1、光電檢測技術與應用論文論文題目：光電檢測技術應用及其前景院系應用物理與材料學院專業應用物理學號11060112學生姓名郭梓浩指導教師孫魯完成日期2021年6月10日摘要在科學技術高速開展的現代社會中，人類已經入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產過程中，主要依靠檢測技術對信息經獲取、篩選和傳輸，來實現制動控制，自動調節，目前我國已將檢測技術列入優先開展的科學技術之一。由于微電子技術，光電半導體技術，光導纖維技術以及光柵技術的開展，使得光電傳感器的應用與日俱增。這種傳感器具有結構簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數多、反響快以及結構簡單，形式靈活多樣等優點，在自動檢測技術中得到了廣泛應用

2、，它一種是以光電效應為理論根底，由光電材料構成的器件。關鍵詞傳感器微電子半導體自動檢測AbstractInthehigh-speeddevelopmentofscienceandtechnologyofmodernsociety,mankindhasintorapidlychanginginformationera,peopleindailylife,theproductionprocess,relymainlyondetectiontechniquesofinformationbyacquiring,screeningandtransmission,toachievethebrakecont

3、rol,automaticadjustment,atpresentourcountryhasputdetectiontechniqueslistedinoneoftheprioritytothedevelopmentofscienceandtechnology.Becauseofmicroelectronicstechnology,photoelectricsemiconductortechnology,thedevelopmentofopticalfiberandgratingtechnology,makestheapplicationofthephotoelectricsensorisgr

4、owing.Thiskindofsensorhastheadvantagesofsimplestructure,non-contact,highreliability,highprecision,measurableparameters,quickreactionandsimplestructure,theadvantagesofflexibleandvariedinform,hasbeenwidelyappliedintheautomaticdetectiontechnology,itisakindofbasedonthetheoreticalbasisofthephotoelectrice

5、ffect,composedofphotoelectricmaterialdevice.KeywordsThesensormicroelectronicssemiconductorAutomaticdetection目錄第1章緒論1弓I言1.1.2 光電檢測技術1.1.3 開展趨勢2.第2章光電檢測技術傳感器32.1 理論根底一一光電效應3.光電元件及特性3.、光電傳感器6.光電傳感器的根本結構6光敏三極管6.硅光敏二極管7.第3章應用前景9.第4章結論第參考文獻11.圖標目錄圖1:光電檢測系統工作原理圖1實用文檔.4圖2光電光結構示意圖圖3光電管測量電路.4圖4光電管的光電特性.4圖5光電倍

6、增結構示意圖.4圖6光敏電阻的伏安特性5圖7光電傳感器的根本結構6圖8光敏電阻測量電路7圖9光敏晶體管測量電路7圖10光電池測量電路7圖11使用放大器的光敏元件放大電路8實用文檔.第1章緒論隨著現代科學技術以及復雜自動控制系統和信息處理與技術的提高，光電檢測技術作為一門研究光與物質相互作用開展起來的新興學科，已成為現代信息科學的一個極為重要的組成局部。光電檢測技術具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點，令其開展十分迅速，并推動著信息科學技術的開展。它將光學技術與現代電子技術相結合，廣泛應用于工業、農業、家庭、醫學、軍事和空間科學技術等領域。

7、本文從光電檢測技術本身特點出發，分析其開展趨勢及應用前景201.2光電檢測技術光電檢測技術是光電信息技術的主要技術之一，它是以激光、紅外、光纖等現代光電子其件作為根底，通過對被檢測物體的光輻射，經光電檢測器接受光輻射并轉換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經模/數轉換接口輸入計算機運算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數。其工作原理如圖1所示：矗學堂換電躇處理圖1：光電檢測系統工作原理圖其技術主要包括光電變換技術、光信息獲取與光信息測量技術以及測量信息的光實用文檔.電處理技術等。光電檢測技術將光學技術與電子技術相結合實現對各種量的測量，它具有如下特點：1 .Nm/m

8、光柵莫爾條紋法測角可到達；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可到達1m=2 .高速度。光電測量以光為媒介，而光是各種物質中傳播速度最快的，無疑用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。3 .遠距離、大量程。光是最便于遠距離粗寒痹的介質，尤其適用于遙控和遙測，如武器制導、光電跟蹤、電視遙測等。4 .非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現動態測量，是各種測量方法中效率最高的一種網。1.3開展趨勢從上面對光電檢測技術特點的分析，并隨著世界各國的劇烈競爭正以日新月異的速度突飛猛進及科研技術的提高，光電檢測技術的開展趨勢主要表現在：高精度方向開展：檢測精度向高精度方向

9、開展，納米、亞納米高精度的光電測量新技術是今后的開展熱點；智能化方向開展：檢測系統向智能化方向開展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術；數字化方向開展：檢測結果向數字化，實現光電測量與光電控制一體化方向開展；多元化方向開展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數、多維測量等多元化方向開展，并向人們無法觸及的領域開展，如微空間三維測量技術和大空間三維測量技術；微型化方向開展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向開展；光電檢測系統朝著小型、快速的微型光、機、電檢測系統開展；自動化方向開展：檢測技術向自動化，非接觸、快速在線測量方向開展，檢測狀態向動態測量方向開展；以上這些開展趨勢是現代化生產的需要

10、，是現代科學技術開展的需要，是國防建設的需要4。實用文檔.第2章光電檢測技術傳感器2.1 理論根底一一光電效應光電效應一般有外光電效應、光導效應、光生伏特效應。光照在照在光電材料上，材料外表的電子吸收的能量，假設電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料外表而進入外界空間，從而改變光電子材料的導電性，這種現象稱為外光電效應50根據愛因斯坦的光電子效應，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv（v為光波頻率，h為普朗克常數，h=6.63*10-34Js）,由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一局部用于克服

