1、光電檢測技術(shù)與應(yīng)用-第1章-緒論第一頁，共44頁。1.1 信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)信息技術(shù)： 微電子技術(shù)、光子信息技術(shù)和光電信息技術(shù)傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)10/11/20222第二頁，共44頁。微電子技術(shù)：通過控制固體內(nèi)電子的微觀運動來實現(xiàn)對信息的加工處理，并在固體的微區(qū)（小到幾個晶格）內(nèi)進行，將一個電子功能部件甚至一個系統(tǒng)集成在一個很小的芯片上。光子信息技術(shù)：以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學信息采集處理和存儲等功能的系統(tǒng)光電信息技術(shù)：光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微

2、電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測技術(shù)10/11/20223第三頁，共44頁。光電信息技術(shù)1、光電源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和綜合信息網(wǎng)絡(luò)3、光頻微電子4、光電方法用于瞬態(tài)光學觀測以光電子學為基礎(chǔ),以光電子器件為主體,研究和發(fā)展光電信息的形成、傳輸、接收、變換、處理和應(yīng)用。它涉及到：5、光電傳感、光纖傳感和圖象傳感6、激光、紅外、微光探測，定向和制導7、光電精密測試，在線檢測和控制技術(shù)8、混合光電信息處理、識別和圖象分析10/11/20224第四頁，共44頁。光電信息技術(shù)9、光電人工智能和機器視覺10、光（電）邏輯運算和光（電）計算機及光電數(shù)據(jù)存儲11、生物光子

3、學 本課程著重在光電檢測的元器件、系統(tǒng)、方法和應(yīng)用。 10/11/20225第五頁，共44頁。光電檢測技術(shù)光電傳感器：基于光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的一種光電器件將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對應(yīng)關(guān)系的電量輸出。光電檢測技術(shù)：是利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。它將被測量的量轉(zhuǎn)換成光通量,再轉(zhuǎn)換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術(shù)，完成在線和自動測量光電檢測系統(tǒng)光學變換光電變換電路處理10/11/20226第六頁，共44頁。光電探測器的種類類 型實 例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge, GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si, Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)

4、非PN結(jié)光電元件(CdS, CdSe, Se, PbS)熱電元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）光電池返回10/11/20227第七頁，共44頁。光電檢測系統(tǒng)(一)光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計算機運算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾

5、何量或物理量。10/11/20228第八頁，共44頁。光電檢測系統(tǒng)(二)變換電路光電傳感光源光學系統(tǒng)被測對象光學變換電信號處理存 儲顯 示控 制光學變換電路處理10/11/20229第九頁，共44頁。光電檢測系統(tǒng)(三)光學變換時域變換：調(diào)制振幅、頻率、相位、脈寬空域變換：光學掃描光學參量調(diào)制：光強、波長、相位、偏振形成能被光電探測器接收，便于后續(xù)電學處理的光學信息。光電變換光電/熱電器件（傳感器）、變換電路、前置放大將信息變?yōu)槟軌蝌?qū)動電路處理系統(tǒng)的電信息（電信號的放大和處理）。電路處理放大、濾波、調(diào)制、解調(diào)、A/D、D/A、微機與接口、控制。10/11/202210第十頁，共44頁。光電檢測系

6、統(tǒng)與人操作功能比較被測物體 感覺器官 人腦 手控 被測物體 光電傳感 微機 執(zhí)行機構(gòu)光電傳感部分相當于人身的感覺器官 10/11/202211第十一頁，共44頁。光電檢測系統(tǒng)的功能分類測量檢查型:幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運動量：速度、加速度、振動表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等機械量：重量、壓力、應(yīng)變、壓強電學量：電流、電壓、電場、磁場光學量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜10/11/202212第十二頁，共44頁?？刂聘櫺透櫩刂疲杭す庵茖Вt外制導數(shù)值控制：自動定位，圖形加工形成，數(shù)值控制圖象分析型圖形

7、檢測圖形分析10/11/202213第十三頁，共44頁。1.2 光電檢測與光電傳感器概念1、檢測與測量檢測：通過一定的物理方式 ，分辨出被測參量并歸屬到某一范圍帶，以此來判別被測參數(shù)是否合格或是否存在。測量：將被測的未知量與同性質(zhì)的標準量比較，確定被測量對標準量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個倍數(shù)的過程。測量方式：直接測量：溫度計，電壓表間接測量：由電壓和電流數(shù)值，通過關(guān)系計算出功率 10/11/202214第十四頁，共44頁。2、光電傳感器與敏感器的概念敏感器光電傳感器-光電效應(yīng)：將光信號轉(zhuǎn)換為電信號（確定對應(yīng)關(guān)系）可測非電量電量光電傳感器被測非電量敏感器10/11/202215第十五頁，共44

