光电检测技术-第一章

光电检测技术与应用,合肥工业大学仪器科学与光电工程学院,教 材：,徐熙平等编著 机械工业出版社,周秀云等编著 电子工业出版社,刘铁根等编著 机械工业出版社,推荐参考书,第一章 绪 论,1.1 信息技术及光电检测技术1.2 光电检测与光电传感器概念1.3 光电检测系统的组成及特点1.4 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,光电检测技术是指对待测光学量或由非光学量转换成光学量，通过光电变换和电路处理方法进行检测的技术。,光电检测技术是获取信息的一种重要方法，是现代检测技术最重要的手段和方法之一，是计量检测技术的一个重要的发展方向。,什么是信息，什么是信息技术,什么是光电信息技术？,信息：经过加工的、能被接收者接收的数据。,数据与信息 数据是人们用来反映客观事物，对客观事实的记录。数据包括数字，文字、图形及声音等。 信息是现实世界各种事物的特征、形态及不同事物间的联系等在人脑里的抽象反映，是一种被加工为特定形式的“数据”。但这种数据形式对接收者来说是有意义的，而且对当前和将来的决策具有明显的或实际的价值。,1-1 信息技术及光电检测技术,1-1 信息技术及光电检测技术,信息技术：信息技术就是感测技术、通信技术、计算机技术和控制技术。感测技术 获取信息通信技术 传递信息；计算机技术 处理信息；控制技术 利用信息。,光电信息技术: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：,1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成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、7三个方面的基本知识，即：光电检测的原理、器件、系统和应用。,1-1 信息技术及光电检测技术,1-1 信息技术及光电检测技术,信息技术及光电检测技术,第一章 绪 论,1.1 信息技术及光电检测技术1.2 光电检测与光电传感器概念1.3 光电检测系统的组成及特点1.4 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,1、测量与检测,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。,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。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。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）,1-2 光电检测与光电传感器概念,测量有直接测量和间接测量两种方式：,检测的例子：空调机测量控制室温,1-2 光电检测与光电传感器概念,2、光电传感器与敏感器的概念,1-2 光电检测与光电传感器概念,传感器的作用：将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。,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）,1-2 光电检测与光电传感器概念,光电检测器的种类,1-2 光电检测与光电传感器概念,第一章 绪 论,1.1 信息技术及光电检测技术1.2 光电检测与光电传感器概念1.3 光电检测系统的组成及特点1.4 光电检测方法及应用发展趋势,一般电子检测系统的组成,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。输出环节：显示记录装置、数据通信接口和控制装置。,1.3 光电检测系统的组成及特点,光电检测系统的基本模型,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,1.3 光电检测系统的组成及特点,光接收机的基本模型,接收到的光场,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）,1.3 光电检测系统的组成及特点,接收透镜系统,光电检测器,后续检测处理器,光接收机的分类图示,1.3 光电检测系统的组成及特点,光电检测系统功能框图,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。,光电检测系统与人操作功能比较,光电传感部分相当于人身的感觉器官。,1.3 光电检测系统的组成及特点,光电检测系统的功能分类,1、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,1.3 光电检测系统的组成及特点,2、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，图形加工形成，数值控制3、图象分析型图形检测图形分析,1.3 光电检测系统的组成及特点,1、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 ；用激光测距法测量地球到月球之间距离分辨率可达1m。2、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。3、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。4、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。5、寿命长。光波长时间使用。6、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。,光电检测技术的特点,1.3 光电检测系统的组成及特点,第一章 绪 论,1.1 信息技术及光电检测技术1.2 光电检测与光电传感器概念1.3 光电检测系统的组成及特点1.4 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,光电传感器的类型,根据光源、光学系统和光电转换器件放置位置的不同，可分为：,1、直射型: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。2、反射型：分为单向反射和漫反射。3、辐射型：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。,光电检测基本方法,直接作用法、 差动测量法、 补偿测量法 脉冲测量法,1.4光电检测方法及应用发展趋势,根据检测原理的不同：,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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,特点：精度差，容易受到光源波动、电源波动的影响，适合于测量精度要求不高的场合。,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.,双光路差动测量法测量物体长度,1.4光电检测方法及应用发展趋势,工作原理：,1=2时，U=0,12时，工件尺寸变小 U=S*(1-2)=S*,12时，工件尺寸变大 U=S*(1-2)=-S*,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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,核心是由一个乘法器和一个滤波器，如图一路为信号us，另一路为uR。ui=us=Eisin(1t+1), uR=ERsin(2t+2),相敏检测器：,1.4光电检测方法及应用发展趋势,滤去高频信号后，,如f1=f2，则,特性分析： =0，则u0输出为正， =，则u0输出为负。,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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,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。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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,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：,测量关系式： L=v*t=v*k*N=K*N,k-高频脉冲时间当量K-长度当量N-计数器值,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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,2、频率法测速：,在转动轮上均匀贴有反射片，光电传感器可接收与转速相对应的光脉冲，m为反光片数，n为每分钟转速，则：f=n*m/60=N/t； 即转速可以由此得到：n=60N/m*t,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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,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、电检测系统。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。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技术，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量等。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,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，检测环节的成本约占5070%,光电检测技术的应用,1.4光电检测方法及应用发展趋势,二、日常生活中的应用,家用电器：,数码相机、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,1.4光电检测方法及应用发展趋势,三、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。,1.4光电检测方法及应用发展趋势,美国国家导弹防御计划-NMD,四、国防领域的应用,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；,“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、在航天领域的应用,1.4光电检测方法