光电传感与检测技术教案课件江晓军第3章光电检测系统
光电传感与检测--第章-绪论PPT课件
显示 控制
光学变换
2021
电路处理
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光电系统框图
光 源
光 学 系 统
被 测 对 象
光 学 变 换
光 电 转 换
电 信 号 处 理
存储 显示 控制
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）。
▪ 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的几何量或物理
量。
2021
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光电检测系统的构成
光电检测系统：光学变换，光电变换，电路及计算机处理。
存储
光 光学 源系
统
被 测 对 象
光 学 变 换
光变 电换 传电 感路
电 信 号 处 理
❖ 直接作用法 ❖ 差动测量法 ❖ 补偿测量法 ❖ 脉冲测量法
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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
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II、差动测量法：利用被测量与某一标准量相比较，所
的放大和处理）。
❖ 电路及计算机处理
放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、 控制。
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光电检测系统的功能分类
❖ 测量检查型:
几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、 距离。
运动量：速度、加速度、振动
《传感器与检测系统》课件
快速响应
实时监测、快速反馈。
03
02
高精度
高分辨率、高灵敏度、高线性度。
多功能化
同时检测多个参数，如温度、湿度 、压力等。
04
CHAPTER 04
检测系统的设计与实现
检测系统的设计原则
准确性
检测系统应能够准确反映被检测参数的真实 值，误差应在可接受的范围内。
可靠性
医疗健康
传感器在医疗健康领域中也有 广泛应用，如血压、血糖、心 电等生理参数的监测。
物联网
传感器是物联网的重要组成部 分，能够实现各种物理量的实
时监测和远程传输。
传感器的发展趋势
微型化
随着微电子技术的发展，传感器正朝 着微型化方向发展，体积更小、精度 更高。
智能化
传感器正与微处理器、算法等结合， 实现智能化，能够自动进行数据处理 和误差补偿。
多功能化
传感器正向着多功能化方向发展，能 够同时测量多种参数，满足复杂系统 的需求。
网络化
传感器正与互联网、物联网等技术结 合，实现远程监控和数据共享，提高 系统的可靠性和实时性。
CHAPTER 02
传感器的工作原理
电阻式传感器
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总结词：通过电阻变化测量物理量
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THANKS
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人机交互界面设计
设计直观、易用的用户界面，方便用户进行 操作和设置。
数据处理算法设计
根据实际需求，设计合适的数据处理算法， 如滤波、拟合、插值等。
系统集成与调试
将硬件和软件集成在一起，进行系统调试， 确保检测系统的正常运行。
CHAPTER 05
光电检测技术与应用光纤传感技术与系统PPT课件
-
23
探针型光纤传感器：
是非功能型光纤传感器，不需要外加敏感元件。光纤把测量对象辐射 或反射、散射的光信号传播到光电元件。
使用单模光纤或多模光纤。典型的例子有光纤激光多普勒速度传感器 和光纤辐射温度传感器等。
测 量
光纤
对
象
敏感元件
光源
测
量
对
光电元件 象
-
光纤
光电元件
24
3.2 光纤传感检测系统的器件
果光脉冲变得太宽以致发生重叠或完全吻合，施加在光束上的信息就会丧 失。
光纤中产生的脉冲展宽现象称为色散。
-
17
2.2 光纤中光的传输及性质
光纤的色散分为三种：
★ 材料色散： 因光纤的折射率随波长变化产生的。
★ 结构色散： 由光纤的几何结构决定的色散，它是模式本身的色散。
★ 模式色散： 多模式传输下，因模式不同引起的色散。
应用广泛，发光原理与发光二极管相似，输出光由非相干光变为了相干 光。 (5) 光纤激光器：
与光纤耦合好，与光纤器件兼容，能进行全光纤测试。
-
26
3.2 光纤传感检测系统的器件
光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测
器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直 接影响传感器的总体性能。
多模梯度光纤
50～100 125～150 0.1～0.2
-
19
3 光纤传感原理
一、光纤传感技术的分类 （1）功能型（传感型光纤传感器）
光纤既感知信息，又传输信息。 主要使用单模光纤，改变光纤的几何尺寸和材料性质可以改善 灵敏度。
测
光纤
量
对
光电传感与检测技术--绪论
编辑ppt
第1章 绪 论 1.3.1什么是传感器?
