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1、光电传感与检测技术参考书目参考书目光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社教材教材光电检测技术与应用郭培源郭培源付扬付扬 编著 北京航空航天大学出版社教材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参考书目参考书目光电检测技术曾光宇等编著 清华大学出版社光电传感与检测技术江晓军等编著 机械工业出版社 光电检测技术及应用周秀云等编著 电子工业出版社第一章 绪 论1.11.1课程内涵课程内涵课程内涵课程内涵1.21.2课程特点课程特点课程特点课程特点1.31.3课程组成课程组成课程组成
2、课程组成 光电传感技术光电传感技术光电传感技术光电传感技术 光电检测技术光电检测技术光电检测技术光电检测技术 1.3.11.3.1什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？ 1.3.21.3.2光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类 1.3.31.3.3光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性 1.3.41.3.4光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位1.41.4光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述1.51.5光电
3、检测系统组成光电检测系统组成光电检测系统组成光电检测系统组成1.61.6光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理1.71.7光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式1.81.8光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点1.91.9光电检测方法光电检测方法光电检测方法光电检测方法1.101.10光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第
4、1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论 光电传感与检测技术光电传感与检测技术是是光学光学与与电子学电子学相结合而产生的一门新兴检测技术相结合而产生的一门新兴检测技术, ,它主要利用它主要利用光电传感器光电传感器将光学信号变换成电学信号将光学信号变换成电学信号, ,并采用并采用电路放大电路放大和和滤波滤波处理处理等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算机等方法进行分析并进一步机等方法进行分析并进一步传递、储存、控制和显示传递、储存、控制和显示。 光电传感与检测技术光电传感与检测技术具有具有非接触、精度高、速度
5、快、自动化非接触、精度高、速度快、自动化等特点，是等特点，是光、机、电、光、机、电、计计算算机技术的综合应用。它将机技术的综合应用。它将光电传感器与单片机光电传感器与单片机技术、技术、计算计算机技术及虚拟仪器机技术及虚拟仪器技术相结合，使检测技术更加方便。技术相结合，使检测技术更加方便。1.1课程内涵课程内涵1.2课程特点课程特点光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光电传感技术光电传感技术光电检测技术光电检测技术1.3课程组成课程组成光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论在我们日常生活中，使用着各
6、种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器，在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器， 电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器电冰箱、电饭煲中的温度传感器; ;空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器空调中的温度和湿度传感器; ; 煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器煤气灶中的煤气泄漏传感器; ; 水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器水表、电表
7、、电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器照相机中的光传感器照相机中的光传感器照相机中的光传感器; ; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。 传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？传感器给我们的生活带来了多少便利和帮助呢？1. 1.3.13.1 什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1.
8、1.3. 3.1 1什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器? ?第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论Ferrari330Ferrari330光光电电传传感感与与检检测测技技术术车胎压力监测车胎压力监测光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.3. 3.1 1什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器眼（视觉）眼（视觉）眼（视觉）眼（视觉） 耳（听觉）耳（听觉）耳（听觉）耳（听觉） 鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉）鼻（嗅觉） 皮肤
9、（触觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉）皮肤（触觉） 舌（味觉）舌（味觉）舌（味觉）舌（味觉）感知外界信息感知外界信息感知外界信息感知外界信息 大脑大脑大脑大脑 肌体肌体肌体肌体 人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较人体系统和机器系统比较 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3. 3.1 1什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器 人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些人的体力和脑力劳动通过感觉
10、器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤
11、。 传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称传感器好比人体感官的延长，有人又称“ “电五官电五官电五官电五官” ”。 传感器传感器传感器传感器外外外外 界界界界 信信信信 息息息息感感感感 官官官官大大大大 脑脑脑脑肌肌肌肌 体体体体计算机计算机计算机计算机执行机构执行机构执行机构执行机构光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论从从从从广广广广义义义义的的的的角角角角度度度度来来来来说说说说，感感感感知知知知信信信信号号号号检检检检出出出出器器器器件件件件和和和和信信信信号号号号处处处处
12、理理理理部分总称为传感器。部分总称为传感器。部分总称为传感器。部分总称为传感器。1. 1.3. 3.1 1什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。对于各种各样的被测量，有各种各样的传感器。下面请看几个传感器应用实例下面请看几个传感器应用实例下面请看几个传感器应用实例下面请看几个传感器应用实例: : : :1. 1.3. 3.1 1什么是传感器什么是传感器什么是传感器什么是传感器
13、光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.23.2光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成光电传感器的组成: : : : 光源光源 光电元件光电元件 光学通路光学通路光光束束沿沿着着光光学
