光 电 检 测 技 术李 刚TEL： 61242379, 13545235409 Email：ligang_chnyahoo.com.cn电子信息工程系电子信息工程系2010-082010-081 1教材光电测试技术 浦昭邦 机械工业出版社 光电测试技术 张广军 中国计量出版社 光电检测技术 高稚允等 国防工业出版社 光电探测技术 王清正等 电子工业出版社 光电检测技术 曾光宇等 清华大学出版社 光电信号检测原理与技术 赵远等 机械工业出版社参考书参考书光电检测技术与应用光电检测技术与应用 郭培源郭培源 北京航天航空大学出版社北京航天航空大学出版社2 2学习目的l了解光电检测技术的特点和发展趋势。l掌握光电检测系统的基本组成，光电检测器件（传 感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性， 了解它们的应用范围。l熟悉常用器件的性能指标。能够根据特性参数，选 择合适的光电检测器件。掌握直接检测与外差检测 的原理和区别。l掌握常用光电检测技术的测量、数据采集、处理和 转换的方法，了解所需的元器件、仪器和相关的接 口技术。l了解光纤传感检测技术的原理和应用，掌握光纤的 光波调制技术。3 3学习内容l光电检测器件的物理基础l光电检测器件的工作原理和特性及其应用l光电直接和外差检测系统l光纤传感检测技术l光电信号的数据采集与微机接口4 4作业与考勤 10% 实验 20% 期末考试 70%考核答疑答疑时间：周四下午 地点：教2-202A5 5第一章 绪 论1.1 信息技术与光电检测技术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6 61.1 信息技术与光电检测技术 一、信息技术微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、 光电信息技术（光电集成）。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。7 7l光电信息技术：简称光电技术，是光学和电子学结合而产生出 来的一门技术学科，主要研究光与电之间的转换及其应用技术 。l光电转换技术：研究应用一定的器件及手段，在一定条件下，如何实现光能（光信息）和电能之间相互换的技术。光电探测器件：能实现上述功能的器件，即能够发射或接收某种电磁辐射（光学辐射）的电子器件。l将电信息转换成光辐射的称为发射器件，光辐射转换成电信息 的称为接收器件。二、光电信息技术 基础：光电子学基础：光电子学 核心：光电转换机理核心：光电转换机理光电能量技术：光电能量技术： 太阳能发电、激光加太阳能发电、激光加 工、激光医疗、激光核聚变等。主要工、激光医疗、激光核聚变等。主要 是解决有关大功率光辐射能量的产生是解决有关大功率光辐射能量的产生 、控制、利用及向其他能量形式的转、控制、利用及向其他能量形式的转 换。换。8 8141010101010101010101010101012108642-2-4-6-8-100声 频 电 磁 振 荡无 线 电 波毫 米 波光 辐 射x 射 线射 线宇 宙 射 线/ m光谱 - 紫外 可见光 红外电磁波谱光学辐射包括紫外线、可见光和红外线。光学辐射包括紫外线、可见光和红外线。9 9光电技术l光学技术处理的是空间光强信息，具有多维、并行、快速数据处理等能力 。 l电子技术处理的是一维电量随时间的变化，有较高的运算灵活性和变换精 度。l 光电技术兼备这些优点，表现出以下的特征： 有广泛的适用范围 能获取和处理各种光学信息以及可以转换为光信息的非光学参量，包括探测机构内部或危险环境下的工作参量。 有较高的信号检测能力 能进行远距离、非接触、快速、高灵敏度的检测和传输；检测所需的输入能量几乎不影响被测物的能量状态；检测信噪比高，信息容量大，传输能力强。 有较强的信息运算能力 可进行复杂信息的并行处理和多种形式的数学运算。运算速度高，空间互连效率高，抗干扰能力强，信号变换灵活。 1010光电技术的应用l 光电技术，特别是光电检测、光通信、光电测量和控制 、光电信息处理和光存储等的应用已遍及军事、科学研究 、工业、农业、宇宙和环境科学、医疗卫生和民用等各个 领域。从星体温度探测和人造卫星监测到生物细胞的显微 测量和微循环检查，从视觉工业机器人和光学计算机到民 用全自动照相机和简单光电开关，光电技术已经成为现代 科学技术和人民生活中不可缺少的环节。特别是在生产领域中生产过程的视觉检查和制品加 工自动化、各种性能参数的精密测试以及图形检测和分析 判断等方面，光电技术将发挥重要作用。1111光电系统的主要类型（2）光-电-光型由光机系统采集到的光信号通过光电转换成电信号， 经电信号处理后再经过电光变换形成光信号输出。例如 ：电视技术中的摄像管，显像管以及声像光盘的录制和 再现都是这类系统的代表。l按基本组成和光电信号的联系，它们大致可分作下列几 种类型。（1）光-电型（应用最广泛）研究对象经过光机系统产生光信号，其通过光电变 换成电信号进入电子系统。光学仪器的自动化常采用这 种方式。若进一步传输到计算机处理，可组成部分代替 人的视觉和思维活动的机器视觉系统。 例如：智能化的工业在线检测。1212光电系统的主要类型（3）电-光-电型：电信号经过电光变换得到可在光路中传输的光信号，在经 过光电变换为电信号后作进一步处理或输出。典型应用如光纤 通讯，其主要利用光纤对光信号进行传输。像光纤立靶的应用 。 （4）光电混合型：其主要特点是使传统光路实现光路器件的 “有源化” 和封闭的光束网络，最终组成有源可控的光学系统和集成光路 。