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1、第1章 光电测试概述本讲稿第一页，共三十三页参考书目参考书目光电检测技术与应用郭培源 付扬 编著 北京航空航 天大学出版社光电检测技术雷玉堂等编著 中国计量出版社教材教材光电测试技术浦昭邦 赵辉 主编 机械工业出版社本讲稿第二页，共三十三页第一章 光电测试 技术概论本讲稿第三页，共三十三页信息技术与光电测试技术信息技术与光电测试技术n信息技术:n微电子信息技术（电集成）、光子信息技术（光集成）、光电信息技术（光电集成）。n信息的产生和获取、转换、传输、控制、存储、处理、显示。本讲稿第四页，共三十三页光电信息技术1、光电源器件（包括激光器）和可控光功能器件及集成2、光通信和综合信息网络3、光频微
2、电子4、光电方法用于瞬态光学观测以光电子学为基础,以光电子器件为主体,研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。它涉及到：5、光电传感、光纤传感和图象传感6、激光、红外、微光探测，定向和制导7、光电精密测试，在线检测和控制技术8、混合光电信息处理、识别和图象分析本讲稿第五页，共三十三页光电信息技术9、光电人工智能和机器视觉10、光（电）逻辑运算和光（电）计算机及光电数据存储11、生物光子学 本课程着重：光电测试的元器件、系统、方法和应光电测试的元器件、系统、方法和应用用。本讲稿第六页，共三十三页一、光电测试技术的意义一、光电测试技术的意义测量精度高、速度快、非接触、自动化程度高测
3、量精度高、速度快、非接触、自动化程度高 光学技术光学技术纯光学方法纯光学方法电子技术电子技术电子学方法电子学方法微电子技术（微小尺寸）微电子技术（微小尺寸）光频段的微电子技术光频段的微电子技术方便、快速方便、快速光材料技术、光器件技术、光学系统技术（光信息检测系统、光材料技术、光器件技术、光学系统技术（光信息检测系统、光信息处理、光计算、光传输、光存储与显示技术等）光信息处理、光计算、光传输、光存储与显示技术等）快速（运动速度最快）快速（运动速度最快）本讲稿第七页，共三十三页二、光电测试系统实例二、光电测试系统实例n光电测试技术以激光、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
4、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。n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。本讲稿第八页，共三十三页光电测试系统框图变换电路光电传感光源光学系统被测对象光学变换电信号处理存 储显 示控 制光学变换电路处理本讲稿第九页，共三十三页光电测试系统n光学变换n时域变换：调制振幅、频率、相位、脉宽n空域变换：光学扫描n形成能被光电探测器接收，便于后续电学处理的光学信息。n光电变换n光电/热电器件（传感器）、变换电路、前置放大n将信息变为能够
5、驱动电路处理系统的电信息（电信号的放大和处理）。n电路处理n放大、滤波、调制、解调、A/D、D/A、微机与接口、控制。本讲稿第十页，共三十三页光电测试系统与人操作功能比较光电测试系统与人操作功能比较n被测物体 感觉器官 人脑 手控 n被测物体 光电传感 微机 执行机构n光电传感部分相当于人身的感觉器官 本讲稿第十一页，共三十三页光电探测器的种类类 型实 例PN结PN光电二极管（Si,Ge,GaAs)PIN光电二极管（Si）雪崩光电二极管(Si,Ge)光电晶体管(Si)非PN结光电元件(CdS,CdSe,Se,PbS)热电元件(PZT,LiTaO3,PbTiO3)电子管类光电管，摄像管，光电倍增
6、管其他类色敏传感器固体图象传感器（SI，CCD/MOS/CPD型）位置检测用元件（PSD）光电池返回本讲稿第十二页，共三十三页(1)光电计数器光电计数器本讲稿第十三页，共三十三页(2)锅炉水位光电控制锅炉水位光电控制本讲稿第十四页，共三十三页(3)稳定光源发光照度的自动控制系统稳定光源发光照度的自动控制系统本讲稿第十五页，共三十三页(4)激光外径扫描仪激光外径扫描仪本讲稿第十六页，共三十三页n测量检查型:n几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体积、距离。n运动量：速度、加速度、振动n表面形状：光洁度、伤痕n工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度等n机械量：重量、压力、应变、压强
7、n电学量：电流、电压、电场、磁场n光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、光谱三、光电测试系统的功能分类三、光电测试系统的功能分类本讲稿第十七页，共三十三页n控制跟踪型n跟踪控制：激光制导，红外制导n数值控制：自动定位，图形加工形成，数值控制n图象分析型n图形检测n图形分析本讲稿第十八页，共三十三页1、直接作用法2、差动测量法3、补偿法4、脉冲方法四、光电测试常用方法四、光电测试常用方法本讲稿第十九页，共三十三页被测样品光电接收器放大器电表SIKM0II0II轮流放置标准样品对电表值进行标定，然后将被测样品放在光路中，即可由电表的指示直接得到被测样品的透过率值。本讲稿第二十页，共三十三页2
8、、差动法可变透过率的光屏（沿着各截面镀有吸收率不同膜层的玻璃平板）伺服电机指针机构差动放大器本讲稿第二十一页，共三十三页n高精度：从地球到月球激光测距的精度达到1米。n高速度：光速是最快的。n远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。n非接触式检测：不改变被测物体性质的条件下进行测量。n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。n数字化和智能化：强的信息处理、运算和控制能力。五、光电测试技术的特点五、光电测试技术的特点本讲稿第二十二页，共三十三页 1辐射度量和光度量的检测辐射度量和光度量的检测光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测
