光电检测技术复习提纲

《光电检测技术》复习提纲

1、光敏电阻和光敏二极管的基本概念，基本应用和两者的区别（测脉搏的电路）；

光敏电阻，又称光敏电阻器或光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。

光敏二极管，又叫光电二极管是一种能够将光根据使用方式，转换成电流或者电压信号的光探测器。管芯常使用一个具有光敏特征的PN结，对光的变化非常敏感，具有单向导电性，而且光强不同的时候会改变电学特性，因此，可以利用光照强弱来改变电路中的电流。

一.功能不同：光敏二极管，是利用半导体材料的光特性实现二极管的开关功能。光敏电阻，是利用半导体材料和其他材料的光特性实现可变电阻的功能。

二.材料不同：虽然有些时候两者用同样的材料如硅，砷化镓，但是光敏电阻的材料范围比光敏电阻的更广。

三.功能的不同决定了主要参数不同：光敏二极管,最高工作电压,暗电流，光电流，光电灵敏度、响应时间、结电容和正向压降等。

光敏电阻，标称电阻值、使用环境温度（最高工作温度）、测量功率、额定功率、标称电压（最大工作电压）、工作电流、温度系数、材料常数、时间常数等。四.功能的不同决定了结构不同：光敏二极管，两个电极间要求能够形成一个PN 结，而且为了加大导通电流，把一个电极的面积设计的很大，另一个相对很小。光敏电阻，只需要两个电极就行了。

测量信号的特征:人体信息本身具有不稳定性、非线性和概率特性。脉搏波的频率属于低频，且信息微弱，噪声强，因而信噪比低。

脉搏波频率范围是0.1~60Hz，主要频率分量一般在20Hz内。

人体手指末端含有丰富的小动脉，它们和其它部位的动脉一样,含有丰富的信息。

测量原理:随着心脏的跳动手指尖的微血管发生相应的脉搏的容积变化，光发射电路发出的特定波长的光透过手指到光电器件，此过程被检测生理量(人体的脉搏)转换成光信号，通过光电器件转换为电信号，送入前级放大电路将信号适当放大，经过滤波电路除去其中的噪声得到需要频率范围内的信号，再将脉搏信号进行放大和后级的处理，通过示波器显示出来，进一步进行观测。

3.系统结构

总体框图:

电源:实验室5V、12V直流电源

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2、CMOS图像传感器的概念及其特点，典型应用案例（CMOS+68013）；

CMOS图像传感器是一种典型的固体成像传感器，与CCD有着共同的历史渊源。CMOS图像传感器通常由像敏单元阵列、行驱动器、列驱动器、时序控制逻辑、AD转换器、数据总线输出接口、控制接口等几部分组成这几部分通常都被集成在同一块硅片上。其工作过程一般可分为复位、光电转换、积分、读出几部分。CMOS图像传感器具有以下几个优点：

1）、随机窗口读取能力。

2）、抗辐射能力。

3）、系统复杂程度和可靠性。

4）、非破坏性数据读出方式。

5）、优化的曝光控制。、

具有集成度高、功耗小、速度快、成本低等特点，最近几年在宽动态、低照度方面发展迅速。

2、CCD图像传感器的概念及其特点，典型应用案例；

CCD图像传感器于1969年在贝尔试验室研制成功，之后由日商等公司开始量产，其发展历程已经将近30多年，从初期的10多万像素已经发展至目前主流应用的500万像素。CCD又可分为线型与面型两种，其中线型应用于影像扫瞄器及传真机上，而面型主要应用于数码相机（DSC）、摄录影机、监视摄影机等多项影像输入产品上。

一般认为，CCD传感器有以下优点：

1.高解析度

2.低杂讯

3.高敏感度

4.动态范围广

5.良好的线性特性曲线

6.高光子转换效率

7.大面积感光

8.光谱响应广

9.低影像失真 10.体积小、重量轻 11.低秏电力 12.不受强电磁场影响； 13.电荷传输效率佳： 14.可大批量生产，品质稳定，坚固，不易老化，使用方便及保养容易

3、CMOS和CCD图像传感器原理性的区别和应用性的区别；

CCD：电荷藕合器件，它使用一种高感光度的半导体材料制成，能把光线转变成电荷，通过模数转换器芯片转换成数字信号，数字信号经过压缩以后由相机内部的闪速存储器或内置硬盘卡保存，因而可以轻而易举地把数据传输给计算机，并借助于计算机的处理手段，根据需要和想像来修改图像。CCD由许多感光单位组成，通常以百万像素为单位。当CCD表面受到光线照射时，每个感光单位会将电荷反映在组件上，所有的感光单位所产生的信号加在一起，就构成了一幅完整的画面。

