光电检测技术在监测中的应用及发展趋势

Goodisgood,butbettercarriesit.

精益求精，善益求善。Goodisgood,butbettercarriesit.

精益求精，善益求善。光电检测技术在监测中的应用及发展趋势_x0001__x0001_PAGEPAGE13_x0001_PAGE光电检测技术论文——光电检测技术在监测中的应用及发展趋势学生姓名：班级：学号：指导老师：时间：目录TOC\o"1-3"\h\u目录 1摘要： 1随着光电检测技术的发展，几乎在各个领域得到研究与应用。简述了光电检测技术的发展现状以及在某个领域的应用。首先介绍了光电检测技术的概述，光电检测技术原理，光电检测技术的特点，光电检测技术的发展现状以及光电检测技术的发展趋势；然后分别简述了光电检测技术在工业、军事、能源监测方面的应用；最后介绍了光电检测技术的前景。 1Abstract 2一、前言 2二、光电检测技术 22.1光电检测技术的概述 22.2光电检测技术原理 32.3光电检测技术的特点 32.4光电检测技术的发展现状 42.5光电检测技术的发展趋势 4三、光电检测技术在监测中的应用 53.1光电检测技术在工业监测中的应用 53.2光电检测技术在军事监测中的应用 73.3光电检测在能源发面的应用 9四、发展前景 10五、总结 11六、参考文献 11摘要：随着光电检测技术的发展，几乎在各个领域得到研究与应用。简述了光电检测技术的发展现状以及在某个领域的应用。首先介绍了光电检测技术的概述，光电检测技术原理，光电检测技术的特点，光电检测技术的发展现状以及光电检测技术的发展趋势；然后分别简述了光电检测技术在工业、军事、能源监测方面的应用；最后介绍了光电检测技术的前景。关键字：光电检测技术；工业监测；军事监测；前景AbstractWiththedevelopmentofphotoelectricdetectiontechnology,andithasbeenstudiedandusedinalmosteveryfield.Therearetodescribethecurrentsituationofthedevelopmentofphotoelectricdetectiontechnologyandtheapplicationinacertainfield.Firstly,itintroducestheoverviewoftheprincipleofphotoelectricdetectiontechnology,photoelectricdetectiontechnology,thecharacteristicsofphotoelectricdetectiontechnology,thedevelopmenttrendofthecurrentsituationofthedevelopmentofphotoelectricdetectiontechnologyandphotoelectricdetectiontechnology;thenrespectivelyintroducestheuseofphotoelectricdetectiontechnologyinindustrial,militaryandenergymonitoring;finallyintroducedtheprospectofphotoelectricdetectiontechnology.Keywords:photoelectricdetectiontechnology;industrialmonitoring;militarysurveillance;energymonitoring;prospect一、前言随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理和技术的提高，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，已经成为现代信息学科的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有精度高、速度快、非接触、频宽和信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出的特点，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、能源、环境、国防等领域。二、光电检测技术2.1光电检测技术的概述光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术。它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高测系统输出信号的信噪比。光电检测的系统机构比较简单，分为信号的处理器，受光器，光源。在实际检测过程中，受光器在获得感知信号后，就会被反映为不同形状、颜色的信号，同时根据这些器件所处在的不同位置，就能够将他分为反射型与透过型的两种比较的模式。光电检测的媒介光应当是自然的光，例如白炽灯或者萤光灯。特别是随着这些技术的发展，光电技术也取得的非常好发展。由于投光器在发出光后，会以不一样的方式触摸这些被检测物中，直到照射到检测系统中的受光器中，同时受光器在此刺激下，会产生一定量的电流，这就是我们常说的光敏性的原件，实际生活中应用比较广泛的有三极管、二极管。光电检测技术主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。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测量，它具有高精度、高速度、远距离、大量程、非接触测量等特点。2.2光电检测技术原理光电检测系统的工作原理图如下：2.3光电检测技术的特点1）高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。2）高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。3）远距离、大量程。光是最便于远距离粗寒痹的介质，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）非接触测量。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，是各种测量方法中效率最高的一种。2.4光电检测技术的发展现状随着科技发展的日新月异，光电检测技术已经发展出纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术；小型、快速的微型光、机、电检测系统在各个领域应用越来越广泛。非接触、快速在线测量已经取代原始的接触式，较缓慢的检测技术，并向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术方向发展；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。