光电测量技术及应用-课程综述PPT

扫描式比色温度计
原理：根据热辐射定律，使用光电池进行非接触测温。
根据有关辐射定律，物体在两个特殊波长λ1和λ2上的
辐射强度 I 1 和 I 2 之比与该物体的温度成指数关 系。
I 1 K 2 T K 1e I2
光电比色温度计光路原理
光电比色温度计电路原理
I 1 K 2 T 而 I1 K 1e I，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。它已做成各 种测量工频电流、冲击电流、电晕电流、电场强度等量的装置。
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、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、
光纤传感器结构与原理 2.光纤传感器 结构： 把被测量转变为可测的光信号的装置。
原理： 光纤中光波参数（如光强、频率、波长、相位以及偏振态等）随 外界被测参数的变化而变化，所以可以通过检测光纤中光波参数 的变化以达到检测外界被测物理量的目的。
光纤传感器结构与原理 2.光纤传感器 根据作用方式——功能型、非功能型
• 功能型 主要使用单模光纤。这类传感器利用本身对外界被测对象具 有敏感能力和检测能力，光纤不仅起到传光作用，而且在被测 对象作用下，如光强、相位、偏振态等光学特性得到调制，调 制后的信号携带了被测信息。
光纤传感器结构与原理 2.光纤传感器 根据作用方式——功能型、非功能型
• 非功能型 传光型光纤传感器的光纤只当做传 播光的媒介，不是敏感元件。“感受” 是利用光线的端面或在两根光纤中间放 置光学材料、机械式或光学式的敏感元 件。
光纤传感器应用举例 4.医学相关应用
医用光纤传感器 医用光纤传感器体积小， 电绝缘和抗电磁干扰性能好， 适用于身体内部检测。可以 用来测量体温、体压、血流 量、PH等。光纤多普勒血流 传感器已用于薄壁血管、小 直径血管、蛙的蛛网状组织， 老鼠的视网膜皮层的血流测 量等。

