光电测量技术综述

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1、概述 光电测量技术是以光电子学为基础，以光电子器件为主体，利用光电传感器将被测量的 量转换成光通量，再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成测量的一门新兴的 技术。高电位处，各种传感器在相应的物理量的作用下产生信息，这些信息通过调制器对发光 二极管或激光管等光源发出的光进行调制，具有高绝缘强度的光纤把携带信息的被调制光传 输到低电位端，然后将光信号变成电信号，经解调后得出反映高电位处的物理量的信息。光电测量系统因使用不导电的光纤传输信息，因而可以方便地使用在电压极高的场合。 其灵敏度高、重量轻、尺寸小、抗电磁干扰性强，可以测量种类繁多的物理量。它在研究和发展光电信息的形成、传输、接收、

2、变换处理和应用领域上有着非常重要的 地位，在当今的工业领域中的应用极为广泛。本论文将以几个方面进行阐述光电测量技术的 具体应用范围。1. 光电测量技术光电测量技术包括两部分：光供电技术、光调制技术。光供电技术又称光电池技术，就 是通过光纤远距离为测量设备供电。光调制技术就是把测量信息调制到一定频率的光载波上 的技术，通常有调幅、调相两种方式。图 1 某传感器测量系统的光供电原理图在某些场合，测量设备难以使用外供的交/直流电源，使用电池也受到工作时间的限制 光供电成为较好的选择。随着材料科技的突飞猛进，光-电转换效率不断提高，供电功率逐 步提高，此方案的优点日益明显。1.2 幅度调制技术 光的幅

3、度调制技术，是把电压变化转化为光强度变化的过程，分为模拟信号调制和数字 信号调制。幅度调制技术是一种有源光电测量技术，需要外部提供直流电源（包括光供电）。 光的幅度调制包括调制发射、光传输、解调接收三个环节。光的调制发射技术，就是给半导体发光材料注入电子，产生一定频率、强度的光信号。其原理是晶体电子由能级E1跃迁到E2产生特定频率f的光，即Bohr条件：E - E、f = 2L1）光的解调接收技术，就是利用光生伏特器件在光照下激发出空穴-电子对，继而形成光 电流的技术。为了提高信噪比，提高信号灵敏度，模拟信号或数字信号都可以进行二次调制（电信号调 制后再进行光调制）。1.3 相位调制LiNbO

4、 3晶体在外电场作用下，其折射率将发生变化见公式（2）：2）n 二 n0+a E + p E 2 +式中：n 折射率；n0未加电场时晶体的折射率;a、p常量币o对于LiNbO3晶体，a远大于p，因此折射率的变化近似为线性，称为pgkels效应。光 经过LiNbO3晶体，由于折射率的变化导致光传输路径的变化，进而导致和电场变化线性相 关的相位变化。因而，测量相位变化，得到电场变化。图 2 给出了测量传感器相位调制原理，这种方法通过两条不同路径的光信号的干涉，测量 光的相位变化。光霸一I r图 2 测量传感器相位调制原理图1.4 光电测量系统的分类及构成 按探测方式：点源探测系统、面源探测系统；

5、按系统工作光谱区域：紫外光谱区域、可见光谱区域、红外光谱区域 按照明方式分为主动式和被动式。被动式成像系统被动式光电系统利用目标自身的辐射探测目标，而主动式光电系统则需要另外的照明光 源。图是被动光电系统方框图，其中信息源是自然辐射源。例如，所需探测的飞机、舰船、 地形、星体、火焰和人体等物体，它们自身都辐射红外光或可见光，由于它们的辐射性质与 周围环境有差别，光电系统就能获取它们的相关信息。信息源的辐射经过传输介质一一大气， 到达接收光学系统。接收光学系统将获得的部分辐射聚到光电探测器上，光电探测器将光信 号转变为电信号。通常，为了尽可能使检出信息的质量较高，系统中加入调制环节，使光电 探测

