光电检测技术在工业中的应用现状与发展趋势资料

光电检测技术课程论文

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光电检测技术在工业中的应用现状与发展趋势【摘要】:本文明确了光电式传感器的工作机理,简要论述了光电检测技术在工业自动

化技术中的地位和作用,列举了其在现代工业生产中的应用实例,介绍了光电检测系统

的发展趋势及近年来研究热点，分析光电产业现状并展望了其应用景。

【关键词】:光电检测光电传感器工业应用

0 引言

光电传感器由于反应速度快．能实现非接触测量．而且精度高、分辨力高、可靠性好．加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。从上述分析可知，现代信息技术的主体是光子技术与微电子技术．而光子技术与微电子技术结合，它们相互交叉、相互渗透与补充，就形成了光电信息技术，光电信息技术的主要内容是电一光信息转换和光一电信息的转换及其应用．是现代信息技术的基础和核心。

1 光电产业发展现状

1.1 光电产业概况

光电产业被认为是2l世纪全球经济发展的。战略性行业”之一，是一个比较庞大的产业，它涉及到了社会的方方面面。按综合传统习惯和近年来细分产业发展趋势，产业可以具体分为以下几方面：

1)液晶产业液晶产业的市场规模日益增长，TFT2LCD下游应用设备中液晶显示屏，笔记本电脑、液晶电视、手机需求都呈现出强劲的增长势头。

2)发光二极管显示屏产业LED显示屏行业是一个新兴的阳光产业。作为重要的现代信息发布媒体之一，它在证券交易、金融，交通、体育、舞台、广告等领域得到广泛应用。3)光电器件及照明产业LED照明器件可能是继煤油灯，电灯之后照明的第三次革命。LED原材料、外延、芯片、封装、应用及相关配套件，设备仪器仪表等已形成完整的产业链。但是目前，白光LED要真正进入家庭照明及商业场所照明还要一段时间，还要克服技术性能和成本两大障碍。

4)激光产业，国内从事激光器及激光应用设备生产的单位约500多家。激光及应用的销售集中体现在光存储，激光测距和准直、激光医疗设备以及激光加工设备等方面。激光行业正面临极好的发展时期。提倡技术创新和振兴现代制造业的科技兴国战略将带动激光加工设备、激光测量仪器、激光检测设备以及激光元器件等产品的研制和生产。

5)光学产业由于发达国家已基本退出光学冷加工行业，向现代光电技术和光学设计领域集中，因此全球光学冷加工产业向中国转移的格局已基本形成，大多聚集于珠三角和长三角地区。冷光学工业主要技术发展趋势有塑胶镜片、非球面镜技术，低熔点光学玻璃透镜模压成型技术。

1.2 全球光电产业的发展现状

美国政府一向以科技发展作为经济增长和军事发展，早已将光电子技术列入“美国国家关键技术”、“商务部新兴技术”和“国防部关键技术”的研究计划。1998年美国在亚利桑那州南部的Tucson，以亚利桑那大学为中心建立了“光谷”，“光谷”内企业约150余家，主要从事精密电子零件、电子设计软件研发和定位系统等。

以三星公司为首的平板显示器供应商，在积极地扩大产能，建立新的生产线以满足市场的需求，LED显示器已转向家用电视机，不断扩大屏幕尺寸、降低成本和提高亮度。世界光电产业中，光存储、光显示和光电子应用日益活跃，半导体发光二极管在全色显示和手机背光照明灯产品中将会大量应用。光伏发电将在21世纪前半期成为重要的能源之一，世界光伏产业将以每年3 O％以上的增长率保持高速展。到2015年前后，半导体照明的跨越式发展即将来临。在光电产业，哪个国家或地区取得了主动权，它就会在2l世纪的尖端科技的较量中魁。

2 光电检测技术

2.1 光电检测技术的特性

光电检测术是光电信息技术的主要技术之一．它主要包括光电变换技术、光信息获取与光信息测量技术以及测量信息的光电处理技术等。如用光电方法实现各种物理量的测量，微光、弱光测量，红外测量，光扫描、光跟踪测量，激光测量，光纤测量，图象像测量等。

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测量．它具有如下特点：

1)高精度。光电测量的精度是各种测量技术中精度最高的一种。如用激光干涉法测量长度的精度可达0．05斗m／m。

2)高速度。光电测量以光为媒介，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)非接触测量。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．是各种测量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，可以永久的使用。

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。

2.2 设计方法

光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的．它的基本结构是首先把被测量的变化转换成光信号的变化．然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号．光电传感器一般由光源．光学通路和光电元件三部分组成．由于被测对象复杂多样．故检测系统的结构也不尽相同。一般电子检测系统是由传感器、信号调理器和输出环节三部分组成。

