第1章第3节电学基础课件

光调制光学基础之一、光强度调制

光强度调制是以光的强度(|E0|2)作为调制对象，利用外界因素改变光的强度，通过测量光强的变化来测量外界物理量。1、调制盘

最简单的调制盘，有时叫做斩波器，如图所示，在圆形板上由透明和不透明相同的扇形区构成。调制光束的频率f由调制盘的透光扇形的个数N和调制盘的转速n决定f=Nn/60(Hz)光调制光学基础之2、利用电磁感应的机械调制

图所示是一种电磁感应的机械调制原理图在激励线圈中加入交变电流，使铁芯两端产生交变磁场，在永久磁铁作用下挡片产生左右摆动。调制的波形与激磁电流的波形和强度、光束和挡片的相对形状和大小有关。光调制光学基础之3、受抑全反射调制器

如图所示是一种受抑全反射调制器原理图在交变电压作用下，带动运动棱镜压上下振动，使得两棱镜面间产生光学接触或分离两种状态。电晶体周期性的形变使入射光分解为两束相互垂直、位相相反的调制光。光调制光学基础之只要光束充满整个光阑，并且光束截面中通量均匀分布，则能够调制出正弦波形。但也有缺点。4、正弦波形调制器

如图所示是一种正弦波形调制器原理图，由旋转叶片与双三角形光阑构成的。2h2hbbh光调制光学基础之二、光相位调制

利用外界因素改变光波的相位，通过检测相位变化来测量物理量的原理称为光相位调制。但是，目前市场上的各类光探测器都是不能感知光波相位的变化，必须采用光的干涉技术将相位变化转变为光强变化，才能实现对外界物理量的检测，因此，光相位调制应包括两部分，一是产生光波相位变化的物理机理；二是光的干涉。

光波的相位由光传播的物理长度、传播介质的折射率及其分布等参数决定，也就是说改变上述参量即可产生光波相位的变化，实现相位调制。光调制光学基础之1、利用干涉现象实现光相位调制利用干涉现象调制的关键是对光程差或相位差进行调制。如图所示是利用迈克尔逊干涉仪附加压电晶体来完成光调制的原理图。△=2dn△＝k时干涉加强；△＝(k＋1/2)时干涉相消光调制光学基础之2、利用声光效应的光相位调制

弹光效应：当一块各向同性的透明介质受外力的作用时它的折射率会发生变化。声光效应：超声波作用于介质时引起的弹光效应，因此当超声波在声光介质中传播时，介质的密度呈疏密的交替变化，导致折射率大小的交替变化。这样可以将超声波作用下的介质等效为一块“相位光栅”。当入射光通过该介质时会被声光栅衍射。光束与声束之间的相互作用而导致光束的偏转而导致其偏振性、振幅、频率及相位上的变化。光束在声光介质中的超声波上的衍射示意见下图。1为光源，2为透镜，3为激发着超声波的容器光调制光学基础之三、光偏振调制

利用外界因素（应力、磁场、电场等）可以改变特定光学媒质的传光特性。调制从中通过的光的偏振态（E矢量的方向等），由偏振态的变化就可以检测出相应的外界因素。补充：马吕斯定理表达的是线偏振光通过检偏器后透射光强随α角变化的规律。其中α是检偏器的透振方向与起偏器的透振方向的夹角。利用偏振光振动面旋转，实现光调制最简单的方法是用两块偏振器相对转动，按马吕斯定理，输出光强为，式中I0为两偏振器主平面一致时所通过的光强；α为两偏振器主平面间的夹角。下面介绍采用电光效应和磁光效应实现的光偏振调制。光调制光学基础之1、采用电光效应实现的光偏振调制

电光效应指的是介质或晶体在电场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在电光效应方面主要以电致旋光效应、克尔效应和泡克耳效应来获得光偏振调制。（1）利用电致旋光效应的光偏振调制旋光效应：当偏振光通过某些透明物质时，偏振光的振动面将以光的传播方向为轴线旋转一定的角度。面对光源使振动面顺时针旋转的物质称为右旋物质；反之，称为左旋物质电致旋光效应：有些晶体在外加电场作用下产生旋光效应，所产生的旋光转角的大小除与晶体性质、晶体厚度有关外，还与所加的电压的大小有关。光调制光学基础之利用电致旋光效应的光偏振调制的装置示意图12345~1：光源；2：准直镜；3：起偏器；4：石英晶体；5：检偏器；假设石英晶体上所加的电压：U=U0

