光电检测技术与应用第一章绪论

光电检测技术课程简介本课程是“测控技术及仪器”专业本科必修专业课。通过学习本课程，掌握实现光电检测的基本原理和基本方法，以达到使学生能够运用光电检测技术解决实际问题的目的。通过课堂教学使学生掌握光电检测器件、热电检测器件、发光与耦合器件、光电成像器件的工作原理、主要特性及应用技术；光电信号检测电路的设计；光电直接检测系统；光外差检测系统；光纤传感器检测技术；光电信号的数据采集与微型计算机接口；光电变换方法以及光电检测技术、应用技术。用理论与实践相结合的教学方法加深理论知识、开拓思维，为今后科研、生产解决光电检测技术问题打下基础。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。答疑地点及时间每周答疑一次，时间：周三下午2：30~3:30，地点：南实训楼404测控教研室电话时学生有问题可以发电子邮件:942938676@或QQ:942938676留言，教师将会收集典型的、集中的问题在课堂上讲解。教材《光电检测技术与应用》郭培源付扬编著北京航空航天大学出版社参考书目《光电检测技术》曾光宇等编著清华大学出版社《光电传感与检测技术》江晓军等编著机械工业出版社《光电检测技术及应用》周秀云等编著电子工业出版社平时成绩：30%闭卷考试：70%44个学时1~11周2.5学分第一章绪论（1）信息技术是一种综合技术，它包括感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术、微电子信息技术和光电信息技术等几个方面，一切与信息的收集、加工、存储、传输有关的各种技术可称为信息技术。（2）感测技术：包括传感技术和测量技术以及遥感、遥测技术；它使人类能更好地从外部世界获取各种有用的信息。（3）通信技术：它的作用是传递、交换和分配信息，可以消除或克服空间上的限制，使人们能更有效地利用信息资源。1.1信息技术与光电检测技术一、信息技术:1.基本概念（4）人工智能与计算机技术：它使人们能更好地加工和再生信息。（5）控制技术：它的作用是根据输入的指令，对外部事务的运动状态实施干预。（6）微电子信息技术是在传统的电子技术的基础上发展起来的一种渗透性最强、影响面最广的电子技术，它通过控制固体内电子的微观运动来实现对信息的加工，并在固体的微区（小到几个晶格的数量级）内进行，可以把一个电子功能部件，甚至一个系统集成在一个很小的芯片上。微电子信息技术是信息技术的核心。（7）光子信息技术也是一种渗透性极强的综合技术，是以光集成技术为核心的有关光学元、器件制造的应用技术。二光电技术光电技术是由光学、激光、电子学和信息技术相互渗透而形成的综合性、交叉性学科技术，光电技术包括光的产生、传输、调制、放大、频率转换和检测以及光信息处理等。光电子技术通常按光子的功用分两个层次：光子作为信息的载体，应用于信息的获取、传输、存储、显示、处理及运算，称为信息光电子技术；光子作为能量的载体，作为高能量和高功率的束流（主要是激光束），应用于材料加工、医学治疗、太阳能转换、核聚变等，称为能量光电子技术。二光电技术20世纪60年代初出现的激光和激光技术，以其强大的生命力推动了光电子技术及其相关产业的发展。光电子技术所涵盖的激光技术、光导波技术、光检测技术、光计算和信息处理技术、光存储技术、光显示技术、激光加工与激光生物技术等已经在经济中发展形成了光电子信息产业，它将继微电子技术之后，再次推动科学技术的革命与人类社会的进步。二十世纪末，信息载体正在由电磁波段扩展到光波段，从而使光电科学与光机电一体化技术集中在光信息获取、传输、处理、记录、存储、显示和传感等的光电信息产业上。我国的光电子行业与发达国家几乎同时起步，在激光、光纤（光缆）、光器件方面的技术和产业水平已经达到或接近国际先进水平。光电子行业已经形成了五大类产业格局：光电子材料与元件产业、光信息产业、现代光学产业、光通信产业、激光器与激光应用产业。光电子技术的应用涉及科技、经济、军事和社会发展的各个领域。二、光电子产业光电科学与光机电一体化技术之树光通信向超大容量、高速率和全光网方向发展，超大容量DWDM的全光网络以及光纤通信到区域和用户将成为主要的发展趋势。当前，光纤通信技术的发展要实现光电集成化，提高响应速度和灵敏度，发展宽波段光纤放大器和半导体光放大器(SOA)。光显示将向全高清晰度（FullHD）、大屏幕、超薄型、低成本、低功耗、高画质方向发展。三、光电子产业发展趋势光存储将开发出新一代高密度、高速光存储技术和系统。为提高存储密度，激光波长向短波方向发展，第三代高密度数字多功能光盘即HD-DVD光盘（蓝碟）存储即将兴起，使用GaN半导体激光器，波长为410nm（蓝光），存储容量达到27GB。多层存储方案和三维全息存储技术是未来技术发展方向。光输出、输入产品向多功能、高速化、低成本方向发展三、光电子产业发展趋势光器件的发展趋向小型化、高可靠性、多功能、模块化和集成化。激光技术正向全固化、超短波长、微加工和高可靠性等方向发展，微/小/中型器全固态激光器沿着多样化、智能化、产业化方向发展，大功率器件将向高平均功率/高光束质量发展，大功率半导体激光器及其阵列将成为新型高能激光源，而作为战略性应用的高能全固态激光器将得到军方高度重视。光子计算与光信息处理产业、全光电子通信产业、光子集成器件产业、聚合物光纤光缆产业、聚合物光电器件产业和光子传感器产业等，将成为未来光电子产业发展的重要组成。三、光电子产业发展趋势光电子产业在上世纪末达到一个高潮，在美国9.11事件后的2000-2002年间，国际光电子技术市场产生大滑坡。从2003年开始，国际光电子产业市场重新步入上升轨道。2000年，全世界光电子产业总产值为1800亿美元，到2010年，产值估计将达到4500亿美元，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模。2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。三、光电子产业发展趋势光电子产业在上世纪末达到一个高潮，在美国9.11事件后的2000-2002年间，国际光电子技术市场产生大滑坡。从2003年开始，国际光电子产业市场重新步入上升轨道。2000年，全世界光电子产业总产值为1800亿美元，到2010年，产值估计将达到4500亿美元，以光电子信息技术为主导的信息产业将形成5万亿美元的产业规模。2010年至2015年，光电子产业可能会取代传统电子产业，成为21世纪最大的产业，成为衡量一个国家经济发展和综合国力的重要标志。三、光电子产业发展趋势近十年来，国内光电子产业处在迅猛发展状态。2006年，全国光电子产值超过了1100亿元人民币，每年以20%左右的速度增长。目前，我国光电子产业约占全球市场的5%，估计到2010年，我国将有450多亿美元的产值，占世界市场10%左右的份额。三、光电子产业发展趋势1定义：3被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统4全部操作：检测过程用指定的方法检验测试某种物体（气体、液体、固体）指定的技术性能指标的全部操作一检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、…）2被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体……）检测器具化学量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……1.2光电检测与光电传感器概念5光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量转换成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量。例：空调机测量控制室温空气被测对象：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、热电偶热敏电阻电信号处理显示空调机返回二测量的基本概念1定义：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，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。2方式：直接测量和间接测量3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4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：电功率：P=I*V（电流*电压）重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）

