光电信号的变换与检测
光电检测技术与系统第4版
光电检测技术与系统第4版我们来了解一下光电检测技术与系统的基本原理。
光电检测技术利用光电效应，将光信号转化为电信号进行检测和测量。
其中，光电传感器是光电检测技术的核心组成部分，它能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理电路进行放大、滤波、数字化等处理，最终得到所需的测量结果。
光电检测系统由光源、光电传感器、信号处理电路和数据显示装置等组成，通过光源发出光信号，光电传感器接收光信号并转化为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，最终通过数据显示装置展示测量结果。
光电检测技术与系统在各个领域中都有广泛的应用。
首先是工业自动化领域，光电传感器可以用于物料检测、位置检测、计数等方面，提高生产线的自动化程度和生产效率。
其次是医疗领域，光电检测技术可以应用于医学影像、生物分析等方面，为医疗诊断和治疗提供支持。
此外，光电检测技术还广泛应用于环境监测、军事安全、交通运输等领域，为各个行业提供了智能化、高效化的解决方案。
随着科技的不断发展，光电检测技术与系统也在不断创新与进步。
首先，光电传感器的灵敏度和响应速度不断提高，可以实现更高精度的测量。
其次，光电检测系统的体积不断减小，功耗不断降低，同时具备更强的抗干扰能力。
此外，光电检测技术与系统与其他领域的深度融合也是当前的研究热点，如光电与人工智能、光电与机器视觉等，将为光电检测技术与系统的应用带来更多创新和突破。
不过，光电检测技术与系统在应用中还存在一些挑战和问题。
首先是环境干扰的影响，光电传感器易受光照、温度、湿度等环境因素的影响，可能导致测量结果的不准确。
其次是光电检测系统的稳定性和可靠性需要进一步提高，以应对长时间运行和复杂环境的要求。
此外，光电检测技术与系统的成本也是一个考虑因素，如何降低成本、提高性价比是当前研究的重点之一。
《光电检测技术与系统第4版》是一本系统介绍光电检测技术与系统的专业书籍，内容涵盖了光电检测技术的基本原理、应用领域以及发展趋势。
光电检测技术与系统在各个行业中都发挥着重要作用，随着科技的不断进步，它将继续迎来更多创新和突破，并为社会的智能化、高效化发展做出更大贡献。
光电检测与信息处理技术
光电检测与信息处理技术光电检测与信息处理技术是一种基于光电效应的技术，主要应用于光电传感器和光电器件中。
光电检测技术利用光电器件对光信号的感应和转换，将光信号转化为电信号，再经过信息处理和分析，实现对光信号的检测和测量。
光电检测与信息处理技术在各个领域都有着广泛的应用，包括光通信、光学成像、光电显示、光电测量等。
光电检测技术的关键在于光电器件的选用和设计。
光电器件是将光信号转化为电信号的关键组成部分，常用的光电器件包括光电二极管、光敏电阻、光电导、光电三极管等。
不同的光电器件具有不同的特性和应用范围，选择合适的光电器件对于光电检测技术的性能和应用至关重要。
光电检测技术的应用之一是光通信。
光通信是一种利用光信号传输信息的通信方式，具有传输速度快、带宽大、抗干扰能力强等优点。
光电检测技术在光通信中起到了至关重要的作用，能够将光信号转化为电信号，并进行解调和调制，实现信号的传输和接收。
光电检测技术的不断发展和创新，使得光通信的速度和可靠性得到了显著提高，为现代通信技术的发展提供了有力支持。
另一个重要的应用领域是光学成像。
光学成像是利用光信号获取目标物体的图像信息的技术，广泛应用于摄影、电视、医学影像等领域。
光电检测技术在光学成像中起到了关键作用，能够将光信号转化为电信号，并通过信号处理和分析，实现图像的采集和处理。
光电检测技术的不断创新和进步，使得光学成像的分辨率和清晰度大幅提高，为图像获取和处理提供了强大支持。
光电检测技术还应用于光电显示和光电测量等领域。
光电显示技术是利用光电器件将电信号转化为光信号，实现图像和文字的显示和表达。
光电测量技术是利用光电器件对光信号进行测量和分析，实现对光学特性和参数的测量。
光电检测技术在这些领域的应用，不仅提高了显示和测量的准确性和可靠性，同时也扩展了光电技术的应用范围和领域。
光电检测与信息处理技术的发展离不开科学研究和工程实践的支持。
科学研究的目标是在充分理解光电效应的基础上，探索新的光电器件和光电技术，并提出新的理论模型和方法。
光电信号处理方法
光电信号的增强
光电信号的增强主要通过光电倍增管、 雪崩二极管等器件实现，这些器件可 以在放大信号的同时，进一步提高信 号的信噪比。
增强后的光电信号可以更好地满足后 续处理的需求，提高整个光电系统的 性能和可靠性。
03 光电信号的数字化处理
数字信号处理的基本概念
数字信号
将连续时间信号转换为离散时间信号的过程。
小波变换
将信号分解成不同频率的子信号，可以对信号进行多尺度分析。
04 光电信号的调制与解调
调制与解调的基本概念
调制
将低频信号转换为高频信号的过程， 以便传输或处理。
解调
将调制后的高频信号还原为低频信号 的过程。
模拟调制技术
AM（调幅）
通过改变载波的振幅传递信息。
FM（调频）
通过改变载波的频率传递信息。
微型化
利用人工智能和机器学习等技术，实现光 电信号处理的智能化和自主化。