14、学通通路路经经被被测测物物体体后后携携带带被被测测量量的的信息信息发发出出一一定定强度的光强度的光接接受受被被测测量的光束量的光束光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光电传感器的分类光电传感器的分类光电传感器的分类光电传感器的分类: : : :(1)(1)(1)(1)按照探测机理分类按照探测机理分类按照探测机理分类按照探测机理分类: : : :光子传感器光子传感器内内光光电电传传感感器器:光光敏敏电电阻阻、光光生生伏伏特特器器件件、光光电电池池、光光敏敏二二极极管、光敏晶体管管、光敏晶体管外外光光电电传传感感器器:光光电电管管、光光电电倍倍增增
15、管管、像增强器像增强器热传感器热传感器热释电传感器、热释电传感器、热电堆光传感器、热电堆光传感器、辐射热计传感器辐射热计传感器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论(2)(2)(2)(2)按照光电传感器输出信号的性质分类按照光电传感器输出信号的性质分类按照光电传感器输出信号的性质分类按照光电传感器输出信号的性质分类: : : :光纤传感器、光纤传感器、光栅传感器、光栅传感器、光电式传感器、光电式传感器、模拟光学传感器、模拟光学传感器、固态图象传感器固态图象传感器 传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量
16、，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响，质量块、弹簧等）的影响， 对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不对快变信号与慢变信号，反应大不相同。相同。相同。相同。 慢变信号
17、慢变信号慢变信号慢变信号输入输入输入输入X X X X为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研为静态或变化极缓慢的信号时研 究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间变化的特性。究静态特性，即不随时间变化的特性。快变信号快变信号快变信号快变信号 输入量输入量输入量输入量X X X X随时间随时间随时间随时间t t t t变化较快时考虑输变化较快时考虑输变化较快时考虑输变化较快时考虑输 出的动态特性出的动态特性出的动态特性出的动态特性, , , ,即随时间变化的特性；即随时间变化的特性；即随时间变化的特性
18、；即随时间变化的特性； 传感器系统传感器系统输输输输入入入入 X X X XY Y Y Y 输输输输出出出出第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.3.33.3光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性( (一一一一) ) 传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性 当输入量（当输入量（当输入量（当输入量（X X X X）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的）为静态（常量）或变化缓慢的 信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论
19、传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的 静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性，输入输出关系称静态特性。静态特性。静态特性。静态特性。 静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括：静态特性包括： 线性度线性度线性度线性度、迟滞迟滞迟滞迟滞、重复性重复性重复性重复性、灵敏度、漂移灵敏度、漂移灵敏度、漂移灵敏度、漂移数学式表示为数学式表示为数学式表示为数学式表示为: : : : 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（1 1 1 1）线性度）线性度）线性度）线性
20、度: : : :v 传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：传感器的输入输出关系可以用多项式表示：( (一一一一) )传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性传感器静态特性其中：其中：其中：其中： x x x x 输入量，输入量，输入量，输入量， Y Y Y Y 输出量；输出量；输出量；输出量； a a a a0 0 0 0 x = 0 x = 0 x = 0 x = 0 时的输出值时的输出值时的输出值时的输出值 a a a a1 1 1 1 理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度理想灵敏度 a a a a2, 2, 2, 2
21、, a a a a3 3 3 3.a a a an n n n 非线性项系数非线性项系数非线性项系数非线性项系数 输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度输入与输出之间数量关系的线性程度第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性v 传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度）传感器的非线性误差（线性度） 用相对误差表示：用相对误差表示：用相对误差表示：用相对误差表示： 最大非线性
22、绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差最大非线性绝对误差 满量程输出满量程输出满量程输出满量程输出 线性度线性度线性度线性度 Y X YiXiLmaxY=kx+b线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线线性度是表征实际特性与拟合直线 不吻合的参数不吻合的参数不吻合的参数不吻合的参数 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术各种直线拟合方法各种直线拟合方法第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态
23、特传感器静态特性性性性最小二乘法线性度最小二乘法线性度设拟合直线方程设拟合直线方程:取取n个测点个测点,第第i残差为残差为:求残差平方和为最小值求残差平方和为最小值:解出解出k k、b b代入作拟合直线，代入作拟合直线，i i为非线性误差。为非线性误差。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性（2 2 2 2）迟滞）迟滞）迟滞）迟滞v 传感器在正、反传感器在正、反传感器在正、反传感器在正、反 行程期间输入、行程期间输入、行程期间输入、行程期间输入、 输出曲线不重合输出曲线
24、不重合输出曲线不重合输出曲线不重合 的现象称迟滞。的现象称迟滞。的现象称迟滞。的现象称迟滞。 例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤例：一电子秤 增加砝码增加砝码增加砝码增加砝码 10g 10g 10g 10g 50g 50g 50g 50g 100g 100g 100g 100g 200g 200g 200g 200g 电桥输出电桥输出电桥输出电桥输出 0.5mv 0.5mv 0.5mv 0.5mv 2mv 2mv 2mv 2mv 4mv 4mv 4mv 4mv 10mv 10mv 10mv 10mv 减砝码输出减砝码输出减砝码输出减砝码输出 1mv 1mv 1mv 1mv 3mv 3mv 3
25、mv 3mv 6mv 6mv 6mv 6mv 10mv 10mv 10mv 10mv 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性v 迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示：迟滞误差计算由满量程输出的百分数表示： 为正、反为正、反 行程输出值间的最大差值行程输出值间的最大差值 v 产生迟滞误差的原因：产生迟滞误差的原因： 由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。由于敏感元件材料的物理性质缺陷造成的。 如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场
26、、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。如弹性元件的滞后、外加磁场、电场作用的铁磁体、铁电体。 迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。迟滞误差的存在使输入输出不能一一对应。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性（3 3 3 3）重复性）重复性）重复性）重复性v 传感器输入量按同一方向作多次传感器输入量按同一方向作多次传感器输入量按同一方向作多次传感器输入