光电传感与检测技 术
编辑ppt
第1章 绪 论
光电传感与检测技 术
Fe编r辑rpapt ri330
第1章 绪 论
光电传感与检测技 术
车胎压力监测 编辑ppt
第1章 绪 论
光电传感与检测技 术
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第1章 绪 论 1.3.1什么是传感器
光电传感与检测技 术
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第1章 绪 论 1.1 课程内涵
光电传感与检测技 术
光电传感与检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术, 它主要利用光电传感器将光学信号变换成电学信号,并采用电路放大和滤波 处理等电子技术对变换后的电信号进行检测，然后用电子学、信息论、计算 机等方法进行分析并进一步传递、储存、控制和显示。
• 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机 构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。
• 传感器好比人体感官的延长，有人又称“电五官”。
外
感官
大脑
肌体
界
信
息
传感器
计算机
执行机构
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第1章 绪 论 1.3.1什么是传感器
光电传感与检测技 术
➢ 从广义的角度来说，感知信号检出器件和信号处理部分总称 为传感器。
外光电传感器: 光电管、光电倍增管、 像增强器…
热传感器
热释电传感器、 热电堆光传感器、 辐射热计传感器…
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第1章 绪 论
光电传感与检测技 术
(2)按照光电传感器输出信号的性质分类:
★光纤传感器、
★光栅传感器、
★光电式传感器、
★模拟光学传感器、
《光电检测技术》课件
生物医学
光电检测技术在生物医学领域的 应用包括光谱分析、荧光成像、 激光共聚焦显微镜等，有助于疾 病的诊断和治疗。
工业生产
光电检测技术在工业生产中的应 用包括产品质量检测、生产线自 动化控制等，可以提高生产效率 和产品质量。
光电检测技术的发展趋势
智能化
随着人工智能技术的发展，光电检测技术 将逐渐实现智能化，能够自动识别和分类
目标，提高检测精度和效率。
微型化
随着微纳加工技术的发展，光电检测器件 将逐渐微型化，能够应用于更广泛的领域
，如生物医疗、环境监测等。
高光谱成像
高光谱成像技术能够获取目标的多光谱信 息，有助于更准确地分析物质成分和状态 ，是光电检测技术的重要发展方向。
多模态融合
将多种光电检测技术进行融合，实现多模 态信息获取和分析，能够提高检测的准确 性和可靠性。
利用光电检测技术快速读取条形码的设备
详细描述
光电式条形码阅读器通过发射光源和接收装置，快速扫描条形码并将光信号转 换成电信号，实现快速、准确地读取条形码信息。广泛应用于超市、图书馆、 物流等领域，提高信息录入效率和准确性。
光电式指纹识别系统
总结词
利用光电检测技术进行指纹识别的系统
详细描述
光电式指纹识别系统通过发射光源和图像传感器，获取指纹的反射光信号，再转换成电信号进行处理。系统能够 实现高精度、高速度的指纹识别，广泛应用于身份认证、门禁控制等领域，提高安全到探测器表面时，光子与材料中的电子相 互作用，使电子从束缚状态跃迁到导带，形成光生电压或电流，从而实现对光 信号的探测。
03
常见的光伏探测器有硅、锗等。
光子探测器
光子探测器是利用光子效应制成的探测器，主要应用于紫外、可见和近红外波段的探测。
传感器与检测技术ppt课件
控制系统的自动化水平高低。
传感器的选用主要取决于建模参数和被测 量、测量精度和灵敏度要求以及测量系统的 成本等因素。
(4) 传感器的品质参数 灵敏度 分辨率 准确度 精密度
重复性
线性度
灵敏度
灵敏度反映传感器对被测量变化的 响应能力。
O S I
输出变化量
输入变化量
分辨率
