光电检测技术与应用.ppt

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1、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,上课地点：教6-504/505考核方式：平时20%,考试70%,实验10%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,2006.参考书目：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,（补充）光电检测器件的技术基础,发光与耦合器件,常用光电检测器件介绍,光电检测电路的设计,光电检测系统,光电检测技术的典型应用,光纤传感检测技术,第一章 绪论,主要教学内容：1.1 信息技术及

2、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,信息技术：感测技术、通信技术、人工智能与计算机技术、控制技术。信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。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

3、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,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

4、光电传感器概念,1、检测与测量2、光电传感器与敏感器的概念,检测的基本概念,定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体）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）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,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。,测量方式：直接测量和

5、间接测量直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。例如：长度：直尺、游标卡尺、千分尺电压：万用表质量：天平温度：温度计,直接测量方式举例,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,1.检测与测量2.光电传感器与敏感器的概念,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

6、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,主要教学内容,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,1.3 光电检测系统的组成及特点,一般电子检测系统,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,一般光电系统,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

7、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,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）。,

8、光电系统框图,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,高精度。高速度。远距离，大量程。非接触检测。寿命长。具有很强的信息处理和运算能力。,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

9、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,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,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。,光电

10、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。,双光路差动测量法测量物体长度,工作原理：,O,t,U,O,t,O,t,U,O,t,O,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。,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

11、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。,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。,（2）频率法测速：,脉冲测量法特点：抗干扰性

12、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。,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。向微空间三维测量技术和大空间三维测量技术发展。向人们无法触及的领域发展。非接触、快速在线测量，以满足快速增长的经济需要。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。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。,思考题及作业,1、如何实现非电量的测量，举例说明。2、电子计数器如何实现既能测量频率又能测量周期?为什么要通过测量周期方法来测量低频信号的频率？,谢谢！,