8、頁。1.3 光電檢測系統(tǒng)的組成及特點一般電子檢測系統(tǒng)傳感器信號變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對象中提取被測信號，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號變換電路：完成信號的轉(zhuǎn)換、濾波和放大10/11/202216第十六頁，共44頁。一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機光學通道光接收機光發(fā)射機：分為主動式和被動式 主動式：光源（或加調(diào)制器） 被動式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機：收集入射的光信號并加以處理，恢復光載波信息10/11/202217第十七頁，共44頁。光接收機的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對光信號進行濾波、聚焦，入射到光檢

9、測器上光電檢測器：完成光電信號的轉(zhuǎn)換檢測處理電路：完成電信號的放大、調(diào)理及濾波，恢復信號。光接收機的分類功率檢測接收機直接檢測或非相干檢測外差檢測接收機相干檢測（空間相干）10/11/202218第十八頁，共44頁。光接收機的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機外差檢測接收機合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡10/11/202219第十九頁，共44頁。光電系統(tǒng)框圖光源光學系統(tǒng)被測對象光學變換光電轉(zhuǎn)換電信號處理存儲顯示控制光學變換：通過各種光學元件和光學系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實現(xiàn) ，作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（

10、振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實現(xiàn)，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。10/11/202220第二十頁，共44頁。光電系統(tǒng)的分類1、光電系統(tǒng)的分類：廣義的光電系統(tǒng)包括兩個分支，即光電能量系統(tǒng)、光電信息系統(tǒng) （1）光電能量系統(tǒng)：太陽能發(fā)電、激光加工、激光醫(yī)療、激光核聚變等。主要是解決有關(guān)大功率光輻射能量的產(chǎn)生、控制、利用及向其他能量形式的轉(zhuǎn)換。（2）光電信息系統(tǒng)：以光輻射和電子流為信息載體，通過光電或電光相互轉(zhuǎn)換，綜合利用光學或電子學的方法進行信息的傳輸、采集、處理、存儲或顯示、以實現(xiàn)確定目標的混合系統(tǒng)，簡稱光電系統(tǒng)。10/11/202221第

11、二十一頁，共44頁。2、光電系統(tǒng)大致可分作下列幾種類型。 （1）光-電型（應(yīng)用最廣泛）： 被測量對象經(jīng)過光機系統(tǒng)產(chǎn)生光信號，其通過光電轉(zhuǎn)換成電信號進入電子系統(tǒng)，光學儀器的自動化常采用這種方式。若經(jīng)AD轉(zhuǎn)換，進一步傳輸?shù)接嬎銠C處理，可組成部分代替人的視覺和思維活動的機器視覺系統(tǒng)。例如：智能化的工業(yè)在線檢測。（2）光-電-光型： 由光機系統(tǒng)采集到的光信號通過光電轉(zhuǎn)換（A/D）成電信號，經(jīng)電信號處理后再經(jīng)過電光變換形成光信號輸出。例如：電視技術(shù)中的攝像管，顯像管以及聲像光盤的錄制和再現(xiàn)都是這類系統(tǒng)的代表。10/11/202222第二十二頁，共44頁。（3）電-光-電型： 電信號經(jīng)過電光變換得到可在光

12、路中傳輸?shù)墓庑盘?，在?jīng)過光電變換為電信號后作進一步處理或輸出。典型應(yīng)用如光纖通訊，其主要利用光纖對光信號進行傳輸。（4）光電混合型： 其主要特點是使傳統(tǒng)光路實現(xiàn)光路器件的“有源化”和封閉的光束網(wǎng)絡(luò)，例如光導纖維、空間調(diào)制器等。這將最終組成有源可控的光學系統(tǒng)和集成光路。和現(xiàn)有的無源光路比較，這是光學技術(shù)的根本變革。10/11/202223第二十三頁，共44頁。（5）電光混合型 這種系統(tǒng)的目標是將電路系統(tǒng)元器件的功能用光學方法來實現(xiàn)，即所謂的電路元件的“光子化”，例如光學晶體管和光學雙穩(wěn)態(tài)器件等，目前許多單元器件已相繼問世或正在研制中。 后兩種光電系統(tǒng)是光電技術(shù)未來的發(fā)展方向，其中的光電混合式或全

13、光學式的光學計算機是這些系統(tǒng)最有吸引力的發(fā)展目標。 通過上面的學習我們可以看出，光電系統(tǒng)的共同特點是通過光電檢測所有被研究的信息都將通過各種效應(yīng)（機、熱、聲、電、磁）調(diào)制到光載波上，然后將攜帶被研究的信息光載波轉(zhuǎn)換為電信號，并通過電子線路和計算機的綜合處理，實現(xiàn)光學儀器的自動化。因此，光電檢測作為光電系統(tǒng)的一種共性技術(shù)具有重要的意義。所謂光電檢測，指的是對光信號的調(diào)制變換和接收解調(diào)兩個主要方面。 10/11/202224第二十四頁，共44頁。高精度。各種檢測技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測長度的精度達0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達0.04秒；用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達

