光电检测系统
第九章 现代光电检测技术与系统
现代光电检测技术与系统
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CONTENTS
01 添加目录标题
02 光电检测技术概述
03 光电检测系统的基 本构成
04 现代光电检测技术 的主要类型
05 现代光电检测系统 的典型应用
06 光电检测技术的挑 战与展望
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光电检测技术概述
光电检测技术的定义和分类
定义：光电检测技术是一种 利用光电效应进行检测的技 术包括光电转换、光电测量、 光电控制等。
观察和控制
电源单元：负 责为整个系统 提供稳定的电 源保证系统正
常工作
现代光电检测技术的主 要类型
光电成像检测技术
原理：利用光 电效应将光信 号转换为电信
号
应用：广泛应 用于医疗、工 业、科研等领
域
特点：高灵敏 度、高分辨率、
高稳定性
发展趋势：智 能化、微型化、
集成化
光纤传感检测技术
光纤传感检测技 术的原理：利用 光纤的传感特性 实现对物理量的 测量
高速化：高速 化的光电检测 技术可以快速 获取目标信息 提高检测速度。
微型化：微型化 的光电检测技术 可以减小设备的 体积和重量便于
携带和使用。
集成化：集成化 的光电检测技术 可以将多个检测 功能集成在一个 设备中提高检测 效率和准确性。
光电检测系统的基本构 成
光源和光路系统
光源：提供 检测所需的 光信号如激 光、LED等
控制系统
控制器：负责 接收和处理传 感器信号控制
执行器动作
传感器：负责 检测被测对象 的物理量如温 度、压力、流
量等
执行器：负责 执行控制器的 指令如调节阀
门、开关等
工程光电探测系统设计方案
工程光电探测系统设计方案一、背景及意义光电探测系统是一种集光学、电子、计算机等多种技术于一体的高新技术系统，能够利用光电传感器对目标物体进行检测、识别、跟踪等操作。
在工程、军事、医疗、安防等领域有着广泛的应用前景。
光电探测系统的设计方案具有重要意义，它决定了系统的性能、可靠性和实用性。
本文将以一种针对军事领域的光电探测系统为例，介绍其设计方案。
二、需求分析1. 任务需求：该光电探测系统主要用于探测和跟踪飞行器、地面目标、水下目标等，能够实时获取目标的位置、速度、姿态等信息。
2. 工作环境：系统将在多种复杂环境下工作，包括昼夜光照变化、恶劣气候条件、高速移动目标等。
3. 精度要求：系统对目标的探测、识别和跟踪需具备较高的精度，能够满足军事需求的作战指挥要求。
三、系统结构设计1. 组成模块：光电探测系统主要由光学模块、电子模块、数据处理模块、控制模块组成。
2. 功能描述：光学模块负责捕捉目标的光信号，将其转化为电信号；电子模块负责信号放大、滤波、数字化处理；数据处理模块负责对目标进行识别、跟踪、定位计算；控制模块负责系统的运行控制和指令传输。
四、技术实现方案1. 光学模块：选用高灵敏度、高分辨率的光学传感器，采用光学滤波、聚焦、变倍等技术，以获得清晰、准确的目标图像。
2. 电子模块：采用低噪声、高增益的放大器、滤波器等元件，保证光信号的清晰度和稳定性。
3. 数据处理模块：采用先进的图像处理算法，如边缘检测、目标识别、运动跟踪等技术，对捕捉到的光学信号进行处理，提取目标信息。
4. 控制模块：引入先进的控制算法，实现对光学模块、电子模块、数据处理模块的无缝控制和协同工作。
五、系统性能指标1. 光学性能：分辨率≥30lp/mm，灵敏度≥0.1Lux，变焦范围≥20倍。
2. 电子性能：信噪比≥60dB，增益范围±20dB，输出动态范围≥5V。
3. 数据处理性能：目标识别准确率≥95%，跟踪误差≤1像素，处理帧率≥30fps。
光电检测系统的原理和设计方法
光电检测系统的原理和设计方法
光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴的检测技术。
它主要利用电子技术对光学信号进行检测，并进一步传递、储存、控制、计算和显示。
光电检测技术从原理上讲可以检测一切能够影响光量和光特性的非电量。
它可通过光学系统把待检测的非电量信息变换成为便于接受的光学信息，然后用光电探测器件将光学信息量变换成电量，并进一步经过电路放大、处理，以达到电信号输出的目的。
然后采用电子学、信息论、计算机及物理学等方法分析噪声产生的原因和规律，以便于进行相应的电路改进，更好地研究被噪声淹没的微弱有用信号的特点与相关性，从而了解非电量的状态。
微弱信号检测的目的是从强噪声中提取有用信号，同时提高检测系统输出信号的信噪比。
光电检测电路的基本构成
光电探测器所接收到的信号一般都非常微弱，而且光探测器输出的信号往往被深埋在噪声之中，因此，要对这样的微弱信号进行处理，一般都要先进行预处理，以将大部分噪声滤除掉，并将微弱信号放大到后续处理器所要求的电压幅度。
这样，就需要通过前置放大电路、滤波电路和主放大电路来输出幅度合适、并已滤除掉大部分噪声的待检测信号。
其光电检测模块的组成框光电二极管的工作模式与等效模型
