光电测量系统基本构成与原理

任何一个测量系统，其基本组成部分可用图1.1所示的原理方框图来表示。

传感器用于从被测对象获取有用的信息，并将其转换为适合于测量的信号。不同的被测物理量要采用不同的传感器，这些传感器的作用原理所依据的物理效应或其他效应是千差万别的。对于一个测量任务来说，第一步是能够有效地从被测对象取得能用于测量的信息，因此传感器在整个测量系统中的作用十分重要。

信号处理是对从传感器所输出的信号作进一步的加工和处理，包括对信号的转换放大、滤波、存储和一些专门的信号处理。这是因为从传感器输出的信号往往除有用信号外还夹杂有各种干扰和噪声，因此在作进一步处理之前必须尽可能将干扰和噪声滤除掉。此外，传感器的输出信号往往具有光、机、电等多种形式，而对信号的后续处理通常采取电的方式和手段，因此必须把传感器的输出信号转换为适宜于电路处理的电信号。通过信号的处理，最终获得便于传输、显示、记录及可进一步后续处理的信号。

显示与记录是将处理过的信号用便于人们观察和分析的介质与手段进行显示或记录。

图1.1所示的三个方框构成了测量系统的核心部分。但被测对象和观察者也是测量系统的组成部分，它（他）们同传感器、信号处理部分以及数据显示与记录部分一起构成了一个完整的测量系统。这是因为在用传感器从被测对象获取信号时，被测对象通过不同的连接方式对传感器产生了影响和作用；同样，观察者通过自身的行为和方式直接或间接地影响着系统的特性。

图1.1　测量系统原理框图(www.xing528.com)

一个光电测量系统的基本组成部分主要包括光源、被测对象与被测量光信号的形成与获得、光信号的转换、信号或信息处理等部分。按照不同的需要，实际的光学测量系统可能简单些，也可能还要增加某些环节，或者由若干个不同的光学测量系统集成。下面对每一部分分别加以说明。

（1）光源。光源是光学测量系统中必不可少的一部分。在许多光学测量系统中需要选择一定辐射功率、一定光谱范围和一定空间分布的光源，以此发出的光束作为携带被测信息的载体。

（2）被测对象与被测量。被测对象主要是指具体要测量的物体或物质，被测量就是具体要测量的参数，被测量可以分为几何量、力学量、光学量、时间频率、电磁量、电学量等。

（3）光信号的形成与获得。实际上就是光学传感部分，主要是利用各种光学效应，如干涉、衍射、偏振、反射、吸收、折射等，使光束携带上被测对象的特征信息，形成可以测量的光信号。能否使光束准确地携带上所要测量的信息，是决定光学测量系统成败的关键。

（4）光信号的转换。就是通过一定的途径获得原始的光信号。目前主要通过各种光电接收器件将光信号转换为电信号，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理和控制等。也可采用信息光学或其他手段来获得光信号，并用光学或光子学方法对其进行直接处理。最终观察者得到的是电信号、图像信息或数字信息。

（5）信号与信息处理。根据获得的信号的类型不同，信号或信息处理主要包括模拟信号处理、数字信号处理、图像处理以及光信息处理。在当代光电测量系统中，大部分系统采用计算机来处理、分析和显示各种信息，也可以通过计算机形成闭环测量系统，对某些影响测量结果的参数进行控制。

在光电测量系统中，特别需要注意的是光信号的匹配处理。通常表征被测量的光信号可以是光强的变化、光谱的变化、偏振性的变化、各种干涉和衍射条纹的变化等。要使光源发出的光或产生携带各种待测信号的光与光电探测器等环节间实现合理的，甚至是最良好的匹配，经常需要对光信号进行必要的处理。例如，利用光电探测器进行光强信号测量时，当光信号过强时，需要进行衰减处理；当入射信号光束不均匀时，则需要进行均匀化处理等。