sint那么偏振光振动面旋转角度：=msint其中m是在外加电压为U0时对应的最大旋转角则所调制的线偏振光的出射光强为：I=I0cos2(-msint)式中为起、检两偏振器主方向P1、P2间的夹角光调制光学基础之下图（a）和图（b）分别为=/2和=0时各量之间的关系。通常采用P1P2的方式，调制的光强为：I=I0sin2(msint)P1P2=/2mI0Im（a）P1P2=0I0Im（b）注意：石英晶体有自身的振荡频率，外加电压的频率应与其匹配。另外此效应还和温度有关，可采用恒温稳定工作。光调制光学基础之（2）利用克尔效应的光偏振调制克尔效应指的是某些各向同性的介质在电场的作用下变成各向异性，光束通过将会产生双折射现象。双折射现象：入射光入射到非对称晶体的表面，光束分解成两束，一束在晶体中沿原来的方向传播，叫寻常光(简称o光)，另一束偏离了原来的方向，叫非常光(简称e光)，这两束光在晶体中传播的路径与入射光及晶体光轴间的相对位置有关。当入射光垂直于晶体光轴方向时产生沿光轴方向振动的非寻常光和垂直于光轴方向振动的寻常光。但当光线沿着晶体的光轴传播时，o光和e光不分开。△=（no-ne）L这两束光具有一定的相位差，只要能使他们的振动方向一致，就可以产生干涉现象。如下图为各光束振动方位图。光调制光学基础之如图所示，晶体光轴沿ox方向，起偏器P1的主方向与x轴的夹角为，检偏器P2的主方向与x轴的夹角为。自然光通过起偏器P1形成线偏振光，其光强为I0=E02，经过双折射晶体后，形成振动方向相互垂直并具有一定光程差的两束传输方向相同的光，其光矢量强度分别为：Ix=E1x2=E02cos2；Iy=E1y2=E02sin2这两束光再经过检偏器P2后形成两束振动方向相同，光强分别为：I1=E212=E02cos2cos2；I2=E222=E02sin2sin2这两束光将相干叠加，（注意：这两束光有一个光程差△=（no-ne）L即相位差=2(no-ne)L/），形成的相干光强为：上式即为透过检偏器P2的光强表达式。xyP1P2I0E21E22E1xE1y光调制光学基础之下图即为利用克尔效应实现光调制的装置图。当克尔电容器的平行板之间加上电压，在强电场下液体表现出双折射性质。光轴方向与电场方向相一致，偏振光沿着与电场垂直的方向通过液体。1：单色光源；2：透镜；3：起偏器；4：克尔电容器；5：检偏器；12345E+–光调制光学基础之两束光的光程差与电场强度E的平方成正比：△=（no-ne）L=KLE2则两束光的相位差为：=2△/=2LKE2/λ因此通过检偏器P2的光强为：

I=I0[cos2(-)-sin2sin2sin2(KLE2/λ)]若两极板间的距离为d，所加的电压为U，则电场强度E=U/d，即：I=I0[cos2(-)-sin2sin2sin2(KLU2/d2λ)]即如果给克尔盒加一个交变电压，克尔盒就能产生变化的光强。光调制光学基础之装置中通常采用如下的两种方案：（1）==/4；I=I0[1-sin2(KLU2/d2)]（2）=/4；=3/4；I=I0sin2(KLU2/d2)xyP1P2xyP1P2讨论中克尔盒中介质对光的吸收未加考虑。并且这种电光效应与电场强度的平方成正比，因此又把克尔效应称作二次电光效应。光调制光学基础之（3）利用泡克耳效应的光偏振调制泡克耳效应是在压电晶体上产生的光效应，当外加电场作用在压电晶体上时，使晶体产生非对称性从而使通过该晶体的光束产生双折射。可分为横向和纵向泡克耳效应。1单色光源；2透镜；3起偏器；4压电晶体；5检偏器；12345EZ（a）纵向泡克耳效应如图所示，在起偏器3和检偏器5之间放置压电晶体磷酸二氢钾（KDP）晶体，光沿着晶体光轴Z的方向进入晶体,沿着光轴的方向加上电场，则光线就被分成两束光。光调制光学基础之△=（no-ne）L=bLE透过率其与电压的关系曲线如下图所示为方便起见，假设加上纵向电压后，入射光经过P1后以竖直的线偏振光束进入晶体，并分解成沿对角线方向的两个相位和振幅相等的分量，即：α＝π/4，β＝3π/4这两束光相干强度I=I0sin2(bU/)U/2外加电压U调制电压T透射强度Uλ/2/2通过检偏器的光强为:I=I0[cos2(α-β)-sin2αsin2βsin2(πbU/λ)]直流高压受温度影响不稳定,且不安全,用四分之一波片代替光调制光学基础之（b）横向泡克耳效应光垂直晶体光轴Z的方向（即电场方向）进入晶体所产生的泡克耳效应。此时晶体出射的两束光的相位差不仅与外电场有关，还与晶体本身的自然双折射所引起的相位延迟有关，它随温度的变化而变化。1单色光源；2透镜；3起偏器；4压电晶体；5检偏器；12345EZ光调制光学基础之2、采用磁光效应实现的光偏振调制