光电二极管的工作模式
光电二极管一般有两种模式工作：零偏置工作和反偏置工作，一般来说，在光电精密测量中，被测信号都比较微弱，因此，暗电流的影响一般都非常明显。
本设计由于所讨论的待检测信号也是十分微弱的信号，所以，尽量避免噪声干扰是首要任务，所以，设计时采用光伏模式。
光电二极管的等效电路模型。
第五章 光电直接检测系统
① 取τ1λ为被测距离L在光谱响应范围内的平均透过率τ1。 ② 光学系统的透过率τ0λ对光谱响应范围内平均值。 ③ 把检测器的光谱响应带看成是一个矩形带宽。即在响应范围内为 常数RV，在其它区域为零。 ④根据物体的温度T查表，可计算出在考查波段范围内的黑体辐射强度， 再乘以物体的平均比辐射率，可得到物体在光谱响应范围内的辐射强度Ie。
5.2.4 系统的通频带宽度
频带宽度f是光电检测系统的重要指标之一。检测系统要求f应保存原有 信号的调制信息，并使系统达到最大输出功率信噪比。系统按传递信号能力， 可有以下几种方法确定系统频带宽度。
I (ω)
0.66 ω1 = 1. 等效矩形带宽： τ0
ω 1
I (0)
2. 频谱曲线下降3dB的带宽 f2 = 3. 包含90%能量的带宽 f = 0.89 3 τ0
eη α= 称为光电变换比例常数 hν
5-3
5.1 光电直接检测系统的基本工作原理 若光检测器负载电阻RL，则光检测器输出电功率为：
eη 2 P = I RL = 5-4 P RL o s hν 光检测器的平方律特性：光电流正比于光电场振幅的平方， 电输出功率正比于入射光功率的平方。
2 2 s
第五章 光电直接检测系统
非相干检测，
光 电 检 测 系 统
直 接 检 测 光 外 差 检 测
光源：非相干或相干光源 原理：利用光强度携带信息，将光强度转换为 电信号，解调电路检出信息。 调制方法：光强度调制、偏振调制。
直接检测是一种简单实用的方法。
相干检测， 光源：相干光源 原理：利用光的振幅、频率、相位携带信息， 检测时需要用光波相干原理。 调制方法：光振幅调制、相位调制，频率调制
5-21
RVλ为检测器的 光谱响应度
光电检测思考题及部分答案
思考题及部分答案:1.什么是光电检测系统？其基本组成部分有哪些？答：指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
组成部分：光源；被检测对象及光信号的形成；光信号的匹配处理；光电转换；电信号的放大与处理；微机；控制系统；显示。
2.简要说明光电检测技术的重要应用范围？答：辐射度量和光度量的检测；光电元器件及光电成像系统特性的检测；光学材料、元件及系统特性的检测；非光学量的光电检测。
3.光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？内容是什么？答：四种。
光电子发射效应：在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射。
光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下，半导体的电导增大。
光生伏特效应：光照射在PN结及其附近，在结区中因电场作用，产生附加电动势。
光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照射，由于磁场产生洛伦兹力，形成电位差。
4. 光电探测器的种类及相应的光电器件？答：光电子发射器件：光电管、光电倍增管；光电导器件：光敏电阻；光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。
5. 光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述之。
答：量子效率：响应度：光谱响应：响应时间和频率响应：噪生等效功率：探测度：线性度：。
6. 光电探测器的噪声主要来源于什么？答：热噪声；暗电流噪声；散粒噪声；低频噪声。
7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件？答：光吸收系数好；电子亲和力小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小，使其逸出深度大。
8.常见的光阴极材料有哪些？答：银氧铯；锑钾；锑铯。
9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。
答：充气的暗电流与照射比真空大很多；充气的频率响应比真空的较差；充气的噪声响应比真空的较大。
10.光电倍增管的工作原理及结构（组成部分），他有什么特点？答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极激发出的光电子，在电场U1的加速下，打在第一个倍增级D1上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子，在电场U2的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极上，又引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极收集。
