光电仪器设计ppt
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《光电技术课程设计》课件
随着微纳制造技术的发展，光电设备 将更加微型化和集成化，便于携带和 应用。
对未来学习和实践的建议
实践为先
理论知识是基础，但只有通过实践才能真 正理解和掌握光电技术，应多参与实际项
目和实验。
A 持续学习
随着光电技术的快速发展，需要保 持持续学习的态度，及时跟进新技
术、新应用。
B
C
D
关注前沿动态
关注光电技术领域的学术会议、研究动态 和技术发展趋势，了解最新进展和前沿成 果。
注意事项
在实验过程中，需要注意安全问题，如避免 强光对眼睛的伤害，避免设备过热等，同时 要保持实验室的整洁和卫生。
数据处理与分析方法
01
数据处理
对实验中采集到的数据进行整理、筛选、计算和图表制作等处理，使其
更加直观和易于理解。
02
分析方法
采用统计分析、信号处理、图像处理等方法对处理后的数据进行深入分
具体应用
光电技术可以用于大气污染监测、水质监测等方面，实时监测环境质 量；还可以用于污染治理的光催化、光热分解等技术手段。
优势与效果
光电技术能够提供高精度、高灵敏度的环境监测设备，为污染治理提 供及时准确的数据支持和技术手段。
04
课程设计实践环节
实验设备与器材介绍
实验设备
01
光谱分析仪、光电探测器、激光器、光电转换器等。
析，挖掘数据背后的规律和意义，为后续的实验和研究提供有力支持。
03
注意事项
在数据处理和分析过程中，需要注意数据的真实性和可靠性，避免数据
误差和异常值对分析结果的影响，同时要遵循学术道德和规范，确保学
术研究的严谨性和公正性。
05
课程设计总结与展望
课程设计的收获与体会
对未来学习和实践的建议
实践为先
理论知识是基础，但只有通过实践才能真 正理解和掌握光电技术，应多参与实际项
目和实验。
A 持续学习
随着光电技术的快速发展，需要保 持持续学习的态度，及时跟进新技
术、新应用。
B
C
D
关注前沿动态
关注光电技术领域的学术会议、研究动态 和技术发展趋势，了解最新进展和前沿成 果。
注意事项
在实验过程中，需要注意安全问题，如避免 强光对眼睛的伤害，避免设备过热等，同时 要保持实验室的整洁和卫生。
数据处理与分析方法
01
数据处理
对实验中采集到的数据进行整理、筛选、计算和图表制作等处理，使其
更加直观和易于理解。
02
分析方法
采用统计分析、信号处理、图像处理等方法对处理后的数据进行深入分
具体应用
光电技术可以用于大气污染监测、水质监测等方面，实时监测环境质 量；还可以用于污染治理的光催化、光热分解等技术手段。
优势与效果
光电技术能够提供高精度、高灵敏度的环境监测设备，为污染治理提 供及时准确的数据支持和技术手段。
04
课程设计实践环节
实验设备与器材介绍
实验设备
01
光谱分析仪、光电探测器、激光器、光电转换器等。
析，挖掘数据背后的规律和意义，为后续的实验和研究提供有力支持。
03
注意事项
在数据处理和分析过程中，需要注意数据的真实性和可靠性，避免数据
误差和异常值对分析结果的影响，同时要遵循学术道德和规范，确保学
术研究的严谨性和公正性。
05
课程设计总结与展望
课程设计的收获与体会
光电仪器设计
光电仪器设计光电仪器设计光电仪器是一种以光电技术为基础，用于测量或控制光辐射或光反射的仪器。
光电仪器广泛应用于照度测量、光谱测量、颜色测量、显微镜成像、光通信、光电显示、激光测量等许多领域。
因此，光电仪器设计的关键在于确定测量所需的光学参数，选择合适的光电器件和电子器件，以及设计简单、易用的接口和控制系统。
以光照度计为例，介绍一下光电仪器的设计方法。
1. 光学参数光照度计用于测量光照强度，其测量范围从几个流明到几千流明都有。
在确定光学参数时，需要考虑光照度的范围、测试距离、光学滤波器的波长范围等因素。
光照度的范围可以决定使用什么光电器件，例如在较小的光照度下，可以使用光敏二极管或光电二极管。
而在更广泛的光照度下，则需要使用更灵敏的光电倍增管或光电管。
测试距离也是一个重要的考虑因素，因为与距离的平方成反比的光强损失会影响测量结果。
因此，需要根据之前测量的数据和实际需要，设计适当的光路。
光学滤波器的波长范围通常取决于应用的需要。
例如，用于生物医学研究的照度计需要测量蓝光的光照度，因此需要使用蓝光滤波器。
2. 光电器件和电子器件选择合适的光电器件和电子器件是光电仪器设计的关键。
通常用于照度测量的光电器件主要有光敏电阻、光敏二极管、光敏二极管数组、光电二极管、光电倍增管等。
光敏电阻的价格低廉，但精度较差，而光电倍增管价格昂贵，但灵敏度高，精度好。
电子器件包括运算放大器、模数转换器、数字信号处理器等。
运算放大器用于信号放大，模数转换器用于将模拟信号转换为数字信号，数字信号处理器用于数据处理、存储和显示。
3. 接口和控制系统接口和控制系统是光电仪器使用的核心。
接口可以分为用户接口和控制接口两种。
用户接口是与用户进行交互的部分，包括一些操作按钮、显示器等；控制接口是与控制器相连的部分，包括数据传输、通信协议等。
控制系统是光电仪器的核心，负责传输、处理和显示数据。
控制系统包括软件和硬件两个部分。
软件包括芯片、驱动程序、FPGA等，用于数据处理和存储。
光电仪器设计
目录第一章绪论 (2)§1.1前言 (2)§1.2基于CCD测径仪的发展现状 (2)第二章测量原理及总体方案 (3)§2.1利用补偿法测量细铜丝直径 (3)§2.2利用光学衍射法测量细铜丝直径 (4)§2.3线阵CCD测量直径系统测细铜丝直径 (5)§2.4设计方案的论证与选择采用 (6)第三章信号处理电路 (7)§3.1低通滤波器 (8)§3.2相关双采样 (9)§3.3差分放大电路 (11)§3.4微分电路 (13)§3.5绝对值电路 (14)§3.6过零触发电路 (15)第四章实验结果及影响测量精度的主要因素分析 (16)§4.1信号处理电路对测量精度的影响 (16)§4.2被测工件的均匀性对测量精度的影响 (16)§4.3误差分析 (17)结论.....................................................................................................................................,,,,18 参考文献.. (19)第一章绪论§1.1前言对各种细丝直径的测量常常关系到工业产品的级别，如钟表中的游丝、光导纤维、化学纤维、各种细线、电阻丝、集成电路引线以及种类仪器、标尺的刻线等。
