光電檢測技術與應用第一章緒論

光電檢測技術課程簡介本課程是“測控技術及儀器”專業(yè)本科必修專業(yè)課。通過學習本課程，掌握實現(xiàn)光電檢測的基本原理和基本方法，以達到使學生能夠運用光電檢測技術解決實際問題的目的。通過課堂教學使學生掌握光電檢測器件、熱電檢測器件、發(fā)光與耦合器件、光電成像器件的工作原理、主要特性及應用技術；光電信號檢測電路的設計；光電直接檢測系統(tǒng)；光外差檢測系統(tǒng)；光纖傳感器檢測技術；光電信號的數據采集與微型計算機接口；光電變換方法以及光電檢測技術、應用技術。用理論與實踐相結合的教學方法加深理論知識、開拓思維，為今后科研、生產解決光電檢測技術問題打下基礎。學習本課程的目的了解光電檢測系統(tǒng)的基本組成，光電檢測技術的特點和發(fā)展趨勢。掌握光電檢測器件（傳感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它們的應用范圍。能夠根據特性參數，選擇合適的光電檢測器件。熟悉常用器件的性能指標。掌握直接檢測與外差檢測的原理和區(qū)別。了解光纖傳感檢測技術的原理和應用，掌握光纖的光波調制技術。掌握了解常用光電檢測技術的測量、數據采集、處理和轉換的方法，了解所需的元器件、儀器和相關的接口技術。答疑地點及時間每周答疑一次，時間：周三下午2：30~3:30，地點：南實訓樓404測控教研室電話時學生有問題可以發(fā)電子郵件:942938676@或QQ:942938676留言，教師將會收集典型的、集中的問題在課堂上講解。教材《光電檢測技術與應用》郭培源付揚編著北京航空航天大學出版社參考書目《光電檢測技術》曾光宇等編著清華大學出版社《光電傳感與檢測技術》江曉軍等編著機械工業(yè)出版社《光電檢測技術及應用》周秀云等編著電子工業(yè)出版社平時成績：30%閉卷考試：70%44個學時1~11周2.5學分第一章緒論（1）信息技術是一種綜合技術，它包括感測技術、通信技術、人工智能與計算機技術、控制技術、微電子信息技術和光電信息技術等幾個方面，一切與信息的收集、加工、存儲、傳輸有關的各種技術可稱為信息技術。（2）感測技術：包括傳感技術和測量技術以及遙感、遙測技術；它使人類能更好地從外部世界獲取各種有用的信息。（3）通信技術：它的作用是傳遞、交換和分配信息，可以消除或克服空間上的限制，使人們能更有效地利用信息資源。1.1信息技術與光電檢測技術一、信息技術:1.基本概念（4）人工智能與計算機技術：它使人們能更好地加工和再生信息。（5）控制技術：它的作用是根據輸入的指令，對外部事務的運動狀態(tài)實施干預。（6）微電子信息技術是在傳統(tǒng)的電子技術的基礎上發(fā)展起來的一種滲透性最強、影響面最廣的電子技術，它通過控制固體內電子的微觀運動來實現(xiàn)對信息的加工，并在固體的微區(qū)（小到幾個晶格的數量級）內進行，可以把一個電子功能部件，甚至一個系統(tǒng)集成在一個很小的芯片上。微電子信息技術是信息技術的核心。（7）光子信息技術也是一種滲透性極強的綜合技術，是以光集成技術為核心的有關光學元、器件制造的應用技術。二光電技術光電技術是由光學、激光、電子學和信息技術相互滲透而形成的綜合性、交叉性學科技術，光電技術包括光的產生、傳輸、調制、放大、頻率轉換和檢測以及光信息處理等。光電子技術通常按光子的功用分兩個層次：光子作為信息的載體，應用于信息的獲取、傳輸、存儲、顯示、處理及運算，稱為信息光電子技術；光子作為能量的載體，作為高能量和高功率的束流（主要是激光束），應用于材料加工、醫(yī)學治療、太陽能轉換、核聚變等，稱為能量光電子技術。二光電技術20世紀60年代初出現(xiàn)的激光和激光技術，以其強大的生命力推動了光電子技術及其相關產業(yè)的發(fā)展。光電子技術所涵蓋的激光技術、光導波技術、光檢測技術、光計算和信息處理技術、光存儲技術、光顯示技術、激光加工與激光生物技術等已經在經濟中發(fā)展形成了光電子信息產業(yè)，它將繼微電子技術之后，再次推動科學技術的革命與人類社會的進步。二十世紀末，信息載體正在由電磁波段擴展到光波段，從而使光電科學與光機電一體化技術集中在光信息獲取、傳輸、處理、記錄、存儲、顯示和傳感等的光電信息產業(yè)上。我國的光電子行業(yè)與發(fā)達國家?guī)缀跬瑫r起步，在激光、光纖（光纜）、光器件方面的技術和產業(yè)水平已經達到或接近國際先進水平。光電子行業(yè)已經形成了五大類產業(yè)格局：光電子材料與元件產業(yè)、光信息產業(yè)、現(xiàn)代光學產業(yè)、光通信產業(yè)、激光器與激光應用產業(yè)。光電子技術的應用涉及科技、經濟、軍事和社會發(fā)展的各個領域。二、光電子產業(yè)光電科學與光機電一體化技術之樹光通信向超大容量、高速率和全光網方向發(fā)展，超大容量DWDM的全光網絡以及光纖通信到區(qū)域和用戶將成為主要的發(fā)展趨勢。當前，光纖通信技術的發(fā)展要實現(xiàn)光電集成化，提高響應速度和靈敏度，發(fā)展寬波段光纖放大器和半導體光放大器(SOA)。