光電傳感與檢測技術(shù)-緒論課件

1、光電傳感與檢測技術(shù)參考書目光電檢測技術(shù)曾光宇等編著 清華大學(xué)出版社光電傳感與檢測技術(shù)江曉軍等編著 機(jī)械工業(yè)出版社 光電檢測技術(shù)及應(yīng)用周秀云等編著 電子工業(yè)出版社教材光電檢測技術(shù)與應(yīng)用郭培源 付揚(yáng) 編著 北京航空航天大學(xué)出版社教材光電檢測技術(shù)與應(yīng)用郭培源 付揚(yáng) 編著 北京航空航天大學(xué)出版社參考書目光電檢測技術(shù)曾光宇等編著 清華大學(xué)出版社光電傳感與檢測技術(shù)江曉軍等編著 機(jī)械工業(yè)出版社 光電檢測技術(shù)及應(yīng)用周秀云等編著 電子工業(yè)出版社1.1 課程內(nèi)涵1.2 課程特點(diǎn)1.3 課程組成 光電傳感技術(shù) 光電檢測技術(shù) 1.3.1 什么是傳感器？ 1.3.2 光電傳感器的組成和分類 1.3.3 光電傳感器的特性

2、 1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位1.4光電檢測技術(shù)概述1.5光電檢測系統(tǒng)組成1.6光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式1.8 光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)1.9 光電檢測方法1.10 光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論 光電傳感與檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù),它主要利用光電傳感器將光學(xué)信號變換成電學(xué)信號,并采用電路放大和濾波處理等電子技術(shù)對變換后的電信號進(jìn)行檢測，然后用電子學(xué)、信息論、計(jì)算機(jī)等方法進(jìn)行分析并進(jìn)一步傳遞、儲存、控制和顯示。 光電傳感與檢測技術(shù)具有非接觸、精度高、速度快、自動化等特點(diǎn)，是光、機(jī)、電、計(jì)算機(jī)技術(shù)的綜合應(yīng)

3、用。它將光電傳感器與單片機(jī)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)及虛擬儀器技術(shù)相結(jié)合，使檢測技術(shù)更加方便。1.1 課程內(nèi)涵1.2 課程特點(diǎn)光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論在我們?nèi)粘Ｉ钪校褂弥鞣N各樣的傳感器， 電冰箱、電飯煲中的溫度傳感器; 空調(diào)中的溫度和濕度傳感器; 煤氣灶中的煤氣泄漏傳感器; 水表、電表、電視機(jī)和影碟機(jī)中的紅外遙控器; 照相機(jī)中的光傳感器; 汽車中燃料計(jì)和速度計(jì)等等，不勝枚舉。 傳感器給我們的生活帶來了多少便利和幫助呢？1.3.1 什么是傳感器？光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.1什么是傳感器?第1章 緒 論 Ferrari330光電傳感與檢測技術(shù)車胎壓力監(jiān)測光電傳感與檢測技術(shù)第1章

4、緒 論第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.3.1什么是傳感器眼（視覺） 耳（聽覺） 鼻（嗅覺） 皮膚（觸覺） 舌（味覺）感知外界信息 大腦 肌體 人體系統(tǒng)和機(jī)器系統(tǒng)比較 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論從廣義的角度來說，感知信號檢出器件和信號處理部分總稱為傳感器。1.3.1什么是傳感器光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論對于各種各樣的被測量，有各種各樣的傳感器。下面請看幾個(gè)傳感器應(yīng)用實(shí)例:1.3.1什么是傳感器光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.2 光電傳感器的組成和分類光電傳感器的組成: 光源 光電元件 光學(xué)通路光束沿著光學(xué)通路

5、經(jīng)被測物體后攜帶被測量的信息發(fā)出一定強(qiáng)度的光接受被測量的光束光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論光電傳感器的分類:(1)按照探測機(jī)理分類:光子傳感器內(nèi)光電傳感器:光敏電阻、光生伏特器件、光電池、光敏二極管、光敏晶體管外光電傳感器:光電管、光電倍增管、像增強(qiáng)器熱傳感器熱釋電傳感器、熱電堆光傳感器、輻射熱計(jì)傳感器光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論(2)按照光電傳感器輸出信號的性質(zhì)分類:光纖傳感器、光柵傳感器、光電式傳感器、模擬光學(xué)傳感器、固態(tài)圖象傳感器 傳感器一般要變換各種信息量為電量，對不同的輸入信號，輸出特性是不同的，由于受傳感器內(nèi)部儲能元件（電感、電容、質(zhì)量塊、彈簧等）的影響， 對快變信號與慢變信