随着微纳技术的发展，光电信号处理将朝 着微型化的方向发展，实现更小体积、更 低功耗的系统。
02 光电信号的采集与预处理
光电信号的采集
1
光电信号的采集是光电信号处理的第一步，其目 的是将光信号转换为电信号，以便后续处理。
2
常用的光电信号采集器件包括光电二极管、光电 晶体管、光电池等，它们能够将光信号转换为电 流或电压信号。
光电信号处理
利用电子学和信息处理技术对光电信号进行采集、传 输、转换、增强、分析和理解的过程。
光电信号处理的应用领域
光学通信
利用光电信号处理技术实现高速、大容量的信息 传输。
环境监测
利用光电信号处理技术实现对大气、水质等环境 参数的实时监测。
ABCD
生物医学成像
光电技术与光电检测技术概述
光电技术与光电检测技术概述摘要：光电技术是以激光，红外，微电子等为基础旳，由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成旳高新技术。
光电检测技术是光电技术中最重要最核心旳部分，它重要涉及光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息旳光电解决技术等。
如用光电措施实现多种物理量旳测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图象像测量等。
它集中发展了光学和电子固有旳技术优势，形成了许多崭新功能和良好旳技术性能，在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛旳应用和巨大旳潜力，成为新技术革命时代和信息社会旳重要技术支柱，受到了各方面注重，从而得到了迅速发展。
核心词：光电技术光电检测技术引言在目前信息化社会中，光电技术已成为获取光学信息或提取他信息旳手段。
它是人类能更有效地扩展自身能力，使视觉旳长波延长到亚毫米波，短波延伸至X射线、γ射线，乃至高能粒子。
并且可以在飞秒级记录超迅速现象，如核反映、航空器发射等旳变化过程。
并且光电检测技术是一种非接触测量旳高新技术，是光电技术旳核心和重要构成部分。
通过光电检测器件对载荷有被检测物体信息旳光辐射进行检测，并转换为电信号，经检测电路、A/D变换接口输入微型计算机进行运算、解决，最后得出所需检测物旳几何量或物理量等参数。
因此，光电检测技术是现代检测技术旳重要手段和措施，是计量技术旳一种重要发展方向。
一、光电技术与光电检测技术旳含义现代科学技术发展旳一种明显性特点是纵横交叉，彼此渗入，边沿科学不断露头和进展迅速。
由于光学现象可以进行近似线性化使它可以采用有关线性系统旳一般原理，因此在电系统中旳许多行之有效旳理论和分析措施都可以移植到光学中来。
随着大规模集成电路旳发展，光学也开始向集成化发展。
光电技术是以激光，红外，微电子等为基础旳，由光学、精密机械、电子和计算机技术结合而成旳高新技术。
它集中发展了光学和电子固有旳技术优势，形成了许多崭新功能和良好旳技术性能，在国民经济、国防、科学研究等各方面有着广泛旳应用和巨大旳潜力，成为新技术革命时代和信息社会旳重要技术支柱，受到了各方面注重，从而得到了迅速发展。
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理光电检测器是一种基于光电效应原理工作的光电传感器。
其工作原理是利用光电二极管（Photodiode）或光电三极管（Phototransistor）等器件，将光信号转化为电信号。
光电检测器广泛应用于光电传感、光通信、光电测量等领域。
光电检测器的工作原理是基于光电效应。
光电效应是指当光照射到某些物质表面时，光子与物质原子发生相互作用，光子能量被物质吸收，使得物质中的电子获得足够能量从束缚态跃迁到导带态。
光电二极管和光电三极管就是利用这种光电效应来工作的。
光电二极管是一种将光信号转化为电信号的器件。
它由P型半导体和N型半导体组成，两种半导体之间形成一个PN结。
当光照射到PN结上时，光子的能量被半导体吸收，使得PN结中的电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对。
由于PN结上存在电场，电子空穴对会被分离，电子被推向N型区域，空穴被推向P型区域。
这样就产生了一个电流，即光电流。
光电二极管的光电流与光照强度成正比关系。
光电三极管与光电二极管类似，也是将光信号转化为电信号的器件。
它由P型半导体、N型半导体和P型半导体组成，形成了PNP的结构。
当光照射到光电三极管的基区时，光子的能量被吸收，使得PNP结中的电子从价带跃迁到导带，产生电子空穴对。
由于PNP结上存在电场，电子空穴对会被分离，电子被推向N型区域，空穴被推向P型区域。
这样就产生了一个电流，即光电流。
与光电二极管不同的是，光电三极管的电流放大倍数较大，可以更灵敏地检测光信号。
为了提高光电检测器的灵敏度和响应速度，常常会采用一些增强措施。
例如，在光电二极管或光电三极管的结构中引入增强层，可以增加光电效应的发生几率，提高光电流的强度。
此外，还可以采用透镜、滤光片等光学元件来优化光的聚焦和过滤，增强光电检测器的性能。
光电检测器的应用十分广泛。
在工业领域，光电检测器常用于光电传感器中，用于检测物体的存在、位置和运动等。