光电传感器处于被测对象与检测系统的接口处．是一个信号变换器。它直接从被测对象中提取被测量的信息．感受其变化．并转化成便于测量的电参数。

传感器检测到的信号一般为电信号。它不能直接满足输出的要求。需要进一步的变换、处理和分析，即通过信号调理电路将其转换为标准的电信号。输出给输出环节。

根据检测系统输出的目的和形式的不同。输出环节主要显示与记录装置、数据通信接口和控制装置。传感器的信号调理电路是由传感器的类型和对输出信号的要求决定的。不同的传感器具有不同的输出信号。能量控制型传感器输出的是电参数的变化．需采用电桥电路将其转换成电压的变化．而电桥电路输出的电压信号幅度较小．共模电压又很大．需要用仪表放大器进行放大．在能量转换型传感器输出的电压、电流信号中一般都含有较大的噪声信号．需加滤波电路提取有用的信号．而滤波出无用的噪声信号。而且，一般能量型传感器输出的电压信号幅度都很低．也许才用仪表放大器进行放大。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，在信道、雷达、通信、精导、导航、测量等领域获得广泛应用。

3 光电检测技术在现代工业中的应用

3.1 光电带材跑偏检测仪

冷轧带钢厂的某些生产工艺采用连续生产方式,如连续酸洗、连续退火和连续镀锡等。在这些生产线中,带钢在运送过程中容易在传送带上发生跑偏,致使其边缘与传送机械发生碰撞和摩擦,从而产生卷边和断裂,造成废品,同时,也会使传送机械损坏;所以,在自动生产过程中,检

测带钢的跑偏量并随时给予纠偏,才能使生产线高速运行。光电带材跑偏检测仪用来检测带材在加工中偏离正确位置的大小及方向,是为纠偏控制电路提供纠偏信号而设计的。光电带材跑偏检测仪的工作原理如图1所示,由光电式边缘位置传感器和测量电桥放大电路组成。

图1 光电带材跑偏检测仪工作原理图

从图1可以看出,光源发出的光经过透镜2 汇聚成平行光束后,再经透镜3汇聚入射到光敏电阻R1上,透镜2、3分别安置在带材相关位置的上、下方,在平行光束到达透镜3的途中,将有部分光线被带材遮挡,从而使光敏电阻受照的光通量减少。R1和R2 是同型号的光敏电阻,R1 作为测量元件安置在带材下方,R2 作为温度补偿元件,将其用遮光罩覆盖,R1 ~R4 组成1个电桥电路,当带材处于中间位置时,通过预调电桥平衡,使放大器输出电压U 0为零。如果带材在运送过程中左偏时,遮光面积减小,光敏电阻的光照增加,阻值变小,电桥失衡,放大器输出电压U 0 为负值;若带材在运送过程中右偏,则遮光面积增大,光敏电阻的光照减弱,阻值变大,电桥失衡,放大器输出电压U 0 为正值。输出电压

U0 的正负及大小反映了带材走偏的方向及大小。一方面,输出电压U 0 由显示器显示出来;另一方面,由纠偏控制系统作为驱动执行机构,产生纠偏动作的控制信号。

3.2 光电式烟尘浓度计

工厂烟囱烟尘的排放是环境污染的重要来源,为了控制和减少烟尘的排放量,对烟尘的监测是必要的。如图2所示为光电式烟尘浓度计的工作原理图。

图2 光电式烟尘浓度计工作原理图

光源发出的光线经半透半反镜分成2 路发光强度相等的光线。一路光线直接到达光敏三极管上,产生作为被测烟尘浓度的参比信号;另一路光线穿过被测烟尘到达光敏三极管上,其中一部分光线被烟尘吸收或折射,烟尘浓度越高，光线的衰减量越大,到达光敏三极管的光通量就小。2 路光线均转换成电压信号U1、U2,由运算器计算出U1和U2的比值,从而进一步计算出被测烟尘的浓度。

采用半透半反镜及光敏三极管作为参比通道的好处是,单光源的光通量由于种种原因有所变化,或因环境温度变化,引起光敏三极管灵敏度发生变化时,由于2 个通道结构完全一样,所以在最后运算U 1/U 2 时,上述误差可自动抵消,从而减小测量误差。根据这种测量原理也可以制作烟雾报警器,以及时发现火灾隐患。

3.3 光电开关

光电开关通常都是由光电式传感器和控制器组成,控制器对光电式传感器输出的电信号进行处理,并做出相应的开关响应。光电开关可以分为透射型和反射型。透射型光电开关的发射器和接收器相对安放,轴线严格对准,当有物体在其间通过时,红外光束被遮断,接收器因接收不到红外光束而产生1个电脉冲信号。反射型光电开关又分为2种类型:反射镜反射型和被测物体反射型(散射型)。反射镜反射型的光电式传感器单侧安装,需要调整反射镜的角度,以取得最佳的反射效果,其检测距离不如散射型;散射型安装最为方便,并且可以根据被检测物上的黑白标记来检测,但散射型的检测距离较小,只有几百微米。

光电开关可用于生产流水线统计产量,检测装配件到位与否及装配质量(如瓶盖是否压合上等),并且可以根据被测物的特定标记,发出自动控制信号。目前,已经广泛应用于自动包装机、自动灌装机和装配流水线等自动化机械装中。几种不同类型的光电开关如图3所示。

