第9章典型光电测试系统讲解
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光电检测系统
人眼视觉系统
机器视觉系统
• 机器视觉系统最重要的一个局部是图像处 理与决策模块，从逻辑上可分为三阶段： 图像的预处理、特征提取、模式识别和理 解。图像的预处理是将由成像设备获得的 低质量数字图像(反差小、模糊、变形等)经 过噪声过滤、 平滑处理、 图像增强等处理
变成易于进展特征提取等后续操作的过程。 图像特征提取就是从经过底层处理的图像 中提取有利于图像识别和理解的主要特征 量，用有限的特征来描述原始图像中的目
机器视觉技术与无损检测
• 机器视觉是就是用机器代替人眼来做测量 和判断，它在半导体生产、汽车制造、医 药包装等工业生产过程中得到了广泛应用。 在机器视觉系统中，机器视觉产品将被摄 取目标转换成图像信号，传输给图像处理 系统，根据像素分布和亮度、颜色等信息， 转变成数字化信号，图像系统对这些信号 进展各种运算来抽取目标特征，从而得到 感兴趣的目标信息。
• 工业,农业
应用领域
• 军事,航天
• 家庭
• 医学
设计原理
• 随着现代科学技术以及复杂自动控制系统 和信息处理与技术的提高，光电检测技术 作为一门研究光与物质相互作用开展起来 的新兴学科，已成为现代信息科学的一个 极为重要的组成局部。光电检测作为光电 信息技术的主要技术之一，它是以激光、 红外、光纤等现代光电子器件作为根底， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测 器承受光辐射并转换为电信号，由输入电 路、放大滤波等检测电路提取有用信息，
• X射线检测技术主要是获取部件的内部缺陷，
• 〔3〕远距离、大量程：光是最便于远距离 测量的介质，尤其适用于遥控和遥测，如
根据不同的应用对象和用户场 合可采用不同的无损光电检 测技术和相应的检测装置来 实现。
分类
• 红外光谱检测技术 • 拉曼光谱检测技术 • 机器视觉检测技术 • 超声波检测技术 • X射线检测技术 • 电子鼻和电子舌检测技术
光电检测系统课件
光电检测系统在物联网与人工智能领域的应用前景
要点一
总结词
要点二
详细描述
随着物联网和人工智能技术的快速发展，光电检测系统的 应用前景十分广阔。
在物联网领域，光电检测系统可以用于各种传感器的数据 采集，实现远程监控和实时反馈。在人工智能领域，光电 检测系统可以作为机器视觉和图像识别的重要组件，为人 工智能提供更准确、更可靠的数据支持。同时，光电检测 系统还可以与其他技术相结合，如光通信、激光雷达等， 拓展其在物联网和人工智能领域的应用范围。
特点
高精度、高灵敏度、非接触、实时性 等。
光电检测系统的应用领域
工业自动化
用于生产线上的质量检测、测量 和控制。
通信与信息处理
用于光纤通信、光信号处理、光 计算等领域。
医学诊断
用于光谱分析、荧光检测、内窥 镜等医疗设备。
环境监测
用于水质、气体成分、污染物等 的检测和分析。
光电检测系统的发展趋势
高速化
Part
05
光电检测系统的未来展望
新型光电材料与器件的研究与应用
总结词
随着科技的不断进步，新型光电材料与器件的研究与应用成为了光电检测系统发展的重 要方向。
详细描述
新型光电材料如钙钛矿、二维材料等具有优异的光电性能，为光电检测系统的性能提升 提供了新的可能。同时，新型光电器件如光电晶体管、光电传感器等在灵敏度、响应速
02 03
光电效应分类
光电效应分为外光电效应和内光电效应，其中外光电效应是指光子能量 足够大时，将电子从物质表面打出，内光电效应则是光子能量使物质内 部电子跃迁至激发态。
光电效应应用
光电效应在光电检测、光电器件、光电子技术等领域有广泛应用。
光电检测系统原理
光电检测系统原理光电检测系统是一种常用的传感器，广泛应用于自动化控制领域，例如机械加工、纺织、食品处理、生物化学和医疗卫生等。
其原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，通过电路处理后，将电信号转换成机械或其他可控制的信号，实现自动检测和控制。
本文将从光电器件、处理电路、应用领域等方面进行详细介绍。
