光电检测技术论文

光电检测技术的特点、应用现状及发展前景

【摘要】光电检测技术是光电信息技术的主要技术之一，是利用光电传感器实现各类检测，即将被测量转换成光通量，再将光通量转换成电量。随

着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理技术的提高，它以

测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高

及自动化程度高等突出特点发展十分迅速，应用现状非常好，并且有

着很好的发展前景。

【关键词】光电检测，光电传感器，特点，应用现状，发展前景

引言：随着现代科学技术以及复杂自动控制系统和信息处理与技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用发展起来的新兴学科，已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。光电检测技术具有测量精度高、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，令其发展十分迅速，并推动着信息科学技术的发展。它将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等领域。本文从光电检测技术本身特点出发，简述它在工业、资源、环境测温等领域的应用现状及其发展前景。

1，光电检测技术

1.1光电检测技术的原理

光电检测系统的工作原理图如下图所示：

光电检测系统原理图

1.2光电检测技术的特点

光电检测技术将光学技术与电子技术相结合实现对各种量的检测，具有如下特点：

①高精度。光电检测的精度是各种检测技术中精度最高的一种，如用激光干涉法检测长度的精度可达0.05um/m;光栅莫尔条纹法测角可达0.04"；用激光测距法测量地球与月球之间距离的分辨率可达1m。

②高速度。光电检测以光为媒介，而光是各种物质中传播速度最快的，无疑用光学的方法获取和传递信息是最快的。

③远距离、大量程。光是最便于远距离传播的介质，尤其适用于遥控和遥测，如武器制导、光电跟踪、电视遥测等。

④非接触检测。光照到被测物体上可以认为是没有测量力的，因此也无摩擦，可以实现动态测量，是各种检测方法中效率最高的一种。

⑤寿命长。在理论上光波是永不磨损的，只要复现性做得好，就可以永久地使用。

⑥具有很强的信息处理和运算能力，可将复杂信息并行处理。用光电方法还便于信息的控制和存储，易于实现自动化，易于与计算机连接，易于实现智能化等。

1.3光电检测技术与其他检测技术的对比

1)与无损检测技术的对比

无损检测技术主要用于未知工艺缺陷的检验。它是对破坏性检验的补充和完善。其特点是：

①非破坏性，是指在获得检测结果的同时，除了剔除不合格品外，不损失零件。因此，检测规模不受零件多少的限制，既可抽样检验，又可在必要时采用普检。因而，更具有灵活性（普检、抽检均可）和可靠性。

②互容性，即指检验方法的互容性，即：同一零件可同时或依次采用不同的检验方法；而且又可重复地进行同一检验。这也是非破坏性带来的好处。

③动态性，这是说，无损探伤方法可对使用中的零件进行检验，而且能够适时考察产品运行期的累计影响。因而，可查明结构的失效机理。

④严格性，是指无损检测技术的严格性。首先无损检测需要专用仪器、设备；同时也需要专门训练的检验人员，按照严格的规程和标准进行操作。

⑤检验结果的分歧性，不同的检测人员对同一试件的检测结果可能有分歧。特别是在超声波检验时，同一检验项目要由两个检验人员来完成。需要“会诊”！可以看出无损检测技术和光电检测技术的测量速度都非常快，效率高，而且都可以实现动态测量，但检测精度没有光电检测技术高。

2)与电子检测技术的对比

与电子系统载波相比，光电系统载波的频率提高了几个数量级。这种频率量级上的变化使光电系统在实现方法上发生了质变，在功能上也发生了质的飞跃。主要表现在载波容量、角分辨率、距离分辨率和光谱分辨率大为提高，因此，在通信、雷达、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。

2，光电检测技术的应用现状

2.1基于光电检测技术的辐射测温仪的研制

1）辐射测温仪系统设计

该辐射测温仪主要由光学系统，光电探测器，光电检测电路，温度补偿，信号采集与处理，温度显示六部分组成。高温物体的热辐射能量经过光学系统的汇聚，然后经过光纤传输到光电探测器上，光电探测器把光信号转换为微弱的电信号，对电信号进行信号调理，最后对调理后的信号进行采集并处理，再经过相应的算法运算，最终显示物体的温度。该测温仪的整体框图如下：