CMOS：互补型金属氧化物半导体和CCD一样同为在数码相机中可记录光线变化的半导体。CMOS的制造技术和一般计算机芯片没什么差别，主要是利用硅和锗这两种元素所做成的半导体，使其在CMOS上共存着带N（带–电）和 P（带+电）级的半导体，这两个互补效应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。然而，CMOS的缺点就是太容易出现杂点, 这主要是因为早期的设计使CMOS在处理快速变化的影像时，由于电流变化过于频繁而会产生过热的现象。

CCD提供很好的图像质量、抗噪能力和相机设计时的灵活性。尽管由于增加了外部电路使得系统的尺寸变大，复杂性提高，但在电路设计时可更加灵活，可以尽可能的提升CCD相机的某些特别关注的性能。CCD更适合于对相机性能要求非常高而对成本控制不太严格的应用领域，如天文，高清晰度的医疗X光影像、和其他需要长时间曝光，对图像噪声要求严格的科学应用。

CMOS是能应用当代大规模半导体集成电路生产工艺来生产的图像传感器，具有成品率高、集成度高、功耗小、价格低等特点。CMOS技术是世界上许多图像传感器半导体研发企业试图用来替代CCD的技术。经过多年的努力，作为图像传感器，CMOS已经克服早期的许多缺点，发展到了在图像品质方面可以与CCD技术较量的水平。CMOS的水平使它们更适合应用于要求空间小、体积小、功耗低而对图像噪声和质量要求不是特别高的场合。如大部分有辅助光照明的工业检测应用、安防保安应用、和大多数消费型商业数码相机应用。

4、红外热释电传感器及其特点，典型应用案例；

主要是由一种高热电系数的材料，如锆钛酸铅系陶瓷、钽酸锂、硫酸三甘钛等制成尺寸为2*1mm的探测元件。在每个探测器内装入一个或两个探测元件，并将两个探测元件以反极性串联，以抑制由于自身温度升高而产生的干扰。由探测元件将探测并接收到的红外辐射转变成微弱的电压信号，经装在探头内的场效应管放大后向外输出。为了提高探测器的探测灵敏度以增大探测距离，一般在探测器的前方装设一个菲涅尔透镜，该透镜用透明塑料制成，将透镜的上、下两部分各分成若干等份，制成一种具有特殊光学系统的透镜，它和放大电路相配合，可将信号放大70分贝以上，这样就可以测出20米范围内人的行动。

优点：本身不发任何类型的辐射，器件功耗很小，隐蔽性好。价格低廉。

缺点：

◆容易受各种热源、光源干扰

◆被动红外穿透力差，人体的红外辐射容易被遮挡，不易被探头接收。

◆环境温度和人体温度接近时，探测和灵敏度明显下降，有时造成短时失灵。热释电红外传感器除了用于遥感、制导、夜视、主动雷达、热成像、气体分析、辐射计、测温等军事和工业场合外,近些年来,在消费电子电器产品中的应用正迅猛增长。目前应用最多的是检测人的传感器。广泛用于防盗报警系统、房间自助开灯控制、自动门和其它安全及自动化装置中。国外有把热释电传感器安装在售货机上,当有人接近时机器可以说话。类似的重要应用是安装在工厂危险性机械系统上,防止人太靠近造成危险。

5、红外温度传感器及其应用（红外测温枪）；

在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm 的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。温度是度量物体冷热程度的一个物理量，是工业生产中很普遍、很重要的一个热工参数，许多生产工艺过程均要求对温度进行监视和控制，特别是在化工、食品等行业生产过程中，温度的测量和控制直接影响到产品的质量和性能。

红外传感器的应用:红外线传感器常用于无接触温度测量，气体成分分析和无损探伤，在医学、军事、空间技术和环境工程等领域得到广泛应用。

1、在医学上的应用：采用红外线传感器远距离测量人体表面温度的热像图，应用电路：人体焦耳式体温感测

2、在空间技术上的应用：利用人造卫星上的红外线传感器对地球云层进行监视，可实现大范围的天气预报；采用红外线传感器可检测飞机上正在运行的发动机的过热情况等。

3、在军事上的应用：遥感就是用装在平台上的传感器来收集（测定）由对象辐射或（和）反射来的电磁波，再通过对这些数据进行分析和处理，获得对象信息的技术。

4、环境工程上的应用：微波遥感用在大气的各项数据的测量上，在海洋学、油污探测、融雪测定等方面都有应用。

应用:

非接触式温度测量

红外辐射探测

移动物体温度测量

连续温度控制

热预警系统

气温控制

医疗器械

长距离测量

红外测温仪

此设备由红外传感器和显示报警系统两部分组成，它们之间通过专用的五芯电缆连接。安装时将红外传感器用支架固定在通道旁边或大门旁边等地方，使得被测人与红外传感器之间的距离相距35CM。在其旁边摆放一张桌子，放置显示报警系统。只要被测人在指定位置站立1秒钟以上，红外快速检测仪就可准确测量出旅客体温。一旦受测者体温超过38°C，测温仪的红灯就会闪亮，同时发出蜂鸣声提醒检查人员。如图是目前最常见的红外测温仪结构框图。它是光、机、电一