图3 光电开关

3.4 光电式转速仪

光电式转速仪利用光电式传感器将旋转体的转速变换成相应频率的电信号,通过放大整形电路加工成方波信号,采用转速对应的频率及电路测出方波信号频率,经处理后,由显示器显示旋转体每分钟转动的圈数,即转速。采用上述方法进行转速测量时,所需传感器结构简单,测量精度高。与机械式转速表和接触式电子转速表相比,其可实现非接触测量;因此,不会影响被测物体的旋转状态。由于光电元器件的反应速度快,动态性较好;因此,特别适合高转速的测量。

图4 光电式转速仪工作原理图

光电式转速仪分为缠绕反射式和直射式2种。反射式光电转速仪的工作原理如图4a所示。用金属箔或反射纸缠绕在转轴上,贴出一圈黑白相间的反射面,光源发射的光线经透镜1、半透膜和聚焦透镜3投射在转轴反射面上,反射光经聚焦透镜2汇聚后,照射在光电元件上,产生光流。该转轴旋转时,黑白相间的反射面造成反射光的强弱变化,形成频率与转速及黑白间隔数有关的光脉冲,使光电元件产生相应电脉冲。当黑白间隔数一定时,电脉冲的频率便与转速成正比。此脉冲经测量电路处理后,就可以得到转轴的速。

直射式光电转速仪的工作原理如图4b所示。转轴上装有带孔的圆盘,圆盘的一边设置光源,另一边设置光电元件。圆盘随转轴转动,当光线通过圆盘上的小孔时,将使光电元件产生一个电脉冲,转轴连续转动,光电元件就输出一列与转速及圆盘上孔数成正比的电脉冲数,在孔数一定时,电脉冲数和转速成正比。电脉冲输入测量电路后被放大和整形,再送入频率及进行显示,也可专门设计一个计数器进行计数和显示。

光电式转速仪实物如图5所示。

图5 光电式转速仪

3.5 清洁玻璃检测

散射型光电传感器最困难的应用之一就是检测透明材料。因为散射型光眼是依靠目标的反射光实现检测的，所以象清洁玻璃或透明塑料类材料就很难检测到。如今的光电传感器由于技术的进步，检测清洁玻璃已不再是不可能的了。

一种用于传送玻璃板的空吸杯自动系统工作过程如下：机械手把迭在一起的玻璃板一次一块地搬送到传送带上。如果玻璃出现，则超声装置启动空吸杯，之后的任务就交给了光电传感器。当机械手抓起玻璃詹，光眼连续监测空吸杯下面的玻璃位置，直到机械手将玻璃传送给等待中的传送机为止。这种系统可靠性是关键，如果光眼没有检测到玻璃片，则空吸杯会立即停吸，玻璃将落地摔碎。

当玻璃堆的玻璃运空时，最后只剩下一块尺寸与玻璃板一样大小的碳板。超声传感器无法区分玻璃和碳板，但是带微处理器的光眼却能识别出玻璃的反射性，而拒绝碳板，防止搬起非玻璃材料和造成误动作。因此，这里超声和光电传感器都需要。由于带微处理器而不是

用电位器控制的，所以这种装置本身不用对，也没有振动引起的漂移。

3.6 光电检测技术在光纤通信与光纤传感

领域的应用

3.6.1 概述

近年来光电检测技术已在光纤通信与光纤传感领域得到了广泛的应用。它对整个系统的信号处理影响极大，起着连接传感光路与电路的桥梁作用。光电检测出来的信号通常很微弱M。一般处于纳瓦级．甚至皮瓦级。由于外部光路的扰动、光电二极管的固有噪声．前置放大器的自身噪声等因素的影响悯，很难将有用信号从这些噪声中分开．这对提高光电检测系统的精度和保持信号的完整性带来了一定的难。

3.6.2 光电检测中的噪声分析及电路设计

由于光电探测器本身检测到的光信号非常微弱．所以将其转化后的电信号也非常微弱。这样就要求光电检测的电路部分应选择噪小、偏置电流小、增益大的运放。为了能减小光电二极管的暗电流影响。提高电路的精度．光电检测电路部分的电阻应选择高精度的金属膜电阻．电容应选择漏电流小的电容．前置运放与光电二极管的节点处需要用保护环保护起来。为了降低系统噪声．放大器输入输出要避免交叉布线，光电二极管要进行屏蔽以防止相互耦合。运放的供电电源需要有效的滤波并且供电电源不宜过大．以防止由于系统温度过高增加的热噪声。另外在设计转换电路时，应选择较大的反馈电阻，反馈电阻上应并联小电容，构成滤波器，滤除高频噪声，进一步提高系统的信噪比。

图6 光电转换放大电路

前置运放为高精度、低偏置芯片OPAl29U进行反相放大。以完成光生电流到电压的转换。光电探测器相当于一个电流源，完成光功率到电流的转化。后级运放选用了低噪声芯片OPAl21KU作为第二级放大。另外．对整个电路进行了有效的屏蔽和滤波，并使用高性能的稳压电源给系统供电。光电转换与放大电路如图6所示。