6、號，反應(yīng)大不相同。 慢變信號 輸入X為靜態(tài)或變化極緩慢的信號時(shí)研 究靜態(tài)特性，即不隨時(shí)間變化的特性?？熳冃盘?輸入量X隨時(shí)間t變化較快時(shí)考慮輸 出的動態(tài)特性,即隨時(shí)間變化的特性； 傳感器系統(tǒng)輸入 XY 輸出第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.3.3 光電傳感器的特性(一) 傳感器靜態(tài)特性 當(dāng)輸入量（X）為靜態(tài)（常量）或變化緩慢的 信號時(shí)（如環(huán)境溫度、壓力），討論傳感器的 靜態(tài)特性，輸入輸出關(guān)系稱靜態(tài)特性。 靜態(tài)特性包括： 線性度、遲滯、重復(fù)性、靈敏度、漂移數(shù)學(xué)式表示為: 第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性 傳感器的非線性誤差（線性度） 用相對誤差表示： 最大非線性絕對誤差

7、滿量程輸出 線性度 YXYiXiLmaxY=kx+b線性度是表征實(shí)際特性與擬合直線 不吻合的參數(shù) 第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)各種直線擬合方法第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性（2）遲滯 傳感器在正、反 行程期間輸入、 輸出曲線不重合 的現(xiàn)象稱遲滯。 例：一電子秤 增加砝碼 10g 50g 100g 200g 電橋輸出 0.5mv 2mv 4mv 10mv 減砝碼輸出 1mv 3mv 6mv 10mv 第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性 遲滯誤差計(jì)算由滿量程輸出的百分?jǐn)?shù)表示： 為正、反 行程輸出值間的最大差值 產(chǎn)生遲滯誤差的原因： 由于敏感元件材料的

8、物理性質(zhì)缺陷造成的。 如彈性元件的滯后、外加磁場、電場作用的鐵磁體、鐵電體。 遲滯誤差的存在使輸入輸出不能一一對應(yīng)。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性（3）重復(fù)性 傳感器輸入量按同一方向作多次 測量時(shí)輸出特性不一致的程度。 屬于隨機(jī)誤差可用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示： 或用正反行程中最大重復(fù)偏差 表示：max 最大標(biāo)準(zhǔn)差； 第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性（4）靈敏度在穩(wěn)定條件下輸出微小增量與輸入微小增量的比值 對線性傳感器靈敏度是直線的斜率：S = Y/X 對非線性傳感器靈敏度為一變量： S = dy/dx 靈敏度單位，mv/mm mv/第1章 緒 論光電傳感與檢

9、測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性（5）漂移 定義:在輸入量保持不變的情況下,輸出量隨時(shí)間的變化產(chǎn)生原因: 一是傳感器自身結(jié)構(gòu)參數(shù); 二是周圍環(huán)境(如溫度,濕度等) 溫度漂移通常用傳感器工作環(huán)境溫度偏離標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境溫度(一般為20C)時(shí)的輸出值的變化量與溫度變化量之比來表示。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性（6）分辨率和閾值 分辨率 傳感器能夠檢測到的最小輸入增量； 閾值 輸入小到某種程度輸出不再變化的值； 門檻靈敏度 指輸入零點(diǎn)附近的分辨能力。 當(dāng)輸入的變化量被傳感器內(nèi)部噪聲吸收時(shí)將反映不到輸出！第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(一) 傳感器靜態(tài)特性 當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí),討論傳