一、光电器件光电器件是光电检测系统的核心部分，其主要功能是将光信号转化为电信号，其种类包括光敏二极管（PD）、光电二极管（PH）、光励磁二极管（PC）、光电晶体管（PT）、硅光电池（PD）等。
其中，PD是一种光敏半导体器件，应用范围十分广泛。
PD中的光信号通过PN结被掺杂之后，使之成为具有光电特性的二极管，根据入射光信号的强弱，PD产生的电流也随之变化。
PH、PC、PT相比PD更加敏感，其检测范围可以覆盖可见光和红外光谱区域，使用时需要更加谨慎，但其具有相对较高的灵敏度和更快的响应速度，可以满足更高的应用需求。
硅光电池具有较高的光电转换效率，但其使用条件较为苛刻，易受温度变化等环境因素影响。
二、处理电路处理电路是光电检测系统中的第二个核心部分，主要功能是对从光电器件收集的电信号进行处理和放大，以满足后续电路的工作需要。
处理电路一般分为前端电路和后端电路两大部分。
（一）前端电路前端电路是光电检测系统中的第一级信号处理电路，主要由前放电路、驱动电路、滤波电路和保护电路组成。
前放电路的作用是放大从光电器件获得的弱电信号；驱动电路是用于对光电器件进行驱动的电路，使其在有效频率范围内工作；滤波电路则可以用来滤除杂乱的高频或低频信号；最后，保护电路则可以将前端电路和后端电路隔离，防止过高电压或过电流对后续模块造成损害。
（二）后端电路后端电路是对前端电路处理后的信号进行进一步处理和放大的电路，主要由比较电路、微处理器、放大电路、输出电路、计时电路和显示电路组成。
后端处理电路可以根据应用需要设置不同的模块，例如可通过比较电路可以实现对输入信号的阈值比较，以触发输出信号；在微处理器中可以设置一定的软件算法，用于对信号进行更加复杂的处理。
第10章典型光电测试系统
光栅输出信号波形
莫尔条纹测长仪的应用
• 工业自动化中的核心测控部件 • 小型智能化的长度测试仪器，用 于对长度、直径、厚度、表面形 状、粗糙度等多种参数的测量。 • 新一代的计量测试工具 • 某些几何量计量检测仪器的核心 转换系统 • 某些物理量的计量检测仪器的核 心转换系统 • 纳米级测量的重要仪器 • 非接触在线测量控制仪器
φ( x, y) φ( x0 , y0 ) t 2πt /(1/ v)
10.2 激光外差干涉测试技术
②激光外差干涉仪的光源
外差干涉需要双频光源。其频差根据需要选定。 1）塞曼效应He-Ne激光器——可得到1~2MHz的频差
2）双纵模He-Ne激光器——频差约600MHz（较大） 3）光学机械移频
7 6 8 9 振动体
图4-34 双频激光测量振动光路示意图
10.3
典型的光电检测系统
• 你所知道的光电检测 系统??? • 你能讲一讲光电检测 系统??? • 你能评一评光电检测 系统???
典型的光电检测系统
• 直接检测系统（光强调 制）
– 莫尔条纹测长仪 – 激光测距仪 – 环境污染检测系统
B P P 2 tan 2
• 当两光栅沿垂直于栅线的方向 相对移动时，莫尔条纹将沿平 行于栅线的方向移动．光栅每 移动一个节距Ｐ，莫尔条纹移 动一个宽度Ｂ． • 因为θ 很小，放大倍数Ｋ很 大．例如: θ =20’,K=172
斜向条纹
B 1 K P
莫尔条纹测长仪
• 两块光栅：一块为指示光栅与 工作台固定．一块为长光 栅．工作台前后移动的距离由 两块光栅形成的莫尔条纹进行 计数得到．指示光栅相对移动 一个节距，莫尔条纹变化一 周．指示光栅移动的距离为：
第9章典型光电测试系统
4A L cos c
当光路平面垂直于转动ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ向时
4A L c
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积，为角速度矢量与面积A的法线 间的夹角，如图5-19所示。
M L / 2 Ω R CW Ω CCW A
n
9.1.5光谱型信号检测
光源 分光系统 检测 器件 （a） 光源 分光系统 检测 器件
试样
试样 （b） 图2-21 光谱检测的两种典型布局
运用吸收方法实现 光谱检测系统的两 种典型布局如图221（a）和（b）所 示，主要由四个组 成部分，即：光源， 固定或放置被检试 样的容器，分光系 统，检测器件及信 号处理 .