11、正離子的束縛，另一局部轉換成電子能量。根據能量守恒定律：式中，m為電子質量,v12為電子逸出的逑曲，A彳龍電子伽做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是h>A由于不同材料具當入有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限,射光的頻率低于此頻率限時，不管光強多大，都不會產生光電子發射，此頻率限稱為“紅限。相應的波長為hc式中c為光速，A為逸出功。KT光電元件及特性根據外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。1 .光電管光電管的種類繁多，典型的產品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結構如圖2所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心

12、的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量實用文檔.增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬外表束縛而逸出，形成電子發射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬外表后的初始動能為（1/2）mv2。光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內形成空間電子流，稱為光電流。此時假設光強增大，轟擊陰極的光子數增多，單位時間內發射的光電子數也就增多，光電流變大60在圖3所示的電路中，電流和

13、電阻只上的電壓降就和光強成函數關系，從而實現光電轉換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極外表逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產生電流I,在負載電阻Rl上的電壓U0光電管的光電特性如圖4所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性根本是一條直線。I中IIE圖2光電光結構示意圖圖3光電管測量電路圖4光電管的光電特性2 .光電倍曾管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖5是光電倍增管結構示意圖ra-巾-I11fLiT從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A,與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設置了假設干個二次發射電極，D1、D2、D3它們稱為第

14、一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐實用文檔.級升高，陽極電位最高。當入射光照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1,引起二次電子發射，一個入射的光電子可以產生多個二次電子，D1發射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產生二次電子發射，這樣逐級產生的二次電子發射，使電子數量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。假設倍增電極有n級，各級的倍增率為6，那么光電倍增管的倍增率可以認為是6N,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA

15、的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內具有良好的線性關系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量703、光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內光電效應。在半導體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數如下：1暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關系稱為伏安特性，如圖6所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應限制光敏電阻兩端的電壓，以免超

16、過虛線所示的功耗區。4/mAj40(500mW30圖6光敏電阻的伏安特性5、光電特性光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點之一。、光電傳感器光電傳感器的根本結構光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的，它的根本結構如圖7,它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號.光電傳感器一般由光源，光學通路和光電元件三局部組成.光電檢測方法具有精度高，反響快，非接觸等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應用非常光學尢電電

17、參量信號電子測母中蹄可用國號橫謝星量圖7光電傳感器的根本結構光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關系，來到達測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩定性的設計至關重要，電源的穩定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：1、發光二極管是一種把電能轉變成光能的半導體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應快、機械強度高等優點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設備中。2、絲燈泡這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構成傳感器時可加濾色片將鴇絲燈泡的可見光濾除，而僅用

18、它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。光敏三極管光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖8所示。實用文檔.由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯一個電阻。或者象圖9b所示的那樣利用錯二極管產生的正向壓降和光電池受到光照時產生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V,而導通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10c所示。硅光敏二極管半導體光電元件的光電

19、轉換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11a所示。當光照產生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電壓。圖11b給出硅光電池的光電轉換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2I0及。實用文檔.由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學測控系統是多種多樣的，按光電元件（光學測控系統）輸出量性質可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關）式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉換成連續變化的

20、光電流，它與被測量間呈單值關系.模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標物體）方法可分為透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻檔）三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，如測液體網、氣體透明度和混濁度的光電比色計等；所謂漫反射式是指包光源發出的光投射到被測物上，再從被測物體外表反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等；所謂遮光式是指當光源發出的光通量經被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的

21、光信號是斷續變化的，因此光電元件處于開關工作狀態，它輸出的光電流通常是只有兩種穩定狀態的脈沖形式的信號，多用于光電計數和光電式轉速測量等場合。實用文檔.第3章應用前景光電檢測技術的產生使人類能更有效地擴展自身的視覺能力，使視覺的長波延伸到亞毫米波、短波延伸到紫外線、x射線，并可以在超快速度條件下檢測諸如核反響、航空器發射等變化過程。光電檢測技術以其所具有高精度、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點，將光學技術與現代電子技術相結合，廣泛應用于工業、農業、家庭、醫學、軍事和空間科學技術等許多科學領域9。在工業領域方面主要表現在在線檢測如零件尺寸、產品缺陷、裝

22、配定位；汽車傳感器中如汽車電子控制系統的信息源，關鍵部件，核心技術內容，以及溫度、壓力、位置、轉速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等。家庭應用方面主要表現在我們日常生活的用品中，如數碼相機、數碼攝像機的自動對焦一一紅外測距傳感器；自動感應燈的亮度檢測一一光敏電阻；空調、冰箱、電飯煲的溫度檢測一一熱敏電阻、熱電偶；、麥克風的話音轉換一一駐極電容傳感器等。醫療衛生應用方面主要表現在：數字體溫計中接觸式一一熱敏電阻，非接觸式有紅外傳感器；電子血壓計的血壓檢測的壓力傳感器；血糖測試儀、膽固醇檢測儀的離子傳感器等100在國防和軍事應用方面方面表現在夜視瞄準機系統的非冷卻紅外傳感器技術、地基攔截器、早期預警系

23、統、前沿部署如雷達、管理與控制系統、衛星紅外線監測系統的方面。光電檢測技術在航天領域的應用主要用于檢測參數一一加速度、溫度、壓力、振動、流量、應變、聲學等傳感器方面。從上面所述的應用現狀可以看出，隨著光電檢測技術的開展及現代化進程的不斷推進，光電檢測技術的應用領域將越來越廣，將廣泛應用于工業、農業、家庭、醫學、軍事和空間科學技術等許多科學領域，其應用前景是相當樂觀。第4章結論隨著科學技術的開展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應用新材料、新技術制造性能更優越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設備，發射器帶一個校準鏡頭，將光聚