27、量按同一方向作多次 测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。测量时输出特性不一致的程度。 v 属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示：属于随机误差可用标准偏差表示： 或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复或用正反行程中最大重复偏差偏差偏差偏差 表示：表示：表示：表示：max max max max 最大标准差；最大标准差；最大标准差；最大标准差； 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静
28、态特传感器静态特传感器静态特性性性性（4 4 4 4）灵敏度）灵敏度）灵敏度）灵敏度v在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值 对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：对线性传感器灵敏度是直线的斜率：S = Y/X S = Y/X S = Y/X S = Y/X 对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量：对非线性传感器灵敏度为一变量： S = S = S =
29、 S = dy/dxdy/dxdy/dxdy/dx 灵敏度单位，灵敏度单位，灵敏度单位，灵敏度单位，mvmv/mm /mm mvmv/第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性（5 5 5 5）漂移）漂移）漂移）漂移v 定义定义定义定义: : : :在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下在输入量保持不变的情况下, , , ,输出量随时间的变化输出量随时间的变化输出量随时间的变化输出量随时间的变化vv产生原因产生原因产生原因产生原因: : :
30、 : 一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数一是传感器自身结构参数; ; ; ;vv 二是周围环境二是周围环境二是周围环境二是周围环境( ( ( (如温度如温度如温度如温度, , , ,湿度等湿度等湿度等湿度等) ) ) ) 温度漂移通常用传感器温度漂移通常用传感器工作环境温度工作环境温度偏离偏离标准环境温度标准环境温度( (一般为一般为2020 C) )时的输出值的变化量与温度变化量之比时的输出值的变化量与温度变化量之比 来表示。来表示。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静
31、态特传感器静态特传感器静态特性性性性（6 6 6 6）分辨率和阈值）分辨率和阈值）分辨率和阈值）分辨率和阈值v 分辨率分辨率分辨率分辨率 传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量；传感器能够检测到的最小输入增量； v 阈值阈值阈值阈值 输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值；输入小到某种程度输出不再变化的值； v 门槛灵敏度门槛灵敏度门槛灵敏度门槛灵敏度 指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。指输入零点附近的分辨能力。 当当输入的变化量被传
32、感器内部噪声吸收时将反映不到输出！输入的变化量被传感器内部噪声吸收时将反映不到输出！第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术( (一一一一) ) 传感器静态特传感器静态特传感器静态特传感器静态特性性性性 当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时当输入量随时间变化时, , , ,讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。讨论传感器的动态特性。 如如如如 : : : :加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被测量是时间的函数，加速度、振动等，这时被
33、测量是时间的函数， 或是频率的函数。或是频率的函数。或是频率的函数。或是频率的函数。 用时域法表示：用时域法表示：用时域法表示：用时域法表示： 用频域法表示：用频域法表示：用频域法表示：用频域法表示： 动态特性是传感器动态特性是传感器动态特性是传感器动态特性是传感器输出输出输出输出对（对（对（对（随时间变化的）随时间变化的）随时间变化的）随时间变化的）输入量输入量输入量输入量的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态误差！误差！误差！误差！ ( (二二二二) )
34、 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术例：动态测温例：动态测温例：动态测温例：动态测温 设环境温度为设环境温度为设环境温度为设环境温度为T T T T0 0 0 0 , , , ,水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为水槽中水的温度为T,T,T,T,而且而且而且而且 T T T TT T T T0 0 0 0 用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温用热电偶测温, , , ,传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中；传感器突然插入被测介质中； 理想
35、情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线理想情况测试曲线T T T T是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的；是阶跃变化的； 实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程实际热电偶输出值是缓慢变化，存在一个过渡过程水温水温T热电偶热电偶环境温度To To T TToTo( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术 影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号
36、的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关, , , , 在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。和阶跃信号。和阶跃信号。和阶跃信号。 输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相位、频率，称位、频率，称位、频率，称位、频率，称频率响应频率响应频率响应频率响应； 输入信号
37、为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称间变化过程进行分析，称阶跃响应阶跃响应阶跃响应阶跃响应（瞬态响应）；（瞬态响应）；（瞬态响应）；（瞬态响应）；( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（1 1 1 1） 传递函数传递函数传递函数传递函数 传感器系统传感器系统输入激励输入激励输入激励输
38、入激励 X X X X（t)t)t)t)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（t)t)t)t)假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随假设传感器输入、输出在线性范围变化，当输入量随时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方时间变化时，它们的关系可用高阶常系数线性微分方程表示：程表示：程表示：程表示：式中：式中：式中：式中： Y Y Y Y输出；输出；输出；输出；X X X X输入；输入；输入
39、；输入；a a a ai i i i 、b b b bi i i i 为为常数常数常数常数( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数微分方程两边取拉氏变换，将实函数变换到复变函数 时拉氏变换定义为：时拉氏变换定义为：( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论