医用内窥镜
• 光纤层析成像分析技术 源于X射线层析成像分析 （CT），该技术应用于医疗 即为光相干层析成像分析技 术（OCT）。基本原理是， 一个光脉冲在样品的不同深 度反射回来的时间不同，通 过测量反射回来的时间延迟， 可得到样品深度方向的结构 图像。
原理：在高电位处，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：现代光电测量系统是及几何光 学、物理光学、电子学、天文学、自动控制技 术、精密机械技术、计算机技术及红外、电视、 激光等现代光电子技术于一体的综合性技术。 优点：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。
成像光电系统
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
CCD成像系统
红外光电转换成像系统
DM-540/550光学测量系统
PR-655扫描式亮度色度计
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、
光纤传感器结构与原理 1.光纤基本知识
光的传输原理 光的全反射现象是研究光纤传光原理的基础。当介质1的 折射率大于介质2的折射率，既光从光密介质射向光疏介质 时，折射角是大于入射角的，所以当增大入射角，折射角也 增大，但折射角先增大到90度，此时(入射角叫临界角)折射 光消失，只剩下反射光，称为全反射现象。
背景知识介绍 由于光纤容易受到外界环境因素如温度、压力、电 场、磁场等条件变化的影响，使得其光的传输特性随 之改变，且二者之间存在一定的对应关系，由此便研 制出光纤传感器。 自20世纪70年代初制出第一根实用光纤后，20世纪 80年代以来已发展了60多种不同的光纤传感器。 目前，已研发出测量位移、速度、加速度、压力、 温度、流量、电场、磁场等各种物理量的数百种光纤 传感器。
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。
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
4、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。
背景知识介绍
背景知识介绍
由于光纤传感器具有如上所述的优势，可以 用来解决许多传统传感器无法解决的测量的问 题，所以自从问世以来，就被广泛的用于医疗、 交通、电力、机械、石油化工、航空航天、地 质和岩土工程等各个领域。
光纤传感器结构与原理
1.光纤基本知识
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n1>n2，典型数值是n1=1.46-1.51, n2=1.44-1.50。
光电测量技术与应用
汇报人：董 2018.3.28
contents 概述
光电式传感器举例及应用
光电测量技术应用举例
概述
• 光电测量技术定义 • 光电测量系统分类
定义：光电测量技术是指利用光纤通信和光电子器件， 对处于高电位的各种物理量进行测量和传输的技术。
（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。）
光纤传感器应用举例
3.虚拟现实与光纤传感器 数据头盔、眼镜、手套等，为虚拟现实系统提供了一种全新的 交互手段。 VR手套中装有许多光纤传感器，能够感觉到手指关节的弯曲 状态，观察者通过手指的活动来实现与虚拟场景互动作用。目前 的产品已经能够检测手指的弯曲，并利用磁定位传感器来精确地 定位出手在三维空间中的位置。
光在光线中反射示 意图
光纤传感器结构与原理 1.光纤基本知识
光纤主要特性参数：
（1）数值孔径
光纤数值孔径是多模光纤的重要参数，它表征光纤端面接收光的能 力，其取值的大小要兼顾光纤接收光的能力和对模式色散的影响。入射到 光纤端面的光并不能全部被光纤所传输，只是在某个角度范围内的入射光 才可以。这个角度α的正弦值就称为光纤的数值孔径(NA = sinα)，多模光 纤NA的范围一般在0.18-0.23之间，所以一般有sinα = α，即光纤数值孔径 NA = α。
近似“短路”条件。
从实验中知道，负载电阻越小，光电流与照度之间的 线性关系越好，且线性范围越宽a
（3）频率特性
（4）温度特性
反应光的交变频率和光电池输出 电流的关系。
光电池的开路电压和短路电 流随温度变化的情况。
光纤传感器
• 背景知识介绍 • 光纤传感器结构与原理 • 光纤传感器应用举例
背景知识介绍
光纤传感器结构与原理 1.光纤基本知识 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。
特别指出： • 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。
• 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的影响。
光电式传感器应用举例 光电比色温度计（光源本身是被测物） 问题的提出：高温测量，物体辐射出的光波 与温度有关。
光电池
原理：内光电效应的光生伏特效应，在光线照射下，直接将 光量转变为电动势的光电元件。实质上是电压源。
光电池的特性
（1）光谱特性
硅光电池的光谱范围广，即为
4500~11000

，硒光电池的光谱
范围是3400~7500

。
（2）光照特性
光电池的短路电流：是反映外接负载电阻相对于光电 池内阻很小时的光电流。而光电池的内阻是随着照度增加 而减小的，所以在不同照度下可用大小不同的负载电阻为
NA n12 n22
（2）光纤模式 简单的说就是光波沿光纤传播的途径和方式。 多模光纤(Multi Mode Fiber)：中心玻璃芯较粗(50或62.5μm)，可传 多种模式的光。但其模间色散较大，传输距离较近，一般就几公 里。 单模光纤(Single Mode Fiber)：中心玻璃芯很细(芯径一般为9或 10μm)，只能传一种模式的光。因此，其模间色散很小，适用于 远程通讯。 （3）损耗 实现光纤通信，一个重要的问题是尽可能地降低光纤的损耗。光 纤损耗所谓损耗是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB／km。 光纤损耗的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近。
光纤传感器应用举例 1.几种光纤干涉仪
• 光纤马赫——曾德干涉仪
• 光纤迈克尔逊干涉仪
光纤传感器应用举例
• 光纤法布里——珀罗干涉仪
• 萨格纳克光纤干涉仪
光纤传感器应用举例
2.检测地震中的应用 由于具有长距离遥测、耐恶劣环境、灵敏度高、易于联网等突出 优点，光线传感器是目前最好的地震监测手段，一旦在地震带附近 建立起永久的可以监测地震的光纤传感器网络，就可以及时的监测 地下的异常，对可能发生的地震发出预警，最大可能地避免人员伤 亡和财产损失。 除光纤传感器之外，还可能采用的传感器为光栅位移传感器、加 速度传感器、倾角传感器等其他传感器。