最新光電檢測技術(shù)應(yīng)用及其前景

1、光電檢測技術(shù)與應(yīng)用論 文論文題目:光電檢測技術(shù)應(yīng)用及其前景院 系 應(yīng)用物理與材料學(xué)院 專 業(yè) 應(yīng)用物理 學(xué) 號 學(xué)生姓名指導(dǎo)教師完成日期摘要 在科學(xué)技術(shù)高速發(fā)展的現(xiàn)代社會中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實現(xiàn)制動控制，自動調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先發(fā)展的科學(xué)技術(shù)之一。 由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的發(fā)展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反應(yīng)快以及結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣等優(yōu)點，在自動檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用，它一種是以光電效應(yīng)為理

2、論基礎(chǔ)，由光電材料構(gòu)成的器件。關(guān)鍵詞 傳感器 微電子 半導(dǎo)體 自動檢測Abstract In the high-speed development of science and technology of modern society, mankind has into rapidly changing information era, people in daily life, the production process, rely mainly on detection techniques of information by acquiring, screening and trans

3、mission, to achieve the brake control, automatic adjustment, at present our country has put detection techniques listed in one of the priority to the development of science and technology. Because of microelectronics technology, photoelectric semiconductor technology, the development of optical fibe

4、r and grating technology, makes the application of the photoelectric sensor is growing. This kind of sensor has the advantages of simple structure, non-contact, high reliability, high precision, measurable parameters, quick reaction and simple structure, the advantages of flexible and varied in form

5、, has been widely applied in the automatic detection technology, it is a kind of based on the theoretical basis of the photoelectric effect, composed of photoelectric material device.Key words The sensor microelectronics semiconductor Automatic detection目錄第1章 緒論11.1引言11.2 光電檢測技術(shù)11.3 發(fā)展趨勢2第2章 光電檢測技術(shù)傳

6、感器32.1 理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)32.2光電元件及特性32.3、光電傳感器62.3.1光電傳感器的基本結(jié)構(gòu)62.3.2光敏三極管62.3.3硅光敏二極管7第3章 應(yīng)用前景9第4章 結(jié)論10參考文獻11圖標目錄圖1:光電檢測系統(tǒng)工作原理圖.1圖2光電光結(jié)構(gòu)示意圖.4圖3光電管測量電路.4圖4光電管的光電特性.4圖5光電倍增結(jié)構(gòu)示意圖.4圖6光敏電阻的伏安特性.5圖7光電傳感器的基本結(jié)構(gòu).6圖8 光敏電阻測量電路.7圖9 光敏晶體管測量電路.7圖10 光電池測量電路.7圖11 使用放大器的光敏元件放大電路.8 可修改 歡迎下載 精品 Word第1章 緒論1.1引言隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動控制系統(tǒng)

7、和信息處理與技術(shù)的提高， 光電檢測技術(shù)作為一門研究光與物質(zhì)相互作用發(fā)展起來的新興學(xué)科，1已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個極為重要的組成部分。光電檢測技術(shù)具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點， 令其發(fā)展十分迅速， 并推動著信息科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合， 廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。本文從光電檢測技術(shù)本身特點出發(fā)， 分析其發(fā)展趨勢及應(yīng)用前景2。1.2 光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子其件作為基礎(chǔ)，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光

8、輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模 / 數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計算機運算處理， 最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。其工作原理如圖1所示：圖1:光電檢測系統(tǒng)工作原理圖其技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光信息測量技術(shù)以及測量信息的光電處理技術(shù)等。光電檢測技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點：1.高精度。光電測量的精度是各種測量技術(shù)中精度最高的一種。如用激光干涉法測量長度的精度可達 0.05m/m；光柵莫爾條紋法測角可達到； 用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可達到1m。 2.高速度。光電測量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速

9、度最快的，無疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3.遠距離、大量程。光是最便于遠距離粗寒痹的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測等。4.非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實現(xiàn)動態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種3。1.3 發(fā)展趨勢從上面對光電檢測技術(shù)特點的分析，并隨著世界各國的激烈競爭正以日新月異的速度突飛猛進及科研技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢主要表現(xiàn)在：高精度方向發(fā)展：檢測精度向高精度方向發(fā)展，納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)是今后的發(fā)展熱點；智能化方向發(fā)展：檢測系統(tǒng)向智能化方向發(fā)展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)；數(shù)字化方

