光电检测技术论文

光电检测技术的特点、应用现状及发展前景【摘要】光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量。随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理技术的提高，它以测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高及自动化程度高等突出特点发展十分迅速，应用现状非常好，并且有着很好的发展前景。【关键词】光电检测，光电传感器，特点，应用现状，发展前景引言：随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文从光电检测技术本身特点出发，简述它在工业、资源、环境测温等领域的应用现状及其发展前景。1，光电检测技术1.1光电检测技术的原理光电检测系统的工作原理图如下图所示：光电检测系统原理图1.2光电检测技术的特点光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的检测，具有如下特点：①高精度。光电检测的精度是各种检测技术中精度最高的一种，如用激光干涉法检测长度的精度可达0.05um/m;光栅莫尔条纹法测角可达0.04；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达1m。②高速度。光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学的方法获取和传递信息是最快的。光源光学系统统被测对象光学变换变换电路光电传感电信号处理存储显示控制③远距离、大量程。光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。④非接触检测。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种检测方法中效率最高的一种。⑤寿命长。在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，就可以永久地使用。⑥具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。1.3光电检测技术与其他检测技术的对比1)与无损检测技术的对比无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验。它是对破坏性检验的补充和完善。其特点是：①非破坏性，是指在获得检测结果的同时，除了剔除不合格品外，不损失零件。因此，检测规模不受零件多少的限制，既可抽样检验，又可在必要时采用普检。因而，更具有灵活性（普检、抽检均可）和可靠性。②互容性，即指检验方法的互容性，即：同一零件可同时或依次采用不同的检验方法；而且又可重复地进行同一检验。这也是非破坏性带来的好处。③动态性，这是说，无损探伤方法可对使用中的零件进行检验，而且能够适时考察产品运行期的累计影响。因而，可查明结构的失效机理。④严格性，是指无损检测技术的严格性。首先无损检测需要专用仪器、设备；同时也需要专门训练的检验人员，按照严格的规程和标准进行操作。⑤检验结果的分歧性，不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧。特别是在超声波检验时，同一检验项目要由两个检验人员来完成。需要““““会诊””””！可以看出无损检测技术和光电检测技术的测量速度都非常快，效率高，而且都可以实现动态测量，但检测精度没有光电检测技术高。2)与电子检测技术的对比与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在通信、雷达、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。2，光电检测技术的应用现状2....1基于光电检测技术的辐射测温仪的研制1111）辐射测温仪系统设计该辐射测温仪主要由光学系统，光电探测器，光电检测电路，温度补偿，信号采集与处理，温度显示六部分组成。高温物体的热辐射能量经过光学系统的汇聚，然后经过光纤传输到光电探测器上，光电探测器把光信号转换为微弱的电信号，对电信号进行信号调理，最后对调理后的信号进行采集并处理，再经过相应的算法运算，最终显示物体的温度。该测温仪的整体框图如下：图1111测温仪的整体框图1111）光学系统设计①光学系统框图光学系统是测温仪的一个关键部分，其主要作用是通过精确成像的方法，最大量地把辐射能量注入光纤，最终汇聚到光电敏感元件接收面上，以达到准确、有效的测温。光学系统的框图如下：光学系统中的平板透镜主要用来保护后边的光学元件，其具有抗高压，抗高温的作用。两个凸透镜负责把辐射能量汇聚到光纤接头，然后再经过滤光片把需要波段的辐射能量汇聚到光电探测器上。在辐射测温技术中，探测器是一个核心元件，其作用是将物体的光辐射能量有效地转变为易于测量的电信号。而PIN光电二极管具有灵敏度高，响应速度快，噪声低的特点，故该测温仪选用的型号为S1336-44BK的硅PIN光电二极管。2）测温仪硬件设计①，硬件整体框图测温仪的电路系统框图如图2所示，主要有I/V转换电路、电压跟随器、程控放大器、AD数据采集、微处理器、显示电路组成。图2222硬件部分整体框图I/V转换电路把微弱的光电流转换为电压信号，微处理器控制程控放大器和AD对电压信号进行采集，并结合周围环境温度对采集过来的信号进行相关算法处理，最后显示测量的物体的实际温度。②，光电检测电路设计光电二极管在光照下会产生于光强成比例的小电流。其可以在光电压模式和光电导模式两种模式下工作，光电压模式具有最佳的精密度和线性度；而光电导模式线性度不佳，即使在没有光照的情况下也有少量的暗电流流过。为了获得更好的线性度和低噪声，应选用光电压模式的光电二极管的工作模式。将光电二极管的输出电流转换成可用的电压信号，要采用低偏置电流运放来构成电流-电压转换电路。JFET输入、静电计级的运放是理想的光电二级管前置放大器，但是其只能在有限的温度范围内工作。