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 。
(2)辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即
(3)辐射通量或者辐射功率(Φ,P):定义为以辐射的形式发射、传输或接收的功率，用以描述辐能的时间特性。
8416.011==∑=N n n x N x σ?0025.0)(11?12=--=∑=N n n x x N σ00095.0===N s x σσ00067.02==N σσσx k x σ=?%
100??=x x J D
4)辐射强度（I ）：定义为在给定传输方向上的单位立体角内光源发出的辐射通量，即
辐射强度描述了光源辐射的方向特性，且对点光源的辐射强度描述具有更重要的意义
大多数光源向空间各方向的辐射强度是不均匀的。辐射强度描述了光源在空间某个方向上发射辐射通量的
大小和分布。
5)辐亮度 (L)：定义为光源在垂直其辐射传输方向上单位表面积单位立体角内发出的辐射通量，即
辐射亮度与辐射强度有何区别 前者描述面光源，后者描述点光源。
6)辐射出射度 (M)：定义为离开光源表面单位面元的辐射通量，即
辐照度 (E ）：定义为单位面元被照射的辐射通量，即 辐照度和辐射出射度具有相同的定义方程和单位，但却分别用来描述微面元发射和接收辐射通量的特性
如果一个表面元能反射入射到其表面的全部辐射通量，那么该面元可看作是一个辐射源表面，即其辐射出
射度在数值上等于照射辐照度
为了描述光源的光通量与辐射通量的关系，通常引入光视效能Ｋ，其定义为目视引起刺激的光通量与光源
发出的辐射通量之比，单位为lm/W 。 它度量了同样的辐射功率下人眼的不同亮度感觉。
照度和亮度的区别 不要把照度跟亮度的概念混淆起来。它们是两个完全不同的物理量。
照度表征受照面的明暗程度，照度与光源至被照面的距离的平方成反比。
亮度是表征任何形式的光源或被照射物体表面是面光源时的发光特性。如果光源与观察者眼睛之间没有光
吸收现象存在，那么亮度值与二者间距离无关
辐射度学和光度学 区别：1.适用范围 辐射度学适用于整个电磁波谱。光度学适用于可见光波段。2.参量
性质不同 辐射度学量是客观物理参量。光度学量生理量，由人眼感觉确定
联系：1.都是描述光辐射的强弱。2.所用物理符号一一对应
. 朗伯余弦定律 朗伯体反射或发射辐射的空间分布可表为 按照朗伯辐
射体亮度不随角度θ 变化的定义 即 即在理想情况下，朗伯体单位表面积向空间规定方向单位立 体角内发射(或反射)的辐射通量和该方向与表面法线方向的夹角α的
余弦成正比——朗伯余弦定律。
2. 朗伯体辐射出射度与辐亮度的关系图2-9，极坐标对应球面上微面元dA 的立体角为：
设朗伯微面元dS 亮度为L ，则辐射到dA 上的辐射通量为
在半球内发射的总通量P 为
按照出射度的定义得
2.3 光电检测器件的特性参量
（上）利用光电效应，把入射到物体表面的辐射能变换成可测量的电量
（下）利用热电效应，反映入射光辐射量
dQ w dv =dQ
dt Φ=2cos cos d dI L d dA dA θθΦ==Ωd M dA
Φ=00()()()m e V m e e K V d K K V d λλλλλ
∞∞ΦΦ===ΦΦ??2cos d P L dAd θ=Ω0cos
I I L dA dA θθ==0cos I I θθ=2sin dA d d d r αα?Ω==?2cos sin d P L dsd d ααα?=2/200cos sin P Lds d d Lds ππ?αααπ==??P M L ds
π==
光磁电效应与霍尔效应 光磁电效应中在磁场作用下移动的是电子空穴对，而霍尔效应中
移动的是自由电子。2）针对材料不同，一个是半导体材料，一个是导体材料。3）使用情
形也不一样，一个需要光照，一个不需要
响应度定义为单位辐射度量产生的电信号量，记作R ，电信号可以是电流，称为电流响应度；
也可以是电压，称为电压响应度。对应不同辐射度量的响应度用下标来表示
对辐射通量的电流响应度(AW-1) 对辐照度的电流响应度(AW-1m2) 对辐亮度的电流响应度(AW-1m2Sr) 探测器的响应度一般是波长的函数。与上面定义的积分响应度对应的光谱响应度为
积分响应度和光谱响应度的关系为
探测器的辐射通量光谱电流响应度为:
对于光电探测器，由于受到材料能带之间的间隙——禁带宽度Eg 的限制，响应波长具有长
波限，最大响应波长为 光磁电效
Φ
=Φ/I R E
I R E /=L
I R L /=()()()() , () , ()()()()
E L I I I R R R E L λλλλλλλλλΦ===Φ()()()()()() , , ()()()E L E L R d R E d R L d I R R R d E d L d λλλλλλλλλλλλλλλλλλλλλΦΦΦ====ΦΦ??????
()()()()()1239.8I q R hc ληλληλλλλΦ===Φmax 1.24/ 1.24/()g g A E E E λ??=?+??内光电效应外光电效应
任何虚假的和不需要的信号称为噪声。
噪声总是伴随着测量信号存在
测量过程是一个去除噪声、复原真实信号的过程
研究噪声的目的：探讨系统探测信息的极限，以及在系统设计中如何抑制噪声以提高探测本领。
噪声的分类及性质 外部干扰噪声:人为干扰噪声的和自然干扰噪声。
人为干扰：电器、电子设备的干扰噪声。如焦距测量仪在日光灯下，人的走动对干涉仪的光程影响。
自然干扰：大气和宇宙间的干扰，雷电、太阳等。如光电导盲器在太阳下受的干扰。
可采用适当的屏蔽、滤波等方法减小或者消除。
内部噪声:人为噪声和固有噪声两类。
人为噪声：工频干扰和寄生反馈造成的自激干扰。如工频交流电（50Hz)、测试仪器的散热风扇引起的
光路变化。合理的设计和调整将其消除或者减小到允许范围。
固有噪声：光电探测器中光子和带电粒子不规则运动造成的。散粒噪声、热噪声、产生-复合噪声、1/f
噪声、 温度噪声，不可消除
实际中，满足测量系统工作性能的前提下，尽可能减小频带宽度。一种方法是利用固定频率对信号进
行控制，如锁频技术；另一种是增加信号的积分时间，缩小测量系统的频带。
信号电流与噪声电流的均方根值之比——信噪比，作为表征探测系统探测能力和精度的一个十分重要的
指标，记作SNR 。
噪声等效功率是探测器产生与其噪声均方根电压相等的信号所需入射到探测器的辐射功率，即信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率
引入NEP 的倒数探测率D 来表示探测器的探测能力
3按照发光机理，光源又可以分成热辐射光源、气体发光光源、固体发光光源和激光器四种。
1）热辐射光源：电流流经导电物体，使之在高温下辐射光能的光源。包括白炽灯和卤钨灯两种。
2）气体发光光源：电流流经气体或金属蒸气，使之产生气体放电而发光的光源。气体放电有弧光放电和辉
光放电两种。
3）固体发光光源：电场作用下，使固体物质发光的光源，电能直接转变为光能。包括场致发光光源和发光
二极管（LED ）两种。
4）激光器：按工作物质分类，可分为气体激光器、固体激光器、
燃料激光器和半导体激光器
s SNR I =221K N k k I I ==
∑NEP SNR ΦΦ==
一般的光电检测系统都要求光源特性满足检测需要，光源发光光谱与探测器的光谱响应要匹配光源选的基本要求主要包括哪三个方面
1.对光源发光光谱特性的要求
2.对光源发光强度的要求
3.对光源稳定性的要求
