光电检测技术与应用1绪论

1、光电检测技术及应用光电检测技术及应用光电检测技术及应用光电检测技术及应用课程：课程：光电检测技术与应用光电检测技术与应用参考教材：参考教材： 光电检测技术与应用光电检测技术与应用 郭培源郭培源 付扬付扬 编著编著 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社光电测试技术与系统光电测试技术与系统 刘铁根刘铁根 主编主编 机械工业出版社机械工业出版社内容包括六部分：内容包括六部分： 一、绪论一、绪论 二、发光器件（光源）二、发光器件（光源） 三、光电检测器件的工作原理及特性三、光电检测器件的工作原理及特性 四、光电检测器件及应用四、光电检测器件及应用 五、光纤传感检测技术五、光纤传感检测技术 六、

2、典型光电检测系统六、典型光电检测系统 课程课程32学时：教师学时：教师讲授讲授(22)+实验（实验（10学时）学时） 讨论（讨论（2人一组，人一组，1015分钟）分钟）交叉内容：提问交叉内容：提问+提炼重点提炼重点 课程安排课程安排光电信息技术光电信息技术1、光电源器件和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微电子4、光学方法用于瞬态光学观测5、光电传感、光纤传感和图像传感6、激光、红外、微光探测、定向与制导7、光电精密测试、在线检测和控制8、混合光电信息处理、识别和图像分析9、光电人工智能和机器视觉10、光电逻辑运算和光电计算机及光电数据存储11、生物光子学本课程的主要内容包括

3、本课程的主要内容包括5、6、7中的内容光电检测的元器件、系统、方法和中的内容光电检测的元器件、系统、方法和应用应用 以以光电子学光电子学为基础，以为基础，以光电子器件为主体光电子器件为主体，研究和发展光电信息，研究和发展光电信息的的形成、传输、接收、变换、处理和应用形成、传输、接收、变换、处理和应用。主要包括：。主要包括：定义：定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作检测的基本概念检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示

4、、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）检测器具检测器具化学量（化学量（PH、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、） 1 1、检测基本概念、检测基本概念 直接直接测量：测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：数值。例如： 长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表电压：万用表 质量：天平质量：天平 间接测量：间接测量：测量几个

5、与被测量相关的物理量，通过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：函数关系式计算出被测量。例如： 电功率：电功率：P = I * V（电流（电流/电压）电压） 重力加速度：单摆测量（重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，：摆的线长，T：摆动的周期）：摆动的周期） 224TLg返回1 1、检测基本概念、检测基本概念例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器 - 热电阻、热电偶热电阻、热电偶 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调

6、机返回1 1、检测基本概念、检测基本概念2 2、光电检测系统、光电检测系统 以以光为信息的载体光为信息的载体，利用，利用光电传感器光电传感器实现检测，即将被实现检测，即将被测量转换为光通量，再将光通量转换为电量测量转换为光通量，再将光通量转换为电量 ，并综合运用信，并综合运用信息传输和处理技术，完成在线和自动测量。息传输和处理技术，完成在线和自动测量。 光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号。光电传感器：基于光电效应，将光信号转换为电信号。 光电检测系统光电检测系统电子检测系统的基本构成电子检测系统的基本构成传感器传感器信号调理信号调理输出环节输出环节传感器传感器处于被测对象与检测系统

7、的接口处，是一个信号处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器，它直接从被测对象中提前被测量的信息，感受其变变换器，它直接从被测对象中提前被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。化，并转化成便于测量的电参数。由传感器检测到的信号一般是电信号，它不能直接满足由传感器检测到的信号一般是电信号，它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析光电检测系统光电检测系统光电系统的基本模型光电系统的基本模型光发射机光发射机光学信道光学信道光接收机光接收机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调理调理电路电路光电转换光电转换光

8、电检测系统组成光电检测系统组成A/D输输出出光电传感光电传感光电检测系统的功能分类 测量检查型: 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。 运动量：速度、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱 控制跟踪型 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 图象分析型 图形检测 图形分析光电检测系统的功能分类光电检测系统光电检测系统光电系统光电系统主动式光电系统主动式光电系统 （光发射机由光

9、源和调制器构成）（光发射机由光源和调制器构成）被动式光电系统被动式光电系统 （光发射机为（光发射机为被探测物体被探测物体的光（热）辐射发射）的光（热）辐射发射）光接收机光接收机功率检测接收机：功率检测接收机：直接检测光功率，简单直接检测光功率，简单 （直接检测接收机或非相干接收机）（直接检测接收机或非相干接收机）外差接收机外差接收机（空间相干接收机）：（空间相干接收机）：复杂复杂 检测本地光波场与接收光波场的合成波检测本地光波场与接收光波场的合成波 光电传感器光电传感器 是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器。是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器。 主要有光电二极管、光电

10、三极管、光敏电阻、光电耦合器、主要有光电二极管、光电三极管、光敏电阻、光电耦合器、光电池和图像传感器等。光电池和图像传感器等。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)非PN结光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)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）光电池返回光电检测技术的特点光电检测技术的特点1. 高精度高精度

11、如：激光干涉法检测长度的精度可达如：激光干涉法检测长度的精度可达0.05微米微米/米；米； 光栅莫尔条纹法测角可达光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒；秒； 激光测距法测量地月距离的分辨率激光测距法测量地月距离的分辨率1米；米； 2. 高速度高速度 光的传播速度最快，光速光的传播速度最快，光速 3*108m/s。3. 远距离、大量程远距离、大量程 遥感、遥测。遥感、遥测。4. 非接触检测非接触检测 没有测量力，对被测参量影响小，检测效率高。没有测量力，对被测参量影响小，检测效率高。5. 寿命长寿命长 光波永不磨损，光电检测中通常无机械运动部分，故测量光波永不磨损，光电检测中通常无机械运动部分，故测

12、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求6. 很强的信息处理和运算能力很强的信息处理和运算能力光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测方法直接作用法受被测物理量控制的光通量，经过光电接收器转换成电信号以后由检测机构可以直接得到所求的被测物理量。结构简单，精度不高，易受干扰差动测量法利用被测物理量和某一标准量相比较，所得的差或者数值比可以反应被测量的大小补偿测量法用光或者电的方法补偿由被测量变化引起的光通量的变化，补偿器的可动原件连接读数装置指示出补偿量值，补偿值的大小反应了被测量变化的大小脉冲测量法在测量中将被测量的

13、光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率等）反应了被测量的大小光电检测技术发展趋势 纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 小型、快速的微型光、机、电检测系统。 非接触、快速在线测量。 微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。 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。 向人们无法触及的领域发展。 光电跟踪与光电扫描测量技术。检测技术在日常生活中的应用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

14、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：

15、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在工业生产领域的应用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%检测技术在军事上的应检测技术在军事上的应用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。美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD1.地基拦截

16、器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统: 探测和发现探测和发现敌人导弹的发射并追踪敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；导弹的飞行轨道； 拦截器：能识别真假拦截器：能识别真假弹头，敌友方弹头，敌友方“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、 振动、流量、应变、振动、流量、应变、 声学声学神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置检测技术在航天领域的应用检测技术在航天领域的应用学习本课程的目的了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。掌握直接检测与外差检测的原理和区别。了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。 浙江大学浙江大学（杭州西湖区杭州西湖区 ） 清华大学清华大学 天津大学天津大学 北京航空航天大学北京航空航天大学 北京理工