《光電傳感技術(shù)》課件

光電傳感技術(shù)概述光電傳感技術(shù)是現(xiàn)代工業(yè)、醫(yī)療、安防等領(lǐng)域的核心技術(shù)利用光電效應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)物理量與電信號的轉(zhuǎn)換具有非接觸、高精度、響應(yīng)快速等優(yōu)勢課程目標(biāo)和內(nèi)容掌握基本原理理解光電效應(yīng)和傳感原理了解關(guān)鍵技術(shù)掌握光源、探測器和信號處理熟悉實(shí)際應(yīng)用分析典型行業(yè)應(yīng)用案例把握發(fā)展趨勢了解前沿技術(shù)和未來方向光電傳感器的基本原理1入射光能量轉(zhuǎn)換光子能量轉(zhuǎn)化為電子能量2電信號產(chǎn)生光激發(fā)電子形成電流或電壓3信號處理弱電信號放大和調(diào)理4信息輸出轉(zhuǎn)換為可用的數(shù)字或模擬信號電磁輻射頻譜可見光波長：380-780nm人眼可見的光譜范圍紅外線波長：780nm-1mm常用于熱成像和夜視紫外線波長：10-380nm應(yīng)用于消毒和熒光檢測光的基本性質(zhì)波動性呈現(xiàn)折射、干涉和衍射現(xiàn)象粒子性光子作為能量最小單位傳播速度真空中速度約3×10^8m/s光譜特性不同波長對應(yīng)不同顏色光電效應(yīng)1光電外效應(yīng)光子使電子脫離物質(zhì)表面2光電內(nèi)效應(yīng)光激發(fā)半導(dǎo)體內(nèi)部電子躍遷3光伏效應(yīng)光照產(chǎn)生電勢差光電傳感器的基本組成光源提供穩(wěn)定光線光學(xué)系統(tǒng)聚焦和引導(dǎo)光線探測器接收光信號并轉(zhuǎn)換為電信號信號處理電路放大和處理電信號光電傳感器的分類對射式發(fā)射器和接收器分開安裝反射式利用反射鏡返回光線漫反射式利用被測物體表面散射光光纖式通過光纖傳輸光信號調(diào)制光技術(shù)技術(shù)原理對光信號進(jìn)行特定頻率調(diào)制接收端匹配解調(diào)識別有效信號主要優(yōu)勢提高抗干擾能力減少環(huán)境光影響延長有效檢測距離應(yīng)用場景強(qiáng)光環(huán)境下的檢測高精度長距離測量復(fù)雜環(huán)境中的可靠識別開關(guān)頻率1000Hz標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)頻率一般工業(yè)應(yīng)用5kHz高速開關(guān)頻率快速運(yùn)動物體檢測20μs響應(yīng)時(shí)間信號變化到輸出的延遲50%占空比開通時(shí)間與周期比值對比度和光斑對比度物體與背景亮度差異比率光斑光源在目標(biāo)上形成的亮點(diǎn)光斑尺寸影響分辨率和檢測精度有效檢測對比度高于閾值才能可靠檢測有效光束距離(m)光強(qiáng)度(%)亮通和暗通亮通模式接收光線時(shí)輸出導(dǎo)通無光時(shí)輸出斷開適用于檢測物體遮擋暗通模式無光線時(shí)輸出導(dǎo)通接收光線時(shí)輸出斷開適用于檢測物體存在漫反射式傳感器原理發(fā)射器發(fā)出光束紅外或可見光波段目標(biāo)表面散射光線向各個(gè)方向反射接收器捕獲散射光信號強(qiáng)度表明物體存在檢測距離有限通常幾厘米到幾十厘米漫反射式傳感器的目標(biāo)影響目標(biāo)材質(zhì)反射率最大檢測距離白紙90%100%灰色紙板50%70%黑色橡膠10%30%拋光金屬鏡面反射不適用背景干擾及其解決方法背景抑制技術(shù)忽略超出設(shè)定距離的反射光精確光學(xué)設(shè)計(jì)聚焦光束減少散射閾值調(diào)節(jié)針對不同環(huán)境優(yōu)化設(shè)置固定范圍傳感器發(fā)射聚焦光束固定角度和強(qiáng)度設(shè)定檢測邊界固定工作范圍內(nèi)檢測物體忽略范圍外物體不受背景物體影響穩(wěn)定檢測效果不同反射率物體均可檢測三角測量原理角度測量原理基于入射光與反射光角度關(guān)系通過幾何計(jì)算確定距離精確度優(yōu)勢提供高精度距離測量典型精度可達(dá)微米級應(yīng)用領(lǐng)域精密測量和定位3D掃描和輪廓檢測二極管陣列技術(shù)線性排列多個(gè)光敏元件一維排列矩陣排列二維排列實(shí)現(xiàn)面積檢測PSD技術(shù)連續(xù)感光面測量光點(diǎn)位置PMD飛行時(shí)間測量技術(shù)脈沖發(fā)射調(diào)制光信號發(fā)射目標(biāo)反射光信號被目標(biāo)反射回傳信號接收探測器捕獲反射信號時(shí)間計(jì)算通過光傳播時(shí)間計(jì)算距離對射式傳感器原理基本結(jié)構(gòu)發(fā)射器和接收器分開安裝形成直線光束通道工作原理物體遮擋光路觸發(fā)信號基于光束中斷檢測物體技術(shù)特點(diǎn)檢測距離長，可達(dá)幾十米可靠性高，不受物體表面影響響應(yīng)速度快，精度高對射式傳感器的應(yīng)用反射式傳感器原理發(fā)射光束從傳感器發(fā)出調(diào)制光信號反射器反射專用反光板將光束反射回傳感器接收反射光同一位置的接收器捕獲反射光物體檢測物體阻斷光路導(dǎo)致信號變化反射式傳感器的應(yīng)用物流分揀檢測傳送帶上的包裹安全防護(hù)車庫門和自動門檢測機(jī)器人導(dǎo)航障礙物檢測和定位光纖傳感器光纖材料石英或塑料光導(dǎo)纖維柔性結(jié)構(gòu)可彎曲引導(dǎo)光線2微型化直徑通常小于1mm抗干擾不受電磁干擾影響光纖傳感器的工作原理強(qiáng)度調(diào)制型基于光強(qiáng)變化結(jié)構(gòu)簡單，成本低相位調(diào)制型基于光波相位變化靈敏度高，精度好波長調(diào)制型基于光波波長變化適合溫度和應(yīng)變測量偏振調(diào)制型基于光波偏振狀態(tài)變化測量磁場和電場光纖傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測大橋和建筑物形變檢測溫度分布測量電力設(shè)備和管道監(jiān)控壓力和應(yīng)變測量航空航天和復(fù)合材料化學(xué)物質(zhì)檢測水質(zhì)和氣體濃度監(jiān)測醫(yī)療微創(chuàng)診斷內(nèi)窺鏡和血壓監(jiān)測色標(biāo)傳感器RGB光源技術(shù)紅綠藍(lán)三色光源反射光譜分析根據(jù)不同顏色反射率差異高對比度識別能分辨微小色差精確觸發(fā)信號在高速生產(chǎn)線上準(zhǔn)確定位顏色識別技術(shù)RGB顏色空間三原色混合表示顏色適合顯示器和發(fā)光設(shè)備HSI顏色空間色調(diào)、飽和度、亮度表示更符合人類感知方式顏色校準(zhǔn)白平衡和標(biāo)準(zhǔn)色卡校準(zhǔn)確保顏色測量準(zhǔn)確性光電傳感器中的光源選擇波長選擇針對檢測對象特性1亮度要求滿足檢測距離需求2聚焦特性適合檢測區(qū)域大小使用壽命考慮工作環(huán)境和時(shí)間穩(wěn)定性光強(qiáng)和波長穩(wěn)定5LED光源主要類型紅光LED(630-660nm)綠光LED(520-570nm)藍(lán)光LED(450-470nm)紅外LED(850-940nm)技術(shù)優(yōu)勢體積小，可靠性