人工光源按照其工作原理大致分为热光源、气体放电光源、固体光源和激光光源
热光源三大特点1.发光特性（光谱分布、出射度、亮度）可以用普朗克公式估算。
2.发出连续光谱，谱宽很宽，适应性强
3. 大多属于电热型，可以通过控制输入电量控制发光特性。
作用：1.一般光电检测的光源（白光干涉）
2.光（辐射）度量中做标准光源或标准辐射源，计量标准传递。
激光方向性好、高单色性和高亮度三个重要特性
特点：极小的光束发散角激光的单色性好；激光的输出功率密度很高
激光器种类繁多，按工作物质分类：固体激光器（如红宝石激光器）气体激光器（如氦-氖气体激光器、二氧化碳激光器）半导体激光器（如砷化镓激光器）液体激光器。
气体激光器氦氖激光器要输出波长有0.6328μm、1.15μm和339μm，
氩离子激光器它的输出波长有多个，功率主要集中在0.5145μm和0.4880μm两条谱线
二氧化碳激光器输出谱线波长分布在9～11μm，通常10.6μm
固体激光器红宝石激光器694.3 nm 玻璃激光器1.06μm波长YAG激光器1064 nm
固体激光器运行方式多样：连续，脉冲，调Ｑ，锁模等，可以获得高平均功率，高重复率，高脉冲能量，高峰值功率激光；
主要在红外波段工作，采用光学泵浦方式；
结构紧凑，寿命较长，稳定可靠；
ＮＤ：ＹＡＧ，红宝石，钕玻璃激光器
半导体激光器0.84μm
激光器除可作为检测光源外．还有着广泛的应用，其它主要用途有：(1)激光用作热源。激光光束细小，且带着巨大的功率，如用透镜聚焦，可将能量集中到微小的面积亡．产生巨大的热量。可应用于打细小孔、切割等工作；在医疗上做手术刀；大功率的激光武器等。(2)激光测距。激光作为测距光源?由于方向性好、
功率大?可测很远的距离，且精度很高。(3)激光通讯。(4)受控核聚空中的应用。点火计划
光电探测器的工作原理是将光辐射的作用视为所含光子与物质内部电子的直接作用。也就是物质内 电
子在光子作用下，产生激发而使物质的电学特性发生变化。这种变化主要有以下三类 外光电效应（光电
管与光电倍增管）内光电效应（光敏电阻）光生伏特效应（光电池，光电二极管，光电三极管） 光热效应：材料受光照射后，光子能量与晶格相互作用，振动加剧，温度升高，材料的性质发生变化．
热释电效应：介质的极化强度随温度变化而变化，引起介质表面电荷变化的现象．
辐射热计效应：入射光的照射使材料由于受热而造成电阻率变化的现象．
温差电效应：由两种材料制成的结点出现稳差而在两结点间产生电动势，回路中产生电流．
（热敏电阻，热电偶和热释电探测器）
光电倍增管 原理：当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几μA ，不易探测——
常用光电倍增管。光电倍增管的工作原理建立在光电发射和二次发射的基础上，获得大的光电流。
结构：光电倍增管由阴极、倍增极（次阴极）和阳极组成，这些电极被封装在真空的玻璃管中。
（1）闪烁光子作用在光阴极上时 由于光电效应可产生出电子。 （2）电子倍增是通过一系列倍增极
所构成的倍增系统完成。 （3）从阳极上得到的电子流与入射到光电倍增管光阴极上的闪烁光强度成正
比
二次发射极简称二次极，有时又叫做打拿极。二次发射极的主要材料有锑铯(CsSb)、氧化铍(BeO)、银镁
(AgMg)合金、磷化镓(GaP)和磷砷化镓等。打拿极的重要参数是二次发射系数δ:
式中n1、 n2分别是输入二次发射体的一次电子数和
二次发射体对应发出的电子数。
二次电子发射系数与材料本身特性、一次电子的动能或极间电压的大小有关。
光电倍增管的主要特性 光电倍增管的光谱特性主要由光阴极和玻壳材料的特性来确定。影响光电倍增管
光谱特性的还有一些其它因素，如温度、受照点位置和磁场等。
）阳极
阳极又称收集极。光电流经过各二次发射极倍增后，由阳极收集并形成信号电流输出，阳极是管内电压最
高的地方 。
当最后一个二次极发出的电子飞到阳极上后，阳极也会产生二次电子发射，这将破坏稳定的输出。
怎么办？1 选择发射系数小的材料
2 外面加上收集栅网
(栅网电位与阳极相同，阳极发射的二次电子将有栅网收集，相当于又回到了阳极)
灵敏度 光电器件灵敏度的定义有许多种，而对光电倍增管常用阳极灵敏度来表征这一特性。
定义阳极光谱灵敏度Sa(λ)为
式中，单色光通量为Φ(λ)，阳极电流为Ia
线性度 在高精度的光电检测中，要求光电探测器的光特性具有良好的线性度，且线性范围尽可能宽。光
特性是指倍增管输出信号电流随输入光通量变化的曲线，即I ＝f(Φ)。一般认为产生光特性非线性的原因主
要有两个：一是内部的非线性源，它们包括光阴极的电阻率及材料特性、管内空间电荷间的互相作用，以
及电子聚焦或收集效率的变化等。另一方面是外部非线性源，其中包括负载电阻的负反馈作用，以及由于
信号电流过大造成极间电位的重新分布等
)
(/)()(λλλΦ=a a I S 21
n n δ=
入射通量Φ增加输出电流Ia 偏离直线的情况
(4) 最大额定值 光电倍增管是极其灵敏的微信号光电探测器,为正确使用应了解各参量的最大额定值。 ①最大阴极电流Icm,有时给出最大电流密度(μA/cm2)。工作时不应超过额定值。有时阴极电流Ic 虽小于Icm ，但入射光点很小，也会因电流密度过大而引起局部损坏。这时应按电流密度的额定值来限制输入。
②最大阳极电流Iam,该值通常是以不产生严重的和不可逆的损坏为限，通常阳极功率限制在0.5w 以下。应当注意说明书中的Iam 不是指使用时的线性限，有的厂家还给出这时的非线性度，如10﹪等。 ③最大额定电压Um,该指标是从管子的绝缘性能和工作可靠性出发给出的。为使噪声不至太大，一般建议采用的总电压U ＜(60—80)﹪Um
光电倍增管的不稳定性 由于光谱响应随时间缓慢地不可逆地变化
②在几分钟或几小时内,由于可逆的疲劳所构成的漂移
③滞后作用造成阳极输出的不稳定
光电倍增管中的噪声源主要来自光阴极和二次极的热发射。入射光辐射本身亦带来噪声。
由光电阴极和K 个二次发射极组成的光电倍增管中．综合在阳极输出时的噪声电流用均方根值表示为
要提高光电倍增管的信噪比可采取以下方法 ①管子致冷可减少Ic0值； ②当入射光斑较小时，应尽量选用光阴极面小的管子；
③选用δ较高的材料做二次发射极，并提高工作电压；
④减小检测系统频带宽度?f ，以提高信噪比
光电导器件是利用内光电效应制成的光子型探测器，其材料大都是半导体。在入射光的的作用下，激发出附加的自由电子或自由空穴，这些附加的载流子叫做光生载流子，由于光照增加了自由载流子，使电导率发生变化，这种现象叫做光电导效应
光敏器件的光特性是表征光照下光敏器件的输出量，如电阻、电压或电流等量与入射辐射之间的关系 光敏器件的灵敏度 灵敏度又称响应度。它表示器件将光辐射能转换为电能的能力。具体定义为：器件产生的输出电信号与引起该信号的输入光辐射通量之比。输出电信号由器件及偏置电路的特性决定，既可以是电流，也可以是电压，如电流表示的光灵敏度
光敏电阻按半导体材料的不同可分为本征型和杂质型两种，本征型半导体光敏电阻常 用于可见光长波段检测，杂质型常用于红外波段至远红外波段光辐射的检测
本征型光敏电阻：当入射光子的能量等于或大于半导体材料的禁带宽度Eg 时，激发一个电子－空穴对，在外电场的作用下，形成光电流。
杂质型光敏电阻：对于Ｎ型半导体，当入射光子的能量等于或大于杂质电离能ΔＥ时，将施主能级上的电子激发到导带而成为导电电子，在外电场的作用下，形成光电流
本征型用于可见光长波段,杂质型用于红外波段。
()2
121211212
