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1、工程实践1文献检索作业（2012-2013年第2学期）学院：控制工程学院 班级：自动化121班 项目组成员： 学号 姓名 2012073020 邓长波 2012073021 蒋杰 2012073022 赵明 2012073023 刘勇 摘 要激光技术是六十年代初发展起来的，以原子理论，量子理论，光学技术和电子技术为基础的一门高新技术。目前激光技术已经被推广应用于农业、工业、医疗、科学研究、军用武器及航天技术等多个领域,带来了巨大的效益。本设计利用激光照射在目标周围容易受声压作用产生振动的物体上，然后在其光束反射的方向上接受振动信号，并对信号进行解调放大达到声音的还原。设计出功率放大和带通滤波相
2、结合的电路，用此电路接受光电传感器所采集的激光检测声波振动的信号，经放大滤波后进而实现远程声音采集。再完成激光远程声音采集系统与目标之间距离的拉开与调试。最后对此激光远程声音采集系统的应用进行分析和展望。关键词：激光；光电传感器；声音采集 引言自诞生之初至今，激光技术与应用发展迅猛，已与多个学科相结合形成多个应用技术领域，比如光电技术，激光医疗与光子生物学，激光加工技术，激光检测与计量技术，激光全息技术，激光光谱分析技术，非线性光学，超快激光学，激光化学，量子光学，激光雷达，激光制导，激光分离同位素，激光可控核聚变，激光武器等等。这些交叉技术与新的学科的出现，大大地推动了传统产业和新兴产业的发
3、展。目前全球业界公认的发展最快的、应用日趋广泛的最重要的高新技术就是光电技术，他必将成为21世纪的支柱产业。而在光电技术中，其基础技术之一就是激光技术。科学界预测，到2010年，以光电信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模，到2010年至2015年，光电产业可能会取代传统电子产业。光电技术将继微电子技术之后再次推动人类科学技术的革命和进步。激光技术与产业的发展将支撑并推进高速、宽带、海量的光通信以及网络通信，并将引发一场照明技术革命，小巧、可靠、寿命长、节能半导体(LED)将主导市场，此外将推出品种繁多的光电子消费类产品 (如VCD、D VD、数码相机、新型彩电、掌上电脑电子产品、
4、智能手机、手持音响播放设备、摄影、投影和成像、办公自动化光电设备如激光打印、传真和复印等)以及新型的信息显示技术产品(如CRT、LCD及PDP、 FED、OEL平板显示器等 )并进入人们的日常生活中。激光产品已成为现代武器的眼睛和神经，光电子军事装备将改变21世纪战争的格局 设计原理本设计采用激光技术进行声音采集。声源播音时，反射镜片振动，使激光反射光的光斑发生振动，照射在光电传感器上的位置发生变化。由于反射物的振动，使反射光带有了声源中声波的信息，然后用光电传感器接收反射的激光信号并转换成电信号，再经过放大器放大并去除噪声，通过扬声器还原成声音。整个过程可简单地看成：声音信号光信号微弱的电信
5、号放大还原成声音。图3.1 激光声音采集系统模型图玻璃受空气压力F(t) 玻璃面振动Z(t)光斑振动X(t) Z(t) = k F(t) X(t) = 2 Z(t) sin (3.1)图3.2 声音信号转换光信号示意图光斑振动电流振动用扬声器还原成声音图3.3 光电传感器接收部分示意图如果声音信号由很多不同频率波的合成,那么玻璃的总运动,将是每一波分别产生的运动的合成(即玻璃的振动满足线性叠加性),因此,不妨设声音信号为单一频率的时间函数s(t)=Acos(t+) (3.2)在激光入射点处玻璃表面产生声压为p(x,y,t)=ks(t) (3.3) 式中k为与传输距离、空气环境等相关的常数.玻璃
6、表面的反应只和直接作用在上面的局部声压成正比,因此玻璃会产生变形。不同频率不同强度的声音引起的振动程度不同:x(t)=k2p(x,y,t) (3.4)式中k2为与玻璃材料、玻璃固定程度等有关的常数.玻璃的垂直振动使得在入射角不变的情况下反射光发生偏移,偏移量为w(t)=2x(t)sini. (3.5)接收端示意图如图3所示,进入光电接收器的光斑面积的瞬时变化量:R=hw(t) (3.6)则光电接收器的输出电流的交流部分为I=k3R (3.7)综上所述:I=2kk2k3hs(t)sini (3.8)式中k,k2,k3,h,i,都是由环境、玻璃、测量距离、入射角、光电检测器等决定的常数或者参数。说
7、明光电检测器输出的电流在去掉直流成份后,交流部分与声音信号成线性关系。这样就实现了从声音信号到光信号,再到电信号的转换.1声音信号转换成光信号声音振动光的检测通信，指人与人或人与自然之间通过某种行为或媒介进行的信息交流与传递，广义上指需要信息的双方或多方采用各种方法，使用各种载体，将信息从某一方准确安全地传送到另一方。声音最普遍的通信方式就是通过语言交流。这种通信方式通过人的声带振动，以空气为媒介，以声波的方式传送信息。人在说话的时候，将所需传递的信息通过控制声带的长短、松紧以及声带振动的快慢、强弱等方式加载在向外传输的声波信号上。物理学中，一般把将传递的信息加载在某种物理载体上的过程称为信号