如果已知总体精度上限，要计算各部件的 误差，则假定各部件误差对总精度的影响 是均等的。
f N xi xi n
N xi f n xi
[实例]已知角速度与作用力的关系式 试求转速的不确定性。 [解]
F 5 0 0 3 1 6 . 2 3 m r 0 . 20 . 0 2 5
霍尔传感器的应用—— 测量焊接电流
在标准的园环铁芯开一 小缺口，将霍尔元件放在 缺口处，被测电流的导线 穿过铁心时就产生磁场B， 则霍尔传感器有输出。当 测出的小于 规定的焊接电流时，可 控硅的导通角增大，焊接 电流变大，测出的电压大 于规定的焊接电流时，可 控硅的导通角减，焊接电 流变小，控制焊接回路的 电流。
性；
没有机械电位器特有的滑片，彻底解决了滑 片接触不良的问题；体积小，节省空间，易于装 配；寿命长，可靠性高。
数字电位器与机械式电位器的区别
类 特 型 性 机 无 械 源 式 数 有 字 源 式 电阻变 调节 位置 自动 化规律 方法 记忆 复位 连续 变化 阶梯 变化 手动 有 没有 使用 体 寿命 积 短 大
为减小零点残余电压的影响，一般要用电路进行补偿, 电路补偿的方法较多,可采用以下方法。
• 串联电阻：消除两次级绕组基波分量幅值上的差异；
• 并联电阻电容：消除基波分量相差，减小谐波分量；
传感器与检测技术-教案-项目07 光电式传感器的应用
《传感器与检测技术》教案项目七光电式传感器的应用一、教学目标1.了解光电效应。
2.了解各类光电元件。
3.掌握各类光电式传感器的工作原理。
4.掌握光电式传感器测量转速的方法。
二、课时分配本项目共2个任务，本项目安排4课时。
其中理论课时2课时，实践课时2课时。
三、教学重点通过本项目的学习，让学生理解能正确识别各类光电式传感器能根据任务要求，正确安装光电式传感器，正确完成光电式传感器测量转速的电路接线，正确测量转速并且读数正确。
的相关知识。
通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。
四、教学难点1.能识别各类光电式传感器。
2.能根据任务要求，正确安装光电式传感器。
3.正确完成光电式传感器测量转速的电路接线。
4.正确测量转速并且读数正确。
五、教学内容任务一光电式传感器在转速检测中的应用知识链接一、光电效应用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。
由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。
1.外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
2.内光电效应半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。
基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。
3.光生伏特效应在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。
具有光生伏特效应的光电器件有硅、硒、砷化镓、氧化铜、锗等材料做成的光电池。
二、光电元件1.基于外光电效应的光电元件（1）光电管光电管是基于外光电效应原理工作的光电元件。
《光电检测技术》全【2024版】
3.4 金属卤化物灯——第三代光源
1、工作原理 ：
（1）放电管内金属卤化物蒸发，向电弧中心扩散 （2）电弧中心，金属卤化物分子分解为金属原子和卤原子 （3）金属原子处于高能级时产生辐射，并参与放电 （4）金属原子和卤素原子向浓度低的管壁区域扩散，并在 低温区重新复合为金属卤化物分子，依次循环
（2）光源色温：
a.色温：辐射源发射光的颜色与黑体在某一温度下辐射 光的颜色相同，则黑体的这一温度称为该辐射源的色温
b.相关色温：光源的色坐标点与某一温度下的黑体辐射 的色坐标点最接近，则该黑体的温度称为该光源的相关 色温。
能源与动力工程学院
3.2 热辐射光源
1、太阳光 ：直径约为1.392×109m的光球，到地球的
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