9.2 直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换为 电信号的变化。
9.1光电信号检测种类
(c).遮挡式直接检测方法
光电探测器
(a) 辐射式 (b) 透射式
2 1 2 3 1 2 3
计数产品
1 2 3
1
光源
(c) 遮挡式
3
(d) 反射式
如图5-2所示为光电产品自动计数系统示意图，每个产品经过 成对配置的光源光束和光电探测器时，都实现对光束的一次 遮挡，对应光电探测器的一个脉冲信号，然后通过计数脉冲 个数实现对产品的计数。类似的应用还包括商场出入人数统 计、住宅安全监控报警以及电梯自动启停开关等等.
返回
0
被测
样品 分光
0
PIN
样品 标准
0 0 S1
PIN
差动 或 比较处 理
输出
r
PIN
基准通道
S2
《光电检测技术》全【2024版】
能源与动力工程学院
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
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3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
第章典型光电系统的分析与设计
第章典型光电系统的分析与设计光电系统是一种通过光电传感器将光信号转换为电信号，并通过电路处理这些信号的系统。
光电系统广泛应用于各种领域，如工业自动化、军事装备、医疗器械等。
本章将对典型的光电系统进行分析与设计。
11.1光电系统的基本结构光电系统主要由以下几个部分组成：光源、光电传感器、信号采集电路和信号处理电路。
其中，光源主要的作用是发出一定波长的光信号，光电传感器将光信号转换为电信号，信号采集电路将电信号进行放大和滤波，以保证信号的准确性。
信号处理电路对电信号进行进一步的处理和判断。
11.2光电系统的分析在对光电系统进行分析时，需要考虑以下几个因素：波长、功率、工作距离和信噪比。
11.2.1波长波长是指光的频率，不同的波长决定了光的颜色。
不同的应用领域对波长有不同的要求。
例如，在光电测量中，常常需选择合适的波长来提高测量的精确度。
11.2.2功率光源的功率决定了光电传感器能够接收到的光信号的强度。
功率越大，光电传感器能够接收到的光信号越强，对环境光的干扰也越小。
因此，在实际应用中，需要根据具体情况选择合适的功率。
11.2.3工作距离工作距离是指光电传感器能够传输或接收到光信号的最远距离。
不同的光电传感器具有不同的工作距离。
在设计光电系统时，需要根据实际应用的需要选择合适的工作距离。
11.2.4信噪比信噪比是指光电系统中信号的强度与噪声的比值。
信噪比越大，表示信号的强度越大，噪声越小，信号的可靠性越高。
在设计光电系统时，需要通过合理的电路设计和选择合适的元器件，来提高信噪比。
11.3光电系统的设计光电系统的设计包括光源的选择、光电传感器的选型、信号采集电路的设计和信号处理电路的设计。
11.3.1光源的选择光源的选择需要考虑波长、功率和工作距离等因素。
在实际应用中，可以选择LED光源或激光器作为光源。
LED光源具有波长可调、功率可调和工作距离可调的特点，适用于多种光电系统。
激光器具有高亮度和长工作距离的特点，适用于一些要求较高的光电系统。
《光电检测系统》课件
智能化：通过人工 智能技术实现检测 系统的自主学习和 决策
自动化：通过自动 化技术实现检测系 统的无人值守和自 动运行
集成化：将多种检 测技术集成到一个 系统中，提高检测 效率和准确性
网络化：通过网络 技术实现检测系统 的远程监控和管理 ，提高检测系统的 安全性和可靠性
THANK YOU
汇报人：
光电子的发射：光电子从物体表面发射出来，形成光电流
光电效应的应用：光电效应广泛应用于光电检测系统，如光电倍增管、光电二极管等光电器 件
光电转换器件
光电二极 管：将光 信号转换 为电信号
光电三极 管：将光 信号转换 为电信号， 具有放大 功能
光电池： 将光信号 转换为电 能
光电传感 器：将光 信号转换 为电信号， 用于检测 和控制
优点：结构简单、成本低、易于维护
缺点：对环境光线敏感，需要避免强光照射
反射式光电检测系统
工作原理：利用光电效应，将光信 号转换为电信号
优点：响应速度快，稳定性ห้องสมุดไป่ตู้，抗 干扰能力强
添加标题
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添加标题
