第1章 緒論

1.1 光電檢測(cè)系統(tǒng)的基本工作原理

所謂光電檢測(cè)系統(tǒng)是指對(duì)待測(cè)光學(xué)量或由非光學(xué)待測(cè)物理量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過(guò)光電變換和電路處理的方法進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)。光電檢測(cè)技術(shù)是各種檢測(cè)技術(shù)中的重要組成部分。特別是近年來(lái)，各種新型光電探測(cè)器件的出現(xiàn)，以及電子技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展，使光電檢測(cè)系統(tǒng)的內(nèi)容更加豐富，應(yīng)用越來(lái)越廣，目前已滲透到幾乎所有工業(yè)和科研部門(mén)。

1. 光電檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)例

下面通過(guò)一些簡(jiǎn)單的例子來(lái)說(shuō)明光電檢測(cè)系統(tǒng)的主要構(gòu)成和原理。

（1）紅外防盜報(bào)警系統(tǒng)

這是一種利用行動(dòng)中人體自身的紅外輻射，經(jīng)菲涅耳透鏡產(chǎn)生調(diào)制光信號(hào)，再經(jīng)光電變換及電路處理，從而獲得信息，產(chǎn)生報(bào)警的裝置。其原理框圖如圖1-1所示。人體紅外輻射經(jīng)紅外菲涅耳物鏡L會(huì)聚到光電探測(cè)器GD上，隨著人的運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)換為交變的電信號(hào)輸出。電信號(hào)經(jīng)放大、鑒別后，控制警燈、警鈴等裝置進(jìn)行報(bào)警。同時(shí)也可以利用報(bào)警信號(hào)進(jìn)行其他后處理的控制，如關(guān)門(mén)、攝像、開(kāi)高壓等。

（2）光電計(jì)數(shù)器

對(duì)需要進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)的場(chǎng)合，均可采用光電計(jì)數(shù)器來(lái)完成。如統(tǒng)計(jì)進(jìn)門(mén)參加會(huì)議的人數(shù)；統(tǒng)計(jì)傳送帶上產(chǎn)品的數(shù)量；路口汽車(chē)的流量等。圖1-2所示為傳送帶上對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行計(jì)數(shù)的光電計(jì)數(shù)器的原理框圖。將光源GY和光電探測(cè)器GD相對(duì)地安裝在傳送帶的兩側(cè)，光源發(fā)出的光直接照射到光電探測(cè)器上。當(dāng)有產(chǎn)品通過(guò)時(shí)，將上述光路切斷，對(duì)應(yīng)在光電探測(cè)器上產(chǎn)生暗脈沖，該脈沖信號(hào)經(jīng)放大和整形后，由計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)并通過(guò)顯示器輸出。若需進(jìn)行定量計(jì)數(shù)，如每100件打1包，則可將計(jì)數(shù)信號(hào)通過(guò)譯碼器產(chǎn)生規(guī)定量的信號(hào)，用該信號(hào)去控制打包和換空包的動(dòng)作。

（3）鍋爐水位的光電控制

在標(biāo)志鍋爐水位的玻璃管的兩側(cè)，在所要求的最高和最低水位處，安裝兩組光源——光電器件對(duì)。由于水能透過(guò)可見(jiàn)光，所以常用水吸收很強(qiáng)的紅外光源和對(duì)紅外敏感的探測(cè)器。其工作原理框圖如圖1-3所示。當(dāng)水位高過(guò)上限時(shí)，擋住了光源GY1射向光電探測(cè)器GD1的紅外光束，產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后，控制進(jìn)水閥門(mén)使之關(guān)閉。相反，水位低于下限時(shí)，光源GY2發(fā)出的紅外光束照到光電探測(cè)器GD2上，產(chǎn)生另一個(gè)控制信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)放大后，控制出水口關(guān)閉并打開(kāi)進(jìn)水閥門(mén)。

（4）穩(wěn)定光源發(fā)光強(qiáng)度的自控系統(tǒng)