3、光谱功率谱分布：光源输出功率与光谱的波长关系 常见的光谱功率分布有四种型式： 线状光谱：有若干条明显分隔的细线组成； 带状光谱：由分开的谱带组成,谱带又包含许多谱线； 连续光谱：谱线连成一体； 复合光谱：由以上三种光谱混合而成。
能源与动力工程学院
3.1 光源的基本参数
4、空间光强分布： （1）许多光源的发光强度在各个方向是不同的。 （2）若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度 相同的点连线，就得到该光源在该截面的发光强度曲线 ，称为 配光曲线；
（3）HG500型发光二极 管的配光曲线。
（4）为提高光的利用率，一般选择发光强度高的方向 作为照明方向。
能源与动力工程学院
Pi
单位：流明每瓦
0.38e ()d
Pi
Km
0.78
V ()d
0.38
0.78
可见辐射通量在输入功率中所占比例： V
《光电检测系统》PPT课件
• 直接检测？/光外差检测系统？(按
光波对信号的携带方式分)
2021/4/24
2
直接检测的基本原理
• 直接检测(非相干检测): 都是利用光源发射的 光强携带信息,直接把接受到的光强变化转换 为电信号的变化。
2021/4/24
3
直接检测的基本特性
• 光探测器的平方律特性
– 光电流正比于光电场振幅的平方
• 某些几何量计量检测仪器的核 心转换系统
• 某些物理量的计量检测仪器的 核心转换系统
• 纳米级测量的重要仪器
• 非接触在线测量控制仪器
2021/4/24
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么么么么方面
• Sds绝对是假的
5.3.2 激光测距仪
• 激光测距仪的类型
– 脉冲激光测距仪 – 相位激光测距仪
• 激光测距仪的特点
– 测程远、测量精度高 – 结构小巧、携带方便 – 快速、非接触式距离测量 – 激光对点准确 – 受气象条件影响较大
第五章 光电检测系统
• 光电检测系统的类型 • 直接检测 • 光外差检测(相干检测) • 典型的光电检测系统
2021/4/24
1
光电检测系统分类
• 主动系统/被动系统(按信息光源分)
• 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
• 点探测/面探测系统？(按接受系统分)
• 模拟系统/数字系统(按调制和信号处
– 激光干涉测长仪（相位 调制）
– 多普勒测速（频率调制） – 光外差通信
2021/4/24
9
5.3.1 莫尔条纹测长仪
• 莫尔条纹的原理
– 将两块光栅(节距分别为P1和P2) 叠加在一起,并且两者的栅线成 很小的角度θ,透过光栅能看到 如图所示的明暗相间的莫尔条 纹.这就是莫尔条纹的光强调制 作用．
《光电检测系统》课件
智能化：通过人工 智能技术实现检测 系统的自主学习和 决策
自动化：通过自动 化技术实现检测系 统的无人值守和自 动运行
集成化：将多种检 测技术集成到一个 系统中，提高检测 效率和准确性
网络化：通过网络 技术实现检测系统 的远程监控和管理 ，提高检测系统的 安全性和可靠性
THANK YOU
汇报人：
光电子的发射：光电子从物体表面发射出来，形成光电流
光电效应的应用：光电效应广泛应用于光电检测系统，如光电倍增管、光电二极管等光电器 件
光电转换器件
光电二极 管：将光 信号转换 为电信号
光电三极 管：将光 信号转换 为电信号， 具有放大 功能
光电池： 将光信号 转换为电 能
光电传感 器：将光 信号转换 为电信号， 用于检测 和控制
优点：结构简单、成本低、易于维护
缺点：对环境光线敏感，需要避免强光照射
反射式光电检测系统
工作原理：利用光电效应，将光信 号转换为电信号
优点：响应速度快，稳定性ห้องสมุดไป่ตู้，抗 干扰能力强
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应用领域：广泛应用于工业自动化、 安防监控等领域
缺点：对环境光线敏感，需要定期 校准和维护
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添加标题
光电传感器由一个发光二极管和一 个光敏二极管组成，发光二极管发 出光线，光敏二极管接收光线。
