光电传感与检测--第章-绪论精编版

1、 目目 录录 第第1 1章章 概论概论 第第2 2章章 光电检测技术基础光电检测技术基础 第第3 3章章 光电检测系统光电检测系统 第第4 4章章 红外传感与检测技术红外传感与检测技术 第第5 5章章 激光传感与检测技术激光传感与检测技术 第第6 6章章 光纤传感与检测技术光纤传感与检测技术 第第7 7章章 光栅传感与检测技术光栅传感与检测技术 第第8 8章章 光电新技术的应用光电新技术的应用 第1章 概论 微电子技术微电子技术：通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的：通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的 加工处理，并在固体的微区（小到几个晶格）内进行，将一个加工处理，并在固体的微区

2、（小到几个晶格）内进行，将一个 电子功能部件甚至一个系统集成在一个很小的芯片上。电子功能部件甚至一个系统集成在一个很小的芯片上。 光子信息技术光子信息技术：以光集成技术为核心的有关光学元器件制造的：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，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构成能完成光学信息采集处理和存储等功能的系统 光电信息技术光电信息技术：光与电子转换及其应用技术，光频段微电子技：光与电子转换及其应用技术，光频段微电子技 术。术。 传统的电子技术微电子技术光子信息技术 光

3、电信息技术光电检测技术光电检测技术 光电传感（检测）技术光电传感（检测）技术 是一种以光电传感器作为核心元件、用光电的方法对某是一种以光电传感器作为核心元件、用光电的方法对某 些物理量、化学量和几何量进行信息转换的技术。些物理量、化学量和几何量进行信息转换的技术。 光电传感器（光电传感器（Photoelectric Transducer）组成与分类）组成与分类: 光源、光源、 光学通路和光电元件光学通路和光电元件 （1）光电传感器的探测机理）光电传感器的探测机理 光子传感器光子传感器: 产生光子效应产生光子效应 热传感器热传感器: 吸收了红外辐射后，会引起温度的变化，吸收了红外辐射后，会引起温

4、度的变化， （2）光电传感器输出信号的性质）光电传感器输出信号的性质 模拟光学传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感模拟光学传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感 器、固态图像传感器器、固态图像传感器 （3）光电传感器的传输方式）光电传感器的传输方式 直射式；直射式； 反射式，等；反射式，等； v光电检测技术：光电检测技术：二十世纪后半叶，由于光电技术的二十世纪后半叶，由于光电技术的 不断进步，信息载体从一般电磁波段逐渐扩展到频不断进步，信息载体从一般电磁波段逐渐扩展到频 率更高的微波段、光波段，使得高速信息可以被处率更高的微波段、光波段，使得高速信息可以被处 理。理。 光电检测技术，

5、是对载有被测信号的光辐射进行检光电检测技术，是对载有被测信号的光辐射进行检 测，即测，即通过光电传感器接收光辐射并转换为电信号；通过光电传感器接收光辐射并转换为电信号； 再综合利用信息处理技术，完成快速的自动测量再综合利用信息处理技术，完成快速的自动测量。 v光电传感器光电传感器： 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种 光光 电器件。电器件。 了解并掌握典型的光电器件的原理和特点，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。会正确选用光电器件。 学会根据光电器件的特点选择和设计光电检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

6、参数。测电路和有关参数。 能根据被测对象的要求，设计光电检测系统。能根据被测对象的要求，设计光电检测系统。 光电传感与检测技术光电传感与检测技术的学习要求：的学习要求： 光电传感器与敏感器的概念光电传感器与敏感器的概念 敏敏 感感 器器 光电传感器光电传感器-光电效应：将光信号转换为电信号光电效应：将光信号转换为电信号 （确定对应关系）（确定对应关系） 可测可测 非电量非电量 光光 电量电量 光电传感器光电传感器 被测被测 非电量非电量 敏感器敏感器 光电探测器的种类光电探测器的种类 类类 型型实实 例例 PN结结 PN光电二极管（光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（光电二

7、极管（Si） 雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 非非PN结结 光电元件光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 电子管类电子管类 光电管，摄像管，光电倍增管光电管，摄像管，光电倍增管 其他类其他类 色敏传感器色敏传感器 固体图象传感器（固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）型） 位置检测用元件（位置检测用元件（PSD） 光电池光电池 )( )( )( V RV 光电传感器件的特性与参数光电传感器件的特性与参数 （1