6、器的输出信号是调制信号。调制信号经电子系统放大、处理后，就能检出所需信息。某 些系统还加入微机进行处理，由于所检出的信息是由电信号表示的，所以可与后面各种环节 连接。根据具体需要，后面可以接显示、记录、存储环节或者控制等环节，以形成自动控制 系统，或接计算机完成智能性任务，还可以接转换环节把电量变成非电量等。主动式光电系统中，采用人造光源的辐射去照射被测物体，使所需信息能载到反射、透 射或散射光波上去，然后由光电系统进行检测。对于某些非光学物理量（如语言），可先将 声音变成电信号，然后通过调制器把信息载到光波上而进行传输。在接收端，主动光电系统主动式成像系统按系统转换后的信息形式分为成像光电系

7、统（可见光、紫外光、红外光）、非成像光电 系统（调制盘红外系统、十字叉红外系统、四象限系统、激光测距）。其中激光测距应用较 多，激光测距仪由于激光的单色性好、方向性强等特点，加上电子线路半导体化集成化，与 光电测距仪相比，不仅可以日夜作业、而且能提高测距精度，显著减少重量和功耗，使测量 到人造地球卫星、月球等远目标的距离变成现实。按成像的光电转换器件：CCD成像系统、混合型红外光、混合型微光、合成孔径成像 SAR。其中合成孔径雷达（简称SAR）是一种主动式的对地观测系统，可安装在飞机、卫星、 宇宙飞船等飞行平台上，全天时、全天候对地实施观测、并具有一定的地表穿透能力。最后，光电测量系统还可分类

8、为有源系统和无源系统。在有源系统中,光源在高压端。 处于高电位的测量系统具有对光源和电子器件供电的电源。在这种系统中信息通过调制器对 光源发出的光进行直接的强度调制（内调制）。调制的方式有模拟调制法（如调幅、调频等） 和数字调制法（如脉冲编码调制）。这种系统比较简单，可适用一切能把各种物理量变为电 量的场合，但需高压端供电。它已作成各种测量工频电流、冲击电流、电晕电流、电场强度 等量的装置。而在无源系统中，光源置于低电位处。在高电位处不需要供电电源。光从低电 位处发出，通过光纤传送到高电位处的无源调制器。在该处信息通过调制器对光进行间接调 制（外调制），如对光的偏转状态进行调制，对光波的相位、

9、波长及频率进行调制等。然后 把带有信息的光经光纤传到地面，经解调后，得出高电位处的信息。某些特制的光纤本身就 是传感器和调制器。无源系统可以测量电压、电流、温度、压力、电场强度、磁场强度等数 十种物理量。2. 光电式传感器从概述中光电测量技术的定义可以看出，它是依托光电子器件实现测量的一门技术。查 阅文献可知，许多光电测量系统都是依靠光电式传感器将被测量的量转换成光通量，再转换 成电量，然后再进行后续测量。它是一种将被测量的变化转换成光量的变化，再通过光电元件把光量变化转换成电信号 的一种装置。光电传感器的基本组成光电式传感器的原理是外光电效应和内光电效应。以下简单介绍两种常见的基于内光电 效

10、应的光电式传感器：光敏电阻和光电池。2.1 光敏电阻光敏电阻是用硫化隔或硒化隔等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是基于内光 电效应的光电导效应。光照愈强，阻值就愈低，随着光照强度的升高，电阻值迅速降低，亮 电阻值可小至1KQ以下。光敏电阻对光线十分敏感，其在无光照时，呈高阻状态，暗电阻 一般可达1.5MQ。光敏电阻的主要参数是：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流 称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的 电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为

11、暗电阻，常用0LX”表示（用照度计测量光的 强弱，其单位为勒克斯 lx）。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的 电阻值（亮电阻）的相对变化值。(uA)4Q20flKM 7Qn(nmiBOO 即。1000C加JIDO光敏电阻的灵敏度 -I 曲线（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下 的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电 阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进 一步增大光照

12、强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非 线性。（6）伏安特性曲线。在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电 流之间的关系称为 伏安特性。在给定偏压下，光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越 大，光电流越大，而且无饱和现象。但是电压不 能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额 定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光 敏电阻永久性损坏。（7）温度系数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电 灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。2.2 光电池 光电池基于内光电效应的光生伏特效应，在光线照射下，

