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1、LOGO第六章第六章 光电系统设计光电系统设计LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 光电系统是测控仪器的重要组成部分，光电系统是测控仪器的重要组成部分，它与电子系统、精密机械及计算机相结合，它与电子系统、精密机械及计算机相结合，构成光、电、机、计算机相结合的现代仪构成光、电、机、计算机相结合的现代仪器器，它具有许多重要的特点，主要有：，它具有许多重要的特点，主要有：1.精度高精度高2.非接触测量非接触测量3.测量范围大测量范围大4.信息处理能力强信息处理能力强LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环
2、境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第一节第一节 测控仪器光电系统的测控仪器光电系统的组成和类型组成和类型LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程一、光电系统的组成一、光电系统的组成v光源、光学系统、被测对象、光学变换、光源、光学系统、被测对象、光学变换、光电转换、电路处理、显示、控制光电转换、电路处理、显示、控制LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程二、光电系统的类型二、光电系统的类型v主动系统与被动系统主动
3、系统与被动系统 携带信息的光源是人为制造的还是自然携带信息的光源是人为制造的还是自然辐射的。辐射的。光电系统的照明是人工光源，被测信息光电系统的照明是人工光源，被测信息通过调制的方法加载到光载波上去，然后通过调制的方法加载到光载波上去，然后用光电接收系统进行检测，这种光电系统用光电接收系统进行检测，这种光电系统称为主动光电系统。称为主动光电系统。如果光电系统的照明是自然光，或者用如果光电系统的照明是自然光，或者用不是为光电系统特殊设计的光源来携带信不是为光电系统特殊设计的光源来携带信息，这种光电系统称为被动光电系统。息，这种光电系统称为被动光电系统。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破
4、坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程v模拟系统与数字系统模拟系统与数字系统 模拟系统：光载波是直流或者连续的光模拟系统：光载波是直流或者连续的光通量。通量。数字系统：光载波是脉冲量，将被测量数字系统：光载波是脉冲量，将被测量加载到脉冲光载波的幅度、频率、脉宽或加载到脉冲光载波的幅度、频率、脉宽或相位之中，得到脉冲调幅、调频或调宽波，相位之中，得到脉冲调幅、调频或调宽波，然后对脉冲调制光波进行传输或变换。然后对脉冲调制光波进行传输或变换。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程v直
5、接检测系统与相干检测系统直接检测系统与相干检测系统直接检测系统：直接检测光强度直接检测系统：直接检测光强度相干检测系统：利用光波的振幅、频率、相相干检测系统：利用光波的振幅、频率、相位来携带信息。位来携带信息。v按光电系统的功能还分光电信息检测系统、按光电系统的功能还分光电信息检测系统、光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信光电跟踪系统、光电搜索系统、光电通信系统。系统。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第二节第二节 光电系统的特性光电系统的特性LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性
6、，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程一、光电特性一、光电特性 光电系统的光电特性即该系统输入、输光电系统的光电特性即该系统输入、输出特性，又称静特性。出特性，又称静特性。二、光谱特性及光谱匹配二、光谱特性及光谱匹配 为了提高光能利用率，要求检测器件的为了提高光能利用率，要求检测器件的光谱灵敏度分布核辐射源的辐射度分布及光谱灵敏度分布核辐射源的辐射度分布及各传输环节的透射率分布相覆盖。各传输环节的透射率分布相覆盖。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程三、光电灵敏度特性三、光电灵敏度特性 光谱响应率又称
7、光光谱响应率又称光电灵敏度，即光系统的电灵敏度，即光系统的光电检测器件的输出与光电检测器件的输出与入射光通量之比。入射光通量之比。四、频率响应特性四、频率响应特性 入射光照是以一定入射光照是以一定频率变动的交换光信息频率变动的交换光信息时，光照频率的变化将时，光照频率的变化将会引起光电器件响应率会引起光电器件响应率的变化。的变化。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程五、光电检测系统的探测率和比测率五、光电检测系统的探测率和比测率噪声等效功率噪声等效功率LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对
8、稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第三节第三节 光电系统设计的原则光电系统设计的原则LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程一、匹配原则一、匹配原则1.光谱匹配光谱匹配2.功率匹配功率匹配包含以下三个方面的内容：包含以下三个方面的内容：1）光电器件与入射辐射能量在空间上对准）光电器件与入射辐射能量在空间上对准2）入射光辐射应与光电特性相匹配）入射光辐射应与光电特性相匹配3）满足光谱匹配）满足光谱匹配3.阻抗匹配阻抗匹配LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定
9、部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程二、干扰光最小原则二、干扰光最小原则 光电系统中光干扰是造成系统工作不稳光电系统中光干扰是造成系统工作不稳定的重要因素。光电系统中的干扰光主要定的重要因素。光电系统中的干扰光主要指杂散光、背景光和指杂散光、背景光和“回授光回授光”。干扰光。干扰光最小原则就是指干扰光对光电系统影响最最小原则就是指干扰光对光电系统影响最小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。小，以使系统稳定性好，抗干扰能力强。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内
