第1章 光电检测技术

光电检测技术吴莹物电学院--《光电检测技术与应用》郭培源、付扬参考书目《光电检测技术及应用》周秀云等编著电子工业出版社《光电检测技术》曾光宇等编著清华大学出版社《光电检测技术》雷玉堂等编著中国计量出版社目录第一章绪论1.1信息技术与光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念1.2.1检测与测量的概念1.2.2光电传感器与敏感器的概念1.3光电检测系统的组成及特点1.4光电检测方法及应用发展趋势第二章光电检测器件工作原理及特性2.1光电检测器件的物理基础2.1.1光电导效应2.1.2杂质光电导效应2.1.3光生伏特效应2.1.4光热效应2.2光电检测器件的特性参量第三章半导体光电检测器件及应用3.1光敏电阻3.1.1光敏电阻的结构及其工作原理3.1.2光敏电阻特性参数3.1.3光敏电阻的应用3.2光生伏特器件3.2.1光电池3.2.2光电二极管与光电三极管3.2.3发光器件3.2.4光电耦合器件3.2.5光电位置敏感器件3.2.6光热辐射检测器件3.2.7各种光电检测器件的性能比较第四章光电信号检测电路4.1光电检测电路的设计要求4.2光电信号输入电路的静态计算4.2.1恒流源型器件光电信号输入电路4.2.2光伏型器件光电信号输入电路4.2.3可变电阻型器件光电信号输入电路4.3光电信号检测电路的动态计算4.3.1光电信号输入电路的动态计算4.3.2光电检测电路的频率特性4.4光电信号检测电路的噪声4.5前置放大器4.6光电检测电路举例第五章光电直接检测系统5.1光电直接检测系统的基本工作原理5.2光电直接检测系统的基本特性5.2.1直接检测系统的信噪比5.2.2直接检测系统的检测极限及趋近方法5.2.3直接检测系统的视场角5.2.4系统的通频带宽度5.3直接检测系统的距离方程5.4光电直接检测系统举例5.4.1莫尔条纹测长仪5.4.2激光测距仪5.4.3环境污染监测系统第六章光外差检测系统6.1光外差检测原理6.2光外差检测特性6.3影响光外差检测系统灵敏度的因素6.3.1光外差检测的空间条件(空间调准)6.3.2光外差检测的频率条件6.4光外差检测系统举例6.4.1干涉测量技术6.4.2光外差通信6.4.3多普勒测速第七章光纤传感器检测技术7.1光纤传感器的基础7.2光纤的光波调制技术7.2.1强度调制与解调7.2.2偏振调制与解调7.2.3相位调制与解调7.2.4频率调制与解调7.3光纤传感器实例7.3.1光纤位移传感器7.3.2光纤温度传感器7.3.3光纤角速度传感器（光纤陀螺）7.3.4光纤压力传感器7.3.5光纤电流传感器7.4分布式光纤传感器第八章光电信号的数据采集与微机接口8.1光电信号的二值化处理8.1.1单元光电信号的二值化处理8.1.2视频信号的二值化处理8.1.3光电信号的二值化数据采集与接口8.2单元光电信号的A/D转换与数据采集8.3视频光电信号的A/D转换与数据采集第九章光电检测技术的典型应用9.1微弱光信号检测技术9.1.1锁相放大器9.1.2取样积分器9.1.3光子计数器9.2光电开关与光电转速计9.3条形码技术9.4光电遥控技术9.5红外方位检测系统第一章绪论1.1信息技术与光电检测技术•信息技术:–感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。–微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。光电检测技术光电信息技术以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：1.光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2.光通信和综合信息网络3.光频微电子4.光电方法用于瞬态光学观测5.光电传感、光纤传感和图象传感6.激光、红外、微光探测，定向和制导7.光电精密测试，在线检测和控制技术8.混合光电信息处理、识别和图象分析9.光电人工智能和机器视觉10.光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11.生物光子学•光电检测技术•是利用光电传感器实现各类检测。通常以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参数量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数量是否合格或参数量是否存在。1.2光电检测与光电传感器概念被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、…）化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……检测器件：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统检测过程：信号采集、信号处理、信号显示、信号输出1.2.1检测与测量测量：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：–长度：直尺、游标卡尺、千分尺–电压：万用表–质量：天平间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式计算出被测量。例如：–电功率：P=I×V（电流×电压）–重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）224TLg例：空调机测量控制室温空气被测对象：被测信息：检测器件：操作过程：室内空气温度温度传感器---热敏电阻、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机1.2.2光电传感器与敏感器的概念传感器的作用：是将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。（非电量与电量系统之间的接口）--有源传感器（能量控制型-需外加电源）--无源传感器（能量转换型-不需外加电源）敏感器：能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。类型实例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)集成光电传感器和光电晶闸管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器（Si）固体图象传感器（Si，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池表1-1光电传感器的种类•电子检测系统：一般由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。