第1章 光电检测技术与应用

1、机械与精密仪器学院 机械工程及自动化系 孔 令 飞章节安排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安全检查可拍照的手机例：空调机

2、测量控制室温例：空调机测量控制室温被测对象：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 空调机空调机直接测量方式举例直接测量方式举例间接测量：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，

3、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）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

4、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。外差检测接收机相干检测（空间相干）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

5、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）。偏振态，传播方向变化等）。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

6、理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。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

7、电检测器通过接收被测物体的辐射光能量实现测量。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。测量值测量值U的幅值的幅值工件大小工件大小0,21U时SSU)(,2121工件尺寸变小时SSU)(,

8、2121工件尺寸变大时)sin(),sin(.,2211tEutEuuuuRRisiRs另一路为号一个滤波器，一路为信核心是由一个乘法器和滤去高频信号后，滤波器滤波器siuu 或RuOu)(2cos2/1)(2cos2/121212121tffEgEtffEgEuuuRiRiRiO)(2cos2/12121tffEgEuuuRiRiOcos2/1)cos(2/1,2121RiRiOEgEEgEuff则如相敏检波器用途： 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。输出

9、为负。，则输出为正，则特性分析：OOuu0III、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，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。计数器值长度当量高频脉冲时间当量测量关系式：NKkNKNkvtvLvR1ER2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。)/(60;/60/t