高響應(yīng)速度快，可調(diào)制功耗低，散熱少壽命長(>50,000小時(shí))應(yīng)用場景短距離檢測(<10m)顏色識別和分揀普通工業(yè)環(huán)境檢測激光光源1半導(dǎo)體激光二極管體積小，適合集成2高相干性光束發(fā)散角小，指向性好遠(yuǎn)距離檢測可達(dá)百米量級4高精度測量可實(shí)現(xiàn)微米級精度光電探測器件光電轉(zhuǎn)換將光信號轉(zhuǎn)換為電信號靈敏度增強(qiáng)放大微弱光信號光譜響應(yīng)針對特定波長優(yōu)化信號輸出提供穩(wěn)定可靠的電信號光電二極管波長(nm)響應(yīng)度(A/W)光電三極管基本結(jié)構(gòu)光敏型三極管集電極、基極和發(fā)射極工作原理光生載流子引起基極電流電流放大效應(yīng)提高靈敏度性能特點(diǎn)靈敏度比光電二極管高響應(yīng)速度較慢線性度較差光電倍增管光子入射光子擊中光電陰極光電子發(fā)射光電效應(yīng)產(chǎn)生初級電子二次電子倍增多級打拿極串聯(lián)放大信號放大獲得10^6量級的電流增益CCD和CMOS圖像傳感器CCD傳感器電荷耦合元件高圖像質(zhì)量和低噪聲功耗較高，價(jià)格貴CMOS傳感器互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體集成度高，功耗低成本低，速度快應(yīng)用區(qū)別CCD適合高質(zhì)量成像CMOS適合高速和移動設(shè)備光電傳感器的信號處理初級信號微弱電流或電壓信號放大調(diào)理信號放大和噪聲過濾信號轉(zhuǎn)換模擬轉(zhuǎn)數(shù)字處理輸出控制形成標(biāo)準(zhǔn)接口輸出模擬信號處理1跨阻放大將電流信號轉(zhuǎn)換為電壓電壓增益提高信號電壓幅度濾波處理去除噪聲和干擾比較器實(shí)現(xiàn)閾值判斷數(shù)字信號處理模數(shù)轉(zhuǎn)換將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字量微處理器執(zhí)行信號算法處理數(shù)字濾波軟件實(shí)現(xiàn)信號優(yōu)化智能算法實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)和自學(xué)習(xí)光電傳感器的性能指標(biāo)0.1μm分辨率能夠分辨的最小變化量0.5%精度測量值與真實(shí)值的接近程度10μs響應(yīng)時(shí)間信號變化到輸出響應(yīng)的延遲100:1信噪比有效信號與噪聲的比值靈敏度和分辨率靈敏度定義單位輸入變化產(chǎn)生的輸出變化量決定能檢測的最小信號分辨率定義能夠分辨的最小輸入變化決定測量的精細(xì)程度影響因素光電元件質(zhì)量放大電路設(shè)計(jì)噪聲控制水平線性度和重復(fù)性線性度誤差(%)重復(fù)性誤差(%)響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性響應(yīng)時(shí)間組成光電元件響應(yīng)時(shí)間信號處理電路延遲穩(wěn)定性影響因素溫度漂移光源波動元件老化測試方法階躍響應(yīng)測試長期穩(wěn)定性監(jiān)測改進(jìn)技術(shù)高速元件選擇溫度補(bǔ)償電路光電傳感器的校準(zhǔn)零點(diǎn)校準(zhǔn)調(diào)整無輸入時(shí)的輸出值增益校準(zhǔn)調(diào)整傳感器放大倍數(shù)線性度校準(zhǔn)校正不同范圍的響應(yīng)曲線驗(yàn)證測試使用標(biāo)準(zhǔn)器具驗(yàn)