光顯示將向全高清晰度（FullHD）、大屏幕、超薄型、低成本、低功耗、高畫質方向發(fā)展。三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢光存儲將開發(fā)出新一代高密度、高速光存儲技術和系統(tǒng)。為提高存儲密度，激光波長向短波方向發(fā)展，第三代高密度數字多功能光盤即HD-DVD光盤（藍碟）存儲即將興起，使用GaN半導體激光器，波長為410nm（藍光），存儲容量達到27GB。多層存儲方案和三維全息存儲技術是未來技術發(fā)展方向。光輸出、輸入產品向多功能、高速化、低成本方向發(fā)展三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢光器件的發(fā)展趨向小型化、高可靠性、多功能、模塊化和集成化。激光技術正向全固化、超短波長、微加工和高可靠性等方向發(fā)展，微/小/中型器全固態(tài)激光器沿著多樣化、智能化、產業(yè)化方向發(fā)展，大功率器件將向高平均功率/高光束質量發(fā)展，大功率半導體激光器及其陣列將成為新型高能激光源，而作為戰(zhàn)略性應用的高能全固態(tài)激光器將得到軍方高度重視。光子計算與光信息處理產業(yè)、全光電子通信產業(yè)、光子集成器件產業(yè)、聚合物光纖光纜產業(yè)、聚合物光電器件產業(yè)和光子傳感器產業(yè)等，將成為未來光電子產業(yè)發(fā)展的重要組成。三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢光電子產業(yè)在上世紀末達到一個高潮，在美國9.11事件后的2000-2002年間，國際光電子技術市場產生大滑坡。從2003年開始，國際光電子產業(yè)市場重新步入上升軌道。2000年，全世界光電子產業(yè)總產值為1800億美元，到2010年，產值估計將達到4500億美元，以光電子信息技術為主導的信息產業(yè)將形成5萬億美元的產業(yè)規(guī)模。2010年至2015年，光電子產業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產業(yè)，成為21世紀最大的產業(yè)，成為衡量一個國家經濟發(fā)展和綜合國力的重要標志。三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢光電子產業(yè)在上世紀末達到一個高潮，在美國9.11事件后的2000-2002年間，國際光電子技術市場產生大滑坡。從2003年開始，國際光電子產業(yè)市場重新步入上升軌道。2000年，全世界光電子產業(yè)總產值為1800億美元，到2010年，產值估計將達到4500億美元，以光電子信息技術為主導的信息產業(yè)將形成5萬億美元的產業(yè)規(guī)模。2010年至2015年，光電子產業(yè)可能會取代傳統(tǒng)電子產業(yè)，成為21世紀最大的產業(yè)，成為衡量一個國家經濟發(fā)展和綜合國力的重要標志。三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢近十年來，國內光電子產業(yè)處在迅猛發(fā)展狀態(tài)。2006年，全國光電子產值超過了1100億元人民幣，每年以20%左右的速度增長。目前，我國光電子產業(yè)約占全球市場的5%，估計到2010年，我國將有450多億美元的產值，占世界市場10%左右的份額。三、光電子產業(yè)發(fā)展趨勢1定義：3被測信息：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)4全部操作：檢測過程用指定的方法檢驗測試某種物體（氣體、液體、固體）指定的技術性能指標的全部操作一檢測的基本概念信號采集、信號處理、信號顯示、信號輸出物理量（光、電、力、熱、磁、聲、…）2被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植物、天體……）檢測器具化學量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖、…）……1.2光電檢測與光電傳感器概念5光電檢測技術：是利用光電傳感器實現(xiàn)各類檢測。它將被測量轉換成光通量,再轉換成電量，并綜合利用信息傳送和處理技術，完成在線和自動測量。例：空調機測量控制室溫空氣被測對象：被測信息：檢測器具：操作過程：室內空氣溫度溫度傳感器---熱電阻、熱電偶熱敏電阻電信號處理顯示空調機返回二測量的基本概念1定義：將被測的未知量與同性質的標準量進行比較，確定被測量對標準量的倍數，并通過數字表示出這個倍數的過程。2方式：直接測量和間接測量3直接測量：對儀表讀數不經任何運算，直接得出被測量的數值。例如：長度：直尺、游標卡尺、千分尺電壓：萬用表質量：天平4間接測量：測量幾個與被測量相關的物理量，通過函數關系式計算出被測量。例如：電功率：P=I*V（電流*電壓）重力加速度：單擺測量（L：擺的線長，T：擺動的周期）