光电探测系统的原理
光电探测系统的原理
光电探测系统是一种利用光电效应原理来检测和测量光信号的系统。
光电效应是指当光线照射到物质表面时，光子的能量能够激发电子从原子或分子中解离出来，进而产生电流或电压。
光电探测系统通常由光源、探测器和信号处理器组成。
光源发出光信号，可以是激光器、LED等光源，光信号经过光学器件（如透镜、光栅等）进行整形和调节后，照射到被测物体或样品表面。
光信号经过被测物体的反射、散射、透射等作用后，会被探测器接收。
探测器通常是基于光电效应原理设计的元件，如光电二极管、光电倍增管、光电二极管阵列等。
当光信号照射到探测器上时，它会激发出电子，并产生相应的电流或电压。
这些电流或电压信号可以被传输到信号处理器进行放大、滤波、数字化等处理。
信号处理器将处理后的信号转换为数字信号，并进行数据处理、分析和显示。
根据不同的应用需求，可以采用不同的信号处理算法和技术，如傅里叶变换、滤波算法、图像处理等，从而实现对光信号的测量、分析和控制。
总的来说，光电探测系统利用光电效应的原理，通过光源、探测器和信号处理器的配合，能够实现对光信号的探测、测量和分析，广泛应用于光学测量、光谱分
析、成像、通信等领域。
光电检测系统的组成及特点
由于被测对象复杂多样，故检测系统的结构也不尽相同。
一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。
传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。
它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。
有传感器检测到的信号一般为电信号。
它不能直接满足输出的要求，需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准的电信号，输出给输出环节。
根据检测系统输出的目的和形式的不同，输出环节主要显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。
传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。
不同的传感器具有不同的输出信号。
能量控制型传感器输出的是电参数的变化，需采用电桥电路将其转换成电压的变化，而电桥电路输出的电压信号幅度较小，共模电压又很大，需要用仪表放大器进行放大，在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号，需加滤波电路提取有用的信号，而滤波出无用的噪声信号。
而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低，也许才用仪表放大器进行放大。
与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。
这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。
主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在信道、雷达、通信、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。
应用到这些场合的光电系统的具体构成形式尽管各不相同，但有一个共同的特征，即都具有发射机、光学信道和光接收机这一环节。
光电系统通常分为主动式和被动式两类。
在主动式光电系统中，光发射机主要由光源（例如激光器）和调制器构成；在被动式光电系统中，光发射机为被测物体的热辐射发射。
光学信道和光接收机对两者是完全相同的。
所谓光学信道，主要是指大气、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，包括三个基本模块。
光电变换通常是通过各种光学元件和光学系统来实现的，采用平面镜、光狭缝、透镜、角锥棱镜、偏振器、波片、码盘、光栅、调制器、光成像系统、光干涉系统等，实现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。
光电传感器检测系统设计与制作
光电传感器检测系统设计与制作光电传感器检测系统（Optical Sensor Detection System）是一种采用光学技术进行物体检测、识别的技术手段，具有精度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于机械、电子、自动化控制等领域。
本文将介绍一种基于光电传感器的物体检测系统的设计与制作，旨在为初学者提供一些设计思路和操作指南。
一、系统组成该物体检测系统主要由以下几部分组成：1. 光源：发射光信号，一般使用红外线、激光等光源。
