光电检测系统
光电检测器的工作原理
光电检测器的工作原理
光电检测器是一种利用光电效应原理来检测光信号的装置。
它由光电发射器和光电接收器两部分组成。
光电发射器是一个发射光源，常见的有发光二极管（LED）或激光器。
当电流通过发光二极管时，其内部的半导体材料会发出特定波长的光。
光电接收器是一个接收光信号并产生电信号的元件，常见的有光敏二极管（LDR）或光电二极管（photodiode）。
光敏二极管或光电二极管的外围电路会对接收到的光信号进行放大和处理。
光电检测器的工作原理是当光电发射器发出的光照射到光电接收器上时，光能被光电接收器吸收并转化为电能。
这个转化过程是通过光电效应实现的。
光电效应的基本原理是当光束照射到半导体材料上时，光子会激发半导体材料中的电子跃迁到导带上，形成电子空穴对。
而这些电子空穴对可以导致半导体中的电流流动。
当光电接收器中的光电二极管或光敏二极管吸收到光子后，其内部会产生电流。
这个电流大小与光强度成正比。
通过对光电接收器产生的电流进行测量，我们可以间接地获得光的强度或光的存在与否。
光电检测器广泛应用于多个领域，如光通信、光电传感、光电测量等。
在各个领域中，光电检测器都起到了至关重要的作用。
工程光电探测系统设计方案
工程光电探测系统设计方案一、背景及意义光电探测系统是一种集光学、电子、计算机等多种技术于一体的高新技术系统，能够利用光电传感器对目标物体进行检测、识别、跟踪等操作。
在工程、军事、医疗、安防等领域有着广泛的应用前景。
光电探测系统的设计方案具有重要意义，它决定了系统的性能、可靠性和实用性。
本文将以一种针对军事领域的光电探测系统为例，介绍其设计方案。
二、需求分析1. 任务需求：该光电探测系统主要用于探测和跟踪飞行器、地面目标、水下目标等，能够实时获取目标的位置、速度、姿态等信息。
2. 工作环境：系统将在多种复杂环境下工作，包括昼夜光照变化、恶劣气候条件、高速移动目标等。
3. 精度要求：系统对目标的探测、识别和跟踪需具备较高的精度，能够满足军事需求的作战指挥要求。
三、系统结构设计1. 组成模块：光电探测系统主要由光学模块、电子模块、数据处理模块、控制模块组成。
2. 功能描述：光学模块负责捕捉目标的光信号，将其转化为电信号；电子模块负责信号放大、滤波、数字化处理；数据处理模块负责对目标进行识别、跟踪、定位计算；控制模块负责系统的运行控制和指令传输。
四、技术实现方案1. 光学模块：选用高灵敏度、高分辨率的光学传感器，采用光学滤波、聚焦、变倍等技术，以获得清晰、准确的目标图像。
2. 电子模块：采用低噪声、高增益的放大器、滤波器等元件，保证光信号的清晰度和稳定性。
3. 数据处理模块：采用先进的图像处理算法，如边缘检测、目标识别、运动跟踪等技术，对捕捉到的光学信号进行处理，提取目标信息。
4. 控制模块：引入先进的控制算法，实现对光学模块、电子模块、数据处理模块的无缝控制和协同工作。
五、系统性能指标1. 光学性能：分辨率≥30lp/mm，灵敏度≥0.1Lux，变焦范围≥20倍。
2. 电子性能：信噪比≥60dB，增益范围±20dB，输出动态范围≥5V。
3. 数据处理性能：目标识别准确率≥95%，跟踪误差≤1像素，处理帧率≥30fps。
光电检测思考题及部分答案
思考题及部分答案:1.什么是光电检测系统？其基本组成部分有哪些？答：指对待测光学量或由非光学待测物理量转换的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
组成部分：光源；被检测对象及光信号的形成；光信号的匹配处理；光电转换；电信号的放大与处理；微机；控制系统；显示。
2.简要说明光电检测技术的重要应用范围？答：辐射度量和光度量的检测；光电元器件及光电成像系统特性的检测；光学材料、元件及系统特性的检测；非光学量的光电检测。
3.光电探测器的原理有几种效应？分别是什么？内容是什么？答：四种。