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应用领域：广泛应用于工业自动化、 安防监控等领域
缺点：对环境光线敏感，需要定期 校准和维护
添加标题
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添加标题
光电传感器由一个发光二极管和一 个光敏二极管组成，发光二极管发 出光线，光敏二极管接收光线。
报警器接收到报警信号后，发出声 音或灯光报警，提醒人们注意火灾 危险。
光电式转速计的工作原理
光电式转速计主要由光源、光电转换器和信号处理电路组成。 光源发出光束，照射到被测物体上，形成反射光。 光电转换器将反射光转换为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，得到转速信号。 光电式转速计具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。
典型光电测试系统资料
9.1光电信号检测种类
(c).遮挡式直接检测方法
光电探测器
(a) 辐射式 (b) 透射式
2 1 2 3 1 2 3
计数产品
1 2 3
1
光源
(c) 遮挡式
3
(d) 反射式
如图5-2所示为光电产品自动计数系统示意图，每个产品经过 成对配置的光源光束和光电探测器时，都实现对光束的一次 遮挡，对应光电探测器的一个脉冲信号，然后通过计数脉冲 个数实现对产品的计数。类似的应用还包括商场出入人数统 计、住宅安全监控报警以及电梯自动启停开关等等.
9.1光电信号检测种类
(c).遮挡式直接检测方法
Φ1
探测器1 U1 如图5-3所示是一种遮挡 差动 轴 补偿式轴径检测原理图， 放大器 将平行光束Φ 1投射到待 U2 测物体轴上，部分光束 Φ2 被轴径遮挡，被遮挡光 可动 探测器2 强通量的大小反映了待 挡片 指针 测轴径的大小，其后的 可逆 电机 光电探测器1将未经遮挡 刻度尺 的光转化为光电流I1和 相应的负载电压U1。作 为补偿式光强检测结构.
调制光束
驱动
电机 驱动
图5-9 光强正弦调制盘
二.光信号的三种调制方法
• 电光调制(P196):电致晶体双折射 • 声光调制(P199):声学光栅衍射 • 磁光调制(P206):法拉第磁光效应(法拉第磁 旋)
9.1.2光相位型信号检测
固定反射镜 固定反射镜 分束镜2 光电 探测器 激光器 分束镜 测量反射镜 光电 探测器 (a) 迈克尔逊干涉仪 传感器 激光器 分束镜1 测量反射镜
方式分)
• 直接检测？/光外差干涉检测系统？
(相干检测)
9.1光电信号检测种类
按照光信号的强度、相位、偏振、频率和光谱检测属性， 分别讲述光电信号的基本检测方法。 9.1.1光强度型信号检测 可以分为直接检测和调制 检测两种方法 。 一.光强度型光电信号的直 接检测方法：
光电检测系统-PPT
光电检测系统
32
光电检测系统
33
光电检测系统
34
测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受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计算出目标的距离。测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
光电检测系统
光电检测系统
光电检测系统
9
光学变换
几何光学物理光学光电子学将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号改善系统的时间和空间分辨力和动态品质， 提高传输效率和检测精度改善系统的检测信噪比， 提高工作可靠性
光电检测系统
10
主动系统/被动系统(按有无人工光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电检测系统
23
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。 模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。
32
光电检测系统
33
光电检测系统
34
