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2008-09-16 23:16 |
光電檢測(cè)技術(shù)詳解
一、從檢測(cè)說(shuō)起 j 1;_w
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1、檢測(cè)是通過(guò)一定的物理方式，分辨出被測(cè)參數(shù)量病歸屬到某一范圍帶，以此來(lái)判別被測(cè)參數(shù)是否合格或參數(shù)量是否存在。測(cè)量時(shí)將被測(cè)的未知量與同性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)量進(jìn)行比較，確定被測(cè)量隊(duì)標(biāo)準(zhǔn)量的倍數(shù)，并通過(guò)數(shù)字表示出這個(gè)倍數(shù)的過(guò)程。 X ]pR,\B
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在自動(dòng)化和檢測(cè)領(lǐng)域，檢測(cè)的任務(wù)不僅是對(duì)成品或半成品的檢驗(yàn)和測(cè)量，而且為了檢查、監(jiān)督和控制某個(gè)生產(chǎn)過(guò)程或運(yùn)動(dòng)對(duì)象使之處于人們選定的最佳狀況，需要隨時(shí)檢測(cè)和測(cè)量各種參量的大小和變化等情況。這種對(duì)生產(chǎn)過(guò)程和運(yùn)動(dòng)對(duì)象實(shí)時(shí)檢測(cè)和測(cè)量的技術(shù)又稱(chēng)為工程檢測(cè)技術(shù)。 kwDh|K
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測(cè)量有兩種方式：即直接測(cè)量和間接測(cè)量 }sTH. %
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直接測(cè)量是對(duì)被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)，對(duì)以表讀數(shù)不經(jīng)任何運(yùn)算，直接的出被測(cè)量的數(shù)值，如：用溫度計(jì)測(cè)量溫度，用萬(wàn)用表測(cè)量電壓 ]HJ{dcF
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間接測(cè)量是測(cè)量幾個(gè)與被測(cè)量有關(guān)的物理量，通過(guò)函數(shù)關(guān)系是計(jì)算出被測(cè)量的數(shù)值。如：功率P與電壓V和電流I有關(guān)，即P=VI，通過(guò)測(cè)量到的電壓和電流，計(jì)算出功率。 B&4fYpn
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直接測(cè)量簡(jiǎn)單、方便，在實(shí)際中使用較多；但在無(wú)法采用直接測(cè)量方式、直接測(cè)量不方便或直接測(cè)量誤差大等情況下，可采用間接測(cè)量方式。 5T$9'5V7
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光電傳感器與敏感器的概念 Qfkh0DX
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傳感器的作用是將非電量轉(zhuǎn)換為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系得電量輸出，它本質(zhì)上是非電量系統(tǒng)與電量系統(tǒng)之間的接口。在檢測(cè)和控制過(guò)程中，傳感器是必不可少的轉(zhuǎn)換器件。從能量角度出發(fā)，可將傳感器劃分為兩種類(lèi)型：一類(lèi)是能量控制型傳感器，也稱(chēng)有源傳感器；另一類(lèi)是能量轉(zhuǎn)換傳感器，也稱(chēng)無(wú)源傳感器。能量控制型傳感器是指?jìng)鞲衅鲗⒈粶y(cè)量的變換轉(zhuǎn)換成電參數(shù)（如電阻、電容）的變化，傳感器需外加激勵(lì)電源，才可將被測(cè)量參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流的變化。而能量轉(zhuǎn)換型傳感器可直接將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流的變化，不需外加激勵(lì)源。 )Y&MIJ7>@
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在很多情況下，所需要測(cè)量的非電量并不是傳感器所能轉(zhuǎn)換的那種非電量，這就需要在傳感器前面加一個(gè)能夠把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為該傳感器能夠接收和轉(zhuǎn)換的非電量的裝置或器件。這種能夠被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為可用電量的元器件或裝置成為敏感器。例如用電阻應(yīng)變片測(cè)量電壓時(shí)，就需要將應(yīng)變片粘貼到售壓力的彈性原件上，彈性原件將壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變力，應(yīng)變片再將應(yīng)變力轉(zhuǎn)換為電阻的變化。這里應(yīng)變片便是傳感器，而彈性原件便是敏感器。敏感器和傳感器隨然都可對(duì)被測(cè)非電量進(jìn)行轉(zhuǎn)換，但敏感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為可用非電量，而傳感器是把被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電量。 PZ
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2、光電傳感器是基于光電效應(yīng)，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器，廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制、宇航和廣播電視等各個(gè)領(lǐng)域。 njy~