光电子发射效应：在光辐射作用下，电子逸出材料表面，产生光电子发射。
光电导效应：光照射某些半导体材料，某些电子吸收光子变成导电自由态，在外电场的作用下，半导体的电导增大。
光生伏特效应：光照射在PN结及其附近，在结区中因电场作用，产生附加电动势。
光磁电效应：半导体置于磁场中，用激光垂直照射，由于磁场产生洛伦兹力，形成电位差。
4. 光电探测器的种类及相应的光电器件？答：光电子发射器件：光电管、光电倍增管；光电导器件：光敏电阻；光生伏特器件：雪崩光电管、光电池、光电二极管、光电三极管。
5. 光电探测器的性能参数有哪些？详细叙述之。
答：量子效率：响应度：光谱响应：响应时间和频率响应：噪生等效功率：探测度：线性度：。
6. 光电探测器的噪声主要来源于什么？答：热噪声；暗电流噪声；散粒噪声；低频噪声。
7.作为性能优良的光电探测器应具有哪三项基本条件？答：光吸收系数好；电子亲和力小；光电子在体内传输过程中受到的能量损失应该小，使其逸出深度大。
8.常见的光阴极材料有哪些？答：银氧铯；锑钾；锑铯。
9.真空二极管与充气二极管的工作原理与结构以及它的优缺点比较。
答：充气的暗电流与照射比真空大很多；充气的频率响应比真空的较差；充气的噪声响应比真空的较大。
10.光电倍增管的工作原理及结构（组成部分），他有什么特点？答：工作原理：光照射在光电阴极上，从光阴极激发出的光电子，在电场U1的加速下，打在第一个倍增级D1上，由于光电子能量很大，它打在倍增极上时就又激发出数个二次光电子，在电场U2的作用下，二次光电子又打在第二个倍增极上，又引起电子发射，如此下去，电子流迅速倍增，最后被阳极收集。
光电检测系统原理
光电检测系统原理光电检测系统是一种常用的传感器，广泛应用于自动化控制领域，例如机械加工、纺织、食品处理、生物化学和医疗卫生等。
其原理是利用光电器件将光信号转换为电信号，通过电路处理后，将电信号转换成机械或其他可控制的信号，实现自动检测和控制。
本文将从光电器件、处理电路、应用领域等方面进行详细介绍。
一、光电器件光电器件是光电检测系统的核心部分，其主要功能是将光信号转化为电信号，其种类包括光敏二极管（PD）、光电二极管（PH）、光励磁二极管（PC）、光电晶体管（PT）、硅光电池（PD）等。
其中，PD是一种光敏半导体器件，应用范围十分广泛。
PD中的光信号通过PN结被掺杂之后，使之成为具有光电特性的二极管，根据入射光信号的强弱，PD产生的电流也随之变化。
PH、PC、PT相比PD更加敏感，其检测范围可以覆盖可见光和红外光谱区域，使用时需要更加谨慎，但其具有相对较高的灵敏度和更快的响应速度，可以满足更高的应用需求。
硅光电池具有较高的光电转换效率，但其使用条件较为苛刻，易受温度变化等环境因素影响。
二、处理电路处理电路是光电检测系统中的第二个核心部分，主要功能是对从光电器件收集的电信号进行处理和放大，以满足后续电路的工作需要。
处理电路一般分为前端电路和后端电路两大部分。
（一）前端电路前端电路是光电检测系统中的第一级信号处理电路，主要由前放电路、驱动电路、滤波电路和保护电路组成。
前放电路的作用是放大从光电器件获得的弱电信号；驱动电路是用于对光电器件进行驱动的电路，使其在有效频率范围内工作；滤波电路则可以用来滤除杂乱的高频或低频信号；最后，保护电路则可以将前端电路和后端电路隔离，防止过高电压或过电流对后续模块造成损害。
（二）后端电路后端电路是对前端电路处理后的信号进行进一步处理和放大的电路，主要由比较电路、微处理器、放大电路、输出电路、计时电路和显示电路组成。
后端处理电路可以根据应用需要设置不同的模块，例如可通过比较电路可以实现对输入信号的阈值比较，以触发输出信号；在微处理器中可以设置一定的软件算法，用于对信号进行更加复杂的处理。
光电探测系统的原理
光电探测系统的原理
光电探测系统是一种利用光电效应原理来检测和测量光信号的系统。
光电效应是指当光线照射到物质表面时，光子的能量能够激发电子从原子或分子中解离出来，进而产生电流或电压。