在光通信中，光电检测器是接收光信号的重要组成部分，可以将光信号转化为电信号，进行解调和处理。
光电跟踪原理
光电跟踪原理
光电跟踪是一种通过利用光电效应来实现对物体位置、运动或姿态的检测与跟踪的技术。
其原理基于以下几个步骤：
1. 光源发射：使用光源发射光线，可以是可见光、红外线或激光等。
2. 光线照射：光线照射到目标物体上，其中一部分光线会被目标物体散射或反射。
3. 光电器件感应：使用光电器件（如光电二极管、光敏电阻等）接收通过物体反射或散射的光线，并将光信号转化为电信号。
4. 信号放大与转换：将光电器件接收到的微弱光信号通过放大电路进行放大，并进行相关的滤波、放大和模数转换等处理。
5. 信号处理与判断：通过信号处理算法，对电信号进行分析与处理，如滤波、去噪、幅度计算等。
根据处理后的信号，可以获得目标物体的位置、运动状态等信息。
6. 跟踪与控制：根据目标物体的位置与运动状态等信息，进行跟踪与控制操作。
可以通过控制系统来调整光源的位置或姿态，以确保光线可以持续地照射到目标物体上。
总的来说，光电跟踪原理利用光线与目标物体的交互作用，通过光电器件接收和转换光信号，再经过信号处理分析以及跟踪与控制操作，实现对目标物体位置、运动或姿态的跟踪与监测。
(完整版)第四章光电信号检测电路
4.2 光电信号输入电路的静态计算
静态计算法是对缓慢变化的光信号采用直流电路 检测时使用的设计方法，由于光电检测器件的非线 性伏安特性，所采用的方法包括非线性电路的图解 法和分段线性化的解析法。
按照伏安特性的基本性质可分为三种类型：恒流 源型、光伏型和可变电阻。
4.2.1 恒流源型器件光电信号输入电路
0 Q
UQ
图解法 分析：
U
O
U
光伏型器件负载电阻和光通量的影响分析：
伏安特性 非线性
光通量较小时 近似线性关系 光通量较大时 逐渐饱和状态
电阻越大越明显
RL 0
RM
RL↑
负载电阻的选取影响输出信号
UM
短路电流或线性电流放大(区域I) 空载电压输出(区域IV) 线性电压输出(区域 II)
短路电流或线性电流放大区域 I
1、负载电阻很小,接近于0,电 路工作状态接近于短路工作状态, 可实现电流变换。后续电流放大 级可从光电池中吸取最大的输出 电流。此时输出电流为：
I
I I p Is eIRL UT 1 RL 0
I p Isc S
和 I S
RL 0
i
R1 I
II
RM
Isc2 2 I sc1 1
O
所以 R
S Gp Gd 2
R2S
即有：I
R 2U b S
R RL 2
和
U L
RLI L
R 2U b S
R RL 2
RL
练习思考
R IL
10K
UL
Ub
已知负载10k，偏置电压100V,光电导灵敏度为 S=0.5×10-6S/lm，暗电导为0，假设静态工作点光通量 为100lm时，光敏电阻阻值为20k，试求光通量在50lm 到150lm的范围内变化时电路负载上输出电流和输出电
光电检测系统的工作原理及应用
光电检测系统的工作原理及应用概述光电检测系统是利用光电传感器来实现对光信号的检测和测量的一种系统。
它通过将光信号转化为电信号进行处理和分析，广泛应用于工业自动化、仪器仪表、机器视觉、安防监控等领域。
本文将介绍光电检测系统的工作原理及其在各个领域的应用。
工作原理光电检测系统的工作原理是将光信号转化为电信号，并通过电路进行处理和分析。
光电传感器是光电检测系统的核心组件，它可以将光信号转化为电信号。
光电传感器光电传感器主要由光电二极管（Photodiode）、光敏电阻（Photocell）和光电管（Phototube）等组成。
光电二极管是最常见的光电传感器之一，其工作原理是利用半导体材料对光的敏感性，在光照下产生电流。
光电二极管可根据光照强度的变化产生不同的电流信号，实现对光信号的检测和测量。
信号处理电路光电检测系统中的信号处理电路主要用于放大、滤波和处理光电传感器产生的微弱电信号。
通过增加电流放大器、滤波器和信号处理器等电路，可以提高系统对光信号的灵敏度和稳定性。
同时，信号处理电路还可以对电信号进行模数转换和数字信号处理，进一步对光信号进行分析和判断。
应用领域光电检测系统在各个领域有广泛的应用，以下是几个常见的应用领域：工业自动化光电检测系统在工业自动化领域中起到了重要作用。
它可以用于物料检测、位置判断和传感器触发等任务。
光电传感器可以检测到物体的存在与否，实现对物体的自动识别和测量。
在流水线上，光电检测系统可以实现对物体的计数和判断，提高生产效率和质量。
仪器仪表光电检测系统在仪器仪表领域中也有广泛的应用。
例如，在光谱仪中，光电传感器可以将光信号分解为不同波长的光谱，并进行光谱分析和测量。
在激光测距仪中，光电检测系统可以利用光信号的反射时间来测量目标物体与传感器的距离。
机器视觉光电检测系统在机器视觉领域中也被广泛应用。
它可以用于图像传感和边缘检测等任务。
利用光电传感器对光信号的感知和分析，可以实现对图像的自动采集、处理和判断。
光电传感器工作原理
光电传感器工作原理光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置，广泛应用于光电检测、光电测量、光电控制等领域。
它通过感受光的强度、波长等特性，将光信号转换为电信号，从而实现对光的检测和控制。