10、感器的動態(tài)特性。 如 :加速度、振動等，這時(shí)被測量是時(shí)間的函數(shù)， 或是頻率的函數(shù)。 用時(shí)域法表示： 用頻域法表示： 動態(tài)特性是傳感器輸出對（隨時(shí)間變化的）輸入量的響應(yīng)特性，輸入與輸出之間存在的差異就是動態(tài)誤差！ (二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)例：動態(tài)測溫 設(shè)環(huán)境溫度為T0 ,水槽中水的溫度為T,而且 TT0 用熱電偶測溫,傳感器突然插入被測介質(zhì)中； 理想情況測試曲線T是階躍變化的； 實(shí)際熱電偶輸出值是緩慢變化，存在一個(gè)過渡過程水溫T熱電偶環(huán)境溫度To TTo(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù) 影響動態(tài)特性的因素還與輸入信號的形式有關(guān), 在對傳感器進(jìn)行

11、動態(tài)分析時(shí)一般采用標(biāo)準(zhǔn)正弦信號和階躍信號。 輸入信號按正弦變化時(shí)，分析輸出信號的振幅、相位、頻率，稱頻率響應(yīng)； 輸入信號為階躍變化時(shí)，對傳感器輸出信號隨時(shí)間變化過程進(jìn)行分析，稱階躍響應(yīng)（瞬態(tài)響應(yīng)）；(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)（1） 傳遞函數(shù) 傳感器系統(tǒng)輸入激勵 X（t)輸出響應(yīng) Y（t)假設(shè)傳感器輸入、輸出在線性范圍變化，當(dāng)輸入量隨時(shí)間變化時(shí)，它們的關(guān)系可用高階常系數(shù)線性微分方程表示：式中： Y輸出；X輸入；ai 、bi 為常數(shù)(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)微分方程兩邊取拉氏變換，將實(shí)函數(shù)變換到復(fù)變函數(shù) 時(shí)拉氏變換定義為：(二) 傳感器動態(tài)特

12、性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)傳感器的傳遞函數(shù)： 傳感器傳遞函數(shù)的在數(shù)學(xué)上的定義是：初始條件為零(t0，y=0)時(shí)，輸出的拉氏變換與輸入的拉氏變換之比,可由輸入和傳遞函數(shù)求出輸出拉氏變換，再求逆變換得出y(t)將頻域變換為時(shí)域 。 H（S）輸入激勵 X（S)輸出響應(yīng) Y（S)(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)大多數(shù)傳感器的情況一般有 傳遞函數(shù)可化簡為：分母多項(xiàng)式中的方程式有n個(gè)根，總可以分解為一次和二次的實(shí)系數(shù)因子(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)零階系統(tǒng)是個(gè)特例，無時(shí)間滯后，n=0時(shí)一階系統(tǒng),n = 1二階系統(tǒng),n = 2 用分母的階次代表傳感器的

13、特征，數(shù)學(xué)模型是n階就稱n階傳感器。一個(gè)高階系統(tǒng)可以看成若干個(gè)零階、一階、二階系統(tǒng)串聯(lián)。傳感器種類很多，一般可簡化為一階或二階系統(tǒng)，高階傳感器較少，也可分解成若干低階環(huán)節(jié)。(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)（2）一階系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)（慣性系統(tǒng)） 一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)靜態(tài)靈敏度 時(shí)間常數(shù)設(shè)k=1傳遞函數(shù)可簡化為： (二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)（a) 一階傳感器的階躍響應(yīng)（瞬態(tài)響應(yīng)）單位階躍信號拉氏變換為： 一階系統(tǒng) 由拉氏反變換得到單位階躍的響應(yīng)信號為： 一階系統(tǒng)輸出拉氏變換為： (二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù) 一階傳感器的階躍響應(yīng)

14、(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)討論： 瞬態(tài)響應(yīng)是指數(shù)函數(shù)，輸出曲線成指數(shù)變化逐漸達(dá)到穩(wěn)定； 因?yàn)閼T性存在，輸出不能立刻達(dá)到穩(wěn)定，理論上t時(shí)才 能達(dá)到穩(wěn)定，當(dāng)t=時(shí)即達(dá)到穩(wěn)定值的63.2%，可見時(shí)間 常數(shù)越小越好，是反映一階傳感器的重要參數(shù)； 實(shí)際運(yùn)用時(shí)t = 4時(shí)工程上認(rèn)為已達(dá)到穩(wěn)定； 由曲線看出它與動態(tài)測 溫相似，所以動態(tài)測溫 是典型的一階系統(tǒng) 。(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)(b) 一階傳感器的頻率響應(yīng) 輸入正弦信號的拉氏變換一階系統(tǒng) 通過傳遞函數(shù)求出輸出：(二) 傳感器動態(tài)特性第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和

