第6章光电检测技术《机械工程测试技术(第3版)》教学课件

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❖ 2. 相干光源——激光器
▪ 可按激光工作物质的不同，分为气体激光器、固体激光器、半导 体激光器等；
▪ 按工作方式可分为连续工作激光器和脉冲工作激光器； ▪ 按工作波长范围又可分为紫外光激光器、可见光激光器和红外激
光器等
原理: 泵浦源提供外界能量，激光 工作物质产生光增益，谐振腔提供 光学正反馈，形成激光模式
金属电极
入射光
光敏电阻
Ip
Ub
光敏电阻的两端加上偏置电压后， 产生电流
当入射光的光学参数变化
光敏电阻的阻值变化
相应的电流也会发生变化
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▪ 光敏电阻在不受光照时的阻值称“暗电阻”，暗电阻越大越 好，一般是兆欧数量级；
▪ 光敏电阻在受光照时的阻值称“亮电阻”，光照越强，亮电 阻就越小，一般为千欧数量级
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第六章 光电检测技术
❖ 6.1 光电检测器的工作原理
▪ 基于光电子元件的光电效应
▪ 当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时，具有辐射能 量的微粒将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以 附加能量，将光信号转换为电信号，从而实现光电转换。
第六章 光电检测技术
外光电效应
物体内的电子逸出物体 表面向外发射的现象
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❖ 1. 非相干光源——发光二极管
原理：PN结上未加电压时构成一 定的势垒
加上正向偏压时，P区的空穴和N 区的电子就向对方扩散运动，构 成少数载流子的注入，从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴 的复合
一个电子和一个空穴每一次复合， 将释放出一定能量，该能量会以 热能、光能的形式辐射出来
特点： 发光二极管可利用交流供电或 脉冲供电获得调制光或脉冲光，调制 频率可达到几十兆赫
▪ 相干光检出被测信息时需要利用光波相干原理。
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❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用
▪ 定义：将待测光信号直接入射到光电检测器件光敏面上 ▪ 光电检测器件输出的电流或电压与光信号的辐射强度有关 ▪ 特点：不需要稳定的激光频率，光路设计上也不需要精准的
准直 ▪ 简单而又实用的测量方法
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❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用 ❖ 1. 转速测量
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光电流随入射光强度的 变化而相应变化
光的强度越大，反向电 流也越大
▪ 光敏三极管又称光电三极管 ▪ 有两个PN结，具有电流增益，比光敏二极管灵敏度高。
当光线透过光孔照到发 射极和基极之间的PN 结时，就能获得较大的 集电极电流输出
输出电流的大小随光wenku.baidu.com 强度的增强而增加
灵敏度与入射光的方向 有关
应保持光源与光敏晶体 管的相对位置不变
• 与入射辐射能量相匹配
• 与光信号的调制形式、 信号频率及波形相匹配
• 与输入电路以及后续电 路在电特性上相互匹配
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❖ 6.2 典型光电检测方法及系统应用
光
被
光
光
电 信
存储
光 源
学
测
系
对
统
象
学
电
号
变
转
处
显示
换
换
理
控制
需要可以产生光信号的光源，才可把被测信号加载于光载波以便测量
简单介绍作为光源的发光器件 根据光电变换中光的调制方式不同，介绍两类光电测量系统及其应用
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❖ 6.2.1 光源及其特性
▪ 相干光源的波长范围极窄，近单色光源（激光） ▪ 非相干光源是除激光光源以外的其他光源
❖ 1. 非相干光源——发光二极管
▪ 热辐射光源（白炽灯、卤钨灯等）、气体放电光源（汞灯、 脉冲氙灯等）、固体发光光源（发光二极管）
▪ 发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光 的一种半导体光源
一般光敏电阻的光照特 性呈非线性， 光敏电阻常用在开关电 路中作光电信号变换器。
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▪ 光敏二极管 ▪ 由一个PN结组成的半导体器件，单方向导电特性
原理：入射光照射在内 部PN结管芯，PN结具 有单向导电性，
当无光照时，电路中有 很小的反向饱和漏电流， 此时相当于光敏二极管 截止
当有光照射时，PN结 区域受光子的轰击，反 向饱和漏电流大大增加， 称为光电流
测速范围可达每分钟 几十万转，对被测轴 无干扰
射光式转速测量系统
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透射光式转速测量系统
43
8 2
1
光电三极管上输出与转速成比例的电脉
冲信号，其脉冲频率正比于转轴的转速
和白色条纹的数目
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脉冲信号的频率正比于转轴的 转速和多孔圆盘的透光孔数
“十三五”国家重点出版物出版规划项目
机械工程测试技术
Measurement Technology in Mechanical Engineering 第3版
授课院校
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第六章 光电检测技术
❖ 测量精度高、速度快、非接触、频带宽和信息量大 ❖ 在机械工程测试技术中应用非常广泛。
❖ 本章大纲
▪ 介绍光电检测器工作原理及其性能 ▪ 介绍光电检测技术在机械工程中的应用 ▪ 电荷耦合器件工作原理及其在图像检测中应用 ▪ 光纤传感器技术
内光电效应
物质内部电子能量状态 产生变化
光电管、光电倍增管
光电导效应 光生伏特效应
光敏电阻 光敏二极管/三极管
光电池
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第六章 光电检测技术
❖ 6.1.1 常用光电检测器的工作原理
▪ 光电管
球形或圆柱形玻璃壳抽成真空， 在半球面内或圆柱面内涂一层光 电材料作为阴极，球心或圆柱中 心放置金属丝作为阳极
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▪ 光电池 ▪ 光电池有一个大面积的PN结，当光线照射到PN结上时，便在
结两端出现电动势
▪ 这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应
电极引线(-)
半透明金属电极 N型硒化镉
PN结
P型硒
电极引线(+)
光电池在应用中常用作电流源
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❖ 6.1.2 光电检测器性能比较
选择要点
• 与辐射信号源及光学系 统的光谱特性相匹配
阴极电子逸出金属表面， 形成电子发射
电子被阳极吸引
产生电流
必须在其阴极与阳极之间 加上电势，使阳极的电位
高于阴极
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▪ 光电倍增管 ▪ 将微弱的光信号转换成可测电信号 ▪ 二次发射得到倍增放大，收集作为信号输出
探测紫外、可见和近红外区，具有极高的灵敏度和极低的噪声
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▪ 光敏电阻 ▪ 原理：半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小
特点：激光具有很好的单色性、高 亮度、方向性、相干性以及随时间、 空间的可聚焦性
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❖ 6.2.2 非相干光电检测方法及应用
❖ 非相干光电检测方法和相干光电检测方法
▪ 无论光源是非相干光源或是相干性好的激光光源，非相干光 电检测方法都是利用光源出射光束的强度携带被测信息
▪ 相干光电检测方法则是利用光波的振幅、频率、相位来携带 被测信息