光電檢測技術(shù)與應(yīng)用

光電檢測技術(shù)與應(yīng)用第一頁，共四十頁，2022年，8月28日上課地點(diǎn)：教6-504/505考核方式：平時(shí)20%,考試70%,實(shí)驗(yàn)10%使用教材：

《光電檢測技術(shù)與應(yīng)用》,郭培源等,北京航空航天大學(xué)出版社,2006.參考書目：

《光電檢測技術(shù)》,雷玉堂等,中國計(jì)量出版社,1997.《光電信號(hào)檢測原理及技術(shù)》,趙遠(yuǎn)等,機(jī)械工業(yè)出版社,2005.《檢測技術(shù)》,施文康等,機(jī)械工業(yè)出版社,2005.第二頁，共四十頁，2022年，8月28日章節(jié)安排光電檢測技術(shù)概述（補(bǔ)充）光電檢測器件的技術(shù)基礎(chǔ)發(fā)光與耦合器件常用光電檢測器件介紹光電檢測電路的設(shè)計(jì)光電檢測系統(tǒng)光電檢測技術(shù)的典型應(yīng)用光纖傳感檢測技術(shù)第三頁，共四十頁，2022年，8月28日第一章緒論主要教學(xué)內(nèi)容：1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢第四頁，共四十頁，2022年，8月28日1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)信息技術(shù)：感測技術(shù)、通信技術(shù)、人工智能與計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)。信息的產(chǎn)生和獲取、轉(zhuǎn)換、傳輸、控制、存儲(chǔ)、處理、顯示。微電子信息技術(shù)（電集成）、光子信息技術(shù)（光集成）、光電信息技術(shù)（光電集成）。傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)第五頁，共四十頁，2022年，8月28日傳統(tǒng)的電子技術(shù)微電子技術(shù)光子信息技術(shù)光電信息技術(shù)光電檢測技術(shù)主要研究電子或離子在固體材料中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用，并利用它實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理功能的科學(xué)，是在電子電路和系統(tǒng)的超小型化和微型化過程中逐漸形成和發(fā)展起來的，以實(shí)現(xiàn)電路的系統(tǒng)化和集成化以光集成技術(shù)為核心的有關(guān)光學(xué)元器件制造的應(yīng)用技術(shù)，利用傳統(tǒng)工藝將有源和無源光學(xué)器件集成在一起，構(gòu)成能完成光學(xué)信息采集處理和存儲(chǔ)等功能的系統(tǒng)光與電子轉(zhuǎn)換及其應(yīng)用技術(shù)，光頻段微電子技術(shù)。利用光電傳感器實(shí)現(xiàn)各類檢測，即將被測量量轉(zhuǎn)換成光通量，再將光通量轉(zhuǎn)換成電通量，并綜合利用信息傳輸技術(shù)和信息處理技術(shù)，最終完成對(duì)各類物理量進(jìn)行在線和自動(dòng)檢測。第六頁，共四十頁，2022年，8月28日雷達(dá)測速車載電子警察第七頁，共四十頁，2022年，8月28日航空航天第八頁，共四十頁，2022年，8月28日安全檢查可拍照的手機(jī)第九頁，共四十頁，2022年，8月28日主要教學(xué)內(nèi)容1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢第十頁，共四十頁，2022年，8月28日1.2光電檢測與光電傳感器概念1、檢測與測量2、光電傳感器與敏感器的概念第十一頁，共四十頁，2022年，8月28日檢測的基本概念定義:確定被測對(duì)象的屬性和量值為目的的全部操作被測對(duì)象：宇宙萬物（固液氣體、動(dòng)物、植物、天體……）被測信息：物理量（光、電、力、熱、磁、聲、…）化學(xué)量（PH、成份…）生物量（酶、葡萄糖…）…