9、温仪光强度计、光亮度计、辐射计、以及光测高温计和辐射测温仪 3光学材料、元件及系统特性的检测光学材料、元件及系统特性的检测 4非光物理量的光电检测非光物理量的光电检测 六、光电测试技术的应用发展六、光电测试技术的应用发展2光电元器件特性的检测光电元器件特性的检测 光谱特性、光灵敏度、亮度增益光谱特性、光灵敏度、亮度增益 材料、元件的光谱特性；光学系统的调制传递函数；材料、元件的光谱特性；光学系统的调制传递函数；大倍率的减光片大倍率的减光片-应用最广、发展最快、最为活跃的应用领域应用最广、发展最快、最为活跃的应用领域 本讲稿第二十三页，共三十三页n纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术。n小型、快速
10、的微型光、机、电检测系统。n非接触、快速在线测量。n微空间三维测量技术和大空间三维测量技术。n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。n向人们无法触及的领域发展。n光电跟踪与光电扫描测量技术。七、光电测试技术的发展趋势七、光电测试技术的发展趋势本讲稿第二十四页，共三十三页一、在工业生产领域的应用一、在工业生产领域的应用在在 线线 检检 测测：零零 件件 尺尺 寸寸、产产 品品 缺缺 陷陷、装装 配配 定定 位位.现现 代代 工工 程程 装装 备备 中中，检检 测测 环环 节节 的的 成成 本本 约约 占占5070%光电测试技术的应用本讲稿第二十五页，共三十三页二、在汽车中的应用日
11、新月异二、在汽车中的应用日新月异发动机：发动机：向发动机的电子控制单元（向发动机的电子控制单元（ECU）提供发动机的工作状况信息，）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对发动机工作状况进行精确控制 温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等 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，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。豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。底底 盘：盘
12、：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、油温车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温 车车 身：身：提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等 温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等 本讲稿第二十六页，共三十三页本讲稿第二十七页，共三十三页三、在日常生活中的应用三、在日常生活中的应用 家用电器：家用电器：数码相机、数码摄像机：自动对焦数码相机、数码摄像机：自动对焦-红外测距传感
13、器红外测距传感器数字体温计：接触式数字体温计：接触式-热敏电阻，非接触式热敏电阻，非接触式-红外传感器红外传感器自动感应灯：亮度检测自动感应灯：亮度检测-光敏电阻光敏电阻空调、冰箱、电饭煲：温度检测空调、冰箱、电饭煲：温度检测-热敏电阻、热电偶热敏电阻、热电偶电话、麦克风：话音转换电话、麦克风：话音转换-驻极电容传感器驻极电容传感器遥控接收：红外检测遥控接收：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管办公商务：办公商务：可视对讲、可视电话：图像获取可视对讲、可视电话：图像获取-面阵面阵CCDCCD扫描仪：文档扫描扫描仪：文档扫描-线阵线阵CCDCCD红外传输数据：红外检测红外传输数
14、据：红外检测-光敏二极管、光敏三极管光敏二极管、光敏三极管医疗卫生：医疗卫生：电子血压计：血压检测电子血压计：血压检测-压力传感器压力传感器血糖测试仪、胆固醇检测仪血糖测试仪、胆固醇检测仪-离子传感器离子传感器本讲稿第二十八页，共三十三页四、在军事上的应四、在军事上的应用用美军研制的未来单兵作战武器美军研制的未来单兵作战武器夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术夜视瞄准机系统：非冷却红外传感器技术激光测距仪：可精确的定位目标。激光测距仪：可精确的定位目标。本讲稿第二十九页，共三十三页美国国家导弹防御计划美国国家导弹防御计划-NMD五、在国防领域的应用五、在国防领域的应用1.地基拦截器地基拦截器2
15、.早期预警系统早期预警系统3.前沿部署前沿部署(如雷达）如雷达）4.管理与控制系统管理与控制系统5.卫星红外线监测系统卫星红外线监测系统 监测系统监测系统:探测和发现敌探测和发现敌人导弹的发射并追踪导弹的人导弹的发射并追踪导弹的飞行轨道；飞行轨道；拦截器：能识别真假弹拦截器：能识别真假弹头，敌友方头，敌友方本讲稿第三十页，共三十三页“阿波罗阿波罗10”：火箭部分火箭部分-2077个传感器个传感器飞船部分飞船部分-1218个传感器个传感器检测参数检测参数-加速度、温度、压力、加速度、温度、压力、振动、流量、应变、振动、流量、应变、声学声学神州飞船：神州飞船：185台（套）仪器装置台（套）仪器装置六、在航天领域的应用六、在航天领域的应用本讲稿第三十一页，共三十三页学习本课程的目的n了解光电测试系统的基本组成，光电测试技术的特点和发展趋势。n掌握光电测试器件（传感器、光源和成像器件）的工作原理及基本特性，了解它们的应用范围。n能够根据特性参数，选择合适的光电测试器件。熟悉常用器件的性能指标。本讲稿第三十二页，共三十三页本课程的学习内容n光电器件的物理基础n常用光电器件的工作原理和特性及其应用本讲稿第三十三页，共三十三页