11112)(?????????? ??++++?=k an f qIc G i δδδδδδ 21212)12()(-?=δδf qI G i c an
光敏电阻工作性能特点 光谱响应范围相当宽。可见光、红外、远红外、紫外区域
工作电流大，可达数毫安。 所测光电强度范围宽，既可测弱光，也可测强光
灵敏度高，光电增益可以大于1
无选择极性之分，使用方便
缺点：强光下光电线性度较差，弛豫时间过长，频率特性差。
CdS 光敏电阻：峰值响应波长0.52um 可见光波段最灵敏的光敏电阻
PbS 光敏电阻：响应波长在近红外波段缺点主要是响应时间太长
锑化铟（InSb ）光敏电阻：长波限7.5um
碲镉汞HgCdTe 系列光敏电阻可实现1-3um,3-5um,8-14um
碲锡铅（PbSnTe 主要用在8-10um 波段探测
1. PN 结与光伏效应（Photo V oltage Effect ）
当P 型半导体和N 型半导体直接接触时，P 区中的多数载流子—空穴向空穴密度低的N 区扩散，同时N 区中的多数载流子—电子向P 区扩散。这一扩散运动在P 区界面附近积累了负电荷，而在N 区界面附近积累了正电荷，正负电荷在两界面间形成内电场。在该电场逐步形成和增加的同时，在它的作用下产生载流子的漂移运动。随着扩散运动的进行和界面间内电场的增高，促使漂移运动加强。这一伴生的对立运动在一定温度条件下—定时间后达到动态平衡 当有外界光辐射照射在结区及其附近时．只要入射光子的能量ε=h υ大于半导体的禁带宽度Eg ，就可能产生本征激发，激发产生电子—空穴对。P 区中的光生空穴和N 区中的光生电子，因受P-N 结的阻挡作用而不能通过结区，结区中产生的电子—空穴对在内电场作用下，电子驱向N 区，空穴驱向P 区。而结区附近P 区中的光生电子和N 区中的空穴如能扩散到结区，并在内电场作用下通过结区，这样在P 区中积累了过量的空穴．在N 区中积累了过量的电子，从而形成一个附加的电场，方向与内电场相反，如图4-44(a)所示。该附加电场对外电路来说将产生由P 到N 方向的电动势。当联接外电路时，将有光生电流通过，这就是光伏效应
2. 光伏效应器件的伏安特性
曲线族与电压轴的交点．即I ＝0，表示光电池外电路开路的情况
曲线族与电流轴的交点．即Uoc ＝0，表示光电池外电路短路的情况。
/(1)eU kT d s I I I I e I ΦΦ=-=--)1ln(+=Φs
oc I I q kT U s s e I I P h ην
Φ==
3. 光伏效应光电池
第一象限是正偏压状态，iD 本来就很大，所以光电流不起主要作用，在这一区域工作没有意义。
第三象限是反偏压状态，这时，它是普通二极管中的反向饱和电流，现在称为暗电流（对应于光功率P=0），数值很小，这时的光电流（等于i －is ）是通过探测器的主要电流
由于这种情况外回路特性与光电导探测器十分相似，所以反偏压下的工作方式称为光导模式，相应的探测器称为光电二极管
在第四象限中，外偏压为零时，流过探测器的电流仍为光电流，这时探测器的输出是通过负载电阻RL 上的电压或流过RL 上的电流来体现的，因此称为光伏工作模式。相应的探测器称为光电池
光电池分类
用途 太阳能光电池：用作电源（效率高，成本低）
测量用光电池：探测器件（线性、灵敏度高等
材料 硅光电池：光谱响应宽，频率特性好，转换效率高，寿命长，适于接受红外光.
硒光电池：转换效率低(0.02％)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56μm)，波谱峰值位于人眼视觉内(用于分析仪器、测量仪表).
砷化镓光电池:转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。 薄膜光电池：CdS 增强抗辐射能力
紫光电池：PN 结非常薄：0.2-0.3 μm,短波峰值600nm
光电池的特性(1)、伏安特性
无光照时，光电池伏安特性曲线与普通半导体二极管相同。
有光照时，沿电流轴方向平移，平移幅度与光照度成正比。
曲线与电压轴交点称为开路电压VOC ，与电流轴交点称为短路电流ISC
（要得到短的响应时间，必须选用小的负载电阻RL ；
光电池面积越大则响应时间越大，因为光电池面积越大则结电容Cj 越大，在给定负载时，时间常数就越大，故要求短的响应时间，必须选用小面积光电池）
2时间和频率响应 硅光电池频率特性好（动态响应快）。 硒光电池频率特性差 硅光电池是目前使用最广泛的光电池
(3)、温度特性 随着温度的上升，硅光电池的光谱响应向长波方向移动，开路电压下降，短路电流上升。光电池做探测器件时，测量仪器应考虑温度的漂移，要进行补偿
4)、光谱响应度 硅光电池 响应波长0.4-1.1微米， (红-红外) 峰值波长0.8-0.9微米。(近红外) 硒光电池 响应波长0.34-0.75微米， (紫-红) 峰值波长0.54微米。(绿) 可见光
太阳能特点：
①无枯竭危险；②绝对干净；③不受资源分布地域的限制；④可在用电处就近发电；⑤能源质量高；⑥使用者从感情上容易接受；⑦获取能源花费的时间短。
要使太阳能发电真正达到实用水平，一是要提高太阳能光电变换效率并降低成本；二是要实现太
阳能发电同现在的电网联网。、
利用PN 结光伏效应的另一种重要光电器件是光电二极管。PN 结工作在反向偏置的条件下，工作原理与晶体三极管类似，P 型区相当于基极区，N 型区相当于集电极区，由光照下产生的光生载流子引起N 区电流的变化，由于反向偏置，PN 结应具有较高的反向耐压性质。
(e
1)U qU kT d s I I I I I I I ΦΦΦ=-=--=-曲线族与电流轴短路电流的交点，及=0，与光电流大小相等线性ln(1)oc s I kT U q I Φ=+开路电压非线性
光电二极管与普通二极管一样有一个PN结，属于单向导电性的非线形元件。外形不同之处是在光电二极管的外壳上有一个透明的窗口以接收光线照射，其PN结装在管顶，可直接受到光照射,实现光电转换。
为了获得尽可能大的光生电流，需要较大的工作面，即PN结面积比普通二极管大得多，以扩散层作为它的受光面。
为了提高光电转换能力，PN结的深度较普通二极管浅。光敏二极管符号如图光电二极管和光电池一样，其基本结构也是一个PN结。它和光电池相比，重要的不同点是结面积小，因此它的频率特性特别好。光生电势与光电池相同，但输出电流普遍比光电池小，一般为几μA到几十μA。
按材料分，光电二极管有硅、砷化镓、锑化铟光电二极管等许多种。
按结构分，有同质结与异质结之分。其中最典型的是同质结硅光电二极管。
国产硅光电二极管按衬底材料的导电类型不同，分为2CU和2DU两种系列。2CU系列以N-Si 为衬底，2DU系列以P-Si为衬底。2CU系列的光电二极管只有两条引线，而2DU系列光电二极管有三条引线
光电二极管的主要特性①光特性
②光电二极管的光谱特性该特性通常是由材料来决定。锗光电二极管的光谱范围约为0.4-1.8
um，峰值波长约为1.4-1.5 um；硅光电二极管的光谱范围约为0.4-1.2 um，峰值波长约为0.8-0.9 um。
③光电二极管的伏安特性。
实际与理想情况略有出入，曲线略向上偏。
④光电二极管的频率特性
器件中影响频率响应速度的主要因素是：结电容和杂散电容的影响；在PN结外产生的光生载流子需经一段时间的扩散才能入结，与PN结内的光生载流子形成时间差的影响。
⑤光电二极管的温度特性
在外加电压为50V，入射照度不变的条件下，光电流随工作温度T的变化曲线
⑥光电二极管的暗电流
当无入射光照射时，硅、锗两光电二极管的暗电流IΦ=0随温度变化的关系
光电二极管与光电池的特性比较