15、地位 構(gòu)成現(xiàn)代信息技術(shù)的三大支柱是： 傳感器技術(shù)（信息采集）； 通信技術(shù) （信息傳輸）； 計(jì)算機(jī)技術(shù)（信息處理）； 它們在信息系統(tǒng)中分別起到 “感官”、“神經(jīng)”和“大腦”的作用。 在利用信息的過程中首先要解決獲取準(zhǔn)確可靠的 信息，而傳感器是獲取信息的主要途徑和手段。 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論目前傳感器技術(shù)已經(jīng)在越來越多的領(lǐng)域得到應(yīng)用，傳感器廣泛用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、商業(yè)、交通、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療診斷、軍事科研、航空航天、現(xiàn)代辦公設(shè)備、智能樓宇和家用電器等領(lǐng)域。是構(gòu)建現(xiàn)代信息系統(tǒng)的重要組成部分。 傳感器對觀測和自動化技術(shù)所起的作用遠(yuǎn)比家用電器所起到的作用大的多。這幾乎是無可爭議的事實(shí)。光電傳感與檢

16、測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 在基礎(chǔ)學(xué)科 研究中，傳感器更有突出的地位。宏觀上的茫茫宇宙、微觀上的粒子世界、長時(shí)間的天體演化、短的瞬間反應(yīng)。超高溫、超低溫、超高壓、超高真空、超強(qiáng)磁場、弱磁場等極端技術(shù)研究。傳感器的發(fā)展，往往是一些邊緣學(xué)科開發(fā)的先驅(qū)。 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn) 尤其是自動化生產(chǎn)過程中，每個(gè)生產(chǎn)環(huán)節(jié)都需要用各種傳感器監(jiān)視和控制生產(chǎn)過程的各個(gè)參數(shù)，一是保證產(chǎn)品達(dá)到最好的質(zhì)量，二是保證設(shè)備工作在最佳狀態(tài)。傳感器是自動控制系統(tǒng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)器件，直接影響到自動化技術(shù)的水平。 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)光電傳感與檢測技術(shù)

17、第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 機(jī)器人 傳感器系統(tǒng)包括 視覺:平面、立體 非視覺:觸覺、滑覺、熱覺、力覺、接近覺、 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.1 課程內(nèi)涵1.2 課程特點(diǎn)1.3 課程組成 光電傳感技術(shù) 光電檢測技術(shù) 1.3.1 什么是傳感器？ 1.3.2 光電傳感器的組成和分類 1.3.3 光電傳感器的特性 1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位1.4光電檢測技術(shù)概述1.5光電檢測系統(tǒng)組成1.6光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式1.8 光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)1.9 光電檢測方法1

18、.10 光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用沙漠機(jī)器人光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位電子汽車衡 計(jì)量測試 超聲波測流量紅外測溫光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位熱電偶測溫 醫(yī)療診斷 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 家用電器液化氣煙霧報(bào)警器智能洗衣機(jī)遙控器光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 智能建筑 給排水系統(tǒng)泵系統(tǒng)鍋爐系統(tǒng)環(huán)境控制電力監(jiān)測能量計(jì)費(fèi)消防系統(tǒng)保安系統(tǒng)照明系統(tǒng)DDC光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位自動識別系統(tǒng)(門禁系

19、統(tǒng))打破了人們幾百年來用鑰匙開鎖的傳統(tǒng)指紋門禁感應(yīng)式門禁光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位 最 新 濕 度 測 量 應(yīng) 用 領(lǐng) 域 紡 織 品精確的 煙草烘干木材烘干 芯片生產(chǎn)要求最高的濕度穩(wěn)定性紙 品濕度傳感器 過程控制 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位煙氣 測量NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 環(huán)境監(jiān)測 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位上海盧浦大橋通車應(yīng)力試驗(yàn)光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論

