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1、光电检测技术光电检测技术机械与精密仪器学院 机械工程及自动化系 孔 令 飞n n上课地点：教上课地点：教6-504/5056-504/505n n考核方式：平时考核方式：平时20%, 20%, 考试考试70%, 70%, 实验实验10%10%n n使用教材：使用教材： 光电检测技术与应用光电检测技术与应用, , 郭培源等郭培源等, , 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社, , 2006.2006.n n参考书目：参考书目： 光电检测技术光电检测技术, , 雷玉堂等雷玉堂等, , 中国计量出版社中国计量出版社, 1997., 1997. 光电信号检测原理及技术光电信号检测原理及技术,
2、, 赵远等赵远等, , 机械工业出版社机械工业出版社, 2005., 2005. 检测技术检测技术, , 施文康等施文康等, , 机械工业出版社机械工业出版社, 2005., 2005.章节安排第一章第一章 绪论绪论主要教学内容：n n1.1 信息技术及光电检测技术n n1.2 光电检测与光电传感器概念n n1.3 光电检测系统的组成及特点n n1.4 光电检测方法及应用发展趋势1.1 信息技术及光电检测技信息技术及光电检测技术术n n信息技术：信息技术： n n感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。技术。n n信息的产生和获取、转换
3、、传输、控制、存储、处理、信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。显示。n n微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）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）。、光电信息技术（光电集成）。传统的电子技术传统的电子技术微电子技术微电子技术光子信息技术光子信息技术光电信息技术光电信息技术传统的电子技术微电子技术光子信息技术光电信息技术光电检测技术光电检测技术主要研究主要研究电子或离子电子或离子在固体材在固体材料中的运动规律及其应用，并料中的运动规律及其应用，并利用它实现信号处理功能的科利用它实现信号处理功能的科学，是在电子电路和系统的超学，是
4、在电子电路和系统的超小型化和微型化过程中逐渐形小型化和微型化过程中逐渐形成和发展起来的，以实现电路成和发展起来的，以实现电路的系统化和集成化的系统化和集成化以光集成技术为核心的有关光以光集成技术为核心的有关光学元器件制造的应用技术，学元器件制造的应用技术，利用传统工艺将有源和无源利用传统工艺将有源和无源光学器件集成在一起，构成光学器件集成在一起，构成能完成光学信息采集处理和能完成光学信息采集处理和存储等功能的系统存储等功能的系统光与电子转换及其光与电子转换及其应用技术，光频应用技术，光频段微电子技术。段微电子技术。利用利用光电传感器光电传感器实现各类检测，即实现各类检测，即将被测量量转换成光通
5、量，再将将被测量量转换成光通量，再将光通量转换成电通量，并综合利光通量转换成电通量，并综合利用信息传输技术和信息处理技术，用信息传输技术和信息处理技术，最终完成对各类物理量进行在线最终完成对各类物理量进行在线和自动检测。和自动检测。雷达测速雷达测速车载电子警察车载电子警察航空航天安全检查可拍照的手机主要教学内容主要教学内容n n1.1 信息技术及光电检测技术n n1.2 光电检测与光电传感器概念n n1.3 光电检测系统的组成及特点n n1.4 光电检测方法及应用发展趋势光电检测与光电传感器概念光电检测与光电传感器概念n n1、检测与测量n n2、光电传感器与敏感器的概念检测的基本概念n n定
6、义定义定义定义: : : :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n n被测对象：被测对象：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 ）n n被测信息：被测信息：被测信息：被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、物理量（光、电、力、热、磁、声、）化）化）化）化学量（学量（学量（学量（PH
7、PH、成份、成份、成份、成份）生物量（酶、葡萄糖）生物量（酶、葡萄糖）生物量（酶、葡萄糖）生物量（酶、葡萄糖） n n全部操作：全部操作：全部操作：全部操作： 检测器具检测器具检测器具检测器具: : 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 检测过程检测过程检测过程检测过程: : 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、信号输出例：空调机测量控制室温例：空调机测量控制室温被测对象：被测对象
8、：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、热电偶空气空气 热敏电阻热敏电阻 电信号电信号 处理处理 显示显示 空调机空调机测量测量测量测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：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定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个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。倍数的过程。倍数的