一、光电传感器的基本原理光电传感器的基本原理是光电效应。
光电效应是指当光照射到物质表面时，光子与物质中的电子相互作用，将光能转化为电能的现象。
光电传感器利用光电效应，将光信号转化为电信号，实现对光的检测和测量。
光电传感器通常由光源、光敏元件和信号处理电路组成。
光源发出光信号，光敏元件接收光信号并产生电信号，信号处理电路对电信号进行放大、滤波等处理，最终输出一个与光信号相关的电信号。
二、光电传感器的工作原理1. 光敏元件的工作原理光敏元件是光电传感器的核心部份，常见的光敏元件有光敏电阻、光敏二极管、光电二极管、光电三极管、光电晶体管等。
以光敏电阻为例，它是一种能够根据光强度变化而改变电阻值的元件。
光敏电阻的内部结构是一个光敏材料和两个电极。
当光照射到光敏电阻上时，光敏材料中的电子会被激发，电子的运动会导致电阻值的变化。
光敏电阻的电阻值与光照强度成反比，当光照强度增加时，电阻值减小；当光照强度减小时，电阻值增大。
光敏二极管和光敏三极管的工作原理类似，它们通过光照射到半导体结构上，产生光生电流或者光生电压，从而实现对光信号的检测。
2. 光电传感器的工作原理光电传感器通常包含一个光敏元件和一个信号处理电路。
光敏元件接收光信号并产生电信号，信号处理电路对电信号进行放大、滤波等处理，最终输出一个与光信号相关的电信号。
光电传感器的工作原理可以分为两种类型：光电开关和光电传感器。
- 光电开关：光电开关通过检测光的有无来实现对物体的检测。
当物体遮挡光电开关的光束时，光敏元件接收到的光信号减弱或者消失，信号处理电路检测到光信号的变化，输出一个开关信号，表示物体被检测到。
光电开关常用于自动控制、物体计数、物体定位等应用场景。
- 光电传感器：光电传感器通过检测光的强度、波长等特性来实现对物体的检测。
光电检测技术绪论
光电检测技术涉及光电子学、物 理学、化学、材料科学等多个学 科领域，是现代信息科学的重要 组成部分。
光电检测技术的应用领域
在通信领域，光电检测技术用于 光纤通信、光信号处理境监测领域，光电检测技术 用于气体成分分析、水质监测、 气象观测等方面，为环境保护和 治理提供技术支持。
光电检测技术绪论
• 光电检测技术概述 • 光电检测技术的基本原理 • 光电检测技术的分类 • 光电检测技术的应用实例 • 光电检测技术的挑战与展望
01
光电检测技术概述
光电检测技术的定义
01
光电检测技术是指利用光子与电 子相互作用产生电信号，通过测 量电信号实现对光信号的检测和 转换的一种技术。
精度提升
随着科技的发展，光电检测技术 需要更高的精度以适应各种应用 场景，如光学通信、生物医疗和
环境监测等。
响应速度优化
在某些实时性要求较高的场合， 如高速运动目标跟踪和高速信号 处理，光电检测技术需要具备更
快的响应速度。
算法改进
通过算法优化和改进，提高光电 检测系统的数据处理能力和实时 性，以满足高精度和高速度的要
傅里叶变换型光电检测技术主要应用于光谱 分析、光学通信、激光雷达等方面。通过不 同的光学系统和信号处理方法，可以实现不
同的检测功能。
04
光电检测技术的应用实例
光电测距技术
激光雷达测距
利用激光雷达发射激光束并接收反射 回来的信号，通过测量光束往返时间 来计算目标距离，广泛应用于无人驾 驶、环境监测等领域。
超声波测距
利用超声波发射器发出超声波并接收 回波，通过测量回波时间计算目标距 离，常用于近距离测距，如机器人避 障等。
光电跟踪技术
红外跟踪
光电探测器的应用原理
光电探测器的应用原理1. 什么是光电探测器光电探测器是一种能够将光信号转换为电信号的设备。
它利用光电效应、半导体效应等原理实现光信号的检测和转换。
光电探测器在各个领域都有重要的应用，如光通信、光电传感、光谱分析等。
2. 光电探测器的原始应用最早的光电探测器是光电池，它利用光电效应将光能转化为电能。
光电池广泛应用于太阳能电池板、计算器等设备中。
光电池的应用原理很简单，当光线照射到光电池上时，光子与半导体材料相互作用，产生电荷对，从而产生电流。
3. 光电探测器的工作原理光电探测器的工作原理主要包括光电效应、光谱响应和电子运动三个方面。
3.1 光电效应光电效应是指当光子照射到材料表面时，光子的能量被电子吸收，使得电子从材料中被释放出来。
光电效应有光电发射效应和光电吸收效应两种。
光电探测器的工作就是在光电效应的基础上实现光信号的转换。
3.2 光谱响应光电探测器的光谱响应是指探测器对不同波长的光信号的响应程度。
不同类型的光电探测器具有不同的光谱响应范围。
例如，硅光电二极管的光谱响应范围为400nm到1100nm，而铟锗光电二极管的光谱响应范围为900nm到3.5μm。
3.3 电子运动光电探测器中的光子被吸收后，电子受到光子能量的刺激，跃迁到导带中，形成电流。
这些电子在半导体中的运动过程中产生电流信号，并通过电路放大和处理，最终转换为可读取的电信号。
4. 光电探测器的应用光电探测器在各个领域都有广泛的应用。
以下列举几个主要的应用：•光通信：光电探测器在光通信中起到接收和转换光信号的作用。
它们被用于光纤通信系统中的光接收器和光解调器。
•光电传感：光电探测器可以用于光电测距、光电测速、光电测温等领域中的信号检测和转换。
•光谱分析：光电探测器可以用于分析物质的光谱特性，如紫外-可见光谱分析和红外光谱分析。
