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0431-81702023
光學工程
光電檢測技術詳解

一、從檢測說起
      1、檢測是通過一定的物理方式,分辨出被測參數量病歸屬到某一范圍帶,以此來判別被測參數是否合格或參數量是否存在。測量時將被測的未知量與同性質的標準量進行比較,確定被測量隊標準量的倍數,并通過數字表示出這個倍數的過程。
      在自動化和檢測領域,檢測的任務不僅是對成品或半成品的檢驗和測量,而且為了檢查、監督和控制某個生產過程或運動對象使之處于人們選定的最佳狀況,需要隨時檢測和測量各種參量的大小和變化等情況。這種對生產過程和運動對象實時檢測和測量的技術又稱為工程檢測技術。
      測量有兩種方式:即直接測量和間接測量
      直接測量是對被測量進行測量時,對以表讀數不經任何運算,直接的出被測量的數值,如:用溫度計測量溫度,用萬用表測量電壓
間接測量是測量幾個與被測量有關的物理量,通過函數關系是計算出被測量的數值。如:功率P與電壓V和電流I有關,即P=VI,通過測量到的電壓和電流,計算出功率。
      直接測量簡單、方便,在實際中使用較多;但在無法采用直接測量方式、直接測量不方便或直接測量誤差大等情況下,可采用間接測量方式。
光電傳感器與敏感器的概念
      傳感器的作用是將非電量轉換為與之有確定對應關系得電量輸出,它本質上是非電量系統與電量系統之間的接口。在檢測和控制過程中,傳感器是必不可少的轉換器件。從能量角度出發,可將傳感器劃分為兩種類型:一類是能量控制型傳感器,也稱有源傳感器;另一類是能量轉換傳感器,也稱無源傳感器。能量控制型傳感器是指傳感器將被測量的變換轉換成電參數(如電阻、電容)的變化,傳感器需外加激勵電源,才可將被測量參數的變化轉換成電壓、電流的變化。而能量轉換型傳感器可直接將被測量的變化轉換成電壓、電流的變化,不需外加激勵源。
      在很多情況下,所需要測量的非電量并不是傳感器所能轉換的那種非電量,這就需要在傳感器前面加一個能夠把被測非電量轉換為該傳感器能夠接收和轉換的非電量的裝置或器件。這種能夠被測非電量轉換為可用電量的元器件或裝置成為敏感器。例如用電阻應變片測量電壓時,就需要將應變片粘貼到售壓力的彈性原件上,彈性原件將壓力轉換為應變力,應變片再將應變力轉換為電阻的變化。這里應變片便是傳感器,而彈性原件便是敏感器。敏感器和傳感器隨然都可對被測非電量進行轉換,但敏感器是把被測量轉換為可用非電量,而傳感器是把被測非電量轉換為電量。
      2、光電傳感器是基于光電效應,將光信號轉換為電信號的一種傳感器,廣泛應用于自動控制、宇航和廣播電視等各個領域。
光電傳感器主要噢有光電二極管、光電晶體管、光敏電阻Cds、光電耦合器、繼承光電傳感器、光電池和圖像傳感器等。主要種類表如下圖所示。實際應用時,要選擇適宜的傳感器才能達到預期的效果。大致的選用原則是:高速的光電檢測電路、寬范圍照度的照度計、超高速的激光傳感器宜選用光電二極管;幾千赫茲的簡單脈沖光電傳感器、簡單電路中的低速脈沖光電開關宜選用光電晶體管;響應速度雖慢,但性能良好的電阻橋式傳感器以及具有電阻性質的光電傳感器、路燈自動亮滅電路中的光電傳感器、隨光的強弱成比例改變的可變電阻等宜選用Cds和Pbs光敏元件;旋轉編碼器、速度傳感器、超高速的激光傳感器宜選用集成光電傳感器。
光電傳感器類型 光電傳感器實例 
PN結 PN光電二極管(材料采用Si,Ge,GaAs)
PIN光電二極管(材料采用Si)
雪崩光電二極管(材料采用Si,Ge) 
光電晶體管(光電達林頓管)(材料采用Si)
集成光電傳感器和光電晶閘管(材料采用Si) 
非PN結 光電元件(材料采用CdS,CdSe,Se,PbS)
熱電元件(材料采用(PZT,LiTaO3,PbTiO3) 
電子管類 光電管,攝像管,光電倍增管 
其他類 色敏傳感器(材料采用Si,α-Si)
固體圖像傳感器(材料采用Si,有CCD型,MOS型,CPD型
位置檢測用元件(PSD)(材料采用Si) 
光電池(光電二極管)(材料用Si)