3.6.3 系统设计和实验结果分析

系统如图7所示。该系统主要由宽带光源、FFP—TF和ARM处理器等器件够成。宽带光源发出的光经过FFP—TF滤波后形成窄带光源。FFP —TF工作在扫描状态．ARM发出的锯齿波扫描电压加在其中的压电组件上调节FFP—TF的腔长．使其窄带在一定范围内扫描。当窄带光扫过某个Bragg波长时，则有相应传感光栅反射的光信号输出．输出的光一部分进入光谱仪进行监测：另一部分经过光探测模块后转化为电信号，电信号经过放大、滤波后一部分进入示波器进行显示：另一部分通过模数转换器转换为数字信号后送入ARM系统进行数字信号处理。然后．ARM将处理完的数据转换成温度值送到上位机显示．若此温度值超过了警戒温度。ARM则驱动蜂鸣器报警。数模转换器和低通滤波器辅助ARM产生锯齿波扫描电压．同时ARM还对模数转换器和数模转换器进行逻辑控制．使之保持一定的同步。

图7 分布式FBG传感系统框图

中心波长为1530nm和1550nm的光纤光栅在30℃时的反射光谱图如图8所示：中心波长1530nm、1535nm、1540nm和1550nm的光纤光栅在50℃时的反射光谱图如图4所示。从图8和图9中可以清晰看见各点光栅的反射光谱图．进一步说明该系统的光路部分性能良好。从图3和图9中可以看出．各点光纤光栅反射谱的光功率明显不同．这主要是因为在实验过程中使用了连接器将不同的光纤光栅连接起来。可见，连接器对光功率损耗影响很严重。若不用连接器而是将不同的光栅用光纤熔接在一起．通过光谱

仪检测出它们的光功率基本相同．熔接的方法可以有效抑制功率的衰减。

图8 两点光栅在温度为30℃时的光谱图

图9 四点光栅在温度为50℃时的光谱图

3.7 数字同步技术的轴类零件尺寸光电检测3.7.1 检测系统结构框图

线阵CCD具有分辨力高检测尺寸大在物体运动方向的检测尺寸无限制光学系统的误差易于校正价格相对便宜等优点但是当线阵CCD 与被测物体相对运动对被测物体运动方向进行扫描时在运动方向上的分辨力与运动速度密切相关运动速度快分辨力低运动速度慢分辨力高由此造成二维两个方向上检测分辨力的不同另外在运动维上由于受运动速度控制精度和干扰等的影响造成该维上的分辨力发生变化最终影响其检测精度因此始终保持线阵CCD扫描与被测物体运动之间的严格同步关系是解决问题的关键轴类零件虽然具有轴向对称性但外形各异检测的位置和参数各不相同并且同种零件在检测中装夹的位置也有差异因此为提高检测效率需要自动确定检测位置和参数数量。

图10所示的检测系统由远心光路光源精密滚珠丝杆电动位移台交流位置伺服系统和光栅尺闭环测控系统组成用激光测距仪检测电动位移台位移误差写入误差补偿数据提高位移精度经修正后的重复性误差和定位精度可达到微级。

图10 检测系统框图

3.7.2 检测原理

1)被测物体的运动与线阵 CCD 扫描的数字同步：由于 CCD 的行扫描与被测物体的运动是相互独立的因此运动方向上的分辨力与运动速度密切相关另外为了提高检测效率希望在被测物体运动加速恒速减速的过程中都能进行检测即在整个运动过程中不论运动速度如何变化如果使被测物体的运动与线阵CCD扫描保持一种同步关系就能保证扫描的图像具有相当的分辨力和精度本文提出的数字同步方法原理是被测物体按要求的分辨力相对线阵CCD 运动某个距离线阵CCD 就扫描一行它们之间保持这种严格的同步关系。

交流位置伺服系统的工作方式与步进电机相似每给一个脉冲转动一个角位移当量通过滚珠丝杆的转换行走一个线位移当量然后通过光栅尺检测实际位移D1 D1 是已经误差补偿后的位移。

开发用外同步信号启动CCD 行扫描的驱动电路该线阵CCD 只有在外同步信号作用下才进行行扫描设要求的检测分辨力为 D2 则线位移量 D1 检测分辨力 D2和外同步信号的关系为 2 1 D 3 kD其中 k 为满足上式的最大整数当电动位移台位移kD1 时即k 步时向线阵CCD 发送一个外同步信号启动一次CCD 行扫描这样扫描的分辨力和精度不再受运动速度的影响而只取决于电动位移台的定位精度。

2)轴类零件二维几何尺寸的自动定位与检测：在轴类零件尺寸检测过程中通过定制专用夹具可以保证被测零件轴平面与物方焦平面重合但是采集到的零件图像在整个画面中可能有

所平移因此对于小尺寸的检测一般不能按固定的检测位置进行尺寸检测而采用对零件图像边缘进行自动跟踪然后自动确定检测位置进行尺寸检测。

采用模板边缘跟踪方法对零件图像边缘进行自动跟踪，采用用于边缘检测的Kirsch像素模板，用所有边缘模板逐一作用于图像中的每一个像素产生最大绝对值输出值的模板所在的像素位置有边缘存在其模板方向代表了该处的边缘方向当检测到边缘和边缘方向后把模板中心点沿该方向移动模板大小个像素重复以上过程直到边缘跟踪完成。