测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受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计算出目标的距离。测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
光电检测系统
光电检测系统
光电检测系统
9
光学变换
几何光学物理光学光电子学将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号改善系统的时间和空间分辨力和动态品质， 提高传输效率和检测精度改善系统的检测信噪比， 提高工作可靠性
光电检测系统
10
主动系统/被动系统(按有无人工光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电检测系统
23
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。 模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。
《光纤通信》课件第9章 光纤通信常用仪表及测试
系统标准是指链路和网络的测试方法。 负责系统 标准的主要组织是美国国家标准协会（ANSI）、 电子 电气工程师协会（IEEE）和ITU T。 对光纤系统的测 试应特别注重的是来自ITU T的测试标准和建议。 目前 已公布的和即将公布的ITU T建议适合于光网络的各个 方面， 包括以下内容：
(1) G.ons建议： “光传送网的网络节点接口”， 包括光层功能开销的定义， 例如传输波长的管理等。
(2) G.872建议: “光传送网的结构”， 公布于1999 年2月。
(3) G.798建议: 给出光网络单元的功能特性。 (4) G.onc建议: “光网络器件和子系统”， 提出了 器件和子系统传输方面的问题， 例如分插复用器和光 交叉连接。
(5) G.983建议: “基于无源光网络的高速光接入系 统”， 公布于1998年10月。
使多模光纤达到稳态分布的注入方式有两种， 分 别是满注入和限制注入。 满注入就是要均匀地激励起 所有的传导模式； 限制注入就是只激励起较低损耗的 低阶模， 而适当抑制损耗较大的高阶模。
当测试光纤的损耗时， 采用限制注入方式， 因为 损耗较大的高阶模的注入， 会由于被测光纤长度的不 同而使输出光功率不同， 从而产生测试误差； 当测试 光纤色散时， 则采用满注入方式， 因为色散的测试是 由光脉冲通过传输后的脉冲时间展宽来确定的， 如果 采用限制注入， 会使功率在不同模式上的分布产生较 大变化， 致使光脉冲的展宽程度不同， 测试结果就不 准确。
(1) 时域法: 测试框图如图9.4所示。
测试步骤为：先用脉冲发生器调制光源，使光源发 出窄脉冲信号，且使其波形尽量接近高斯分布，注入方 式采用满注入方式； 接着用一根短光纤将连接点1和2相 连，此时在输出示波器中得到的是Pin（t），并测试它的 宽度Δτ1；然后把待测光纤从接头1和2之间接入，同样的 输入条件下，在示波器中得到的波形相当于Pout（t），测 试它的宽度Δτ2；将这两个值带入式（9.7）， 则得到此 光纤的脉冲展宽Δτ； 最后利用式（9.9）可计算光纤带宽 B。
第七章 典型光电测试系统1解剖
(3)测量信号回波：同或门10使得信号负 脉冲可以通过，置触发器9为0，关闭 11，13停止计数。
35
脉冲测距仪原理
各 级 波 形 逻 辑 关 系
测量分辨率 时钟振荡频率取得
愈高，则测量分辨率愈高。 但是最小分辨距离并不由 计数系统单独可以提高， 它主要取决于激光 脉冲的上升时间。
Lt cnc
22
第七章 典型光电测试系统
针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指 标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列 举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作 原理和应用。 光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。
光电开关与光电转速计 莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光干涉测量仪 激光多普勒测速仪 光弹效应测力计
已知 （2）信号脉冲控制闸门 （3）低频精度高，高频相对误差增
大
11
7.2 莫尔条纹测长仪