传统的测量方法多数为接触法，其它的有电阻法、称重法。
也有采用光学方法的，如光学显微镜法、干涉法、扫描法、投影放大法、比较法等。
然而，大多检测方法检测速度低，生产效率低，劳动强度大，远远跟不上目前自动化生产的需要。
尤其在全面质量管理过程中，更需要先进的、智能的检测手段。
目前，国内外常采用激光扫描光电线径测量，但是这种方法受电机的温度及振动的影响，扫描恒速度的限制，会产生高温使其降低寿命。
最新常用光电探测器PPT课件
V
Pmax Rg
RL Rg
光敏电阻
时间响应特性
光敏电阻受光照后或被遮光后，回路电流并不立即增 大或减小，而是有一响应时间。响应时间常数是由电流上 升时间和衰减时间表示。
光敏电阻的响应时间与入射光的照度，所加电压、负 载电阻及照度变化前电阻所经历的时间（称为前历时间） 等因素有关。
光敏电阻
稳定特性
P3
－ V
+
u2 RL1
u1 o i1
RL2
i2
i
RL1
RL2 RL
i
▪ 第三象限是反偏压状态。这时iD=iS0，是普通二极管中的反向饱和电流，
称为暗电流(对应于光功率P=0)，数值很小，这时的光电流(等于i-iS0)是 流过探测器的主要电流，对应于光导工作模式。通常把光导工作模式的
光伏探测器称为光电二极管，因为它的外回路特性与光电导探测器十分
几种国产硅光电池的特性
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
硅光电池——太阳电池
短路电流和开路电压
短路电流——RL=0 开路电压——RL=∞
光电池等效电路
Cj：结电容 ish：pn结漏电流，很小 Rsh：等效泄露电阻，很大 Rs：引出电极－管芯接触电阻
HgxCd1-xTe探测器：化合物本征型光电导探测器，由 HgTe和GdTe两种材料混在一起的固溶体，其禁带宽度 随组分x呈线性变化。当x=0.2时响应波长为8~14μm， 工作温度77K，用液氮致冷；内电流增益约为500，低 内阻，广泛用于10.6μm的CO2激光探测。
光敏电阻
光电计数器PPT
2018/11/10 10
题目：光电计数器
电容的选择：
标称容量和允许偏差 额定工作电压
电容器的主要技术参数
绝缘电阻 能量损耗 使用环境温度和温度系 数 工作频率范围
选用时 首先考虑 其次考虑 再考虑其它
2018/11/10
11
题目：光电计数器
３．器件的选择
二极管的选择： 根据不同的用途选择好二极管的类型，如光敏二 极管、整流二极管、检波二极管、变容二极管、开关 二极管、发光二极管等。此外还要注意不同用途的二 极管对哪些参数要求严格。
2018/11/10
17
题目：光电计数器
（４）方案一主要参考元器件 红外发送接收器件、555定时电路、7400四2 输入与非门、74160计数器、7447显示译码器、 共阳极七段数码管、三极管、发光二极管、电阻 、电容等。
2018/11/10
18
题目：光电计数器
5毫米高效率红外发 射LED
1.3 20 V 毫安
六、元器件选择
１． 一般优先选用集成电路。集成电路的品种很多， 选用方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑性 能、价格等因选用某种型号的集成电路。
甚高速 中速 高速
同一种功能的数字电路
TTL产品 CMOS产品
可参照下表1-1
2018/11/10
8
题目：光电计数器
表1-1
对器件性能的要求 工作频率 其它要求 使用方便、成本低、不易损 坏 推荐器件
2．发挥与扩展部分 （1）发光器件和光接收器件之间的距离大于2m； （2）每计数100，用灯闪烁2s指示一下，同时喇叭发出提 示音； （3）设计一个倒计数器 。
2018/11/10
2
题目：光电计数器
题目：光电计数器
电容的选择：
标称容量和允许偏差 额定工作电压
电容器的主要技术参数
绝缘电阻 能量损耗 使用环境温度和温度系 数 工作频率范围
选用时 首先考虑 其次考虑 再考虑其它
2018/11/10
11
题目：光电计数器
３．器件的选择
二极管的选择： 根据不同的用途选择好二极管的类型，如光敏二 极管、整流二极管、检波二极管、变容二极管、开关 二极管、发光二极管等。此外还要注意不同用途的二 极管对哪些参数要求严格。
2018/11/10
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题目：光电计数器
（４）方案一主要参考元器件 红外发送接收器件、555定时电路、7400四2 输入与非门、74160计数器、7447显示译码器、 共阳极七段数码管、三极管、发光二极管、电阻 、电容等。
2018/11/10
18
题目：光电计数器
5毫米高效率红外发 射LED
1.3 20 V 毫安
六、元器件选择
１． 一般优先选用集成电路。集成电路的品种很多， 选用方法一般是“先粗后细”，即先根据总体方案考虑性 能、价格等因选用某种型号的集成电路。
甚高速 中速 高速
同一种功能的数字电路
TTL产品 CMOS产品
可参照下表1-1
2018/11/10
8
题目：光电计数器
表1-1
对器件性能的要求 工作频率 其它要求 使用方便、成本低、不易损 坏 推荐器件
2．发挥与扩展部分 （1）发光器件和光接收器件之间的距离大于2m； （2）每计数100，用灯闪烁2s指示一下，同时喇叭发出提 示音； （3）设计一个倒计数器 。
2018/11/10
2
题目：光电计数器
光电仪器原理与设计第6章光电探测器课件