14、1m。高速度。光電檢測以光為介質(zhì)，用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。遠距離，大量程。光便于遠距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測，如武器制導，光電跟蹤，電視遙測等。非接觸檢測。光照可認為是沒有測量力的，也無磨擦，可實現(xiàn)動態(tài)測量，效率最高。壽命長。光波可永久使用。具有很強的信息處理和運算能力?？蓪碗s信息并行處理。同時光電方法還便于信息控制和存儲，易于實現(xiàn)自動化和智能化。光電檢測技術(shù)的特點10/11/202225第二十五頁，共44頁。了解并掌握典型的光電器件的原理和特點，會正確選用光電器件。學會根據(jù)光電器件的特點選擇和設(shè)計光電檢測電路和有關(guān)參數(shù)。能根據(jù)被測對象的要求，設(shè)計光電檢測系統(tǒng)。光電檢測技術(shù)的學

15、習要求：10/11/202226第二十六頁，共44頁。1.4 光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢光電傳感器的類型根據(jù)光源、光學系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，可分為：直射型：光電轉(zhuǎn)換器對著光源放置，光軸重合，對于光源為發(fā)射光通量最大方向，對于光電器件為靈敏度最高的方向。反射型：分為單向反射和漫反射輻射型：被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實現(xiàn)測量。10/11/202227第二十七頁，共44頁。光電檢測的基本方法根據(jù)檢測原理，基本方法： 直接作用法、差動測量法、補償測量法和脈沖測量法I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機構(gòu)可直接得到所求被測物理

16、量。被測物理量光通量光電傳感器放大、定標直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型10/11/202228第二十八頁，共44頁。II、差動測量法：利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小，放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡21雙光路差動測量法測量物體長度10/11/202229第二十九頁，共44頁。工作原理：1=2時，U=0O1212tUOtO1212tUOtO1212tUOt12時，工件尺寸變小 U=S*(1-2)=S*12時，工件尺寸變大 U=S*(1-2)=-S*說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。測量值U的幅值工件大

17、小10/11/202230第三十頁，共44頁。相敏檢測器：核心是由一個乘法器和一個濾波器，如圖一路為信號us，另一路為uR。ui=us=Eisin(1t+1), uR=ERsin(2t+2),濾波器ui或usu0uRu0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2)- 1/2gEiERcos(2(f1+f2)t+1+2濾去高頻信號后，u0=uiuR=1/2gEiERcos2(f1-f2)t+1-2如f1=f2，則u0=1/2gEiERcos(1-2)=1/2gEiERcos10/11/202231第三十一頁，共44頁。特性分析： =0，則u0輸出為正， =，則u0輸出為負。相敏

18、檢波器用途： 可用來測幅，測相， 還可高頻信號變成中頻信號（差頻信號）雙光路外差檢測特點： 雙光路可消除雜散光、光源波動、溫度變化和電源電壓波動帶來的測量誤差，使測量精度和靈敏度大大提高。10/11/202232第三十二頁，共44頁。III、補償測量法： 原理：是用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數(shù)裝置指示出補償量值，其大小反應(yīng)被測量變化大小。例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動，使1-2=0，光楔移動與讀數(shù)機構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡21移動控制及讀數(shù)顯示10/11/202233第三十三頁

19、，共44頁。IV、脈沖測量法： 原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。 1、脈寬方法測長度：測量關(guān)系式： L=v*t=v*k*N=K*Nk-高頻脈沖時間當量K-長度當量N-計數(shù)器值高頻脈沖可取自電動機或轉(zhuǎn)動輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計數(shù)器10/11/202234第三十四頁，共44頁。2、頻率法測速：在轉(zhuǎn)動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可接收與轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的光脈沖，m為反光片數(shù)，n為每分鐘轉(zhuǎn)速，則：f=n*m/60=N/t； 即轉(zhuǎn)速可以由此得到：n=60N/m*t控制時間tRE放大整形N計數(shù)脈沖測量法特點：抗

20、干擾性能好，精度高，直接與計算機相連，易于實現(xiàn)在線測量和自動化控制。10/11/202235第三十五頁，共44頁。光電傳感器的發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量，以滿足快速增長的經(jīng)濟需要。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描技術(shù)，如遠距離的遙控，遙測技術(shù)，激光制導，飛行物自動跟蹤，復雜形體自動掃描測量等。10/11/202236第三十六頁，共44頁。一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝

21、配定位.現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占5070%光電檢測技術(shù)的應(yīng)用10/11/202237第三十七頁，共44頁。檢測技術(shù)在汽車中的應(yīng)用日新月異發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的工作狀況信息， 對發(fā)動機工作狀況進行精確控制 溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等 汽車傳感器：汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容 普通轎車：約安裝幾十到近百只傳感器， 豪華轎車：傳感器數(shù)量可多達二百余只。 底 盤：控制變速器系統(tǒng)、懸架系統(tǒng)、動力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制動防抱死系統(tǒng)等 車速、踏板、加速度、節(jié)氣門、發(fā)動機轉(zhuǎn)速、水溫、油溫 車 身：提高汽車的安全性、可靠性和舒適性等 溫度