光电检测原理与技术--第8章-非光物理量的光电检测教学文案.ppt

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1、第8章非光物理量的光电检测本章的主要内容8.1光强型光电检测系统8.2脉冲型光电检测系统8.3相位型和频率型光电检测系统8.4利用物理光学原理的光电检测系统8.5其它光电检测系统8.1光强型光电检测系统8.1.1直接测量法8.1.2差动测量法8.1.3补偿测量法8.1.4补偿式轴径检测装置8.1.5利用比较法检测透明薄膜的厚度8.1.6利用α射线测量块规厚度的装置8.1.7圆形物体偏心度的光电检测8.1.8利用补偿法测量线材直径8.1.9对圆柱形零件的外观检查本节主要包括以下几部分内容：8.1.1直接测量法1.直接测量法原理将携带被检测物理量信息的光量，投射到光电探测器

2、上转换为电信号，经放大后由检测机构直接读出待测量。图8-l所示为采用微安表直接读出入射到光电探测器GD上的光通量。Rｗ为校正电阻，用以校正回路的灵敏度。μA表为读出机构。当探测器处于线性工作区中，则有图8-1直接测量电路（8-1）式中，Φ为信号光通量；I为探测器产生的光电流；S为探测器的积分灵敏度；Ci为比例常数；a0为表针指零时的角度；a为输出电流I所对应指针的转角。在检测回路中，重要特性是仪表指针的灵敏度Sy，可表示为：在上述检测回路中引入简单的晶体管或其它放大器，如图8-2所示。图8-2利用放大器提高灵敏度仪表指针的灵敏度为（8-3）（8-2）选定满度时对应的转角

3、为a，则有式中，K为晶体管回路的放大倍数。（8-4）(8-5)(8-6)2.系统相对误差和性能评定设某检测关系为A=B·C/D，则增量间关系为最大相对误差ε为直读法系统的最大相对误差为式中，ΔK／K为放大系统放大率不稳定所引起的相对误差，它与放大电路中的电压波动，环境温度的变化，晶体管工作点的选择等参量变化有关；ΔS/S为光电器件灵敏度的相对误差，它与探测器特性的不稳定性有关；Δα/α为测量机械指示值的相对误差，它与机械结构不稳定性有关。8.1.2差动测量法该方法采用被测量与标准量相比较，利用它们之间的差或比，经放大后的测量数据去控制检测机构。图8-3所示为利用电差动原

4、理进行光通量检测的例子。图8-3差动检测系统1.测量原理2.光电差动装置为进一步提高检测精度，消除不稳定因素对检测结果的影响，设计了由双光路和电桥组成的光电差动装置，其原理如图8-4所示。图8-4双光路光电差动系统当两电路光通量相差较小时，光电探测器GD1和GD2的灵敏度分别为S1和S2，在线性段中它们近似为常数。于是GD1产生的光电流I1=S1Φ1，R1上产生的压降I1R1=S1Φ1R1；GD2产生的光电流I2=S2Φ2，Rw上产生的压降I2Rw=S2Φ2Rw，所以电桥输出的电压U0为如果S1=S2=S，Rw=R1则有(8-8)(8-7)两光电探测器接收光通量波动的影

5、响分析如下：设图中两探测器接收到光通量，且=n。因电源电压波动等原因使光源输出光通量发生变化，在两光路上的光通量也将发生变化，其变化值为ΔΦ1和ΔΦ2，两者间关系为即两光束光通量分别为由和接收的光通量差为式中右边第一项是原信号，第二项是因波动引起的误差。当n→1，→0。在有些电路中，采用两光通量比(除)的信号处理方法，那么光源波动的影响可以完全消除。设，则(8-9)(8-10)在光电差动测量中，精度在很大程度上取决于两光电探测器性能上的差异，两者完全一致将十分困难。因此提出采用单光电探测器的设想，其装置原理如图8-5所示。其通量波形图如图8-6(a)所示。当Φ1≠Φ2时

6、，则产生交变信号，经放大和相敏整流后输出，波形如图8-6(b)所示，幅值的大小表示两通量的差值Φ=Φ1-Φ2，信号的正、负表示ΔΦ的正负。3.单个探测器的差动测量图8-5单接受器差动系统图8-6单接受器差动系统该检测方法又称补偿直读法，测量原理如图8-7所示。图8-7单通道补偿系统8.1.3补偿测量法1.单通道光电补偿式测量图8-8所示是单通道利用光楔补偿的例子。该系统增加了晶体管放大环节，由R1、Rw、Rc和R0及晶体三极管BG构成电桥，检流计G作输出指示。图8-8单通道光楔补偿系统采用双光路双元件进行补偿测量时，信息光通量Φ1可由下式导出即(8-11)2.双通道光电

7、补偿式测量式中，K为补偿系数。这时相对误差的最大值ε为：(8-12)采用双光路单元件进行补偿测量时，则有S1＝S2＝S，Φl＝Φ2K，最大相对误差为(8-13)图8-9所示是一种双通道单探测器光电自动补偿系统的原理图。图8-9双通道单探测器自动补偿系统(1)光楔动态补偿法在图8-9所示双光路补偿装置的基础上，将可逆电机换成恒速旋转的电机，通过必要的传动装置带动光楔不停地往返运动，造成光楔对入射光通量的不断扫描，其补偿作用从最小到最大，再从最大到最小往复进行。同时电机带着刻有读数的圆筒旋转，电路也作相应改变。当光楔到达其补偿位置时，双光路达