10、向發(fā)展：檢測結(jié)果向數(shù)字化，實現(xiàn)光電測量與光電控制一體化方向發(fā)展；多元化方向發(fā)展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向發(fā)展，并向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)；微型化方向發(fā)展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向發(fā)展；光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光、機、電檢測系統(tǒng)發(fā)展；自動化方向發(fā)展：檢測技術(shù)向自動化，非接觸、快速在線測量方向發(fā)展，檢測狀態(tài)向動態(tài)測量方向發(fā)展；以上這些發(fā)展趨勢是現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要，是國防建設(shè)的需要4。第2章 光電檢測技術(shù)傳感器2.1 理論基礎(chǔ)光電效應(yīng)光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生

11、伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料表面的電子吸收的能量，若電子吸收的能量足夠大是，電子會克服束縛脫離材料表面而進入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)5。根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運動著的粒子流，每種光子的能量為hv(v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h6.63*10-34J·s)，由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會增加，增加的能量一部分用于克服正離子的束縛，另一部分轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量,v為電子逸出的初速度,A微電子所做的功。由上式可知，要使光電子逸出

12、陰極表面的必要條件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個確定的頻率限，當入射光的頻率低于此頻率限時，不論光強多大，都不會產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限”。相應(yīng)的波長為式中c為光速，A為逸出功。2.2光電元件及特性根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。1.光電管 光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結(jié)構(gòu)如圖2所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當入射光照射在陰極上時，單個光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個自由電子，從而使自由電子的能量

13、增加h。當電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時，它就可以克服金屬表面束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬表面后的初始動能為 (1/2)mv2。光電管正常工作時，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限”的前提下，從陰極表面逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時若光強增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大6。在圖3所示的電路中，電流和電阻只上的電壓降就和光強成函數(shù)關(guān)系，從而實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當光線照射到光電陰極K上時，電子從陰極表面逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I，在負載

14、電阻 上的電壓光電管的光電特性如圖4 所示，從圖中可知，在光通量不太大時，光電特性基本是一條直線。圖2光電光結(jié)構(gòu)示意圖 圖4光電管的光電特性圖3光電管測量電路 2.光電倍曾管 由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖5是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖。圖5光電倍增結(jié)構(gòu)示意圖從圖中可以看到光電倍增管也有一個陰極K和一個陽極A，與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了若干個二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐級升高，陽極電位最高。當入射光

15、照射陰極K時，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1 ，引起二次電子發(fā)射，一個入射的光電子可以產(chǎn)生多個二次電子， D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達陽極，形成較大的陽極電流。若倍增電極有n級，各級的倍增率為 ，則光電倍增管的倍增率可以認為是N ，因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個特點，使它多用于微光測量7。 3、光敏電阻 光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端

16、裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1）暗電阻 光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻 光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性 光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖6所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超過虛線所示的功耗區(qū)。圖6光敏電阻的伏安特性5、光電特性 光敏電阻兩極間電壓固定不變時，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻

17、的主要缺點之一。2.3、光電傳感器2.3.1光電傳感器的基本結(jié)構(gòu)光電傳感器是通過把光強度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的，它的基本結(jié)構(gòu)如圖7，它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化,然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源,光學(xué)通路和光電元件三部分組成.光電檢測方法具有精度高,反應(yīng)快,非接觸等優(yōu)點,而且可測參數(shù)多,傳感器的結(jié)構(gòu)簡單,形式靈活多樣,因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛. 圖7光電傳感器的基本結(jié)構(gòu)光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來達到測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個恒光源，電源穩(wěn)定

18、性的設(shè)計至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管 是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機械強度高等優(yōu)點，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計算機、儀器儀表和自動控制設(shè)備中。2、絲燈泡 這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時可加濾色片將鎢絲燈泡的可見光濾除，而僅用它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。2.3.2光敏三極管光敏三極管在低照度入射光下工作時，或者希望得到較大的輸出功率時，也可以配以放大電路，如圖8所示。由于光敏電池即使在強光照射下，最大輸出電壓

19、也僅0.6V，還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9（a）所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個電阻?；蛘呦髨D9（b）所示的那樣利用鍺二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V，而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10（c）所示。 2.3.3硅光敏二極管半導(dǎo)體光電元件的光電轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運算放大器。硅光敏二極管通過集成運放可得到較大輸出幅度，如圖11（a）所示。當光照產(chǎn)生的光電流為時，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個負電

