光电检测总结全

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1、光电检测总结全光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础， 通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器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信息，或进入计算机 处理，最终显示输出所需要的检测物理参数检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围 带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量：将被测的未知 量与同性质的标准量比较，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。光电检测系统组成：光发射机，光学通道，光接收机。光发射机： 分为主动式和被动式。主动式：光源（或加调制器）被动式：无自身 光源，来自被测物体的光热辐射发射。光学

2、通道：大气、空间、水下 和光纤等。光接收机：收集入射的光信号并加以处理，恢复光载波信 息光电检测技术的特点：高精度。各种检测技术中最高。如激光干涉 仪法检测长度的精度达0.05um/m ；光栅莫尔条纹法测角可达0.04秒; 用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m。高速度。光电 检测以光为介质，用光学方法获取和传递信息是最快的。远距离，大 量程。光便于远距离传播的介质，适于遥控和遥测，如武器制导，光 电跟踪，电视遥测等。非接触检测。光照可认为是没有测量力的，也 无磨擦，可实现动态测量，效率最高。寿命长。光波可永久使用。具 有很强的信息处理和运算能力。可将复杂信息并行处理。同时光电方 法

3、还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。光电检测基本方法：直接作用法（受被测物理量控制的光通量， 经光电接收器转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量）、差动 测量法（利用被测量与某一标准量相比较，所得差或数值比可反应被 测量的大小）、补偿测量法（是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， 其大小反应被测量变化大小）和脉冲测量法（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）反映被 测量的大小）脉冲测量法特点：抗干扰性能好，精度高，直接与计算 机相连，易于实现在线测量和自动化控制。双光路外差检测特点：双

4、光路可消除杂散光、光源波动、温度变 化和电源电压波动带来的测量误差，使测量精度和灵敏度大大提高。光电效应：物质受光照射后，材料电学性质发生了变化（发射电 子、电导率的改变、产生感生电动势）现象。包括：外光电效应：产 生电子发射。内光电效应：内部电子能量状态发生变化光电导效应：光照射的物质电导率发生改变，光照变化引起材料 电导率变化。是光电导器件工作的基础。包括：本征和非本征两种， 对应本征和杂质半导体材料。属于内光电效应。稳态光电流：当在垂 直于电场方向有均匀光照入射到样品表面，且入射光通量恒定时，样 品中流出的光电流为稳态光电流。暗电导率：无光照时，半导体材料 在常温下具有一定的热激发载流子

5、浓度，此时材料处于暗态，具有一 定的暗电导率。暗电流：暗态下外加电压通过的电流。光电导：亮电 导与暗电导之差。光电流：亮电流与暗电流之差。弛豫现象：光电导材料从光照开始到获得稳定的光电流需要一定 的时间。同样光电流的消失也是逐渐的。光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数，表示长度为L 的光电导体在两端加上电压 U 后，由光照产生的光生载流子在电场作 用下形成的外电流与光生载流子在内部形成的光电流之比。光电导器件常做成梳状电极，光敏面做成蛇形，即保证了较大的 受光表面，又可减小电极间距离，从而减小载流子的有效极间渡越时 间，也利于提高灵敏度杂质光电导效应：杂质半导体中施主或受主吸收光子能量

6、后电离 中，产生自由电子或空穴，从而增加材料电导率的现象。特点：容易 受热激发产生的噪声的影响，常工作在低温状态。光生伏特效应：达 到内部动态平衡的半导体PN结，在光照的作用下，在PN结的两端产 生电动势，称为光生电动势光热效应：与光电效应的区别：光电效应中，光子能量直接变为 光电子的能量，光热效应中，光能量与晶格相互作用使其运动加剧， 造成温度的升高，从而引起物质相关电学特性变化。可分为 :热释电效 应（介质温度在光照作用下温度发生变化，介质的极化强度随温度变 化而变化，引起表面电荷变化的现象。物理本质：极化晶体：在外电 场和应力为零情况下自身具有自发极化的晶体，原因是内部电偶极矩 不为零，