由于边缘跟踪的精度和抗干扰性能与模板的大小有关为了得到较高精度的边缘信息又具有较好的抗干扰性能论文提出变模板法即根据具体情况来选取大小不同的两种模板其原理是首先利用3像*素3 像素的比较小的边缘模板来进行边缘和方向判别检测到边缘和边缘方向后再利用另一较大的9像素*9像素边缘模板来决定模板中心点移动的像素值当用较大的9像素*9像素边缘模板不能得到可靠的边缘方向信息时系统将自动切换使用较小的3像素*3像素边缘模板进行检测该方法的优点是能够较精确地跟踪零件图像边缘拐点同时减少了用小模板判别边缘和方向的次数由此减少了由于噪声造成方向判别错误的可能性。

经边缘探测后得到的图像拐点处的(Xi, Yi)坐标值也即为拐点特征值它为合理确定检测位置提供了有利的依据由于能根据被测零件的复杂程度自动提取图像拐点特征值因而可以用探测到的特征值作为基准确定检测位置摒弃了固定位置进行检测的弊病。

3.7.3 检测数据及结论

图11 被测物体二值化图

被测物体的二值化图如图11用该检测系统检测其4个直径从下至上分别为直径1~4 ，像素当量为0.00985mm/像素。每个直径检测三次检测结果如表1。

若选用 DALSA 公司的CT-E4-4096 其扫描频率达100MHz 当检测相同尺寸的物体时检测时间不到1秒钟。

表1 检测结果

在搭建的线阵 CCD 轴类零件尺寸检测平台上开展了检测方法和测试结果验证，证明

1) 研发的专用数字同步技术在保证与被测物体运动方向相垂直方向的高精度检测的同时大大提高了被测物体运动方向的检测速度和精度消除了被测物体运动速度变化对检测精度的响。

2) 采用图像边缘自动跟踪法能自动跟踪图像边缘自动获取边缘参数实现被测物体二维的多尺寸自动定位和检测。

3) 检测误差<±0.02mm 当被测物体轴向尺寸为100mm时检测时间5s达到设计要求。

通过对基于线阵 CCD 的轴类零件尺寸检测方法和实验系统的研究为工程界寻求一种基于线阵CCD的零件图像检测技术提供了实用和有效的方法和实现手段。

3.8 在钢铁工业中的应用

由于所用的机器功率高体积大，所以大功率的大型光电传感器在这里倍受青睐，成为有效的控制工具。

钢铁工业的浸酸过程中，需要展开钢板，然后通过酸池除去表面的锈和污物。这是钢在切割和涂漆之前的必要一步。通常是用直径为1.25m的钢索绕在卷轴上控制钢板通过酸池时的张力。

为了防止钢索断时造成危险，需要检测卷索错误。可用高增益的后反射型光眼扫描卷轴边沿，只要反射器和传感器之间的光束不断，则表明卷索过程进展正确。如果卷绕的钢索出现重迭或缺损，则高度将超出正常轴沿而挡住光束，使传感器有输出。用一个积分型延迟定时器可展宽传感器的输出和响应信号。系统的控制器能根据这个宽脉冲解释主光束的中断。

3.9 在造纸工业中的应用

在造纸工业中，检测纸辊上的卷纸量时，一般都采用超声波传感器，而不是光电传感器。超声波传感器是这个过程检测的最佳选择。只要将传感器与纸辊垂直安装、检测目标是良好的声反射体即可。但是如果应用场合存在安装或反射率问题时，就应想到采用光电传感器。

采用光电传感器可以提供也纸辊直径成比例的4—20mA信号。由于超声波传感器与纸辊间严格的角度要求，所以安装偏差将造成声脉冲丢失。而这种场合应用的光电传感器还有一个额外的优点，就是它不受目标颜色变化的影响。

有些光电传感器是靠光强的起伏变化控制其输出的(目标近光强增，目标远光强减)。而在这里应用的光电传感器是通过相位比较检测目标距离的。它发射的红外光以一个已知的相位角离开传感器，被目标反射回来后相位角将发生偏移，其偏移量与目标距离成比例。利用相位比较法将不受反射信号强度变化和背景亮度变化的影响，因此可保证准确度。

3.10 CCD在工业应用及发展趋势

3.10.1 CCD

自从1969 年，美国贝尔实验室Boyle 和Smith利用当时己发展得很好的硅技术研制成第一个CCD以来，依靠业已成熟的MOS集成电路工艺，CCD 技术得以迅速发展。CCD是一种以电荷量表示光量大小，用耦合方式传输电荷量的器件，具有自动扫描、动态范围大、光谱响应范围宽、体积小、功耗低、寿命长和可靠性高等一系列优点。CCD的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移，因此，CCD的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。从结构上，CCD 可分为线阵CCD和面阵CCD两种，后者主要用于摄取图像，而前者作为一种高灵敏光电传感器在生产线上大量应用于产品外形尺寸非接触测量、分类、表面质量评定和精确定位等。