該系統(tǒng)工作原理框圖如圖1-4所示。光源GY在外加電壓U1驅(qū)動(dòng)下工作，Rw1可調(diào)整光源的發(fā)光強(qiáng)度。光源發(fā)光的一部分經(jīng)特征濾光片LG后，由電阻值為RG的光敏電阻GD所接收，R1、R2、Rw2和RG構(gòu)成電橋，在達(dá)到所要求的光強(qiáng)時(shí)，通過(guò)調(diào)整Rw2，使電橋平衡，UA=UB，RG=（R1/R2）Rw2，這時(shí)無(wú)信號(hào)輸入放大器。當(dāng)由于某種外界原因光源發(fā)光強(qiáng)度增加時(shí)，光敏電阻RG的值減小，使RG＜（R1/R2）Rw2，對(duì)應(yīng)UA＜UB。這時(shí)有負(fù)信號(hào)輸入放大器，放大信號(hào)經(jīng)控制器調(diào)整Rw1，使之增大，同時(shí)相應(yīng)光源發(fā)光強(qiáng)度減小，回到所要求的穩(wěn)定值。同樣當(dāng)光源發(fā)光強(qiáng)度變小時(shí)，經(jīng)與上述相反的調(diào)整過(guò)程，使之恢復(fù)到要求的穩(wěn)定值，起到穩(wěn)定光源發(fā)光強(qiáng)度的作用。

2. 光電檢測(cè)系統(tǒng)組成

從上述幾個(gè)簡(jiǎn)單的光電檢測(cè)系統(tǒng)的例子中，可以大致歸納出這類(lèi)系統(tǒng)的基本組成，其原理框圖如圖1-5所示。按照不同的需要，實(shí)際的光電檢測(cè)系統(tǒng)可能簡(jiǎn)單些，也可能還要增加某些環(huán)節(jié)。在有些系統(tǒng)中可能前后排列不同，或者幾個(gè)環(huán)節(jié)是合在一起的，很難把它們分開(kāi)。總之，圖1-5只表征基本原理，而實(shí)際系統(tǒng)的形式是多樣的，復(fù)雜的。

為了對(duì)光電檢測(cè)系統(tǒng)有個(gè)大致的認(rèn)識(shí)，下面對(duì)圖1-5中主要部分給予簡(jiǎn)單說(shuō)明。

（1）光源

光源是光電檢測(cè)系統(tǒng)中必不可少的部分。在許多系統(tǒng)中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍及一定發(fā)光空間分布的光源，以此發(fā)出的光束作為攜帶待測(cè)信息的物質(zhì)，如圖1-2和圖1-3所示的系統(tǒng)。有時(shí)光源本身就是待測(cè)對(duì)象，如圖1-1和圖1-4所示的系統(tǒng)。這里所指的光源是廣義的，它可以是人工光源，也可以是自然光源。如圖1-1的系統(tǒng)中，人體輻射就是光源。此外光源也可以是其他非光物理量，通過(guò)某些效應(yīng)轉(zhuǎn)換出來(lái)的發(fā)光體，例如利用熒光質(zhì)來(lái)完成將電子束或各種射線(xiàn)轉(zhuǎn)換為發(fā)光的過(guò)程，通過(guò)對(duì)發(fā)光功率等特性的測(cè)量，將達(dá)到對(duì)電子射線(xiàn)或各種射線(xiàn)特性檢測(cè)的目的。這里的熒光質(zhì)也就是該系統(tǒng)的光源。

（2）被檢測(cè)對(duì)象及光信號(hào)的形成

被檢測(cè)對(duì)象即待測(cè)物理量，它們是千變?nèi)f化的。這里所指的是上述光源所發(fā)出的光束在通過(guò)這一環(huán)節(jié)時(shí)，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測(cè)對(duì)象的特征信息，形成待檢測(cè)的光信號(hào)。例如，利用散射測(cè)定某氣體中的含塵量，其原理示意圖如圖1-6所示。光源GY發(fā)出的光束經(jīng)物鏡L1形成平行光束，在光束經(jīng)過(guò)待測(cè)含塵氣體時(shí)，光與塵埃作用產(chǎn)生各方向的散射光，利用物鏡L2和光電探測(cè)器檢測(cè)其散射光的量，就可測(cè)定氣體中含塵量的大小。該裝置中含塵氣體就是被檢測(cè)對(duì)象，光束通過(guò)這一環(huán)節(jié)后，使散射光攜帶了被測(cè)對(duì)象的特征信息。圖1-2和圖1-3的例子其實(shí)質(zhì)也是這樣的過(guò)程，這時(shí)檢測(cè)對(duì)象的待測(cè)物理量是傳送帶上的產(chǎn)品和水位的高低。