9、过程。倍数的过程。n n测量方式测量方式测量方式测量方式：直接测量直接测量直接测量直接测量和和和和间接测量间接测量间接测量间接测量n n直接直接直接直接测量测量测量测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：例如：例如：例如：n n长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺长度：直尺、游标卡尺、千分尺n n电压：万用表电压：万用表电压：万用表电压：万用表n n质量：天平质量：天平质量：天平质量：天平n
10、n温度：温度计温度：温度计温度：温度计温度：温度计直接测量方式举例直接测量方式举例n n测量方式测量方式测量方式测量方式：直接测量直接测量直接测量直接测量和和和和间接测量间接测量间接测量间接测量间接测量：间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数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。关系式计算出被测量。例如：阿基米德测量皇冠的比重例如：阿基米德测量皇冠的比重测量测量测量测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确：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
11、出这个定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个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。倍数的过程。倍数的过程。倍数的过程。光电检测与光电传感器概念光电检测与光电传感器概念n n1. 检测与测量n n2. 光电传感器与敏感器的概念传感器非电量非电量电量电量（确定对应关系）（确定对应关系）光电传感器光电传感器能量控制型-有源传感器：光敏电阻，光电二极管三极管能量转换型-无源传感器：光电池光电传感器：-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。敏感器敏感器是把被测量转换为可用非电量，
12、而传感器是把被测非电量转换为电量。（确定对应关系）可用非电量可用非电量（应变力）电量电量（电阻）传感器传感器（应变片）被测非电量被测非电量（压力）敏感器敏感器（弹性元件）光电传感器的种类光电传感器的种类类类 型型实实 例例PNPN结结PNPN光电二极管光电二极管（Si,Ge, GaAs)Si,Ge, GaAs)PINPIN光电二极管（光电二极管（SiSi）雪崩光电二极管雪崩光电二极管(Si, Ge)(Si, Ge)光电晶体管光电晶体管(Si)(Si)集成光电传感器和光电晶闸管集成光电传感器和光电晶闸管(Si)(Si)光电池光电池(Si, Se, GaAs)(Si, Se, GaAs)非非PNP
13、N结结光电元件光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)(CdS, CdSe, Se, PbS)光敏电阻光敏电阻热电元件热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO(PZT, LiTaO3, PbTiO3 3)热敏电阻热敏电阻电子管类电子管类光电管，摄像管，光电倍增管光电管，摄像管，光电倍增管其他类其他类色敏传感器色敏传感器固体图象传感器（固体图象传感器（SISI，CCD/MOS/CPDCCD/MOS/CPD型）型）位置检测用元件（位置检测用元件（PSDPSD）主要教学内容主要教学内容n n1.1 信息技术及光电检测技术n n1.2 光电检测与光电传感器概念n n1.3 光电检测系统的
14、组成及特点n n1.4 光电检测方法及应用发展趋势1.3 光电检测系统的组成及特点光电检测系统的组成及特点n n一般电子检测系统传感器传感器信号变换器信号变换器输出环节输出环节传感器：从被测对象中提取被测信号，转化成便于测量的电参数信号变换电路：完成信号的转换、滤波和放大1.3 光电检测系统的组成及特点光电检测系统的组成及特点n n一般光电系统光发射机光发射机光学通道光学通道光接收机光接收机光发射机：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 光接收机的基本
15、结构光接收机的基本结构接收到的接收到的接收到的接收到的 光场光场光场光场接收透镜系统接收透镜系统光电检测器光电检测器后继检测处理器后继检测处理器接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上光电检测器：完成光电信号的转换光电检测器：完成光电信号的转换检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。检测处理电路：完成电信号的放大、调理及滤波，恢复信号。 光接收机的分类光接收机的分类功率检测接收机功率检测接收机功率检测接收机功率检测接收机直接检测或非相干检测直接检测或非相干检测直接检测或非相干检测直接检测或非相干检测外差检测接收机
16、相干检测（空间相干） 光接收机的分类图示光接收机的分类图示透镜透镜光电检测器光电检测器接收到的光场空间滤波器空间滤波器频率滤波器频率滤波器直接检测接收机直接检测接收机外差检测接收机外差检测接收机合束镜合束镜光电检测器光电检测器接收到的光场本地激本地激光器光器本地光场本地光场聚焦光场聚焦光场透镜透镜光学变换：通过各种光学元件和光学系光学变换：通过各种光学元件和光学系统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光统，如平面镜、狭缝、透镜、棱镜、光栅、成像系统等来实现栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测，作用是将被测量转换为光参量（振幅、频率、相位、量转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态，传播方向变化等）。偏