1.基本结构相同，由一个PN结；
2.光电二极管的光敏面小，结面积小，频率特性好，虽然光生电动势相同,但光电流普遍比光电池小,
为数微安。
3.掺杂浓度：光电池约为1016-1019/cm3，硅光电二极管1012-1013/cm3，
4.电阻率：光电池0.1-0.01Ω/cm，光电二极管1000Ω/cm。
光电池零偏压下工作，光电二极管反偏压下工作。
雪崩光电二极管工作原理是在PN结上施加高反向偏压，使其接近击穿电压。
在雪崩光电二极管的使用中注意两个问题：
①雪崩过程伴有—定噪声；②局部击穿问题。
基于以上两个问题，工作偏压选择必须适当。偏压太小，雪崩增强作用不明显，增益不大；而偏压过高，则噪声增大，甚至击穿烧毁
雪崩光电二极管具有电流增益大，灵敏度高，频率响应快，带宽可达100GHz。是目前响应最快的一种光敏二极管。
不需要后续庞大的放大电路等特点。因此它在微弱辐射信号的探测方向被广泛地应用。
在设计雪崩光敏二极管时，要保证载流子在整个光敏区的均匀倍增，这就需要选择无缺陷的材料，必须保持更高的工艺和保证结面的平整。
其缺点是工艺要求高，稳定性差，受温度影响大
雪崩光电二极管与光电倍增管比较体积小结构紧凑工作电压低使用方便但其暗电流比光电倍增管的暗电流大，相应的噪声也较大故光电倍增管更适宜于弱光探测
光电三极管线性差主要是由电流放大倍数 的非线性所致
在大照度时，光敏三极管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。管不能作线性转换元件，但可以作开关元件使用。
光电三极管与光电二极管相比，具有较高的输出光电流，但线性差
光敏三极管主要特性伏安特性（升平）光敏三极管的温度特性（升）光敏三极管的（调制）频率特性（升降）光敏三极管光谱特性（sin）
●CCD是一种电荷耦合器件(Charge Coupled Device)
●CCD的突出特点：是以电荷作为信号，而不同于其它大多数器件是以电流或者电压为信号。
●CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。
●CCD工作过程的主要问题是信号电荷的产生、存储、传输和检测
原理电荷耦合原理
CCD成像器件的主要特性分辨率: 用1p／mm(线对／毫米)表示
●暗电流: CCD成像器件在既无光注入又无电注人情况下的输出信号
●灵敏度：一定光谱范围内单位曝光量产生的输出信号电压
●动态范围：对于光照度有较大变化时仍能保持线性响应的程度，上限由电荷最大存贮
容量决定，下限由噪声所限制。光谱响应：范围由光敏面材料决定
●
热电探测器件:
●热敏电阻、
●热电偶、
●热电堆、
●热释电探测器
所谓变光度就是使某辐射光束在强弱上发生变化。具体地说是将光源或目标发出的光束利用衰减的手段，使光量满足探测接收的需要
2 光谱校正技术
均匀滤光片法
所谓均匀是指整块滤光片上，各点的光谱透射比一致。
白噪声是指功率谱密度在整个领域内均匀分布的噪声；即所有频率具有相同能量的随机噪声
噪声类型热噪声、散粒噪声、G-R噪声、1/f噪声、温度噪声
6.2 前置放大器
1.输出信号较强时，前置放大器及后续放大器的设计主要考虑：增益、带宽、阻抗匹配
和稳定性。
2.输出信号弱时，应主要考虑抑制噪声
（用最小噪声系数原则设计前置放大器。）
1．调制检测光信号的优点调制检测光信号可以减少自然光或杂散光对检测结果的影响。
(1)调制检测光信号可以消除光电探测器暗电流对检测结果的影响。
(2)调制检测光信号的方法提供了多种形式的信号处理方案，可达到最佳检测的设计。通
常交流电路处理信号方便、稳定，而没有直流放大器零点漂移的问题。
(3)调制检测光信号的方法还提供了多种调制方案，如调幅、调频和调相等，从而扩大了
应用范围
光电信号调制的途径1）对光源发光进行调制2）对光电器件产生的光电流进行调制
3）在光电器件输出至放大器间进行光电信号的调制
4）在光源与光电器件的途径中进行调制
约翰逊计数器
环形计数器是由移位寄存器加上一定的反馈电路构成的，用移位寄存器构成环形计数器的一般框图见图23-5-1，它是由一个移位寄存器和一个组合反馈逻辑电路闭环构成，反馈电路的输出接向移位寄存器的串行输入端，反馈电路的输入端根据移位寄存器计数器类型的不同，可接向移位寄存器的串行输出端或某些触发器的输出端。 图23-5-1 移位寄存器型计数器方框图 23.5.1 环形计数器 23.5.1.1 电路工作原理 图23-5-2为一个四位环形计数器，它是把移位寄存器最低一位的串行输出端Q1反馈到最高位的串行输入端（即D触发器的数据端）而构成的，环形计数器常用来实现脉冲顺序分配的功能（分配器）。 假设寄存器初始状态为[Q4Q3Q2Q1]＝1000，那么在移位脉冲的作用下，其状态将按表23-11 中的顺序转换。 当第三个移位脉冲到来后，Q1=1，它反馈到D4输入端，在第四个移位脉冲作用下Q4=1，回复到初始状态。表23-11中的各状态将在移位脉冲作用下，反复在四位移位寄存器中不断循环。
由上述讲讨论可知，该环形计数的计数长度为N=n。和二进制计数器相比，它有2n-n个状态没有利用，它利用的有效状态是少的。 23.5.1.2 状态转换图和工作时序 表23-11中是以1000为初始状态的，它所对应的状态转换图见图23-5-3。如果移位寄存器中的初始状态不同，就会有不同的状态转换图。图23-5-4给出了四位环形计数器可能有的其它几种状态转换图。 图23-5-3 状态转换图 (a) (b) (c) (d) 图23-5-4 四位环行计数器其它的状态转换图 图23-5-4(a)、(b)、(c)三个状态转换图中各状态是闭合的，相应的时序为循环时序。当计数器处于图23-5-4(d)所示的状态0000或1111时，计数器的状态将不发生变化。这两个状态称为悬态或死态。 四位环形计数器可能有这么多不同的循环时序，是我们不希望的，只能从这些循环时序中选出一个来工作，这就是工作时序，或称为正常时序，或有效时序。其它末被选中的循环时序称为异常时序或无效时序。一般选图23-5-3的时序为工作时序，因为它只循环一个“1”，不用经过译码就可从各触发器的Q端得到顺序脉冲输出，参看图23-5-5。
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告
光电测量系统设计报告
一、干涉的基本原理 干涉现象是波动独有的特征，如果光真的是一种波，就必然会观察到光的干涉现象．1801年，英国物理学家托马斯·杨(1773—1829)在实验室里成功地观察到了光的干涉．两列或几列光波在空间相遇时相互叠加，在某些区域始终加强，在另一些区域则始终削弱，形成稳定的强弱分布的现象。 由一般光源获得一组相干光波的办法是，借助于一定的光学装置（干涉装置）将一个光源发出的光波（源波）分为若干个波。由于这些波来自同一源波，所以，当源波的初位相改变时，各成员波的初位相都随之作相同的改变，从而它们之间的位相差保持不变。同时，各成员波的偏振方向亦与源波一致，因而在考察点它们的偏振方向也大体相同。一般的干涉装置又可使各成员波的振幅不太悬殊。于是，当光源发出单一频率的光时，上述四个条件皆能满足，从而出现干涉现象。当光源发出许多频率成分时，每一单频成分（对应于一定的颜色）会产生相应的一组条纹，这些条纹交叠起来就呈现彩色条纹。 1、劈尖的等厚干涉测细丝直径 见图7.2.1-2，两片叠在一起的玻璃片，在它们的一端夹一直径待测的细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖。当用单色光垂直照射时，如前所述，会产生干涉现象。因为程差相等的地方是平行于两玻璃片交线的直线，所以等厚干涉条纹是一组明暗相间、平行于交线的直线。 设入射光波为λ，则第m级暗纹处空气劈尖的厚度 由上式可知，m=0时，d=0，即在两玻璃片交线处，为零级暗条纹。如果在细丝处呈现m=N级条纹，则待测细丝直径 具体测量时，常用劈尖盒，盒内装有两片叠在一起玻璃片，在它们的一端夹一细丝，于是两玻璃片之间形成一空气劈尖，见图7.2.1-2。使用时木盒切勿倒置或将玻璃片倒出，以免细丝位置变动，给测量带来误差。