报警器接收到报警信号后，发出声 音或灯光报警，提醒人们注意火灾 危险。
光电式转速计的工作原理
光电式转速计主要由光源、光电转换器和信号处理电路组成。 光源发出光束，照射到被测物体上，形成反射光。 光电转换器将反射光转换为电信号，信号处理电路对电信号进行处理，得到转速信号。 光电式转速计具有测量精度高、响应速度快、抗干扰能力强等优点。
光电检测系统-PPT
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光电检测系统
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光电检测系统
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测距原理： 由激光器对被测目标发射一个光脉冲，然后接受目标反射回来的光脉冲，通过测量光脉冲往返所经过的时间来计算出目标的距离。测距仪原理： 由激光发射系统、接受系统，门控电路、时钟脉冲振荡器和计数器等组成。
脉冲激光测距仪的原理框图
光电检测系统
光电检测系统
光电检测系统
9
光学变换
几何光学物理光学光电子学将待测信息加载到光载波上进而形成光电信号改善系统的时间和空间分辨力和动态品质， 提高传输效率和检测精度改善系统的检测信噪比， 提高工作可靠性
光电检测系统
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主动系统/被动系统(按有无人工光源分)红外系统/可见光系统(按光源波长分)红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器可见光系统多用于民用点探测/面探测系统(按接受系统分)用单元探测器接受目标的总辐射功率用面接受元件测量目标的光强分布模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式分)直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携带方式分)
光电检测系统
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在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。 模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平）两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为 F = f(Q) 显然，数字信息量F只取决于光通量变化的频率、周期、相位和时间间隔等信息参数，而与光的强度无关，也不受电源、光学系统及机械结构稳定性等外界因素的影响。因此，这类光电变换方式对光源和光电器件的要求不象模拟光电变换那样严格，只要能使光电变换电路输出稳定的“0”和“1”两个状态即可。
《光电传感与检测技术》课程教学大纲
《光电传感与检测技术》课程教学大纲课程代码：0807508011课程名称：光电传感与检测技术英文名称：Optoelectronic sensor and detecting technology学分：4 总学时：64讲课学时：56 实验学时：8上机学时：课外学时：适用对象：光电信息科学与工程专业本科生先修课程：模拟电子技术、数字电子技术、工程光学学生自主学习时数建议：128一、课程性质、目的和任务光电传感与检测技术是光电信息科学与技术专业学生的专业必修课，课程将系统全面地介绍光电传感与检测技术的基本概念、多种光电检测器件的工作原理和特性，以及相关实际应用系统的工作原理及设计，使学生比较全面地掌握光电传感技术和检测技术的基本原理、基本知识和基本方法，了解科技的新动向，以便于在今后的科研和生产实践中能够熟练应用。
二、教学基本要求对课程的讲授要求概念准确、论述严谨，既重视基本原理和基本概念的阐述，又力图反映出光电传感与检测技术的一些最新发展动向，同时也重视必要光电检测理论的分析。