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等先进的光电检测技术的进步和广泛应用将对人们生活，工业生产甚至国防科技产生巨大影响和改革。随着光纤传感技术的飞速发展，光纤气体传感器也得到了广泛的研究和应用。它具有灵敏度高、响应速度快、防燃防爆、不受电磁干扰、可以实现光信号的长距离传输和现场实时遥测等优点，所以对光电检测方法研究的关注也一直在增加。随着光纤光栅传感器的广泛应用，光纤光栅传感信号的检测系统也有了很大的发展。相比于传统采用单色仪、光谱仪扫描等方式来检测光纤光栅传感信号的方式，采用光电转换方式，即把对光强信号的测量转变为对电压信号的测量方式有它的优越性，它具有检测设备制造成本低、方便携带、可以实现对实时变化信号高速检测和拥有更广的工程应用等优点。光电检测技术在人类基因工程方面也有着广泛的发展，如利用可见光信号强弱的变化检测DNA杂交信号。这种新型的DNA光电检测系统同样是由兼容探针DNA自组装的硅集成电路构成。而在该系统中目标DNA序列与磁珠连接，目标DNA序列与探针DNA分子杂交后，磁珠就会覆盖在载体表面形成暗区。而载体下方的光电二极管阵列此时便可以检测出DNA杂交反应前后的光信号变化，输出DNA杂交信号。新型抗干扰式光电检测头通过优化红外发射管工作参数和采用脉冲选通门控检波电路，有效地抑制了电气干扰噪声，提高了检测头的抗干扰性能和工作可靠性。实验数据表明了其有效性。同时，该种光电检测头已经在多个大型机电设备制造厂家应用，工厂实际应用结果表明：新型的光电检测头误动作率不到老产品的千分之一，抗电气干扰能力显著提高，具备了工业级的高可靠性能。无损检测技术是随着高科技发展应运而生的一门新技术，该技术不同于传统的物理化学分析方法，它主要运用物理学方法如光学、电学和声学等手段对产品进行分析，且不破坏样品，在获取了样品信息时保证了样品的完整性，无损检测技术检测速度较传统的物理化学方法迅速，又能有效地判断出从外观无法得出的样品内部品质信息。随着计算机技术的迅速发展，带动了化学计量学的发展，极大地促进了无损检测技术在工农业生产中的广泛应用。无损光电检测技术根据其分析对象的某些特征对热、声、光、电以及磁等的反应变化情况，大致可分为红外光谱检测技术、拉曼光谱检测技术、机器视觉检测技术、超声波检测技术、X射线检测技术以及电子鼻和电子舌检测技术等。根据不同的应用对象和用户场合可采用不同的无损光电检测技术和相应的检测装置来实现。随着科学技术的不断发展，新的探测方法还会不断的出现。2.5光电检测技术的发展趋势随着世界各国的激烈竞争正以日新月异的速度突飞猛进及科研技术的提高，检测技术在国民经济的各个行业中，起着举足轻重的作用，无论科学研究、产品质量及自动控制都需要检测，利用现代光电子技术作为检测手段，具有无接触、无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、测量精度高等优越性，是当今检测技术发展的主要方向。光电检测技术将向着高精度、智能化、数字化、多元化、微型化、自动化方向发展。所谓高精度是指检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；智能化是指检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；数字化是指检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；多元化是指光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；微型化是指光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展；微型化是指光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统发展；自动化是指检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展。以激光器为基础的光电检测系统已经成为最主要的发展方向。随着精密度和功能特性的提高,它将不断取代那些昂贵且复杂的检测方案。由于激光技术的不断提高和成本的稳定下降,可以肯定,激光光电检测技术将日益成为光电用户的首选方案。激光超声检测技术是光电检测技术的另一重要的发展方向。这一技术利用高能量的激光脉冲与物质表面的瞬时热作用，在固体表面产生热特性区，然后利用这种小热层在材料内部向四周热膨胀扩散产生热应力，从而通过这种热应力产生超声波。与常规超声检测方法比较，激光超声技术具有下列优点：激光超声不需要耦合剂，避免了耦合剂对测量范围和精度的影响；激光超声可实现远距离操作，可用于高温环境及腐蚀性强、有放射性等恶劣条件，并可以实现快速扫描，对生产现场快速运动的工件的在线检测；激光超声的盲区小于100-微米，可用于测量薄工件。激光超声的频率带宽较常规的换能器宽，具有测量微小缺陷裂纹的能力；激光超声可用于表面几何形状复杂及受限制的空间，如焊缝根部小直径管道等；空间分辨率高，有利于缺陷的精确定位及尺寸量度，并可作为声源应用于理论研究。智能光电检测系统成为了另一个很重要的发展方向。智能光电检测系统由智能信号处理系统、光电传感系统、测控系统、输出系统和接口单元等组成。它以智能信号处理系统为核心，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、外围接口及信息输出等技术，可以实现光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等功能，并自动完成自检自校和自我诊断与调整等功能。智能光电检测系统由于环境适应能力强，测量范围广，测量精确度高，尤其是强化了人工智能系统，可以自动对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正，加上良好的人机交互界面，大大简化了操作程序，提高了数值处理和分析的效率。三、光电检测技术在监测中的应用3.1光电检测技术在工业监测中的应用在工业领域方面主要表现在在线检测如零件尺寸、产品缺陷、装配定位等。（1）光电式纠偏|带材跑偏检测器光电式纠偏|带材跑偏检测器采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，用户可根据需要选用各种规格产品，在各种轻工自动机上获得广泛的应用。其是对卷材、纸板等物料在传送过程中的位置偏移进行控制的自动控制系统，产品具有自动检测、自动跟踪、自动纠偏等功能。能对纸板、薄膜、铝箔、带钢及其它物料的标志线或边缘进行跟踪纠偏，以保证卷绕、分切的整齐。该系统可用于轻工、包装、印染、印刷、轧钢等行业。