20、1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位智能化水質(zhì)檢驗(yàn) 水 庫無線水質(zhì)感應(yīng)器下游用戶用戶光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位傳感器已滲透到宇宙開發(fā)、海洋探測、軍事國 防、環(huán)境保護(hù)、資源調(diào)查、醫(yī)學(xué)診斷、生物工程、商檢質(zhì)檢、甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域。可以毫不夸張地說：幾乎每個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目，以至各種復(fù)雜工程系統(tǒng)，都離不開各種各樣的傳感器。 由此可見，傳感器技術(shù)在發(fā)展經(jīng)濟(jì)、推動社會進(jìn)步方面的重要作用，是十分明顯的。世界各國十分重視這一領(lǐng)域的發(fā)展。 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位未來世界是個(gè)充滿傳感器的世界，還會有： 智能房屋（自動識

21、別主人，太陽能提供能源） 智能衣服（自動調(diào)節(jié)溫度） 智能公路（自動記錄公路的壓力、溫度、車流量） 智能汽車（無人駕駛、衛(wèi)星定位） 智能 光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.3.4光電傳感器技術(shù)的作用和地位1.4光電檢測技術(shù)概述光電檢測技術(shù)是信息時(shí)代的關(guān)鍵技術(shù)！第1章 緒 論光電檢測技術(shù)是研究光電檢測系統(tǒng)的技術(shù)，所謂光電檢測系統(tǒng)，是指對被測光學(xué)量或由非光學(xué)被測量轉(zhuǎn)換成的光學(xué)量，通過光電變換和電路處理的方法進(jìn)行檢測的系統(tǒng)。光電檢測技術(shù)是光學(xué)與電子學(xué)相結(jié)合而產(chǎn)生的一門新興檢測技術(shù)，其功能是利用光電子技術(shù)對光學(xué)信息進(jìn)行檢測，并進(jìn)一步傳遞、存儲、控制、計(jì)算和顯示等。光電傳感與檢測技術(shù)實(shí)際上被測對象涉及各

22、個(gè)領(lǐng)域。最初的測量對象是長度、體積、質(zhì)量和時(shí)間。18世紀(jì)以來科學(xué)技術(shù)取得飛速發(fā)展，被測對象迅速擴(kuò)大。 力學(xué)領(lǐng)域有速度、加速度、力、功和能量等； 電磁學(xué)領(lǐng)域中有電流、電壓、電阻、電容、磁場； 化學(xué)領(lǐng)域中有濃度、成分、pH值等； 工業(yè)領(lǐng)域中有流量、壓力、溫度、黏度等被測量。 現(xiàn)在的被測對象更為廣泛，有人體心電、腦電波等體表電位測量，生物斷面測量；工業(yè)領(lǐng)域的光澤、觸覺等品質(zhì)測量；衛(wèi)星上監(jiān)視地球的紅外線傳感器；機(jī)器人的視覺、觸覺、滑覺、接近覺等各種傳感器。 第1章 緒 論1.4光電檢測技術(shù)概述光電傳感與檢測技術(shù)1.4光電檢測系統(tǒng)概述就被測對象而言工業(yè)上需要檢測的量有電量和非電量兩大類。非電量早期多用非

23、電量的方法測量，例如：用尺測量長度；用液體熱膨脹的溫度計(jì)測溫度；天平測量物重。 傳統(tǒng)的傳感器可以完成從非電量到非電量的轉(zhuǎn)換，但無法實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代智能儀器儀表的自動測量，無法完成過程控制的自動檢測與控制。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對測量的精確度、速度提出新的要求，尤其對動態(tài)變化的物理過程和物理量遠(yuǎn)距離測量，用非電方法無法實(shí)現(xiàn)，必須采用電測法。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)定義：被測信息：傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)全部操作：檢測過程:確定被測對象的屬性和量值為目的的全部操作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、）被測對象：宇宙萬物（固液氣體、動物、植

24、物、天體 ）檢測器具:化學(xué)量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、） 例：空調(diào)機(jī)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(nèi)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(diào)機(jī)光電檢測技術(shù)以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電器件為基礎(chǔ)，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(jìn)行檢測，即通過光電檢測器件接收光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號。由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用的信息，再經(jīng)過A/D變換接口輸入微型計(jì)算機(jī)運(yùn)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。1.5光電檢測系統(tǒng)組成光電檢測系統(tǒng)轉(zhuǎn)換光電光源照明光學(xué)系統(tǒng)被測對象光學(xué)變

