成平行六面体使通光面对光线方向稍偏离垂直位置并将两面镀层反射膜只留入口和出口这样若光束在其间反射 次后出射则有效旋光厚度为 则偏振面的旋转角度将提高 倍 高反射膜 为简化分析假定分析折射率沿其截面分布不变化则光相位调制只由光纤长度折射率大小和横截面尺寸产生 光纤中传播光相位变化可以表示为 轴向长度变化 产生的相位移 折射率变化 产生的相位移 光纤直径变化 产生的相位移 其中 此三个因素中 产生的相移表达式比较复杂与 有关其大小取决于光纤的结构 为光纤轴向应变 相位解调原理 两束相干光束 信号光束和参考光束 同时照射在一光电探测器上光电流的幅值将与两光束的相位差成函数关系 光电探测器对合成光束的强度发生响应设自由空间的阻抗为Zo则入射到光电探测器光敏面Ad的功率为 在直接探测中设光波动的圆频率为 振幅为A则光波f t 写成 平均功率 fs为信号光波fL为本机振荡 本振 光波这两束平面平行的相干光经过分光镜和可变光阑入射到探测器表面进行混频形成相干光场经探测器变换后输出信号中包含 fc fs fL 的差频信号故又称相干探测 入射到探测器上的总光场为 由于光探测器的响应与光电场的平方成正比所以光探测器的光电流为 式中 是光电变换系数为量子效率 h为光子能量c L-s称为差额 上式中第一二项为余弦函数平方的平均值等于12第三项 和频项 是余弦函数的平均值应为零 而第四项 差频项 相对光频而言频率要低得多当差频c 2低于光探测器的截止频率时光探测器就有频率为c 2的光电流输出见MCAD演示 外差探测不仅可探测振幅和强度调制的光信号还可探测频率调制及相位调制的光信号这是外差探测的第一个优点 二光外差探测特性 1转换增益 光探测器输出电流振幅为 在直接探测中输出信号电流的振幅 外差转换增益 由于在外差探测中本机振荡光功率PL比信号光功率大几个数量级所以外差转换增益可以高达107 10 8 由此看出外差探测灵敏度比直接探测灵敏度高107 10 8 倍这是外差探侧的第二个优点 2光谱滤波性能 如果取差频信号宽度c 2 L-s 2为信息处理器的通频带f那么只有与本机振荡光束混频后在此频带内的杂光可以进入系统其他杂光所形成的噪声均被信号处理器滤掉因此外差探测系统中不需要加光谱滤光片其效果甚至比加滤光片的直接探测系统还好得多 外差探测对背景光有强抑制作用这是光外差探测的第三个优点 3外差探测信噪比 如果入射到探测器上的光场不仅存在信号光波Ps还存在背景光波Pb输出信噪比为 说明外差探测的输出信噪比等于信号光波和背景光波振幅的比值输人信噪比等于输出信噪比输出信躁比没有任何损失这是外差探测的第四个优点 但是当本振光功率足够大时本振光产生的散粒噪声远大于其他噪声本振光功率继续增大时由本振光所产生的散粒噪声随之增大从而使光外差探测系统的倍噪比降低 所以在实际的光外差探测系统中要合理选择本振光功率的大小以便得到最佳信噪比和较大的中频转换增益 四光外差探测典型系统 1干涉测量技术 1 激光干涉测长的基本原理 2 激光干涉测长仪的光路没置 该光路中使用角锥棱镜代替了平面反射镜作为反射器一方面避免了反射光束反馈回激光器而对激光器带来的不利影响另一方面由于角锥棱镜的特点使得出射光束与入射光束平行而棱镜绕任一转轴的转动均不影响出射光束的方向当它绕光学中心转动的角度不大时它对光程的影响可以忽赂 角锥棱镜的形状相当于立方体切下来的一个角它的三个内表面作为光学反射面并相互垂直当光从基面入射可在三个直角面上依次反射仍从基面出射出射光线与入射光线总保持平行 3 干涉信号的方向判别与计数 