8、）灵敏度）灵敏度 （2）脉冲响应特性）脉冲响应特性 （3）频率响应特性）频率响应特性 （4）光照特性）光照特性 （5）光谱特性）光谱特性 （6）温度特性）温度特性 （7）伏安特性）伏安特性 （8）量子效率）量子效率 光电传感器的光照特性光电传感器的光照特性 v光电传感器的类型光电传感器的类型 根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为：根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为： 1.直射型：直射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于光源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。为发射光通量最大方向，对于光电器

9、件为灵敏度最高的方向。 2.反射型：反射型：分为单向反射和漫反射分为单向反射和漫反射 3.辐射型：辐射型：被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过接收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。被测物体的辐射光能量实现测量。 4.遮挡式：遮挡式：待检测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光待检测物遮挡部分或全部光束，或周期性地遮挡光 束。束。 5.干涉式：干涉式：干涉现象，精密测量。干涉现象，精密测量。 1. 1.直直射式射式 光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测 物吸收或散射，另一部分光通量透过待检物体由光电 探测器接收，如上图所示。被吸收或散射的光通量的

10、数值决定于待检测物的性质。常用于检测液体或气体 浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量； 检测透明容器的疵病，测量胶片的密度等。 1 2 3 2 4 2. 2.反射式反射式 举例：转速测量原理图举例：转速测量原理图 反射光通量取决于反射表面的性质、状态和光源 之间的距离。用于光电准直、激光制导、主动式夜视 仪、电视摄像、文字判读、表面粗糙度测试仪等。 1 2 3 2 3 4 1 3.3.辐射式辐射式 检测其辐射量的大小就能确定待测量的大小。 探测被测物体的辐射功率、光谱分布及温度等参 数，以便确定待测物体的存在、所处方位以及根据其 光谱分布情况分析研究它的物质成份及性质，如辐射 高温计

11、、火警报警器、侦查跟踪、光谱分析、热成像 仪等。 待检测物体1本身就 是辐射源，它发出的辐 射能强弱与待检测物I的 性质(例如温度的高低) 有关，用光电探测器3 1 2 3 4.4.遮挡式遮挡式 根据被遮挡光通量的大小就可确定待检测物的形 状，或者待检测物的位移量；根据被遮挡光束的次数 就可确定待测物体的个数或者待测物体的运动速度等， 相应地可用于物体外形尺寸的测量、产品计数、光电 测速、光控开关及防盗报警等。 待检测物遮挡 部分或全部光束， 或周期性地遮挡光 束，如图所示。 41 2 3 2 4 5.5.干涉式干涉式 12 2 3 4 5 6 a b 12356 4 4 a b (a)(b)

12、 如图所示，由光源1发出的光线经过透镜2照射到 分束器3(它可以是半透明半反射的平面镜成棱镜)上， 经分光面把光线分成两路，一路射向平面反射镜4作为 参考光，另一路6射向待检测物5，从待检测物中得到 待测信息。例如，图a中的待测信息可以是位移或振动 等。图b中的待测信息可以是待测物体折射率的变化， 即浓度或成份变化的信息。光线a和b经过4和5后又一 起射向光电探测器6，在光电探测器上可检测到干涉 条纹信号。 因此干涉法可用于检测位移、振动、流体的浓度、 折射率等。它的检测灵敏度和精度很高，动态范围大， 但结构和检测电路复杂，成本高。 光电检测系统光电检测系统 光电检测技术以激光、红外、光纤等现

13、代光电器件光电检测技术以激光、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，射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测， 即即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号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，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用的信息， 再经过再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，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最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理

14、量。量。 光电检测系统的构成光电检测系统的构成 变换电路变换电路 光电传感光电传感 光源光源 光学系统光学系统 被测对象被测对象 光学变换光学变换 电信号处理电信号处理 存存 储储 显显 示示 控控 制制 光学变换光学变换 电路处理电路处理 光电检测系统：光电检测系统：光学变换，光电变换，电路及计算机处理。光学变换，光电变换，电路及计算机处理。 光光 源源 光光 学学 系系 统统 被被 测测 对对 象象 光光 学学 变变 换换 光光 电电 转转 换换 电电 信信 号号 处处 理理 存储存储 显示显示 控制控制 光学变换光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、：通过各种光学元件和光