由于大面积高分辨率的面阵CCD制造困难，并且光学镜头造成的面阵图像的畸变修正比线阵CCD 扫描得到的图像的畸变修正复杂很多，因此线阵C C D 比面阵CCD 更适合作为高精度图像传感器。CCD 的突出特点在于它是以电荷作为信号的，它的基本参数是电荷而不是电压或电流，这就使得在器件的外围电路以及信号处理方面引入了新的概念和技术。CCD 的基本功能是电荷的存贮和电荷的转移。因此，CCD 的基本工作原理是信号电荷的产生、存贮、传输和检测。CCD 是在周期脉冲的作用下，通过电荷的存贮和传输来完成它的各种功能的。

由于CCD 具有光电转换、信息存储等能，因而在图像传感、信号处理、数字信息存储三大领域内得到了广泛应用。尤其是在图像传感领域内的应用发展最为迅速，从CCD 概念提出到商品化的电荷耦合摄像机出现仅仅经历了四年。近20年来，由于CCD图像传感技术研究的迅速发展，CCD器件在像素集成度、分辨率、灵敏度、工作速度等指标上取得了突破性进展。

线阵CCD 器件是由阵列光敏元曝光一定时间后在相应驱动脉冲作用下，信号电荷转移至移位寄存器，由移位寄存器一位一位地将其输出，从而得到所需的光电信息。线阵CCD 灵敏度高、光谱响应宽、动态范围大、操作与维护方便、成本低廉，在工业生产线上，已广泛用于产品外部尺寸非接触检测、控制和分类、自动化及机器人视觉中的精确定位等技术领域。

3.10.2 CCD在生产自动化应用领域的发展趋势

CCD应用于自动工作机械，自动售货机，监视等装置。本节对CCD 在焊接自动化领域的应用进行详述。

（1）CCD 用于焊接自动化焊缝跟踪

在焊接自动化系统中，使焊枪同步跟踪焊缝是系统设计的中心问题，其难点是电弧位置的精确测控。CCD跟踪对象可以是辅助图象、电弧及熔池热场。普通CCD 摄像头的分辨可以达到0．05mm，动态跟踪检测精度可达0．06mm，均比采用其他方法检测精度高出一个数量级。图

10是埋弧焊自动跟踪系统的传感器结构图。传感器由光发射和接收两部分组成。系统中采用的线阵CCD器件被置于工件正上方，在垂直方向只接收散射光信号的光路结构。激光从激光二级管发出，经柱面透镜，在工件表面汇聚成宽度很窄的光带。适当选取柱面透镜的焦距。使该光带形成结构光。由于该光平面以一定角度入射到工件上，随着坡口处位置高低的变化，该光带在工件表面和坡口内部将形成一条空问曲线ABCDE。激光在工件上产生反射和散射，线阵CCD器件在垂直方向上只接收散射光。根据

瑞利定律可知散射光的强度随观察方向变化。选择最佳入射角．使得在垂直方向上的散射光最为理想，故确定该值为传感器发射与接收光路间的夹角。工件表面上的散射光带作为光源，经过圆透镜成像。该像也为一空间曲线。当圆透镜的焦距足够大时，该光学系统的景深也相应较长。可认为像曲线为一平面曲线abcde。将线阵CCD放置在像平面上，使其感光部分与像曲线的直线部分ab和de重合。这样来自工件表面的光能落在CCD 上并使其感光，而坡口内的光带所成的像bc和cd落在CCD的感光部分之外，不能使CCD对应的位置感光，由此可以提取焊缝坡口位置信息。焊缝坡口内的部分与工件表面高度差别越大的点，所成的像离CCD相应的感光部分越远。CCD所能接收到的光也就越少，甚至接收不到光路中的滤光片用以增强系统抗杂光干扰的能力。

采集到信号后对焊缝坡口信号进行计算机处理：图像处理，跟踪控制锋法，焊矩高度的自适应控制等等，最终达到埋弧焊的自动跟踪控制。踪控制。

（2）工业机器人视觉传感器

机器人视觉涉及三个方面的问题，即视觉敏感器、照明、视觉信息处理的硬件和软件。其原理比较复杂。目前用于激光扫描三角测量的视觉敏感器主要有二维面型PSD 、线型PSD和CCD。高性能的CCD 器件同其他类型的传感器相比，CCD传感器具有很多优点：