2. 接收器：接收被检测物体反射回来的光信号，一般使用光电二极管等器件。
3. 处理电路：对接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
4. 显示器：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
二、系统设计步骤1. 确定检测目标及检测距离：根据实际需求，确定需要检测的物体种类及其距离范围。
该步骤将有助于后续光源和接收器的选择。
2. 选择光源：根据检测需求和检测距离选择合适的光源。
例如，检测距离在5米以内，选择红外线LED灯作为光源；检测距离超过5米，选择雷达等其他光源。
3. 选择接收器：根据光源和检测目标的特点选择合适的接收器。
例如，对于红外线LED光源，选择光电二极管作为接收器。
4. 设计处理电路：根据接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
这一步骤需要根据实际应用需求进行详细设计，确保检测系统的稳定性和可靠性。
5. 设计显示器件：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
该步骤需要将处理后的信号进行转换，输出到LED灯等显示器件上。
三、系统制作要点1. 光源和接收器的布放：将光源和接收器安装在一个平面上，并且保证光源和接收器之间的距离要适当。
同时要将光源和接收器的距离对称放置，以保证信号的稳定性。
2. 处理电路的设计：承担着光电传感器检测系统中的重要组成部分，如果处理电路出现问题，将会影响整个系统的工作状态。
光电检测系统的概述
光电检测系统的概述光电检测系统是在人类探索和研究光电效应的进程中产生和发展起来的。
人类从1873年最早发现光电导现象导1929年制造出第一个使用的光接收器件，共用了56年时间。
把光能和光波（可见光或不见光）的各种参数变化转化为电量（电阻、电流和电压等）变化的器件叫光电探测器或光探测器，如光电倍增管等。
光电检测系统就是利用光电探测器把目标携带的光信息转变成电信号，从而实现目标参数的测量、显示和记录。
光电检测技术就是研究与此过程相关的被测信号的采集、调制、解调、变换、传输、处理的理论和技术，以及研究检测仪器和检测系统以及设计的基本原理和技术。
光电检测主要由光电传感器进行测量。
光源（或辐射源）产生的光和辐射的参数（如辐射能流的横截面积、光谱成分及光强度、光波的频率和相位等）受被测对象控制，光和辐射参量（包括辐射源自身）变化有光电器件接收后转变成电参数变化来进行测量。
光源可采用白炽灯、气体放电灯、激光、发光二极管及其能发源可见光谱、紫外光谱、红外光谱的器件，此外还可采用X射线及同位素放射源。
有时被测对象就是辐射源，例如需要测温的发热体。
用于检测系统的光电器件有光电二极管、光电三极管、光敏电阻、摄像管等。
选用何种器件，是有光电器件的性能、光源特性及其仪器的运用环境和条件等决定的。
在光电检测系统中，信息的变换是以光为媒介，光子是信息的载体，被测信息与光的光子数，光的波长和相位、光的速度等参数联系在一起。
所以光电检测的精确度高、灵敏度高可以检测变化速度极快的现象。
例如LG-PR型带放大模拟光接收模块集成了告诉pin探测器和低噪声放大器，单模光纤或自由空间耦合，SMA连接器输出，具有高增益、高灵敏度、增益平坦等特点。
光电检测系统的设计与优化
光电检测系统的设计与优化商业计划书：光电检测系统的设计与优化摘要：本商业计划书旨在介绍光电检测系统的设计与优化，该系统可应用于各种工业领域，包括制造业、能源领域等。
我们将详细介绍该系统的市场需求、竞争分析、产品特点、营销策略、财务预测等方面，以便为投资者提供全面的商业计划。
1. 项目背景随着工业技术的不断发展，光电检测系统在各个行业中的应用越来越广泛。
该系统通过利用光电传感器和光电探测器，能够实时监测和检测物体的位置、速度、光强等参数，为企业提供精确的数据支持。
然而，目前市场上的光电检测系统存在一些问题，如精度不高、响应速度慢等。
因此，我们有必要设计和优化一种高性能的光电检测系统，以满足市场需求。
2. 市场需求目前，制造业、能源领域等行业对于高精度、高速度的光电检测系统的需求日益增长。
例如，在制造业中，光电检测系统可用于产品质量检测、装配线自动化等方面；在能源领域，该系统可应用于太阳能发电、风能发电等。
根据市场调研，预计未来几年内，光电检测系统市场将保持稳定增长。
3. 竞争分析目前市场上存在一些光电检测系统的供应商，如公司A、公司B等。
然而，这些供应商的产品存在一些问题，如精度不高、响应速度慢等。
我们的竞争优势在于，我们将设计和优化一种高性能的光电检测系统，解决这些问题，并提供更好的用户体验。
4. 产品特点我们的光电检测系统具有以下特点：- 高精度：通过采用先进的光电传感器和探测器，实现高精度的检测和测量。
- 高速度：响应速度快，能够实时监测和检测物体的位置、速度等参数。
- 可靠性：经过严格测试和验证，确保系统的稳定性和可靠性。