光电探测系统通常由光源、探测器和信号处理器组成。
光源发出光信号，可以是激光器、LED等光源，光信号经过光学器件（如透镜、光栅等）进行整形和调节后，照射到被测物体或样品表面。
光信号经过被测物体的反射、散射、透射等作用后，会被探测器接收。
探测器通常是基于光电效应原理设计的元件，如光电二极管、光电倍增管、光电二极管阵列等。
当光信号照射到探测器上时，它会激发出电子，并产生相应的电流或电压。
这些电流或电压信号可以被传输到信号处理器进行放大、滤波、数字化等处理。
信号处理器将处理后的信号转换为数字信号，并进行数据处理、分析和显示。
根据不同的应用需求，可以采用不同的信号处理算法和技术，如傅里叶变换、滤波算法、图像处理等，从而实现对光信号的测量、分析和控制。
总的来说，光电探测系统利用光电效应的原理，通过光源、探测器和信号处理器的配合，能够实现对光信号的探测、测量和分析，广泛应用于光学测量、光谱分
析、成像、通信等领域。
光电传感器检测系统设计与制作
光电传感器检测系统设计与制作光电传感器检测系统（Optical Sensor Detection System）是一种采用光学技术进行物体检测、识别的技术手段，具有精度高、响应速度快、可靠性好等优点，广泛应用于机械、电子、自动化控制等领域。
本文将介绍一种基于光电传感器的物体检测系统的设计与制作，旨在为初学者提供一些设计思路和操作指南。
一、系统组成该物体检测系统主要由以下几部分组成：1. 光源：发射光信号，一般使用红外线、激光等光源。
2. 接收器：接收被检测物体反射回来的光信号，一般使用光电二极管等器件。
3. 处理电路：对接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
4. 显示器：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
二、系统设计步骤1. 确定检测目标及检测距离：根据实际需求，确定需要检测的物体种类及其距离范围。
该步骤将有助于后续光源和接收器的选择。
2. 选择光源：根据检测需求和检测距离选择合适的光源。
例如，检测距离在5米以内，选择红外线LED灯作为光源；检测距离超过5米，选择雷达等其他光源。
3. 选择接收器：根据光源和检测目标的特点选择合适的接收器。
例如，对于红外线LED光源，选择光电二极管作为接收器。
4. 设计处理电路：根据接收到的信号进行放大、滤波、计算等处理，一般使用微处理器、模拟电路等器件。
这一步骤需要根据实际应用需求进行详细设计，确保检测系统的稳定性和可靠性。
5. 设计显示器件：将处理后的信号输出，一般使用LED灯等显示器件。
该步骤需要将处理后的信号进行转换，输出到LED灯等显示器件上。
三、系统制作要点1. 光源和接收器的布放：将光源和接收器安装在一个平面上，并且保证光源和接收器之间的距离要适当。
同时要将光源和接收器的距离对称放置，以保证信号的稳定性。
2. 处理电路的设计：承担着光电传感器检测系统中的重要组成部分，如果处理电路出现问题，将会影响整个系统的工作状态。
1光电检测系统的基本工作原理
1光电检测系统的基本工作原理。
光电检测系统是指对待测光学量或由非光学待测物理量转换成的光学量，通过光电变换和电路处理的方法进行检测的系统。
光电检测系统的基本组成及各部份的主要作用。
光电检测系统的组成：三要素：检测对象、光、光电变换。
能否使光束准确地携带所要检测量的信息，是决定所设计系统成败的关键光电检测技术的现代发展1）非接触化发展2）尽可能多的信息量3）集成化，智能化发展光电检测方法 （1）.光信息携带的物理量可分为：光强型、频率型、相位型、脉冲型、偏振型、位置型等（2）.所用的光学现象分为：衍射法、干涉法、全息法、散射法、光谱法、莫尔条纹法、光扫描法等（3）从检测系统角度分为：直接作用法、差动法（差分法）、补偿法光辐射所带的信息如光强分布、时间、光谱能量分布、温度分布等由光电探测器转变成电信号测量出来2系统误差 在检测过程中产生恒定不变的误差叫恒差或按一定规律变化的误差叫变差，统称为系统误差。