光电计数器(数电)
（理工科类） Ⅰ、课程设计（报告）题目： 对生产线产品计数的光电计数器设计 Ⅱ、课程设计（论文）工作内容 一、课程设计目的 1、通过电子技术基础（模 电、数电）课程的学习，使学生在掌握基本理论知识的基础上，学会常见电子集成器件的使用。2、通过设计一个模数结合 的小型电子电路系统，使学生了解电子电路设计的方法、步骤；学会元器件的选用；学会用软件仿真验证设计方案的正确性；培养综合运用知识和独立开展实践创新的能力。 3、通过搭建调试电路，进 一步熟悉相关仪器设备的使用。 4、通过绘制电路图，熟悉 Protel的使用，扩充专业知识技能。 5、规范化训练学生撰写技 术研究报告，提高书面表达能力。 二、课程设计任务与要求 1、基本部分： 1）由光耦实现产品监测； 2）由计数器对脉冲信号计数，计数结果经LED显示； 3）计数范围0~99，电路具备手动清零功能。 4）根据要求设计电路，画出原理图，用EWB仿真，验证设计方案；
5）学习使用Protel，画出系统的PCB图。 2、发挥部分： 1）计数结果要求实现十位数的动态“零消隐”，即：当计数结果不超过10时，十位数的那个数码管无显示； 2）报告第三部分给出其他设计方案，画出仿真实现的电路图，并与参考方案对比分析。 三、课程设计考核 平时20%；验收40%；报告40% 摘要 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信 息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。 光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光
最新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
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。 (2)辐射密度(w) ：定义为单位体积元内的辐射能，即 8416 .0 1 1 = =∑ = N n n x N x σ?0025 .0 ) ( 1 1 ? 1 2= - - =∑ = N n n x x N σ 00095 .0 = = = N s x σ σ 00067 .0 2 = = N σ σ σ x k xσ = ? % 100 ? ? =x x J D
计数器工作原理及应用
计数器工作原理及应用 除了计数功能外，计数器产品还有一些附加功能，如异步复位、预置数（注意，有同步预置数和异步预置数两种。前者受时钟脉冲控制，后者不受时钟脉冲控制）、保持（注意，有保持进位和不保持进位两种）。虽然计数器产品一般只有二进制和十进制两种，有了这些附加功能，我们就可以方便地用我们可以得到的计数器来构成任意进制的计数器。下面我们举两个例子。在这两个例子中，我们分别用同步十进制加法计数器74LS160构成一个六进制计数器和一个一百进制计数器。 因为六进制计数器的有效状态有六个，而十进制计数器的有效状态有十个，所以用十进制计数器构成六进制计数器时，我们只需保留十进制计数器的六个状态即可。74LS160的十个有效状态是BCD编码的，即0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001[图5-1]。 图5-1 我们保留哪六个状态呢？理论上，我们保留哪六个状态都行。然而，为了使电路最简单，保留哪六个状态还是有一点讲究的。一般情况下，我们总是保留0000和1001两个状态。因为74LS160从100 1变化到0000时，将在进位输出端产生一个进位脉冲，所以我们保留了0000和1001这两个状态后，我们就可以利用74LS160的进位输出端作为六进制计数器的进位输出端了。于是，六进制计数器的状态循环可以是0000、0001、0010、0011、0100和1001，也可以是0000、0101、0110、0111、1000和1001。我们不妨采用0000、0001、0010、0011、0100和1001这六个状态。 如何让74LS160从0100状态跳到1001状态呢？我们用一个混合逻辑与非门构成一个译码器[图5. 3.37b]，当74LS160的状态为0100时，与非门输出低电平，这个低电平使74LS160工作在预置数状态，当下一个时钟脉冲到来时，由于等于1001，74LS160就会预置成1001，从而我们实现了状态跳跃。
光电检测方法研究毕业设计
摘要 随着石油、天然气工业以及煤炭工业的发展，煤矿爆炸事故日益增加。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数以煤为主要能源的国家之一。在煤炭的生产、加工过程中产生的大量甲烷(CH4)及一氧化碳(CO)等易燃易爆气体，带来了煤矿安全、环境污染等一系列的问题。因此，对煤矿生产、加工过程中产生的有害气体进行高灵敏度检测变得十分重要。通信技术的发展使得光源及各种光纤器件性能更加完善。因此，在各种气体传感器中光纤气体传感器受到国内外研究者的广泛关注。光纤气体传感器因其敏感元件与检测电路和信号处理电路实现了完全的电隔离，使系统更加安全可靠。 本文基于差分检测原理，设计了用于气体传感中微弱信号测量的增益可调的便携式双光路光电检测和采集系统。系统采用以AD795 为核心的低噪声、高灵敏度前置放大器，通过有效的抗干扰措施，实现了微弱信号的高精度低噪声检测，并配以具有极强抗噪性能的24bitsΣ－△模数转换芯片AD7794，完成高分辨率的数据采集。通过AVR 单片机控制实现电路增益的自动调节，解决了差分检测中存在的小信号放大，大信号饱和的问题。 关键词：气体传感；光电检测；微弱信号测量；可调增益；数据采集
Abstract Along with the development of oil and natural gas industry,the coal mine exploding accident increased everyday.China is the country with the maximal coal yield and consumption,and also is one of the countries using coal as the most energy sources. Many kinds of inflammable and explosive gases such as methane(CH4)and carbon monoxide(CO)coexisting in the process caused a series of problem like the safety problem and environment pollution and so on.So it is very important to detect more sensitive the harmful gases engendering in the coal mine.