图1测温仪的整体框图

1）光学系统设计

①光学系统框图

光学系统是测温仪的一个关键部分，其主要作用是通过精确成像的方法，最大量地把辐射能量注入光纤，最终汇聚到光电敏感元件接收面上，以达到准确、有效的测温。光学系统的框图如下：

光学系统中的平板透镜主要用来保护后边的光学元件，其具有抗高压，抗高温的作用。两个凸透镜负责把辐射能量汇聚到光纤接头，然后再经过滤光片把需要波段的辐射能量汇聚到光电探测器上。在辐射测温技术中，探测器是一个核

心元件，其作用是将物体的光辐射能量有效地转变为易于测量的电信号。而PIN 光电二极管具有灵敏度高，响应速度快，噪声低的特点，故该测温仪选用的型号为S1336-44BK的硅PIN光电二极管。

2）测温仪硬件设计

①，硬件整体框图

测温仪的电路系统框图如图2所示，主要有I/V转换电路、电压跟随器、程控放大器、AD数据采集、微处理器、显示电路组成。

图2硬件部分整体框图

I/V转换电路把微弱的光电流转换为电压信号，微处理器控制程控放大器和AD对电压信号进行采集，并结合周围环境温度对采集过来的信号进行相关算法处理，最后显示测量的物体的实际温度。

②，光电检测电路设计

光电二极管在光照下会产生于光强成比例的小电流。其可以在光电压模式和光电导模式两种模式下工作，光电压模式具有最佳的精密度和线性度；而光电导模式线性度不佳，即使在没有光照的情况下也有少量的暗电流流过。为了获得更好的线性度和低噪声，应选用光电压模式的光电二极管的工作模式。

将光电二极管的输出电流转换成可用的电压信号，要采用低偏置电流运放来构成电流-电压转换电路。JFET输入、静电计级的运放是理想的光电二级管前置放大器，但是其只能在有限的温度范围内工作。而采用BIFET工艺，并使用P沟道JFET管作为输入级的器件，其他部分均采用双极性器件，BIFET型器件还在晶片级进行过激光微调，以减少失调电压和温漂。对输入级进行微调使JFET差分对的电流相等，就能减少失调电压的漂移，对JFET源电阻进行微调，就能减少输入失调电压。

经过上述分析，该辐射测温仪的光电检测电路选用了AD795为光电二极管的前置放大器，其光电检测电路如下：

图3光电检测电路

光电检测电路中，反馈电阻非常关键，必须选用高精密的低温度漂移型电阻，R5应选用薄膜材料，或在陶瓷或玻璃上的金属氧化物制成。校正电容成C2应选用电介质损失最小的电容，如薄膜型、聚四氟乙烯或聚丙烯型电容。

③，数据采集与处理电路设计

对调理后的信号进行采集。必须选择适当的AD采集芯片，要在要求的测温范围内达到一定的分辨率，根据技术要求，选择ADI公司的12为AD芯片（AD7862)采集数据，这样可满足分辨率的要求。辐射测温仪选用的核心处理器是ALTEML公司的ATmega16。ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其主要实现相关器件的控制、算法处理及显示驱动。

④，温度补偿及数据显示设计

光电二极管的并联电阻在室温下的阻值可达1000M/Ω量级，温度每升高10℃，电阻的阻值就减少一半，输入的偏置电流就增大1倍。这样测温仪的测量精度与周围环境温度有着重要的关系。为此仪器工作的环境温度必须考虑进去，本测温仪采用美国DALLAS公司生产的数字化温度传感器DS18B20，其在-10至+85℃范围内，精度为+0.5℃。微控制器控制DS18B20来检测周围环境的温度，然后在根据周围环境的温度和被测物体的发射率对测量的数据进行修正，最后把正确的温度值用四位段数码管显示。