光通過(guò)被檢測(cè)對(duì)象這一環(huán)節(jié)，能否使光束準(zhǔn)確地?cái)y帶上所要檢測(cè)量的信息，是決定所設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵。

（3）光信號(hào)的匹配處理

這一工作環(huán)節(jié)的位置可以設(shè)置在被檢測(cè)對(duì)象前面，也可設(shè)在其后部，應(yīng)按實(shí)際要求來(lái)決定。通常在檢測(cè)中表征待測(cè)量的光信號(hào)可以是光強(qiáng)度的變化、光譜的變化、偏振特性的變化、各種干涉和衍射條紋的變化，以及脈寬或脈沖數(shù)等。要使光源發(fā)出的光或產(chǎn)生攜帶各種待測(cè)信號(hào)的光與光電探測(cè)器等環(huán)節(jié)間實(shí)現(xiàn)合理的甚至是最良好的匹配，經(jīng)常需要對(duì)光信號(hào)進(jìn)行必要的處理。例如，利用光電探測(cè)器進(jìn)行光度檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)探測(cè)器的光譜特性按人眼視見(jiàn)函數(shù)進(jìn)行校正；當(dāng)光信號(hào)過(guò)強(qiáng)時(shí)，需要進(jìn)行中性減光的處理；當(dāng)入射信號(hào)光束不均勻時(shí)，則需要進(jìn)行均勻化的處理；當(dāng)進(jìn)行交流檢測(cè)時(shí)，需要對(duì)信號(hào)光束進(jìn)行調(diào)制處理等。歸納起來(lái)可以說(shuō)，光信號(hào)匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測(cè)量的信息，以滿(mǎn)足光電轉(zhuǎn)換的需要。光信號(hào)的處理主要包括：光信號(hào)的調(diào)制、變光度、光譜校正、光漫射，以及會(huì)聚、擴(kuò)束、分束等。

以上討論的三個(gè)環(huán)節(jié)往往緊密結(jié)合在一起，目的是把待測(cè)信息合理地轉(zhuǎn)換為適于后續(xù)處理的光信息。

（4）光電轉(zhuǎn)換

該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)光電檢測(cè)的核心部分。其主要作用是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，以利于采用目前最為成熟的電子技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的放大、處理、測(cè)量和控制等。光電檢測(cè)不同于其他光學(xué)檢測(cè)的本質(zhì)就在于此。完成這一轉(zhuǎn)換工作主要是依靠各種類(lèi)型的光電和熱電探測(cè)器，隨著各類(lèi)探測(cè)器的發(fā)展和新型探測(cè)器的出現(xiàn)，都為光電檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了有力的基礎(chǔ)。

（5）電信號(hào)的放大與處理

這一部分主要由各種電子線(xiàn)路組成。為實(shí)現(xiàn)各種檢測(cè)目的，可按需要采用不同功能的電路來(lái)完成，對(duì)具體系統(tǒng)進(jìn)行具體分析。應(yīng)當(dāng)指出，雖然電路處理方法多種多樣，但必須注意整個(gè)系統(tǒng)的一致性。也就是說(shuō)，電路處理與光信號(hào)獲得、光信號(hào)處理，以及光電轉(zhuǎn)換均應(yīng)統(tǒng)一考慮和安排。

（6）微機(jī)及控制系統(tǒng)

通常把顯示系統(tǒng)也包括在這一環(huán)節(jié)當(dāng)中。許多光電檢測(cè)系統(tǒng)只要求給出待測(cè)量的具體值，即將處理好的待測(cè)量電信號(hào)直接經(jīng)顯示系統(tǒng)顯示。

在需要利用檢測(cè)量進(jìn)行反饋后去實(shí)施控制的系統(tǒng)中，就要附加控制部分。如果控制關(guān)系比較復(fù)雜，則可采用微機(jī)系統(tǒng)給以分析、計(jì)算或判斷等處理后，再由控制部分執(zhí)行。這樣的系統(tǒng)又可叫做智能化的光電檢測(cè)系統(tǒng)。目前隨著單片機(jī)和小型微機(jī)的迅速發(fā)展，對(duì)稍復(fù)雜的光電檢測(cè)系統(tǒng)都考慮盡可能實(shí)現(xiàn)智能化的檢測(cè)。