a)获取的信息量大，精度高(最高精度可以达到gn级)。可以获得精确的几何形状和空间位置信息；

b)检测空间范围大，误差容限大(35谱响应范围可达到380～1100rim，检测误差为on级) ：

c)具有智能化特点，可以自动检测和选定所要检测位置的起点和终点：

d)通用性好，适合于多种机器人视觉系统：

e)实时性能好。

3.10.3 CCD应用前景

目前，随着大规模微细加工技术的展，CCD像素高密度集成技术取得了突破性的进展。器件像素的中心距已做到0．004～0．007mm，线阵CCD可达5000个像素，这就为计量领域应用CCD打下了良好的基础。CCD作为一种易于与计算机连接的传感器，在位移检测、运动速度测量、热加工温度场模拟、激光加工研究、光谱分析、无损探伤等方面都有广泛的应用前景，尤其是数字CCD传感器的开发，CCD传感器与信号采集电路的大规模集成，新型快速图蒙处理软件的开发，使得CCD传感器在工业检测与自动控制应用中将发挥更重要的作用。CCD传感器在焊缝跟踪自动化系统中，已成功地应用于平面的焊缝跟踪，在未来的发展趋势中，运用CCD传感器在进行船体、储汽罐等复杂几何形状、三维几何形状的焊接跟踪实时控制中，更易于实现焊接实时控制，而且可以实现任意形状的焊缝实时跟踪，将起到更重要的作用。它在三维测量系统的开发和应用。CAD，CAM，多煤体应用和虚拟现实系统中都有广阔的应用前景。它将促使铝4造业向机器人自动检测与控制、智能化测量、柔性集成制造系统、无人加工车间方向发展更进一步。随着电脑网络系统的发展，CCD传感器作为电脑前端和图象输入系统，它将以不可阻挡的发展势头深入到各种电脑应用的方方面面。在军事上，CCD图像传感器(尤其是非可见光图像传感器，如X射线成像器，电子束成像器。红外线成像器)的应用会越来越广。它主要应用于夜视(微光夜视、红外夜视)、实时或近实时战术侦察机载预警、导弹自动跟踪、高速飞行目标的轨迹测量等方面。并必将对现代军事工程技术产生巨大的影响。

CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。目前有能力生产 CCD 的公司分别为：SONY、Philips、Kodak、Matsushita、Fuji和Sharp，大半是日本厂商。国内对CCD等精密仪器的加工工艺还有待进一步发展和改善。随着我国经济的发展，我国在精密仪器的生产制造和引进外国新技术、新工艺方面还会有长足的发展。CCD的应用前景仍十分广阔。

3.10.4 现有技术的优缺点及改进方法

近年来国内外出现的CCD印刷标志边缘高

精度检测方法具有代表性的有概率论法、解调法、插值法和空间拟合函数法。概率法的主要思想是用线阵CCD 进行边缘检测时，改变测量条件，即在检测过程中使对象和CCD 在线阵方向上往复运动，累计多个周期的脉冲取得平均

值，测量分辨率可以得到提高，但是概率法是一种非实时的CCD 检测方法，不适用于智能检测的工程实际中;解调法的基本原理是将电脉冲幅度表示的视频信号恢复成连续的视频信号，对此光滑信号以更高的分辨率确定两边缘点。这样空间的线阵CCD 检测就转换成时间量，利用高频高稳定的晶振时钟作时间基准，可以方便地实现时间细分。但解调法也存在着一定的局限性，即随着检测范围的扩大和检测精度要求的提高，其时钟频率将增加到数十兆赫，这时，提高计数时钟频率来获得高分辨率，在工程中是有难度的;对于插值法，其基本原理是根据用传统边缘检测方法检测到的几个边缘点的值，构造插值多项式，求出该多项式的极值点。因为在边缘点，灰度图像的一阶导数最大，所以该极值点就是边缘点;空间拟合函数法的基本原理就是用数学方法，采用拟合函数，在某种拟合准则(如最小二乘原理)下，对样本函数进行拟合，重建连续函数图像。一维的样本数据拟合等效于数学上的曲线拟合，可选择的数学模型有线性模型、非线性模型和样条函数。由于非线性模型求解困难，而样条函数的引入降低了函数的连续性，故一般多采用线性模型。直线拟合最常采用的是最小二乘法。插值法和空间拟合法一个共同的特点就是实时性不大好，很难满足在线检测的要求。

对于光电检测与纠偏控制系统，其纠偏控制对象具有复杂性和不确定性。采用常规控制方法，难于实现具有较高精度和较好适应性的控制效果。固态图像传感器利用光敏单元的光电转换功能将投射到光敏单元上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后，利用移位寄存器的移位功能将电信号“图像”转送，经输出放大器输出。其线扫描输出光电信号，有利于其后续信号处理。若CCD配置适当的光学系统，则可获得很高的空间分辨率。利用这一原理，采用高速A/D 变换器对目标信号进行采集，并用PIC 单片机实时处理采集的大量数据，同时通过单片机输出处理结果并控制纠偏驱动机的运行。CPU 直接对CCD转换存储体寻址，用双存储体结构，实时逐场转换存储CCD 信号，消除瓶颈效应，提高了CCD的数据采集速度。同时，对CCD 输出的视频信号，经过去噪等一系列预处理后，针对检测对象不同对比度情况下产生的不同幅值信号，不是采用传统的固定增益放大电路的方法，而是采用自动增益控制电路进行有针对性地放大处理，这将不仅从各个方面大大提高了CCD 的数据处理精度，而且实现了CCD 测量系统智能化、自动化和小型化。