返回三、光电传感器与敏感器的概念1传感器:能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。2作用：将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。3本质：非电量系统与电量系统之间的接口。4类型：（1）能量控制型传感器，也称有源传感器（2）能量转换型传感器，也称无源传感器（一）传感器能量控制型传感器：是指传感器将被测量的变化转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才能将被测量参数的变化转换成电压，电流的变化。能量转换型传感器：可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需要外加激励电源。在很多情况下，所要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面增加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。这种能够将被测非电量转换为可用非电量的器件或装置就是敏感器。（二）敏感器1定义：将被测非电量转换为可用非电量的器件。敏感器与传感器的共性

对被测非电量进行转换。

敏感器与传感器的区别敏感器是把被测量转换为可用非电量传感器是把被测非电量转换为电量（三）光电传感器（也叫光电探测器）1定义：基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器。2应用：自动控制，宇航和广播电视等各领域。3种类：光电二极管、光电晶体管、光敏电阻CdS、光电耦合器、集成光电传感器、光电池和图像传感器等。光电探测器的种类类型实例PN结PN光电二极管（材料采用Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（材料采用Si）雪崩光电二极管(材料采用Si,Ge)光电晶体管(材料采用Si)集成光电传感器和光电晶闸管(材料采用Si)非PN结光电元件(材料采用CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(材料采用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（材料采用SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）(材料采用Si)光电池(材料采用Si)返回（四）光电检测技术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（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即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，再经过A/D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量。返回

所谓光电检测系统,就是以光波作为信息和能量的载体而实现传感、传输、探测等功能的测量系统。

光波作为能量载体可提供：极高功率密度与能量密度的光能(1015w/cm2)极短的光脉冲(0.2fs)极精细的光束等(0.13µm)极高的单色性(10-８nm)

创造出极端的物理条件：极高和极低的温度(20nK)极高的压强(3.3×1011Pa)极精密的刻划(0.1µm)极精细的加工(0.1µm)

1.3光电检测系统的组成及特点一光电检测系统与电子系统相比，光电系统最大的不同在于信息和能量载体的工作波段发生了变化。可以认为，光电系统是工作于电磁波波谱图上——光频段的电子系统。与电子系统相比，光电系统载波的频率提高了几个量级。这种频率量值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、响应速度、精度(角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率)大为提高。它在各个领域(通信、雷达、精导、导航、观瞄、测量)等领域获得广泛应用。特别是军用领域获得了很大成功，呈现出迅速发展的态势,光电记时器测温仪