15、学系统，如平面镜、狭缝、 透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测量转，作用是将被测量转 换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化 等）。等）。 光电转换光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电：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。摄像器件、光电热敏器件等。 光电系统框图光电系统框图 v光学变换光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空域变换：光学扫描空域变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、

16、偏振光学参量调制：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形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学 信息。信息。 v光电变换光电变换 光电光电/ /热电器件（传感器）、变换电路、前置放大热电器件（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）。的放大和处理）。 v电路及计算机处理电路及计算机处理 放大、滤波、调制、解调、放大、滤波、调制、解调、A/DA/D、D/AD/A、微机与接口、微机与接口、 控制。控制。 光电检测系统的功能分类光电检测系统的功能分类 v测量检查型

17、测量检查型: : 几何量几何量: :长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、 距离。距离。 运动量运动量：速度、加速度、振动：速度、加速度、振动 表面形状表面形状：光洁度、庇病、伤痕：光洁度、庇病、伤痕 工作过程工作过程：湿度、流量、压力、物位、：湿度、流量、压力、物位、PHPH值、浓度等值、浓度等 机械量机械量：重量、压力、应变、压强：重量、压力、应变、压强 电学量电学量：电流、电压、电场、磁场：电流、电压、电场、磁场 光学量光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱 v控制跟踪型控制跟踪型 跟踪控制

18、：激光制导，红外制导跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 v图象分析型图象分析型 图形检测图形检测 图形分析图形分析 光电检测系统的组成及特点光电检测系统的组成及特点 v一般电子检测系统一般电子检测系统 传感器传感器信号变换器信号变换器输出环节输出环节 传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便传感器：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、滤波和放大信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大 一般光电系统一般光电系统 光发射机光发射机光学通道光学通道光接收机光接

19、收机 光发射机：分为主动式和被动式光发射机：分为主动式和被动式 主动式：光源（或加调制器）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：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光接收机的基本结构 接收到的接收到的 光场光场 接收透镜接收透镜 系统系统 光电检光电检 测器测器 后继检测后继检测 处理器处理器 接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射接收透镜系统：对光信

20、号进行滤波、聚焦，入射 到光检测器上；到光检测器上； 光电检测器：完成光电信号的转换；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，检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波， 恢复信号；恢复信号； 光接收机的分类光接收机的分类 1.功率检测接收机功率检测接收机直接检测或非相干检测直接检测或非相干检测 2.外差检测接收机外差检测接收机相干检测（空间相干）相干检测（空间相干） 光接收机的分类图示光接收机的分类图示 透镜透镜 光电检测器光电检测器 接收到 的光场 空间滤波器空间滤波器 频率滤波器频率滤波器 直接检测接收机直接检测接收机 外差检测接收机外差检测接收机

21、合束镜合束镜 光电检测器光电检测器 接收到 的光场 本地激本地激 光器光器 本地光场本地光场 聚焦光场聚焦光场 透镜透镜 光电检测技术的特点光电检测技术的特点 v高精度：高精度：从地球到月球激光测距的精度达到：单次测量时为从地球到月球激光测距的精度达到：单次测量时为1 1 米；多次为厘米级。现知道，月球以每年米；多次为厘米级。现知道，月球以每年3.83.8厘米的速度远离厘米的速度远离 地球。地球。 v高速度：高速度：光速是最快的。光速是最快的。 v远距离、大量程：远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。遥控、遥测和遥感。 v非接触式检测：非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。不改变被测物

22、体性质的条件下进行测量。 v寿命长：寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命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。长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。 v数字化和智能化：数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。强的信息处理、运算和控制能力。 光电检测方法光电检测方法 v直接作用法直接作用法 v差动测量法差动测量法 v补偿测量法补偿测量法 v脉冲测量法脉冲测量法 I、直接作用法、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接：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。

