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。