•医学影像：光电探测器在医学影像中的应用越来越广泛，如X射线探测器、光电力显微镜等。
•红外探测：光电探测器可以检测红外辐射，用于红外成像、红外夜视等领域。
光电器件的性能测试与分析
光电器件的性能测试与分析光电器件是一种利用光电效应或光学现象而获得电信号输出或控制电路的装置。
它不仅是日常生活和工业生产中必不可少的一种装置，更是现代科学技术研究的重要基础。
例如，光电器件在通信、医疗、化学分析等多个领域都有广泛的应用。
因此，对其性能测试和分析也显得尤为重要。
在本文中，我们将介绍光电器件的性能与测试方法，并简要分析其相关数据。
一、光电器件的性能在介绍光电器件的性能之前，我们需要知道光电效应和光学现象对光电器件的影响。
1. 光电效应光电效应指的是物质受到光照射后，电子从原子或分子中被激发出来，进而形成电流。
感光元件是一种采用光电效应制作的光电器件。
例如，光电二极管（Photodiode）、光电三极管（Phototransistor）等。
2. 光学现象光学现象指的是光在光电元器件中的传播、反射、折射、散射等现象。
这些现象会对光电元器件的性能造成直接影响。
例如，透射率、反射率、折射率等指标。
基于上述了解，我们可以介绍一些影响光电器件性能的指标：1. 噪声等级光电器件会产生噪声，这会对采集的信号造成影响。
一般情况下，用噪声谱密度来表示噪声的大小。
噪声等级通常可以用单位电压下噪声谱密度来描述。
2. 噪声光敏度光敏度是光电二极管接收到光照射后，输出电压（或电流）的变化量。
噪声光敏度是指在单位带宽内的噪声电压与光敏电流之比。
3. 温度敏感度和线性性温度敏感度是指器件在不同温度下输出信号的变化量。
线性范围是指器件输出与输入信号之间的线性关系。
4. 频率响应频率响应是指在不同频率下，光电器件输出信号的变化量。
这个指标对于采集快速变化的信号非常重要。
通常，频率响应可以用 3dB 带宽来衡量。
二、光电器件的测试方法在进行光电器件的测试之前，我们应该了解如何使用测试仪器。
主要的测试仪器有：1. 光源和光电探测器光源可以用光度计或光功率计进行校准。
光度计是测量光照度的仪器，光功率计可以测量光源的辐射功率。
第6章光电信号的变换及检测技术
xi
放 大 器
xo 负
载
ii Rs us
+ ui -
io Ri
RO u ’o RL
+ uo -
输出电流
输出电压 输出电阻
输入电阻Ri：——从放大电路输入端看进去的等效电阻。
Ri ui / ii ,
用来描述放大电路对信号源索取电流的大小，也表 示放大器对信号源的影响程度。
Company Logo
Pno / Psi Psi / Pni SNRi F Pni K p / Psi Pso / Pno SNRo
（2）电流放大器：
ii is
io
+ Ro uo RL Aioii -
RS 输入电阻Ri：R u / i , ii is , i i i RS Ri 为使ii尽可能接近is 提高电源利用率，Ri越小越好。
电流增益Ai： i
输入信号是电流，输出 信号也是电流，是一种 电流控制电流源。
Rs
+ ui Ri -
Company Logo
6.1 光电信号检测电路的噪声
6.1.3 前置放大器的噪声 前置放大器在放大有用信号的同时也将噪声放大。 对于微弱信号检测仪器或设备，前置放大器是引入噪声的 主要部件之一。 整个检测系统的噪声系数主要取决于前置放大器的噪声系 数。 仪器可检测的最小信号也主要取决于前置放大器的噪声。
lg10db613前置放大器的噪声61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom为简单计设级数m3各级放大器本身产生的噪声功率分别为p1p2p3第一级放大器的输入噪声功率为pni则最后一级的输出噪声功率pno为增益k放大器1放大器2放大器mpipo1po2porses多联放大器的噪声系数61光电信号检测电路的噪声companylogowwwthemegallerycom级联放大器总的噪声系数f可推导出计算m级级联放大器总的噪声系数f的弗里斯公式级联放大器中各级的噪声系数对总噪声的影响是不同的越是前级影响越大第一级影响最大
光电传感器的种类其工作原理
光电传感器的种类其工作原理
光电传感器是一种利用光电效应来检测光信号的传感器。
它可以将光信号转换为电信号，用于测量、检测或控制。
根据工作原理的不同，光电传感器可以分为以下几种主要类型：
1. 光敏电阻传感器：光敏电阻传感器是一种利用光敏电阻的电阻值对光强度变化进行测量的传感器。
光敏电阻工作原理基于光电效应，当光照强度增加时，光敏电阻的电阻值减小，反之亦然。
2. 光电二极管传感器：光电二极管传感器是一种利用光电二极管对光信号进行检测的传感器。
光电二极管工作原理是利用PN结反向偏置时产生的光电流来测量光强度。
3. 光电三极管传感器：光电三极管传感器是一种利用光电三极管对光信号进行检测的传感器。
光电三极管工作原理类似于光电二极管，但相比之下具有更高的灵敏度和响应速度。
4. 光电开关传感器：光电开关传感器包括发光器和接收器两部分，通过光束在两者之间的中断或遮挡来进行光信号的检测。
该传感器工作原理是当光束中断时，接收器检测到的光强度减小，通过判断光强度的变化来实现开关的触发。