磁光效应指的是介质或晶体在磁场作用下，其光学性质发生变化的各种现象。目前在磁光效应方面，主要是利用“法拉第”旋光效应和科登—穆顿效应来获得光偏振调制。（1）利用“法拉第”旋光效应产生光偏振调制

“法拉第”旋光效应指的是某些物质在磁场的作用下，能使通过该物质的偏振光振动面产生旋转的现象。P1P2J线圈在磁场内偏振面旋转的角度为：=VdBL假设通过线圈的交变电流：I=I0sint则线圈所产生的交变磁场可表示为：B=B0sint输出的调制光强为：I=I0cos2(-VdLB0sint)则在磁场内偏振面旋转的角度为：=VdLB0sint光调制光学基础之（2）利用科登—穆顿效应产生光偏振调制

科登—穆顿效应：磁场作用在透明的液体介质上，液体分子会形成某种有序的排列，表现出象晶体那样的双折射。振动面与磁场方向按夹角入射时，光分为两束。△=CLB2注意：磁致旋光方向与磁场方向有关，而与光的传播方向无关。即如果线偏振光穿过旋光物质一次旋转角，则反方向返回时旋转角度增为2，而在旋光物质中线偏振光往返穿过总的转角为0光调制光学基础之四、频率和波长调制

利用外界因素改变光的频率（）或光的波长（），通过检测光的频率或光的波长的变化来测量外界的物理量的原理，称为光的频率和波长调制。1、频率调制

光的频率调制，主要是指光学多普勒频移。光学中的多普勒现象是指由于观测者和运动目标的相对运动，使观测者接收到的光波频率产生变化的现象。QSv光学多普勒频移如图，观测者Q可以接受到的光波频率1可以表示为:

1=vccos1-v2c20(1-)1/2光调制光学基础之12SQPv双重多普勒频移实际中大多数考虑移动物体所散射光的频移，这种情况可当作一个双重多普勒频移来考虑，即先从光源到移动的物体，然后由物体到观测者。将前一式代入到后一式，并考虑到实际运动速度v要比光速c小得多，可以近似的求出2的表达式：2=0[1+v(cos1+cos2)/c]由于物体P相对于光源S运动，在P点能观测到的光频率1为：1=vccos11-v2c20(1-)1/2在Q点观测者最终能观测到的双重频移后的光波频率2为：2=vccos21-v2c21(1-)1/2光调制光学基础之由以上分析可知，测得多普勒频移量（2-0）即可求出物体的运动速度，但由于光的频率太高，尚无探测器可以直接测量它的变化，因此要采用间接方法——光混频技术来测量，即将两束频率不同的光混频获取差频信号的光学零差和外差技术。例：一束调制光和一束参考光到达光电探测器表面的电场强度分别为：E1=E01cos[2(+)t+1]E2=E02cos[2t+2]在光电探测器的光敏面上的混合光强可表示为：I=E012+E022+2E01E02cos(2t+1-2)如果两束光是同样的频率，上式就没有频率项了，即为零差法。它可以检测出调制信号的复振幅即振幅与相位。光调制光学基础之2、波长调制

（1）利用热色物质的颜色变化进行波长调制

这种调制的原理如下图所示光调制光学基础之（2）利用磷光（荧光）光谱的变化进行波长调制D1D20ＵＶ光源荧光传感器Ｄ1/D2温度滤波器1滤波器2光调制光学基础之（3）利用黑体辐射进行波长调制