…全部操作：檢測器具:傳感器、檢測儀器、檢測裝置、檢測系統(tǒng)檢測過程:信號(hào)采集、信號(hào)處理、信號(hào)顯示、信號(hào)輸出第十二頁，共四十頁，2022年，8月28日例：空調(diào)機(jī)測量控制室溫被測對(duì)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、熱電偶空氣熱敏電阻電信號(hào)處理顯示空調(diào)機(jī)第十三頁，共四十頁，2022年，8月28日測量：將被測的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過程。測量方式：直接測量和間接測量直接測量：對(duì)儀表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接得出被測量的數(shù)值。例如：長度：直尺、游標(biāo)卡尺、千分尺電壓：萬用表質(zhì)量：天平溫度：溫度計(jì)第十四頁，共四十頁，2022年，8月28日直接測量方式舉例第十五頁，共四十頁，2022年，8月28日測量方式：直接測量和間接測量間接測量：測量幾個(gè)與被測量相關(guān)的物理量，通過函數(shù)關(guān)系式計(jì)算出被測量。例如：阿基米德測量皇冠的比重測量：將被測的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量比較，確定被測量對(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過程。第十六頁，共四十頁，2022年，8月28日1.2光電檢測與光電傳感器概念1.檢測與測量2.光電傳感器與敏感器的概念第十七頁，共四十頁，2022年，8月28日傳感器非電量電量（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）光電傳感器能量控制型---有源傳感器：光敏電阻，光電二極管三極管能量轉(zhuǎn)換型---無源傳感器：光電池光電傳感器：-基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種光電器件。-將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的電量輸出。第十八頁，共四十頁，2022年，8月28日敏感器敏感器是把被測量轉(zhuǎn)換為可用非電量，而傳感器是把被測非電量轉(zhuǎn)換為電量。（確定對(duì)應(yīng)關(guān)系）可用非電量（應(yīng)變力）電量（電阻）傳感器（應(yīng)變片）被測非電量（壓力）敏感器（彈性元件）第十九頁，共四十頁，2022年，8月28日光電傳感器的種類類型實(shí)例PN結(jié)PN光電二極管（Si,Ge,GaAs)PIN光電二極管（Si）雪崩光電二極管(Si,Ge)光電晶體管(Si)集成光電傳感器和光電晶閘管(Si)光電池(Si,Se,GaAs)非PN結(jié)光電元件(CdS,CdSe,Se,PbS)——光敏電阻熱電元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)——熱敏電阻電子管類光電管，攝像管，光電倍增管其他類色敏傳感器固體圖象傳感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置檢測用元件（PSD）第二十頁，共四十頁，2022年，8月28日主要教學(xué)內(nèi)容1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢第二十一頁，共四十頁，2022年，8月28日1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一般電子檢測系統(tǒng)傳感器信號(hào)變換器輸出環(huán)節(jié)傳感器：從被測對(duì)象中提取被測信號(hào)，轉(zhuǎn)化成便于測量的電參數(shù)信號(hào)變換電路：完成信號(hào)的轉(zhuǎn)換、濾波和放大第二十二頁，共四十頁，2022年，8月28日1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)一般光電系統(tǒng)光發(fā)射機(jī)光學(xué)通道光接收機(jī)光發(fā)射機(jī)：分為主動(dòng)式和被動(dòng)式

主動(dòng)式：光源（或加調(diào)制器）被動(dòng)式：無自身光源，來自被測物體的光熱輻射發(fā)射光學(xué)通道：大氣、空間、水下和光纖等光接收機(jī)：收集入射的光信號(hào)并加以處理，恢復(fù)光載波信息第二十三頁，共四十頁，2022年，8月28日光接收機(jī)的基本結(jié)構(gòu)接收到的光場接收透鏡系統(tǒng)光電檢測器后繼檢測處理器接收透鏡系統(tǒng)：對(duì)光信號(hào)進(jìn)行濾波、聚焦，入射到光檢測器上光電檢測器：完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換檢測處理電路：完成電信號(hào)的放大、調(diào)理及濾波，恢復(fù)信號(hào)。光接收機(jī)的分類功率檢測接收機(jī)—直接檢測或非相干檢測外差檢測接收機(jī)—相干檢測（空間相干）第二十四頁，共四十頁，2022年，8月28日光接收機(jī)的分類圖示透鏡光電檢測器接收到的光場空間濾波器頻率濾波器直接檢測接收機(jī)外差檢測接收機(jī)合束鏡光電檢測器接收到的光場本地激光器本地光場聚焦光場透鏡第二十五頁，共四十頁，2022年，8月28日光學(xué)變換：通過各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，如平面鏡、狹縫、透鏡、棱鏡、光柵、成像系統(tǒng)等來實(shí)現(xiàn)，作用是將被測量轉(zhuǎn)換為光參量（振幅、頻率、相位、偏振態(tài)，傳播方向變化等）。光電系統(tǒng)框圖光源光學(xué)系統(tǒng)被測對(duì)象光學(xué)變換光電轉(zhuǎn)換電信號(hào)處理存儲(chǔ)顯示控制光電轉(zhuǎn)換：由各種光電器件來實(shí)現(xiàn)，如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。光學(xué)變換光電變換電路處理第二十六頁，共四十頁，2022年，8月28日1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)高精度。高速度。遠(yuǎn)距離，大量程。非接觸檢測。壽命長。具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力。光電檢測技術(shù)的特點(diǎn)各種檢測技術(shù)中最高。如激光干涉儀法檢測長度的相對(duì)精度達(dá)0.05um/m；光柵莫爾條紋法測角可達(dá)0.04秒；用激光測距法測量地球到月球之間距離分辨率可達(dá)1m（38萬公里）。光電檢測以光為介質(zhì)，用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。