光电式带材跑偏检测器原理如图1所示。光源发出的光线经过透镜1会聚为平行光束，投向透镜2，随后被会聚到光敏电阻上。在平行光束到达透镜2的途中，有部分光线受到被测带材的遮挡，使传到光敏电阻的光通量减少。图1光电式带材跑偏检测器原理图图2为测量电路简图。R1、R2是同型号的光敏电阻。R1作为测量元件装在带材下方，R2用遮光罩罩住，起温度补偿作用。当带材处于正确位置（中间位）时，由R1、R2、R3、R4组成的电桥平衡，使放大器输出电压U0为0。当带材左偏时，遮光面积减少，光敏电阻R1阻值减少，电桥失去平衡。差动放大器将这一不平衡电压加以放大，输出电压为负值，它反映了带材跑偏的方向及大小。反之，当带材右偏时，U0为正值。输出信号U0一方面由显示器显示出来，另一方面被送到执行机构，为纠偏控制系统提供纠偏信号。图2

带材跑偏检测器测量电路光电色质检测图3为包装物料的光电色质检测原理。若包装物品规定底色为白色，因质量不佳，有的出现泛黄，在产品包装前先由光电检测色质，物品泛黄时就有比较电压差输出，接通\o"电磁阀"电磁阀，由压缩空气将泛黄物品吹出。图3包装物料的光电色质检测原理彩塑包装制袋塑料薄膜位置控制图4为包装机塑料薄膜位置控制系统原理。成卷的塑料薄膜上印有商标和文字，并有定位色标。包装时要求商标及文字定位准确，不得将图案在中间切断。薄膜上商标的位置由光电系统检测，并经放大后去控制电磁离合器。薄膜上色标（不透光的一小块面积，一般为黑色）未到达定位色标位置时，光电系统因投光器的光线能透过薄膜而使电磁离合器有电而吸合，薄膜得以继续运动，薄膜上的色标到达定位色标位置时，因投光器的光线被色标挡住而发出到位的信号，此信号经光电变换、放大后，使电磁离合器断电脱开，薄膜就准确地停在该位置，待切断后再继续运动。3.2光电检测技术在军事监测中的应用（1）光电侦察告警技术光电侦察告警技术是指通过光电手段对敌方光电设备进行侦察,确定其位置,探测其技术参数,并在必要时发出报警的技术。它是对敌方进行攻击与实施有效干扰的基础。目前已投入使用的侦察告警设备种类繁多,主要有红外告警器、激光告警器、紫外告警器和光电复合告警器等。1）红外告警技术红外告警是利用来袭目标(导弹、炸弹)的红外辐射特征进行探测、截获、定向和分析。主要装在飞机、舰船上,频段覆盖范围为3～5μm和8～14μm波段。当有来袭导弹威胁时,告警装置便发出告警信号,启动与之相连的系统实施对抗,进行自我保护。红外告警器既可以采用扫描型红外探测器,也可以采用凝视型红外探测器。①扫描型红外告警器采用单元探测器或阵列探测器,通过二维光机扫描完成对空域的监视。光机扫描可分为物方扫描和像方扫描,物方扫描需要比像方扫描大的机械运动部件。扫描型的优点是可利用现行探测技术实现大视场的监视,可以较少探测器提供高的分辨率。②凝视型红外告警器采用焦平面探测器和固定视场完成对空域的监视。扫描系统对探测短持续特征的信号不太实用,而对于某些类型导弹的判决和假目标的抑制很重要。凝视系统因为连续覆盖整个视场,因而不会错过短持续事件,凝视系统需要大数目的探测器阵列来完成只需少量元数扫描系统完成的角分辨率,但大视场光学系统设计较为困难。设备有:美国AN/AAR234红外告警接收机,AN/AAR243/44红外告警接收机,DDM2Prime焦平面阵列红外探测器;俄罗斯SA27/9红外告警器;美国和加拿大联合研制的AN/SAR28红外搜索与跟踪系统等。图红外线接收器电路2）激光告警技术激光告警器主要装在地面重要目标、坦克及飞机等被保护目标上。