40、论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数：传感器的传递函数： 传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件传感器传递函数的在数学上的定义是：初始条件为零为零为零为零(t0(t0(t0(t0，y=0)y=0)y=0)y=0)时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的时，输出的拉氏变换与输入的拉氏变换之比拉氏变换之比拉氏变换之比拉氏变换之比, , , ,可由可由可由可由输入输入输入输入和和和和传递函数传递函数传递函数传递函数求出输
41、出拉求出输出拉求出输出拉求出输出拉氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出氏变换，再求逆变换得出y(ty(ty(ty(t) ) ) )将频域变换为时域将频域变换为时域将频域变换为时域将频域变换为时域 。 H H（S S）输入激励输入激励输入激励输入激励 X X X X（S)S)S)S)输出响应输出响应输出响应输出响应 Y Y Y Y（S)S)S)S)( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术大多数传感器的情况一般有大多数传感器的情况一般有大多数传感
42、器的情况一般有大多数传感器的情况一般有 传递函数可化简为：传递函数可化简为：传递函数可化简为：传递函数可化简为：分母多项式中的方程式有分母多项式中的方程式有分母多项式中的方程式有分母多项式中的方程式有n n n n个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一个根，总可以分解为一次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子次和二次的实系数因子( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术零阶系统是个特例，无时间滞后，零阶系统是个特例，无时间滞后，零
43、阶系统是个特例，无时间滞后，零阶系统是个特例，无时间滞后，n=0n=0n=0n=0时时时时一阶系统一阶系统一阶系统一阶系统,n = 1,n = 1,n = 1,n = 1二阶系统二阶系统二阶系统二阶系统,n = 2,n = 2,n = 2,n = 2 用用用用分分分分母母母母的的的的阶阶阶阶次次次次代代代代表表表表传传传传感感感感器器器器的的的的特特特特征征征征，数数数数学学学学模模模模型型型型是是是是n n阶阶阶阶就就就就称称称称n n阶阶阶阶传传传传感感感感器器器器。一一一一个个个个高高高高阶阶阶阶系系系系统统统统可可可可以以以以看看看看成成成成若若若若干干干干个个个个零零零零阶阶阶阶、一
44、一一一阶阶阶阶、二二二二阶阶阶阶系系系系统统统统串串串串联联联联。传传传传感感感感器器器器种种种种类类类类很很很很多多多多，一一一一般般般般可可可可简简简简化化化化为为为为一一一一阶阶阶阶或或或或二二二二阶阶阶阶系系系系统统统统，高高高高阶阶阶阶传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。传感器较少，也可分解成若干低阶环节。( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（2 2 2 2）一阶系统的动态响应（惯性系统
45、）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统）一阶系统的动态响应（惯性系统） v 一阶系统传递函数一阶系统传递函数静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度静态灵敏度 时间常数时间常数时间常数时间常数设设设设k=1k=1k=1k=1传递函数可简化为传递函数可简化为传递函数可简化为传递函数可简化为： ( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术（a) a) 一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）一阶传感器的阶跃响应（瞬态响应）单位阶跃信号拉氏变换为：单位阶跃信号拉氏变换为： 一阶
46、系统一阶系统 由拉氏反变换得到单位阶跃的响应信号为：由拉氏反变换得到单位阶跃的响应信号为： 一阶系统输出一阶系统输出拉氏变换为：拉氏变换为： ( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术v 一阶传感器的阶跃响应一阶传感器的阶跃响应( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术讨论讨论： 瞬瞬态响应是指数函数，输出曲线成指数变化逐渐达到稳定；态响应是指数函数，输
47、出曲线成指数变化逐渐达到稳定； 因为惯性存在，输出不能立刻达到稳定，理论上因为惯性存在，输出不能立刻达到稳定，理论上t t时才时才 能达到稳定，当能达到稳定，当t=t=时即达到稳定值的时即达到稳定值的63.2%63.2%，可见时间，可见时间 常数常数越小越好越小越好，是反映一阶传感器的重要参数；，是反映一阶传感器的重要参数； 实际运用时实际运用时t = 4t = 4时工程上认为已达到稳定；时工程上认为已达到稳定； 由曲线看出它与动态测由曲线看出它与动态测 温相似，所以动态测温温相似，所以动态测温 是典型的一阶系统是典型的一阶系统 。( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感
48、器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术(b)(b) 一阶传感器的频率响应一阶传感器的频率响应 输入正弦信号的拉氏变换输入正弦信号的拉氏变换一阶系统一阶系统一阶系统一阶系统 通过传递函数求出输出：通过传递函数求出输出：( (二二二二) ) 传感器动态特传感器动态特传感器动态特传感器动态特性性性性第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 构成现代信息技术的三大支柱是：构
49、成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是：构成现代信息技术的三大支柱是： 传感器技术传感器技术传感器技术传感器技术（信息采集）；（信息采集）；（信息采集）；（信息采集）； 通信技术通信技术通信技术通信技术 （信息传输）；（信息传输）；（信息传输）；（信息传输）； 计算机技术计算机技术计算机技术计算机技术（信息处理）；（信息处理）；（信息处理）；（信息处理）； 它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到它们在信息系统中分别起到 “ “感官感官感官感官” ”、“ “神经神经神经神经” ”和和和和“ “大脑大脑大脑大脑” ”的作用的作用的作用的作用。 在
50、利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的 信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论目目目目前前前前传传传传感感感感器器器器技技技技术术术术已已已已经经经经在在在在越越越越来来来来越越越越多多多多的的的的领领领领域域域域得得得得到到到到应应应应用用用用，传传传
51、传感感感感器器器器广广广广泛泛泛泛用用用用于于于于工工工工业业业业、农农农农业业业业、商商商商业业业业、交交交交通通通通、环环环环境境境境监监监监测测测测、医医医医疗疗疗疗诊诊诊诊断断断断、军军军军事事事事科科科科研研研研、航航航航空空空空航航航航天天天天、现现现现代代代代办办办办公公公公设设设设备备备备、智智智智能能能能楼楼楼楼宇宇宇宇和和和和家家家家用用用用电电电电器器器器等等等等领领领领域域域域。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。是构建现代信息系统的重要组成部分。 传传传传感感感感器器器器对对对对观观观观测测测测和和和和
52、自自自自动动动动化化化化技技技技术术术术所所所所起起起起的的的的作作作作用用用用远远远远比比比比家家家家用用用用电电电电器器器器所所所所起起起起到到到到的的的的作作作作用用用用大大大大的的的的多多多多。这这这这几几几几乎乎乎乎是是是是无无无无可可可可争争争争议的事实。议的事实。议的事实。议的事实。光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 在基础学科在基础学科在基础学科在基础学科 研究中，传感器更有突出的地位。宏观上研究中，传感器
53、更有突出的地位。宏观上研究中，传感器更有突出的地位。宏观上研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一磁场、