光便于遠(yuǎn)距離傳播的介質(zhì)，適于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)，光電跟蹤，電視遙測等?？蓪?fù)雜信息并行處理。同時(shí)光電方法還便于信息控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和智能化。光波可永久使用。光照可認(rèn)為是沒有測量力的，也無磨擦，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，效率最高。第二十七頁，共四十頁，2022年，8月28日主要教學(xué)內(nèi)容1.1信息技術(shù)及光電檢測技術(shù)1.2光電檢測與光電傳感器概念1.3光電檢測系統(tǒng)的組成及特點(diǎn)1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢第二十八頁，共四十頁，2022年，8月28日1.4光電檢測方法及應(yīng)用發(fā)展趨勢根據(jù)光源、光學(xué)系統(tǒng)和光電轉(zhuǎn)換器件放置位置的不同，光電傳感器的類型：直射型：反射型：輻射型：光電轉(zhuǎn)換器對(duì)著光源放置，光軸重合，對(duì)于光源為發(fā)射光通量最大方向，對(duì)于光電器件為靈敏度最高的方向。分為單向反射和漫反射被測物體本身為一輻射源，光電檢測器通過接收被測物體的輻射光能量實(shí)現(xiàn)測量。第二十九頁，共四十頁，2022年，8月28日光電檢測的基本方法I、直接作用法：受被測物理量控制的光通量，經(jīng)光電接收器轉(zhuǎn)換后由檢測機(jī)構(gòu)可直接得到所求被測物理量。被測物理量光通量光電傳感器放大、定標(biāo)直接讀數(shù)光電系統(tǒng)的基本模型第三十頁，共四十頁，2022年，8月28日II、差動(dòng)測量法：利用被測量與某一標(biāo)準(zhǔn)量相比較，所得差或數(shù)值比可反應(yīng)被測量的大小。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1雙光路差動(dòng)測量法測量物體長度第三十一頁，共四十頁，2022年，8月28日工作原理：ΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOtΦOΦ1Φ2Φ1Φ2tUOt說明：測量值的大小決定了U的幅值，測量值的正負(fù)決定于U的相位，可通過相敏檢波器得到。測量值U的幅值工件大小第三十二頁，共四十頁，2022年，8月28日相敏檢測器：濾去高頻信號(hào)后，濾波器第三十三頁，共四十頁，2022年，8月28日相敏檢波器用途：可用來測幅、測相，還可高頻信號(hào)變成中頻信號(hào)（差頻信號(hào)）雙光路外差檢測特點(diǎn)：

雙光路可消除雜散光、光源波動(dòng)、溫度變化和電源電壓波動(dòng)帶來的測量誤差，使測量精度和靈敏度大大提高。第三十四頁，共四十頁，2022年，8月28日III、補(bǔ)償測量法：原理：是用光或電的方法補(bǔ)償由被測量變化而引起的光通量變化，補(bǔ)償器的可動(dòng)元件連接讀數(shù)裝置指示出補(bǔ)償量值，其大小反應(yīng)被測量變化大小。放大相敏檢波器uACREUL調(diào)制盤被測物光楔反光鏡Φ2Φ1移動(dòng)控制及讀數(shù)顯示例：由相敏檢波器輸出控制光楔上下移動(dòng)，使Φ1-Φ2=0，光楔移動(dòng)與讀數(shù)機(jī)構(gòu)相連，讀數(shù)反映光通量的變化量，即被測值。第三十五頁，共四十頁，2022年，8月28日IV、脈沖測量法：原理：測量中將被測量的光通量轉(zhuǎn)換成電脈沖，其參數(shù)（脈寬，相位，頻率，脈沖數(shù)量等）反映被測量的大小。

（1）脈寬方法測長度：高頻脈沖可取自電動(dòng)機(jī)或轉(zhuǎn)動(dòng)輪上脈沖，消除不勻速帶來的誤差。vnR1ER2高頻脈沖N計(jì)數(shù)器L第三十六頁，共四十頁，2022年，8月28日（2）頻率法測速：脈沖測量法特點(diǎn)：抗干擾性能好，精度高，直接與計(jì)算機(jī)相連，易于實(shí)現(xiàn)在線測量和自動(dòng)化控制?？刂茣r(shí)間tRE放大整形N計(jì)數(shù)n第三十七頁，共四十頁，2022年，8月28日光電傳感器的發(fā)展趨勢發(fā)展納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)。發(fā)展小型的、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)。向微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技