光电检测(郭培源)

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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 热敏电阻 热电偶和热电堆 热释电

2、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。光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能

3、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。光电检测技术 检测与测量 光电传感器： 基于光电效应，将光

4、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

5、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

6、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n敏感器是把被测量转换为可用非电量n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

7、电 池和图像传感器等。光电探测器的种类类 型实 例 PN结PN光电二极管（Si,Ge, GaAs) PIN光电二极管（Si） 雪崩光电二极管(Si, Ge) 光电晶体管(Si) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si) 非PN结光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3) 电子管类光电管，摄像管，光电倍增管其他类色敏传感器 固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型） 位置检测用元件（PSD） 光电池返回光电检测系统 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

8、）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。光电检测系统变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理光电检测系统 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）。

9、 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、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

10、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

11、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：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。

12、 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、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

13、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

14、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

15、御计划-NMD四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统监测系统: 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、 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