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1、.,光电检测技术,.,参考书目,光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社 激光光电检测吕海宝等编著 国防科技大学出版社 光电检测技术雷玉堂等编著 中国计量出版社,教材,光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社,.,目 录,第一章 绪论 第二章 光电检测技术基础 2.1 光的基本性质 2.2 辐射与光度学量 2.3 半导体基础知识 2.4 光电效应 第三章 光电检测器件 3.1光电器件的类型与特点 3.2光电器件的基本特性参数,.,3.3半导体光电器件 光电导器件:光敏电阻 光伏器件:光电池/光电二极管/三极管 3.4真空光电器件 光电管 光电倍增管 3.5热电检测器件 热敏
2、电阻 热电偶和热电堆 热释电探测器件,.,第四章 发光、耦合和成像器件 4.1 发光二极管 4.2 激光器 4.3 光电耦合器件 4.4 CCD 第五章 光电检测系统 5.1 直接光电检测系统 5.2 光外差光电检测系统 5.3 典型的光电检测系统 第六章光纤传感检测 第七章光电信号的数据采集与微机接口 第八章光电检测技术的典型应用,.,第一章 绪 论,.,光电检测是信息时代的关键技术,信息技术: 微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。 感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。 信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。,.,光电信
3、息技术,1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成 2、光通信和综合信息网络 3、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测,以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：,5、光电传感、光纤传感和图象传感 6、激光、红外、微光探测，定向和制导 7、光电精密测试，在线检测和控制技术 8、混合光电信息处理、识别和图象分析,.,光电信息技术,9、光电人工智能和机器视觉 10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储 11、生物光子学,本课程着重在第5、6、7三个方面的一些基本知识，即：光电检测的元器件、系统、方法和应用。,.,光
4、电检测技术,检测与测量 光电传感器： 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。 光电检测技术：是利用光电传感器实现各类检测。它将被测量转换成光通量,再将光通量转换成电量，并综合利用信息传送技术和信息处理技术，完成对各种物理量的在线和自动检测。 光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理,.,定义：,被测信息：,传感器、检测仪器、检测装置、检测系统,全部操作：,检测过程,确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作,检测的基本概念,信号采集、信号处理、信号显示、信号输出,物理量（光、电、力、热、磁、声、）,被测对象：,宇宙万物（固液气体、动物、植
5、物、天体 ）,检测器具,化学量（PH、成份）,生物量（酶、葡萄糖、）, ,.,例：空调机测量控制室温,空气,被测对象：,被测信息：,检测器具：,操作过程：,室内空气,温度,温度传感器 - 热电阻、热电偶, 热敏电阻, 电信号, 处理, 显示,空调机,返回,.,测量的基本概念,定义：将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 方式：直接测量和间接测量,.,直接测量：是对被测量进行测量时，对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如： 长度：直尺、游标卡尺、千分尺 电压：万用表 质量：天平 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函
6、数关系式计算出被测量的数值。例如： 电功率：P = I * V（电流/电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周期）,返回,.,光电传感器与敏感器的概念,传感器 作用：将非电量转换为与之有确定对应关系的电 量输出。 本质：非电量系统与电量系统之间的接口。 类型（从能量角度出发）： 1、能量控制型传感器，也称有源传感器 2、能量转换型传感器，也称无源传感器,.,敏感器,定义：将被测非电量转换为可用非电量的器件。,敏感器与传感器的共性,对被测非电量进行转换。,敏感器与传感器的区别,敏感器是把被测量转换为可用非电量 传感器是把被测非电量转换为电量,.,光电传感器 定义：基于光电效应，将
7、光信号转换为电信号的一种传感器。 应用：自动控制，宇航和广播电视等各领域。 种类：光电二极管、光电晶体管、光敏电阻CdS、光电耦合器、集成光电传感器、光电池和图像传感器等。,.,光电探测器的种类,返回,.,光电检测系统,光电检测技术以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础，通过对载有被检测物体信号的光辐射（发射、反射、散射、衍射、折射、透射等）进行检测，即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号。 由输入电路、放大、滤波等检测电路提取有用的信息，再经过A/D变换接口输入微型计算机运算、处理，最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量。,.,光电检测系统,光学变换,电路处理,.,光电检测系统,
