1、光電測量系統設計設計題目：用干涉法測量鋼絲鋼絲熱伸長度班級：光通2 姓名：學號：指導教師：朱海東- 1 -用干涉法測量鋼絲熱伸長度設計目的1、 了解干涉產生的原理、方法，了解個部分的作用，并能綜合運用2、 靈活運用所學光學知識，掌握光電測量系統中的光路部分的設計原理及方法3、 根據所學知識，將干涉測量運用于設計一個光電測量系統中的光路部分一、 邁克爾干涉儀測量原理邁克爾遜干涉儀的結構簡圖所示，G2是一面鍍上半透半反膜，M1、M2為平面反射鏡，M1是固定的，M2和精密絲相連，使其可前后移動， M1和M2后各有幾個小螺絲可調節其方位。當M2和M1嚴格平行時，M2移動,表現為等傾干涉的圓環形條紋不斷

2、從中心“吐出”或向中心“消失”。兩平面鏡之間的“空氣間隙”距離增大時，中心就會“吐出”一個個條紋；反之則“吞進”一個個條紋。M2和M1不嚴格平行時，則表現為等厚干涉條紋，M2移動時，條紋不斷移過視場中某一標記位置，M2平移距離 d 與條紋移動數 N 的關系滿足d=N2。- 2 -在復色光源時，因玻璃和空氣的色散不同，補償板則是不可缺少的。二、 設計原理1、干涉測量原理干涉測量技術是一波長為單位的非接觸精密測量方法，具有極其廣泛的應用范圍，其精度可達 以上，且有很高的測量重復性，該方法可實現對長度、距離、位移、振動和運動速度等物理量的高精度非接觸測量。干涉測量基于光波疊加原理，在干涉場中產生明暗

3、交替上網干涉條紋，通過分析條紋的運動狀況來獲取被測量的相關信息。將相干光源出射的光束分為兩束，一束投射至參考反射鏡，并將其反射光作為參考光；另一束投射至被測反射鏡，并用反射光作為檢測光；再用一分光棱鏡使參考光與檢測光重合，產生干涉，所形成的干涉場的光強分布為：I(x,y)=Ir(x,y)+It(x,y)+2Ir(x,y)It(x,y)cos(x,y)其中：Ir(x,y)，It(x,y)分別為參考光和檢測光的強度；(x,y)為參考光和檢測光之間的位相差。若被測反射鏡位置發生位移或者形變，將會引起兩光束間的光程差變化，也即(x,y)發生變化，進而引起I(x,y)的變化。因此，探測I(x,y)的變化

4、，并經過相關的電路處理，得到(x,y)的變化，即可得到被測物體位移和振動的相關信息。 干涉場的光強為余弦分布，具有雙值性，因此，當L=2時，干涉條紋將發生多于一個條紋的往返位移。條紋移動時探測器輸出波形是振動引起兩個多周期（非整數個）的條紋移動，邁克爾遜干涉實驗是測量壓電陶瓷位移和振動幅度的重要實驗之一，其基本工作原理如圖1-2所示，R和T（T裝在陶瓷管的一端）是兩個平面鏡，做為兩臂，G是個半透半反的分束板，它把由光源射來的光線分為強度相等的兩部分（1）和（2）投射到R和T上，被R和T反射到G，又經G反射和透射相聚到光探頭上。（1）和（2）這兩束光為相干光，因此在E處相遇時產生一定的干涉圖樣，

5、若R與T嚴格垂直，則E處的干涉圖樣為等傾干涉條紋，實驗裝置采用的壓電陶瓷材料為管狀長度為40mm，壁厚1mm，在內外壁上分別鍍有電極，在電極上加有周期性的對稱三角波電壓，壓電陶瓷隨所加電壓的變化而伸長或縮短，在陶瓷管的一端裝有激光反射鏡T，可以在邁克爾遜干涉儀中當反射鏡使用。- 3 -實驗裝置中光源為He-Ne激光器，其干涉圖紋為一組同心圓形條紋簇，隨著陶瓷管上反射鏡的微小移動條紋將向內收縮或向外發散，每移動一個條紋，對應的光程差為由于鋼絲的位移使條紋的變化，即y=N為選定激光波長）。則22（式中y為壓電陶瓷位移，N為干涉條紋數目，圖1-22、驅動電源電路系統所要的驅動電源主要是精密基準電壓源