系统误差产生的原因有工具误差、装置误差、方法误差、外界误差和人身误差等随机误差 在尽力消除并改正了一切明显的系统误差之后，对同一待测量进行反复多次的等精度测量，每次测量的结果都不会完全相同，而呈现出无规则的随机变化，这种误差称为随机误差。
灵敏度 系统在稳态下输出量变化引起此变化的输入量变化的比值算术平均值 ：均方差或标准误差算术平均值的标准偏差均方差的标准误差σσ最大误差测量精度大误差测值出现的处理主要方法是：(1) 认真检查有无瞬时系统误差产生，及时发现并处理。
(2) 增加检测的次数，以减小大误差测值对检测结果的影响。
(3) 利用令人信服的判据，对检测数据进行判定后，将不合理数据给予剔除辐射度量（Radiometry ）：能量的分布的强弱、时间、空间等特性辐射能本身的客观度量，是纯粹的物理量。
光度量 (Photometry) ：考虑到人眼的主观感受，包括生理学、心理学在内。
1)辐射能(Q)：简称辐能，描述以辐射的形式发射、传输或接收的能量，单位焦耳(J ）例：地球表面垂直阳光方向上，每平方米面积上每分钟太阳辐射能48000J 。
简述光电检测系统的组成和特点
简述光电检测系统的组成和特点
一、组成
光电检测系统由光源、光电传感器、信号处理器、输出器等部件组成。
1. 光源：提供光线，一般使用激光、LED、红外线等光源。
2. 光电传感器：将光信号转换成电信号，包括光电二极管、光电三极管、光电二极管阵列等。
3. 信号处理器：负责对光电传感器采集的电信号进行处理，包括放大、滤波、数字化等处理。
4. 输出器：将处理后的信号输出到控制器或显示器等设备上。
二、特点
1. 高精度：光电检测系统具有高灵敏度、高精度的特点，可以实现微小物体的检测。
2. 高速度：光电传感器对物体的响应速度非常快，能够实现高速运
动物体的检测。
3. 非接触式：光电检测系统是一种非接触式检测技术，不会对被检测物体造成损伤。
4. 应用广泛：光电检测系统被广泛应用于工业自动化、电子设备、医疗器械等领域，为产品质量的提高和生产效率的提升做出了重要贡献。
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非PN结
电子管类
光电元件(CdS, CdSe, Se, PbS) 热电元件(PZT, LiTaO3, PbTiO3)
光电管，摄像管，光电倍增管
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）
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光电检测系统
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。
光电检测方法
直接作用法 差动测量法 补偿测量法 脉冲测量法
光电检测系统分类
主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 可见光系统多用于民用 用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布
光电变换
电路处理
光电检测系统与人操作功能比较
被测物体
手控
感觉器官
人脑
被测物体
执行机构
光电传感
微机
光电传感部分相当于人身的感觉器官
光电检测系统的功能分类
测量检查型:
几何量:长度、角度、形状、位置、形变、面积、体 积、距离。 运动量：速度、加速度、振动 表面形状：光洁度、庇病、伤痕 工作过程：湿度、流量、压力、物位、PH值、浓度 等 机械量：重量、压力、应变、压强 电学量：电流、电压、电场、磁场 光学量：吸收、反射、透射、光度、色度、波长、 光谱