5. 光电编码器传感器：光电编码器传感器利用光电调制器和接收器进行光信号的编码和解码。
工作原理是通过在编码盘上产生特定的光模式，接收器检测到的光信号模式来确定位置或运动状态。
总的来说，光电传感器的工作原理都是基于光电效应，利用光信号的特性进行测量和控制。
具体的工作原理和性能特点会根据不同的光电传感器类型而有所不同。
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理光电检测器是一种广泛应用于工业自动化、医疗、安防等领域的传感器。
它能够将光信号转换成电信号，实现对光信号的检测和测量。
本文将详细介绍光电检测器的工作原理。
一、光电检测器的分类根据其工作原理和应用场景，光电检测器可以分为多种类型，主要包括：1. 光敏二极管（Photodiode）：利用半导体材料的PN结，在光照下产生电流，实现对光信号的检测。
2. 光电二极管（Photoconductive Cell）：利用半导体材料在光照下发生导电性变化，实现对光信号的检测。
3. 光敏三极管（Phototransistor）：由普通三极管加上一个透明外壳组成，当有光照射时，透明外壳内的PN结会产生电流放大效应，从而实现对光信号的放大和检测。
4. 光电子倍增管（Photomultiplier Tube）：利用静电场和二次发射效应，在弱光下放大并转换成强电信号。
5. 其他类型：如光电导管、光电场效应管等。
二、光电检测器的工作原理以光敏二极管为例，介绍光电检测器的工作原理。
光敏二极管是一种PN结构，当有光照射到PN结时，会产生电子和空穴对。
由于PN结内部存在漂移场和扩散场，电子和空穴会向相反方向运动，并在PN结中形成一个漂移区域和扩散区域。
当漂移区域和扩散区域相遇时，就会发生复合现象，并释放出能量。
这些能量以热量和光子的形式释放出来，其中释放的光子就是我们所说的“光信号”。
当有足够多的光信号时，就可以引起PN结内部的载流子数量变化。
由于载流子数量变化引起了PN结内部电势分布的改变，从而使得PN 结两端形成不同的电势差。
这个电势差就可以通过外接元件（如负载电阻）转化为可观测的电信号。
三、应用场景由于其灵敏度高、响应速度快、体积小等特点，光电检测器被广泛应用于工业自动化、医疗、安防等领域。
例如：1. 工业自动化：用于检测流水线上的产品是否正常运行、检测机器人的位置和姿态等。
2. 医疗：用于医学成像、光学诊断等领域。
光电开关测速原理
光电开关测速原理
答案：
光电开关测速原理主要是基于光电变换原理，通过将被测轴的转速转换为电脉冲信号来实现速度测量。
光电开关，也称为光电传感器，利用被检测物体对光束的遮挡或反射作用，通过检测光线的变化来达到检测目的。
具体来说，光电开关将发射端与接收端的光线变化转化为电流，从而实现物体的检测。
在测速应用中，当被测物体（如旋转轴）旋转时，如果安装有光电编码器，则旋转产生的离心力会使光源发出的光线通过编码器的缝隙照射到光敏元件上，从而产生电信号。
这个电信号的频率与旋转速度成正比，因此可以通过测量电信号的频率来确定旋转速度。
此外，光电开关还可以应用于光电门测速装置中，其中光电门由一个线性光源和一个光敏电阻组成。
当物体通过光电门时，如果物体阻挡了光线，使得光敏电阻受到的光照减少，电阻值增大，从而导致电压变化。
这个电压变化被传感器捕捉并转换为电信号，进而实现计时功能。
通过测量物体通过光电门的时间，可以计算出物体的速度。
综上所述，光电开关测速原理主要依赖于光电变换原理和电信号的产生与测量，通过被测物体的运动引起的光线变化来检测速度。
光电检测技术与应用
光电检测技术与应⽤光电传感器是基于光电效应将光电信号转换为电信号的⼀种传感器光学系统的基本模型：光发射机->光学信道—>光接收机光学系统通常分为：主动式，被动式。
主动式：光发射机主要由光源和调制器构成。
被动式：光发射机为被检测物体的热辐射。
光学信道：主要由⼤⽓，空间，⽔下和光纤。
光接收机是⽤于收集⼊射的光信号并加以处理，恢复光载波的信息。
光接收机分为：功率（直接）检测器，外差接收机。
光电检测技术特点：1.⾼精度：是各种检测技术中精度最⾼的⼀种：激光测距法测地球与⽉亮的距离分辨率达1m2.⾼速度：光是各种物质中传播速度最快的。
3.远距离，程量：光是最便于远距离传播的介质4.⾮接触性：光照到被测物体上可以认为是没有测量⼒，因此⽆摩擦。
5.寿命长：光波是永不磨损的。
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。
光电传感器：1.直射型.2.反射型.3.辐射型光电检测的基本⽅法有：1.直接作⽤法.2.差动测量法.3.补偿测量法4.脉冲测量法直接作⽤法：收被测物理控制的光通量，经光电转换后有检测机构直接得到所求被测物理量。
差动测量法：利⽤被测量与某⼀标准量相⽐较，所得差或数值⽐克反应被测量的⼤⼩。
光电检测技术的发展趋势：1.发展纳⽶，亚纳⽶⾼精度的光电测量新技术。
2.发展⼩型的，快速的微型光，机，电检测系统。
3.⾮接触，快速在线测量。
4.发展闭环控制的光电检测系统。
5.向微空间或⼤空间三维技术发展。
6.向⼈们⽆法触及的领域发展。
7.发展光电跟踪与光电扫描技术。
在物质受到辐射光的照射后，材料的电学性质发⽣了变化的现象称为光电效应光电效应分为：外光电效应和内光电效应光电导效应是⼀种内光电效应。