⑤，电路抗干扰设计

干扰问题是电路设计中必须解决的关键问题之一，抗干扰性能的优劣是衡量一个仪器好坏的重要指标。由于输入的光电信号比较微弱，因此外界干扰极易影响到测温仪的精度和稳定度，因此要采用一些抗干扰的措施来提高硬件电路的性能。首先要采用电路防护技术来克服漏电流。将前置运放的敏感引脚和PCB上的大电压梯度区域隔离开来，从而减少寄生漏电流；为了进一步减少漏电流和外界的干扰，整个光电信号调理电路可以用金属材料进行屏蔽，以及防止杂散

信号干扰。

3）测温仪的标定

辐射测温仪的标定技术，根据应用对象的不同，可以分为定点标定技术和比较标定技术。定点标定是以热源为标准，复现并传递温度。定点标定技术通过对高精度标准温度源的测量，并将其输出信号与上一级精度的测温仪表的输出温度对比，对仪表进行分度和确定其工作参数。

本测温仪的标定采用是定点标定技术。通过对标准黑体炉温度的测量，来对比测温仪采集过来的信号，然后对黑体的温度与采集的值进行对比，根据相关算法拟合出实际黑体温度与值对应的关系曲线，得到拟合出来的曲线函数后，再综合考虑被测物体的发射率和周围环境温度，由微控制器进行相关的修正算法的处理计算出实际温度，并送显示器。

该标定方法要结合被测物体的发射率和周围环境温度对测温仪进行多次的较正，才能提高测温仪的精度。根据校正记录数据，拟合的黑体炉温度与AD值之间的关系。在700至1100℃时，程控放大器设为高增益档位，对采集的AD值和标准黑体炉的温度进行相关算法的处理，拟合的曲线如图4所示：

图4低温段黑体炉温度与AD值的关系

在1100至1500℃时，程控放大器设为中增益档位，结合实际测量记录的数据，拟合的黑体炉与值之间的关系如图5所示：

图5中温段黑体炉温度与AD值的关系

对于1500℃以上的标定，由于选用黑体炉的最高温度为2000℃，为了保护黑体炉，实际标定时，只测量到1600℃。但是根据测量的数据，从理论上可以推断出1600至2000℃之间的温度与AD值的关系应该符合拟合出来的曲线。

图6高温段黑体炉温度与AD值的关系

辐射测温仪

4）小结

该辐射测温仪采用光电技术实现测温，不需要接触被测物体就可以测量温度比接触式测温（如热电偶测温）方便，且灵敏度高，测量误差小，成本低，具有

很高的使用价值。但该测温仪标定比较复杂，易受被测物体反射率和测量现场周围环境的影响，要做规定的时间内对光学系统进行清理，并从新标定，因此要进一步研究比色测温和多光谱测温方法，克服仪器标定和物体发射率及周围环境的影响。

2.2光电检测技术在房地产质量检验方面的应用

2.2.1在确定建筑施工基准过程中的应用

用于房地产质量监督的光电测试设备主要有光电经纬仪、全站仪、光电天顶仪、激光重力锤等。其中,最具代表性的是全站仪。全站仪的全称是全站型电子速测仪,它是由光电测距仪、电子经纬仪和数据处理系统组成,能够在一个测站自动测距、测角,并同时完成平距、斜距、高差、高程、坐标以及放样等方面的数据计算。其主要特点:自动测距、自动计算、自动进行气象和地球曲率改正,并进行自动观测和记录等。

2.2.2在建筑材料及结构件内部缺陷检测方面的应用

红外热成像技术是建筑材料及结构件内部缺陷检测的主要手段。其基本原理是:对待测试件加载应力、热辐射或超声波,对比加载前后的红外图片,发现材料内部的缺陷。图1是采用超声波激励红外热检测铝试件中裂纹的热图序列,从中可以清楚看出裂纹的大小、形状和取向等。

在材料缺陷检测中,为了区分由表面散射引起的混乱和内部缺陷引起的表面温度异常,美国的劳伦斯立夫莫尔实验室开发了双频红外热像检测系统,将3um 至5um波长热像图和8um至12um波长热像图进行对比处理,去除由于表面混乱引起的温度异常,从而得出真实的缺陷位置、形状、大小和深度等参数。