医疗诊断

电子警察系统美军“宝石路”系列激光制导炸弹中国激光制导炸弹家谱哈勃太空望远镜太阳系多量子阱红外探测器光电倍增管二光电检测系统基本模型光发射机光学信道光接收机→→光电检测系统通常分为主动式和被动式两大类光源主动式光电检测系统基本模型光学信道接受透镜系统光调制器光电探测器检测电路→→→→→光发射机光接收机目标热辐射被动式光电检测系统基本模型光学信道接受透镜系统光电探测器检测电路→→→→光发射机光接收机三、光电检测系统与人操作功能比较被测物体感觉器官人脑手控被测物体光电传感微机执行机构光电传感部分相当于人身的感觉器官四、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五、光电检测技术的特点高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。高速度：光速是最快的。远距离、大量程：光是最便于远距离传播的介质，适用于遥控、遥测和遥感。非接触式检测：光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此无摩擦，可实现动态测量，即在不改变被测物体性质的条件下进行测量。是各种测量方法中效率最高的一种。寿命长：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。数字化和智能化：有很强的信息处理、运算和控制能力。1.4光电检测方法及应用发展趋势

根据检测的原理，光电检测的方有：直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法一光电检测方法1直接作用法定义：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构可直接得到所求被测物理量。特点：该测量方法结构简单，但精度差，容易受光源波动、电源波动等影响较大，适合于测量精度要求不高的场合。返回2差动测量法定义：利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反映被测量的大小。特点：该测量方法可以消除一些测量误差，适合于测量精度要求高的场合。例如用双光路差动测量法测量物体的长度。用双光路差动测量法测量物体的长度。测量值的大小决定于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。返回3补偿测量法定义：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，补偿值的大小反映了被测量变化的大小。补偿测量法是通过调整一个或几个与被测物理量有已知平衡关系（或已知其值）的同类标准物理量，去抵消（或补偿）被测物理量的作用，使系统处于补偿或平衡状态。处于补偿状态的测量系统，被测量与标准量具有确定的关系，由此可测得被测量值，这种方法称为补偿法。又称对消法。一种测量电动势的方法。用一个外加可调的电势与待测电池电动势对抗，当调节至电路上无电流通过时，则两电势恰好对消(或称得到补偿)，此时的外加电势值即为所测电池的电动势。这是一种精确测量电势的常用方法。利用补偿法设计的仪器称电位差计。

（a）

电压表测量电动势

（b）

补偿法测电动势

测量电动势原理图如图（a）所示，用电压表测量电动势时，由于电压表内阻不可能无穷大，当有电流I流过时，它在被测电动势内阻r上的电压降为Ir，则电压表测出的值应为EX-Ir，而不是电动势EX。用补偿法测量电动势如图（b）所示，图中EP是连续可调且能准确知道电压值的电源，称为补偿电源。G为检流计，当流过G的电流为零（或G两端的电压为零）时，G指零（零偏转）。测量时，调节补偿电压EP，当G零偏时，称EP和EX达到补偿状态。此时EX=EP。这种用补偿电压和被测量电压相等（检流计指零）来测量电压（或电动势）的方法，称为补偿法。

用补偿法测量电压（或电动势）的优点是，被测量和测量仪器（这里指补偿电压EP和检流计）之间没有电流。所以用补偿法可以准确测得电动势EX。返回4脉冲测量法定义：在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）反映了被测量的大小。方法：1）脉宽方法测量长度L=vt=vkN2）频率法测速f=nm/60=N/t,n=60N/(mt)特点：抗干扰性能好，精度高；直接与计算机连接，易于实现在线测量和自动化控制。（1）脉宽方法测量长度被测物体L在传送带上以速度v前进，光电传感器将物体的长度L转换成脉冲来开启门电路，计数器将计下与脉宽对应的高频脉冲数N，则L=vt=vkN=KNk是高频脉冲的时间当量，即表示单位高频脉冲所代表的时间；K是长度当量，即表示单位高频脉冲所代表的长度。一般K可通过标定的方式得到，即用基准量进行实测，得到N值，再通过计算得到K值。2）频率法测速在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可以接收到与转速相对应的光脉冲。设m为反射光片数，n为每分钟转速，则f=nm/60=N/t,n=60N/(mt)只要控制在一定的时间t内计数N，就可计算得到轮子的转速。二、光电检测技术发展趋势发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。发展小型、快速的微型光、机、电检测系统。非接触、快速在线测量。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。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测量技术。（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….现代工程装备中，检测环节的成本约占50~70%三、光电检测技术的应用检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的