第1章 光电传感与检测技术绪论

光电传感与检测技术

教材：《光电检测技术与应用（第三版）》郭培源 付扬 编著 北京航空航天大学出版社 参考书目：《光电检测技术》曾光宇 清华大学出版社

《光电传感与检测技术》江晓军 机械工业出版社

《光电检测技术及应用》周秀云 电子工业出版社

学时：64学时（4学分），其中理论56学时，实验8学时（4个实验）

成绩：平时成绩 30%（考勤、作业、学习态度、实验），期末考试 70％

第一章 绪 论

1.1 课程内涵

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。

1.2 课程特点

光电传感与检测技术具有非接触、精度高、速度快、自动化等特点，是光、机、电、计算机技术的综合应用。它将光电传感器与单片机技术、计算机技术及虚拟仪器技术相结合，使检测技术更加方便。

1.3 光电传感技术

1.3.1 什么是光电传感器

日常生活中的传感器：电冰箱、电饭煲中的温度传感器；空调中的温度和湿度传感器；煤气灶中的煤气泄漏传感器；水表、电表、电视机和影碟机中的红外遥控器；照相机中的光传感器；汽车中燃料计和速度计等等。 人体系统和机器系统的比较：人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。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”。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。

1.3.2 光电传感器的组成和分类

光电传感器的组成包括光源、光学通路、光电元件。

光电传感器分类：

（1

）按照探测机理分类：

(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、固态图象传感器„

1.3.3 光电传感器的特性

传感器一般要变换各种信息量为电量，对不同的输入信号，输出特性是不同的，由于受传感器内部储能元件（电感、电容、质量块、弹簧等）的影响， 对快变信号与慢变信号，反应大不相同。

慢变信号——输入X为静态或变化极缓慢的信号时研究静态特性，即不随时间变化的特性。

快变信号——输入量X随时间t变化较快时考虑输出的动态特性，即随时间变化的特性。

1. 静态特性

当输入量（X）为静态（常量）或变化缓慢的信号时（如环境温度、压力），讨论传感器的静态特性，输入输出关系称静态特性，包括：线性度、迟滞、重复性、灵敏度„

线性度：输入与输出之间数量关系的线性程度。

迟滞：传感器在正、反行程期间输入、输出曲线不重合的现象。

重复性：传感器输入量按同一方向作多次测量时输出特性不一致的程度。

灵敏度：在稳定条件下输出微小增量与输入微小增量的比值。

漂移：在输入量保持不变的情况下,输出量随时间的变化。

分辨率：传感器能够检测到的最小输入增量。

阈值：输入小到某种程度输出不再变化的值。

门槛灵敏度：指输入零点附近的分辨能力。

2. 动态特性

动态特性是传感器输出对（随时间变化）输入量的响应特性，输入与输出之间存在的差异就是动态误差。 影响动态特性的因素还与输入信号的形式有关，在对传感器进行动态分析时一般采用标准正弦信号和阶跃信号。输入信号按正弦变化时，分析输出信号的振幅、相位、频率，称频率响应；输入信号为阶跃变化时，对传感器输出信号随时间变化过程进行分析，称阶跃响应（瞬态响应）。

1.3.4 光电传感器技术的作用和地位

构成现代信息技术的三大支柱是：传感器技术（信息采集）、通信技术（信息传输）、计算机技术（信息处理），它们在信息系统中分别起到“感官”、“神经”和“大脑”的作用。在利用信息的过程中首先要解决获取准确可靠的信息，而传感器是获取信息的主要途径和手段。

目前传感器技术已经在越来越多的领域得到应用，传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域，是构建现代信息系统的重要组成部分。传感器对观测和自动化技术所起的作用远比家用电器所起到的作用大的多，这几乎是无可争议的事实。

基础学科研究中，传感器更有突出的地位。宏观上的茫茫宇宙、微观上的粒子世界、长时间的天体演化、短的瞬间反应。超高温、超低温、超高压、超高真空、超强磁场、弱磁场等极端技术研究。传感器的发展，往往是一些边缘学科开发的先驱。

现代工业生产尤其是自动化生产过程中，每个生产环节都需要用各种传感器监视和控制生产过程的各个参数，一是保证产品达到最好的质量，二是保证设备工作在最佳状态。传感器是自动控制系统的关键基础器件，直接影响到自动化技术的水平。

传感器已渗透到宇宙开发、海洋探测、军事国 防、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、商检质检、甚至文物保护等等极其广泛的领域。可以毫不夸张地说：几乎每个现代化项目，以至各种复杂工程系统，都离不开各种各样的传感器。传感器技术在发展经济、推动社会进步方面的重要作用，是十分明显的。世界各国十分重视这一领域的发展。

未来世界是个充满传感器的世界，还会有：智能房屋（自动识别主人，太阳能提供能源）；智能衣服（自动调节温度）；智能公路（自动记录公路的压力、温度、车流量）；智能汽车（无人驾驶、卫星定位）„„

