光电检测系统：8- 光电检测技术典型应用

第八章、光电检测技术的典型应用数字红外辐射计全自动血沉动态分析仪

18.1微弱光信号检测技术一、锁相放大器

是一种对交变信号进行相敏检波的放大器。利用和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与参考信号同频（或倍频）、同相的噪声分量有响应，能大幅度抑制无用噪声，改善检测信噪比。此外，锁相放大器有很高的检测灵敏度，信号处理比较简单，是微弱信号检测的一种有效办法。2锁相放大器3选频锁相环移相器输入信号AC参考信号AC信号通道相敏检波输出信号DC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41.锁相放大器的构成

三个主要部分：信号通道、参考通道和相敏检波。

信号通道对混有噪声的初始信号进行选频放大，对噪声作初步的窄带滤波。参考通道通过锁相和移相提供一个与被测信号同频、同相的参考电压。相敏检波由混频乘法器和低通滤波器组成，所用参考信号是方波形式。在相敏检波器中参考和输入信号进行混频运算得到两信号的和频和差频。该信号经低通滤波器滤除和频成分后得到与输入信号幅值成比例的直流输出分量。52、锁相放大器的原理同频、锁相获得最大直流输出63、方波控制相敏放大器工作原理又称开关混频器，中心频率锁定到被测信号频率上。RC滤波器传递函数等效噪声带宽信噪比的改善7锁相放大的四个基本环节：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；并保持与输入信号同步。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。8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；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＆前置放大器的固有噪声。信噪比改善可达1000倍。9

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。二、取样积分器（Boxcar平均器）10

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测量装置。根据被测信号的形式可分为稳态和扫描测量方式。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；利用门延时与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。二、取样积分器（Boxcar平均器）111、取样积分器工作原理

取样点的值是信号和噪声的和，以信号和噪声功率平均值来看积分前后信噪比的变化。若输入信号为Vsi，经过积分器M次积累后所得到的输出电压为Vs，则12

输入噪声电压Vni是随机量

，噪声分布是正态分布时，其数学期望为零，方差等于噪声平均功率Pni，所以输出噪声电压Vn也是正态分布的随机变量，它的数学期望和方差分别是:13通过累积以后获得的信噪比为通过累积以后信号噪声幅值比(SNR)为14

取样积分器的核心组件是取样门和积分器，通常采用取样脉冲控制RC积分器来实现，使在取样时间内被取样的波形作同步积累，并将所积累的结果(输出)保持到下一次取样。152．定点式取样积分器

取样积分器通常有两种工作模式，即定点式和扫描式。定点式取样积分器是测量周期信号的某一瞬态平均值；扫描式取样积分器则可以恢复和记录被测信号的波形。下面分别讨论这两种模式。定点式取样是对被噪声淹没的信号在固定点取样、平均，所以经m次取样平均后，其幅值信噪比改善为定点式取样积分器能在噪声中提取信号瞬时值，功能与锁定放大器相同，不同的定点可通过手控延时电路来实现。163．扫描式取样积分器扫描式取样积分器利用取样脉冲在信号波形上延时取样，可以恢复被测信号波形。它主要包括可变时延的取样脉冲和在取样脉冲控制下作同步积累这两个过程。扫描式取样积分器可得到形状与输入的被测信号相同，而在时间上大大放慢了的输出波形，故扫描式取样积分器能在噪声中提取信号并恢复波形。17181920取样积分技术的运行步骤：利用检测光脉冲的激励源取得和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。21取样积分器的特点：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，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。22

一种利用光电倍增管能检测单个光子能量的功能，通过光电子计数的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；辐射源补偿的光子计数系统；背景补偿的光子计数系统。三、光子计数系统23PMT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技术脉冲鉴别器模拟输出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出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高度鉴别器上，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。24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。25特点：只适合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；不用数模转换即可提供数字输出。26§8.2激光衍射法衍射：光在传播过程中绕过障碍物的边缘而偏离直线传播的现象。说明:衍射现象是否明显取决于障碍物线度与波长的对比，波长越长，障碍物越小，衍射越明显。27

将一束光投射在一个小圆孔上，在小孔后放置一块毛玻璃屏，观察小圆孔的衍射花样。圆孔衍射28单缝衍射图样29一、激光衍射传感的基本原理和方法利用参考物与被测物之间的间隙形成单缝，当激光照射这个间隙时，产生单缝衍射。衍射计量的基本原理是检测单缝的远场衍射光强，即对夫朗和费衍射光强进行分析。30检测面上的衍射光强分布为：显然，测定任一个暗条纹的位置就可精确知道间隙W的尺寸或尺寸变化，对暗条纹有：：衍射角，时的光强，即光轴上的光强。31当不太大时，由远场条件有：：第n条级暗条纹中心距中央零级条纹中心的距离。：检测面距观测平面的距离。：可测定量，：被测量。这就是激光衍射传感器检测的基本原理。32当被测物尺寸变化δ时，相当于单缝尺寸W改变δ，衍射条纹的位置随之改变：式中：W0、W—起始缝宽和最后缝宽。以参考物为基准，被测物的尺寸或轮廓完全可以由衍射条纹的位置来测定。因此激光衍射测量的基本思想是把难于测量的微小尺寸W或δ，通过远场衍射转为大尺寸的测量，其放大比可达103-104倍，测量灵敏度大大提高。

33由以上讨论可知，激光衍射法是利用衍射条纹的精确测量来达到精密传感的。对衍射条纹的测量大体是两种方法：记录固定位置的衍射光强

记录衍射分布特征尺寸

–测量衍射极点之间的距离二、激光衍射传感技术1.间隙计量法间隙计量法主要适合：作尺寸的比较测量；作工件形状轮廓测量；作应变的感应器使用。3435应变测量362.分离间隙法分离间隙法由于组成单缝的两个棱边不在向一平面上，所以出现的衍射条纹发生不对称变化。

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薄膜材料表面涂层厚度测量：使用分离间隙法，图示为其原理。薄膜材料表面涂层厚度测量383.爱里圆斑法当需要精确测定微小内孔的尺寸时，可采用爱里圆斑法来测量，即利用圆孔的远场衍射。衍射花样中心是一个圆形亮斑，外边绕着明暗相间的环形条纹，这种衍射像称为爱里圆。39圆孔衍射测量图表示了圆孔的夫琅和费衍射原理，接收屏上衍射条纹的光强分布为中心亮斑(即第一暗环)的直径为圆孔的夫琅禾费衍射原理示意图40三、测量分辨率、精度与最大量程测量分辨率测量分辨率就是测量能达到的灵敏度，是指激光衍射技术能分辨的最小量值。对上式求微分求出激光衍射法的测量分辨率为：该式表明，缝宽愈小，R愈大，λ愈长，所取衍射级次愈高，则分辨率愈小，灵敏度愈高。41测量精度由误差理论，衍射技术的测量精度由基本公式中的所有可能误差因素