在国内,材料内部缺陷的检测已经成为无损检测的重要内容。目前,有东南大学、北京航空航天大学、清华大学等单位的研究人员分别对玻璃钢内部脱粘、复合材料内部分层缺陷、碳纤维混凝土基体界面层缺陷等多种材料内部缺陷的

红外检测技术进行了试验研究。

对混凝土内部缺陷深度和大小的检测,同济大学的研究人员从实际与模拟相结合的角度出发,采取红外热图像与数值模拟相结合的手段,采用LM神经网络算法,实现对混凝土板内部缺陷的三维重构,即称红外CT模拟。这种方法不仅可以获得构件表面每一点的缺陷深度与厚度,并且可用于任意形状的缺陷。

2.2.3在墙面粘贴质量监督中的应用

同济大学与上海房地产科学研究院对建筑外墙面饰面砖损伤红外热像检测进行了系统的试验研究,试验结果表明,利用红外热像技术进行外墙面砖损伤检测,得出的空鼓面积率与现场锤击法检测结果一致,但比现场锤击法更快捷。

红外热像技术进行外墙面砖损伤检测的原理是:当建筑物的饰面层与墙体的粘贴有剥离、空鼓时,因空气的导热系数较低,经墙体传递的热量会在缺陷处堆积,使得缺陷的温度与正常部位的温度不一致,通过红外热像图可得知缺陷的位置与大小。显然,在晴好的夏秋季节比现场锤击法更有优势。

2.2.4在在用建筑隐蔽泄漏探测方面的应用

红外热像技术也可用于在用建筑隐蔽泄漏的探测,其原理可以是热阻法或热源法。热阻法:屋面防水层失效和墙面微裂,会造成雨水渗漏。由于室内热扩散,阳光被吸收和传导均可暴露渗漏部位与周边温度分布的差异,因而可采用红外热像技术加以检测、分析判断,检出水分渗入隐匿部位。热源法:如果建筑物深层相对于周围的材料表现出热或凉,则其表面的温度也相应地表现出高或低,借助红外热像仪可探测出这一深层热或凉的位置,我们通常称之为热源法。

如果地下管道隔热层断裂,那么在表面将会产生热点,此类故障可用热像仪直接测得;如果管道热水泄漏浸透周围区域,使区域导热性增加,从而使周围温度比无泄漏干燥区温度高,据此可以探测到泄漏部位。图2为在用建筑隐蔽泄漏的红外热像图,其中颜色的红、黄、绿、蓝表示温度从高温区到低温区的变化。

2.2.5结语

光电检测属于高新技术范畴,特别是红外热像技术是国际上建筑物无损检测的发展方向。它具有独特的优点,但也有自身的不足[7]。例如,室外应用时,有

时需要借助太阳光,有时必须消除太阳光的干扰。作者相信,经过不断的研究和实践改进,形成新的技术规范以后,特别是与其他技术互补组合以后,光电检测在房地产质量检验方面会有更多的应用。

2.3光电检测技术在大容量棉纤维长度测试中的应用

2.3.1系统测试原理

采用光电检测技术测试棉纤维的长度，首先是从松散棉样中随机抓取约120g，用螺旋式梳夹(长度120mm)锁紧后，经梳刷处理除去浮游纤维，并使被抓取的纤维伸直平行;然后使纤维在一定的张力下伸展，并通过光电检测器;利用棉纤维随梳夹在梳架上移动，改变光源透射到光电接收器上的光强，该光强的变化由光电接收器转换成代表纤维束各伸出长度处的电信号，由此形成棉纤维长度的分布曲线，从而计算出棉纤维长度的各项指标。棉纤维长度的光电检测属于透射式光强度调制检测技术，虽然技术相对简单，但是其检测灵敏度、精度和可靠性相对较高。

根据棉纤维材料的性质，当光投射过被测棉纤维时，光被吸收，透过的光强由郎伯－比尔定律表示:I=Ioe)(l kr?(1)

式中:I———被测棉纤维束的透射光强度;