1.4 光电检测技术

1.4.1 光电检测技术概述

光电检测技术是研究光电检测系统的技术，所谓光电检测系统，是指对被测光学量或由非光学被测量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。

光电检测技术是光学与电子学相结合而产生的一门新兴检测技术，其功能是利用光电子技术对光学信息进行检测，并进一步传递、存储、控制、计算和显示等。光电检测技术是信息时代的关键技术。

实际上被测对象涉及各个领域。最初的测量对象是长度、体积、质量和时间。18世纪以来科学技术取得飞速发展，被测对象迅速扩大。力学领域有速度、加速度、力、功和能量等；电磁学领域中有电流、电压、电阻、电容、磁场；化学领域中有浓度、成分、pH值等；工业领域中有流量、压力、温度、黏度等被测量。现在的被测对象更为广泛，有人体心电、脑电波等体表电位测量，生物断面测量；工业领域的光泽、触觉等品质测量；卫星上监视地球的红外线传感器；机器人的视觉、触觉、滑觉、接近觉等各种传感器。

就被测对象而言工业上需要检测的量有电量和非电量两大类。非电量早期多用非电量的方法测量，例如：用尺测量长度；用液体热膨胀的温度计测温度；天平测量物重。

传统的传感器可以完成从非电量到电量的转换，但无法实现现代智能仪器仪表的自动测量，无法完成过程控制的自动检测与控制。随着科学技术的发展，对测量的精确度、速度提出新的要求，尤其对动态变化的物理过程和物理量远距离测量，用非电方法无法实现，必须采用电测法。

1.4.2 光电检测系统组成

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。

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。

光学变换 电路处理

光电检测系统

光是信息传递的媒介，它由光源产生。光源与照明光学系统一起获得测量所需的光载波；光载波与被测对象同时作用在光学系统上而将被测量载荷到光载波上，称为光学变换。光学变换是用各种调制的方法来实现的。光学变换后的光载波上载荷有各种被测信息，称为光信息；光信息经光电器件实现由光向电的信息转换，称为光电转换；然后被测信息就可用各种电信号处理的方法实现解调、滤波、整形、判向、细分等，或送到计算机进行进一步的运算，直接显示被测量或者存储或者去控制相应的装置。

光源与照明光学系统是光电检测系统必不可少的一部分，可根据需要选择一定辐射功率、一定光谱范围、一定发光空间分布的光源，以该光源发出的光作为载体携带被测信息，一般光源可以选择白炽灯、气体放电灯、发光二极管、激光器等，有时被测对象就是光源（如人体）；照明系统可分为透射照明系统、反射、折反射照明系统等。

1、光源

光源是光电检测系统的一个组成部分，大多数光电检测系统都离不开光源。光电式检测系统对光源的选择要考虑很多因素，例如波长、光谱分布、相干性、体积、造价、功率等。常用的光源可分为四大类：热辐射光源、气体放电光源、电致发光器件和激光器等。

按照发光机理，光源可以分成如下几类：

（1）热辐射光源：太阳 白炽灯、卤钨灯、黑体辐射器

（2）气体放电光源：汞灯、荧光灯、钠灯、金属卤化物灯、空心阴极灯、氙灯

（3）电致发光光源：场致发光、发光二极管

（4）激光器：气体激光器、固体激光器、染料激光器、半导体激光器

热辐射光源

热物体都会向空间发出一定的光辐射，基于这种原理的光源称为热辐射光源。物体温度越高，辐射能量越大。

卤钨灯是一种特殊的白炽灯，灯泡用石英玻璃制作，能够耐3500K的高温，灯泡内充以卤素元素，通常是碘，光通量在整个寿命期中始终能够保持相对稳定。

白炽灯为可见光源，它的能量只有15%落在可见光区域，其峰值波长在近红外区域，约1--1.5mm，可用作近红外光源。

热辐射光源输出功率大，但对电源的响速度慢，不能用于快速的正弦和脉冲调制。

气体放电光源

电流通过气体会产生发光现象，利用这种原理制成的光源称为气体放电光源。

气体放电光源的光谱不连续，光谱与气体的种类及放电条件有关。改变气体的成分、压力、阴极材料和放电电流的大小，可以得到在某一光谱范围的辐射源。

低压汞灯、氢灯、钠灯、镉灯、氦灯、氙灯是光谱仪器中常用的光源，统称为光谱灯。例如低压汞灯的辐射波长为254nm，钠灯的辐射波长约为589nm，它们经常用作光电检测仪器的单色光源。

电致发光器件

固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光，它是将电能直接转换成光能的过程。利用这种现象制成的器件称为电致发光器件，如发光二极管、半导体激光器和电致发光屏等。

激光器

按工作物质分类：

固体激光器（如红宝石激光器）、气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）、半导体激光器（如砷化镓激光器）、液体激光器。