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光電傳感器主要噢有光電二極管、光電晶體管、光敏電阻Cds、光電耦合器、繼承光電傳感器、光電池和圖像傳感器等。主要種類(lèi)表如下圖所示。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，要選擇適宜的傳感器才能達(dá)到預(yù)期的效果。大致的選用原則是：高速的光電檢測(cè)電路、寬范圍照度的照度計(jì)、超高速的激光傳感器宜選用光電二極管；幾千赫茲的簡(jiǎn)單脈沖光電傳感器、簡(jiǎn)單電路中的低速脈沖光電開(kāi)關(guān)宜選用光電晶體管；響應(yīng)速度雖慢，但性能良好的電阻橋式傳感器以及具有電阻性質(zhì)的光電傳感器、路燈自動(dòng)亮滅電路中的光電傳感器、隨光的強(qiáng)弱成比例改變的可變電阻等宜選用Cds和Pbs光敏元件；旋轉(zhuǎn)編碼器、速度傳感器、超高速的激光傳感器宜選用集成光電傳感器。 P 3wU#qU
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光電傳感器類(lèi)型 光電傳感器實(shí)例 rQu
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PN結(jié) PN光電二極管（材料采用Si，Ge，GaAs） {\vI9cni|"
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PIN光電二極管（材料采用Si） 4c5^7";P
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雪崩光電二極管（材料采用Si，Ge） H$ NP1^5!
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光電晶體管（光電達(dá)林頓管）（材料采用Si） J- t=1
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集成光電傳感器和光電晶閘管（材料采用Si） Q `e~MD
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非PN結(jié) 光電元件（材料采用CdS，CdSe，Se，PbS） V+qFT3?-
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熱電元件（材料采用（PZT，LiTaO3，PbTiO3） )LkM,T
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電子管類(lèi) 光電管，攝像管，光電倍增管 /M0l
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其他類(lèi) 色敏傳感器（材料采用Si，α-Si） -v y IOH,
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固體圖像傳感器（材料采用Si，有CCD型，MOS型，CPD型 8q_1(& O
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位置檢測(cè)用元件（PSD）（材料采用Si） U>/<6 Wd
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光電池（光電二極管）（材料用Si） Ivz+Jj w
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二、光電測(cè)試技術(shù)簡(jiǎn)介 Jz~+J*r;]A
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光電檢測(cè)技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光信息測(cè)量技術(shù)以及測(cè)量信息的光電處理技術(shù)等。如用光電方法實(shí)現(xiàn)各種物理量的測(cè)量，微光、弱光測(cè)量，紅外測(cè)量，光掃描、光跟蹤測(cè)量，激光測(cè)量，光纖測(cè)量，圖象像測(cè)量等。 Y*5Z)h
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光電檢測(cè)技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對(duì)各種量的測(cè)量，他具有如下特點(diǎn)： Dl0/-=L
(1)高精度。光電測(cè)量的精度是各種測(cè)量技術(shù)中精度最高的一種。如用激光干涉法測(cè)量長(zhǎng)度的精度可達(dá)0.05μm/m；光柵莫爾條紋法測(cè)角可達(dá)到 ；用激光測(cè)距法測(cè)量地球與月球之間距離的分辨力可達(dá)到1m。 `)rg|~#k
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(2)高速度。光電測(cè)量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，無(wú)疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。 * <B)Z
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(3)遠(yuǎn)距離、大量程。光是最便于遠(yuǎn)距離粗寒痹的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測(cè)，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測(cè)等。 >nc4v 6s
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(4)非接觸測(cè)量。光照到被測(cè)物體上可以認(rèn)為是沒(méi)有測(cè)量力的，因此也無(wú)摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測(cè)量，是各種測(cè)量方法中效率最高的一種。 \BN|?r$a
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(5)壽命長(zhǎng)。在理論上光波是永不磨損的，只要復(fù)現(xiàn)性做得好，可以永久的使用。 [yO=S0 e