返回三、光電傳感器與敏感器的概念1傳感器:能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉換元件組成。2作用：將非電量轉換為與之有確定對應關系的電量輸出。3本質：非電量系統(tǒng)與電量系統(tǒng)之間的接口。4類型：（1）能量控制型傳感器，也稱有源傳感器（2）能量轉換型傳感器，也稱無源傳感器（一）傳感器能量控制型傳感器：是指傳感器將被測量的變化轉換成電參數（如電阻、電容）的變化，傳感器需外加激勵電源，才能將被測量參數的變化轉換成電壓，電流的變化。能量轉換型傳感器：可直接將被測量的變化轉換成電壓、電流的變化，不需要外加激勵電源。在很多情況下，所要測量的非電量并不是傳感器所能轉換的那種非電量，這就需要在傳感器前面增加一個能夠把被測非電量轉換為該傳感器能夠接收和轉換的非電量的裝置或器件。這種能夠將被測非電量轉換為可用非電量的器件或裝置就是敏感器。（二）敏感器1定義：將被測非電量轉換為可用非電量的器件。敏感器與傳感器的共性

對被測非電量進行轉換。

敏感器與傳感器的區(qū)別敏感器是把被測量轉換為可用非電量傳感器是把被測非電量轉換為電量（三）光電傳感器（也叫光電探測器）1定義：基于光電效應，將光信號轉換為電信號的一種傳感器。2應用：自動控制，宇航和廣播電視等各領域。3種類：光電二極管、光電晶體管、光敏電阻CdS、光電耦合器、集成光電傳感器、光電池和圖像傳感器等。光電探測器的種類類型實例PN結PN光電二極管（材料采用Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（材料采用Si）雪崩光電二極管(材料采用Si,Ge)光電晶體管(材料采用Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(材料采用Si)非PN結光電元件(材料采用CdS,CdSe,Se,PbS)熱電元件(材料采用PZT,LiTaO3,PbTiO3)電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（材料采用SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）(材料采用Si)光電池(材料采用Si)返回（四）光電檢測技術光電檢測技術以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎，通過對載有被檢測物體信號的光輻射（發(fā)射、反射、散射、衍射、折射、透射等）進行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經過A/D變換接口輸入微型計算機運算、處理，最后顯示或打印輸出所需檢測物體的幾何量或物理量。返回