- 灵活性：可根据客户需求进行定制，满足不同行业的应用需求。
5. 营销策略为了推广和销售我们的光电检测系统，我们将采取以下营销策略：- 建立合作关系：与制造业、能源领域等行业的合作伙伴建立合作关系，共同开发和推广产品。
- 市场推广：通过参加行业展览、举办技术研讨会等方式，向目标客户展示我们的产品优势。
简述光电检测系统的组成和特点
简述光电检测系统的组成和特点
一、组成
光电检测系统由光源、光电传感器、信号处理器、输出器等部件组成。
1. 光源：提供光线，一般使用激光、LED、红外线等光源。
2. 光电传感器：将光信号转换成电信号，包括光电二极管、光电三极管、光电二极管阵列等。
3. 信号处理器：负责对光电传感器采集的电信号进行处理，包括放大、滤波、数字化等处理。
4. 输出器：将处理后的信号输出到控制器或显示器等设备上。
二、特点
1. 高精度：光电检测系统具有高灵敏度、高精度的特点，可以实现微小物体的检测。
2. 高速度：光电传感器对物体的响应速度非常快，能够实现高速运
动物体的检测。
3. 非接触式：光电检测系统是一种非接触式检测技术，不会对被检测物体造成损伤。
4. 应用广泛：光电检测系统被广泛应用于工业自动化、电子设备、医疗器械等领域，为产品质量的提高和生产效率的提升做出了重要贡献。
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。
光电检测系统应用举例和原理
光电检测系统应用举例和原理光电检测系统是一种利用光电效应原理将光信号转换为电信号进行测量、控制或信息处理的装置。
其基本工作原理包括以下几个步骤：
1. 光电转换：当光线照射到光电元件（如光敏二极管、光电倍增管、光电池等）上时，光能被转换为电能。
这一过程基于光电效应，即在特定条件下，光子与材料相互作用可导致电子从价带跃迁至导带，从而产生电流。
2. 信号放大与处理：产生的微弱光电流通常需要经过放大电路进行放大以提高信噪比，并通过滤波、整形等手段将其转化为可以进一步分析和应用的电信号。
3. 信息读取与输出：处理后的电信号可以根据具体应用要求，通过显示设备显示测量结果，或者连接到控制系统实现自动控制功能。
光电检测系统的应用举例包括但不限于：
光电开关：用于检测物体的存在与否或位置变化，例如在自动化生产线中判断物料是否到达指定位置。
光电转速计：通过检测旋转物体上的标记反射回来的光强度变化来测定转速，广泛应用于电机、风扇等各种机械设备的速度监控。
汽油液面检测：在汽车油箱内使用反射型光电传感器，根据反射回来的光强变化判断汽油液位的高度。
厚度测量：在工业生产中，可通过非接触式光电检测技术，利用透射或反射原理测量薄膜、板材等的厚度。
光电检测与技术知识点总结
光电检测与技术知识点总结一、光电检测基础知识1. 光电效应：光子射入物质时，将能量传递给物质，或者将物质中的粒子激发出来。
前者称为光吸收，后者称为光发射。
2. 光电效应分类：外光电效应、内光电效应和光热效应。
3. 光电效应的应用：光电管、光电倍增管、光电摄像管等。
二、光电检测技术基础1. 光电检测器的分类：根据工作原理，可分为外光电效应检测器、内光电效应检测器和光热效应检测器。
2. 光电检测器的工作特性：光谱响应、频率响应、线性范围、探测率和噪声等。
3. 常用光电检测器：光电二极管、光电晶体管、光电池、光电倍增管等。
三、光电检测系统1. 光电检测系统的基本组成：光源、被测物、光电检测器、信号处理电路和显示设备。
2. 光电检测系统的应用：测量长度、测量角度、测量速度、测量温度等。
3. 光电检测系统的误差来源：光源的不稳定性、光学系统的误差、探测器噪声和信号处理电路的误差等。
四、常用光电检测技术1. 红外线检测技术：利用红外线的热效应，可以测量物体的温度和辐射功率。
红外线传感器有热敏电阻、热电偶等。
2. 激光雷达技术：利用激光的反射和散射，可以测量物体的距离和形状。
常用的激光雷达有脉冲式和连续波式两种。
3. 光纤传感器技术：利用光纤的传光特性，可以测量物体的位移、压力和温度等物理量。
光纤传感器有折射率型、光强调制型和光相位调制型等。
4. 图像传感器技术：利用图像传感器将光学图像转换为电信号，可以测量物体的尺寸和形状。
常用的图像传感器有CCD和CMOS两种。
5. 色彩传感器技术：利用色彩传感器测量物体的颜色和色差，可以应用于颜色识别和颜色检测等方面。
常用的色彩传感器有RGB和CMYK两种。
光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理。
光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。
光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。
