《光电检测技术绪论》PPT课件

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1、 光 电 检 测 技 术 参 考 书 目 光 电 检 测 技 术 曾 光 宇 等 编 著 清 华 大 学 出 版 社 激 光 光 电 检 测 吕 海 宝 等 编 著 国 防 科 技 大 学 出 版 社 教 材 光 电 检 测 技 术 雷 玉 堂 等 编 著 中 国 计 量 出 版 社 光 电 检 测 技 术 与 应 用 郭 培 源 付 扬 编 著 北 京 航 空 航 天 大 学 出 版 社第 一 章 绪 论 目 录第 一 章 绪 论第 二 章 光 和 光 的 传 播 特 性 及 光 调 制 原 理2.1 光 和 光 的 传 播 特 性2.2 光 强 度 调 制2.3 光 相 位 调 制2.4

2、光 偏 振 调 制2.5 光 频 率 和 波 长 调 制第 三 章 光 电 检 测 器 件3.1 光 电 器 件 的 原 理 及 特 性3.2 光 电 子 发 射 器 件 3.3 光 电 导 器 件 3.4 光 伏 器 件 3.5 电 荷 耦 合 器 件第 四 章 光 探 测 技 术 4.1 光 探 测 器 的 偏 置 4.2 光 直 接 探 测 方 法 4.3 光 外 差 探 测 方 法 4.4 弱 光 信 号 的 探 测第 五 章 光 强 度 调 制 检 测 系 统 5.1 光 电 开 关 与 光 电 转 速 计 5.2 莫 尔 条 文 测 长 仪 5.3 激 光 测 距 仪 5.4 激

3、光 准 直 仪 5.5 反 射 型 光 纤 位 移 测 量 系 统 第 六 章 光 相 位 调 制 检 测 系 统6.1 光 相 位 调 制 的 检 测6.2 干 涉 测 量 技 术6.3 相 位 调 制 型 光 纤 传 感 器6.4 光 衍 射 测 量 技 术第 七 章 光 偏 振 调 制 检 测 系 统7.1 光 偏 振 调 制 检 测 系 统 有 关 光 学 器 件7.2 光 弹 性 效 应 测 力 计7.3 光 纤 电 流 电 压 测 试 系 统第 八 章 光 频 率 与 波 长 调 制 检 测 系 统 8.1 激 光 多 普 勒 测 速 仪 8.2 双 频 激 光 测 速 仪 8.3

4、 光 电 比 色 温 度 计 8.4 光 电 荧 光 计 光 电 检 测 是 信 息 时 代 的 关 键 技 术n 信 息 技 术 :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 ） 。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 。 光 电 信 息 技 术1、 光 电 源 器 件 （ 包 括 激 光 器 ） 和 可 控 光 功 能

5、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 ：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

6、 光 电 信 息 技 术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 一 些 基 本 知 识 ，即 ： 光 电 检 测 的 元 器 件 、 系 统 、 方 法 和 应 用 。 光 电 检 测 技 术n 检 测 与 测 量n 光 电 传 感 器 ：n 基 于 光 电 效 应 ， 将 光 信 号 转 换 为 电 信 号 的 一 种 光 电 器 件n 将 非 电 量 转 换 为 与 之 有 确 定 对 应 关 系

7、 的 电 量 输 出n 光 电 检 测 技 术 ： 是 利 用 光 电 传 感 器 实 现 各 类 检 测 。它 将 被 测 量 的 量 值 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 n 光 电 检 测 系 统n 光 学 变 换n 光 电 变 换n 电 路 处 理 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 作检 测 的 基

8、 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 、 ） 例 ： 空 调 机 测 量 控 制 室 温被 测 对 象 ：被 测 信 息 ：检 测 器 具 ： 室 内 空 气温 度温 度 传 感 器 - 热 电 阻 、 热 电 偶空 气操 作 过 程 ： 热 敏 电 阻 电 信 号 处 理 显 示空 调 机 返 回 n 直

9、 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 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 ： n 电 功 率 ： P = I * V（ 电 流 /电 压 ）n 重 力 加 速 度 ： 单 摆 测 量 （ L： 摆 的 线 长 ， T： 摆 动 的 周 期 ） 224T Lg 返 回 光 电 探 测 器 的 种 类类 型

10、 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)非 PN结 光 电 元 件 (CdS, CdSe, Se, PbS)热 电 元 件 (PZT, LiTaO3, PbTiO 3)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）光 电 池 返 回 光 电 检

11、测 系 统n 光 电 检 测 技 术 以 激 光 、 红 外 、 光 纤 等 现 代 光 电 器 件为 基 础 ， 通 过 对 载 有 被 检 测 物 体 信 号 的 光 辐 射 （ 发射 、 反 射 、 散 射 、 衍 射 、 折 射 、 透 射 等 ） 进 行 检 测 ，即 通 过 光 电 检 测 器 件 接 收 光 辐 射 并 转 换 为 电 信 号 。n 由 输 入 电 路 、 放 大 滤 波 等 检 测 电 路 提 取 有 用 的 信 息 ，再 经 过 A/D变 换 接 口 输 入 微 型 计 算 机 运 算 、 处 理 ，最 后 显 示 或 打 印 输 出 所 需 检 测 物 体