基本要求如下：（1）熟练掌握常用光电传感与检测技术的基本概念及原理；（2）掌握光的表征及常见光电检测器件的工作原理与特性、光电检测方法及系统设计；（3）理解红外探测器、热释电红外传感器、激光传感与检测技术及基于虚拟仪器技术构成的检测系统及设计方法；（4）了解压力、温度、振动等检测方面的光电检测系统设计，光栅传感与检测技术在线位移和角位移测量中的应用，光电图像检测、故障诊断、红外热成像检测、红外气体检测网络与物联网技术的应用等；（5）培养学生从工程实际中发现问题、分析问题、解决问题的能力和创新意识。
三、教学内容第一章概论1、教学内容（1）光电传感技术概述（2）光电检测技术概述（3）光电传感与检测的应用2、重点和难点（1）重点：光电传感器件的组成、分类、特性、参数，光电检测的概念与分类（2）难点：测量误差的概念与分类，数据处理方法第二章光电检测技术基础1、教学内容（1）辐射度量与光度量（2）光电检测器件的物理基础（3）光电检测器件的工作原理与特性2、重点和难点（1）重点：光的基本物理性质与表征，半导体的物理基础、物理效应和基本定律，光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管、光电倍增管、光电池的工作原理与应用（2）难点：红外辐射与红外探测器，光电位置传感器，色敏检测器的工作原理与应用第三章光电检测系统1、教学内容（1）光电检测系统概述（2）光电检测方法及系统设计（3）光电信号与计算机的接口技术（4）光电检测电路举例2、重点和难点（1）重点：光电检测系统中的常见光源及选用，光电检测中的光学系统，光信号的调制检测，光电信号的检测方法，光电检测信号的偏置放大（2）难点：单元光电信号的处理与数据采集，光电单元信号与计算机的接口技术，光电单元信号与单片机的接口技术第四章红外传感与检测技术1、教学内容（1）红外检测基本原理（2）常用红外传感器与选型（3）红外光电检测与应用（4）热释电红外检测与应用（5）红外气体分析仪2、重点和难点（1）重点：红外检测的基本原理，热释电红外传感原理，热释电红外传感器与选型，红外气体分析检测原理及构成，红外探测器与选型（2）难点：红外数字计数器的设计，基于虚拟仪器的红外线温度测量系统设计，用于小车运动标识的红外光电检测系统设计，热释电红外开关电路设计，热释电自动识别进出人员语音系统设计，基于虚拟仪器的热释电传感器电性能测试系统设计，双通道红外气体分析系统设计第五章激光传感与检测技术1、教学内容（1）激光气体检测系统设计（2）基于激光平面干涉技术的元件面形偏差检测系统设计（3）光刻机调焦调平激光检测系统设计（4）激光风力发电风速检测系统设计（5）基于虚拟仪器的激光打靶系统设计（6）激光条码扫描系统设计2、重点和难点（1）重点：激光气体检测系统设计，光刻机调焦调平激光检测系统设计，激光条码扫描系统设计（2）难点：基于激光平面干涉技术的元件面形偏差检测系统设计，激光风力发电风速检测系统设计，基于虚拟仪器的激光打靶系统设计第六章光纤传感与检测技术1、教学内容（1）光纤检测基本原理（2）常用光纤传感器与选型（3）光纤检测与应用2、重点和难点（1）重点：光纤的基本知识，光纤传光原理，光纤的特性参数，光纤传感器的定义和分类，强度调制型、相位调制型、时分调制型光纤传感器（2）难点：光纤压力传感系统设计，光纤温度传感系统设计，光纤安防振动传感系统设计，反射式光纤位移传感系统设计，分布式光纤传感系统设计第七章光栅传感与检测技术1、教学内容（1）光栅的工作原理（2）常用光栅与选型（3）光栅测量与应用2、重点和难点（1）重点：光栅的工作原理，常用光栅与选型（2）难点：基于零位光栅传感器的线位移测量系统设计,基于增量式旋转编码器的角度测量系统设计第八章光电新技术的应用1、教学内容（1）光电图像检测（2）红外诊断与红外热成像技术（3）激光在军事中的应用（4）纳米技术的“光电”应用（5）红外气体检测网络与物联网技术2、重点和难点（1）重点：光电图像检测，红外故障诊断与红外热成像检测技术，激光在军事中的应用（2）难点：纳米技术的“光电”应用，红外气体检测网络与物联网技术的应用四、实践环节设计实验安排在本课程内，开设4个实验：（1）光敏电阻、光电二三极管的特性实验（2）光电池、光电倍增管的特性实验（3）光电传感器特性综合实验（4）PSD位置传感器位置测量实验五、课外习题及课程讨论为达到本课程的教学基本要求，课外习题（包括自测题）不应少于20题。
