光电测量系统设计

名称：光电测量系统设计--基于干涉方法测量细钢丝发生的微小伸长量姓名：学号：班级：一．内容：理解干涉测量法的原理及方法，利用干涉测量法测量细钢丝的微小伸长量二．干涉原理：1.干涉条件：要获得稳定的干涉条纹就必须使两束光波的频率相同，相遇处振动方向相同且有固定不变的相位差.2.原理：光的干涉是指两束或多束光在空间相遇时，在重叠区内形成稳定的强弱强度分布的现象。

例如，两列单色线偏振光在空间P点机遇，它们的振动方向间的夹角为θ，则在P点处的总光强为式中，I1，I2是二光束的光强；φ是二光束的相位差，且有由此可见，二光束叠加后的总强度并不等于这两列波的强度和，而是多了一项交叉项I12，它反映了这两束光的干涉效应，通常称为干涉项。

干涉现象就是指这两束光在重叠区内形成的稳定的光强分布。

所谓稳定，是指用肉眼或记录仪器能观察到或记录到条纹分布，即在一定时间内存在着相对稳定的条纹分布。

显然，如果干涉项I12远小于两光束光强中较小的一个，就不容易观察到干涉现象；如果两束光的相位差随时间变化，使光强度条纹图样产生移动，且当条纹移动的速度快到肉眼或记录仪器分辩不出条纹图样时，就观察不到干涉现象了。

三．干涉仪器：1.迈克尔逊干涉仪迈克尔逊干涉仪是一种利用分割光波振幅的方法实现干涉的精密光学仪器．具有结构简单、光路直观、精度高等特点，其调整和使用具有典型性．根据迈克尔逊干涉仪的基本原理发展的各种精密仪器已广泛应用于生产和科研领域．自1881年问世以来，迈克尔逊曾用它完成了三个著名的实验：否定“以太”的迈克尔逊—莫雷实验；光谱精细结构；利用光波波长标定长度单位．图中M1和M2是在相互垂直的两臂上放置的两个平面反射镜，其中M1是固定的；M2由精密丝杆控制，可沿臂轴前、后移动，移动的距离由刻度转盘(由粗读和细读2组刻度盘组合而成)读出。

在两臂轴线相交处，有一与两轴成45°角的平行平面玻璃板G1，它的第二个平面上镀有半透（半反射）的银膜，以便将入射光分成振幅接近相等的反射光⑴和透射光⑵，故G1又称为分光板。

G2也是平行平面玻璃板，与G1平行放置，厚度和折射率均与G1相同。

由于它补偿了光线⑴和⑵因穿越G1次数不同而产生的光程差，故称为补偿板。

从扩展光源S射来的光在G1处分成两部分，反射光⑴经G1反射后向着M2前进，透射光⑵透过G1向着M1前进，这两束光分别在M2、M1上反射后逆着各自的入射方向返回，最后都达到E处。

因为这两束光是相干光，因而在E处的观察者就能够看到干涉条纹。

迈克耳逊干涉仪等倾干涉光路2.马赫-泽德干涉仪马赫-泽德干涉仪也是一种分振幅干涉仪，与迈克尔逊干涉仪相比，在光通量的利用率上，大约要高出一倍。

这是因为在迈克尔逊干涉仪中，有一半光通量将返回到光源方向，而马赫—泽德干涉仪却没有这种返回光源的光。

3．法布里—珀罗干涉仪法布里—珀罗干涉仪主要由两块平行放置的平面玻璃板或石英板G，G’组成，两板的内表面镀银或铝膜，或多层介质膜以提高表面反射率。

为了得到尖锐的条纹，两镀膜面就精确地保持平行，其平行度一般要求达到（1/20—1/100）λ。

干涉仪的两块玻璃板（或石英板）通常制成有一个小楔角（1’~10’），以避免没有镀膜表面产生的反射光的干扰。

如果两板之间光程可以调节，这种干涉装置称为法布里—珀罗干涉仪；4.泰曼-格林干涉仪泰曼-格林干涉仪是检测光学元件的重要仪器，由L1给出一束平行准单色光，经分束板P分成两束相互垂直的反射光和透射光，前者入射到平面镜M1后，沿原路返回再经分束板到达投射物镜L2。

