《机械工程测试技术第3版配套教学课件作者陈花玲 第6章光电检测技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程测试技术第3版配套教学课件作者陈花玲 第6章光电检测技术（43页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、授课院校 授课教师 机械工程测试技术 第3版 Measurement Technology in Mechanical Engineering 十三五 国家重点出版物出版规划项目 第六章 光电检测电检测 技术术 v 测量精度高 速度快 非接触 频带宽和信息量大 v 在机械工程测试技术中应用非常广泛 v 本章大纲 介绍光电检测器工作原理及其性能 介绍光电检测技术在机械工程中的应用 电荷耦合器件工作原理及其在图像检测中应用 光纤传感器技术 2 第六章 光电检测电检测 技术术 v 6 1 光电检测器的工作原理 基于光电子元件的光电效应 当具有一定能量的光子投射到某些物质表面时 具有辐射能 量的微粒将
2、透过受光物质的表面层 赋予这些物质的电子以 附加能量 将光信号转换为电信号 从而实现光电转换 第六章 光电检测电检测 技术术 4 外光电效应 物体内的电子逸出物体表 面向外发射的现象 光电管 光电倍增管 内光电效应 物质内部电子能量状态产 生变化 光电导效应 光生伏特效应 光敏电阻 光电池 光敏二极管 三极管 第六章 光电检测电检测 技术术 v 6 1 1 常用光电检测器的工作原理 光电管 5 球形或圆柱形玻璃壳抽成真空 在半球面内或圆柱面内涂一层光 电材料作为阴极 球心或圆柱中 心放置金属丝作为阳极 阴极电子逸出金属表面 形成电子发射 电子被阳极吸引 产生电流 必须在其阴极与阳极之间 加上电
3、势 使阳极的电位 高于阴极 光电倍增管 将微弱的光信号转换成可测电信号 二次发射得到倍增放大 收集作为信号输出 6 探测紫外 可见和近红外区 具有极高的灵敏度和极低的噪声 光敏电阻 原理 半导体材料的电阻随光照强度的增大而减小 7 光敏电阻的两端加上偏置电压后 产生电流 当入射光的光学参数变化 光敏电阻的阻值变化 相应的电流也会发生变化 光敏电阻在不受光照时的阻值称 暗电阻 暗电阻越大越 好 一般是兆欧数量级 光敏电阻在受光照时的阻值称 亮电阻 光照越强 亮电 阻就越小 一般为千欧数量级 8 一般光敏电阻的光照特 性呈非线性 光敏电阻常用在开关电 路中作光电信号变换 器 光敏二极管 由一个PN
4、结组成的半导体器件 单方向导电特性 9 原理 入射光照射在内 部PN结管芯 PN结具 有单向导电性 当无光照时 电路中有 很小的反向饱和漏电流 此时相当于光敏二极 管截止 当有光照射时 PN结 区域受光子的轰击 反 向饱和漏电流大大增加 称为光电流 光电流随入射光强度的 变化而相应变化 光的强度越大 反向电 流也越大 光敏三极管又称光电三极管 有两个PN结 具有电流增益 比光敏二极管灵敏度高 10 当光线透过光孔照到发 射极和基极之间的PN 结时 就能获得较大的 集电极电流输出 输出电流的大小随光照 强度的增强而增加 灵敏度与入射光的方向 有关 应保持光源与光敏晶体 管的相对位置不变 光电池
5、光电池有一个大面积的PN结 当光线照射到PN结上时 便在 结两端出现电动势 这种因光照而产生电动势的现象称为光生伏特效应 11 光电池在应用中常用作电流源 v 6 1 2 光电检测器性能比较 12 选择要点 与辐射信号源及光学系 统的光谱特性相匹配 与入射辐射能量相匹配 与光信号的调制形式 信号频率及波形相匹配 与输入电路以及后续电 路在电特性上相互匹配 v 6 2 典型光电检测方法及系统应用 13 需要可以产生光信号的光源 才可把被测信号加载于光载波以便测量 简单介绍作为光源的发光器件 根据光电变换中光的调制方式不同 介绍两类光电测量系统及其应用 v 6 2 1 光源及其特性 相干光源的波长