10、环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程三、共光路原则三、共光路原则LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程测验测验 四四1.电路与软件系统由哪几部分组成？电路与软件系统由哪几部分组成？2.什么是量化误差？试举例说明。什么是量化误差？试举例说明。3.提高电路与软件系统的可靠性的措施提高电路与软件系统的可靠性的措施有哪些？有哪些？LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机
11、体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第五节第五节 直接检测系统的设计直接检测系统的设计LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程特点：直接检测光功率特点：直接检测光功率LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程直接检测光电系统的工作原理直接检测光电系统的工作原理 将待测的光信号直接入射到光电器件的将待测的光信号直接入射到光电器件的光敏面上，光电器件的输出电流或电压与光敏面上，光电器件的输出电流或电压与入射光强有
12、关。入射光强有关。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程第六节第六节 相干变换与检测系统设计相干变换与检测系统设计LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程光学干涉和干涉测量光学干涉和干涉测量干涉：干涉：可能相干的两束或多束光波相叠加，可能相干的两束或多束光波相叠加，他们的合成信号的光强度随时间或空间有他们的合成信号的光强度随时间或空间有规律的变化。规律的变化。产生稳定干涉的条件产生稳定干涉的条件：（1）两列波频率相同）两列波频率相同（2）
13、相位差恒定）相位差恒定（3）振动方向一致）振动方向一致LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 干涉条纹强度取决于相干光的相位差，干涉条纹强度取决于相干光的相位差，相位差由光传输介质的折射率对光的传播相位差由光传输介质的折射率对光的传播距离的线性积分决定。距离的线性积分决定。说明：说明：光传输介质的折射率和光程长度都将光传输介质的折射率和光程长度都将影响相干光的相位变化。光学测量即利用影响相干光的相位变化。光学测量即利用这一性质改变光载波的特征参量。这一性质改变光载波的特征参量。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机
14、能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程 干涉测量实质上是被测信息对光载波的干涉测量实质上是被测信息对光载波的调制和解调过程。调制和解调过程。干涉仪干涉仪：形成干涉现象的装置。：形成干涉现象的装置。工作原理工作原理：将光束分成两个沿不同或相同：将光束分成两个沿不同或相同路径传播的光束，在其中一路中引入被测路径传播的光束，在其中一路中引入被测量，产生光程差后再合成一束光，以便观量，产生光程差后再合成一束光，以便观察干涉现象。察干涉现象。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程二、
15、干涉条纹光强检测法及其设计二、干涉条纹光强检测法及其设计 条纹光强检条纹光强检测法测法：在干涉场：在干涉场中确定的位置上中确定的位置上用光电器件直接用光电器件直接检测干涉条纹的检测干涉条纹的光强变化。光强变化。设计核心问题：设计核心问题：提高相干度。提高相干度。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程1.光的单色性和测量范围对相干度的影响光的单色性和测量范围对相干度的影响1）波长变动会引起不同初相位的叠加，降低）波长变动会引起不同初相位的叠加，降低相干度。相干度。要求：尽量使用单色光要求：尽量使用单色光2）要求：测量
16、范围）要求：测量范围相干长度相干长度2.光源的光束发散角影响光源的光束发散角影响要求：尽量用平行光照明要求：尽量用平行光照明LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程3.光电检测器的接收孔径光阑的影响光电检测器的接收孔径光阑的影响要求：使干涉区域充分占据接收光阑。要求：使干涉区域充分占据接收光阑。4.合理选择透射与反射比，获得等光强干涉。合理选择透射与反射比，获得等光强干涉。两路光波振幅相等时，条纹对比度最好。两路光波振幅相等时，条纹对比度最好。要求：使相干的两路光的透射率与反射率之比要求：使相干的两路光的透射率与反射
17、率之比近似为近似为1。例：图例：图6-45，迈克尔逊干涉仪，迈克尔逊干涉仪LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程5.共光路设计共光路设计LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程三、干涉条纹相位检测及其设计干涉条纹相位检测及其设计 工作原理：工作原理：直接检测相直接检测相位的变化。位的变化。稳定性好，稳定性好，精度高。精度高。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过
18、程四、干涉条纹的外差检测系统四、干涉条纹的外差检测系统 将包含有被测量信息的相干光调制波和作为将包含有被测量信息的相干光调制波和作为基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在基准的本机振荡光波，在满足波前匹配条件下在光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频光电检测器上进行光学混频。检测器的输出是频率为两光波光频差的拍频信号，该信号包含有调率为两光波光频差的拍频信号，该信号包含有调制信号的振幅、频率和相位特征。通过检测拍频制信号的振幅、频率和相位特征。通过检测拍频信号能最终调解出被传送的信息。信号能最终调解出被传送的信息。LOGO病原体侵入机体，消弱机体防御机能，破坏机体内环境的相对稳定性，且在一定部位生长繁殖，引起不同程度的病理生理过程优点：优点：（1）检测能力强）检测能力强（2）转换增益高）转换增益高（3）信噪比高）信噪比高（4）滤波性好）滤波性好（5）稳定性和可靠性高）稳定性和可靠性高