《光电检测技术概述》课件.ppt

*************************************光纤传感系统系统构成一个完整的光纤传感系统通常包括光源、光纤传感元件、光传输通道、光电检测器和信号处理单元五个部分。光源为系统提供稳定的光信号，常用的有LED、超辉LED、激光二极管等；光纤传感元件是系统的核心，直接感受被测量的变化；光传输通道将光信号从光源传输到传感元件，再传输到检测器；光电检测器将光信号转换为电信号；信号处理单元完成信号调理、数据处理和结果显示。信号处理光纤传感系统的信号处理是一个关键环节，直接影响系统的性能。现代系统通常采用数字信号处理技术，结合特定的算法，实现对信号的滤波、放大、解调和分析。对于复杂的传感网络，还需要实现传感点的寻址和复用信号的分离。先进的信号处理算法可以有效提高系统的信噪比、测量精度和响应速度，是提升系统性能的重要途径。3应用领域光纤传感系统在众多领域有着广泛应用。在土木工程中，用于结构健康监测；在电力系统中，用于高压设备温度监测；在石油天然气行业，用于油井和管道监测；在环境监测中，用于水质和污染物检测；在医疗领域，用于生物传感和微创诊断。随着技术的发展，光纤传感系统正朝着智能化、网络化、集成化方向发展，应用领域不断拓展。第九章：激光检测技术激光原理基于受激辐射产生相干光束激光测距利用激光测量物体距离激光多普勒测速基于多普勒效应测量物体速度激光检测技术是利用激光独特的性质进行测量和检测的技术总称，它充分发挥了激光的高相干性、高方向性和高亮度等优点，实现对距离、速度、位移等物理量的精确测量。本章将系统介绍激光的基本原理、激光测距技术和激光多普勒测速技术三个核心内容。激光检测技术具有非接触、高精度、快速响应等特点，在工业自动化、军事国防、科学研究等领域有着重要应用。随着激光器件的小型化和低成本化，激光检测技术正加速向民用领域渗透，成为现代精密测量的重要手段。掌握激光检测的基本原理和方法，对于理解和应用现代光电检测技术具有重要意义。激光原理受激辐射受激辐射是激光产生的物理基础，它是指处于高能级的原子在外来光子激发下，跃迁到低能级并同时释放一个与入射光子完全相同（相同频率、相位、极化方向和传播方向）的光子的过程。相比自发辐射，受激辐射产生的光子具有严格的相位关系，这是激光相干性的来源。实现受激辐射占主导地位需要建立粒子数反转，即高能级粒子数多于低能级粒子数。光学谐振腔光学谐振腔是激光器的关键组成部分，通常由两面反射镜构成，一面为全反射镜，另一面为部分反射镜。谐振腔的作用是使光在工作物质中往复传播，形成正反馈，同时筛选出特定方向和频率的光束。谐振腔的长度、反射率和稳定性直接影响激光的输出性能，如输出功率、线宽、发散角等。现代激光器设计中，谐振腔结构多种多样，以满足不同应用需求。激光种类根据工作物质不同，激光可分为气体激光器（如氦氖激光器、CO?激光器）、固体激光器（如红宝石激光器、掺钕激光器）、半导体激光器、染料激光器等。不同类型的激光器输出波长、功率、脉冲特性各不相同，适用于不同的检测场合。其中，半导体激光器因体积小、成本低、效率高，已成为激光检测系统中使用最广泛的光源类型。激光测距测量精度(mm)最大量程(m)脉冲法测距是最直接的激光测距方式，通过测量激光脉冲从发射到接收反射回波的时间来计算距离。这种方法测量范围大，可达数千米，但精度受限于时间测量精度，通常为厘米级。脉冲法广泛应用于测绘、军事和自动驾驶等领域。相位法测距通过测量发射和接收光信号之间的相位差来计算距离，精度较高，可达毫米级，但测量范围相对较小。三角测量法基于几何原理，通过激光发射器和接收器的角度信息计算距离，在近距离测量中具有极高精度，但随着距离增加精度迅速下降。现代激光测距系统通常综合使用多种方法，以平衡精度和量程需求。激光多普勒测速多普勒效应多普勒效应是指波源与观察者之间存在相对运动时，观察者接收到的波频率与波源发出的频率不同的现象。对于光波，当反射物体相对于光源运动时，反射光的频率会发生偏移，这种频率偏移量与物体的运动速度成正比，与光的入射方向和观测方向有关。激光多普勒测速正是利用这一原理，通过测量频率偏移来计算物体速度。测速原理激光多普勒测速系统通常由激光光源、光学系统、光电探测器和信号处理单元组成。激光束照射到运动物体上，反射光由于多普勒效应而频率发生偏移。这种频率偏移通常很小，难以直接测量。因此，实际系统中常采用光外差技术，将反射光与参考光混频，产生差频信号，通过测量这个差频信号来获取速度信息。这种方法能够测量极低到极高的各种速度。应用实例激光多普勒测速技术在众多领域有着广泛应用。在交通管理中，用于车