6、范围极窄 近单色光源 激光 非相干光源是除激光光源以外的其他光源 v 1 非相干光源 发光二极管 热辐射光源 白炽灯 卤钨灯等 气体放电光源 汞灯 脉冲氙灯等 固体发光光源 发光二极管 发光二极管是少数载流子在PN结区的注入与复合而产生发光 的一种半导体光源 14 v 1 非相干光源 发光二极管 15 原理 PN结上未加电压时构成一 定的势垒 加上正向偏压时 P区的空穴和N 区的电子就向对方扩散运动 构 成少数载流子的注入 从而在PN 结附近产生导带电子和价带空穴 的复合 一个电子和一个空穴每一次复合 将释放出一定能量 该能量会 以热能 光能的形式辐射出来 特点 发光二极管可利用交流供电或 脉
7、冲供电获得调制光或脉冲光 调制 频率可达到几十兆赫 v 2 相干光源 激光器 可按激光工作物质的不同 分为气体激光器 固体激光器 半导 体激光器等 按工作方式可分为连续工作激光器和脉冲工作激光器 按工作波长范围又可分为紫外光激光器 可见光激光器和红外激 光器等 16 原理 泵浦源提供外界能量 激光 工作物质产生光增益 谐振腔提供 光学正反馈 形成激光模式 特点 激光具有很好的单色性 高 亮度 方向性 相干性以及随时 间 空间的可聚焦性 v 6 2 2 非相干光电检测方法及应用 v 非相干光电检测方法和相干光电检测方法 无论光源是非相干光源或是相干性好的激光光源 非相干光 电检测方法都是利用光源
8、出射光束的强度携带被测信息 相干光电检测方法则是利用光波的振幅 频率 相位来携带 被测信息 相干光检出被测信息时需要利用光波相干原理 17 v 6 2 2 非相干光电检测方法及应用 定义 将待测光信号直接入射到光电检测器件光敏面上 光电检测器件输出的电流或电压与光信号的辐射强度有关 特点 不需要稳定的激光频率 光路设计上也不需要精准的 准直 简单而又实用的测量方法 18 v 6 2 2 非相干光电检测方法及应用 v 1 转速测量 19 1 2 34 5 6 7 8 射光式转速测量系统 光电三极管上输出与转速成比例的电脉 冲信号 其脉冲频率正比于转轴的转速 和白色条纹的数目 透射光式转速测量系统
9、 脉冲信号的频率正比于转轴的 转速和多孔圆盘的透光孔数 测速范围可达每分钟 几十万转 对被测轴 无干扰 2 脉冲编码器 一种旋转式脉冲发生器 能将机械转角变换成电脉冲 通过 对角位移电脉冲频率的计数来检测机械的旋转速度 20 增量式脉冲编码器绝对式脉冲编码器 将角位移转换成周期性的电信号 再把这 个电信号转变成计数脉冲 用脉冲的个数 表示角位移的大小 每一个位置对应一个确定的数字码 因此 它的示值只与测量的起始和终止位置有关 而与测量的中间过程无关 3 表面粗糙度测量 4 孔径测量 21 从光源1发出的光经过被测工件3的表 面反射 由光电元件5接收 当被测工件表面有缺陷或粗糙度精度 较低时 反
10、射到光电元件上的光通量 变小 转换成的光电流就小 从光源1发出的光透过被测工件2的 孔或狭缝后 由光电元件3接收 被测孔径或狭缝尺寸变化时 照到 光电元件上的光通量随之变化 转 换成的光电流大小由被测孔径大小 决定 能否检 测外径 5 光电耦合器 利用发光元件与接受光信号的光敏元件封装为一体而构成电 光 电转换的器件 加到发光器件上的电信号为耦合器的输入信号 光敏元件的 输出信号为耦合器的输出信号 无机械触点 噪音低 执行动作快 体积小 寿命长 22 v 光电耦合器 23 隔离器左边输入端为发光二极管 一般只需10mA左右的输入电流就可 发出足够的光 使光电隔离器右边 光敏三极管受光导通 一般
11、光敏三极管可输出几十毫安的 电流 从而驱动负载 如图中输出 继电器电感 v 6 2 3 相干光电检测方法及应用 原理 利用光的相干性对光载波所携带的信息进行检测和处 理 只有采用相干性好的激光器作为光源才能实现 大多数情况下利用光的干涉现象 将光的振幅 频率 相位 的变化最终都转换为光强度的变化进行检测 相干检测技术具有更高的测量灵敏度和测试精度 由于激光受大气湍流效应影响严重 破坏了激光的相干性 因而目前远距离相干测量应用受到限制 24 v 1 激光干涉测距仪 原理 通过测定检测光与参考光的相位差所形成的干涉条纹 数目而测得物体长度的 25 明暗条纹变化次数K为 为激光波长 n为空气折射率