• 光电倍增管特点
✓ 响应速度快 ✓ 响应度极高 ✓ 稳定度线性度较好
光电倍增管的应用
单光子探测技术 正电子发射断层扫描仪PET 紫外/可见/近红外光光度计 发光分光光度计
23
内光电效应原理
• 当光照射某种物质时，若入射光子能量足够大，和物质中 的电子相互作用，受激发产生的自由电子仍留在物体内部， 导致物体导电性加强、出现电势差或产生其他效应
• 取不同的参数为参变量可得到
✓ 伏安特性，灵敏度/响应度，光谱灵敏度，幅频特性等
17
第二节 光电探测器的工作原理与分 类
• 客观光探测原理的分类
✓ 光照后探测器材料产生物理或化学变化 ✓ 光子效应：探测器吸收光子后，直接引起原子或分子的内部电子
状态的改变。对光波频率有选择性。响应速度一般较快。 • 外光电效应：光电子发射、光电子倍增 • 内光电效应：光电导、光生伏特效应等
✓ 这样如光电管（灵敏度低）、光敏电阻（线性度差）、光电池 （响应速度慢）之类的器件难以满足要求。其它如光电倍增管、 雪崩光电二极管虽然有优越的探测性能，尤其是灵敏度极高，但 本系统是常规激光光强探测，没有微弱信号探测方面的需求，没 有必要选用这两种器件。
(l)
e
Pel d l
e
l Pel d l
R(l)hc el
✓ h：普朗克常量h，c：光速，e：电hc子电量
13
光电特性——噪声等效功率
• NEP（noise equivalent power）
✓ 指明器件可检测的最小辐射功率 ✓ 探测器输出信号电压的有效值Vs等于噪声均方根电压值Vn时，对
应的入射光功率（单位：W）
19
外光电效应器件——光电管
• 光电管（photocell）
《光电仪器总体设计》课件
《光电仪器总体设计》PPT课 件
介绍光电仪器的作用和应用领域
定义和分类
探索光电仪器的定义和各种分类，了解它们在不同领域的广泛应用。
科学研究、工业生产等领域的应用
深入研究光电仪器在科学研究、工业生产等领域的实际应用案例，展示其重要性和价值。
光电仪器的基本原理和组成
1
光电转换原理
详细介绍光电转换原理，探讨光电信号的产生和转换过程。
实践案例及其优化方 案
分享成功的光电仪器实践案例， 并提供相应的优化方案和改进 建议。
结论和展望
1 光电仪器在现代科技中的重要性和发展前景
总结光电仪器在现代科技中的关键作用和重要性，展示其未来发展的广阔前景。
2 下一步的研究方向和应用推广建议
讨论光电仪器研究的下一步方向和推广应用的建议，鼓励听众进一步参与和贡献自己的 研究成果。
2 光电仪器的精度、灵敏度等参数
讨论光电仪器的精度、灵敏度等关键参数，展示如何测试和评估光电仪器的性能。
3 光电仪器的测试方法和标准
介绍光电仪器的常用测试方法和标准，确保设计和制造过程的准确性和可靠性。
光电仪器的应用案例和发展趋势
光纤通信、半导体制造等领域的应用案例
通过具体案例，展示光电仪器在光纤通信、半导体 制造等领域中的创新和应用。
2
电元件的分类和结构
概述光电仪器中常用的电元件的分类和结构，解释它们的功能和作用。
3
光电仪器的构成和功能
探讨光电仪器的内部结构和各个组件的功能，向听众展示其复杂而精巧的设计。
光电仪器的性能参数和测试方法
1 光调其对性能评估的重要性。
光电仪器的未来发展趋势和研究方向
展望光电仪器的未来，探讨其在技术创新和研究方 向方面的潜力和可能性。
介绍光电仪器的作用和应用领域
定义和分类
探索光电仪器的定义和各种分类，了解它们在不同领域的广泛应用。
科学研究、工业生产等领域的应用
深入研究光电仪器在科学研究、工业生产等领域的实际应用案例，展示其重要性和价值。
光电仪器的基本原理和组成
1
光电转换原理
详细介绍光电转换原理，探讨光电信号的产生和转换过程。
实践案例及其优化方 案
分享成功的光电仪器实践案例， 并提供相应的优化方案和改进 建议。
结论和展望
1 光电仪器在现代科技中的重要性和发展前景
总结光电仪器在现代科技中的关键作用和重要性，展示其未来发展的广阔前景。
2 下一步的研究方向和应用推广建议
讨论光电仪器研究的下一步方向和推广应用的建议，鼓励听众进一步参与和贡献自己的 研究成果。
2 光电仪器的精度、灵敏度等参数
讨论光电仪器的精度、灵敏度等关键参数，展示如何测试和评估光电仪器的性能。
3 光电仪器的测试方法和标准
介绍光电仪器的常用测试方法和标准，确保设计和制造过程的准确性和可靠性。
光电仪器的应用案例和发展趋势
光纤通信、半导体制造等领域的应用案例
通过具体案例，展示光电仪器在光纤通信、半导体 制造等领域中的创新和应用。
2
电元件的分类和结构
概述光电仪器中常用的电元件的分类和结构，解释它们的功能和作用。
3
光电仪器的构成和功能
探讨光电仪器的内部结构和各个组件的功能，向听众展示其复杂而精巧的设计。
光电仪器的性能参数和测试方法
1 光调其对性能评估的重要性。
光电仪器的未来发展趋势和研究方向
展望光电仪器的未来，探讨其在技术创新和研究方 向方面的潜力和可能性。
经典：光电技术课程设计PPT课件
为等效电路。
30
图1 硅光电池原理图
31
2、光电池的特性参数
（1） 光照特性
光电池的光照特性，用入射光强-电流电压特性和入 射光强-负载特性来描述。
入射光强-电流电压特性描述的是开路电压VOC和短开路 电流ISC随入射光强变化的规律，如下图所示。
入射光强-电流电压特性
描述的是开路电压VOC和短 开路电流ISC随入射光强变 化的规律，如下图所示。
调节光源调节单元的“照度加”或“照度减”旋钮 ，以改变投射到RL上的光线强度，蜂鸣器就能模拟出 忽高忽低、非常逼真的多种“鸟鸣声”，且指示灯LED 亮。
10
三、实验实验步骤 利用二次开发实验模块自行搭建电路，电路如图4-2
所示。参考电路原理图自行进行调试。 1、打开实验箱电源，调节照度计“调零”旋钮，至照 度计显示为“000.0”为止，关闭实验箱电源。 2、J7、J8分别连接实验箱上的光敏电阻结构件黄、蓝 插孔，同时将套筒红、黑插孔与照度计红、黑插孔相 连。 3、打开实验箱电源，按下开关K1和K6，K7拨向左端， 同时保证其余开关都弹起。 4、调节光照强度，听蜂鸣器声音变化，用示波器观察 蜂鸣器正端波形（或R23左端波形）。 5、将“电源调节”旋钮逆时针旋至不可调位置，关闭 实验箱电源。