下图是黑体辐射的调制原理

所谓放大就是指增加电信号幅度或功率的物理过程。实现放大的装置称为放大器。放大器的核心是电子管、双极型晶体管和场效应晶体管等有源器件。为了实现放大，还必须给放大器提供能量。常用的能源是直流电源。放大作用实质上是把电源的能量转移给输出信号。输入信号的作用是控制这种转移，使放大器输出信号的变化重复或反映输入信号的变化。图1.3.1-1共发射极放大电路一、基本电路

图1.3.1-1是一个简单的晶体管共发射极放大电路。其中晶体管为NPN型；Rc是负载电阻,用来提取放大了的信号电压；RB称偏置电阻，用来给晶体管提供偏置电流，使无信号时的发射极电流和集电极到发射极的电压降（分别称为工作点电流和电压）维持适当数值，以保证有信号输入时晶体管工作在特性曲线的线性区域；C1和C2是兼有隔直流作用的耦合电容。这种形式的电路，常被称为RC耦合放大器，具有比较宽的放大频带。将电阻Rc换成调谐回路，使电路成为一个调谐放大器,可用来选择并放大某个窄频带的信号。

图1.3.1-2和图1.3.1-3分别是共基极和共集电极放大电路。

共基极电路的电流增益略小于1,但输出阻抗高,寄生反馈小,在高频时容易获得稳定的放大。共集电极电路的电压增益略小于1,但输入阻抗高，输出阻抗低，常用作隔离级和低阻抗输出级。在构成多级放大器时，这几种电路常常需要相互组合使用。图1.3.1-2共基极放大电路图1.3.1-3共集电极放大电路

电子放大器的主要性能指标有增益、频率响应、非线性失真度和噪声指数等。放大器的输出电压值Uo与输入电压值Ui之比称为电压放大系数，记为Au＝Uo/Ui

电压放大系数常常用分贝(dB)值表示,称为电压增益,记为Gu＝20logAu(dB)

同理，放大器的功率放大系数和功率增益分别记为AP＝Po/PiGP＝10logAP(dB)

其中Po和Pi分别是输出和输入功率。放大器的电压放大系数通常是频率的复函数，可以写成Au=Au(jω)=│Au(jω)│ejφ(ω)式中ω＝2πf，f是频率，ω是角频率,│Au(jω)│表示放大器的放大量与频率的关系，称为幅—频特性,φ(ω)表示放大器输出相对于输入的相位差与频率的关系,称为相—频特性,它们合称为放大器的频率特性,也称为频率响应。放大器的频率特性应该与被放大信号的频谱相适应，以保证信号的各频率分量能均匀地得到放大。有些应用还要求各频率分量之间的相位关系得到保持。频带过窄或不均匀以及相—频特性的非线性都会引起输出波形失真,这称为频率响应失真，或频率失真。

对于大信号放大器，例如功率放大器，放大器件的非线性常常造成输出波形可觉察的失真，称为非线性失真，也称为谐波失真，其大小可以利用非线性失真系数D来衡量。

对于弱信号放大，重要的是放大器的噪声特性。三、基本放大器

1、差分放大器

差分放大器能把两个输入电压的差值加以放大的电路，也称差动放大器。

差分放大器可以用晶体三极管（晶体管）或电子管作为它的有源器件。图1.3.1-4是晶体管差分放大器的基本电路。这是一种对称电路。输出电压uo＝uo1–u02,是晶体管T1和T2集电极输出电压uo1和u02之差。当T1和T2的输入电压幅度相等但极性相反,即uS1=-uS2时，差分放大器的增图1.3.1-4差分放大器基本电路益Kd(称差模增益)和单管放大器的增益相等,即Kd≈Rc/re,式中Rc＝Rc1＝Rc2,re是晶体管的射极电阻。通常re很小,因而Kd较大。当uS1=uS2，即两输入电压的幅度与极性均相等时，放大器的输出uo应等于零,增益也等于零。实际放大电路不可能完全对称，因而这时还有一定的增益。这种增益称为共模增益，记为Kc。在实际应用中,温度变化和电源电压不稳等因素对放大作用的影响，等效于每个晶体管的输入端产生了一个漂移电压。利用电路的对称性可以使之互相抵消或予以削弱，使输出端的漂移电压大大减小。显然，共模增益越小，即电路对称性越好时，这种漂移电压也越小。通常用差模增益Kd

