光电检测技术与应用.ppt

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上课地点：教6-504/505 n考核方式：平时20%, 考试70%, 实验10% n使用教材： 光电检测技术与应用, 郭培源等, 北京航空航天大学出版 社, 2006. n参考书目： 光电检测技术, 雷玉堂等, 中国计量出版社, 1997. 光电信号检测原理及技术, 赵远等, 机械工业出版社, 2005. 检测技术, 施文康等, 机械工业出版社, 2005. 章 节 安 排 光电检测技术概述光电检测技术概述 （补充）光电检测器件的技术基础（补充）光电检测器件的技术基础 发光与耦合器件发光与耦合器件 常用光电检测器件介绍常用光电检测器件介绍 光电检测电路的设计光电检测电路的设计 光电检测系统光电检测系统 光电检测技术的典型应用光电检测技术的典型应用 光纤传感检测技术光纤传感检测技术 第一章 绪论 主要教学内容： n1.1 信息技术及光电检测技术 n1.2 光电检测与光电传感器概念 n1.3 光电检测系统的组成及特点 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术 n信息技术： n感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制 技术。 n信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理 、显示。 n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）。 传统的电子技术微电子技术光子信息技术 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 主要研究电子或离子在固体材 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 学，是在电子电路和系统的超 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 的系统化和集成化 以光集成技术为核心的有关 光学元器件制造的应用技 术，利用传统工艺将有源 和无源光学器件集成在一 起，构成能完成光学信息 采集处理和存储等功能的 系统 光与电子转换及其 应用技术，光频 段微电子技术。 利用光电传感器实现各类检测， 即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 理量进行在线和自动检测。 雷达测速 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 n1.1 信息技术及光电检测技术 n1.2 光电检测与光电传感器概念 n1.3 光电检测系统的组成及特点 n1.4 光电检测方法及应用发展趋势 1.2光电检测与光电传感器概念 n1、检测与测量 n2、光电传感器与敏感器的概念 检测的基本概念 n定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 n被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ） n被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、）化 学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖） n全部操作： 检测器具: 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 检测过程: 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 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 空气 热敏电阻 电信号 处理 显示 空调机 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。 n测量方式：直接测量和间接测量 n直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值 。例如： n长度：直尺、游标卡尺、千分尺 n电压：万用表 n质量：天平 n温度：温度计 直接测量方式举例 n测量方式：直接测量和间接测量 间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数 关系式计算出被测量。 例如：阿基米德测量皇冠的比重 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。 1.2光电检测与光电传感器概念 n1. 检测与测量 n2. 光电传感器与敏感器的概念 传 感 器 非电量 电量（确定对应关系） 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，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 （应变力） 电量 （电阻） 传感器 （应变片） 被测非电量（ 压力） 敏感器 （弹性元件） 光电传感器的种类 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) 光电池(Si, Se, GaAs) 非PN结 光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS)光敏电阻 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)热敏电阻 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） 主要教学内容 n1.1 信息技术及光电检测技术 n1.2 光电检测与光电传感器概念 n1.3 光电检测系统的组成及特点 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 n一般电子检测系统 传感器信号变换器输出环节 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 n一般光电系统 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 光接收机的基本结构 接收到 的 光场接收透镜系统光电检测器后继检测处理器 接收透镜系统：对光信号进行滤波、聚焦，入射到光检测器上 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。 光接收机的分类 功率检测接收机直接检测或非相干检测 外差检测接收机相干检测（空间相干） 光接收机的分类图示 透镜 光电检测器 接收到 的光场 空间滤波器 频率滤波器 直接检测接收机 外差检测接收机 合束镜 光电检测器 接收到 的光场 本地激 光器 本地光场 聚焦光场 透镜 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 栅、成像系统等来实现 ，作用是将被测 量转换为光参量（振幅、频率、相位、 偏振态，传播方向变化等）。 光电系统框图 光 源 光 学 系 统 被 测 对 象 光 学 变 换 光 电 转 换 电 信 号 处 理 存储 显示 控制 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 n高精度。 n高速度。 n远距离，大量程。 n非接触检测。 n寿命长。 n具有很强的信息处理和运算能力。 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（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 n1.1 信息技术及光电检测技术 n1.2 光电检测与光电传感器概念 n1.3 光电检测系统的组成及特点 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势 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： 反射型： 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光电检测的基本方法 I、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。 被测物理量光通量光电传感器 放大、定标直接读数 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。 放大相敏检波器 uA C R E U L 调制盘 被测物 光楔 反光镜 2 1 双光路差动测量法测量物体长度 n工作原理： O 1212 t U O t O 1 2 1 2 t U Ot O 1 2 1 2 t U O t 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 ，可通过相敏检波器得到。 测量值U的幅值工件大小 n相敏检测器： 滤去高频信号后， 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。 放大相敏检波器 uA C R E U L 调制盘 被测物 光楔 反光镜 2 1 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，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。 v n n R1 E R2 高频脉冲 N 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t R E 放大整形N计数 n n光电传感器的发展趋 势 发展纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。 发展小型的、快速的微型光、机、电检测系