2、光学变换

光学变换是指上述光源发出的光在通过被测对象时，利用各种光学效应，如反射、折射、干涉、衍射、吸收、散射、偏振等，使光束携带上被测对象的特征信息，形成待检测的光信号，光学变换通常是用各种光学元件及其系统（平面镜、透镜、棱镜、狭缝、光楔、起偏器、波片、码盘、光栅、光学成像系统、光学干涉系统等）来实现将待测量(位移、长度、温度、形变等)转换为光参量（振幅、频率、相位、偏振态、传播方向变化等）。

3、光电变换

光电转换是光电检测的核心部分，主要作用是以光信号为媒质，以光电探测器为手段，将各种经待测量调制的光信号转换成电信号，以便于用目前最成熟的电子技术进行信号的处理。

4、电信号处理

电信号处理是由各种电子线路组成，主要有两个功能：（1）实现对微弱电信号的检测，（2）实现光源的稳定化。具体包括放大、滤波、整形和去噪等。常用电路：选频放大器；相敏检波器（相敏整流器、相敏解调器）相位检测器（鉴相器）；鉴频器；脉冲宽度鉴别器；积分微分运算器；锁相环及锁相放大器

5、存储、显示和控制部分

存储、显示和控制部分中，关键是控制部分，在需要利用检测量进行反馈后实施控制的系统中，需要附加控制部分。

1.4.3 光电检测系统的基本工作原理

光电检测系统是以光电信息变换为基础的，把待测量通过光电信息变换变为电量来进行测量的。

（1）把待测量变换为连续光信息量

它是以光通量的大小来反映待检测量的大小。光电探测器的输出往往与入射到它的光敏面上的光通量成正比，所以，光电探测器的光电流大小可以反映出待检测量的大小，即光电流I是待检测信息量Q值的函数：I=f(Q)，这是一种模拟量信息变换。

（2）把待检测量变换为脉冲光信息量

它是以光脉冲或条纹数的多少来反映待测量的大小，光电探测器的输出为低电平和高电平两个状态组成的一系列脉冲数字信息，这些数字信息量T是待测信息量Q的函数：T= f(Q)，这是一种模/数信息转换。数字信息量只取决于光通量的有无，对光源和光电探测器要求相对较低。

1.4.4 光电检测系统的基本结构形式

1．几何光学变换的结构形式

待测物本身就是辐射源，根据辐射出的功率、光谱分布、温度等参数可以确定待测物的存在、所处的方位，根据光谱结构可以分析待测物的成分，如辐射高温计、火焰报警器、热成像仪、太阳能利用、侦察、跟踪、武器制导等。

由待测物把光反射到光电接收器，反射面状态可以呈光滑的镜面或粗糙状，对应镜面反射和漫反射。

物理宽度为b，遮光位移量为Δl，则遮光面积为∆S=αb∆l Α为光学系统横向放大率，则光电探测器输

2U=E∆Sβ=Eαb∆lβ，可测物体位移量和尺寸：光电尺寸投影检测仪、光控开关、防VV出电信号变化量为：2

盗报警等。

光透过待检测物体，其中一部分光通量被待检测物吸收或散射，另一部分光通量透过待检物体由光电探测器接收。被吸收或散射的光通量的数值决定于待检测物的性质。常用于检测液体或气体浓度、透明度或浑浊度，检测透明薄膜的厚度和质量；检测透明容器的疵病，测量胶片的密度等。

2．物理光学变换的结构形式

结论：可基于此法检测位移、振动、液体或气体浓度、折射率等，灵敏度很高。

1.4.5 光电检测技术的特点

高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。

高速度：光速是最快的。

远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。

非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。

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、准确度高，对被测物无形状和大小要求。

数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。

1.4.6 光电检测方法

直接作用法

差动测量法

补偿测量法

脉冲测量法

1.4.7 光电检测技术发展趋势和应用

1.发展趋势：

纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。

小型、快速的微型光、机、电检测系统。

非接触、快速在线测量。

微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。

闭环控制的光电检测系统，实现光电测量与光电控制一体化。

向人们无法触及的领域发展。

光电跟踪与光电扫描测量技术。

2.应用：

（1）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50~70%

（2）日常生活中的应用

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。发动机：向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，对发动机工作状况进行精确控制，包含温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等。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、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，包含温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等。

（3）军事上的应用

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。

（4）国防领域的应用

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；拦截器：能识别真假弹头，敌友方。

（5）航天领域的应用

“阿波罗10”：火箭部分---2077个传感器，飞船部分---1218个传感器

神州飞船：185台（套）仪器装置

检测参数---加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学

1.5 学习本课程的目的

1. 了解光电传感与检测系统的原理，基本组成，光电传感与检测技术的特点和发展趋势。

2. 掌握光电传感与检测器件（传感器、光源和成像器件等）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。

3. 能够根据特性参数，选择合适的光电传感与检测器件。熟悉常用器件的性能指标。

4. 掌握非相干检测与相干检测的原理和区别。

5. 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。