特点 （1）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。 （2）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、
医学诊断、机器视觉。
莫尔条纹定义 将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光
栅）叠加在一起，并使它们的栅线有一小的交角。当光栅对之 间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源 看过去，有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动， 此移动的条纹被称为莫尔条纹。
28
（4）方波信号经微分后得到计数器可用的尖脉冲。
（5）Q+和Q-控制触发器，触发器的输出加到计数器的加减控制 端
（6）Q+和Q-经或门得到计数尖脉冲，尖脉冲经过单稳整形后输
出
q tG111
p tG100
到可逆计数器的计数时钟端进行计数。
35
脉冲测距仪原理
各 级 波 形 逻 辑 关 系
测量分辨率 时钟振荡频率取得
愈高，则测量分辨率愈高。 但是最小分辨距离并不由 计数系统单独可以提高， 它主要取决于激光 脉冲的上升时间。
Lt cnc
22
第七章 典型光电测试系统
针对测试对象、任务要求、测试原理及测试精度等指 标的不同，形成了各种各样的光电测试系统。本章列 举一些典型光电测试系统，介绍光电测试系统的工作 原理和应用。 光电测试系统具有非接触、实时、精度高等特点。
光电开关与光电转速计 莫尔条纹测长仪 激光测距仪 激光干涉测量仪 激光多普勒测速仪 光弹效应测力计
已知 （2）信号脉冲控制闸门 （3）低频精度高，高频相对误差增
大
11
7.2 莫尔条纹测长仪
特点 （1）莫尔条纹携带一维信息：测长度、角度等。 （2）莫尔条纹携带三维信息：测应变、平面度、液体薄膜厚度、
医学诊断、机器视觉。
莫尔条纹定义 将两块光栅（其中一块称为主光栅，另一块称为指示光
栅）叠加在一起，并使它们的栅线有一小的交角。当光栅对之 间有相对运动时（其运动方向与主光栅栅线垂直），对着光源 看过去，有一组垂直于光栅运动方向的明暗相间的条纹移动， 此移动的条纹被称为莫尔条纹。
28
（4）方波信号经微分后得到计数器可用的尖脉冲。
（5）Q+和Q-控制触发器，触发器的输出加到计数器的加减控制 端
（6）Q+和Q-经或门得到计数尖脉冲，尖脉冲经过单稳整形后输
出
q tG111
p tG100
到可逆计数器的计数时钟端进行计数。
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9.1光电信号检测种类
按照光信号的强度、相位、偏振、频率和光谱检测属性， 分别讲述光电信号的基本检测方法。
9.1.1光强度型信号检测
杂散光
可以分为直接检测和调制 光源
检测两种方法 。
f0
待测液体
光电探
滤波
测器 f0 放大
U0
光强交变
一.光强调制检测方法 图5-9 光强正弦调制盘 调制
D
LD 调制光束
1
2
3
辐射式、透射式、遮挡式和反射式 等四种基本检测形式
（a).辐射式直接检测方法
(c) 遮挡式
3
(d) 反射式
879年德国物理学家斯特藩:黑体单位表面积在单位时间内发出的全辐射辐射度M，与它
M T 的绝对温度T的四次方成正比，即
4
式中σ为“斯特藩-玻耳兹曼常量”（ 5.67×10-8W·m-2·K-4），ε为辐射发射 率
方向发生变化，检测这种变化就可以实现对通电电流的检测.
起偏器 聚焦透镜 聚焦透镜 探测器
激光器
单模光纤
λ/4波片
通电 线圈
a E1
b E2 棱镜
E1 E2 E1 E2
运算器
由聚焦透镜进入屋拉 斯顿棱镜分解出两振 动方向垂直的偏振光 a和b，经光电探测器 接收，其信号大小为 E1和E2 .
VLI 2R
为提高探测的灵敏度，应尽量增加探测光透过介质的长度d .
9.1光电信号检测种类
(c).遮挡式直接检测方法
1
2
光电探测器
(a) 辐射式
光源
计数产品3
1
2
3
(b) 透射式
1
2
3
3
(d) 反射式
如图5-2所示为光电产品自动计数系统示意图，每个产品经过 成对配置的光源光束和光电探测器时，都实现对光束的一次 遮挡，对应光电探测器的一个脉冲信号，然后通过计数脉冲 个数实现对产品的计数。类似的应用还包括商场出入人数统 计、住宅安全监控报警以及电梯自动启停开关等等.