例如光导纤维、空间调制器等。和现有的无源光路比较，这 无疑是光学技术的根本变革。 （5）电光混合型 这种系统的目标是将电路系统元器件的功能用光学方法来 实现，即所谓的电路元件的 “光子化”，例如光学晶体管和 光学双稳态器件等，目前许多单元器件已相继问世或正在研制 中。1313光电技术的发展l第一阶段：采用传统的光学装置及仪器不能胜任对复杂光信息高速采集和处理的要求。l第二阶段：采用半导体集成电路技术可以将探测器件及电路集成在一个整体中，也可以将具 有多个检测功能的探测器件集成在一个整体中。其价格低， 体积小。例如：将图形、物体等具有二维分布的光学图像转换成电信 号的检测器件是把基本的光电探测器件组成许多网状阵列结 构，引人注目的器件 CCD 就是一种将阵列化的光电探测与 扫描功能一体化的固态图像检测器件。是把一维或二维的光 学图像转换成时序电信号的器件，能广泛引用于自动检测、 自动控制，尤其是图像识别技术。1414光电技术的发展l第三阶段：光导纤维传感器出现为光电检测技术的小型 化等开辟了广阔的前景。光纤检测可以解决传统检测技术难以解决或无法解决的 许多问题。 例如：在噪声、干扰、污染严重的工业过程检测，或者在 海洋、反应堆中，自动监测设备或智能机器人，必然会受 到高压、高温、辐射等极端困难的条件，光纤检测技术具 有其独特的智能化的优越性。由于光信息传输的独特优点 ，光纤检测智能化将比其他检测技术更具有吸引力。l展望：随着微处理技术的发展以及光电检测技术与它的 紧密结合光电检测技术越来越智能化。1515本课程着重于光电检测的元器件、系统、方法和应用 。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、生物光子学光电信息技术的研究领域：1616三、光电检测技术l光电检测技术 属于光电技术的一部分，在光电转换技术的基础上 ，研究获取、测量光信息及相关光电处理技术。 利用光电传感器实现各类检测。它将被测量的量转换 成光通量,再转换成电量，并综合利用信息传送和处 理技术，完成在线和自动测量。光电传感器 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种器 件 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出l光电检测系统 光学变换 光电变换 电路处理：快速，高精度，非接触，无损：技术成熟1717历史时代：手工化机械化自动化信息化生产方式：人与简 单工具动力机 与机械自动测 量控制智能机 械装置一、检测的地位和作用信息化是科学技术发展的必然间接间接1.2 光电检测与光电传感器概念 1818信息流组成信息流获取传输处理控制信息获取是信息流的一环获取信息是检测的基本任务，是信息产业的重要组成部分检测的地位和作用19191. 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%20202. 检测技术在汽车中的应用日新月异发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息， 对发动机工作状况进行精确控制温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容普通轿车：约安装几十到近百只传感器，豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。 底 盘：控制变速器系统、悬架系统、动力转向系统、制动防抱死系统等 车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车 身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 212122223. 检测技术在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23234. 检测技术在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。2424美国国家导弹防御计划-NMD5. 检测技术在国防领域的应 用1.地基拦截器2.早期预警系统3.前沿部署(如雷达）4.管理与控制系统5. 卫星红外线监测系统监测系统: 探测和发现敌人导弹的发射并追踪 导弹的飞行轨道；拦截器：能识别真假 弹头，敌友方2525“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6. 检测技术在航天领域的应用2626定义：被测信息：传感器、检测仪器、检测装置、检测系统全部操作：检测过程确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作二、检测的基本概念信号采集、信号处理、信号显示、信号输出物理量（光、电、力、热、磁、声、）被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）检测器具化学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、） 2727例：空调机测量控制室温空气被测对象：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 热敏电阻 电信号 处理 显示空调机2828l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l间接测量：测量几个与