光电计数器实验报告
光电计数器实验报告 学生姓名李志 学号081244115 专业名称光信息科学与技术 指导教师易煦农 时间日期2011-10-19 摘要 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感与检测技术的重要性在于它是获得信息并对信息进行必要处理 的基础技术，是获取信 息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。 光电式传感器是将光信号转化为电信号的一种传感器。它的理论基础是光电效应。这类效应大致可分为三类。第一类是外光电效应，即在光照射下，能使电子逸出物体表面。利用这种效应所做成的器件有真空光电管、光电倍增管等。第二类是内光电效应，即在光线照射下，能使物质的电阻率改变。这类器件包括各类半导体光敏电阻。第三类是光生伏特效应，即在光线作用下，物体内产生电动势的现象，此电动势称为光生电动势。这类器件包括光电池、光电晶体管等。光电效应都是利用光电元件受光照后，电特性发生变化。敏感的光波长是在可见光附近，包括红外波长和紫外波长。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计
数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的。有采用机械方式的接触式触发的，有采用电子传感器的非接触式触发的，光电式传感器是其中之一，它是一种非接触式电子传感器。采用光电传感器制作的光电式电子计数器。这种计数器在工厂的生产流水线上作产品统计，有着其他计数器不可取代的优点。 【关键词】光电效应光电传感器光电计数器 ABSTRACT The 21st century is the age of information, it is the access to information, treatment information, use of the information age. Sensing and detection technology is important because it is the access to information and the information necessary to deal with the underlying technology, is access to information and means of processing information, unable to get information you won't be able to use information. Photoelectric sensor is a light signal into an electric signal of the sensor. It is the theoretical basis of the photoelectric effect. These effects can be broadly divided into three categories. The first type is outside of the photoelectric effect, namely, in daylight, can make the tungsten surface. Use this effect caused by device with vacuum photocell, photomultiplier tubes, etc. The second category is the photoelectric effect, i.e., in the light, can make the electrical resistivity of the material change. Such devices include various types of photosensitive semiconductor. The third category is photo voltaic effect, in the light, the objects within the EMF EMF, this is called light-induced electromotive force. This class of
(工作分析)计数器工作原理的模式化分析
（工作分析）计数器工作原理的模式化分析
计数器工作原理的模式化分析 时序逻辑电路是《脉冲和数字电路》这门课程的重要组成部分，计数器是时序逻辑电路基础知识的实际应用，其应用领域非常广泛。计数器原理是技工学校电工电子专业学生必须重点掌握的内容，也是本课程的考核重点，更是设计计数器或其他电子器件的基础。 但近年来技校学生的文化理论基础和理解能力普遍较差，按照课件体系讲授计数器这个章节的知识，超过70%的学生听不懂。 我先后为四届学生讲授过这门课，于教学实践中摸索出壹套分析计数器的方法——模式化分析，即把分析步骤模式化，引导学生按部就班地分析计数器。用这种方法分析，我只要以其中壹种计数器（如异步二进制计数器）为例讲解，学生便能够自行分析其他计数器。 教学实践证明，用这种方法讲授计数器知识，学生比较感兴趣，觉得条理清晰，易于理解，掌握起来比较轻松。这种方法仍有壹个好处，不管是同步计数器仍是异步计数器，不管是二进制计数器仍是十进制计数器，不管是简单的计数器仍是复杂的计数器，只要套用这种方法，计数器工作原理迎刃而解。即使是平时基础很差的学生，只要记住几个步骤，依葫芦画瓢，也能把计数器原理分析出个大概来。 一、明确计数器概念 分析计数器当然要先清楚什么是计数器啦。书上的概念是：
计数器是数字系统中能累计输入脉冲个数的数字电路。我告诉学生，计数器就是这样壹种电子设备：把它放于教室门口，每个进入教室的同学均于壹个按钮上按壹下，它就能告诉你壹共有多少位同学进入教室。其中，每个同学按壹下按钮就是给这个设备壹个输入信号，N个同学就给了N个信号，这N个信号就构成计数器的输入CP脉冲，计数器要统计的就是这个CP脉冲系列的个数。当然，如果没有接译码器，计数器的输出端显示的是二进制数而非十进制数，比如有9位同学进入教室，它不显示“9”，而是显示“1001”。 随后，我简要介绍了计数器的构成和分类，且强调，计数器工作前必须先复位，即每个触发器的输出端均置零。 二、回顾基础知识 分析计数器要用到触发器的关联知识，其中JK触发器最常用，偶尔用到T触发器和D触发器。因此，介绍完计数器概念后，我不急于教学生分析其原理，而是先提问JK、T、D触发器的关联知识，包括触发器的逻辑符号、特性方程、特性表等。 由于计数器的控制单元由逻辑门电路构成，分析前仍要简要回顾壹下和、或、非等常用逻辑门电路的关联知识。另外，用模式化方法分析计数器仍要用到逻辑代数的运算方法、逻辑函数的化简方法等关联知识。 三、画出解题模板 准备工作做完了，下面进入核心部分——列出分析计数器的
数字电路实验-光电计数器
课程综合设计 课程名称：《数字电路实验》实验名称：《光电计数器》 学院：应用科技学院 专业：电子信息工程 年级：2012级 学号：____________ 姓名：____________
设计意义及实现功能: 工厂生产线或某些设备上（如打印机）常装有自动计数器，以便计算产量或为生产过程自动化合计算机管理系统提供数据，计数器种类很多，光电计数器是常见的一种。 设计并制作一个光电计数器，要求如下： （1）光源采用聚焦白炽灯，电压为6.3V，自行选择光敏器件。当有光照到光敏器件上时，计数器不计数，当光照有亮突变到暗的一瞬间，产生一个脉冲沿，对这个脉冲沿进行技术，光照由暗突变到亮不计数。 (2) 计数器范围：00～99。用两只LED数码管作显示组件，可显示00～99。 （3）定数控制功能：当需要定数时，事先预置一个定数值，显示器同时显示这个定数值。每光照一次，计数器减“1”，当定数值减至:“00”,发出声、光报警。 （4）当计数器作“累加”功能时，需先清零。计数器从“00”累加到“99”。当光照次数大于99次时，发出声，光报警。 实验原理 CD4511引脚图及功能 CD4511是一个用于驱动共阴极 LED （数码管）显示器的 BCD 码—七段码译码器，特点如下：具有BCD转换、消隐和锁存控制、七段译码及驱动功能的CMOS 电路能提供较大的拉电流。可直接驱动LED显示器。器中的字形消隐。 其功能介绍如下： BI：4脚是消隐输入控制端，当BI=0 时，不管其它输入端状态如何，七段数码管均处于熄灭（消隐）状态，不显示数字。 LT：3脚是测试输入端，当BI=1，LT=0 时，译码输出全为1，不管输入DCBA 状态如何，七段均发亮，显示“8”。它主要用来检测数码管是否损坏。 LE：锁定控制端，当LE=0时，允许译码输出。 LE=1时译码器是锁定保持状态，译码器输出被保持在LE=0时的数值。 A1、A2、A3、A4、为8421BCD码输入端。 a、b、c、d、e、f、g：为译码输出端，输出为高电平1有效。 CD4511的内部有上拉电阻，在输入端与数码管笔段端接上限流电阻就可工作。 1. CD4511的引脚 CD4511具有锁存、译码、消隐功能，通常以反相器作输出级，通常用以驱动LED。其引脚图如3-2所示。 各引脚的名称：其中7、1、2、6分别表示A、B、C、D；5、4、3分别表示LE、BI、LT；13、12、11、10、9、15、14分别表示 a、b、c、d、e、f、g。左