•光电系统的基本模型：光发射机光学信道光接收机1.3光电检测系统的组成及特点光源热辐射大气、空间、水下、光纤直接检测接收机外差检测接收机接收到的光场接收透镜系统光电检测器后续检测处理器光接收机基本模型接收到的光场聚焦光场空间滤波器频率滤波器光电检测器透镜直接检测接收机外差检测接收机接收到的光场聚焦光场本地激光器光电检测器透镜合束镜本地光场准直后的光场光学变换变换电路光电传感光源光学系统被测对象电信号处理存储显示控制电路处理光电转换光电检测系统光载波光信息•光学变换–时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽–空域变换：光学扫描–光学参量调制：光强、波长、相位、偏振–形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。•光电变换–光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大–将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。•电路处理–放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。光电检测系统与人工操作功能比较•被测物体感觉器官人脑手控•被测物体光电传感微机执行机构•光电传感部分相当于人身的感觉器官•测量检查型:–几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。–运动量：速度、加速度、振动–表面形状：光洁度、庇病、伤痕–工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等–机械量：重量、压力、应变、压强–电学量：电流、电压、电场、磁场–光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱光电检测系统的功能分类•控制跟踪型–跟踪控制：激光制导，红外制导–数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制•图象分析型–图形检测–图形分析•高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。•高速度：光速是最快的。•远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。•非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。•寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。•数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。光电检测技术的特点本门课程的学习要求•（1）了解并掌握典型的光电器件的原理和特点，会正确选用光电器件•（2）学会根据光电器件的特点选择和设计光电检测电路和有关参数•（3）能根据被测对象的要求，设计光电检测系统1.4光电检测方法及应用发展趋势光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。根据光源、光学系统和光电信息转换器件放置位置的不同，光电传感器可分为以下三种：直射型反射型辐射型•1、直接作用法光电检测的基本方法被测物理量光通量光电传感器放大、定标直接读数•2、差动测量法利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反映被测量的大小。•3、补偿测量法用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出的补偿量值，补偿值的大小反映了被测量变化的大小。•4、脉冲测量法在测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。•纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。–小型、快速的微型光、机、电检测系统。•非接触、快速在线测量。•微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。•闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。•向人们无法触及的领域发展。•光电跟踪与光电扫描测量技术。光电检测技术发展趋势一、在工业生产领域的应用在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%光电检测技术的应用检测技术在汽车中的应用日新月异温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度、节气门、发动机转速、水温、油温、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制底盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。二、检测技术在日常生活中的应用家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦---红外测距传感器自动感应灯：亮度检测---光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测---热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换---驻极电容传感器遥控接收：红外检测---光敏二极管、光敏三极管可视对讲、可视电话：图像获取---面阵CCD办公商务：扫描仪：文档扫描---线阵CCD红外传输数据：红外检测---光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：数字体温计：接触式---热敏电阻，非接触式---红外传感器电子血压计：血压检测---压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪---离子传感器三、检测技术在军事上的应用美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划---NMD1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5.卫星红外线监测系统监测系统:探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹头，敌友方“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器飞船部分---1218个传感器检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学神州飞船：185台（套）仪器装置四、检测技术在航天领域的应用补充：•光的基本性质•辐射与光度学量•半导体基础知识光的基本性质•牛顿——微粒说–根据光直线传播现象，对反射和折射做了解释–不能解释较为复杂的光现象：干涉、衍射和偏振•波动理论–惠