第1章 光电检测技术与应用

光电检测技术机械与精密仪器学院机械工程及自动化系孔令飞上课地点：教6-504/505考核方式：平时20%,考试70%,实验10%使用教材：《光电检测技术与应用》,郭培源等,北京航空航天大学出版社,2006.参考书目：《光电检测技术》,雷玉堂等,中国计量出版社,1997.《光电信号检测原理及技术》,赵远等,机械工业出版社,2005.《检测技术》,施文康等,机械工业出版社,2005.章节安排光电检测技术概述（补充）光电检测器件的技术基础发光与耦合器件常用光电检测器件介绍光电检测电路的设计光电检测系统光电检测技术的典型应用光纤传感检测技术第一章绪论主要教学内容：1.1信息技术及光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念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1.1信息技术及光电检测技术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。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。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）。传统的电子技术微电子技术光子信息技术光电信息技术传统的电子技术微电子技术光子信息技术光电信息技术光电检测技术主要研究电子或离子在固体材料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科学，是在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的，以实现电路的系统化和集成化以光集成技术为核心的有关光学元器件制造的应用技术，利用传统工艺将有源和无源光学器件集成在一起，构成能完成光学信息采集处理和存储等功能的系统光与电子转换及其应用技术，光频段微电子技术。利用光电传感器实现各类检测，即将被测量量转换成光通量，再将光通量转换成电通量，并综合利用信息传输技术和信息处理技术，最终完成对各类物理量进行在线和自动检测。雷达测速车载电子警察航空航天安全检查可拍照的手机主要教学内容1.1信息技术及光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念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1.2光电检测与光电传感器概念1、检测与测量2、光电传感器与敏感器的概念检测的基本概念定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作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…）……全部操作：检测器具: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、信号输出例：空调机测量控制室温被测对象：被测信息：检测器具：操作过程：室内空气温度温度传感器---热电阻、热电偶空气热敏电阻电信号处理显示空调机测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，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。测量方式：直接测量和间接测量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温度：温度计直接测量方式举例测量方式：直接测量和间接测量间接测量：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：阿基米德测量皇冠的比重测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，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。1.2光电检测与光电传感器概念1.检测与测量2.光电传感器与敏感器的概念传感器非电量电量（确定对应关系）光电传感器能量控制型---有源传感器：光敏电阻，光电二极管三极管能量转换型---无源传感器：光电池光电传感器：-基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件。-将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。敏感器敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。（确定对应关系）可用非电量（应变力）电量（电阻）传感器（应变片）被测非电量（压力）敏感器（弹性元件）光电传感器的种类类型实例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)光电池(Si,Se,GaAs)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)——光敏电阻热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)——热敏电阻电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）主要教学内容1.1信息技术及光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念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1.3光电检测系统的组成及特点一般电子检测系统传感器信号变换器输出环节传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大1.3光电检测系统的组成及特点一般光电系统光发射机光学通道光接收机光发射机：分为主动式和被动式主动式：光源（或加调制器）被动式：无自身光源，来自被测物体的光热辐射发射光学通道：大气、空间、水下和光纤等光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信息•光接收机的基本结构接收到的光场接收透镜系统光电检测器后继检测处理器接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。•光接收机的分类功率检测接收机—直接检测或非相干检测外差检测接收机—相干检测（空间相干）•光接收机的分类图示透镜光电检测器接收到的光场空间滤波器频率滤波器直接检测接收机外差检测接收机合束镜光电检测器接收到的光场本地激光器本地光场聚焦光场透镜光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现，作用是将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。•光电系统框图光源光学系统被测对象光学变换光电转换电信号处理存储显示控制光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。光学变换光电变换电路处理1.3光电检测系统的组成及特点高精度。高速度。远距离，大量程。非接触检测。寿命长。具有很强的信息处理和运算能力。光电检测技术的特点各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度的相对精度达0.05um/m；光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m（38万公里）。光电检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光电跟踪，电视遥测等。可将复杂信息并行处理。同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。光波可永久使用。光照可认为是没有测量力的，也无磨擦，可实现动态测量，效率最高。主要教学内容1.1信息技术及光电检测技术1.2光电检测与光电传感器概念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1.4光电检测方法及应用发展趋势根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，光电传感器的类型：直射型：反射型：辐射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于光源为发射光通量最大方向，对于光电器件为灵敏度最高的方向。分为单向反射和漫反射被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过接收被测物体的辐射光能量实现测量。光电检测的基本方法I、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。被测物理量光通量光电传感器放大、定标直接读数光电系统的基本模型II、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应被测量的大小。放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜Φ2Φ1双光路差动测量法测量物体长度工作原理：ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOt说明：测量值的大小决定了U的幅值，测量值的正负决定于U的相位，可通过相敏检波器得到。测量值U的幅值工件大小0,21U时SSU)(,2121工件尺寸变小时SSU)(,2121工件尺寸变大时相敏检测器：)sin(),sin(.,2211tEutEuuuuRRisiRs另一路为号一个滤波器，一路为信核心是由一个乘法器和滤去高频信号后，滤波器siuu或RuOu])(2cos[2/1])(2cos[2/121212121tffEgEtffEgEuuuRiRiRiO])(2cos[2/12121tffEgEuuuRiRiOcos2/1)cos(2/1,2121RiRiOEgEEgEuff则如相敏检波器用途：可用来测幅、测相，还可高频信号变成中频信号（差频信号）双光路外差检测特点：双光路可消除杂散光、光源波动、温度变化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。输出为负。，则输出为正，，则特性分析：OOuu0III、补偿测量法：原理：是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补偿量值，其大小反应被测量变化大小。放大相敏检波器uACREUL调制盘被测物光楔反光镜Φ2Φ1移动控制及读数显示例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使Φ1-Φ2=0，光楔移动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。IV、脉冲测量法：原理：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）反映被测量的大小。（1）脉宽方法测长度：高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消除不匀速带来的误差。—计数器值——长度当量——高频脉冲时间当量—测量关系式：NKkNKNkvtvLvnR1ER2高频脉冲N计数器L（2）频率法测速：脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算机相连，易于实现在线测量和自动化控制。)/(60;/60/tmNntNmnfnm即转速可以由此得到：为每分钟转速，则：为反光片数，相对应的光脉冲，收与转速射片，光电传感器可接在转动轮上均匀贴有反控制时间tRE放大整形N计数n光电传感器的发展趋势发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。发展小型的、快速的微型光、机、电检测系统。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。向人们无法触及的领域发展。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。发展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。发展光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控，遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。思考题及作业1、如何实现非电量的测量，举例说明。2、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期?为什么要通过测量周期方法来测量低频信号的频率？