20、壓。圖11（b）給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的 特點，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓 U0=2IRF。由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的,按光電元件(光學(xué)測控系統(tǒng))輸出量性質(zhì)可分二類,即模擬式光電傳感器和脈沖(開關(guān))式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流,它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量(檢測目標物體)方法可分為透射(吸收)式,漫反射式,遮光式(光束阻檔)三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中,恒光源發(fā)出的光

21、能量穿過被測物,部份被吸收后,透射光投射到光電元件上，如測液體8、氣體透明度和混濁度的光電比色計等;所謂漫反射式是指恒光源發(fā)出的光投射到被測物上,再從被測物體表面反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計和光照度計等;所謂遮光式是指當光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份,使投射剄光電元件上的光通量改變,改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。第3章 應(yīng)用前景光電檢測技術(shù)的產(chǎn)生使人類

22、能更有效地擴展自身的視覺能力，使視覺的長波延伸到亞毫米波、短波延伸到紫外線、x射線， 并可以在超快速度條件下檢測諸如核反應(yīng)、航空器發(fā)射等變化過程。光電檢測技術(shù)以其所具有高精度、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動化程度高等突出特點，將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等許多科學(xué)領(lǐng)域9。在工業(yè)領(lǐng)域方面主要表現(xiàn)在在線檢測如零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝配定位；汽車傳感器中如汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容，以及溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等。家庭應(yīng)用方面主要表現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ畹挠闷分?，如?shù)碼相機、數(shù)

23、碼攝像機的自動對焦紅外測距傳感器；自動感應(yīng)燈的亮度檢測光敏電阻；空調(diào)、冰箱、電飯煲的溫度檢測熱敏電阻、熱電偶；電話、麥克風的話音轉(zhuǎn)換駐極電容傳感器等。醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用方面主要表現(xiàn)在：數(shù)字體溫計中接觸式熱敏電阻，非接觸式有紅外傳感器；電子血壓計的血壓檢測的壓力傳感器；血糖測試儀、膽固醇檢測儀的離子傳感器等10。在國防和軍事應(yīng)用方面方面表現(xiàn)在夜視瞄準機系統(tǒng)的非冷卻紅外傳感器技術(shù)、地基攔截器、早期預(yù)警系統(tǒng)、前沿部署（如雷達）、管理與控制系統(tǒng)、衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)的方面。光電檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要用于檢測參數(shù)加速度、溫度、壓力、振動、流量、應(yīng)變、聲學(xué)等傳感器方面。從上面所述的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，隨著光電

24、檢測技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)代化進程的不斷推進，光電檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等許多科學(xué)領(lǐng)域，其應(yīng)用前景是相當樂觀。第4章 結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應(yīng)用新材料、新技術(shù)制造性能更優(yōu)越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設(shè)備,發(fā)射器帶一個校準鏡頭,將光聚焦射向接收器,接收器出電纜將這套裝置接到一個真空管放大器上在金屬圓筒內(nèi)有一個小的白熾燈作為光源的一種堅固的白熾燈傳感器。由于這種傳感器存在各種缺陷，逐漸在測量領(lǐng)域銷聲匿跡。到了

25、光纖出現(xiàn)，因為它的各種優(yōu)越的性能，于是出現(xiàn)了光纖與傳感器配套使用的無源元件,另外光纖不受任何電磁信號的干擾,并且能使傳感器的電子元件與其他電的干擾相隔離。時代在發(fā)展，科學(xué)技術(shù)在更新，光電傳感器種類也日益增多，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣泛，例如近來一種紅外光電傳感器已在智能車方面得了到應(yīng)用，其中一種基于紅外傳感器的智能車的核心就是反射式紅外傳感器，它運用反射式紅外傳感器設(shè)計路徑檢測模塊和速度監(jiān)測模塊；另外一種基于紅外傳感器的自尋跡小車則利用紅外傳感器來采集數(shù)據(jù)光電傳感器具有其他傳感器所不能取代優(yōu)越性，因此它發(fā)展前景非常好，應(yīng)用也會越來越廣泛隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)將朝著檢測結(jié)果高精度、系統(tǒng)智能化、檢測結(jié)果數(shù)字化、檢測功能多元化、檢測器件微型化、檢測系統(tǒng)自動化的放向發(fā)展，它將廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等許多科學(xué)領(lǐng)域，其應(yīng)用前景是相當樂觀11。參考文獻1 林德杰 林均淳 許錦標 曾憲云 .電器檢測技術(shù).機械工業(yè)出版社年2 徐潔檢