所謂光電檢測系統(tǒng),就是以光波作為信息和能量的載體而實現(xiàn)傳感、傳輸、探測等功能的測量系統(tǒng)。

光波作為能量載體可提供：極高功率密度與能量密度的光能(1015w/cm2)極短的光脈沖(0.2fs)極精細的光束等(0.13μm)極高的單色性(10-８nm)

創(chuàng)造出極端的物理條件：極高和極低的溫度(20nK)極高的壓強(3.3×1011Pa)極精密的刻劃(0.1μm)極精細的加工(0.1μm)

1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點一光電檢測系統(tǒng)與電子系統(tǒng)相比，光電系統(tǒng)最大的不同在于信息和能量載體的工作波段發(fā)生了變化?？梢哉J為，光電系統(tǒng)是工作于電磁波波譜圖上——光頻段的電子系統(tǒng)。與電子系統(tǒng)相比，光電系統(tǒng)載波的頻率提高了幾個量級。這種頻率量值上的變化使光電系統(tǒng)在實現(xiàn)方法上發(fā)生了質變，在功能上也發(fā)生了質的飛躍。主要表現(xiàn)在載波容量、響應速度、精度(角分辨率、距離分辨率和光譜分辨率)大為提高。它在各個領域(通信、雷達、精導、導航、觀瞄、測量)等領域獲得廣泛應用。特別是軍用領域獲得了很大成功，呈現(xiàn)出迅速發(fā)展的態(tài)勢,光電記時器測溫儀

醫(yī)療診斷

電子警察系統(tǒng)美軍“寶石路”系列激光制導炸彈中國激光制導炸彈家譜哈勃太空望遠鏡太陽系多量子阱紅外探測器光電倍增管二光電檢測系統(tǒng)基本模型光發(fā)射機光學信道光接收機→→光電檢測系統(tǒng)通常分為主動式和被動式兩大類光源主動式光電檢測系統(tǒng)基本模型光學信道接受透鏡系統(tǒng)光調制器光電探測器檢測電路→→→→→光發(fā)射機光接收機目標熱輻射被動式光電檢測系統(tǒng)基本模型光學信道接受透鏡系統(tǒng)光電探測器檢測電路→→→→光發(fā)射機光接收機三、光電檢測系統(tǒng)與人操作功能比較被測物體感覺器官人腦手控被測物體光電傳感微機執(zhí)行機構光電傳感部分相當于人身的感覺器官四、光電檢測系統(tǒng)的功能分類測量檢查型:幾何量:長度、角度、形狀、位置、形變、面積、體積、距離。運動量：速度、加速度、振動表面形狀：光潔度、庇病、傷痕工作過程：濕度、流量、壓力、物位、PH值、濃度等機械量：重量、壓力、應變、壓強電學量：電流、電壓、電場、磁場光學量：吸收、反射、透射、光度、色度、波長、光譜控制跟蹤型跟蹤控制：激光制導，紅外制導數值控制：自動定位，圖形加工形成，數值控制圖象分析型圖形檢測圖形分析五、光電檢測技術的特點高精度：從地球到月球激光測距的精度達到1米。高速度：光速是最快的。遠距離、大量程：光是最便于遠距離傳播的介質，適用于遙控、遙測和遙感。非接觸式檢測：光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此無摩擦，可實現(xiàn)動態(tài)測量，即在不改變被測物體性質的條件下進行測量。是各種測量方法中效率最高的一種。壽命長：光電檢測中通常無機械運動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準確度高，對被測物無形狀和大小要求。數字化和智能化：有很強的信息處理、運算和控制能力。1.4光電檢測方法及應用發(fā)展趨勢