而采用BIFET工艺，并使用P沟道JFET管作为输入级的器件，其他部分均采用双极性器件，BIFET型器件还在晶片级进行过激光微调，以减少失调电压和温漂。对输入级进行微调使JFET差分对的电流相等，就能减少失调电压的漂移，对JFET源电阻进行微调，就能减少输入失调电压。经过上述分析，该辐射测温仪的光电检测电路选用了AD795为光电二极管的前置放大器，其光电检测电路如下：图3333光电检测电路光电检测电路中，反馈电阻非常关键，必须选用高精密的低温度漂移型电阻，R5应选用薄膜材料，或在陶瓷或玻璃上的金属氧化物制成。校正电容成C2应选用电介质损失最小的电容，如薄膜型、聚四氟乙烯或聚丙烯型电容。③，数据采集与处理电路设计对调理后的信号进行采集。必须选择适当的AD采集芯片，要在要求的测温范围内达到一定的分辨率，根据技术要求，选择ADI公司的12为AD芯片（AD7862)采集数据，这样可满足分辨率的要求。辐射测温仪选用的核心处理器是ALTEML公司的ATmega16。ATmega16是基于增强的AVRRISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其主要实现相关器件的控制、算法处理及显示驱动。④，温度补偿及数据显示设计光电二极管的并联电阻在室温下的阻值可达1000M/Ω量级，温度每升高10℃，电阻的阻值就减少一半，输入的偏置电流就增大1倍。这样测温仪的测量精度与周围环境温度有着重要的关系。为此仪器工作的环境温度必须考虑进去，本测温仪采用美国DALLAS公司生产的数字化温度传感器DS18B20，其在-10至+85℃范围内，精度为+0.5℃。微控制器控制DS18B20来检测周围环境的温度，然后在根据周围环境的温度和被测物体的发射率对测量的数据进行修正，最后把正确的温度值用四位段数码管显示。⑤，电路抗干扰设计干扰问题是电路设计中必须解决的关键问题之一，抗干扰性能的优劣是衡量一个仪器好坏的重要指标。由于输入的光电信号比较微弱，因此外界干扰极易影响到测温仪的精度和稳定度，因此要采用一些抗干扰的措施来提高硬件电路的性能。首先要采用电路防护技术来克服漏电流。将前置运放的敏感引脚和PCB上的大电压梯度区域隔离开来，从而减少寄生漏电流；为了进一步减少漏电流和外界的干扰，整个光电信号调理电路可以用金属材料进行屏蔽，以及防止杂散信号干扰。3）测温仪的标定辐射测温仪的标定技术，根据应用对象的不同，可以分为定点标定技术和比较标定技术。定点标定是以热源为标准，复现并传递温度。定点标定技术通过对高精度标准温度源的测量，并将其输出信号与上一级精度的测温仪表的输出温度对比，对仪表进行分度和确定其工作参数。本测温仪的标定采用是定点标定技术。通过对标准黑体炉温度的测量，来对比测温仪采集过来的信号，然后对黑体的温度与采集的值进行对比，根据相关算法拟合出实际黑体温度与值对应的关系曲线，得到拟合出来的曲线函数后，再综合考虑被测物体的发射率和周围环境温度，由微控制器进行相关的修正算法的处理计算出实际温度，并送显示器。该标定方法要结合被测物体的发射率和周围环境温度对测温仪进行多次的较正，才能提高测温仪的精度。根据校正记录数据，拟合的黑体炉温度与AD值之间的关系。在700至1100℃时，程控放大器设为高增益档位，对采集的AD值和标准黑体炉的温度进行相关算法的处理，拟合的曲线如图4所示：图4444低温段黑体炉温度与AD值的关系在1100至1500℃时，程控放大器设为中增益档位，结合实际测量记录的数据，拟合的黑体炉与值之间的关系如图5所示：图5555中温段黑体炉温度与AD值的关系对于1500℃以上的标定，由于选用黑体炉的最高温度为2000℃，为了保护黑体炉，实际标定时，只测量到1600℃。但是根据测量的数据，从理论上可以推断出1600至2000℃之间的温度与AD值的关系应该符合拟合出来的曲线。图6666高温段黑体炉温度与AD值的关系辐射测温仪4444）小结该辐射测温仪采用光电技术实现测温，不需要接触被测物体就可以测量温度比接触式测温（如热电偶测温）方便，且灵敏度高，测量误差小，成本低，具有很高的使用价值。但该测温仪标定比较复杂，易受被测物体反射率和测量现场周围环境的影响，要做规定的时间内对光学系统进行清理，并从新标定，因此要进一步研究比色测温和多光谱测温方法，克服仪器标定和物体发射率及周围环境的影响。2.2光电检测技术在房地产质量检验方面的应用2.2.1在确定建筑施工基准过程中的应用用于房地产质量监督的光电测试设备主要有光电经纬仪、全站仪、光电天顶仪、激光重力锤等。其中,最具代表性的是全站仪。全站仪的全称是全站型电子速测仪,它是由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成,能够在一个测站自动测距、测角,并同时完成平距、斜距、高差、高程、坐标以及放样等方面的数据计算。其主要特点:自动测距、自动计算、自动进行气象和地球曲率改正,并进行自动观测和记录等。2.2.2在建筑材料及结构件内部缺陷检测方面的应用红外热成像技术是建筑材料及结构件内部缺陷检测的主要手段。其基本原理是:对待测试件加载应力、热辐射或超声波,对比加载前后的红外图片,发现材料内部的缺陷。图1是采用超声波激励红外热检测铝试件中裂纹的热图序列,从中可以清楚看出裂纹的大小、形状和取向等。在材料缺陷检测中,为了区分由表面散射引起的混乱和内部缺陷引起的表面温度异常,美国的劳伦斯立夫莫尔实验室开发了双频红外热像检测系统,将3um至5um波长热像图和8um至12um波长热像图进行对比处理,去除由于表面混乱引起的温度异常,从而得出真实的缺陷位置、形状、大小和深度等参数。在国内,材料内部缺陷的检测已经成为无损检测的重要内容。目前,有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、碳纤维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷的红外检测技术进行了试验研究。对混凝土内部缺陷深度和大小的检测,同济大学的研究人员从实际与模拟相结合的角度出发,采取红外热图像与数值模拟相结合的手