计数器原理分析及应用实例
计数器原理分析及应用实例 除了计数功能外，计数器产品还有一些附加功能，如异步复位、预置数（注意，有同步预置数和异步预置数两种。前者受时钟脉冲控制，后者不受时钟脉冲控制）、保持（注意，有保持进位和不保持进位两种）。虽然计数器产品一般只有二进制和十进制两种，有了这些附加功能，我们就可以方便地用我们可以得到的计数器来构成任意进制的计数器。下面我们举两个例子。在这两个例子中，我们分别用同步十进制加法计数器74LS160构成一个六进制计数器和一个一百进制计数器。 因为六进制计数器的有效状态有六个，而十进制计数器的有效状态有十个，所以用十进制计数器构成六进制计数器时，我们只需保留十进制计数器的六个状态即可。74LS160的十个有效状态是BCD编码的，即0000、0001、0010、0011、0100、0101、0110、0111、1000、1001[图5-1]。 图5-1 我们保留哪六个状态呢？理论上，我们保留哪六个状态都行。然而，为了使电路最简单，保留哪六个状态还是有一点讲究的。一般情况下，我们总是保留0000和1001两个状态。因为74LS160从1001变化到0000时，将在进位输出端产生一个进位脉冲，所以我们保留了0000和1001这两个状态后，我们就可以利用74LS160的进位输出端作为六进制计数器的进位输出端了。于是，六进制计数器的状态循环可以是0000、0001、0010、0011、0100和1001，也可以是0000、0101、0110、0111、1000和1001。我们不妨采用0000、0001、0010、0011、0100
和1001这六个状态。 如何让74LS160从0100状态跳到1001状态呢？我们用一个混合逻辑与非门构成一个译码器[图5.3.37b]，当74LS160的状态为0100时，与非门输出低电平，这个低电平使74LS160工作在预置数状态，当下一个时钟脉冲到来时，由于等于1001，74LS160就会预置成1001，从而我们实现了状态跳跃。 图5.3.37b用置数法将74160接成六进制计数器（置入1001） 比这个方案稍微繁琐一点的是利用74LS160的异步复位端。下面这个电路中[图5.3.34]，也有一个由混合逻辑与非门构成的译码器。 图5.3.34用置零法将74LS160接成六进制计数器
光电传感器转速测量系统设计讲解
专业课程设计 题目 光电传感器的转速测量设计 院系：自动化学院 专业班级： 小组成员： 指导教师： 日期：2012年10月8---2012年10月19
一．课程设计描述 采用单片机、uln2003为主要器件，设计步进电机调速系统，实现电机速度开环可调。 二．课程设计具体要求 1、通过按键选择速度； 2、转速测量显示范围为0~9999转/秒。 3、检测并显示各档速度。 三．主要元器件 实验板（中号） 1个步进电机 1个 STC89C52 1个电容（30pF、10uF）各1个 数码管（共阳、四位一体）1个晶振（12MHz） 1个 小按键 4个 ULN2003 1个 电阻若干发光二极管 1个 三极管（NPN） 4个排阻 1个 四．原理阐述 4.1系统简述 按照题给要求，我们最终设计了如下的解决方案： 用户通过键盘键入控制指令（开关），微控制器在收到指令后改变输出的PWM 波，最终在ULN2003的驱动下电机转速发生改变。通过ST151传感器测量电机扇叶的旋转情况，将转速显示在数码管上。 在程序主循环中实现按键扫描与转速显示，将定时器0作为计数器，计数ST151产生的下降沿，可算出转速，并送至数码管显示。 设计思路： （1）利用光电开关管做电机转速的信号拾取元件，在电机的转轴上安装一个圆盘，在圆盘上挖1小洞，小洞上下分别对应着光发射和光接受开关，圆盘转动一圈即光电管导通1次，利用此信号做为脉冲计数所需。 （2）对光电开关信号整流放大。 （3）脉冲经过单片机内部的计数器和定时器进行计数和定时。 （4）显示电路采用单片机动态显示。
4.2转速测量原理 在此采用频率测量法，其测量原理为，在固定的测量时间内，计取转速传感器产生的脉冲个数，从而算出实际转速。设固定的测量时间为Tc（min），计数器计取的脉冲个数m，假定脉冲发生器每转输出p个脉冲，对应被测转速为N （r/min），则f=pN/60Hz；另在测量时间Tc内，计取转速传感器输出的脉冲个数m应为 m=Tcf ，所以，当测得m值时，就可算出实际转速值[1]： N=60m/pTc (r/min) （1） 4.3转速测量系统组成框图 系统由信号预处理电路、单片机STC 89C51、系统化LED显示模块、串口数据存储电路和系统软件组成。其中信号预处理电路包含信号放大、波形变换和波形整形。对待测信号进行放大的目的是降低对待测信号的幅度要求；波形变换和波形整形电路则用来将放大的信号转换成可与单片机匹配的TTL信号；通过对单片机的编程设置可使内部定时器T0对输入脉冲进行计数，这样就能精确地算出加到T0引脚的单位时间内检测到的脉冲数；设计中转速显示部分采用价格低廉且使用方便的LED模块，通过相关计算方法计算得到的转速通过I2C总线放到E2PROM存储，既节省了所需单片机的口线和外围器件，同时也简化了显示部分的软件编程。系统的原理框图如图2.1所示。 图2.1 系统的原理框图 五．系统硬件电路的设计 系统硬件部分包含输入模块、显示模块、控制模块、测速模块等。在硬件搭建前，先通过Proteus Pro 7.5进行硬件仿真实现。 5.1脉冲产生电路设计
光电计数器源程序
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光电计数器的设计
景德镇陶瓷学院 电子电路CAD课程设计课题名称光敏计数器 所在院系机电学院 班级13自动化2班 学号201310320210 姓名董儒诚 指导老师刘蜀阳 时间2015年12月30日
光敏计数器 设计一种自动计数的装置。在学习了脉冲数字电路的基础上，利用光线的通断来统计数目的光控计数器。其主要系统组成为：光电转换模块、整形模块、时序控制模块、计数译码模块和显示模块，通过对光电的转换，由时序逻辑电路控制，达到自动计数的功能 目录 前言 (1) 第一章设计要求 (2) 1.1 基本要求 (2) 1.2 提高要求 (2)
第二章系统组成及方案设计 (3) 2.1 系统组成 (3) 2.1 方案一 (3) 2.2 方案二 (5) 2.3 方案比较与选择 (5) 第三章单元电路的工作原理 (6) 3.1 光电转换电路 (6) 3.2 计数电路 (6) 3.3 报警电路 (8) 3.4 电路仿真 (10) 第四章组装及测试结果与分析 (10) 4.1 焊接是特别要注意的几点： (10) 4.2 测试 (10) 4.3 结果 (10) 第五章总结 (11) 附录一元件清单 (13) 附录二总电路图 (14) 参考文献 (15)
前言 21世纪是信息时代，是获取信息，处理信息，运用信息的时代。传感器是获取信息并对信息进行必要处理的基础技术，是获取信息和处理加工信息的手段，无法获取信息则无法运用信息。基于光电效应的传感器，光电式传感器在受到可见光照射后即产生光电效应，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而光电式传感器是一种应用极广泛的重要敏感器件。光电计数器的设计是一种比较初级的利用光电传感器发出信号脉冲进行计数的一种简单光电系统。 光电计数器可完成小型的计数功能，可应用于小教室和小餐厅等小容量的场所，进行相应的计数功能，具有很大的实用价值。工业生产中常常需要自动统计产品的数量，计数器在这里有其用武之地。数字式电子计数器有直观和计数精确的优点，目前已在各种行业中普遍使用。数字式电子计数器有多种计数触发方式，它是由实际使用条件和环境决定的，通常分为接触式计数器和非接触式计数器两种。本次设计的光电计数器为非接触式计数器中的一种。 在该光电计数器中，计数的过程其实是获取脉冲源的过程，首先遮挡物遮挡光电传感器产生一下降沿，拿掉遮挡物产生一个上升沿，使计数器得到一个脉冲进行计数。之后计数器输出一个信号输入到译码器中，由译码器控制数码管的显示，数码管最大显示99。计数范围为一百，可以预设计数数目，当计数达到设定后，停止计数并报警，可手动解除报警。 整个电路的设计先借助于仿真软件proteus仿真，得到了预期的结果，而后依据仿真图在实验室焊接、调试，实现了预定的功能。 1
传感器课程设计基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计
沈阳工程学院 课程设计 设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系别自动化学院班级 学生姓名学号 指导教师职称讲师
沈阳工程学院 课程设计任务书 课程设计题目：基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 系别自动化学院班级 学生姓名学号 指导教师职称讲师 课程设计进行地点： F430 任务下达时间： 起止日期：