17、振态，传播方向变化等）。 光电系统框图光电系统框图光光源源光光学学系系统统被被测测对对象象光光学学变变换换光光电电转转换换电电信信号号处处理理存储存储显示显示控制控制光电转换：光电转换：由各种光电器件来实现，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。光学变换光电变换电路处理1.3 光电检测系统的组成及特点光电检测系统的组成及特点n n高精度。高精度。高精度。高精度。n n高速度。高速度。高速度。高速度。n n远距离，大量程。远距离，大量程。远距离，大量程。远距离，大量程。n n非接触检测。非接触检测。非接触检测。非接触检测。n n寿命长。寿命长。寿命长。寿命长。n n具有很强的信息处理和运
18、算能力。具有很强的信息处理和运算能力。具有很强的信息处理和运算能力。具有很强的信息处理和运算能力。n n光电检测技术的特点各种检测技术中最高。如激光干涉仪法检测长度的相对精度达；光栅莫尔条纹法测角可达秒；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m（38万公里）。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。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。可将复杂信息并行处理。同时光电方法还便于信息控制和存储，易于实现自动化和智能化。光波可永久使用。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。主要教学内容主要教学内容n n1.1 信息技术
19、及光电检测技术n n1.2 光电检测与光电传感器概念n n1.3 光电检测系统的组成及特点n n1.4 光电检测方法及应用发展趋势1.4 光电检测方法及应用发展趋光电检测方法及应用发展趋势势n n根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，光电传感器的类型：直射型：直射型：反射型：反射型：辐射型：辐射型：光电转换器对着光源放置，光轴重合，对于光源为发射光通量最大方向，对于光电器件为灵敏度最高的方向。分为单向反射和漫反射被测物体本身为一辐射源，光电检测器通过接收被测物体的辐射光能量实现测量。n n光电检测的基本方法I I、直接作用法：、直接作用法：受被测物理量控制的光通量，经光电接收器受被测
20、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。转换后由检测机构可直接得到所求被测物理量。被测物理量被测物理量光通量光通量光电传感器光电传感器放大、定标放大、定标直接读数直接读数光电系统的基本模型II、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。放大放大相敏检波器相敏检波器uACREUL调制盘调制盘被测物被测物光楔光楔反光镜反光镜21双光路差动测量法测量物体长度n n工作原理：工作原理：O1212tUOtO1212tUOtO1212tUOt说明：测量值的大小决定了U的幅值，测量值的正负决定于U的相位，可通过相敏检波器相敏检波器得到。测量
21、值测量值U的幅值的幅值工件大小工件大小n n相敏检测器：相敏检测器：滤去高频信号后，滤波器滤波器相敏检波器用途： 可用来测幅、测相，还可高频信号变成中频信号（差频信号）双光路外差检测特点： 双光路可消除杂散光、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。III、补偿测量法： 原理：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。放大放大相敏检波器相敏检波器uACREUL调制盘调制盘被测物被测物光楔光楔反光镜反光镜21移动控制及读数显示移动控制及读数显示例：由相敏检波器输出控制光楔上下移动，
22、使1-2=0，光楔移动与读数机构相连，读数反映光通量的变化量，即被测值。IV、脉冲测量法： 原理：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。 （1）脉宽方法测长度：高频脉冲可取自电动机或转动轮上脉冲，消除不匀速带来的误差。vn nR1ER2高频脉冲高频脉冲N计数器计数器L（2）频率法测速：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。控制时间控制时间tRE放大放大整形整形N计数计数nn n光电传感器的发展趋势发展纳米、亚纳米发展纳米、亚纳米高精度高精度的光电测量新技术。的光电测量新技术。发展小型的、发展小
23、型的、快速的快速的微型光、机、电检测系统。微型光、机、电检测系统。向向微空间微空间三维测量技术和三维测量技术和大空间大空间三维测量技术发展。向人三维测量技术发展。向人们无法触及的领域发展。们无法触及的领域发展。非接触、快速非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。在线测量，以满足快速增长的经济需要。发展发展闭环控制闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。一体化。发展发展光电跟踪与光电扫描技术光电跟踪与光电扫描技术，如远距离的遥控，遥测技，如远距离的遥控，遥测技术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测术，激光制导，飞行物自动跟踪，复杂形体自动扫描测量等。量等。思考题及作业思考题及作业1 1、如何实现非电量的测量，举例说明。、如何实现非电量的测量，举例说明。、如何实现非电量的测量，举例说明。、如何实现非电量的测量，举例说明。2 2、电子计数器如何实现既能测量频率又能测、电子计数器如何实现既能测量频率又能测、电子计数器如何实现既能测量频率又能测、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期量周期量周期量周期? ?为什么要通过测量周期方法来测量低为什么要通过测量周期方法来测量低为什么要通过测量周期方法来测量低为什么要通过测量周期方法来测量低频信号的频率？频信号的频率？频信号的频率？频信号的频率？