能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展光电检测方法 （1）.光信息携带的物理量可分为：光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等（2）.所用的光学现象分为：衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等（3）从检测系统角度分为：直接作用法、差动法（差分法）、补偿法光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来 2系统误差 在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差。
系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等随机误差 在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现出无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。
灵敏度 系统在稳态下输出量变化引起此变化的输入量变化的比值算术平均值 ：均方差或标准误差算术平均值的标准偏差均方差的标准误差ss最大误差测量精度 大误差测值出现的处理 主要方法是：(1) 认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。
(2) 增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。
(3) 利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除辐射度量（Radiometry ）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。
光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受，包括生理学、心理学在内。
1)辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J ）例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J 。
光电检测系统
被动系统
光信号来自被测物体的自发辐射
信息载入光学信息的方式-光电变化的基本形式
信息载荷于光源的方式
如图(a)所示，为信息载荷于光源中的 情况（或光学信息为光源本身），如 光源的温度信息，光源的频谱信息， 光源的强度信息等。根据这些信息可 以进行钢水温度的探测、光谱分析、 火灾报警、武器制导、夜视观察、地 形地貌普查和成像测量等的应用。
U 0 0 DR 光电变
换系数
透过率
信息载入光学信息的方式
信息载荷于反射光的方式
通常分为两种：镜面反射：用来判断 光信号的有无。如光准直，转速等； 漫反射：检测物体表面的外观质量。
U 0 Er1 r2 BR
疵病信 号电压
正品表 被测表 面的反 面的照 射率
度
疵病表 光电接收器件有 面的反 效视场内疵病所 射率 占地面积
全部操作： 检测器具 检测过程
传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
返回
测量
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：
信息载入光学信息的方式
信息载荷于遮挡光的方式
如图(d)所示为信息载荷于遮挡光的方式，物体部分或全部 遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场，实现 了信息载荷于遮挡光的过程。
可用于检测物体的位移量＆尺寸。主要用在测微计，尺寸检测仪 以及光电计数，光开关等领域。
U 0 EbRl
输出位移量 的信号电压
光电检测技术与系统教学设计
光电检测技术与系统教学设计背景随着科技的迅猛发展，光电检测技术在许多领域中得到了广泛应用，如生物医药、环保、新材料等。
因此，掌握光电检测技术成为了现代科技人才必须的一项基本技能。
在高等教育中，培养学生的光电检测技术需要通过实践教学来实现，才能更好地逐步掌握和应用。
光电检测技术与系统教学设计是一项必不可少的工作，为学生提供了更好的学习和实践机会，也促进了教育教学改革的进展。
教学目标本次教学设计旨在培养学生的光电检测技术与系统应用能力，让学生了解光电检测技术的基本原理和应用，了解光电检测系统的主要组成部分，以及光电检测技术在各种领域中的应用情况。
教学内容1. 光电检测技术基础•光的本质及其与物质的相互作用•光学基础和光电探测器原理•光电检测器的种类和特点•光电元器件和微光测量2. 光电检测系统•光电检测系统的基本组成和原理•光电检测系统的设计和调试•光电检测系统在各个领域中的应用3. 实践操作•光电检测器的基本使用方法•光电检测系统的实际操作•常用光电检测器的测量试验及结果分析教学方法本次课程的主要教学方法为理论讲授与实践操作相结合。
通过理论讲解和实验操作让学生更好地掌握光电检测技术和系统，让学生在实验中发现问题，分析问题，解决问题的能力。