光纤是20世纪后半叶的重要发明之一它与激光器半导体光电探测器一起构成了新的光学技术即光电子学新领域光纤的最初研究是为了通讯由于光纤具有许多新的特性因此在其他领域也发展了许多新的应用其中之一就是构成光纤传感器 一光纤的基本原理 光纤波导的原理 光纤 fiber 传光的纤维波导或光导纤维的简称 纤芯 包层 涂覆层 护套 光纤传光原理 全反射 n1 n2 入射角 法线 n1 n2 临界角 arcsin n2 n1 光纤传光与数值孔径 n0 20 0 n2 n1 数值孔径 n2 n1 多模 阶跃光纤 nr 多模 梯度光纤 n2 n1 单模 梯度光纤 单模光纤和多模光纤 光纤的衰减 或损耗 和色散 或带宽 是描述光纤传输特性的两个重要参量 衰减的概念 由于损耗的存在在光纤中传输的光信号不管是模拟信号还是数字脉冲其幅度都要减小光纤的损耗在很大程度上决定了系统的传输距离 在光纤内传输的光功率P随距离z的变化可以用下式表示 式中是损耗 衰减 系数 设长度为L km 的光纤 输入光功率为Pi输出光功率应为 Po Piexp -L 习惯上的单位用dBkm 损耗 衰减 系数 色散的概念 色散 Dispersion 是在光纤中传输的光信号由于不同成分的光的时间延迟不同而产生的一种物理效应色散一般包括模式色散材料色散和波导色散 模式色散是由于不同模式的时间延迟不同而产生的 它取决于光纤的折射率分布并和光纤材料折射率的波长特性有关 材料色散是由于光纤的折射率随波长而改变以及模式内部不同波长成分的光 实际光源不是纯单色光 其时间延迟不同而产生的这种色散取决于光纤材料折射率的波长特性和光源的谱线宽度 波导色散是由于波导结构参数与波长有关而产生的 它取决于波导尺寸和纤芯与包层的相对折射率差 三光纤传感器分类 光纤传感器按传感原理可分为功能型和非功能型 功能型光纤传感器是利用光纤本身的特性把光纤作为敏感元件所以也称传感型光纤传感器或全光纤传感器 非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量的变化光纤仅作为传输介质传输来自远处或难以接近场所的光信号所以也称为传光型传感器或混合型传感器 光纤传感器按被调制的光波参数不同可分为 强度调制光纤传感器 相位调制光纤传感器 频率调制光纤传感器 偏振调制光纤传感器 波长 颜色 调制光纤传感器 微弯效应光强度调制技术 P 标尺光栅 图5-18 莫尔条纹 设主光栅的节距为P1指示光栅的节距为P2光栅A的刻线方程为 xi i P1 指示光栅B的到线j与t轴交点的坐标为 xj j P2cos 莫尔条纹1是由光栅AB各ij刻线的交点连接而成 所以莫尔条纹的方程是 莫尔条纹 i j 的斜率为 莫尔条纹1的方程可表示为 同样可求得莫尔条纹2和3的方程 由上述三方程可以得出结论莫尔条纹是周期函数其周期T 叫作莫尔条纹的宽度B 2 四倍频细分判向原理 电子细分方式用于莫尔条纹测长中有好几种四倍频细分是普通应用的一种 3 置零信号 要知道测长的绝对数值必须在测长的起始点给计数器以置零信号这样计数器最后的指示值就反映了绝对测量值 顾名思义遥感是从遥远的地方感知测量并识别目标特性的一门科学技术具体说它是从高空 飞机或卫星上 根据物体发射和反射电磁波的差异来探知地物 包括地表层及地层内 的结构 遥感技术目前广泛地用于对地形精确测绘地球资源勘探农作物生长状况监测及军事侦察等方面 遥感技术是一门综合性很强的技术它的发展依赖于光学技术红外技术激光技术计算机技术信息处理技术及国家工业化程度的发展 探测环境污染的程度已是人们十分关心的问题对于大气中的污染物质如COCO2 