光电导效应也分为本征型和⾮本征型两类得稳定的光电流需要⼀定能的时间。
弛豫现象也叫惰性。
光⽣伏特效应速度更快。
光热效应：某些物质在受到光照射后，由于温度变化⽽造成材料性质发⽣变化的现象。
光电检测器对辐射条件的不同，分为：光⼦检测器件和热点检测器件热点检测器的特点：Array1.响应波长⽆选择性。
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1 噪声的电流均方值与电路频率f成反比，所以称之为 f 噪声，它不为 f
1
白噪声，噪声功率谱集中在低频，有时又称其为低频噪声。
12
第6章 光电信号的变换及检测技术 4. 产生–复合噪声(g—r噪声，Generation-Recombination noise )
光电导探测器因光(或热)激发产生载流子和载流子复合(或 寿命)这两个随机性过程，引起电流的随机起伏形成产生–复合 噪声。该噪声的电流均方值为 4qI ( / c )f 2 In (6-12) 1 4 2 f 2 2 式中 I——流过光电导器件的平均电流； ——载流子的平均寿命； e——载流子在光电导器件两电极间的平均漂移时间； F——测量电路的带宽。 产生–复合噪声与频率f有关，属于非白噪声。但在相对低频的条件 下，即 4 2 f 2 2 1时，公式可简化为
带通型网络中等效带 宽的物理意义 15
第6章 光电信号的变换及检测技术
系统的等效噪声带宽还可以用调制传递函数He(f)来表示
f D( f ) H e2 ( f )df
0
(6-18)
对于白噪声来说D(f)＝1，所以有
f H e2 ( f )df
0
为什么是平方？
对于一个电压放大电路有 H e ( f ) AV ( f ) / AV 式中，AV(f)电路电压放大倍数的频率响应；AV:中心频率或零频时的 电压放大倍数。 于是有
2 EnT 4kT0 Rs f
式中,T0为参考温度(工作室温)。
图6-7 放大器等效噪声温度
20
第6章 光电信号的变换及检测技术
假设放大器的噪声也等效到电阻RS上，相当 于附加一个温差Teq在RS产生的热噪声,把Teq叫作 等效噪声温度。于是等效在输入端的总噪声为
2 Eni 4k T0 Rs f 4k Teq Rs f
等效噪声带宽、等效噪声电阻、等效噪声温度
29
第6章 光电信号的变换及检测技术
问题
等效噪声电阻、等效噪声温度只能反映噪 声的绝对值，而无法反映相对于待测信号 的比值。 噪声绝对值大并不一定意味着信号不好， 噪声绝对值小也不表示信号很好。 所以需要引入另外一个参量？
30
第6章 光电信号的变换及检测技术
(6-26)
下面对其有关特性进行讨论：
图6-8 线性四端网络
(1)对于理想无噪声的网络有P0／N0＝Pi／Ni，即F＝1。当网络存 在噪声时，P0／N0<Pi／Ni，即F＞1。
31
第6章 光电信号的变换及检测技术
(2)噪声系数常用其分贝数FdB来表示
Pi / N i FdB 10 lg F 10 lg Po / N o
E [ E1 E2 Ei En ] / n
(6-1)
7
第6章 光电信号的变换及检测技术
均方值为
2 [( E1 E ) 2 ( E2 E ) 2 ( En E ) 2 ] / n
(6-2)
概率分布函数P(E)为
1 (E E)2 P( E ) exp 2 2 2
图6-2 电阻热噪声的等效电路
10
第6章 光电信号的变换及检测技术
2. 散弹噪声（Shot noise）
又称散粒噪声。元器件中有直流电流通过时，直流电流值只表 征其平均值，而微观的随机起伏形成散弹噪声，并叠加在直流电平 上。 散弹噪声的电流均方值为
2 I nsh 2qI DC f
(6-8)
式中：q为电子电荷；IDC为流过 电流的直流分量。
(6-3)
8
第6章 光电信号的变换及检测技术
6.1.2 主要的噪声类型 1. 电阻热噪声（Thermal noise）
当电阻处于环境温度高于绝对零度的条件下，自由电子的热运 动形成起伏变化的噪声电流。大小与极性随机变化，且长时间的平 2 均值等于零。常用噪声电流的均方值I nT 表示
2 I nT
4kTf R
(6-4)
I nT (
4kTf 1/ 2 ) R
(6-5)
式中 R——所讨论元件的电阻值； k——玻尔兹曼常数，k=1.3806505×10-23 J/K ； T—— 电阻所处环境的绝对温度； f——所用测量系统的频带宽度。
9
第6章 光电信号的变换及检测技术
图6-1 电阻热噪声
4k (T0 Teq ) Rs f
(6-23)
图6-7 放大器等效噪声温度
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第6章 光电信号的变换及检测技术
第二次课
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第6章 光电信号的变换及检测技术
每周案例
这是什么？ 管径测量的意义 如何测量管径
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第6章 光电信号的变换及检测技术
每周案例
测径仪，专用于直径测量？