23、收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。 被测物理被测物理 量量 光通量光通量 光电传感光电传感 器器 放大、定放大、定 标标 直接读数直接读数 光电系统的基本模型光电系统的基本模型 II、差动测量法、差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较，所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。得差或数值比可反应被测量的大小。 放大放大相敏检波器相敏检波器 uA C R E U L 调制盘调制盘 被测物被测物 光楔光楔 反光镜反光镜 2 1 双光路差动测量法测量物体长度双光路差动测量法测量物体长度 III、补偿测量法、补偿测量法： 原理：是用光或电的方法原理：是用光或电的

24、方法补偿补偿由被测量变化而引起的光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。量值，其大小反应被测量变化大小。 例：例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使由相敏检波器输出控制光楔上下移动，使1 1- -2 2=0=0，光楔移，光楔移 动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。 放大放大相敏检波器相敏检波器 uA C R E U L 调制盘调制盘 被测物被测物 光楔光楔 反光镜反光镜 2 1 移动控制及读数显示移动控制及读数显

25、示 IV、脉冲测量法：、脉冲测量法： 原理：原理：测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其 参数（参数（脉宽，相位，频率，脉冲数量脉宽，相位，频率，脉冲数量等）反映被测等）反映被测 量的大小。量的大小。 1、脉宽方法测长度、脉宽方法测长度： 测量关系式：测量关系式： L=vL=v* *t=vt=v* *k k* *N=KN=K* *N N k-k-高频脉冲时间当量高频脉冲时间当量 K-K-长度当量长度当量 N-N-计数器值计数器值 高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消除不匀速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。带来的误差。 v R1

26、 E R2 高频脉冲高频脉冲 N 计数器计数器 光电检测技术发展趋势光电检测技术发展趋势 v纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 v小型、快速的微型光、机、电检测系统。 v非接触、快速在线测量。 v微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 v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。 v向人们无法触及的领域发展。 v光电跟踪与光电扫描测量技术。 一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用 在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位. 现代工程装备中，现代工程装备中，检测环节的成本约占检测环节的成本约占5070% 光电检测技术的应用光电检测技

27、术的应用 二、光电检测技术在日常生活中的应用二、光电检测技术在日常生活中的应用 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器 数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器 自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻 空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶 电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器 遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管

28、 办公商务：办公商务： 可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD 扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD 红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管 医疗卫生：医疗卫生： 电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器 血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - - 离子传感器离子传感器 三、检测技术在军事上的应用三、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夜视瞄准机系统：非冷却红外传感

29、器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。 实例介绍实例介绍 一、几种简单的光电检测系统举例一、几种简单的光电检测系统举例 1 1、光电计数器、光电计数器 2 2、红外报警器、红外报警器 3 3、光通信、光通信 4 4、转速（角速度）的光电检测、转速（角速度）的光电检测 5 5、脉冲激光测距、脉冲激光测距 二、光电检测系统的主要构成及工作原理二、光电检测系统的主要构成及工作原理 图示为在传送带上对产品进行计数的原理图。传送带图示为在传送带上对产品进行计数的原理图。传送带7 7上无产上无产 品时，光源品时，光源1 1发出的光线，经透镜发出的光线，经透镜2 2和和22射向

30、光电器件射向光电器件3 3；当产；当产 品品6 6从计数装置前面通过时，遮断射向光电器件从计数装置前面通过时，遮断射向光电器件3 3的光线，光电的光线，光电 器件器件3 3产生电脉冲，经放大器产生电脉冲，经放大器4 4放大后由计数器放大后由计数器5 5进行计数。应进行计数。应 用于自动打包、自动装箱、传送带上对产品进行自动计数、统用于自动打包、自动装箱、传送带上对产品进行自动计数、统 计街口汽车的流量等。计街口汽车的流量等。 12 2 45 6 7 3 1.1.光电计数器光电计数器 GY M2 M3 M4 M5 M1 C D B1 B2 E 红外线红外线 2 2、 红外报警器红外报警器 当有人进入该区域，红外线必被遮住，可自动发出警报。当有人进入该区域，红外线必被遮住，可自动发出警报。 红外光源红外光源GYGY发出的光束，经旋转的带孔圆盘发出的光束，经旋转的带孔圆盘C C调制，使红外线调制，使红外线 变成频率数百赫的断续光变成频率数百赫的断续光( (或由脉冲电源供电，使光源直接发或由脉冲电源供电，使光源直接发 出频率一定的脉冲光出频率一定的脉冲光) )，经