7、表面感应束缚电荷）、辐射热计效应（入射光照射材料由于受热而造成电阻率变化 的现象称为辐射热计效应。由温度引起电阻率变化）及温差电效应 （由两种不同材料制成的结点由于受到某种因素作用而出现了温差， 就有可能在两结点间产生电动势，回路中产生电流，这就是温差电效 应）光电检测器件利用特质的光电效应把光信号转换成电信号的器件， 可分为光子检测器件和热电检测器件。（热电检测器件：热释电检测 器（热释电效应），热敏电阻（辐射热计效应），热电偶和热电堆 （温差电效应）（光子检测器件分为电真空或光电发射型检测器件 （光电管和光电倍增管）和固体或半导体光电检测器件（光导型：光 敏电阻，光伏型：光电池、光电二、三

8、极管）热电检测器件的特点： 1、响应波长无选择性。对各种波长具有 相同的敏感性。 2、响应慢。即吸收辐射后产生信号所需时间长，在 毫秒量级。光子检测器件的特点：1、响应波长有选择性。存在截止波 长。2、响应快。一般为纳秒到几百微秒响应时间：响应时间是描述光电检测器对入射辐射响应快慢的参 数。即入射光辐射到检测器后或入射光被遮断后，光电检测器件输出 上升到稳定值或下降到照射前的值所需要的时间。频率响应S（f）:由 于光电检测器信号的产生和消失存在着一个滞后过程，所以入射光辐 射的频率对光电检测器的响应将有很大的影响，把光电检测器的响应 随入射辐射的调制频率而变化的特性称为频率响应。可见:光电检测

9、 器电路时间常数决定了频率响应带宽光电导器件或光敏电阻:利用具有光电导效应的材料（如 Si、Ge 等本征半导体与杂质半导体，如CdS、CdSe、PbO ）可以制成电导率 随入射光辐射量变化而变化的器件。结构特点：体积小、坚固耐用、 价格低廉、光谱响应范围宽，广泛应用于微弱辐射信号的检测技术领 域。工作原理：当入射光子使半导体物质中的电子由价带跃升到导带 时，导带中的电子和价带中的空穴均参与导电，因此电阻显著减小， 电导增加，或连接电源和负载电阻，可输出电信号。光敏电阻按半导 体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐

10、射 的检测。设计原则，光敏电阻在弱光辐射下光电导灵敏度Sg与光敏电 阻两电极间距离 l 的平方成反比，在强辐射作用下 Sg 与 l 的二分之三 次方成反比，因此在设计光敏电阻时，尽可能地缩短光敏电阻两极间 距离。工作性能特点：1 光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、 紫外区域工作电流大，可达数毫安。2 所测光电强度范围宽，既可测弱 光，也可测强光3 灵敏度高，光电增益可以大于1。 4 无选择极性之分， 使用方便。缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性 差。应用：照相机、光度计、光电自动控制、辐射测量、能量辐射、 物体搜索和跟踪、红外成像和红外通信等技术方面制成的光辐射接收 器

11、件。前历效应：指光敏电阻的时间特性与工作前“历史”有关的一种 现象。即测试前光敏电阻所处状态对光敏电阻特性的影响。暗态前历 效应：指光敏电阻测试或工作前处于暗态，当它突然受到光照后光电 流上升的快慢程度。一般地，工作电压越低，光照度越低，则暗态前 历效应就越重，光电流上升越慢。亮态前历效应：光敏电阻测试或工 作前已处于亮态，当照度与工作时所要达到的照度不同时，所出现的 一种滞后现象。光电池是一种利用光生伏特效应制成的不需加偏压就能将光能转 化成电能的光电器件。基本结构： 1、金属-半导体接触型（硒光电池） 2、PN 结型。几个特征：1、栅状电极 2、受光表面的保护膜。3、上、 下电极的区分光电