20
光敏三极管的工作有两个过程，一是光电转换；二 是光电流放大。光电转换过程是在bc结内进行，与一 般光敏二极管相同。当集电极加上相对于发射极为正 向电压而基极开路时（图（b）），则bc结处于反向偏 压状态。无光照时，由于热激发而产生的少数载流子 电子从基极进入集电极，空穴则从集电极移向基极， 在外电路中有电流（即暗电流）流过。当光照射基区 时，在该区产生电子—空穴对，光生电子在内电场作 用下漂移到集电极，形成光电流，这一过程类似于光 敏二极管。与此同时。空穴则留在基区，使基区的电 位升高，发射极便有大量电子经基极流向集电极，总 的集电极电流为
《光电导器》PPT课件 (2)
1 T
T 0
[i(t
)
i平均
]2
dt
u
2 n
u
2
(t)
1 T
T 0
[u(t
)
u平均
]2
dt
均方电流、均方电压的物理意义：单位电阻上所
产生的噪声功率。
32
三、光敏电阻的基本特性
4、噪声特性 提问：这种瞬时、随机的起伏用什么量值表示？
当光电探测器中存在多个彼此独立、互不相关的噪声 源时，总噪声功率为
in总2
in12
in
2 2
in 2
33
三、光敏电阻的基本特性
4、噪声特性 提问：这种瞬时、随机的起伏用什么量值表示？
把噪声这个随机的时间函数进行傅氏频谱分析，得 到噪声功率随频率变化关系，称为噪声功率。
s( f ) in2 ( f )
s( f数) 值为频率f的噪声在单 位电阻上所产生的功率
34
三、光敏电阻的基本特性
起的温度起伏
温度噪声的表达式为：
tn2
4kT 2f
Gt[1 (2 f t )2 ]
TG为t 为周器围件温的度热（导K；）t。 GCtt 是热时间常数；Ct为器件的热容； 42
in 2
1 噪f 声
产生-复合噪声 散粒噪声和热噪声
O
f (Hz)
光电探测器噪声功率谱综合示意图
43
三、光敏电阻的基本特性
44
三、光敏电阻的基本特性
4、噪声特性 提问：光电探测器可探测的最弱光功率为多少？
NEP e (W ) 等效噪声功率越小，探测器能探测
I in2
到的最小辐通量就越低，性能越好。
D 1 NEP
光电仪器设计PPT119页
26、要使整个人生都过得舒适、愉快，这是不可能的，因为人类必须具备一种能应付逆境的态度。——卢梭
▪
27、只有把抱怨环境的心情，化为上进的力量，才是成功的保证。——罗曼·罗兰
▪
28、知之者不如好之者，好之者不如乐之者。——ห้องสมุดไป่ตู้子
▪
29、勇猛、大胆和坚定的决心能够抵得上武器的精良。——达·芬奇
▪
30、意志是一个强壮的盲人，倚靠在明眼的跛子肩上。——叔本华
光电仪器设计
11、不为五斗米折腰。 12、芳菊开林耀，青松冠岩列。怀此 贞秀姿 ，卓为 霜下杰 。
13、归去来兮，田蜀将芜胡不归。 14、酒能祛百虑，菊为制颓龄。 15、春蚕收长丝，秋熟靡王税。
▪
谢谢！
119
《光电检测发光器》PPT课件
三、发光二极管的应用及使用要点
⑴数字、文字、图像显示； ⑵指示、照明； ⑶光源； ⑷光电开关、报警、遥控、耦合；
⑴开启电压
发光二极管的电特性和温度特性都与普通的硅、锗二极管类 似。只是正向开启电压一般都比普通的硅、锗二极管大些，而 且因品种而异。
⑵温度特性
利用发光二极管和硅的受光器件进展组合使用时， 应注意到二者的温度特性是相反的。
p
Pe 10% 0 Pi
光学效率ηo:外量子效率ηqe与内量子效率ηqi之比。
o
qe qi
量子效率是指注入载流子复合而产生的光量子效率。
内量子效率ηqi:辐射复合所产生的光子数NT1与激发时注入的电 子孔穴对数G之比。
q i
NT1 G
外量子效率ηqe：射出的光子数NT与注入的电子孔穴对数G之比。
缺点:功率较小、光色有限，较难获得短波发光(如紫外、蓝
色)，且发光效率低。
二、LED的性能参数
⑴用于显示的LED，使用流明效率。
流明效率ηL：用人眼衡量的效率，它表示消耗单位电功率Pi所得 到的光通量F。
LP Fi lmW
⑵用于非显示时，使用功率效率与光学效率。
功率效率ηp:将输入的电功率Pi转换成辐射的功率Pe的效率。
温度升高时，发光二极管的电光转换效率变小，亮 度减弱。而硅的受光器件，光电转换效率却是增加的。 所以使用时，应把二者放到一起考虑，注意其组合后 的整体温度特性。
⑶方向特性
发光二极管一般都带有圆顶的玻璃窗，当利用它和 受光器件组合时，应注意到这一构造上的特点。发光 管与受光管二者对得不准时，效果会变得很差。
☆发光二极管的寿命都很长，在电流密度j＝1A/cm2的情
况下，一般可达106h，最长可达109h 。
第6章_光电系统设计PPT课件
图6-2频率响应特性
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
由图知，它如同一个低通滤波器的频率特性，即：
s f
so
1
1 2
f
2
2
（6－4）
式中，s(o)是频率为零（直流）或者频率很低时的响应率，f 是光信息的频
率， 为时间常数。
当频率增加时响应率 s f 要降低，当 s f 降到 s o 的 1 2 时所对应
的频率 f0 ，称为上限载止频率，这时有 1 2 f0。
率光谱分布分别是a ()和o ()，光电检测器的光电灵敏度系数为s()时，那 么检测器件的输出 I ()可表示为：
I
(
)
2 1
s
a
o
d
（6－1）
上式表示出了光电检测器件的输出与光谱波长之间的关系，式中 1 和 2 分别为辐射下限波长和上限波长。
光源的辐射波长有一定的范围，存在有峰值波长，光电子检测器件对 波长有选择性，存在一个最灵敏的波长，为充分利用光能， 要求：光电器件与辐射源在光谱特性上相匹配。
第三节 光电系统的设计原则
在光电系统设计时，应针对所设计的光电系统的特点，遵守一些重要 的设计原则。
一、匹配原则