模数变换系统
在这类光电变换中，被测信息量Q通过光学变换量化为数字信息（包 括光脉冲、条纹信号和数字代码等），再经光电变换电路输出。
模-数光电变换中的光电变换电路只要输出“0”和“1”（高、低电平） 两个状态的脉冲即可。脉冲的频率、间隔、宽度、相位等都可以载荷信 息。因此，这类光电变换电路的输出信号不再是电流或电压，而是数字 信息量F。它与被测信息量Q的函数关系为
2 3
在待测转速的轴上固定一个 涂上黑白相间条纹的圆盘， 它们具有不同的反射率。当 转轴转动时，反光与不反光 交替出现，光电敏感器件间 断地接收光的反射信号，转 换为电脉冲信号。
1
(b)
光电数字式转速表工作原理图
信息载入光学信息的方式
信息载荷于光学量化器的方式
光学量化是指通过光学的方法将连续变化的 信息变换成有限个离散量的方法。图（e）所 示光学量化器包含有光栅摩尔条纹量化器、 各种干涉量化器和光学码盘量化器等。
光电检测系统分类
主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 可见光系统多用于民用
点探测/面探测系统(按接受系统分)
用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布
模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式
它将被测量的量转换成光通量,再转换成电量，并综合 利用信息传送和处理技术，完成在线和自动测量
光电检测系统
光学变换 光电变换 电路处理
检测的基本概念
定义： 确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作
被测对象： 宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ……） 物理量（光、电、力、热、磁、声、…） 化学量（PH、成份…） 生物量（酶、葡萄糖、…） …… 全部操作： 检测器具 检测过程 传感器、检测仪器、检测装置、检测系统 信号采集、信号处理、信号显示、信号输出
被测信息：
例：空调机测量控制室温
被测对象： 被测信息： 检测器具： 室内空气 温度 温度传感器 --- 热电阻、热电偶
操作过程：空气 热敏电阻 电信号 处理 显示
空调机
返回
测量
直接测量：对仪表读数不经任何运算，直接得出被测量的数值。 例如：
长度：直尺、游标卡尺、千分尺
电压：万用表
信息载入光学信息的方式
信息载荷于透明体的方式
如图(b)所示，为信息载荷于透明体中 的情况。在这种情况下，信息可为透 明体的透明度，透明体密度的分布， 透明体的厚度，透明体介质材料对光
物质的 的吸收系数等都为载荷信息的方式。 浓度 溶液和气体 入射到 对光的吸收 介质表 性质 面的通 量
0 e
分)
直接检测/相干检测系统(按光波对信号的携
带方式分)
模拟变换系统
被测的非电量信息（如温度、介质厚度、 均匀度、溶液浓度、位移量、工件尺寸等） 1. 模拟光电变换 载荷于光信息量时，常为光度量（通量、照 度和出射度等）的方式送给光电器件，光电 器件则以模拟电流Ip或电压Up信号的形式输出。 即输出信号量是被测信号量 Q的函数，或称输 出信号量与被测信号量之间的关系为模拟函 数关系。可表示为
光电检测系统分类
主动系统/被动系统(按信息光源分) 红外系统/可见光系统(按光源波长分)
红外系统多用于军事,有大气窗口,需要特种探测器 可见光系统多用于民用
点探测/面探测系统(按接受系统分)
用单元探测器接受目标的总辐射功率 用面接受元件测量目标的光强分布
模拟系统/数字系统(按调制和信号处理方式
Ip=f(Q)
模拟变换系统
或
Up= f(Q)