8、的调制。可见，经过调制的机械波声波包含了丰富的信息内容。当外界声波传到人的鼓膜时，引起鼓膜振动，刺激神经，并最终传达到大脑的听觉中枢，形成听觉，实现了物理信号向神经生物电信号的转换。这一过程又称之为信号的解调。而声音源于振动。振动使得周围的空气粒子受到扰动，这个扰动又引邻近空气的振动。声音是一种纵波，是通过介质来传播的扰动。当这种扰动通过空气粒子的振动到达你耳朵时，你就听到了声音。而这个设计就是利用声音的振动，将激光作为载体，进行激光传声。激光激光的最初的中文名叫做“镭射”、“莱塞”，是它的英文名称LASER的音译，是取自英文Light Amplification by Stimulated
9、Emission of Radiation的各单词头一个字母组成的缩写词。意思是通过受激发射光扩大。激光的英文全名已经完全表达了制造激光的主要过程。1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”。激光应用很广泛，主要有激光打标、光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器、激光唱片、激光指示器、激光矫视、激光美容、激光扫描、激光灭蚊器等等。激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”和“奇异的激光”。它的亮度约为太阳光的100亿倍。激光的原理早在1916 年已被著名的美国物理学家爱因斯坦发
10、现，但直到 1960 年激光才被首次成功制造。激光是在有理论准备和生产实践迫切需要的背景下应运而生的，它一问世，就获得了异乎寻常的飞快发展，激光的发展不仅使古老的光学科学和光学技术获得了新生，而且导致整个一门新兴产业的出现。激光可使人们有效地利用前所未有的先进方法和手段，去获得空前的效益和成果，从而促进了生产力的发展。激光具有普通光所不具有的特点：即三好（单色性好、相干性好、方向性好）一高（亮度高）。本系统主要应用了激光的方向好及亮度高的特性。激光束方向性好，发散角很小，几乎是一束平行的光线。由几何光学可知，平行性越好的光束经聚焦得到的焦斑尺寸越小，再加之激光单色性好，经聚焦后无色散像差，使光
11、斑尺寸进一步缩小，从而能使大部分的反射信号被接收。 另外，激光的亮度高，其亮度可比普通光源高出10121019倍，是目前最亮的光源。由于通常需要在较远距离进行声音采集，而光进行反射及远距离的传播会损失部分能量，因此光束的能量也是激光传声成功与否的关键因素。很明显，远程激光声音采集系统的首要元器件是激光，它将把远处的带反射性的物体作为目标，并把光束反射回接收器。在深入研究这个项目之前，让我们解释一下这个系统是如何工作的，并消除一些互联网上流传关于该设备操作的误解。首先，这个激光声音采集系统和一些激光通讯设备一样，不是用激光来调制。激光调制是不可能的，因为它将要用几种电路来安装在激光驱动中来调制激
12、光的强度，并且这个激光将要安装在你的位置，而不是目标位置。这里主要工作的不是调制，而是偏置。当激光从目标声源反射时，来自谈话或是噪声的振动源使反射物震动并在反射回的激光束上引起一个非常轻微的在位置上的改变。随着接收器上的传感器接收到返回的激光，这个微小的位置上的改变被转换成电压。这就是为什么就受气的最佳操作需要激光束来显示来自光电管的偏置。所以主要是偏置，而不是调制是这个系统工作。光信号转换成电信号光电传感器是依光电效应原理制作而成的，所谓光电效应是指物质（主要是金属）在光的照射下释放电子的现象。这是1887年赫兹首先发现的，1905年爱因斯坦引入光子概念后才得到圆满的说明。以后人们又发现固体
13、材料内的载流子在光线的照射下会产生电导率的变化（光电导）或产生电动势（光致电压），这些由光产生的电效应一般统称为光电效应。本设计的光敏电阻和光敏晶体管即是利用了光电效应的原理。光电效应光电效应是物理学中一个重要而神奇的现象，在光的照射下，某些物质内部的电子会被光子激发出来而形成电流，即光生电 。光电现象由德国物理学家赫兹于1887年发现，而正确的解释为爱因斯坦所提出。科学家们对光电效应的深入研究对发展量子理论起了根本性的作用。1905年，爱因斯坦提出光子假设，成功解释了光电效应，因此获得1921年诺贝尔物理奖。 光照射到金属上，引起物质的电性质发生变化。这类光变致电的现象被人们统称为光电效应（
14、Photoelectric effect）。 光电效应分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。赫兹于1887年发现光电效应，爱因斯坦第一个成功的解释了光电效应（金属表面在光辐照作用下发射电子的效应，发射出来的电子叫做光电子）。光波长小于某一临界值时方能发射电子，即极限波长，对应的光的频率叫做极限频率。临界值取决于金属材料，而发射电子的能量取决于光的波长而与光强度无关，这一点无法用光的波动性解释。还有一点与光的波动性相矛盾，即光电效应的瞬时性，按波动性理论，如果入射光较弱，照射的时间要长一些，金属中的电子才能积累住足够的能量，飞出金属表面。可事实是，只要光的频率高于金属的极限频率，光的亮度无论强弱，光子的产生都几乎是瞬时的，不超过十的负九次方秒。正确的解释是光必定是由与波长有关的严格规定的能量单位(即光子或光量子)所组成。光电效应说明了光具有粒子性。相对应的，光具有波动性最典型的例子就是光的干涉和衍射。光敏电阻光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将