6、、高頻波形發生器、電壓-電流轉換器、慢啟動保護電路和反饋環路5部分組成，其原理框圖如圖1-3所示。圖1-3三、 設計內容- 4 -1、光路的組成：L1 透鏡：聚焦L2 透鏡：擴束、準直L3 透鏡：聚光M1、M2 全反射鏡：折疊光路2、探測器光電系統一般都是圍繞光電探測器的性能進行設計的，因此探測器的選擇非常重要，而探測器的性能由以下一些參數來表征。光電探測器的工作條件1.輻射源的光譜分布很多光電探測器，特別是光子探測器，其響應是輻射波長的函數，僅對一定的波長范圍內的輻射有信號輸出。這種稱為光譜響應的信號依賴于輻射波長的關系，決定了探測器探測特定目標的有效程度。所以在說明探測器的性能時，一般都需

7、要給出測定性能時所用輻射源的光譜分布。2.電路的通頻帶和帶寬 因噪聲限制了探測器的極限性能，噪聲電壓或電流均正比于帶寬平方根，而且有些噪聲還是頻率的函數。所以在描述探測器的性能時，必須明確通頻帶和帶寬。3.工作溫度 許多探測器，特別是用半導體材料制作的探測器，無論是信號還是噪聲，都是和工作溫度有密切關系。所以必須明確工作溫度。4.光敏面尺寸 探測器的信號和噪聲都和光敏面積有關，大部分探測器的信號噪聲比與光敏面積的平方要成比例。參考面積一般為1cm。5.偏置情況 大多數探測器需要某種形式的偏置。例如光電導探測器和電阻輻射熱器需要直流偏置電源，光電磁探測器的偏置是磁場。光電探測器的分類1.光電子發

8、射探測器光電子發射效應又稱之為外光電效應，它是指當光照射某種物質時，若入射的光子能量 足夠大，它和物質中的電子相互作用，致使電子逸出物質表面，這就是光電子發射效應，逸出物質表面的電子叫做光電子。光電子發射探測器就是基于外光電效應的光電探測器，也叫真空光電探測器。在光輻射下，探測器內光敏材料的電子得到足夠的光子能量后，就會逸出光敏材料表面而進入外界空- 5 - 2間，在空間電場的作用下便形成電流。光電子發射探測器主要包括光電管、光電倍增管及微通道板光電倍增管。光電倍增管具有較高的內增益，其二次發射增益因子可高達10,因面對單個光子能量比較靈敏。此外光電倍增管還具有響應速度快的優點，因此在探測微弱

9、光信號及快速脈沖光信號方面仍然是一個重要的探測器件，廣泛應用于航天、遙感、材料、生物、醫學等領域。2.光電導探測器光電導效應是光子作用于光電導材料，形成本征吸收或雜質吸收，產生載流子，從而使半導體的電導率發生變化。利用光電導效應制作的光探測器稱為光電導探測器，簡稱PC(Photoconductive)探流或偏壓。光電導探測器可根據不同類型的光電導效應和材料差異分為本征型、雜質型、薄膜型和掃積型光電導探測器。光電導探測器在軍事和國民經濟的各個領域有廣泛用途。在可見光或近紅外波段主要用于射線測量和探測、工業自動控制、光度計量等；在紅外波段主要用于導彈制導、紅外熱成像、紅外遙感等方面。光電導增益G是

10、表征光電導探測器特性的一個重要參數，它表示長度為L的光電導體兩端加上電壓V后，由光照產生的光生載流子在電場作用下所形成的外部光電流與光電子形成的內部電流（qN）之間的比值。在無光照時，常溫下的樣品具有一定的熱激發載流子濃度，因而樣品具有一定的暗電導率0樣品在有光照時由于吸收光子而產生的光聲載流子濃度用n和p表示，光照穩定情況下的電導率為7=q(n0+n)n+(p0+p)p式中，q為電子電荷電量，3.光伏探測器 n為電子遷移率，p為空穴遷移率。得到光電導率為 =-0=q(nn+pp)光生伏持效應是光照使不均勻半導體或均勻半導體中光生電子和空穴在空間分開而產生電位差的現象。對于不均勻半導體，由于同