光电系统的核心是光学变换与光电变换，因而光电系统的光学部分 与电子部分的匹配是十分重要的。这些匹配包括光谱匹配、功率匹配和 阻抗匹配。匹配的核心是如何正常选择光电检测器件。
1．光谱匹配
光谱匹配是指光学系统的光谱特性与光电检测器件的光谱灵敏度特 性相匹配。在光电系统设计中，光谱匹配的核心是光源的光谱峰值波长 应与光电检测器件对光谱的灵敏波长相一致。通常是先根据光电系统的 功能要求确定光源，然后再根据光源的峰值波长选用与之光谱匹配的光 电检测器件。
若入射光的波长 为单色光，这时输出电压V 或 I 电流与入射单色 辐射通量 之比称为光谱灵敏度或光谱响应率。
光电仪器设计
光电仪器设计摘要光电仪器是一种使用光电转换技术来检测、测量和控制的仪器。
本文介绍了光电仪器的设计过程，包括光电转换部件的选择、电路设计、信号处理和系统测试。
通过合理的光电仪器设计，可以提高测量精度和系统稳定性，满足实际需求。
引言光电仪器是一类重要的测量仪器，广泛应用于各个领域。
光电仪器的设计包括光电转换部件的选择、电路设计、信号处理和系统测试等多个方面。
合理的光电仪器设计可以提高测量精度和系统稳定性，满足实际需求。
光电转换部件的选择在光电仪器设计中，选择合适的光电转换部件是非常重要的。
常用的光电转换部件包括光敏电阻、光电二极管和光电三极管等。
光敏电阻是一种基于光电效应的元件，其电阻值与光照强度成反比。
在设计光电测量仪器时，可以通过测量光敏电阻的电阻值来间接测量光照强度。
光电二极管是表面上PN结的一种晶体管。
它的主要特点是灵敏度高且响应速度快，可以用来测量光的强度和频率。
光电三极管是一种具有放大功能的光电转换器件。
光电三极管可以将光信号转化为电流或电压信号，用于控制和调节光电仪器。
在选择光电转换部件时，需要根据具体的应用需求来确定。
不同的光电转换部件具有不同的特性，需要根据测量精度、响应速度、环境适应性等因素进行选择。
电路设计电路设计是光电仪器设计的关键步骤之一。
在电路设计中，需要考虑信号放大、滤波、放大和输出等方面。
在信号放大方面，可以使用放大器来增强光电转换部件的输出信号。
放大器的选择需要考虑放大倍数、输入电阻和输出阻抗等参数。
在滤波方面，可以使用滤波器来滤除噪声信号。
滤波器的选择需要根据噪声信号的频率范围来确定。
在放大方面，可以使用运算放大器来对信号进行放大。
运算放大器可以实现对信号的放大以及对信号的加工处理。
在输出方面，可以使用数模转换器将数字信号转换为模拟信号输出。
数模转换器的选择需考虑分辨率和采样率等因素。
信号处理信号处理是光电仪器设计的重要环节之一。
在信号处理阶段，需要对输入信号进行采样、滤波、放大和处理等操作。
第二章 光电仪器总体设计
中 心 调 焦 测 距 望 远 镜
光学成像原理
望远镜根据物镜的种 类可以分为： 1. 折射望远镜：物镜由
透镜或透镜组组成。 施 密 特 采用抛物面镜作为 原理由两个凸透镜望 主镜，光进入镜筒 构成。由于两者之 远 的底端，然后折回 间可方便的安装分 镜 开口处的第二反射
2. 反射式望远镜：除主
照相机结构图
照相机包括镜头和瞄准系 统两大部分，其主要结构有： 镜头、取景器、快门和光圈、 输片计数机构、机身。
照相机光路原理图
光学成像原理
数码相机使用电荷耦 合器CCD/CMOS元 件接收，直接光信号 转变为电信号，通过 信号处理后记录于存 储卡上。
数码相机
数码相机有液晶屏， 拍照的时候可以“即 拍即得”，并可随时 对照片进行查看、删 改处理。
望远镜
观鸟用双筒望远镜
军用望远镜
望远镜一般包括： 1.镜身组：是望远镜的主 体，分左、右镜身。 2.物镜组：由透镜、物镜 筒等组成。 3.目镜组：由透镜、目镜 框、视度手轮等组成。 4.分划板：可对被观察的 已知目标的方向、高低夹 角及视距进行测量。 5.连接轴：是望远镜左、 右镜身的连接件。 6.护盖和背带：为了保护 物镜和目镜透镜。
2.2 信号转换原理的选择
电磁量仪
磁栅 感应同步器 电容传感器 电感 涡流
气动量仪
测量范围：0.02～0.25mm 示值误差：（0.2～1）m
光电仪器中的能量或信号的转换形式是基于光 学原理，采用光电转换技术实现对目标信息的 探测及提取。
光学成像原理
特点：示值误差为0.5～1m；性能稳定、耐用。
3. 折反射望远镜：物镜
是由折射镜和反射镜组 合而成。
级的望远镜都采用 望远镜里先通过折射，再经过反射， 成像是一个倒像， 此种结构。但这种 然后才成像。施密特望远镜光力强， 倒像并不影响天文 结构成像是倒立的， 可见范围大，成像的质量也比较好， 观测，因此牛顿反 所以要在中间增加 因而特别适用于进行流星、慧星、人 射望远镜是天文学 正像系统。 造卫星等的巡视观测，也常用于大面 使用的最佳选择。 积造相和天文科普活动。
实训二红外光电计数器的设计与制作PPT课件
第1页/共15页
工作方式
红外线发射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式 指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离； 反射式指发光管与接收管并列一起，平时接收管始终无光照，只在发光管 发出的红外光线遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外光线才工作。
应用领域
1. 遥控器 2. 触摸屏 3. 智能玩具 4. 光电计数 5. 无线通讯
P3.4/T0 P3.5/T1 P3.6/W R P3.7/RD
10 11 12 13 14 15 16 17
U2
2 3 4 5 6 7 8 9
A0 A1 A2 A3 A4 A5 A6 A7
B0 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7
19 1
CE AB/BA
74ALS245
18 A 17 B 16 C 15 D 14 E 13 F 12 G 11
第12页/共15页
方案二：红外光电计数器的设计
U1
19
XTAL1
18
XTAL2
9
RST
29 30 31