光电变换电路输出的电流Ip或电压Up不仅与被测信息量Q值有关而且与 载体光度量有关。因此，为保证光电变换电路输出信号与被测信息量Q 的函数关系，载体光度量必须稳定。否则，载体光度量的变化直接影响 被测信息量。另外，电路参数的变化，尤其是电源电压的波动，放大电 路的噪声、放大倍率的变化等都影响被测信号的稳定。而光度量的稳定 又与光源、光学系统及机械结构等的性能有关。因此，实现稳定的高精 度的模拟光电信息变换常常遇到许多其他技术方面的困难。必须采用各 种措施解决这些困难，才能获得高质量的模拟光电信息变换。
光电检测系统的功能分类
控制跟踪型
跟踪控制：激光制导，红外制导 数值控制：自动定位，图形加工形成，数值 控制
图象分析型
图形检测 图形分析
光电检测技术的特点
Nhomakorabea高精度：从地球到月球激光测距的精度达到 1米。 高速度：光速是最快的。 远距离、大量程：遥控、遥测和遥感。 非接触式检测：不改变被测物体性质的条件 下进行测量。 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。 数字化和智能化：强的信息处理、运算和控 制能力。
U 0 EbRl
输出位移量 的信号电压 被测表面的 光敏面的宽 照度 度＆高度 物体遮挡光 的位移量
光电测速
2
3
1 (a)
是在待测转速轴上固定一带 孔的转速调置盘，在调置盘 一边由白炽灯产生恒定光， 透过盘上小孔到达光敏二极 管组成的光电转换器上，转 换成相应的电脉冲信号，经 过放大整形电路输出整齐的 脉冲信号，转速由该脉冲频 率决定。
疵病表 光电接收器件有 面的反 效视场内疵病所 射率 占地面积
信息载入光学信息的方式
信息载荷于遮挡光的方式
如图(d)所示为信息载荷于遮挡光的方式，物体部分或全部 遮挡入射光束，或以一定的速度扫过光电器件的视场，实现 了信息载荷于遮挡光的过程。
可用于检测物体的位移量＆尺寸。主要用在测微计，尺寸检测仪 以及光电计数，光开关等领域。
质量：天平
间接测量：测量几个与被测量相关的物理量，通过函数关系式 计算出被测量。例如：
电功率：P = I * V（电流/电压） 重力加速度：单摆测量（L：摆的线长，T：摆动的周 2 期） 4 L
g
T2
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光电探测器的种类
类 型 PN结 实 例
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) 集成光电传感器和光电晶闸管(Si)
目前，光通讯技术正在蓬勃地发展，信息高速公路的主 要组成部分为光通讯技术。光通讯技术的实质是光电变 换的一种基本形式，称为光信息通讯的变换方式。
如图 (f)所示，信息首先对光源进行调制，发出载有各
种信息的光信号，通过光纤传送到远方的目的地，再通 过解调器将信息还原。由于光纤传输的媒体常为激光， 它具有载荷量大，损耗小，速度快，失真小等特点现已 广泛地用于声音和视频图像等信息通讯中。
光源 光学系统 光电传感器件
偏置电路和处理电路
信息载入光学信息的方式-光电变化的基本形式
信息载荷于光源的方式
如图(a)所示，为信息载荷于光源中的 情况（或光学信息为光源本身），如 光源的温度信息，光源的频谱信息， 光源的强度信息等。根据这些信息可 以进行钢水温度的探测、光谱分析、 火灾报警、武器制导、夜视观察、地 形地貌普查和成像测量等的应用。
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： 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、光频微电子 4、光电方法用于瞬态光学观测 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
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。
光电检测系统
光 源
光 学 系 统
被 测 对 象