13、直接将光量转变为电动势的光电元 件。光电池的特性参数：（1）光谱特性光电池的光谱特性可参见下图所示，硅光电池的光谱范围广，即为450011000 A，硒光电光电池的光谱特性池的光谱范围是34007500 A。2）光照特性光电池的光照特性 从上图我们可以看出，短路电流在很大范围内与光强成线性关系。开路电压随光强变化是非 线性的，并且当照度在20001X时就趋于饱和了。因此把光电池作为测量组件时，应把它当 作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。（3）频率特性（4）温度特性2.3 光电式传感器应用 按其输出量性质可分：模拟输出型光电传感器和数字输出型光电传感器。 按被测物与光电元件和光源之间的关系，

14、光电式传感器的应用有以下几种： （1）光源本身就是被测物。如光电比色温度计、光照度计等。2）恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。如测液体透明度、烟尘浓度等。光电元件被测物恒光源（3）恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。 如测元件尺寸、运动状态等。（5）恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上。如测纸张白度、零件表面粗 糙度、光电转速表等。在应用部分需要特别指出的是，光源与光电器件在光谱特性上应基本一致，即光源发出 的光应该在光电元件接受灵敏度最高的频率范围内。并且对于模拟量检测，一般要有参比信 号，用来消除或削弱背景光及温度等因素

15、的影响。3. 光纤传感器前面介绍的光供电技术就是通过光纤远距离为测量设备供电。我们可以看出，光纤及光 纤传感器在光电测量系统中占据十分重要的位置。光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer。航空科技领域定义其为利用光导纤 维的传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器； 光纤传感器，英文名称：optical fiber transducer。航空科技领域定义其为利用光导纤维的 传光特性，把被测量转换为光特性（强度、相位、偏振态、频率、波长）改变的传感器；光纤 传感器是20世纪70年代中期发展起来的一门新技术，它是伴随着光纤及光通信技

16、术的发展 而逐步形成的，这一新技术的影响目前已十分明显。3.1 光纤3.1.1光纤定义 光纤从里到外分别是纤芯、包层、涂覆保护层和护套。光纤的主体是纤芯和包层；涂覆保护 层和护套起到隔离杂光和提高光纤强度的作用。中心的圆柱体叫纤芯，围绕着纤芯的圆形外 层叫做包层，纤芯和包层主要由不同掺杂的石英玻璃制成，纤芯的折射率n1略大于包层的 折射率n2,在包层外面有一层保护套，多为尼龙材料。5一裸克歼 井怪，SOOum 2-3mmL图 3 光纤结构光主要在纤芯中传输，光纤的导光能力主要取决于纤芯和包层的折射率，满足n1n2，典型 数值是 n1=1.46-1.51, n2=1.44-1.50。光的全反射现

17、象是研究光纤传光原理的基础。光纤的主要特性参数有数值孔径、损耗 光纤模式等。3.1.2 光纤分类按照制造光纤所用的材料分：石英系光纤、多组分玻璃光纤、塑料包层石英芯光纤、全 塑料光纤和氟化物光纤。按光在光纤中的传输模式分：单模光纤和多模光纤。 按折射率分布情况分：阶跃型和渐变型光纤。按光纤的工作波长分：短波长光纤、长波长光纤和超长波长光纤。3.2 光纤传感器原理 光纤传感器由光源、传输光纤、传感元件或调制区、光检测等部分组成. 众所周知, 描 述光波特征的参量很多（如光强、波长、振幅、相位、偏振态和模式分布等） ，这些参量在 光纤传输中都可能会受外界影响而发生改变. 如当温度、压力、加速度、电压、电流、位 移、振动、转动、弯曲、应变以及化学量和生物化学量等对光路产生影响时,均会使这些参 量发生相应变化。光纤传感器就是根据这些参量随外界因素的变化关系来检测各相应物理量 的大小。3.3 光纤传感器的应用： 过程控制用的物理传感器和化学传感器。主要用于检测温度、位移、压力、液位，加 速度和流量等参数。 化学、生物化学和医用传感器。如气体分析仪、PH值传感器、血氧测定计。 在航空和航海中的应用。如地磁仪、水听器、光纤陀螺仪。