25、換電信號處理存 儲顯 示控 制光學(xué)變換電路處理光電檢測系統(tǒng)光是信息傳遞的媒介，它由光源產(chǎn)生。光源與照明光學(xué)系統(tǒng)一起獲得測量所需的光載波；光載波與被測對象同時(shí)作用在光學(xué)系統(tǒng)上而將被測量載荷到光載波上，稱為光學(xué)變換。光學(xué)變換是用各種調(diào)制的方法來實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)變換后的光載波上載荷有各種被測信息，稱為光信息；光信息經(jīng)光電器件實(shí)現(xiàn)由光向電的信息轉(zhuǎn)換，稱為光電轉(zhuǎn)換；然后被測信息就可用各種電信號處理的方法實(shí)現(xiàn)解調(diào)、濾波、整形、判向、細(xì)分等，或送到計(jì)算機(jī)進(jìn)行進(jìn)一步的運(yùn)算，直接顯示被測量或者存儲或者去控制相應(yīng)的裝置。 光源與照明光學(xué)系統(tǒng)是光電檢測系統(tǒng)必不可少的一部分，可根據(jù)需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍、一定

26、發(fā)光空間分布的光源，以該光源發(fā)出的光作為載體攜帶被測信息，一般光源可以選擇白熾燈、氣體放電燈、發(fā)光二極管、激光器等，有時(shí)被測對象就是光源（如人體）；照明系統(tǒng)可分為透射照明系統(tǒng)、反射、折反射照明系統(tǒng)等。光源光源是光電檢測系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，大多數(shù)光電檢測系統(tǒng)都離不開光源。光電式檢測系統(tǒng)對光源的選擇要考慮很多因素，例如波長、光譜分布、相干性、體積、造價(jià)、功率等。常用的光源可分為四大類：熱輻射光源、氣體放電光源、電致發(fā)光器件和激光器等。 分類：按照發(fā)光機(jī)理，光源可以分成如下幾類： 太陽 熱輻射光源 白熾燈、鹵鎢燈 黑體輻射器 汞燈 熒光燈 鈉燈 氣體放電光源 氙燈光源 金屬鹵化物燈 空心陰極燈 場致

27、發(fā)光 電致發(fā)光光源 發(fā)光二極管 氣體激光器 固體激光器 激光器 染料激光器 半導(dǎo)體激光器（一）熱輻射光源 熱物體都會向空間發(fā)出一定的光輻射，基于這種原理的光源稱為熱輻射光源。物體溫度越高，輻射能量越大。鹵鎢燈是一種特殊的白熾燈，燈泡用石英玻璃制作，能夠耐3500K的高溫，燈泡內(nèi)充以鹵素元素，通常是碘，光通量在整個(gè)壽命期中始終能夠保持相對穩(wěn)定。白熾燈為可見光源，它的能量只有15%落在可見光區(qū)域，其峰值波長在近紅外區(qū)域，約11.5mm，可用作近紅外光源。熱輻射光源輸出功率大，但對電源的響應(yīng)速度慢，不能用于快速的正弦和脈沖調(diào)制。（二）氣體放電光源 電流通過氣體會產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象，利用這種原理制成的光源稱

28、為氣體放電光源。氣體放電光源的光譜不連續(xù)，光譜與氣體的種類及放電條件有關(guān)。改變氣體的成分、壓力、陰極材料和放電電流的大小，可以得到在某一光譜范圍的輻射源。低壓汞燈、氫燈、鈉燈、鎘燈、氦燈、氙燈是光譜儀器中常用的光源，統(tǒng)稱為光譜燈。例如低壓汞燈的輻射波長為254nm，鈉燈的輻射波長約為589nm，它們經(jīng)常用作光電檢測儀器的單色光源。（三）電致發(fā)光器件固體發(fā)光材料在電場激發(fā)下產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象稱為電致發(fā)光，它是將電能直接轉(zhuǎn)換成光能的過程。利用這種現(xiàn)象制成的器件稱為電致發(fā)光器件，如發(fā)光二極管、半導(dǎo)體激光器和電致發(fā)光屏等。激光器種類繁多，按工作物質(zhì)分類：固體激光器（如紅寶石激光器）氣體激光器（如氦-氖氣體