教学评价本次教学的评价主要是以学生的课堂出勤率、课程参与度和实践操作成绩综合评价。
学生必须在参加实践操作，完成实验报告，并按时提交。
同时，教师也将为学生提供充足的实验室时间，为学生有出色成果提供机会。
教学资源本次光电检测技术与系统教学使用的设备资源如下：•光电检测器•激光器•光电探测器同时，还需要配备实验室的常规设备，如电脑、投影仪等。
总结光电检测技术与系统是一门在实践中不断发展和创新的学科，学生应当深入理解其原理和应用，掌握光电检测技术和系统设计。
通过教学设计实践，教育教学将能更好地促进学生的能力发展，培养具有实际应用能力的工程技术人员。
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光电检测系统
▪ 光学变换 ➢ 时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽 ➢ 空域变换：光学扫描 ➢ 光学参量调制：光强、波长、相位、偏振 ➢ 形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学 信息。
▪ 光电变换 ➢ 光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大 ➢ 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）。
▪ 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)
光电信号检测种类
▪ 光强度型信号检测 ▪ 光相位型信号检测 ▪ 光偏振型信号检测 ▪ 光频率型信号检测 ▪ 光谱型信号检测
光电信号检测种类
▪ 光强度型信号检测 ---被测参量作用在光强信号上 ---直接检测和调制检测
若光源是非相干光，使光信息加载于非相干光源 载波的振幅、频率或相位变化之中——非相干检 测系统。
直接探测系统的性能分析
▪ 光电探测器的基本功能是把入射到探测器上的 光功率转换为相应的光电流
i(t) q P(t) h
S q h
▪ 光电流是光电探测器对入射光功率的响应，如 果传递的信息表现为光功率的变化，利用光电 探测器的直接光电转换功能就能实现信息的直 接解调
器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。 即输出信号量是被测信号量Q的函数，或称输
出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函 数关系。可表示为
Ip=f(Q)
模拟变换系统
或
Up= f(Q)
光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关而且与 载体光度量有关。因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q 的函数关系，载体光度量必须稳定。否则，载体光度量的变化直接影响 被测信息量。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动，放大电 路的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。而光度量的稳定 又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。因此，实现稳定的高精 度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难。必须采用各 种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。
信号的探测
若（Pi/ni）>>1，则有
(Po
/
no
)
1 2
(Pi
/
ni
)
输出信噪比等于输入信噪比之半，光电转换
后的信躁比损失不大，适宜于强光探测
直接探测系统的噪声
直接检测属于非相干检测，噪声有：
▪ 信号光功率的散粒噪声 is2n SPs 2qf ▪ 背景光功率的散粒噪声 ib2n SPb 2qf ▪ 光电器件热噪声 in2T 4kTf / R ▪ 光电器件暗电流引起的散粒噪声id2 2qId f
非相干信号的光电变换与检测
➢ 直接检测系统 --- 随时间变化的光电信号变换与检测方法
这类信号的变换通常集中发生于局部的空间范围，它的特征参量只随时 间缓慢地，或周期性或瞬时地变化，因此是时间的一维函数而与空间坐 标无关，可用函数F(t)表示。
--- 随空间变化的光电信号变换与检测方法
这类信号发生在一定的空间坐标范围内，光信号的参量随空间位置而改 变。因此是二维或三维空间的函数，用函数F(x,y,z)表示，其中随时间变 化的信号称作时空变化的光电信号，用函数F(x,y,z,t)表示。
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
直
相位法
接
检
幅值法
测
单通道 双通道
时