54、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。些边缘学科开发的先驱。些边缘学科开发的先驱。些边缘学科开发的先驱。 现代工业生产现代工业生产现代工业生产现代工业生产 尤其是自动化生产过程中，每个生产环尤其是自动化生产过程中，每个生产环尤其是自动化生产过程中，每个生产环尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二
55、是保证设备工作在最佳一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。状态。状态。状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。到自动化技术的水平。到自动化技术的水平。到自动化技术的水平。 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器
56、技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 现代工业生产现代工业生产现代工业生产现代工业生产光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 机器人机器人机器人机器人 传感器系统包括传感器系统包括传感器系统包括传感器系统包括 视觉视觉视觉视觉: : : :平面、立体平面、立体平面、立体平面、立体 非视觉非视觉非视觉非视觉: : : :触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、触觉、滑觉、热觉、力觉
57、、接近觉、触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1.11.1课程内涵课程内涵课程内涵课程内涵1.21.2课程特点课程特点课程特点课程特点1.31.3课程组成课程组成课程组成课程组成 光电传感技术光电传感技术光电传感技术光电传感技术 光电检测技术光电检测技术光电检测技术光电检测技术 1.3.11.3.1什么是传
58、感器？什么是传感器？什么是传感器？什么是传感器？ 1.3.21.3.2光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类光电传感器的组成和分类 1.3.31.3.3光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性光电传感器的特性 1.3.41.3.4光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位光电传感器技术的作用和地位1.41.4光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述光电检测技术概述1.51.5光电检测系统组成光电检测系统组成光电检测系统组成光电检测系统组成1.61.6光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的基本工作原理光电检测系统的
59、基本工作原理光电检测系统的基本工作原理1.71.7光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式光电检测系统的基本结构形式1.81.8光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点光电检测技术的特点1.91.9光电检测方法光电检测方法光电检测方法光电检测方法1.101.10光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光电检测技术发展趋势和应用光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和
60、地位传感器技术的作用和地位电电电电子子子子汽汽汽汽车车车车衡衡衡衡 计计计计量量量量测测测测试试试试 超声波测流量超声波测流量超声波测流量超声波测流量红外测温红外测温红外测温红外测温光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位热电偶测温热电偶测温热电偶测温热电偶测温 医疗诊断医疗诊断医疗诊断医疗诊断 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作
61、用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 家用电器家用电器家用电器家用电器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器液化气烟雾报警器智能洗衣机智能洗衣机智能洗衣机智能洗衣机遥控器遥控器遥控器遥控器光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 智能建筑智能建筑智能建筑智能建筑 给排水系统给排水系统给排水系统给排水系统泵系统泵系统泵系统泵系统锅炉系统锅炉系统锅炉系统锅炉系统环境控制环境控制环境控制
62、环境控制电力监测电力监测电力监测电力监测能量计费能量计费能量计费能量计费消防系统消防系统消防系统消防系统保安系统保安系统保安系统保安系统照明系统照明系统照明系统照明系统DDCDDCDDCDDC光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位自自自自动动动动识识识识别别别别系系系系统统统统( ( ( (门门门门禁禁禁禁系系系系统统统统) ) ) )打打打打破破破破了了了了人人人人们们们们几百年来用钥匙开锁的传统几百年来用钥匙开锁的传统几百
63、年来用钥匙开锁的传统几百年来用钥匙开锁的传统指纹门禁指纹门禁指纹门禁指纹门禁感应式门禁感应式门禁感应式门禁感应式门禁光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位 最最最最 新新新新 湿湿湿湿 度度度度 测测测测 量量量量 应应应应 用用用用 领领领领 域域域域 纺纺 织织 品品精确的 烟草烘干烟草烘干木材烘干木材烘干 芯片生产要求最高的湿度稳定性芯片生产要求最高的湿度稳定性纸纸 品品湿度传感器湿度传感器 过程控制过程控制过程控制过程
64、控制 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位NOX NO + NO2dust sootH2SH2OHC C-totalCO2 COO2 HCN HCl HF NH3 SO2 环境监测环境监测环境监测环境监测 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位上海卢浦大桥上
65、海卢浦大桥通车应力试验通车应力试验光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位智能化水质检验 水水水水 库库库库无线水质感应器无线水质感应器无线水质感应器无线水质感应器下游下游下游下游用户用户用户用户用户用户用户用户光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器已渗透
66、到宇宙开发、海洋探测、军事国传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至可以毫不夸张地说：几乎
67、每个现代化项目，以至可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。 由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会由此可见，传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。十分重视
68、这一领域的发展。十分重视这一领域的发展。十分重视这一领域的发展。 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位未来世界未来世界是个充满传感器的世界，还是个充满传感器的世界，还会有会有： 智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源） 智能衣服（自动调节温度）智能衣服（自动调节温度） 智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量） 智能汽车（无人驾驶、卫星定位
69、）智能汽车（无人驾驶、卫星定位） 智能智能 光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.3.43.4光光光光电电传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位传感器技术的作用和地位1.41.4光光光光电电检测技术概述检测技术概述检测技术概述检测技术概述光电检测技术是信息时代的关键技术！光电检测技术是信息时代的关键技术！第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光电检测技术是研究光电检测技术是研究光电检测系统光电检测系统的技术，的技术，所谓光电检测系统，是指对所谓光电检测系统，是指对被测光学量被测光学量或或由非由非光