11、質的半導體不同的摻雜形成的PN結、不同質的半導體組成的異質結或金屬與半導體接觸形成的肖特基勢壘都存在內建電場當光照這種半導體時，由于半導體對光的吸收而產生了光生電子和空穴，它們在內建電場的作用下就會向相反的方向移動和積聚而產生電位差，這種現象是最重要的一類光生伏特效應。對于均勻半導體，由于體內沒有內建電場當光照這種半導體一部分時，由于光生載流子濃度梯度的- 6 -不同而引起載流子的擴散運動。但電子和空穴的遷移率不等，由于兩種載流子擴散速度的不同而導致兩種電荷的分開，從而比現光生電勢。這種現象稱為丹倍效應。此外，如果存在外加磁場，也可使得擴散中的兩種載流子向相反方向偏轉，從而產生光生電勢，稱為光

12、磁電效應。通常把丹倍效隨和光磁電效應稱為體積光生伏特效應。光伏探測器是利用半導體PN結光生伏特效應而制成的探測器，簡稱PV（Photovoltaic）探測器。按照對光照敏感“結”的種類不同，又可分為PN結型、PIN結型、金屬一半導體結型(肖特基分壘型)和異質結型：最常用的光伏探測器有光電池、光電二極管、光電三極管、PIN管、雪崩二極管等。光伏探測器按使用要求不同可分為兩類，一類是用作能源和探測的光電池；另一類是主要作為光電信號變換的光伏探測器，如光電二極管、光電三極管等。光電池是根據光生伏特效應制成的，不需加偏壓就能把光能轉換成電能的PN結光電器件。按用途光電池可分為兩大類，即太陽能光電池和測

13、量光電池。太陽能光電池主要用作電源，對它的要求是轉換效率高、成本低，由于它具有結構簡單、體積小、重量輕、可靠性高、壽命長、在空間能直接利用太陽能轉換成電能的特點，因而不僅成為航天工業上的重要電源，還被廣泛地應用于供電困難的場所和人們的日常生活中。測量光電他的主要功能是作為光電探測用，即在不加偏置的情況下將光信號轉換成電信號，對它的要求是線性范圍寬、靈敏度高、光譜響應合適、穩定性好、壽命長，被廣泛應用在光度、色度、光學精密計量和測試中。光電三極管是一種相當于在基極和集電極之間接有光電二極管的普通三極管，因此，結構與般晶體管相類似但也有其特殊地方。光電三極管的工作有兩個過程，一是光電轉換；二是光電

14、流放大。光電轉換過程是在集電極內進行，它與一般光電二極管相同。當集電極加上相對于發射極為正向電壓而基極開路時，則BG結處于反向偏壓狀態。無光照時，由于熱激發而產生的少數載流子，電子從基極進入集電極，空穴則從集電極移向基極，在外電路中有電流(即暗電流)流過。當光照射基區時，在該區產生電子一空穴對，光生電子在內電場作用下漂移到集電極，形成光電流，這一過程類似于光電二極管。與此同時，空穴則留在基區，使基極的電位升高，發射極便有大量電子經基極流向集電極。集電結起雙重作用，一是把光信號變成電信號起光電二極管的作用；二是將光電流放大，起一般晶體三極管的集電極的作用。光伏探測器與光電子探測器相比較，主要區別

15、在于：(1)產生光電變換的部位不同，光電導探測器是均值型，光無論照在它的哪一部分，- 7 -受光部分的電導率都要增大，而光伏探測器是結型，只有到達結區附近的光才產生光伏效應.(2)光電導探測器沒有極性，工作時必須外加偏壓，而光伏探測器有確定的正負極，不需外加偏壓也可以把光信號變為電信號。(3)光電導探測器的光電效應主要依賴于非平衡載流子中的多子產生與復合運動，弛豫時間較大，同此，響應速度慢頻率響應性能較差。而光伏探測器的光伏效應主要依賴于結區非平衡載流子中的少子漂移運動，弛豫時間較小，因此，響應速度快，頻率響應特性好。另外像雪崩二板管和光電三極管還有很大的內增益作用，不僅靈敏度高，還可以通過較

