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2008-09-16 23:16 |
光电检测技术详解
一、从检测说起 4d0<uB&v'
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1、检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量病归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或参数量是否存在。测量时将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量队标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 { CR'Z0
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在自动化和检测领域，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量，而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况，需要随时检测和测量各种参量的大小和变化等情况。这种对生产过程和运动对象实时检测和测量的技术又称为工程检测技术。 \
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测量有两种方式：即直接测量和间接测量 0Ie9T1D=
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直接测量是对被测量进行测量时，对以表读数不经任何运算，直接的出被测量的数值，如：用温度计测量温度，用万用表测量电压 `&yUU 2W
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间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系是计算出被测量的数值。如：功率P与电压V和电流I有关，即P=VI，通过测量到的电压和电流，计算出功率。 Q!VPk~~(
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直接测量简单、方便，在实际中使用较多；但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下，可采用间接测量方式。 T9+ ?A
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光电传感器与敏感器的概念 G &Sp }
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传感器的作用是将非电量转换为与之有确定对应关系得电量输出，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。在检测和控制过程中，传感器是必不可少的转换器件。从能量角度出发，可将传感器划分为两种类型：一类是能量控制型传感器，也称有源传感器；另一类是能量转换传感器，也称无源传感器。能量控制型传感器是指传感器将被测量的变换转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才可将被测量参数的变化转换成电压、电流的变化。而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需外加激励源。 Mb(a I!;A
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在很多情况下，所需要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。这种能够被测非电量转换为可用电量的元器件或装置成为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时，就需要将应变片粘贴到售压力的弹性原件上，弹性原件将压力转换为应变力，应变片再将应变力转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性原件便是敏感器。敏感器和传感器随然都可对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。 UC 3 4AKm
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2、光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器，广泛应用于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。 }$ Am;%?p
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光电传感器主要噢有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻Cds、光电耦合器、继承光电传感器、光电池和图像传感器等。主要种类表如下图所示。实际应用时，要选择适宜的传感器才能达到预期的效果。大致的选用原则是：高速的光电检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜选用光电二极管；几千赫兹的简单脉冲光电传感器、简单电路中的低速脉冲光电开关宜选用光电晶体管；响应速度虽慢，但性能良好的电阻桥式传感器以及具有电阻性质的光电传感器、路灯自动亮灭电路中的光电传感器、随光的强弱成比例改变的可变电阻等宜选用Cds和Pbs光敏元件；旋转编码器、速度传感器、超高速的激光传感器宜选用集成光电传感器。 t>T |\WAAL
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光电传感器类型 光电传感器实例 0VB~4NNR
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PN结 PN光电二极管（材料采用Si，Ge，GaAs） =,~h]_\_
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PIN光电二极管（材料采用Si） "oYyeT
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雪崩光电二极管（材料采用Si，Ge） DT@6Q.
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光电晶体管（光电达林顿管）（材料采用Si） {qCmZn5
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集成光电传感器和光电晶闸管（材料采用Si） %jY /jp=R
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非PN结 光电元件（材料采用CdS，CdSe，Se，PbS） Y$ ;C@I
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热电元件（材料采用（PZT，LiTaO3，PbTiO3） ]iuM2]
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电子管类 光电管，摄像管，光电倍增管 HZdmL-1Z^+
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其他类 色敏传感器（材料采用Si，α-Si） 9(Vq@.;Z`j
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固体图像传感器（材料采用Si，有CCD型，MOS型，CPD型 dm& F1NkT
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位置检测用元件（PSD）（材料采用Si） +'?p $@d
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光电池（光电二极管）（材料用Si） ;P JWd|3
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二、光电测试技术简介 8| zR8L
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光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，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。 a $g4 )0eS
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光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的测量，他具有如下特点： \CL |=8[2
(1)高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0.05μm/m；光栅莫尔条纹法测角可达到 ；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨力可达到1m。 a4X J0Tm
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(2)高速度。光电测量以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学方法获取和传递信息是最快的。 SM5i3EcFYP
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(3)远距离、大量程。光是最便于远距离粗寒痹的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。 zqqpBwk#
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(4)非接触测量。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种测量方法中效率最高的一种。 b1jh2pG(V
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(5)寿命长。在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，可以永久的使用。 FK{ YRt
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(6)具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，，易于与计算机连接，易于实现只能化。 > >wb yj8
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光电测试技术是现代科学、国家现代化建设和人民生活中不可缺少的新技术，是机、光、电、计算机相结合的新技术，是最具有潜力的信息技术之一。 *~fZ9EkD
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三、光电检测系统的组成及特点 _Q/D%7[pa
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由于被测对象复杂多样，故检测系统的结构也不尽相同。一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。 t(CdoE,6
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传感器处于被测对象与检测系统的接口处，是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息，感受其变化，并转化成便于测量的电参数。 __$ IbF5
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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。 z?h\7
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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。 q~r )B}
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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。 R 3 Eh47
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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。 M'W@K
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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。 J & +s
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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。)光电转换是用各种光电变换器件来完成的，如光电检测器件、光电摄像器件、光电热敏器件等。
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