8、光学变换 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 空间变换：光学扫描 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。 光电变换 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 将信息变为能够驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。 电路处理 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。,.,光电检测系统与人操作功能比较,被测物体 感觉器官 人脑 手控 被测物体 光电传感 微机 执行机构 光电传感部分相当于人身的感觉器官,.,光电检测系统的功能分类,测量检查型: 几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。 运动量：速度、
9、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱,.,控制跟踪型 跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制 图象分析型 图形检测 图形分析,.,光电检测技术的特点,高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。 高速度：光速是最快的，用光学的方法获取和传递信息时最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。 寿命长：光电检测中通常无机械运动部分，故测量装置寿命
10、长，工作可靠、准确度高，对被测物无形状和大小要求。 数字化和智能化：具有很强的信息处理、运算和控制能力。,.,光电传感器,光电传感器由光源、光学系统和光电信息转换器件三部分组成。根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，光电传感器可以分为三种： 直射型 反射型：单向反射和漫反射。 辐射型,.,光电检测方法,直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法,.,直接作用法,定义：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器转换成电量后由检测机构可直接得到所求被测物理量。 特点： 该测量方法结构简单，但精度差，容易受光源波动、电源波动等影响较大，适合于测量精度要求不高的场合。,.,差动测量法,定义：
11、利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反映被测量的大小。 特点： 该测量方法可以消除一些测量误差，适合于测量精度要求高的场合。,.,补偿测量法,定义：用光或电的方法补偿由被测量变化而引起的光通量变化，补偿器的可动元件连接读数装置指示出补偿量值，补偿值的大小反映了被测量变化的大小。,脉冲测量法,定义：在测量中将被测量的光通量转换成电脉冲，其参数（脉宽、相位、频率、脉冲数量等）反映了被测量的大小。 特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算机连接，易于实现在线测量和自动化控制。,.,光电检测技术发展趋势,发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 发展小型、快速的微型光、机、电检测系统。 非接触
12、、快速在线测量。 向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。 发展闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。 向人们无法触及的领域发展。 发展光电跟踪与光电扫描测量技术。,.,一、在工业生产领域的应用,在线检测：零件尺寸、产品缺陷、装配定位. 现代工程装备中，检测环节的成本约占5070%,光电检测技术的应用,.,检测技术在汽车中的应用日新月异,发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近
13、百只传感器， 豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,.,.,二、检测技术在日常生活中的应用,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器,数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式-红外传感器,自动感应灯：亮度检测-光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器,遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对
14、讲、可视电话：图像获取-面阵CCD,扫描仪：文档扫描-线阵CCD,红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测 - 压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪 - 离子传感器,.,三、检测技术在军事上的应用,美军研制的未来单兵作战武器,夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术 激光测距仪：可精确的定位目标。,.,美国国家导弹防御计划-NMD,四、检测技术在国防领域的应用,监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；,拦截器：能识别真假弹头，敌友方,.,“阿波罗10”：,火箭部分-2077个传感器,飞船部分-1218个传感器,检测参数-加速度、温度、压力、
15、 振动、流量、应变、 声学,神州飞船：,185台（套）仪器装置,五、检测技术在航天领域的应用,.,学习本课程的目的,了解光电检测系统的基本组成，光电检测技术的特点和发展趋势。 掌握光电检测器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。 能够根据特性参数，选择合适的光电检测器件。熟悉常用器件的性能指标。 掌握直接检测与外差检测的原理和区别。 了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的光波调制技术。 掌握了解常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接口技术。,.,本课程的学习内容,光电检测器件的物理基础 光电检测器件的工作原理和特性及其应用 光电直接和外差检测系统 光纤传感检测技术 光电信号的数据采集与微机接口,