光电检测技术与应用-3光电检测器件的工作原理
辐射度的基本物理量
• 辐射能Qe ：一种以电磁波的形式发射、传播 或接受的能量。单位：焦耳[J] • 辐射通量Φe：单位时间内通过一定面积发射、 传播或接受的能量，又称辐射功率Pe，是辐 射能的时间变化率。单位：瓦［Ｗ］ • 辐射强度Ｉe：点辐射源在给定方向上通过单 位立体角内的辐射通量。单位：［W/Sr］
电场、光照、光电流
二、光电效应
光电导的弛豫
光照射到样品后，光 电导逐渐增加，光照停止， 光电导在一段时间内逐渐 消失。 反应了光电导对光强 变化反应的快慢。 弛豫特性限制了器件 对调制频率高的光功率的
响应。
矩形脉冲光照下光电导弛豫过程
二、光电效应
光电导的增益
光电导增益是表征光电导器件特性的一个重要参数。
非平衡载流子的产生
• 光注入：用光照使得半导体内部产生非平衡载流子。 • 当光子的能量大于半导体的禁带宽度时，光子就能把 价带电子激发到导带上去，产生电子－空穴对，使导 带比平衡时多出一部分电子，价带比平衡时多出一部 分空穴。
• 产生的非平衡电子浓度等于价带非平衡空穴浓度。 • 光注入产生非平衡载流子，导致半导体电导率增 加。
• 导电性受极微量杂质的影响而发生十分显著的变 化。（纯净Si在室温下电导率为5*10-6/(欧姆•厘米)。掺入
硅原子数百万分之一的杂质时，电导率为2 /(欧姆•厘米))
• 半导体导电能力及性质受光、电、磁等作用的影 响。
本征和杂质半导体
• 本征半导体就是没有杂质和缺陷的半导体。 • 在绝对零度时，价带中的全部量子态都被电子占据， 而导带中的量子态全部空着。 • 在纯净的半导体中掺入一定的杂质，可以显著地控制 半导体的导电性质。 • 掺入的杂质可以分为施主杂质和受主杂质。 • 施主杂质电离后成为不可移动的带正电的施主离子， 同时向导带提供电子，使半导体成为电子导电的n型半 导体。 • 受主杂质电离后成为不可移动的带负电的受主离子， 同时向价带提供空穴，使半导体成为空穴导电的p型半 导体。
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(1) 对光源光谱特性的要求
图3-14 光谱匹配光系图
(2) 对光源发光强度的要求
为确保光电检测系统正常工作，对光源的发光强度有一定要求。 发光强度过低，系统获得的信号将过小，无法进行正常检测； 而发光强度过高，将会导致系统工作的非线性，甚至可能损坏 系统，或导致能源的浪费。因此，在系统设计时，应对探测器 所获得的光通量进行正确估计，根据使用要求及探测器的性能 来综合考虑光源的发光强度。
(3) 对光源稳定性的要求
不同的光电检测系统对光源的稳定性有不同的要求。如：脉冲 量的检测和调制光相位的检测，对光源的稳定性要求不高，只 要确保不因光源波动而发生错漏即可；而光强、亮度、照度等 的检测对光源稳定性的要求就很严格。在系统设计时，应根据 实际需求，即保证满足精度要求，又考虑造价，不因过分要求 而使用昂贵的设备。
图3-18 光学系统中的光束限制
(3)显微镜系统中的光束限制
图3-19 显微镜系统光路
(3)显微镜系统中的光ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ限制
图3-20 非物方远心光路测量系统
(3)显微镜系统中的光束限制
图3-21 物方远心光路
(4)显微镜的重要光学技术参数
图3-22 景深的形成原理
2. 望远光学系统
(1)望远光学系统的成像原理 (2)望远镜的分类 (3)望远镜的主要参数
3）发光二极管的光谱特性
图3-4 GaP绿色发光二极管的光谱分布
4）发光二极管的伏安特性
图3-5 发光二极管的伏安特性
5）发光二极管的发光特性
图3-6 发光二极管的发光特性
(4) 激光光源及其种类
图3-7 激发与受激辐射过程 a) 自发辐射过程 b) 受激辐射过程
(4) 激光光源及其种类
图3-8 激光器构成图
光电检测系统中的常见光源及选用 光电检测中的光学系统 光信号的调制检测 光电信号的检测方法 光电检测信号的偏置放大
3.2.1 光电检测系统中的常见光源及选用