12、池光照特性特征： 1、Voc 与光照 E 成对数关系；典型值在0.45-0.6V。作电源时，转化效率10%左右。最大15.5-20%。2、Isc 与E成线性关系，常用于光电池检测，Isc典型值35-45mA/cm2。2、 RL 越小，线性度越好，线性范围越宽。 3、光照增强到一定程度，光 电流开始饱和，与负载电阻有关。负载电阻越大越容易饱和。光电池的应用：太阳能电池（把光能直接转化成电能，需要最大 的输出功率和转化效率。即把受光面做得较大，或把多个光电池作串、 并联组成电池组，与镍镉蓄电池配合，可作为卫星、微波站等无输电 线路地区的电源供给）检测元件（利用其光敏面大，频率响应高，光 电流与照度

13、线性变化，适用于开关和线性测量等）。光电二极管与光电池的特性比较1基本结构相同，由一个PN结；2 光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相 同,但光电流普遍比光电池小 ,为数微安。 3 掺杂浓度：光电池约为 1016-1019/cm3，硅光电二极管 10121013/cm3，4 电阻率：光电 池0.1-0.01,光电二极管1000Q/cmo 5光电池零偏压下工作，光电 二极管反偏压下工作。光电二极管的光谱特性1、光敏二极管在较小负载电阻下，光电流 与入射光功率有较好的线性关系。2、光敏二极管的响应波长与GaAs 激光管和发光二极管的波长一致，组合制作光电耦合器件。3、光电二

14、 极管结电容很小，频率响应高，带宽可达 100kHzo光电三极管的工作原理：工作过程：一、光电转换；二、光电流 放大。光电三极管主要应用于开关控制电路及逻辑电路当有光线照射于光电器件上时，使继电器有足够的电流而动作， 这种电路称为亮通光电控制电路，也叫明通控制电路。如果光电继电 器不受光照时能使继电器动作，而受光照时继电器释放，则称它为暗 通控制电路。光电耦合器件的工作原理：光电耦合器以光电转换原理传输信息， 由于光耦两侧是电绝缘的，所以对地电位差干扰有很强的抑制能力， 同时光耦对电磁干扰也有很强的抑制能力。光耦合器件有透光型与反 射型两种，在透光型光耦合器件中，发光器件与受光器件面对面安放，

15、 在它们之间有一间隔，当物体通过这一间隔时，发射光被切断。利用 这一现象可以检测出物体的有无。采用这种方式的耦合器件后边连接 的接口电路设计比较简单，检测位置精度也高。反射型光耦合器件从 发光器件来的光反射到物体上面由受光器件来检测出，比起透光型来 显得体积小，把它放在物体的侧面就能使用。1光电耦合器件的特点： 具有电隔离的功能；2信号的传输是单向性的，适用于模拟和数字信号 传输；3具有抗干扰和噪声的能力，可以抑制尖脉冲及各种噪声，发光 器件为电流驱动器件4响应速度快5使用方便，结构小巧，防水抗震， 工作温度范围宽；6 即具有耦合特性又具有隔离特性。光电耦合器由发 光器件（发光二极管）和受光器

16、件（光敏三极管）封装在一个组件内 构成；当发光二极管流过电流 IF 时发出红外光，光敏三极管受光激发 后导通，并在外电路作用下产生电流IC。光电耦合器件的应用：1 代替脉冲变压器耦合信号，带宽宽，失真 小 2代替继电器，无断电时的冲击电流和触点抖动。3完成电平匹配和 电平转换功能 4 用于计算机作为光电耦合接口器件，提高可靠性5 饱 和压降低，代替三极管做为开关元件 6 在稳压电源中，作为过电流自 动保护器件，简单可靠。（电平转换，逻辑门电路，起隔离作用，光 电开关）热敏电阻是用金属氧化物或半导体材料作为电阻体的温敏元件。 有三种基本类型：正温度系数，PTC，负温度系数，NTC,临界温度 系数CTC。特点：温度系数大、灵敏度高。电阻值大、引线电阻可忽 略。体积小，热响应快，廉价。互换性差、测温范围窄。在汽车、家 电领域得到大量应用热电偶的特点（又称温差电偶原理是热电效应）是测温范围宽，性能 稳定，有足够的测量精度，能够满足工业过程温度测量的需要；结构 简