体化的红外测温系统。图中的光学系统是一个固定焦距的透视系统，滤光片一般采用只允许8~14um的红外辐射能通过的材料。步进电机带动调制盘转动，将被测的红外辐射调制成交变的红外辐射射线。红外探测器一般为热释电探测器，透镜的焦点落在其光敏面上。被测目标的红外通过透镜聚焦在红外探测器上，红外探测器将红外辐射变换为电信号输出。红外测温仪电路比较复杂，包括前置放大器、选频放大、温度补偿、线性化、发射率调节等。目前已经有一种带单片机的智能红外测温仪，利用单片机与软件的功能，大大简化了硬件电路，提高了仪表的稳定性、可靠性和准确性。红外测温仪的光学系统可以是透射式，也可以是反射式。红外温度快速检测仪为在人流量较大的公共场所降低非典的扩散和传播提供快速、非接触测量手段，可广泛用于机场、海关、车站、宾馆、商场、影院、写字楼、学校等人流量较大的公共场所，对体温超过38°C的人员进行有效筛选。

6、机器视觉的概念及其应用；

机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉系统是指通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分 CMOS 和CCD 两种）将被摄取目标转换成图像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字化信号；图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作。

机器视觉的应用主要有检测和机器人视觉两个方面：

⒈检测：又可分为高精度定量检测（例如显微照片的细胞分类、机械零部件的尺寸和位置测量）和不用量器的定性或半定量检测（例如产品的外观检查、装配线上的零部件识别定位、缺陷性检测与装配完全性检测）。

⒉机器人视觉：用于指引机器人在大范围内的操作和行动，如从料斗送出的杂乱工件堆中拣取工件并按一定的方位放在传输带或其他设备上（即料斗拣取问题）。至于小范围内的操作和行动，还需要借助于触觉传感技术。

此外还有：

1自动光学检查

2人脸识别

3无人驾驶汽车

4产品质量等级分类

5印刷品质量自动化检测

6文字识别

7纹理识别

8追踪定位

应用实例

⒈基于机器视觉的仪表板总成智能集成测试系统

⒉金属板表面自动控伤系统

⒊汽车车身检测系统

⒋纸币印刷质量检测系统：

⒌智能交通管理系统：

⒍金相分析：

⒎医疗图像分析：

⒏瓶装啤酒生产流水线检测系统：

⒐大型工件平行度、垂直度测量仪：

⒑螺纹钢外形轮廓尺寸的探测器件

⒒轴承实时监控

⒓金属表面的裂纹测量

7、论述光电检测技术与“工业4.0”“中国制造2025”会有哪些结合点？

工业4.0是德国政府提出的一个高科技战略计划。该项目由德国联邦教育及研究部和联邦经济技术部联合资助，投资预计达2亿欧元。旨在提升制造业的智能化水平，建立具有适应性、资源效率及人因工程学的智慧工厂，在商业流程及价值流程中整合客户及商业伙伴。其技术基础是网络实体系统及物联网。

德国所谓的工业四代是指利用物联信息系统将生产中的供应，制造，销售信息数据化、智慧化，最后达到快速，有效，个人化的产品供应。

工业4.0已经进入中德合作新时代，中德双方签署的《中德合作行动纲要》中，有关工业4.0合作的内容共有4条，第一条就明确提出工业生产的数字化就是“工业4.0”对于未来中德经济发展具有重大意义。双方认为，两国政府应为企业参与该进程提供政策支持。

“工业4.0”项目主要分为三大主题：

一是“智能工厂”，重点研究智能化生产系统及过程，以及网络化分布式生产设施的实现；

二是“智能生产”，主要涉及整个企业的生产物流管理、人机互动以及3D技术在工业生产过程中的应用等。该计划将特别注重吸引中小企业参与，力图使中小企业成为新一代智能化生产技术的使用者和受益者，同时也成为先进工业生产技术的创造者和供应者；

三是“智能物流”，主要通过互联网、物联网、物流网，整合物流资源，充分发挥现有物流资源供应方的效率，而需求方，则能够快速获得服务匹配，得到物流支持。

《中国制造2025》是中国版的“工业4.0”规划。规划经李克强总理签批，已由国务院于2015年5月8日公布。规划提出了中国制造强国建设三个十年的“三步走”战略，是第一个十年的行动纲领。

复习要点：

1、复习时除了基本概念、基本原理，还要注意应用。

2、对一些基础的系统，要求能够画电路；

3、对一些有一定复杂度的系统，要求能画系统框图；

4、更注重知识点的消化；

5、答题时要有自己的思维，部分题目没有正确答案，更考察理解的透彻度。