L 4 A cos 当光路平面垂直于转动方向时
c
L 4A c
式中，c为光速，A为封闭光路包围的面积，为角速度矢量与面积A的法线 间的夹角，如图5-19所示。
M L / 2
方式分)
• 直接检测？/光外差干涉检测系统？
(相干检测)
9.1光电信号检测种类
按照光信号的强度、相位、偏振、频率和光谱检测属性， 分别讲述光电信号的基本检测方法。
9.1.1光强度型信号检测
1
2
3
1
2
3
可以分为直接检测和调制 检测两种方法 。
一.光强度型光电信号的直 接检测方法：
(a) 辐射式
1
2
(b) 透射式
速度方向v
v·(rs-r0)
(rs-r0) rs
s
光入射方向r0
0
（a)
r0
rs v
（b)
rs (rs-r0)
r0
v
（c)
9.1.4 光频率型信号检测
萨格纳克效应差频检测方法 :
当封闭的光路相对于惯性系空间有一转动角速度Ω 时，则顺时针传输光路与
逆时针传输光路之间将形成与转速成正比的光程差Δ L，其大小满足关系
驱动
电机 驱动
图5-9 光强正弦调制盘
二.光信号的三种调制方法
• 电光调制(P196):电致晶体双折射 • 声光调制(P199):声学光栅衍射 • 磁光调制(P206):法拉第磁光效应(法拉第磁
旋)
9.1.2光相位型信号检测
固定反射镜
激光器
分束镜
光电 探测器
传感器 测量反射镜
(a) 迈克尔逊干涉仪
9.1光电信号检测种类
(b). 透射式直接检测方法
假设待测介质是均匀的， 探测光透过待测介质后的 光通量可以表达为
1
2
(a) 辐射式
0ed
1
2
(c) 遮挡式
3
1
2
3
(b) 透射式
1
2
3
3
(d) 反射式
式中为入射到介质前的光通量，为介质的吸收系数，d为介质
的厚度。对于均匀的液体或气体介质.在探测液体或气体浓度时，
式中，V为维尔德常数，L为线圈与光纤间的作用长度， R为通电线圈的直径。
sin 2
2
E1 E1
E2 E2
I
R
VL
E1 E1
E2 E2
9.1.4 光频率型信号检测
光学多普勒效应差频检测方法 :类似于声学的多普勒效应，运 动物体改变入射到其上的光信号频率的现象被称作光学多普勒 效应。通过对光学多普勒效应进行分析表明：当频率为的单色 光入射到以速度v运动的物体上，被物体散射的光波频率 会产 生多普勒频移.
(b) 透射式
1
2
3
3
(d) 反射式
镜面反射检测方法通常用于判断光信号的有无，在光准直、转速测 量以及激光测距技术中多有应用。而漫反射检测方法则不同，其反 射光只有一部分入射到光电探测器件上，入射到光电探测器上的光 强大小与漫反射表面材料、表面粗糙度以及表面缺陷等因素有关， 因此光电探测器的信号输出可以反映漫反射表面的材料性能、粗糙 度大小或者表面的缺陷。
差动 放大器
的光转化为光电流I1和
U K (U U ) 相应的负载电压U1。作
为补偿式光强检测结构.
0
1
2
9.1光电信号检测种类
1
2
3
1
2
3
(d).反射式直接检测方法
根据待测反射物体的不 同，光反射检测方法有 镜面反射和漫反射两种， 在光电检测技术中有着 不同的应用。
(a) 辐射式
1
2
(c) 遮挡式
9.1光电信号检测种类
(c).遮挡式直接检测方法 Φ1
如图5-3所示是一种遮挡 补偿式轴径检测原理图，
轴
探测器1 U1
将平行光束Φ 1投射到待 测物体轴上，部分光束 被轴径遮挡，被遮挡光 强通量的大小反映了待 测轴径的大小，其后的 光电探测器1将未经遮挡
Φ2
指针 刻度尺
U2
可动
探测器2
挡片
可逆 电机
固定反射镜
分束镜2
光电 探测器
激光器
分束镜1
测量反射镜
传感器
(b) 马赫-曾德尔干涉仪
激光器
分束镜 光电 探测器
(c) 萨格纳克干涉仪
激光器
传感器
光电 探测器
参考镜
测量镜
(d) 法布里-珀罗干涉仪
9.1.3光偏振型信号检测
在高压传输线中，要检测传输电流，最理想的检测方法就是利 用光纤传感器进行检测，检测机理就是石英材料的法拉第磁旋 效应，即传输线中的电流产生磁场，引起光纤中信号光的偏振
第九章 光电信号检测技术及系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分) • 红外系统/紫外/可见光系统(按光源波
长分)
• 点探测/面探测系统？(按接受系统分) • 模拟系统/数字系统(按调制和信号处理