时间法
间
波数测量
变
频率法
化
频率测量
光
相ห้องสมุดไป่ตู้
信 号
干 检
连续波调制
测
调幅 调频
脉冲调制
直读法 指零法 差动法 比较法
简单光学目 标空间定位
几何中心检 测法
亮度中心检 测法
象分析 扫描调制
光学象分析 象限监测器
空
间
光学图像的
变
扫描
化
光
信
号
几何参量的
检测
图像扫描
实体扫描 光度变换 空间编码 线值测量
▪ 光电检测系统
➢ 光学变换 ➢ 光电变换 ➢ 电路处理
检测的基本概念
定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 被测信息：
宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……）
物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） ……
全部操作： 检测器具 检测过程
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
光电检测系统分类
▪ 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
▪ 电路处理 ➢ 放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口 、控制。
光学变换
▪ 在光电系统中，通常要借助几何光学、物理 光学和光电子学的方法对信号进行变换，包 括将一种光量转换成另一种光量， 将非光 量转换成光量或将连续光量转换成脉冲光量
▪ 目的：
➢ 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
▪ 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)
模拟变换系统
1. 模拟光电变换
被测的非电量信息（如温度、介质厚度、 均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等） 载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照 度和出射度等）的方式送给光电器件，光电
光电检测系统
光源 光学系统 光电探测器 电路处理
光电检测技术
▪ 检测与测量 ▪ 光电传感器：
➢ 基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种光电器件 ➢ 将非电量转换为与之有确定对应关系的电量输出。
▪ 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
“0”和“1”两个状态即可。
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)
➢ 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
▪ 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
▪ 光电检测系统
➢ 光学变换 ➢ 光电变换 ➢ 电路处理
光电检测系统
光
光
被
光
光变
电
源
学
测
学
电换
信
系
对
变
传电
号
统
象
换
感路
处 理
存储 显示 控制
光学变换
电路处理
光电探测器的种类
传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
例：空调机测量控制室温 被测对象： 室内空气 被测信息： 温度 检测器具： 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
返回
测量
▪ 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：
模数变换系统
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
机械式 光束式 电子式
运动物体 静止物体 空间搜索
轴向测距
一、脉冲激光测距仪
▪ 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：
0ekvd
U 0se kvd
透射式直接检测
光强度型光电信号直接检测
U 0 EbRl
遮挡式直接检测
光强度型光电信号直接检测
U 0 Er1 r2 BR
疵病信 号电压
被测表 面的照
度
正品表 面的反 射率
疵病表 面的反 射率
光电接收器件有
效视场内疵病所 占地面积
反射式直接检测
光电测速
2
3
1 (a)
▪ 由光电探测器的平方律特性
▪ 信号和噪声的独立性，有
▪ 根据信噪比的定义，输出信噪比为
SNRO
Po no
Pi 2 2Pi ni ni2
Pi / ni 2 1 2 Pi / ni
若（Pi/ni）<<1，则有
直接探测方式不适宜输(入Po信/ n噪o )比小(P于i /1n或i )2微弱