證精度溫度補(bǔ)償技術(shù)溫度傳感器集成實(shí)時(shí)監(jiān)測工作環(huán)境溫度硬件補(bǔ)償電路使用反向溫度系數(shù)元件3軟件算法補(bǔ)償根據(jù)溫度曲線自動修正光電傳感器的抗干擾設(shè)計(jì)屏蔽設(shè)計(jì)金屬屏蔽層隔離外部干擾濾光技術(shù)窄帶光學(xué)濾波器阻隔雜散光調(diào)制解調(diào)特定頻率光信號調(diào)制識別接地技術(shù)合理接地降低電磁干擾4光電傳感器在工業(yè)自動化中的應(yīng)用光電傳感器在安防系統(tǒng)中的應(yīng)用周界防護(hù)通過光束檢測非法入侵運(yùn)動探測感知區(qū)域內(nèi)物體移動出入控制人員通過驗(yàn)證和計(jì)數(shù)光電傳感器在醫(yī)療設(shè)備中的應(yīng)用生命體征監(jiān)測脈搏血氧儀血糖監(jiān)測儀呼吸監(jiān)測器醫(yī)學(xué)成像內(nèi)窺鏡技術(shù)光學(xué)相干斷層掃描熒光成像系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室設(shè)備血液分析儀細(xì)胞計(jì)數(shù)器酶聯(lián)免疫檢測儀光電傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應(yīng)用氣體濃度監(jiān)測基于光譜吸收原理水質(zhì)監(jiān)測濁度、有機(jī)物含量測量顆粒物檢測PM2.5和灰塵濃度測量氣象監(jiān)測能見度和降水量檢測光電傳感器在汽車電子中的應(yīng)用雨量傳感器自動調(diào)節(jié)雨刷速度光線傳感器自動大燈和儀表盤亮度控制倒車?yán)走_(dá)障礙物檢測和距離測量盲點(diǎn)監(jiān)測識別視野外車輛4激光雷達(dá)自動駕駛環(huán)境感知智能光電傳感系統(tǒng)多元傳感融合集成多種傳感器協(xié)同工作嵌入式處理內(nèi)置微處理器進(jìn)行本地計(jì)算網(wǎng)絡(luò)通信支持標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸智能分析實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理和決策物聯(lián)網(wǎng)與光電傳感技術(shù)數(shù)據(jù)采集傳感器捕獲物理世界信息無線傳輸通過低功耗網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)云端存儲大數(shù)據(jù)集中管理和存儲智能分析應(yīng)用AI算法提取有用信息人工智能在光電傳感中的應(yīng)用圖像識別深度學(xué)習(xí)進(jìn)行目標(biāo)識別解決復(fù)雜場景下的檢測問題預(yù)測性維護(hù)監(jiān)測設(shè)備健康狀態(tài)預(yù)測可能的故障和壽命異常檢測識別傳感數(shù)據(jù)中的異常模式自動報(bào)警和處理異常情況光電傳感器的發(fā)展趨勢微型化和集成化更小尺寸，多功能集成低功耗設(shè)計(jì)適應(yīng)電池供電和能量收集智能化處理內(nèi)置AI算法實(shí)現(xiàn)邊緣計(jì)算無線連接5G和物聯(lián)網(wǎng)無縫集成微型化和集成化1mm2芯片尺寸MEMS技術(shù)實(shí)現(xiàn)微型化3-in-1多功能集成單芯片集成多種傳感能力5V低電壓工作降低能耗和散熱90%體積減小比例相比傳統(tǒng)技術(shù)大幅縮小多功能和智能化自學(xué)習(xí)能力自適應(yīng)