12、的 几 何 量 或 物 理量 。 光 电 检 测 系 统 变换电路 光电传感 光源 光学系统 被测对象 光学变换 电信号处理 存 储显 示控 制光 学 变 换 电 路 处 理 光 电 检 测 系 统n 光 学 变 换n 时 域 变 换 ： 调 制 振 幅 、 频 率 、 相 位 、 脉 宽n 空 域 变 换 ： 光 学 扫 描n 光 学 参 量 调 制 ： 光 强 、 波 长 、 相 位 、 偏 振n 形 成 能 被 光 电 探 测 器 接 收 ， 便 于 后 续 电 学 处 理 的 光 学 信 息 。n 光 电 变 换 n 光 电 /热 电 器 件 （ 传 感 器 ） 、 变 换 电 路 、

13、 前 置 放 大n 将 信 息 变 为 能 够 驱 动 电 路 处 理 系 统 的 电 信 息 （ 电 信 号 的 放 大和 处 理 ） 。n 电 路 处 理n 放 大 、 滤 波 、 调 制 、 解 调 、 A/D、 D/A、 微 机 与 接 口 、 控 制 。 光 电 检 测 系 统 与 人 操 作 功 能 比 较n 被 测 物 体 感 觉 器 官 人 脑 手 控 n 被 测 物 体 光 电 传 感 微 机 执 行 机 构n 光 电 传 感 部 分 相 当 于 人 身 的 感 觉 器 官 光 电 检 测 系 统 的 功 能 分 类n 测 量 检 查 型 ：n 几 何 量 ： 长 度 、 角

14、 度 、 形 状 、 位 置 、 形 变 、 面 积 、 体积 、 距 离 。n 运 动 量 ： 速 度 、 加 速 度 、 振 动n 表 面 形 状 ： 光 洁 度 、 庇 病 、 伤 痕n 工 作 过 程 ： 湿 度 、 流 量 、 压 力 、 物 位 、 PH值 、 浓 度 等 n 机 械 量 ： 重 量 、 压 力 、 应 变 、 压 强n 电 学 量 ： 电 流 、 电 压 、 电 场 、 磁 场n 光 学 量 ： 吸 收 、 反 射 、 透 射 、 光 度 、 色 度 、 波 长 、 光谱 n 控 制 跟 踪 型n 跟 踪 控 制 ： 激 光 制 导 ， 红 外 制 导n 数 值

15、控 制 ： 自 动 定 位 ， 图 形 加 工 形 成 ， 数 值控 制n 图 象 分 析 型n 图 形 检 测n 图 形 分 析 光 电 检 测 技 术 的 特 点n 高 精 度 ： 从 地 球 到 月 球 激 光 测 距 的 精 度 达 到 1米 。n 高 速 度 ： 光 速 是 最 快 的 。n 远 距 离 、 大 量 程 ： 遥 控 、 遥 测 和 遥 感 。n 非 接 触 式 检 测 ： 不 改 变 被 测 物 体 性 质 的 条 件 下进 行 测 量 。n 寿 命 长 ： 光 电 检 测 中 通 常 无 机 械 运 动 部 分 ， 故测 量 装 置 寿 命 长 ， 工 作 可 靠

16、、 准 确 度 高 ， 对 被测 物 无 形 状 和 大 小 要 求 。 n 数 字 化 和 智 能 化 ： 强 的 信 息 处 理 、 运 算 和 控 制能 力 。 光 电 检 测 方 法n 直 接 作 用 法n 差 动 测 量 法n 补 偿 测 量 法n 脉 冲 测 量 法 光 电 检 测 技 术 发 展 趋 势n 纳 米 、 亚 纳 米 高 精 度 的 光 电 测 量 新 技 术 。n 小 型 、 快 速 的 微 型 光 、 机 、 电 检 测 系 统 。n 非 接 触 、 快 速 在 线 测 量 。n 微 空 间 三 维 测 量 技 术 和 大 空 间 三 维 测 量 技 术 。n 闭

17、 环 控 制 的 光 电 检 测 系 统 ， 实 现 光 电 测 量 与 光电 控 制 一 体 化 。n 向 人 们 无 法 触 及 的 领 域 发 展 。 n 光 电 跟 踪 与 光 电 扫 描 测 量 技 术 。 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 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

18、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 、

19、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 二 、 检 测 技 术 在 日 常 生 活 中 的 应 用电 子 血 压 计 ： 血 压 检 测 - 压 力 传 感 器 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

20、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 ： 血 糖 测 试 仪 、 胆 固 醇 检 测 仪 - 离 子 传

21、感 器 三 、 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 。 美 国 国 家 导 弹 防 御 计 划 -NMD四 、 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

22、 ； 拦 截 器 ： 能 识 别 真 假弹 头 ， 敌 友 方 “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 、 检 测 技 术 在 航 天 领 域 的 应 用 学 习 本 课 程 的 目 的n 了 解 光 电 检 测 系 统 的 基 本 组 成 ， 光 电 检 测 技 术 的 特点 和 发 展 趋 势 。n 掌 握 光 电 检 测 器 件 （ 传 感 器 、 光 源 和 成 像 器

23、 件 ） 的工 作 原 理 及 基 本 特 性 ， 了 解 它 们 的 应 用 范 围 。n 能 够 根 据 特 性 参 数 ， 选 择 合 适 的 光 电 检 测 器 件 。 熟悉 常 用 器 件 的 性 能 指 标 。n 掌 握 直 接 检 测 与 外 差 检 测 的 原 理 和 区 别 。 n 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 。n 掌 握 了 解 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 。 本 课 程 的 学 习 内 容n 光 电 检 测 器 件 的 物 理 基 础n 光 电 检 测 器 件 的 工 作 原 理 和 特 性 及其 应 用n 光 电 直 接 和 外 差 检 测 系 统n 光 纤 传 感 检 测 技 术n 光 电 信 号 的 数 据 采 集 与 微 机 接 口