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(6)具有很強(qiáng)的信息處理和運(yùn)算能力，可將復(fù)雜信息并行處理。用光電方法還便于信息的控制和存儲(chǔ)，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，，易于與計(jì)算機(jī)連接，易于實(shí)現(xiàn)只能化。 fp9rO}##
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光電測(cè)試技術(shù)是現(xiàn)代科學(xué)、國(guó)家現(xiàn)代化建設(shè)和人民生活中不可缺少的新技術(shù)，是機(jī)、光、電、計(jì)算機(jī)相結(jié)合的新技術(shù)，是最具有潛力的信息技術(shù)之一。 ^Ku\l #B
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三、光電檢測(cè)系統(tǒng)的組成及特點(diǎn) S$S_nNq
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由于被測(cè)對(duì)象復(fù)雜多樣，故檢測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也不盡相同。一般電子檢測(cè)系統(tǒng)是由傳感器、信號(hào)調(diào)理器和輸出環(huán)節(jié)三部分組成。 A ?#]s
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傳感器處于被測(cè)對(duì)象與檢測(cè)系統(tǒng)的接口處，是一個(gè)信號(hào)變換器。它直接從被測(cè)對(duì)象中提取被測(cè)量的信息，感受其變化，并轉(zhuǎn)化成便于測(cè)量的電參數(shù)。 6,B-:{{e"
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有傳感器檢測(cè)到的信號(hào)一般為電信號(hào)。它不能直接滿(mǎn)足輸出的要求，需要進(jìn)一步的變換、處理和分析，即通過(guò)信號(hào)調(diào)理電路將其轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的電信號(hào)，輸出給輸出環(huán)節(jié)。 >NJ jS8f5
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根據(jù)檢測(cè)系統(tǒng)輸出的目的和形式的不同，輸出環(huán)節(jié)主要顯示與記錄裝置、數(shù)據(jù)通信接口和控制裝置。 LEWa6'0rq
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傳感器的信號(hào)調(diào)理電路是由傳感器的類(lèi)型和對(duì)輸出信號(hào)的要求決定的。不同的傳感器具有不同的輸出信號(hào)。能量控制型傳感器輸出的是電參數(shù)的變化，需采用電橋電路將其轉(zhuǎn)換成電壓的變化，而電橋電路輸出的電壓信號(hào)幅度較小，共模電壓又很大，需要用儀表放大器進(jìn)行放大，在能量轉(zhuǎn)換型傳感器輸出的電壓、電流信號(hào)中一般都含有較大的噪聲信號(hào)，需加濾波電路提取有用的信號(hào)，而濾波出無(wú)用的噪聲信號(hào)。而且，一般能量型傳感器輸出的電壓信號(hào)幅度都很低，也許才用儀表放大器進(jìn)行放大。 V{43 HA10b
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與電子系統(tǒng)載波相比，光電系統(tǒng)載波的頻率提高了幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這種頻率量級(jí)上的變化使光電系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)方法上發(fā)生了質(zhì)變，在功能上也發(fā)生了質(zhì)的飛躍。主要表現(xiàn)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(dá)、通信、精導(dǎo)、導(dǎo)航、測(cè)量等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。應(yīng)用到這些場(chǎng)合的光電系統(tǒng)的具體構(gòu)成形式盡管各不相同，但有一個(gè)共同的特征，即都具有發(fā)射機(jī)、光學(xué)信道和光接收機(jī)這一環(huán)節(jié)。 +H41]W6
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光電系統(tǒng)通常分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩類(lèi)。在主動(dòng)式光電系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)主要由光源（例如激光器）和調(diào)制器構(gòu)成；在被動(dòng)式光電系統(tǒng)中，光發(fā)射機(jī)為被測(cè)物體的熱輻射發(fā)射。光學(xué)信道和光接收機(jī)對(duì)兩者是完全相同的。所謂光學(xué)信道，主要是指大氣、空間、水下和光纖。光接收機(jī)是用于收集入射的光信號(hào)并加以處理、恢復(fù)光載波的信息，包括三個(gè)基本模塊。 PoJmW^:}
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光電變換通常是通過(guò)各種光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，采用平面鏡、光狹縫、透鏡、角錐棱鏡、偏振器、波片、碼盤(pán)、光柵、調(diào)制器、光成像系統(tǒng)、光干涉系統(tǒng)等，實(shí)現(xiàn)將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為光參量(振幅、頻率、相位、偏振態(tài)、傳播方向變化等。)光電轉(zhuǎn)換是用各種光電變換器件來(lái)完成的，如光電檢測(cè)器件、光電攝像器件、光電熱敏器件等。
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