透射光束经过处于最小偏向角位置的棱镜P2后，垂直入射到平面镜M2上，经M2反射后，经原路返回，并由分束板P反射到达投射物镜L2。

若棱镜是完善的，则在L2后焦平面处看到一均匀的视场，如棱镜有缺陷，两次通过棱镜的平行光的波面发生形变，与M1反射的光发生干涉。

被检测的光学元件可以是平板或透镜。

5.斐索干涉仪四．测量原理：光电测量系统中的光路部分的设计有两种方法：干涉测量法和衍射测量法。

这两种测量方法所适用的测量对象不同，干涉测量法主要用来测位移，衍射测量法主要用来测形变。

本次设计采用干涉测量法。

（一）光的干涉：1.干涉原理：一束光可以被视作为振动的电磁波。

当两束或更多束光在空间相遇时，根据叠加原理，这些场叠加起来。

也就是说在空间每一点，其电磁场是由在该点的各光束电磁场的矢量之和决定。

如果每束光都来自不同的光源，则各光束电磁振动之间通常不存在固定的联系，任一时刻空间都有一些点的场强被叠加至最大。

然而可见光的振动频率大大快于人眼的响应，由于电磁波的振动之间没有固定关系，某一时刻场强最大的一点，在下一时刻可能场强最小，人眼平均了这些结果而看到一个统一的光强。

如果各光束来自同一光源，则各光束电磁振动频率和相位之间通常存在一定程度的关联。

若空间某点各光束的光一直是同相的，则叠加场总是最大，将看到一个亮点。

而在空间的其它点，各光束的光一直是反相的，则叠加场总是最小，被看到一个暗点。

托马斯•杨是最早设计产生干涉图案的人之一。

他让一窄光束入射在两个相邻近的狭缝上，在狭缝后面放置一个观察屏，在屏上出现了明暗相间的规则图案。

杨氏实验为光的波动特性提供了重要的证据。

杨氏狭缝可被当作一个简单的干涉仪。

如果已知狭缝间距，可利用亮暗条纹的间距来测定光的波长。

反之，如果已知光的波长，可由干涉图案测得狭缝间距。

获得想干光的方法有两种：分波面法和分振幅法。

因分振幅法产生的干涉的实验装置即可以使用扩展光源，又可以获得清晰的干涉条纹，所以我们选择分振幅法。

然后根据分振幅法的原理，利用透明薄板的第一、二表面对入射光的依次反射，将入射光的振幅分解为若干部分，当这些部分的光波相遇就将产生干涉。

本设计采用泰曼—格林干涉系统来对钢丝增长的微位移进行前端信息采取，由于模—数光电变换系统对光源和光电器件的要求不那么严格，（相对模拟光电变换系统）只要能使光电变换电路输出稳定的‘0’，‘1’两种状态即可，因此后端采用模—数光电变换系统来进行数据处理，如图所示，为激光干涉测微位移的原理图，He-Ne 激光器发出的激光经过聚集，扩束，准直后得到一束平行光，平行光入射到半反半透镜上分成两束光，一束为参考光束，一束为测量光束，两束光分别经过M1，M2回到G，并在G处发生干涉，其干涉条纹经聚集后被光电器件接收，形成脉冲信号，反射镜M2的位置移动量的模拟信息载于脉冲信号中，全反射M1固定，而全反射镜M2与钢丝紧密接触，这样就可以根据M2的移动量与被测钢丝增长量的线性关系求出钢丝的微小伸长量，参考光束与测量光束的光程不相等，当光程差 波长的整数倍，即Δ=kλ,(k=0,1,2,…)时，两束光波的相位相同，光强度最大，在M3上出现亮条纹，光电接收器得到经聚集后的亮度信号，当光程差Δ=（2k+1）λ/2时，两束光波的相位差为π/2，光强度为零，在M3上出现暗条纹，光电接收器上无光信号入射，输出信号为零，这样，当可动反射镜M2因为钢丝受热而移动时，在M3上将出现亮暗交替的干涉条纹，Iv=Iov+IovKicos(2Δ)/ λ,式中，Iov为平均光强度，Ki为干涉条纹的对比度，从上式可知，光程差每变化波长λ时，干涉条纹亮暗变化一次，干涉条纹变化n次，则光程差Δ=nλ,对于图中所示结构，光程差Δ是动镜M2的位移量L的2倍，因此被测位移量L=nλ/2,因此只要记录干涉条纹的个数n,便可测出钢丝的微小伸长量。