PSEN ALE EA
P1.0 1 P1.1 2
3 4 5 6 7 8
P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 P1.4 P1.5 P1.6 P1.7
80C51
P0.0/AD0 P0.1/AD1 P0.2/AD2 P0.3/AD3 P0.4/AD4 P0.5/AD5 P0.6/AD6 P0.7/AD7
第9页/共15页
(2)、NE555 管脚排列如下图，底座用14脚代替。
第10页/共15页
(3)、4518芯片 管脚图及内部结构图
CD4518是一个同步加计数器，在一个封装中含有两个可互换二/十进制计数器，其 功能引脚分别为1～7和9～{15}.该CD4518计数器是单路系列脉冲输入（1脚或2脚； 9脚或10脚），4路BCD码信号输出（3脚～6脚；{11}脚～{14}脚）。
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-
灵敏度及放大比
灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。 s=Δy／Δx
✓ 当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵 敏度。
✓ 当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。
-
测量范围及示值范围
测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测 出的最大被测量与最小被测量之间的范围。
示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到 最高值的范围。
-
本课程的目的与要求
掌握机、光、电技术结合的仪器总体 设计有关基础理论知识。
初步掌握仪器总体设计和系统设计的 方法。
初步具有正确的估算和分析仪器精度 的能力。
-
第二节 精密仪器的设计 特点与组成
-
被测量 标准量
感受转换
转换放大
3
4
瞄准2
1
5 比较
绝对法测量
感受转换1--定位部件转2换--线 放纹 大尺 3--读数显
微镜 4--瞄准显微镜 5--被测工件
-数Βιβλιοθήκη 加工 和处理示值 校正值根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下 几个基本组成部分：
1．基准部件（基准器或标准器）
-
2．感受转换部件 感受被接测触量式，拾取原始信号 非接触式
-
3．转换放大部件
z2
将感受转换2 来的微小z1 信 号，通过各种 原理（如光3 、z3机z4 、电、3 气）进行进一 步的转换和放大a
-
我国光电仪器发展状况
目前我国仪器仪表产品的综合水 平，大体上相当于国际80年代中 期的水平，其中属90年代水平的 约占20％～30%。
-
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有25000 种，而我国机械部所属的只有12000多种。
技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1—2个等 级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.8万多 小时，而国产单机则为2千小时，国外现场工作仪表平均无故 障率时间普遍达到10—30万小时，而国产仪表一般只有5千 小时。国内外工业仪表的相对故障率大体为9：1。
光电仪器设计
第一章 绪论
第一节 概述
仪器是传递和转换信息的工 具，它是各类仪器仪表、传感器 及观察、监控、测试、分析设备 的总称。
-
仪器仪表在当代社会的重要作用
在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器”， 对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。 在科学研究中，仪器仪表是“先行官”。 在军事上，仪器仪表是“战斗力”。
基于光学原理、采用光电转换 技术的各类光电精密仪器。
-
研究方法
从整体上分析问题 综合应用有关技术 以点带面、举一反三 理论联系实际
-
仪器仪表技术的特点
仪器技术是信息技术 仪器技术是信息技术中的源头技术 仪器技术是现代科技的前沿技术 现代仪器仪表发展的关键技术 传感技术；系统集成技术；智能控制技术；人机界面 技术；可靠性技术。
现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。 仪器仪表在实验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾 病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广 泛应用， 遍布“农轻重、海陆空、吃穿用”。
-
仪器对于生产、生活、高精尖技术的意义
美国“阿波罗”登月计划
总投资200亿美元 用于测量和试验的费用达100～110亿美元，占
当输入信号为定值或变化十分缓慢时，仪器系统 的输出信号特性称为静态特性。静态测量中仪器 系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示： y=（a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋…＋anxn）x 式中x、y——分别为输人和输出信号； a0、a1、a2、a3、…、an——标定系数
或刻度因子
-
A B
y
o x
-
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