和共模增益Kc的比值Kd/Kc来表示差分放大器的性能。这个比值称为共模抑制比(CMRR)。一般差分放大器的共模抑制比约为几十分贝，性能较高的可达百分贝以上。2、运算放大器

运算放大器能对信号进行数学运算的放大电路。

运算放大器的电路结构有三种主要形式。一是单端输入、单端输出，斩波稳定式直流放大器等采取这种形式。二是差分输入、单端输出，大多数集成运算放大器采取这种形式。三是差分输入、差分输出，直流放大器和部分集成放大器采取这种形式。

（1）频率补偿

运算放大器是多级放大电路，通常在较高的频率上仍具有大于1的增益,而内部电路产生的附加相移却已达到或超过180°。因而，在反馈运用条件下，会产生自激振荡，采用频率补偿，即采用附加电容、附加电阻的元件可以减小移向，使放大器稳定。

（2）理想运算放大器

理想运算放大器指开环增益A和输入阻抗RI均趋近于无穷大、输出阻抗Ro趋近于零的运算放大器。一、信号放大电路反相放大器同相放大器差动放大器运算放大器的特性集成运放线性工作区的特性:1、输入端虚短：2、输入端虚断：理想运放工作在线性区的条件：

电路中有负反馈！反馈电阻RF值不能太大，否则会产生较大的噪声及漂移，一般为几十千欧至几百千欧。R1的取值应远大于信号源Ui的内阻。反相放大器是最基本的电路，其闭环电压增益Av为:1、反相放大器

公式推导则由此可得则为了消除静态基极电流对输出电压的影响，一般令同相放大器具有输入阻抗非常高，输出阻抗很低的特点，广泛用于前置放大级。

闭环电压增益Av为:2、同相放大器当R1=，Rf=0时，Auf=1跟随器3、差动放大器为了将偏置电流的影响维持到最小，通常：则F+4、电荷放大器五、运算电路模拟加法器电路利用理想运算放大器的近似条件可得到若取R1＝R2＝…＝Rn＝Rf,就可得到简单的求和关系式uo＝-(u1+u2+…+un)模拟积分器模拟积分器电路假定电容器Cf上起始电压是零,由虚短路特性可知,i1＝ui/R1＝if

又于是若Cf起始电压不为零，上式还要附加一个起始电压。6.测量放大器测量放大器（又称数据放大器）就是用来放大这种差值信号的高精度放大器，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。2、测量放大器

测量放大器（又称数据放大器）就是用来放大差值信号的高精度放大器，它具有很大的共模抑制比、极高的输入电阻，且其增益能在大范围内可调。图1.3.1-10测量放大器电路其增益为由于性能对称，其漂移将大大减少，加上高输入阻抗和高共模抑制比，对微小差模电压很敏感，并适于测量远距传输信号，因而适宜与传感器配合使用。基于测量放大器具有高输入阻抗、较低失调电压和低漂移以及稳定的放大倍数和低输出阻抗等优点，使其得到广泛应用。目前，测量放大器已有单片集成产品问世。滤波器是一种选频装置，可以使信号中特定频率成分通过，而极大地衰减其他频率成分。1、滤波器分类（根据滤波器的选频作用分）

低通高通带通带阻二、信号的滤波按处理方法分硬件滤波软件滤波按所处理信号分模拟滤波器数字滤波器按构成器件分无源滤波器有源滤波器1、滤波器分类按传递函数分一阶滤波器二阶滤波器N阶滤波器:低通滤波器和高通滤波器是滤波器的两种最基本的形式，其它的滤波器都可以分解为这两种类型的滤波器。2、滤波器的串/并联在传感器测量电路中，常用RC滤波器。因为这一领域中信号频率相对来说不高。而RC滤波器电路简单，抗干扰强，有较好的低频性能，并且选用标准阻容元件。

1)一阶RC低通滤波器

3、RC无源滤波器

2)一阶RC高通滤波器

3)RC带通滤波器

可以看作为低通滤波器和高通滤波器的串联

3、RC无源滤波器

—通带放大倍数1）一阶有源低通滤波电路LPF（LowPassFilter）Rf8CR1R··其中，

Auf=1+Rf/R1fH=1/2RC—上限截止频率·fH归一化幅频特性f·0-3-20dB/十倍频4、有源滤波器

2）二阶有源低通滤波电路LPF8CR1RCRRf···通带增益：Auf=1+R