根據檢測的原理，光電檢測的方有：直接作用法差動測量法補償測量法脈沖測量法一光電檢測方法1直接作用法定義：受被測物理量控制的光通量，經光電接收器轉換成電量后由檢測機構可直接得到所求被測物理量。特點：該測量方法結構簡單，但精度差，容易受光源波動、電源波動等影響較大，適合于測量精度要求不高的場合。返回2差動測量法定義：利用被測量與某一標準量相比較，所得差或數值比可反映被測量的大小。特點：該測量方法可以消除一些測量誤差，適合于測量精度要求高的場合。例如用雙光路差動測量法測量物體的長度。用雙光路差動測量法測量物體的長度。測量值的大小決定于U的幅值，測量值的正負決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。返回3補償測量法定義：用光或電的方法補償由被測量變化而引起的光通量變化，補償器的可動元件連接讀數裝置指示出補償量值，補償值的大小反映了被測量變化的大小。補償測量法是通過調整一個或幾個與被測物理量有已知平衡關系（或已知其值）的同類標準物理量，去抵消（或補償）被測物理量的作用，使系統(tǒng)處于補償或平衡狀態(tài)。處于補償狀態(tài)的測量系統(tǒng)，被測量與標準量具有確定的關系，由此可測得被測量值，這種方法稱為補償法。又稱對消法。一種測量電動勢的方法。用一個外加可調的電勢與待測電池電動勢對抗，當調節(jié)至電路上無電流通過時，則兩電勢恰好對消(或稱得到補償)，此時的外加電勢值即為所測電池的電動勢。這是一種精確測量電勢的常用方法。利用補償法設計的儀器稱電位差計。

（a）

電壓表測量電動勢

（b）

補償法測電動勢

測量電動勢原理圖如圖（a）所示，用電壓表測量電動勢時，由于電壓表內阻不可能無窮大，當有電流I流過時，它在被測電動勢內阻r上的電壓降為Ir，則電壓表測出的值應為EX-Ir，而不是電動勢EX。用補償法測量電動勢如圖（b）所示，圖中EP是連續(xù)可調且能準確知道電壓值的電源，稱為補償電源。G為檢流計，當流過G的電流為零（或G兩端的電壓為零）時，G指零（零偏轉）。測量時，調節(jié)補償電壓EP，當G零偏時，稱EP和EX達到補償狀態(tài)。此時EX=EP。這種用補償電壓和被測量電壓相等（檢流計指零）來測量電壓（或電動勢）的方法，稱為補償法。

用補償法測量電壓（或電動勢）的優(yōu)點是，被測量和測量儀器（這里指補償電壓EP和檢流計）之間沒有電流。所以用補償法可以準確測得電動勢EX。返回4脈沖測量法定義：在測量中將被測量的光通量轉換成電脈沖，其參數（脈寬、相位、頻率、脈沖數量等）反映了被測量的大小。方法：1）脈寬方法測量長度L=vt=vkN2）頻率法測速f=nm/60=N/t,n=60N/(mt)特點：抗干擾性能好，精度高；直接與計算機連接，易于實現(xiàn)在線測量和自動化控制。（1）脈寬方法測量長度被測物體L在傳送帶上以速度v前進，光電傳感器將物體的長度L轉換成脈沖來開啟門電路，計數器將計下與脈寬對應的高頻脈沖數N，則L=vt=vkN=KNk是高頻脈沖的時間當量，即表示單位高頻脈沖所代表的時間；K是長度當量，即表示單位高頻脈沖所代表的長度。一般K可通過標定的方式得到，即用基準量進行實測，得到N值，再通過計算得到K值。2）頻率法測速在轉動輪上均勻貼有反射片，光電傳感器可以接收到與轉速相對應的光脈沖。設m為反射光片數，n為每分鐘轉速，則f=nm/60=N/t,n=60N/(mt)只要控制在一定的時間t內計數N，就可計算得到輪子的轉速。二、光電檢測技術發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術。發(fā)展小型、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量。向微空間三維測量技術和大空間三維測量技術發(fā)展。發(fā)展閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。發(fā)展光電跟蹤與光電掃描測量技術。（一）在工業(yè)生產領域的應用在線檢測：零件尺寸、產品缺陷、裝配定位….現(xiàn)代工程裝備中，檢測環(huán)節(jié)的成本約占50~70%三、光電檢測技術的應用檢測技術在汽車中的應用日新月異發(fā)動機：向發(fā)動機的電子控制單元（ECU）提供發(fā)動機的