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第6章 光电信号的变换及检测技术
6
第6章 光电信号的变换及检测技术
6.1.1 噪声的分类及性质
外部干扰噪声:人为造成的和自然造成的干扰。 内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。 噪声强度可采用噪声电压或噪声电流的均方值 E n2 、 n2 表示， I 有时简化为 En2 、 n2 。而噪声电压或噪声电流的均方根值则可用 I n I 和 E n表示。 固有噪声是随机过程，噪声电压的瞬时值可取不同值E1， E2， …Ei，而对应出现的概率P(E1)，P(E2)，…，P(Ei)，…，其 分布规律符合高斯分布。n次采样的算术平均值E为
第6章 光电信号的变换 及检测技术
第6章 光电信号的变换及检测技术
本章的主要内容
6.1 光电信号检测电路的噪声 6.2 前置放大器
6.3 常用电路介绍 6.4 光电技术中的调制技术
2
光电检测系统组成
光电检测系统组成
第6章 光电信号的 变换及检测技术
3
信号处理的重要性！
理想白光干涉信号 探测器接 测量
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第6章 光电信号的变换及检测技术
每周案例
非扫描型
测量范围 ：零点几毫米-几十毫米 测量精度：微米级 /buyer/offerdetail/265595035.html
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第6章 光电信号的变换及检测技术
回顾
检测电路中的噪声来源和性质 热噪声、散粒噪声、G-R噪声、1/f噪声、温度噪声
6.1.4 前置放大器的噪声 1. 噪声系数(F , noise factor) –输入信噪比与输出信噪比的比值
Rs是信号源内阻；Es是信号源电动势；RL是输出负载；Pi ，P0分别 是输入、输出的信号功率；Ni是加到输入端的噪声功率；No是输 出端的总噪声功率；于是噪声系数可定义为
Pi / N i F P0 / N 0
AV ( f )
所以
f 1 2 AV
AV 1 (CR) 2
图6-5 低频放大器
0
2 AV ( f )
1 2500 0 1 ( wCR)2 df 2500
d ( wCR ) df 1 0 1 ( wCR ) 2 2 CR 0 1 ( wCR ) 2 1 fH 2 CR 2 2 1 式中，fH= 2CR为低通放大器的三分贝频率。
f [ AV ( f ) / AV ]2 df
0
1 2 AV
0
2 AV ( f )df
(6-19)
16
第6章 光电信号的变换及检测技术
设有一低通型电压放大器如图，它由电压放大倍数AV=50的放大器 与RC低通滤波器组成，其放大倍数的频率响应为 AV ( f ) AV /(1 jCR) 该复数的模AV(f)为
Nn F 1 N io
(6-29)
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第6章 光电信号的变换及检测技术
2. 半导体三极管的噪声系数
如何选择信号源电阻使半导体 三极管的噪声系数最小？ 半导体三极管的噪声主要包括 散弹噪声、分配噪声、热噪声 和1/f(闪烁)噪声。
基区电阻 恒压等效 噪声源
输入信号 源电阻 输入信号 源电压
恒压等效噪声源：基区电阻热噪声和分配噪声 恒流等效噪声源：发射结的散弹噪声和分配噪声 分配噪声只存在于三极管中，是由于基区载流子 的复合率有起伏，使得集电极电流和基极电流的 分配有起伏，从而使集电极电流产生起伏。
图6-3 散弹噪声的顺势变化
(6-9) 散弹噪声与电路频率无关，因此它也是一种白噪声。
11
第6章 光电信号的变换及检测技术
3.
1 f
噪声（Flicker noise）
又称闪烁噪声，它也是元器件中的一种基本噪声，通常是由元 器件中存在局部缺陷或有微量杂质所引起的。在探测器、电阻、晶 体管及电子管中均有这类噪声。 k1 I f 1 2 噪声有以下经验公式： I n (6-10) f f 式中：k1——与元件有关的参数； ——与流过元器件电流有关的常数，通常取＝2 ——与元器件材料性质有关的系数，约在0.8~1.3之间，常取 ＝1。
2 Req Ri Req RL / AV
(6-21)
对应总输入噪声为
2 2 Eni 4kTReq f 4kT( Ri Req RL / AV )f
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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第6章 光电信号的变换及检测技术
3. 等效噪声温度
这是一种将各噪声等效为放大器输入源电阻因等效 升温而附加热噪声的方法。Ri为源电阻，用Ri的热噪声 表示输入源的噪声
处理后
4
第6章 光电信号的变换及检测技术
6.1光电检测电路的噪声
本节包括以下几部分内容：
6.1.1 噪声的分类及性质 6.1.2 主要的噪声类型 6.1.3 噪声等效参量 6.1.4 前置放大器的噪声
5
第6章 光电信号的变换及检测技术