70、学被测量转换成的光学量光学被测量转换成的光学量，通过光电变换和，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。光电检测技电路处理的方法进行检测的系统。光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，其功能是利用光电子技术对光学信息测技术，其功能是利用光电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等。和显示等。光光电电传传感感与与检检测测技技术术qq实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长实际
71、上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。度、体积、质量和时间。度、体积、质量和时间。度、体积、质量和时间。18181818世纪以来科学技术取得飞世纪以来科学技术取得飞世纪以来科学技术取得飞世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。速发展，被测对象迅速扩大。速发展，被测对象迅速扩大。速发展，被测对象迅速扩大。 力学领域有力学领域有力学领域有力学领域有速度、加速度、力、功和能量速度、加速度、力、功和能量速度、加速度、力、功和能量速度、加速度、力、功和能量等；等；等；等； 电磁学领域中有电磁学领域中有电磁学领域中有电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场电流、电压、电
72、阻、电容、磁场电流、电压、电阻、电容、磁场电流、电压、电阻、电容、磁场； 化学领域中有化学领域中有化学领域中有化学领域中有浓度、成分、浓度、成分、浓度、成分、浓度、成分、pHpHpHpH值值值值等；等；等；等； 工业领域中有工业领域中有工业领域中有工业领域中有流量、压力、温度、黏度流量、压力、温度、黏度流量、压力、温度、黏度流量、压力、温度、黏度等被测量。等被测量。等被测量。等被测量。 现在的被测对象更为广泛，有现在的被测对象更为广泛，有现在的被测对象更为广泛，有现在的被测对象更为广泛，有人体心电人体心电人体心电人体心电、脑电波脑电波脑电波脑电波等体等体等体等体表电位测量，表电位测量，表电位测
73、量，表电位测量，生物断面测量生物断面测量生物断面测量生物断面测量；工业领域的；工业领域的；工业领域的；工业领域的光泽、触觉光泽、触觉光泽、触觉光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。 第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1.41.4光光光光电电检测技术概述检测技术
74、概述检测技术概述检测技术概述光光电电传传感感与与检检测测技技术术1.41.4光光光光电电检测系统概述检测系统概述检测系统概述检测系统概述qq就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。度；用
75、液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。 传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但传统的传感器可以完成从非电量到非电量的转换，但无法无法无法无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。动检测与控制。动检测与控制。动检测与控制。
76、随着科学技术的发展，对测量的精确度、随着科学技术的发展，对测量的精确度、随着科学技术的发展，对测量的精确度、随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感
77、感与与检检测测技技术术定义：定义：被测信息：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：全部操作：检测过程检测过程:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作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检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象：被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）检测器具检测器具:化学量（化学量（PH、成份成份）生物量（酶、葡萄糖、生物量（酶、葡萄糖、）
78、例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温空气空气被测对象被测对象：被测信息被测信息：检测器具检测器具：操作过程操作过程：室内空气室内空气温度温度温度传感器温度传感器-热电阻、热电偶热电阻、热电偶热敏电阻热敏电阻电信号电信号 处理处理 显示显示空调机空调机n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。n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。1. 1.5 5光光
79、光光电电检测系统组成检测系统组成检测系统组成检测系统组成光电检测系统转换光电光源照明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光是信息传递的媒介，它由是信息传递的媒介，它由光源光源产生。光源与产生。光源与照明光照明光学系统学系统一起获得测量所需的一起获得测量所需的光载波光载波；光载波与光载波与被测对象被测对象同时作用在光学系统上而将被测量同时作用在光学系统上而将被测量载荷到光载波上，称为载荷到光载波上，称为光学变换。光学变换。光学变换是用各种光学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有各种被
80、测信息，称为各种被测信息，称为光信息；光信息；光信息经光电器件实现由光向光信息经光电器件实现由光向电的信息电的信息转换，称为转换，称为光光电转换电转换；然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算，直接或送到计算机进行进一步的运算，直接显示显示被测量或被测量或者存储或者去者存储或者去控制控制相应的装置。相应的装置。 光源光源与与照明光学系统照明光学系统是光电检测系统必不是光电检测系统必不可少的一部分，可根据需要选择一定辐射功率、可少的一部分，可根据需要选择一定辐射
81、功率、一定光谱范围、一定发光空间分布的光源，以一定光谱范围、一定发光空间分布的光源，以该光源发出的光作为载体携带被测信息，一般该光源发出的光作为载体携带被测信息，一般光源可以选择白炽灯、气体放电灯、发光二极光源可以选择白炽灯、气体放电灯、发光二极管、激光器等，有时被测对象就是光源（如人管、激光器等，有时被测对象就是光源（如人体）；体）；照明系统可分为透射照明系统、反射、照明系统可分为透射照明系统、反射、折反射照明系统等。折反射照明系统等。光源光源n光源是光电检测系统的一个组成部分，大多数光电检测系统都离不开光源。n光电式检测系统对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、光谱分布、相干性、体积、造价
82、、功率等。n常用的光源可分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、电致发光器件和激光器等。 分类：分类：按照发光机理，光源可以分成如下几类：按照发光机理，光源可以分成如下几类： 太阳太阳 热辐射光源热辐射光源 白炽灯、卤钨灯白炽灯、卤钨灯 黑体辐射器黑体辐射器 汞灯汞灯 荧光灯荧光灯 钠灯钠灯 气体放电光源气体放电光源 氙灯氙灯光源光源 金属卤化物灯金属卤化物灯 空心阴极灯空心阴极灯 场致发光场致发光电致发光光源电致发光光源 发光二极管发光二极管 气体激光器气体激光器 固体激光器固体激光器 激光器激光器 染料激光器染料激光器 半导体激光器半导体激光器（一）热辐射光源 热物体都会向空间发出一定的光辐
83、射，基于这种原理的热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大。光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大。卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，光通量在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。白炽灯为可见光源，它的能量只有15%落在可见光区域，其峰值波长在近红外区域，约11.5mm，可用作近红外光源。热辐射光源输出功率大，但对电源的响应速度慢，不能用于快速的正弦和脉冲调制。（二）气体放电光源 电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成