1．注意问题：本设计在M1和G1之间加上衰减器，使得到达L的来自不同反射镜反射的光束能量相等，光衰减器是用于对光功率进行衰减的器件，另外加入透镜使激光束聚焦然后再用扩束准直系统进行扩束准直。

2．在E处加上探测器观察干涉条分析条数n，M1右端加有压电陶瓷.（1）压电陶瓷片是一种结构简单、轻巧的电声器件，因具有灵敏度高、无磁场散播外溢、不用铜线和磁铁、成本低，耗电少、修理方便、便于大量生产等优点而获得了广泛应用，所以要选择适当。

（2）探测器利用半导体材料的光电导效应制成的一种光探测器件。

所谓光电导效应，是指由辐射引起被照射材料电导率改变的一种物理现象。

由于它们的禁带宽度很窄，因此在室温下，热激发足以使导带中有大量的自由载流子，这就大大降低了对辐射的灵敏度。

响应波长越长的光，电导体这种情况越显著，其中1～3微米波段的探测器可以在室温工作（灵敏度略有下降）。

3～5微米波段的探测器分三种情况：①在室温下工作，但灵敏度大大下降，探测度一般只有1～7×108厘米·瓦-1·赫；②热电致冷温度下工作(约-60℃),探测度约为109厘米·瓦-1·赫;③77K或更低温度下工作,探测度可达1010厘米·瓦-1·赫以上。

8～14微米波段的探测器必须在低温下工作。

五．设计的光路图：六．探测器：(3)设计内容3.1电流探头的结构如图1所示。

由于探头工作在高频强电磁场中，内部电路板的抗干扰能力要求高。

通过屏蔽层与壳体的紧密结合，可实现较好屏蔽。

放置光发射头的开孔是屏蔽的难点，它无法利用金属片进行屏蔽。

设计中，利用截止波导原理进行屏蔽。

表面电流探头的底板处是杂散电场干扰的来源，在内侧敷设地层铜屏蔽层，在底板、磁环与电路板之间加铜箔屏蔽层，对电路板进行进一步屏蔽。

图13.2 表面电流探头的信号检测部分根据电磁感应原理2设计。

其核心部分是一个半圆环的高磁导率磁芯，采用半铁氧体磁环。

在磁芯上绕n 匝线圈。

当表面电流探头放在在接收端，通过包络检测器（PIN/APD）将光脉冲转换为电信号。

接收端由光检测器、与接收机的接口组成。

光检测器转换得到的电信号进行简单的低通滤波，即可用同轴线与接收机相连，进行分析和显示。

本文设计的测试系统要求的传输距离很近，并且要求探头的体积比较小，故采用结构相对简单的模作为测试直接电流注入装置内导体电流的表面探头，结构方面要求体积小、使用方便、可靠性好。

图 2(4)技术指标4.1 电压单节电压为3V，电池容量150mAH,两节串联。

4.2频率响应由于光电探测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，梭鱼入射光辐射的频率对光电安车器的响应度会有较大的影响。

光电探测器的响应随入射辐射的调制频率的而变化的特性称为频率相应。

利用时间常数可得到光电探测器响应度与入射辐射调制频率的关系，其表达式为2120])2(1[)(τπf R f R +=式中R(f)为频率在f 的时的响应度，Ro 为频率等于零时的响应度，τ 为时间常数（等于RC ）当R(f)/Ro ＝21=0.707 可得到放大器的上限截至频率RC 2121ππτ==上f 显然，时间常熟决定了光电探测器 频率响应的带宽4.3 光谱响应光谱响应度光谱响应度又叫单色响应度，他表示不同波长的单位辐射功率，辐射入射到一个探测其的敏感元件上，探测器输出强弱的不同，光谱相应度用λR 表示，是光电探测其的输出电压或输出电流与入射到探测其上单色辐射通量（光通量）之比)(λφλs V R = )(λφλsI R =4.4 灵敏度直流光电灵敏度和量子效率可以根据不同的功率的光电流特性和期间的相关参量计算而得。