Io———被测棉纤维束的入射光强度;

k———被测棉纤维束的吸光系数;

r(l)———被测棉纤维束不同伸出长度处纤维的相对量。

因此，由式(1)可得:

r(l)=ln(Io/I）/k(2）

棉纤维长度的光电检测系统就是以(2)式为理论基础，采用两路光电检测，一路测量光源入射到被测棉纤维束的入射光强度Io，另一路测量光源入射到被测棉纤维束后的透射光强度I，并分别转换成相应的电信号，然后进行对数处理放大后，输出一个与被测棉纤维束有关的ln(Io/I)信号，即被测棉纤维束不同伸出长度处纤维的相对量信号r(l)，由此形成棉纤维长度的分布曲线，从而计算出棉纤维长度的各项指标。

2.3.2光电检测系统设计框图

根据上述测试原理，以及实际设计的电路图，画出光电检测系统框图，如下图所示：

光电检测系统框图

1）光学部分设计

该系统的光学部分由光源、光源导光板、接收聚光透镜及光电接收器Pa和Pb等组成两条光路，见下图：

光学部分框图

光源采用经过严格光强匹配之诸多发光二极管，组成条状光源，由于发光二极管的发射角度做得比较小，使立体角的光能量得到提高，被测纤维束所得到的光强也相应提高，有利于光电信号的检出，光源导光板由特殊的材料制成，确保把光源发出的光变成一条均匀平行的光带，使光均匀平行地照射到被测纤维束上。接收聚光透镜是根据光的全反射原理制成的一个梯形的光学透镜，确保把被测棉纤维束有效测量宽度内的透射光聚集到光电接收器Pa上。光电接收器Pb采用光电二极管。光电接收器Pa为线性度噪声低且在光源波长处有最大接收灵敏度的光电池。光源发出的光一部分经过光源导光板，照射到被测纤维束上，透过的光经过接收聚光透镜，把被测棉纤维束有效测量宽度的透射光聚集到光电接收器Pa，被测纤维束处于光源导光板和接收聚光透镜间，这是一条测量光路。另一部分光直接传输到光电接收器Pb，称为参考光路。

另外，参考光路上的光源和光电接收器Pb密封在一起;测量光路上的光源导光板、接收聚光透镜及光电接收器Pa，由结构组件限制试场角的大小，阻挡杂散光进入光电接收器Pa，从而有效地降低了背景噪声，提高了信噪比，保证两路光信号传输准确。

2）光电转换部分设计

由测量光路传输来的包含有被测纤维束各伸出长度处的光信号，经专用的光电池转换成电压信号Ea(如式3所示)。同时，参考光路直接传输的光信号经光电二极管转换成电压信号Eb(如式4所示)。

Ea=I·Ka·εa(3)

Eb=Io·Kb·εb(4)

式中:Ka、Kb分别为测量光路和参考光路的损耗系数;

εa、εb分别为光电池Pa和光电二极管Pb的转换系数。

由式(1)和式(3)可得

Ea=Io·e)(l kr?·Ka·εa(5)

另外，专用的光电池长度比接收聚光透镜的出光面长度长4mm，有效地避免了光电池进行光电转换时可能出现的边缘效应，使光电池转换成的电信号能真实地

反映测量光路上的光强变化。

3）调制和解调电路设计

对该光强度调制检测系统而言，光源的光强漂移和干扰光的影响是信号不稳定的主要因素，为了有效地消除光强的漂移和测量现场可能出现的各种干扰光(主要是指照明光、日光和一些不可预测的杂散光)的影响，对光源进行调制，并对两路光电接收器输出的电信号进行解调，这是非常有效的方法。在该光检测系统中，通过脉冲发生器产生的脉冲对光源所加的电压进行通断控制，从而实现了对光源的调制;通过采用与输入信号同频、同相且有足够幅值的方波信号作为参考信号，相敏解调电路对光电转换信号进行解调，有效地抑制了干扰噪声，提高了信噪比;通过低通滤波器滤除高频分量后，就得到了与调制信号成正比的参考回路和测量回路的解调电压信号。