84、的光源称为气体放电光源。源称为气体放电光源。气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到在某一光谱范围的辐射源。低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯、氙灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。（三）电致发光器件（三）电致发光器件固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。激光器种类繁多，按工作物质分类：n固体
85、激光器（如红宝石激光器）n气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）n半导体激光器（如砷化镓激光器）n液体激光器。（四）激光器（四）激光器光学变换光学变换是指上述光源发出的光在通过被是指上述光源发出的光在通过被测对象时，利用各种光学效应，如反射、折射、测对象时，利用各种光学效应，如反射、折射、干涉、衍射、吸收、散射、偏振等，使光束携干涉、衍射、吸收、散射、偏振等，使光束携带上被测对象的特征信息，形成待检测的光信带上被测对象的特征信息，形成待检测的光信号，光学变换通常是用各种光学元件及其系统号，光学变换通常是用各种光学元件及其系统（平面镜、透镜、棱镜、狭缝、光楔、起偏器、平面镜、透镜、棱镜
86、、狭缝、光楔、起偏器、波片、码盘、光栅、光学成像系统、光学干涉波片、码盘、光栅、光学成像系统、光学干涉系统等系统等）来实现将待测量）来实现将待测量( (位移、长度、温度、位移、长度、温度、形变等形变等) )转换为光参量（转换为光参量（振幅、频率、相位、振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等偏振态、传播方向变化等）。）。光电转换光电转换是光电检测的核心部分，主要作是光电检测的核心部分，主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号，以便于用目前最成熟的电子技术进行信号的处以便于
87、用目前最成熟的电子技术进行信号的处理。理。电信号处理电信号处理是由各种电子线路组成，主要有两个是由各种电子线路组成，主要有两个功能功能：（）实现对微弱电信号的检测，（）实现：（）实现对微弱电信号的检测，（）实现光源的稳定化。光源的稳定化。 具体包括具体包括放大、滤波、整形和去噪等。放大、滤波、整形和去噪等。常用电路：选频放大器相敏检波器（相敏整流器、相敏解调器）相位检测器（鉴相器）鉴频器脉冲宽度鉴别器积分微分运算器锁相环及锁相放大器 存储、显示和控制部分存储、显示和控制部分中，关键是控中，关键是控制部分，在需要利用检测量进行反馈后制部分，在需要利用检测量进行反馈后实施控制的系统中，需要附加控制
88、部分。实施控制的系统中，需要附加控制部分。1. 1.6 6光光光光电电检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理 光电检测系统是以光电信息变换为基础光电检测系统是以光电信息变换为基础的，把的，把待测量待测量通过光电信息变换变为通过光电信息变换变为电量电量来来进行测量的。进行测量的。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.6 6光光光光电电检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理（一）把待测量变换为连续光信息量（一）把待测量变换为连续光信息量 它是
89、以光通量的大小来反映待检测量的大小。它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光电探测器的光电流大小可以通量成正比，所以，光电探测器的光电流大小可以反映出待检测量的大小，即光电流反映出待检测量的大小，即光电流I I是待检测信息是待检测信息量量Q Q值的函数：值的函数： I=I=f(f(Q Q) ) 这是一种模拟量信息变换。这是一种模拟量信息变换。光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论1. 1.6 6光光光光电电检测系统的基本工作原理检测系统的基
90、本工作原理检测系统的基本工作原理检测系统的基本工作原理（二）把待检测量变换为脉冲光信息量（二）把待检测量变换为脉冲光信息量 它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量T T是待测信息量是待测信息量Q Q的函数：的函数：T=f(Q) 这是一种模这是一种模/ /数信息转换。数字信息量只取决于数信息转换。数字信息量只取决于光通量的有无，对光源和光电探测器要求相对较低。光通量的有无，对光源和光电
91、探测器要求相对较低。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式为为了了与与几几何何光光学学和和物物理理光光学学体体系系相相对对应应，光光电电变变换换结结构构形式分为：形式分为：按按几几何何光光学学变变换换的的光光电电检测方法检测方法按按物物理理光光学学变变换换的的光光电电检测方法检测方法辐射式辐射式反射式反射式遮挡式遮挡式透射式透射式干涉式干涉式衍射式衍射式第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技
92、技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（一）几何光学变换的结构形式（一）几何光学变换的结构形式（1）、辐射式）、辐射式1 1、被测物体、被测物体 2 2、会聚透镜、会聚透镜 3 3、光电二极管、光电二极管第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式 待测物本身就是辐射源，根据辐射出的功率、光谱待测物本身就是辐射源，根据辐射出的功率、光谱分布、温度等参数可以
93、确定待测物的存在、所处的方位，分布、温度等参数可以确定待测物的存在、所处的方位，根据光谱结构可以分析待测物的成分，如根据光谱结构可以分析待测物的成分，如辐射高温计、辐射高温计、火焰报警器、热成像仪、太阳能利用、侦察、跟踪、武火焰报警器、热成像仪、太阳能利用、侦察、跟踪、武器制导器制导等。等。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式例：全辐射测温：例：全辐射测温：由斯忒藩玻尔兹曼（由斯忒藩玻尔兹曼（StefanStefanBoltzma
94、nBoltzman）定律可知，物体的全定律可知，物体的全辐射出射度为：辐射出射度为： （1 1）式中：式中：比辐射率，对于某一物体比辐射率，对于某一物体值为常数值为常数 斯忒藩玻尔兹曼常数；斯忒藩玻尔兹曼常数； TT绝对温度。绝对温度。 在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作用，则光电探测在近距离测量时，可不考虑大气对辐射的吸收作用，则光电探测器输出的电压信号为：器输出的电压信号为：式中式中为光电变换系数。将（为光电变换系数。将（1 1）代入上式得：）代入上式得：(2)结论：结论：通过测量电压通过测量电压VS可以测量辐射体的温度。可以测量辐射体的温度。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪
95、绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（2）、反射式）、反射式1、光源、光源2、被测物、被测物3、光电探测器、光电探测器第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式 由由待测物把光反射到光电接收器，反射面状态可以待测物把光反射到光电接收器，反射面状态可以呈光滑的镜面或粗糙状，对应镜面反射和漫反射。呈光滑的镜面或粗糙
96、状，对应镜面反射和漫反射。反反 射射 形形式分为：式分为：镜面反射镜面反射（沿沿特特定定方方向射出）向射出）漫反射漫反射（光光向向各各个个方向反射）方向反射）（1）光电准直）光电准直（2）电动机等转动物体）电动机等转动物体的转速测量的转速测量接接收收到到的的光光通通量量大大小小与与产产生生漫漫反反射射的的表表面面材材料料性性质质、表表面面粗粗糙糙度度以以及及表表面面缺缺陷陷等等因因素素有有关关，故故可可检检测测物物体外观质量体外观质量第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测