二、光電測試技術簡介 
      光電檢測技術是光電信息技術的主要技術之一,它主要包括光電變換技術、光信息獲取與光信息測量技術以及測量信息的光電處理技術等。如用光電方法實現各種物理量的測量,微光、弱光測量,紅外測量,光掃描、光跟蹤測量,激光測量,光纖測量,圖象像測量等。 
光電檢測技術將光學技術與電子技術相結合實現對各種量的測量,他具有如下特點:  
1.高精度。光電測量的精度是各種測量技術中精度最高的一種。如用激光干涉法測量長度的精度可達0.05μm/m;光柵莫爾條紋法測角可達到 ;用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可達到1m。 
2.高速度。光電測量以光為媒介,而光是各種物質中傳播速度最快的,無疑用光學方法獲取和傳遞信息是最快的。 
3.遠距離、大量程。光是最便于遠距離粗寒痹的介質,尤其適用于遙控和遙測,如武器制導、光電跟蹤、電視遙測等。 
4.非接觸測量。光照到被測物體上可以認為是沒有測量力的,因此也無摩擦,可以實現動態測量,是各種測量方法中效率最高的一種。 
5.壽命長。在理論上光波是永不磨損的,只要復現性做得好,可以永久的使用。 
6.具有很強的信息處理和運算能力,可將復雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲,易于實現自動化,,易于與計算機連接,易于實現只能化。
      光電測試技術是現代科學、國家現代化建設和人民生活中不可缺少的新技術,是機、光、電、計算機相結合的新技術,是最具有潛力的信息技術之一。 
三、光電檢測系統的組成及特點
      由于被測對象復雜多樣,故檢測系統的結構也不盡相同。一般電子檢測系統是由傳感器、信號調理器和輸出環節三部分組成。
傳感器處于被測對象與檢測系統的接口處,是一個信號變換器。它直接從被測對象中提取被測量的信息,感受其變化,并轉化成便于測量的電參數。
      有傳感器檢測到的信號一般為電信號。它不能直接滿足輸出的要求,需要進一步的變換、處理和分析,即通過信號調理電路將其轉換為標準的電信號,輸出給輸出環節。
      根據檢測系統輸出的目的和形式的不同,輸出環節主要顯示與記錄裝置、數據通信接口和控制裝置。
傳感器的信號調理電路是由傳感器的類型和對輸出信號的要求決定的。不同的傳感器具有不同的輸出信號。能量控制型傳感器輸出的是電參數的變化,需采用電橋電路將其轉換成電壓的變化,而電橋電路輸出的電壓信號幅度較小,共模電壓又很大,需要用儀表放大器進行放大,在能量轉換型傳感器輸出的電壓、電流信號中一般都含有較大的噪聲信號,需加濾波電路提取有用的信號,而濾波出無用的噪聲信號。而且,一般能量型傳感器輸出的電壓信號幅度都很低,也許才用儀表放大器進行放大。
      與電子系統載波相比,光電系統載波的頻率提高了幾個數量級。這種頻率量級上的變化使光電系統在實現方法上發生了質變,在功能上也發生了質的飛躍。主要表現在載波容量、角分辨率、距離分辨率和光譜分辨率大為提高,因此,在信道、雷達、通信、精導、導航、測量等領域獲得廣泛應用。應用到這些場合的光電系統的具體構成形式盡管各不相同,但有一個共同的特征,即都具有發射機、光學信道和光接收機這一環節。
      光電系統通常分為主動式和被動式兩類。在主動式光電系統中,光發射機主要由光源(例如激光器)和調制器構成;在被動式光電系統中,光發射機為被測物體的熱輻射發射。光學信道和光接收機對兩者是完全相同的。所謂光學信道,主要是指大氣、空間、水下和光纖。光接收機是用于收集入射的光信號并加以處理、恢復光載波的信息,包括三個基本模塊。
      光電變換通常是通過各種光學元件和光學系統來實現的,采用平面鏡、光狹縫、透鏡、角錐棱鏡、偏振器、波片、碼盤、光柵、調制器、光成像系統、光干涉系統等,實現將被測量轉換為光參量(振幅、頻率、相位、偏振態、傳播方向變化等。)光電轉換是用各種光電變換器件來完成的,如光電檢測器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。

 


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