SO2等有害物质它们对红外辐射都有确定的吸收波段如表51所列利用气体分析仪可调量出它们在空气中的浓度 C02气体分析仪的工作原理 干涉滤光片的透过波长为43um 4脉冲激光测距仪 距离的光电测量主要有两种方法脉冲法测距和相位法测距脉冲激光测距仪在近地面使用时主要的缺点是受气象条件的影响较大 与雷达测距相比 两种方法相比较相位法测距精度更高 1 测距原理 由激光器对被测目标发射一个光脉冲然后接收目标反射回来的光脉冲通过测量光脉冲往返所经过的时间来算出目标的距离 地面炮兵用脉冲激光测距仪 6光电相位测距仪 1 相位测距原理 2 相位测距仪原理 仪器采用半导体发光管作为光源它出射的光通量近似地与注入的驱动电流成正比当驱动电流为某频率的正弦电流时发光二极管输出光通量 光强度 也为正弦变化其初始相位与驱动电流同相 出射光波经发射光学系统准直后射向合作目标由合作目标反射回来的光波经接收物镜后会聚于光电二极管上转换为正弦电压信号 相位计的测量信号相位 相位计的基准信号相位 相位计测得相位差 光外差探侧在激光通信雷达测长测速测振光谱学等方面都很有用其探测原理与微波及无线电外差探测原理相似光外差探测与光直接探测比较其测量精度要高78个数量级 激光受大气湍流效应影响严重破坏了激光的相干性因而目前远距离外差探测在大气中应用受到限制但在外层空间特别是卫星之间通信联系已达到实用阶段 一光外差探测原理 光外差探测与直接探测相比较有许多优点在直接探测中由于光的振动频率高达21013751014Hz振动周期T为510-14 1310 -15 s 可见光到中近红外 而探测器响应时间最短10 -10 s 它只能响应其平均能量或平均功率 51 光电直接探测系统 一光电直接探测系统的基本工作原理 平均光功率为 二光电直接探测系统的特性参数 1直接探测系统的灵敏度 1 模拟系统灵敏度 模拟系统的灵敏度可用信噪比的值来评价系统性能 如果光探测器的入射光功率中包含信号光功率 Ps 和噪声功率 Pn 则光探测器输出电功率为 输出信噪比等于输入信噪比的平方输出倍噪比更低没有实用意义 输出信噪比等于输入信噪比一半 2 数字系统灵敏度 数字系统灵敏度一般用误码率评价它的性能 误码率 只要知道信噪比 的值就可由误差函数中得知误码率的值 2 直接探测系统的极限灵敏度 光伏型及光发射器件的极限灵敏度 称为直接探测系统的极限灵敏度也称量子限灵敏度光学系统接收到的光功率Pdm 有时又把最小可探测功率Pmin称为灵敏度 光导探测器直接探测系统的灵敏度 光导探测器的主要噪声为复合噪声它是一种散粒噪声它和偏置电流成比例因而它的灵敏度与具体使用条件有关但可以肯定光导探测器的极限灵敏度比光伏器件及光电倍增管的极限灵敏度要低所需理想的最小可探测功率大 2直接探测系统的视场角 视场角亦是直接探测系统的性能指标之一它表示系统能观察到的空间范围 半视场角 视场角立体角为 从观察范围即从发现目标的观点考虑希望视场角愈大愈好增大视场角时或增大探测器面积或减小光学系统的焦距这两方面对探测系统的影响都不利 第一增加探测器的面积意味着增大系统的噪声因为对大多数探测器而言其噪声功率和面积的平方根成正比 第二减小焦距使系统的相对孔径加大这也是不允许的另一方面视场角加大后引入系统的背景辐射也增加使系统灵敏度下降 3系统的通频带宽度 频带宽度f 是光电探测系统的重要指标之一探测系统要求f 应保存原有信号的调制信息并使系统达到最大输出功率信噪比 系统按传递信号能力可有以下几种方法确定系统频带宽度 1 等效矩形带宽 令I 为信号的频谱则信号的能量为 2 频谱曲线下降3dB的带宽 代入 3