4）对数处理电路设计

该部分电路由零点调节器、专用对数模块、可调增益放大器和附属元件组成，对数处理电路框图如下所示：

对数处理电路模块

其中，专用对数模块由低偏运放、对数转换器件、温度补偿电路等组成。该电路的输出电压为:

Eo =ln(a·Eb /Ea)(6)

结合式（4）和式（5）可得：

Eo =ln［a·Eb·εb /Ea·εa］+ln［I /e )(l kr ?］·

Ka·εa （7）

式中，a 是参考光电信号Eb 回路的可调放大倍数，即零点调节器，调节a，使式(7)中的第一项为零，则可得到:

Eo =Kr(l)(8)

式(8)表明，对数处理电路的输出信号与被测纤维束伸出长度的分布曲线相一致。

2.3.3结语

光电检测方法的测试指标与传统的测试指标有较强的相关性，但由于测试原理的区别，没有确定的换算公式，应按照新的测试指标摸索新的配棉方式。光电测量方法比传统的测试方法指标多，检测速度快，结果重复性好，可以提供上半部平均长度、长度整齐度、短纤维指数等多个指标，一个试样所需的测量时间在10～15min。此外，其操作较方便，完成取样并将梳夹置入到仪器的插槽后的其他工作完全由计算机来完成。为配棉和后道产品质量预测提供了信息，使得原棉逐包检验、分类，实现计算机配棉管理成为可能。

3.光电检测技术的发展前景

光电检测技术的产生使人类能更有效地扩展自身的视觉能力，使视觉的长波延伸到亚毫米波、短波延伸到紫外线、X射线，并可以在超快速度条件下检测诸如核反应、航空器发射等变化过程。光电检测技术以其所具有高精度、速度快、非接触、频宽与信息容量极大、信息效率极高、以及自动化程度高等突出特点，将光学技术与现代电子技术相结合，广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域。

在工业领域方面主要表现在在线检测如零件尺寸、产品缺陷、装配定位；汽车传感器中如汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容，以及温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等。

家庭应用方面主要表现在我们日常生活的用品中，如数码相机、数码摄像机的自动对焦—红外测距传感器；自动感应灯的亮度检测—光敏电阻；空调、冰箱、电饭煲的温度检测—热敏电阻、热电偶；电话、麦克风的话音转换—驻极电容传感器等。

医疗卫生应用方面主要表现在：数字体温计中接触式—热敏电阻，非接触式有红外传感器；电子血压计的血压检测的压力传感器；血糖测试仪、胆固醇检测仪的离子传感器等。

在国防和军事应用方面方面表现在夜视瞄准机系统的非冷却红外传感器技术、地基拦截器、早期预警系统、前沿部署（如雷达）、管理与控制系统、卫星红外线监测系统的方面。

光电检测技术在航天领域的应用主要用于检测参数—加速度、温度、压力、振动、流量、应变、声学等传感器方面。

从上面所述的应用现状可以看出，随着光电检测技术的发展及现代化进程的不断推进，光电检测技术的应用领域将越来越广，将广泛应用于工业、农业、家庭、医学、军事和空间科学技术等许多科学领域，其应用前景是相当乐观。

光电检测技术的发展趋势主要表现在：

①高精度方向发展：检测精度向高精度方向发展，纳米、亚纳米高精度的光电测量新技术是今后的发展热点；

②智能化方向发展：检测系统向智能化方向发展，如光电跟踪与光电扫描测量技术；

③数字化方向发展：检测结果向数字化，实现光电测量与光电控制一体化方向发展；

④多元化方向发展：光电检测仪器的检测功能向综合性、多参数、多维测量等多元化方向发展，并向人们无法触及的领域发展，如微空间三维测量技术和大空间三维测量技术；

⑤微型化方向发展：光电检测仪器所用电子元件及电路向集成化方向发展；光电检测系统朝着小型、快速的微型光、机、电检测系统发展；

⑥自动化方向发展：检测技术向自动化，非接触、快速在线测量方向发展，检测状态向动态测量方向发展；

以上这些发展趋势是现代化生产的需要，是现代科学技术发展的需要，是国防建设的需要。

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