16、大的電流。基于上述特點，光伏探測器的應用非常廣泛。一般多用于光度測量、光開關、報警系統、圖像識別、自動控制等方面。4.熱探測器熱探測器是不同于光子探測器的另一類光探測器。它是基于光輻射與物質相互作用的熱效應制成的器件。這是一類研究得最早并且最早得到實際應用的探測器。熱探測器有熱電 偶、熱敏電阻和熱釋電探測器等多種，由于它具有不需致冷、在全部波長上具有平坦響應兩大特點，至今仍有廣泛應用，甚至在某些領域中它是光子探測器所不能取代的。熱釋電效應是指某些物質(例如硫酸三甘肪、錠酸櫻、鋁酸錫鋇等品體)吸收光輻射后將其轉換成熱能，這個熱能使晶體的溫度升高，溫度的變化又改變了晶體內品格的間距這就引起在居里溫

17、度以下存在的自發極化強度的變化，從而在晶體的特定方向上引起表面電荷的變化，這就是熱釋電效應。熱探測器探測光輻射包括兩個過程：一是吸收光輻射能量后，探測器的溫度升高；二是把溫度升高所引起的物理特性的變化轉變成電信號（如熱敏電阻、測輻射熱電偶）。 熱敏電阻是依據吸收光輻射升溫引起電阻的變化來測定光輻射。最簡單的熱敏電阻是一根短的細絲。在下作溫度下，它有一定的電阻值。當細絲吸收了光輻射而升溫時，測出溫度變化所引起的電阻變化，就可確定所吸收的輻射能量。在由兩種導 測輻射熱電偶是利用熱能和電能相萬轉化的溫差電效應制成的熱探測器。體或半導體材料組成的閉合回路中，如果接點的溫度不同，那么回路中就有電流流通。

18、這一現象稱為溫差電效應或塞貝克效應。產生熱電流的電動勢稱為溫差電勢或塞貝克電勢。熱釋電探測器是一種利用某些晶體材料自發極化強度隨溫度變化所產生的熱釋電效應制成的新型熱探測器。晶體受輻射照射時，由于溫度的改變使自發極化強度發生變化，結果在垂直于自發極化方向的晶體兩個外表面之間出現感應電荷，利用感應電荷的變化可測量光輻射的能量。因為熱釋電探測器的電信號正比于探測器溫度隨時間的變化率，不像其它熱探測器需要有個熱平衡過程，所以其響應速度比其他熱探側器快得多，一般熱探測器的時間-4-4常數典型值在10.01s范圍而熱釋電探測器的有效時間常數低達103xl0.雖然目前熱釋電探側器在比探測率和響應速度方面還

19、不及光子探測器，但由于它還具有光譜響應范同寬較大的頻響帶寬，在室溫下工作無需致冷，可以有大面積均勻的光敏面，不需偏壓，使用方便等特點而得到日益廣泛的應用。與光子探測器相比，熱探測器的主要缺點是：響應較低，響應時間校長，一般地，要同時得到靈敏度高、響應快的特性是困難的。然而自熱釋電探測器出現后，緩和了這一矛盾。熱釋電探測器的響應度和響應速度已比過去那些熱探測器有了很大提高，因此熱探測器的使用范圍擴大了，延伸到原來部分光子探測器獨占的領域，而且在大于14 m的遠紅外域更有廣闊的用途。下面介紹幾種常用的熱釋電探測器- 8 -1.TGS(硫酸三甘肽)及其同晶體探測器 在空溫下其熱釋電系數大，介電常數小

20、。在較寬的頻率范圍內，這類探測器的探測靈敏度較高，因此它是至今仍使用得相當廣泛的熱釋電探測器。2.SBN鈮酸鍶鋇)熱釋電探測器 這種熱釋電探測器因由于材料中鋇含量的提 高而使居里溫度相應提高。3.壓電陶瓷熱釋電探測器 4.聚合物熱釋電探測器 5.快速熱釋電探測器 5.其它光電探測器件電荷耦合器件(簡稱CCD)CCD攝像器件的基本性能參數(1)分辨率 作為像敏感器件最重要的一個參數是空間分辨率。CCD的分辨率與每個像元的尺寸和像元之間的間距有關，CCD器件像素數愈多，分辨率愈高。當像素數一定時，轉移損失率對空間分辨串的影響亦很大。(2)暗電流 暗電流主要由耗盡區的熱激發載流子形成以及si和sio