12、可用于精密长度测量 如 线纹尺 光栅的检定等 v 2 激光多普勒测速仪 光学多普勒效应和光干涉原理 26 分辨率很高 激光测速仪在时速为100km s时 测量精度可达 0 8 在航空航天 热物理工程 环保工程以及机械运动测量等方面得到广泛 应用 v 6 3 固态图像传感器及其应用 核心部分 电荷耦合器件 Charge Coupled Device 简称 CCD CCD是由以阵列形式排列在衬底材料上的金属 氧化物 半 导体 Metal oxide Semiconductor 简称MOS 电容器件组成 它的每一个阵列单元具有光生电荷功能 一种光电传感器 每个阵列单元电容排列整齐 尺寸与位置十分准确
13、 还具有积蓄和转移电荷的功能 27 v 6 3 1 固态图像传感器测量原理 1 电荷的存储 28 栅电极上施加电压之前 P型半导体内部的空穴 多数载流子 是均匀分布的 当栅极施 加电压小于P型半导体的阈值电压时 空穴被排斥 产生了耗尽区 随着进一步增大 耗尽区的面积也增大 进一步向半导体内部扩展 随着电势变高 将 半导体内部的电子 少数载流子 吸引到表面 形成了一层电荷浓度很高的反型层 反型层的形成使得MOS具有了存储电荷的功能 电压越大 耗尽区就越深 能吸引的电 子就越多 存储的少数载流子的电荷量就越大 v 6 3 1 固态图像传感器测量原理 1 电荷的转移 29 假定开始时一些电荷存储在偏
14、压为10V的第二个电极下面的深势阱里 其他电极 上均加有小于阈值的较低电压 如2V 到达某个时刻后 各电极上的电压变为如图6 23b所示 第二个电极仍保持为10V 第三个电极上的电压由2V变为10V 因为这两个电极靠得很紧 间隔为几微米 因此两个势阱将合并到一起 原先第二个电极势阱中的电荷将被新的势阱共有 如果继续控制电压 令第二个电极上的电压下降到2V 则共有的电荷转移到第三 个电极下的势井中 30 线型CCD传感器 1728个光敏二极管作为感光像素 位于传感器中央 两侧设置CCD 转移寄存器 寄存器上面覆以遮 光物 奇数号位的光敏二极管的信号电 荷移往下侧的寄存器 偶数号位 的信号电荷则移
15、往上侧的寄存器 再以输出控制栅驱动CCD转移寄 存器 把信号电荷经公共输出端 从光敏二极管PD上依次读出 v 6 3 2 固态图像传感器的应用 小型 质轻 高速 响应快 高灵敏 高稳定性 高寿命 以及非接触等特点 危险地点或人和机械不可到达场所的测量 31 1 铝板宽度的自动检测 两个CCD线型传感器置于铝板的上方 板端的一 小部分处于传感器的视场内 在已知两个传感器 的视场间距时 就可以根据传感器的输出计算出 铝板宽度L v 2 二维零件尺寸的在线检测 32 当零件在生产线上一个接一个地 经过CCD摄像机镜头时 CCD传 感器逐行扫过零件的整个面积 将零件轮廓形状转换成逐行数据 进行存储 存
16、储的数据再经过数据处理后最 终可重构出零件的轮廓形状 并计算出零件的各部分尺寸 前提条件是传送带与零件之 间有明显的光照对比度 v 4 工件的无损检测 33 利用X光与CCD结合进行焊缝质量检测 原理 X光穿透被测件投射到X 光增强器的阴极上 经过X光增 强器产生的可见光图像为CCD所 摄取 进一步变成视频信号 视频信号经采集板采集并转换 为数字信号送入计算机系统 计算机系统将送入的信号数据 含形状 尺寸 均匀性等数据 与原来存储在计算机系统中的 数据比较 便可检测出被测件 相关信息 安全 迅速 节约 较为理 想的检测方法 v 6 4 光纤传感器测量技术 6 4 1光纤传感器基本原理 1 光纤结构 由纤芯 包层 涂敷层 护套构成 纤芯材料是二氧化硅 掺杂极微量的其他材料 以提高材料的折射率 纤芯直 径约为5 75 m 包层材料一般用纯二氧化硅 也有掺杂微量的三氧化二硼或氟 纤芯及包层的 直径约为100 200 m 包层外面有硅铜或丙烯酸盐涂敷层 以增加光纤的机械强度 最外层为尼龙外套 起保护作用 34 v 2 光纤传光原理 光线进入光纤后 当射到光纤的内包层界面时 入射角 满 足全反射