产品结构落后、功能少、智能化程度低：国际上已由单元组 合式向功能组件组装式发展，而国内多为单元组合式。国外 已把微处理器作为仪器仪表的组成部件，而国内则处于初步 应用阶段。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际 上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静 动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在 仪器仪表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。
s 1
r01 1
机械测微仪各运动副作用线示意图
-
4．显示部件
-
5．处理与计算装置
-
6．瞄准部件
-
7．机械结构部件
-
第三节 光电仪器的静态特性
对于仪器系统来说，当被测量x不 随时间变化，即dx／dt=0，或作 缓慢变化时，可按静态测量处理， 应着重讨论它的静态特性。
-
一、静态测量中输入和输出的关系
-
我国仪器仪表产品与国外的主要差距
标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖 率只占18％，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用 化、系列化工作仍旧存在许多问题。
新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：国外一些厂家产 品的开发周期一般为1—2年，少则半年或几个月。元器件每 年更新20—30％，基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的 需要。我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一 般为3—4年，少则也需要两年。
-
示值重复性
总投资的40％。
仪器仪表学科在自然科学与国民经济的 发展中具有十分重要的地位与作用
-
✓ 仪器仪表发展至今已成为一门独立 的学科
✓ 光电仪器则是仪器仪表学科的一个 重要分支,它是传统的与现代的光 学机械技术与电子技术计算机技术 的集成。
-
➢ 光电仪器的发展水平是科学技 术现代化的重要标志。
-
研究对象
示 值 范 围
线 性 度
-
二、仪器的静态特性指标
分度值及分辨力
➢ 分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。 它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括 估读值）。
➢ 分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测 得的被测量的最小增量称为分辨力。
➢ 分度值有别于分划间隔。分划间隔是指刻尺或 度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。
-
国内仪器仪表发展趋势
➢ 标准化、系列化 ➢ 高智能化 ➢ 高精度、高可靠性 ➢ 高效率
-
以温度计为例
主要技术参数和特点： *测温范围：32℃----42℃ *测量温度低于32℃时，显示L℃ *测量温度高于42℃时，显示H℃ *显示分辨率：0.1℃ *显示方式：液晶显示（三位半） *功 耗：工作状态下为0.15毫瓦 *电池：AG3型1.5V普通纽扣电池 *蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声
灵敏度及放大比
灵敏度是指仪器对被测量变化的反应能力。 s=Δy／Δx
✓ 当输入与输出为同一量纲时可用放大比来代替灵 敏度。
✓ 当灵敏度为定值时，仪器系统为线性的。
-
测量范围及示值范围
测量范围是指在允许误差极限内仪器所能测 出的最大被测量与最小被测量之间的范围。
示值范围是指仪器所显示或指示的最低值到 最高值的范围。
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本课程的目的与要求
掌握机、光、电技术结合的仪器总体 设计有关基础理论知识。
初步掌握仪器总体设计和系统设计的 方法。
初步具有正确的估算和分析仪器精度 的能力。
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第二节 精密仪器的设计 特点与组成
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被测量 标准量
感受转换
转换放大
3
4
瞄准2
1
5 比较
绝对法测量
感受转换1--定位部件转2换--线 放纹 大尺 3--读数显
微镜 4--瞄准显微镜 5--被测工件
-数Βιβλιοθήκη 加工 和处理示值 校正值根据仪器中各部件的功能，可将仪器分为以下 几个基本组成部分：
1．基准部件（基准器或标准器）
-
2．感受转换部件 感受被接测触量式，拾取原始信号 非接触式
-
3．转换放大部件
z2
将感受转换2 来的微小z1 信 号，通过各种 原理（如光3 、z3机z4 、电、3 气）进行进一 步的转换和放大a
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我国光电仪器发展状况
目前我国仪器仪表产品的综合水 平，大体上相当于国际80年代中 期的水平，其中属90年代水平的 约占20％～30%。
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我国仪器仪表产品与国外的主要差距
品种系列不全，成套水平低：世界上仪器仪表大约有25000 种，而我国机械部所属的只有12000多种。
技术性能低、质量差：在精度上较国际水平约低1—2个等 级，如工业控制计算机，单机平均无故障时间国外为1.8万多 小时，而国产单机则为2千小时，国外现场工作仪表平均无故 障率时间普遍达到10—30万小时，而国产仪表一般只有5千 小时。国内外工业仪表的相对故障率大体为9：1。
光电仪器设计
第一章 绪论