29、激光器、二氧化碳激光器）半導(dǎo)體激光器（如砷化鎵激光器）液體激光器。（四）激光器光學(xué)變換是指上述光源發(fā)出的光在通過被測對象時(shí)，利用各種光學(xué)效應(yīng)，如反射、折射、干涉、衍射、吸收、散射、偏振等，使光束攜帶上被測對象的特征信息，形成待檢測的光信號，光學(xué)變換通常是用各種光學(xué)元件及其系統(tǒng)（平面鏡、透鏡、棱鏡、狹縫、光楔、起偏器、波片、碼盤、光柵、光學(xué)成像系統(tǒng)、光學(xué)干涉系統(tǒng)等）來實(shí)現(xiàn)將待測量(位移、長度、溫度、形變等)轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等）。光電轉(zhuǎn)換是光電檢測的核心部分，主要作用是以光信號為媒質(zhì)，以光電探測器為手段，將各種經(jīng)待測量調(diào)制的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，以便于用目前最成熟

30、的電子技術(shù)進(jìn)行信號的處理。電信號處理是由各種電子線路組成，主要有兩個(gè)功能：（）實(shí)現(xiàn)對微弱電信號的檢測，（）實(shí)現(xiàn)光源的穩(wěn)定化。 具體包括放大、濾波、整形和去噪等。常用電路：選頻放大器相敏檢波器（相敏整流器、相敏解調(diào)器）相位檢測器（鑒相器）鑒頻器脈沖寬度鑒別器積分微分運(yùn)算器鎖相環(huán)及鎖相放大器 存儲、顯示和控制部分中，關(guān)鍵是控制部分，在需要利用檢測量進(jìn)行反饋后實(shí)施控制的系統(tǒng)中，需要附加控制部分。1.6光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理 光電檢測系統(tǒng)是以光電信息變換為基礎(chǔ)的，把待測量通過光電信息變換變?yōu)殡娏縼磉M(jìn)行測量的。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.6光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理（一）把待測量變換為連續(xù)光

31、信息量 它是以光通量的大小來反映待檢測量的大小。光電探測器的輸出往往與入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光電探測器的光電流大小可以反映出待檢測量的大小，即光電流I是待檢測信息量Q值的函數(shù)： I=f(Q) 這是一種模擬量信息變換。光電傳感與檢測技術(shù)第1章 緒 論1.6光電檢測系統(tǒng)的基本工作原理（二）把待檢測量變換為脈沖光信息量 它是以光脈沖或條紋數(shù)的多少來反映待測量的大小，光電探測器的輸出為低電平和高電平兩個(gè)狀態(tài)組成的一系列脈沖數(shù)字信息，這些數(shù)字信息量T是待測信息量Q的函數(shù)： T= f (Q) 這是一種模/數(shù)信息轉(zhuǎn)換。數(shù)字信息量只取決于光通量的有無，對光源和光電探測器要求相對較低。第1章

32、緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式為了與幾何光學(xué)和物理光學(xué)體系相對應(yīng)，光電變換結(jié)構(gòu)形式分為：按幾何光學(xué)變換的光電檢測方法按物理光學(xué)變換的光電檢測方法輻射式反射式遮擋式透射式干涉式衍射式第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（一）幾何光學(xué)變換的結(jié)構(gòu)形式（1）、輻射式1、被測物體 2、會聚透鏡 3、光電二極管第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式 待測物本身就是輻射源，根據(jù)輻射出的功率、光譜分布、溫度等參數(shù)可以確定待測物的存在、所處的方位，根據(jù)光譜結(jié)構(gòu)可以分析待測物的成分，如輻射高溫計(jì)、火焰報(bào)警器、熱成像儀、太陽能利用、偵察