教研室主任年月日批准 基于光电传感器的脉搏信息检测系统设计 1 设计主要内容及要求 1.1 设计目的： （1）了解脉搏检测相关背景知识以及电工电子学、单片机、传感器等相关技术。 （2）初步掌握常用常用脉搏检测方法的特点和应用场合，并选择恰当方法应用于本设计。 （3）通过学习，具体掌握所选择脉搏测量传感器的使用特点、测量电路和使用方法。 1.2 基本要求 （1）要求设计相关的硬件电路，选择合适的传感器、MCU和显示系统。 （2）设计恰当的测量电路，包括信号的放大、滤波及抗干扰设计等。 （3）设计异常心跳的报警电路。 1.3 发挥部分 自由发挥 2 设计过程及论文的基本要求： 2.1 设计过程的基本要求 （1）基本部分必须完成，发挥部分可任选； （2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）报告的电子档需全班统一存盘上交。 2.2 课程设计论文的基本要求 （1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。 （2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。 3 时间进度安排 顺序阶段日期计划完成内容备注 1 2016.1.4 讲解主要设计内容，安排学生查阅资料打分 2 2016.1.5 检查任务框图的设计情况打分 3 2016.1.6 检查整个设计理论方面的准备情况打分 4 2016.1.7 指导学生进行传感器的选择打分 5 2016.1.8 进程传感器及测量电路的硬件电路设计打分 6 2016.1.11 讲解原理图的绘制要求打分 7 2016.1.12 检查原理图完成情况，讲解及纠正错误打分 8 2016.1.13 检查流程图的绘制及报告的书写要求打分 9 2016.1.14 布置答辩打分 10 2016.1.15 答辩、写报告打分 2016-1-4
产品计数器设计
一、设计任务要求 设计光电计数器，实现无接触计数，主要用于工厂生产线工件计数。可采用遮光式光电传感器或者反射式光电传感器，要求使用红外发光二极管、光电管检测，要求光电发射管和接收管有30mm 以上的间距，在制作实物可用导线引出长度，用LED数码显示器来显示0-999的范围计数，当数字超出999时，能够发出报警，并且能在报警后延时3秒钟自动关闭报警并自动重新计数同时可以手动清除报警，能够实现无接触计数，独立设计光电计数器电路原理图（包含电源部分），画出完整的电路原理图（包含电源部分）和PCB板图，查找资料，要求做出实物，可以使用万用板制作实物，独立完成。 二、方案设计 1、方案 以89C51为核心的计数电路基于单片机的光电计数器，使用89C51单片机，电路简单，需要编写程序，可通过编程实现各种各样的算术算法和逻辑控制，而且体积小，硬件实现简单，安装方便，可实现数码显示和键盘设定等多种功能。采用遮光式光电传感器，将红外发光管与光电接收管相对安放，每当物体通过一次，红外光就被遮挡一次，光电接收管的输出电压就发生一次变化，这个变化的电压信号通过放大和处理后，形成计数脉冲，通过光电隔
离耦合并行输入至89C51单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED 加以显示，便可实现对物体的计数统计。 采用光电传感器，将红外激光发射管与接收管相相对安放，每当物体通过一次，红外光就被阻挡，光电接收管的输出电压就发生一次变化，输入至89C51单片机的P1口，通过软件控制和键盘设定计数值并用LED 加以显示，便可实现对物体的计数统计。 本设计除了单片机外无其他芯片，在发射与接收电路中也只简单的用激光管和感光三极管组成检测部分。接线排线有规律、整齐、增强电路板的艺术美感。 2、 方案系统结构图 图1 如图1所示整个光电计数器系统主要由电源部分、光电发射与 接收电路、计数电路、 报警电路这几个部分组成。当有物体经过时， 红外发光二极管发出的红外信号被物体反射至光电接收管，并被光
光电检测期末复习
复习题 1、光电检测系统通常主要由光学变换、光电转换、电信号处理三部分组成。 2、在环境亮度大于102时,最强的视觉响应在光谱蓝绿区间的555 处。 3、光电倍增管由光窗、光电阴极、电子光学系统、电子倍增系统和阳极五个主要部分组成。由于其引入了电子倍增机构，因此具有灵敏度高、响应时间快等特点，常被使用。 4、指的是帧转移型 5、发光二极管()是一种注入电致发光器件，他由P型和N型半导体组合而成。其发光机理可以分为结注入发光_、_异质结注入发光。 6、光电池的结工作在零偏状态，它的开路电压会随光照强度的增加而增加。 7、对于辐射源来说，光通量（光功率）定义为单位时间内向所有方向发射的可见光能量。 8、激光的形成必须具有工作物质、泵浦源、光学谐振腔。 9、入瞳位于无限远，物方主光线平行于光轴的光学系统称为物方远心光路，此光路克服了调焦不准带来的测量误差，常用于瞄准、读数和精密测量。 10、短焦物镜用于拍近距离物体，焦距越短，视场角越大，因此也称为广角物镜。 11、载光电耦合器件既具有光电耦合特性，又具有隔离特性
12、三种典型光子效应是指光电发射效应、光电导效应和光伏效应。 1 / 14 13、光敏电阻的工作原理是光照产生光生载流子，使其电阻值急剧减小。 14、与其它器件相比，最突出的特点是它以电荷作为信号，而其他大多数器件是以电流或者电压作为信号。 15、依据噪声产生的物理原因,光电探测器的噪声可大致分为散粒噪声、热噪声和低频噪声三类。 16、由于光源发光的各向异性，许多光源的发光强度在各个方向 是不同的。若在光源辐射光的空间某一截面上，将发光强度相同的点连线，得到该光源在该截面的发光强度曲线，称为配光曲线。 17、人眼按不同照度下的响应可分为明视觉、暗视觉。 18、降压使用对于光电测量用的白炽灯光源十分重要，因为灯泡寿命的延长将使系统的调整次数大为减少，也提高了系统的可靠性。 19、出瞳位于像方无限远处，平行于光轴的像方主光线在无限远处会聚于出瞳中心的光路被称为像方远心光路，它用于大地测量中测距，能大大提高测距精度。 20、集光镜将光源成像到聚光镜的前焦面上，孔径光阑位于聚光镜的物方焦面上，组成像方远心光路，视场光阑被聚光镜成像到物面上，称为远心柯勒照明。 1、光子效应
光电计数器的设计..
课程设计说明书 课程设计名称：数字电子技术基础课程设计题目： 学院名称： 专业：班级： 学号：姓名： 评分：教师： 20 年月
数字电路 课程设计任务书 13 － 14 学年 第 1学期 第 2 周－ 3 周 注：1、此表一组一表二份，课程设计小组组长一份；任课教师授课时自带一份备查。 2、课程设计结束后与“课程设计小结”、“学生成绩单”一并交院教务存档。题目 光电计数器的设计 内容及要求 〖基本要求〗利用发光二极管和光敏三极管作为光电计数器的传感器进行计数，用数码管显示计数值，当数码管显示值与设定值相同时报警，此外计数器停止计数，手动清除报警后可重新工作。 〖提高要求〗l)发光器件和光接收器之间的距离大于lM(提示：若距离较远可增大发光二极管的电流，这种情况下只能采用脉冲供电方法，此时有物体和无物体其输出频率会产生变化 2)有抗干扰技术，防止背景光和瓶子抖动产生计数误差 3每计数100，用灯闪烁2S 指示一下 进度安排 1. 仿真、画PCB 线路板图、领元器件：2天 2. 制作、焊接：2天3．调试：3天 3. 验收：1天 4. 提交报告：13-14学年第一学期3～7周 学生姓名： 指导时间：第2～3周 指导地点： 任务下达 13年 9 月 7 日 任务完成 年 月 日 考核方式 1.评阅 □√ 2.答辩 □√ 3.实际操作□√ 4.其它□ 指导教师 系（部）主任
摘要 光电计数器的设计可对物件计数，计数物件速度可慢、可快，它在生产流水线包装数量控制等领域广泛应用，既节省劳动力又高效地完成任务。 设计采用模数结合电路。电路主要分为信号采集电路、两位十进制计数电路、数码显示电路、报警电路四个模块，分别实现对通过光电门的物体感应，计数，显示，报警。当计数达到预设数目后，停止计数并报警，可手动清除报警。 关键词：计数感应报警
cd4017计数器的工作原理
cd4017工作原理及应用电路图 CD4017功能简述: CD4017是5位Johnson计算器，具有10个译码输出端，CP，CR，INH输入端。时钟输入端的斯密特触发器具有脉冲整形功能，对输入时钟脉冲上升和下降时间无限制。INH为低电平时，计算器在时钟上升沿计数；反之，计数功能无效。CR为高电平时，计数器清零。Johnson计数器，提供了快速操作，2输入译码选通和无毛刺译码输出。防锁选通，保证了正确的计数顺序。译码输出一般为低电平，只有在对应时钟周期内保持高电平。在每10个时钟输入周期CO信号完成一次进位，并用作多级计数链的下级脉动时钟。 CD4017逻辑结构图: CD4017 Logic Diagram 逻辑图
CD4017的引脚图 CD4017引脚功能： C D4017内部是除10的计数器及二进制对10进制译码电路。CD4017有16支脚，除电源脚VDD及VSS为电源接脚，输入电压范围为3–15V之外，其余接脚为： A、频率输入脚：CLOCK(Pin14)，为频率信号的输入脚。 B、数据输出脚： a、Q1-Q9(Pin3，2，4，7，10，1，5，6，9，11)，为解码后的时进制输出接脚，被计数到的值，其输出为Hi，其余为Lo 电位。 b、CARRY OUT（Pin12），进位脚，当4017计数10个脉冲之后，CARRY OUT 将输出一个脉波，代表产生进位，共串级计数器使用。 D、控制脚： a、CLEAR(Pin15)：清除脚或称复位(Reset)脚，当此脚为Hi时，会使CD4017的Q0为”1”，其余Q1-Q9为”0”。 b、CLOCK ENABLE(Pin13)，时序允许脚，当此脚为低电位，CLOCK输入脉波在正缘时，会使CD4017计数，并改变Q1-Q9的输出状态。