第一节 概述
仪器是传递和转换信息的工 具，它是各类仪器仪表、传感器 及观察、监控、测试、分析设备 的总称。
-
仪器仪表在当代社会的重要作用
在国民经济运行中，仪器仪表是“倍增器”， 对国民经济有着巨大的辐射作用和影响力。 在科学研究中，仪器仪表是“先行官”。 在军事上，仪器仪表是“战斗力”。
基于光学原理、采用光电转换 技术的各类光电精密仪器。
-
研究方法
从整体上分析问题 综合应用有关技术 以点带面、举一反三 理论联系实际
-
仪器仪表技术的特点
仪器技术是信息技术 仪器技术是信息技术中的源头技术 仪器技术是现代科技的前沿技术 现代仪器仪表发展的关键技术 传感技术；系统集成技术；智能控制技术；人机界面 技术；可靠性技术。
现代仪器仪表还是当今社会的“物化法官”。 仪器仪表在实验教学、气象预报、大地测绘、诊治疾 病、指挥交通、探测灾情等社会生活许多领域都有广 泛应用， 遍布“农轻重、海陆空、吃穿用”。
-
仪器对于生产、生活、高精尖技术的意义
美国“阿波罗”登月计划
总投资200亿美元 用于测量和试验的费用达100～110亿美元，占
当输入信号为定值或变化十分缓慢时，仪器系统 的输出信号特性称为静态特性。静态测量中仪器 系统输入和输出之间的关系一般可用下式表示： y=（a0＋a1x＋a2x2＋a3x3＋…＋anxn）x 式中x、y——分别为输人和输出信号； a0、a1、a2、a3、…、an——标定系数
或刻度因子
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A B
y
o x
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我国仪器仪表产品与国外的主要差距
产品结构落后、功能少、智能化程度低：国际上已由单元组 合式向功能组件组装式发展，而国内多为单元组合式。国外 已把微处理器作为仪器仪表的组成部件，而国内则处于初步 应用阶段。国内仪器多为单点，单参数、静态测量，而国际 上已向多点、多参数、自动测量发展，由静态测量为主向静 动态结合方向发展，由接触式向非接触式测量发展。其它在 仪器仪表材料、工艺、元器件等方面也都存在不少的差距。
s 1
r01 1
机械测微仪各运动副作用线示意图
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4．显示部件
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5．处理与计算装置
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6．瞄准部件
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7．机械结构部件
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第三节 光电仪器的静态特性
对于仪器系统来说，当被测量x不 随时间变化，即dx／dt=0，或作 缓慢变化时，可按静态测量处理， 应着重讨论它的静态特性。
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一、静态测量中输入和输出的关系
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我国仪器仪表产品与国外的主要差距
标准化程度低：在我国的仪器仪表标准中，国际标准的覆盖 率只占18％，绝大多数产品没有可靠性指标。标准化、通用 化、系列化工作仍旧存在许多问题。
新技术采用缓慢，产品更新换代周期长：国外一些厂家产 品的开发周期一般为1—2年，少则半年或几个月。元器件每 年更新20—30％，基本上可以保证仪器仪表整机更新换代的 需要。我国的仪器仪表企业，新技术采用慢，产品更新周期一 般为3—4年，少则也需要两年。
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示值重复性
总投资的40％。
仪器仪表学科在自然科学与国民经济的 发展中具有十分重要的地位与作用
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✓ 仪器仪表发展至今已成为一门独立 的学科
✓ 光电仪器则是仪器仪表学科的一个 重要分支,它是传统的与现代的光 学机械技术与电子技术计算机技术 的集成。
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➢ 光电仪器的发展水平是科学技 术现代化的重要标志。
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研究对象
示 值 范 围
线 性 度
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二、仪器的静态特性指标
分度值及分辨力
➢ 分度值是仪器最小分度所代表的被测量的值。 它是一台仪器可能读出的最小读数值（不包括 估读值）。
➢ 分度值对于如数字式仪器来说，将仪器所能测 得的被测量的最小增量称为分辨力。
➢ 分度值有别于分划间隔。分划间隔是指刻尺或 度盘上相邻两刻线所代表的量值之差。
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国内仪器仪表发展趋势
➢ 标准化、系列化 ➢ 高智能化 ➢ 高精度、高可靠性 ➢ 高效率
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以温度计为例
主要技术参数和特点： *测温范围：32℃----42℃ *测量温度低于32℃时，显示L℃ *测量温度高于42℃时，显示H℃ *显示分辨率：0.1℃ *显示方式：液晶显示（三位半） *功 耗：工作状态下为0.15毫瓦 *电池：AG3型1.5V普通纽扣电池 *蜂鸣提示：测量结束后发出蜂鸣提示声