33、、跟蹤、武器制導(dǎo)等。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式例：全輻射測溫：由斯忒藩玻爾茲曼（StefanBoltzman）定律可知，物體的全輻射出射度為： （1）式中：比輻射率，對于某一物體值為常數(shù) 斯忒藩玻爾茲曼常數(shù)； T絕對溫度。 在近距離測量時(shí)，可不考慮大氣對輻射的吸收作用，則光電探測器輸出的電壓信號為：式中為光電變換系數(shù)。將（1）代入上式得： (2) 結(jié)論： 通過測量電壓VS可以測量輻射體的溫度。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（2）、反射式1、光源 2、被測物 3、光電探測器第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的

34、基本結(jié)構(gòu)形式 由待測物把光反射到光電接收器，反射面狀態(tài)可以呈光滑的鏡面或粗糙狀，對應(yīng)鏡面反射和漫反射。反射形式分為：鏡面反射（沿特定方向射出）漫反射（光向各個(gè)方向反射）（1）光電準(zhǔn)直（2）電動機(jī)等轉(zhuǎn)動物體 的轉(zhuǎn)速測量接收到的光通量大小與產(chǎn)生漫反射的表面材料性質(zhì)、表面粗糙度以及表面缺陷等因素有關(guān)，故可檢測物體外觀質(zhì)量第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式 測轉(zhuǎn)速的例子： 軸轉(zhuǎn)動一周，光電探測器4就獲得一個(gè)由光源1發(fā)出的反射光的脈沖，此脈沖數(shù)就反映了軸的轉(zhuǎn)速。 1、光源 2、轉(zhuǎn)軸 3、小平面鏡 4、光電探測器第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式

35、（3）、遮擋式1、光源 2、待檢測物 3、光電探測器物理寬度為b，遮光位移量為l，則遮光面積為 為光學(xué)系統(tǒng)橫向放大率，則光電探測器輸出電信號變化量為：可測物體位移量和尺寸：光電尺寸投影檢測儀、光控開關(guān)、防盜報(bào)警等。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（4）、透射式 光透過待測物體，其中一部分光通量被吸收或散射，另一部分透過待測物體由光電探測器接收，被吸收或散射的光通量的數(shù)值取決于待測物體的性質(zhì)。 如光透過均勻介質(zhì)，透過量符合朗伯-比爾定律，即結(jié)論：可基于此法檢測液體或氣體濃度、透明度，檢測透明薄膜厚度，透明容器缺陷等。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系

36、統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（4）、透射式第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù) 光透過待檢測物體，其中一部分光通量被待檢測物吸收或散射，另一部分光通量透過待檢物體由光電探測器接收，如上圖所示。被吸收或散射的光通量的數(shù)值決定于待檢測物的性質(zhì)。常用于檢測液體或氣體濃度、透明度或渾濁度，檢測透明薄膜的厚度和質(zhì)量；檢測透明容器的疵病，測量膠片的密度等。1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（二）物理光學(xué)變換的結(jié)構(gòu)形式（1）、干涉式1光源 2透鏡 3分束器 4反射鏡 5待測物體 6光電探測器結(jié)論：可基于此法檢測位移、振動、液體或氣體濃度、折射率等，靈敏度很高。第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.7光電檢測系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)形式（

37、2）、衍射式衍射測量原理結(jié)構(gòu) 第1章 緒 論光電傳感與檢測技術(shù)1.8光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)高精度：從地球到月球激光測距的精度達(dá)到1米。高速度：光速是最快的。遠(yuǎn)距離、大量程：遙控、遙測和遙感。非接觸式檢測：不改變被測物體性質(zhì)的條件下進(jìn)行測量。壽命長：光電檢測中通常無機(jī)械運(yùn)動部分，故測量裝置壽命長，工作可靠、準(zhǔn)確度高，對被測物無形狀和大小要求。數(shù)字化和智能化：強(qiáng)的信息處理、運(yùn)算和控制能力。1.9 光電檢測方法直接作用法差動測量法補(bǔ)償測量法脈沖測量法1.10 光電檢測技術(shù)發(fā)展趨勢和應(yīng)用納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)。非接觸、快速在線測量。微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)。閉環(huán)控制的光電檢測系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化。向人們無法觸及的領(lǐng)域發(fā)展。光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)。光電檢測技術(shù)的發(fā)展趨勢：一、在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域的應(yīng)用在線檢測：零件尺寸、產(chǎn)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5070%光電檢測技