21、2界面態的復合等原因造成.暗電流使勢阱慢慢地被填滿，減小了動態范圍。尤其是暗電流在整個成像區不-l均勻時，使像面嚴重畸變。目前成像區CCD器件在室溫下的暗電流約為510nA·cm叫。(3)靈敏度 靈敏度主要由CCD器件響應度和各種噪聲因素共同決定。由于CCD結構復雜，噪聲源也較多，主要有光子噪聲、暗電流噪聲、表面捕獲噪聲、“肥零”噪聲和輸出電路噪聲等。當然理想的CCD攝像器件希望有高靈敏度。(4)動態范圍 動態范圍是指對于光照度有較大變化時，器件仍能線性響比。它的上限 是由電荷最大存貯容量決定，下限仍是噪聲所限制。(5)光譜響應 CCD器件的光譜響應與所用材料有關。通常用Si材料制做

22、的CCD其光 譜響應曲線與硅光電二極管相同。圖2 信號處理系統在本實驗設計中我們選擇使用SPD-032硅雪崩光電探測器，下面簡單介紹其基本參數： 用途0.41.1m波長信號的優良探測器，適用于光功率計、激光測距、測速、測角、光電探測、光電信息傳輸等系統特點n+p-p+達通型結構，內部有雪崩倍增效應，高靈敏度、高速響應、低噪聲主要技術指標光敏面直徑(mm) 0.8- 9 -響應度(0.9um) 60A/W響應度(1.06um) 15A/W響應上升時間(ns) 3暗電流(uA) 200噪聲(PW/Hz) 0.15工作電壓(V) 275475工作溫度() -40+70探測波長(um) 0.41.13

23、、 源電路設計通過對電路結構的設計和對元器件的選用，實現直流穩定度高達15×10 、長期工作電流變化小于1 A 的高穩定度恒流激光器驅動源；同時，為了滿足干涉測量的應用需要，使用正弦調制方式(是電路的另一獨特之處)，實現了適用于不同干涉測量需要的光波頻率和光強的調制驅動，則具體的驅動電源電路如下： 1/2四、 設計裝置誤差分析與改進a) 誤差分析激光干涉測量精度受到多種因素影響。其測量誤差主要包括: 系統誤差, 主要指受到激光干涉測量方法及測量系統元部件制造精度的限制,測量系統所存在- 10 -的不可消除的誤差; 阿貝、余弦誤差, 在測量系統安裝過程中, 測量軸線與被測對象的運動軸線

24、之間的誤差角以及測量過程中被測對象多自由度運動等形成的誤差; 環境誤差, 干涉儀工作過程中, 環境的波動(空氣溫度、壓力及相對濕度的變化) 引起空氣折射率的變化, 由此導致的誤差; 延時誤差,由干涉儀測量電路延時、測量數據滯后所產生的誤差。上述各種誤差會導致測量結果的不準確, 從而影響測量精度。為提高測量精度, 一方面針對誤差源,采用改進措施, 另一方面通過多種途徑對各項補償進行補償。在測量精度達到納米級時, 僅靠改進措施無法滿足精度要求, 必須對其各項誤差進行深入分析、補償, 以提高測量精度。下面對上面幾種誤差詳細分析：系統誤差激光測量系統中反射鏡初始位置所決定的跨距以及測量系統中各元部件自身精度所導致的測量誤差稱為系統誤差。系統誤差主要包括固定跨距引起的誤差和反射鏡鏡面不平度引起的誤差。(1) 固定跨距引起的誤差干涉鏡與反射鏡初始位置之間的距離稱為跨距。反射鏡的初始位置是指干涉儀讀數為零時, 反射器所在的位置。由于固定跨距的長短不影響干涉儀讀數,在自動補償中可以不予考慮。(2) 反射鏡鏡面不平度引起的誤差從測量原理可知, 測量光束經兩次反射鏡反射后與參考光發生干涉, 以獲取頻移量, 從而得到被測對象的位置。由于反射鏡面型制造精度只能達到2030nm, 精度有限, 會導致測量結果精度下降。在納米級測量應