1. 光源类型 2. 光源的选用
1. 光源类型
(1) 热辐射光源 (2) 气体放电光源 (3) 半导体发光器件 (4) 激光光源及其种类
(1) 热辐射光源
(3) 半导体发光器件
发光二极管具有如下特点：①工作电压低(1.5～2V)，耗 电少(10mA下即可在室内得到适当的亮度)；②可通过调 节电流或电压来对发光亮度进行调节，且响应速度快， 并可直流驱动；③比普通光源的单色性好；④发光亮度 和发光效率均较高；⑤容易与集成电路配合使用；⑥体 积小，重量轻，抗冲击，耐振动，寿命长。 1）发光二极管的工作原理 2）发光二极管的极限参数 3）发光二极管的光谱特性 4）发光二极管的伏安特性 5）发光二极管的发光特性
(4) 其他因素
在光电检测系统中，发光面的形状和尺寸、光源的结构、光源 的供电系统复杂与否、是否需要人工冷却、使用寿命、更换方 便程度以及价格等因素，都可能影响到整个系统的最终效果， 在设计时也应该按系统要求给予满足。
3.2.2 光电检测中的光学系统
1. 显微光学系统 2. 望远光学系统
1. 显微光学系统
(1) 显微镜的光学系统的组成 (2) 显微镜的成像原理 (3)显微镜系统中的光束限制 (4)显微镜的重要光学技术参数
(1) 显微镜的光学系统的组成
图3-15 人眼直接观察物体时的示意图
(2) 显微镜的成像原理
图3-16 放大镜的工作原理
(2) 显微镜的成像原理
图3-17 显微镜成像原理图
(3)显微镜系统中的光束限制
光电传感与检测技术
第3章 光电检测系统
3.1 光电检测系统概述 3.2 光电检测方法及系统设计 3.3 光电信号与计算机的接口技术 3.4 光电检测电路举例
3.1 光电检测系统概述
图3-1 光电检测系统的组成框图
3.2 光电检测方法及系统设计
3.2.1 3.2.2 3.2.3 3.2.4 3.2.5
(1)望远光学系统的成像原理
图3-23 望远系统的成像原理图
物体温度越高，辐射能量越大，辐射光谱的峰值波长也就越短。 常见的热辐射光源有白炽灯和卤素灯。 1) 白炽灯 白炽灯是一种典型的热辐射光源。 2) 卤素灯 在白炽灯中充入卤族元素或卤化物的灯就是卤素
灯，它的发光原理与白炽灯一样，只是由于在这类灯中充 入了一定量的碘、溴等卤族元素，因而灯丝的工作温度就 可提高，且具有较高的发光效率和较长的使用寿命。
(4) 激光光源及其种类
图3-9 内腔式氦氖激光器
(4) 激光光源及其种类
图3-10 外腔式氦氖激光器
(4) 激光光源及其种类
图3-11 C
(4) 激光光源及其种类
图3-12 红宝石激光器原理图
(4) 激光光源及其种类
图3-13 砷化镓同质结二极管 激光器结构图
2. 光源的选用
(1) 对光源光谱特性的要求 (2) 对光源发光强度的要求 (3) 对光源稳定性的要求 (4) 其他因素
(2) 气体放电光源
气体放电光源的发光原理是两电极间的气体受电子激发而发光。 白炽灯的光谱是连续的，而气体放电灯的光谱是不连续的，它 与气体或金属的种类及放电条件有关。 根据充气压力的不同，气体放电光源可分为低压气体放电灯， 如荧光灯(低压汞灯)、低压钠灯；还有高压气体放电灯，如荧 光高压汞灯、高压钠灯、金属卤化物灯、陶瓷金属卤化物灯。 低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯是光谱仪器中常用的光源， 统称为光谱灯。
(3) 半导体发光器件
图3-2 半导体发光二极管 a) 结构简图 b) 符号
1）发光二极管的工作原理
图3-3 LED的工作原理
1）发光二极管的工作原理
表3-1 常见的发光二极管材料及性能
2）发光二极管的极限参数
发光二极管的极限参数包括：①允许功耗Pm：允许加于 LED两端正向直流电压与流过它的电流之积的最大值。超 过此值，LED发热、损坏。②最大正向直流电流IFm：允 许加的最大的正向直流电流。超过此值可损坏二极管。③ 最大反向电压VRm：所允许图3-4 GaP绿色发光二极管 的光谱分布加的最大反向电压。超过此值，发光二极管可 能被击穿损坏。④工作环境温度topm：发光二极管可正常 工作的环境温度范围。低于或高于此温度范围，发光二极 管将不能正常工作，效率大大降低。