它的功能是当目标被敌方激光测距机、激光目标指示器及激光雷达等军用激光装置的激光束照射时,探测和识别激光辐射、探测激光辐射源方向、波长及使用方法等战术技术参数,发出声光告警并引导光电干扰设备实施干扰,它是进行激光对抗的前提和首要工作。根据其工作原理的不同,大致可分为下列几种类型。①光电探测器阵列型激光告警器最常见的阵列型激光告警器是硅光电二极管作为探测器,以接收大气气溶胶的激光能量和直接拦截激光束能量。此类告警系统在技术上最成熟,应用最广泛。②CCD摄像型激光接收机它是广角鱼眼透镜与CCD面阵相合,可以比较精确地确定激光源的方位。广角鱼眼透镜的视场覆盖整个上半球,可以接收来自任何方位的激光辐射,通过光学系统成像在CCD面阵上。CCD面阵上产生整帧视频信号,用快速模数转换变换成数字形式,存储在单帧数字存储器中。当包含背景信号和激光信号的帧信号写入存贮器时,即与仅包含背景信号的前一帧信号用数字方法相减。帧减结果作为一个表示位置(方位与仰角)的亮点,在显示器显示出来,利用这种数字背景减去法,可以在显示器上把每个脉冲位置都清晰地显示出来,并可以跟踪激光源的位置。③利用全息技术的激光告警器利用全息象限透镜可以确定激光源的大致方位,全息象限透镜是一种分成任意个象限的全息光学元件,它可以把入射到不同象限上的激光辐射分别成像在特定位置上,成像的位置仅由被照明的象限所决定。激光主动侦察告警设备有美国制造的Stingray车载激光致盲武器,它是集主动侦察和致盲于一体的激光对抗武器;还有美国AN/PLQ25激光对抗装置和AN/VLQ27“鱼工鱼”实战防护系统。激光被动侦察告警设备有美国的HALWR激光报警接收机等。3）紫外告警技术紫外告警具有虚警率低、不需低温冷却、不扫描、告警器体积小、质量轻等优点。它是利用“太阳光谱盲区(220～280nm)”的紫外波段来探测导弹的火焰与尾焰,并根据特征进行探测、截获、定位和分析,发出来袭导弹威胁的告警信号,以便实施干扰。①概略型紫外告警概略型紫外告警以单阳极光电倍增管为核心探测器件,概略接收导弹羽烟的紫外辐射,具有体积小,重量轻、低虚警、低功耗的优点,缺点是角分辨率差、灵敏度较低。尽管存在这样两个缺点,但它作为光电对抗领域的一项新型技术,在引导红外弹投放等许多领域仍十分实用。②成像型紫外告警成像型紫外告警以面阵器件为核心探测器,精确接收导弹羽烟紫外辐射,并对所观测的空域进行成像探测,识别分类威胁源。优点是角分辨率高、探测能力强、识别能力强。具有引导红外弹投放器和定向红外干扰机的双重能力和很好的态势估计能力。设备有:南非MAW紫外告警器;美国AAR254(V)导弹逼近紫外告警、AAR247A、AAR247B导弹逼近紫外告警及AWAWS紫外告警器。光电复合告警技术光电复合告警是在激光、红外和紫外告警技术基础上发展起来的高级告警器,它以小型化、模块化和具有通用功能的综合告警结构,采用探测红外、紫外和激光等主要光波威胁的光机电一体化综合告警技术,多波段光电传感器的综合和多种光电探测信息的融合技术,并使各类告警技术优势互补、资源共享、更好地发挥综合效能。光电复合告警装备有:美国研制的DOLE激光雷达告警系统;法国的红外和激光告警器;英国的激光和红外探照灯控制器等。美国研制的告警系统可同时探测观察红外、紫外和射频威胁。3.3光电检测在能源发面的应用(一)太阳能电池板太阳能电池板是太阳能发电系统中的核心部分,也是太阳太阳能电池板能发电系统中价值最高的部分其作用是将太阳能转化为电,送往蓄电池中存储起来,或推动负载工作。太阳能电池板的质量和成汕本将直接决定整个系统的质量和成本。(二)太阳能控制器