97、系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式 测转速的例子：测转速的例子： 轴转动一周，光电探测器轴转动一周，光电探测器4 4就获得一个由光源就获得一个由光源1 1发出的反射发出的反射光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的转速。光的脉冲，此脉冲数就反映了轴的转速。 1、光源、光源2、转轴、转轴3、小平面镜、小平面镜4、光电探测器、光电探测器第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（3）、遮挡式）、遮挡式1、光源、光源2、待检测物、待检测物3、光电
98、探测器、光电探测器物理宽度为物理宽度为b，遮光位移量为，遮光位移量为l，则遮光面遮光面积为为光学系光学系统横向放大率，横向放大率，则光光电探探测器器输出出电信号信号变化量化量为：可可测物体位移量和尺寸：物体位移量和尺寸：光光电尺寸投影尺寸投影检测仪、光控开关、防盗光控开关、防盗报警等警等。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（4）、透射式）、透射式光透过待测物体，其中一部分光通量被吸收或散射，光透过待测物体，其中一部分光通量被吸收
99、或散射，另一部分透过待测物体由光电探测器接收，被吸收或散射另一部分透过待测物体由光电探测器接收，被吸收或散射的光通量的数值取决于待测物体的性质。的光通量的数值取决于待测物体的性质。如光透过均匀介质，透过量符合朗伯如光透过均匀介质，透过量符合朗伯-比尔定律，即比尔定律，即结论：可基于此法检测液体或气体浓度、透明度，检测结论：可基于此法检测液体或气体浓度、透明度，检测透透明薄膜厚度，透明容器缺陷明薄膜厚度，透明容器缺陷等。等。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结
100、构形式检测系统的基本结构形式（4）、透射式）、透射式第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术 光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物吸收或散射，另一部分光通量透过待检物体由光电探测器接收，如上图所示。被吸收或散射的光通量的数值决定于待检测物的性质。常用于检测液体或气体浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量；检测透明容器的疵病，测量胶片的密度等。1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（二）物理光学变换的结构形式（二）物理光学变换的结构形式（1）、干涉式）、干涉
101、式1 1光源光源 2 2透镜透镜 3 3分束器分束器 4 4反射镜反射镜 5 5待测物体待测物体 6 6光电探测器光电探测器结论：可基于此法检测位移、振动、液体或气体浓度、折射率等，灵敏度很高。结论：可基于此法检测位移、振动、液体或气体浓度、折射率等，灵敏度很高。第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测技技术术1. 1.7 7光光光光电电检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式检测系统的基本结构形式（2）、衍射式）、衍射式衍射测量原理结构衍射测量原理结构第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论光光电电传传感感与与检检测测
102、技技术术1.8光电检测技术的特点n高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。n高速度：光速是最快的。n远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。n非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。n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。n数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。1.9 光电检测方法n直接作用法n差动测量法n补偿测量法n脉冲测量法1.10 光电检测技术发展趋势和应用n纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。n小型、快速的微型光、机、电检测系统。n非接触、快速在线测量。n微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。n闭环控制的
103、光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。n向人们无法触及的领域发展。n光电跟踪与光电扫描测量技术。光电检测技术的发展趋势：一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在在线线检检测测：零零件件尺尺寸寸、产产品品缺缺陷陷、装装配配定定位位.现现代代工工程程装装备备中中，检检测测环环节节的的成成本本约约占占5070%光电检测技术的应用：自动检测系统实例自动检测系统实例自动检测系统实例自动检测系统实例检测技术在汽车中的应用日新月异检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，提供发动机的工作状况信息， 对发动机
104、工作状况进行精确控制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，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。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底底 盘：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
105、温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、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二、检测技术在日常生活中的应用家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰
106、箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测 - - 压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪 - -
107、离子传感器离子传感器三、检测技术在军事上的应三、检测技术在军事上的应用用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器夜夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD四、检测技术在国防领域的应用四、检测技术在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统监测系统监测系统:探测和发现敌探测和发现敌人导弹的发射并追踪导人导弹的发射并追
108、踪导弹的飞行轨道；弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假弹拦截器：能识别真假弹头，敌友方。头，敌友方。“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、振动、流量、应变、振动、流量、应变、声学声学神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置五、检测技术在航天领域的应用五、检测技术在航天领域的应用学习本课程的目的n了解光电传感与检测系统的原理，基本组成，光电传感与检测技术的特点和发展趋势。n掌握光电传感与检测器件（传感器、光源和成像器件等）的工作原理及基本特性，了解它们的应用
109、范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电传感与检测器件。熟悉常用器件的性能指标。n掌握非相干检测与相干检测的原理和区别。n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。光光电电传传感感与与检检测测技技术术第第第第1 1 1 1章章章章 绪绪绪绪 论论论论习题习题：某：某：某：某压压力力力力传传感器感器感器感器测试测试数据如表，数据如表，数据如表，数据如表，计计算算算算迟迟滞、重滞、重滞、重滞、重复性和非复性和非复性和非复性和非线线性性性性误误差。差。差。差。压力/MPa输出值/mV第一循环 第二循环 第三循环正行程反行程正行程反行程正行程反行程0-2.73-2.71-2.71-2.68-2.68-2.690020.560.660.610.680.640.690043.964.063.994.094.034.110067.407.497.437.537.457.5200810.8810.9510.8910.3910.9110.9901014.4214.4214.4714.4714.4614.46