太阳能控制器的作用是控制整个系统的工作状态,并对蓄太阳能控制器电池起到过充电保护,过放电保护的作用。在温差较大的地方,合格的控制器还应具备温度补偿的功能。其他附加功能如光控开关,时控开关都应当是控制器的可选项。(三)蓄电池

一般为铅酸电池,一般有

12汕V

和

24V

这两种,小微型系统中,

蓄电池也可用镍氢电池,镍镉电池或锂电池。其作用是在有光照时将太阳能电池板所发出的电能储存起来,到需要的时候再释放出来。(四)逆变器

在很多场合,都需要提供

AC220V,AC110V

的交流电源。由于逆变器太阳能的直接输出一般都是DC12V,DC24V,DC48V.为能向AC220V

的电器提供电能,需要将太阳能发电系统所发出的直流电能转换成交流电能,因此需要使用

DCAC

逆变器。在某些场合,需要使用多种电压的负载时,也要用到DC-DC

逆变器,

如将

24VDC

的电能转换成

5VDC

的电能。（注意,不是简单的降压)。四、发展前景在微电子技术蓬勃发展的同时，人们发现可以利用光电各自的优势来为我们服务。比如/s/?w=%E6%BF%80%E5%85%89%E5%99%A8&ch=link激光器，光电探测器，太阳电池如等方面都需要光电结合。这就是早期的/s/?w=%E5%85%89%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光电子学。随着/s/?w=%E5%85%89%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光电子学的发展，人们研究完全利用光来处理信息，于是诞生了/s/?w=%E5%85%89%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光子学。所以可以说，先有了/s/?w=%E5%85%89%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光电子学，又有了/s/?w=%E5%85%89%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光子学。而最终的发展会是光电的再次统一，即更高一个层次上的/s/?w=%E5%85%89%E7%94%B5%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光电子学。现在正在发展单电子技术和单光子技术，那时信息的载体不再是束流，而是单个的粒子。光子和电子都是利用量子力学的概念，区别只是波长不同而已。我想我们在二十一世纪肯定会走到这一步。那时既不能叫光子信息技术，也不能叫电子信息技术，应该叫量子信息技术。

由于光子具有电子所不具备的许多特性所以/s/?w=%E5%85%89%E5%AD%90%E5%AD%A6&ch=link光子学有它独特的优势。尤其在信息领域。比如通信，我们现在大部分主干网用的都是光纤，信息的载体都是光。由于密集波分复用技术的发展，一根头发丝粗细的光纤就可以传输一亿门电话线路。这是电缆无法比拟的。再如信息/s/?w=%E5%AD%98%E5%82%A8%E6%8A%80%E6%9C%AF&ch=link存储技术，光盘由VCD发展到DVD，容量增大了好几倍，未来如果研制出能够商用的蓝光/s/?w=%E6%BF%80%E5%85%89%E5%99%A8&ch=link激光器，采用蓝光波段的光来作为信息的载体，就又可以使同样大小的光盘的容量增大近十倍。而且光具有相干性，可以实现全息存储，在不到一个平方厘米的芯片上，我们可以把北京图书馆的所有的书都存进去。在计算机方面，未来的发展趋势是光要进入计算机中，发挥光子的优势实现开关的互联，利用光来消除电子传输带来的瓶颈效应。

同时，光电的传感器应用非常广泛。近年来，传感器正处于传统型向新型传感器转型的发展阶段。新型传感器的特点是微