4. 光电检测技术发展趋势

4.1 光电传感器检测技术

4.1.1 光电传感器检测技术发展现状

光电传感器又称图像传感器或影像传感器，是利用调制光实现对物体的检测，其作用是将接收到的光信号转变为模拟电信号。光电传感器由发射器和接收器组成，通过接收器接收到的光强变化产生检测输出实现检测功能。传感器种类繁多，模式多样，主要用于切换机器动作，控制生产线运行，为零件或产品计数，检验产品，保护操作人员等等。作为生产线上的控制部件，光电传感器参与制造了成千上万种产品。光电传感器非接触地探测物体，广泛用于许多自动化领域，如管理系统、机械制造、包装工业等。光电传感器可提供高质量的探测、识别与成像以及高分辨率的静止图象等。

随着科学技术的飞速发展和工业生产自动化程度的提高，高精度、高效率、非接触在线检测已成为检测行业的发展方向。它可以大大地解放劳动力，达到提高生产效率和产品质量、降低成本的目的。自1969年美国贝尔实验室研制成功第一只光电荷耦合器件(Charge Coupled Device，简称CCD)以来，CCD 伴随着计算机技术的迅速发展，在国防及民用工业等部门引起人们的极大关注，尤其CCD所具有的体积小、重量轻、结构简单、功耗低、便于数字化等一系列优点，更使其在检测方面的应用越来越广泛。光电传感器技术是未来探测技术的发展方向。

所谓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。光电检测为非接触检测，具有无损、远距离、抗干扰能力强、受环境影响小、检测速度快、灵敏度高、电路简单、价格低廉、测量精度高等优

越性，因而应用十分广泛，尤其在高速自动化

生产中，在生产过程的在线检测、安全运行保护等方面起到重要作用。特别是近年来，各种新型光电探测器件的出现，以及电子技术和微电脑技术的发展，使光电检测系统的内容愈加丰富，应用越来越广，目前已渗透到几乎所有工业和科研部门，是当今检测技术发展的主要方向。

图12 光电检测系统框图

4.1.2 、光电传感器的改进方法与发展前景

在现代化的测量与控制系统中，随着计算机和网络技术的不断创新和应用，为光电传感器提供了更为准确，可靠的数据与信息，如果光电传感器的应用不能适应计算机技术的发展水平，必将影响到光电传感器的运行效率、质量。因此，在光电传感器的改造与发展中，必须注重现代电子技术与计算机技术的有机合，利用计算机技术优化光电传感器的编程，促使其对于被测量物体的感应更为灵敏，而且将测量信息精确的转化为相关的信号进行传输。另外，在光电传感器的发展中，还要加强相关装置与仪表的精度改造，特别是随着新型C CD图像传感器的诞生，为光电传感器的发展提供必要的技术条件。综上所述，在各行业、各领域中，光电传感器都得到了广泛的应用，尤其是在电力、工业、军事、农业及生活领域，光电传感器的应用不但有利于电力电子设备的升级与改造，而且客观促进了社会生产力水平的提高。随着现代科学技术的不断发展，光电传感器的应用展现了更为广阔的发展空间，我们应注重对于国内外相关技术研究成果的积累和借鉴，并且加强其与现代计算机技术、网络技术、电力电子技术的有机结合，从而不断拓展光电传感器的应用范围，更好的服务于现代社会的发展。4.2 光电检测系统智能化发展

4.2.1 智能光电检测的基本原理

在基于光信息采集和光电转换的光纤光栅传感系统中，光电检测仪器起着关键作用，而要使光电检测仪器能够适应恶劣环境和检测出光纤光栅波长的微小位移，并将光信号转化为易于处理的电信号，就需要设计出光电检测电路。本文设计的智能光电检测电路融合了机、光、电、计算机、人工智能等新技术，其检测系统的结构随被测对象的不同而不尽相同。一般智能电子检测系统由智能信号处理系统、光电传感系统、测控系统、输出系统和接口单元等组成。它以智能信号处理系统为核心，集成了光学采集、光学变换、光电转换、电路调理、外围接口及信息输出等技术，可以实现光信息采集、光电信号转换、信号探测、逻辑运算与推理、记忆存储及信息传输等功能，并自动完成自检自校和自我诊断与调整等功能。其系统结构与原理参见图13。

图13 智能光电检测系统结构与原理智能信号处理系统由微处理器和智能模块组成，其中，微处理器承担数据的处理、运算、存储、管理及信息传输等任务，是智能光电检测系统的核心，并决定其性能。微处理器通常由高性能的单片机或嵌入式微处理器组成。智能模块实际上是一个智能程序，它集光电检测领域专家知识之大成，代替专家适时解决检测中出现的各种问题，通常由专家知识库、数据模块、逻辑运算与推理程序等组成。

光电传感器系统主要由光电检测元件组成，包括光源、光学通路和光电元件等组成，其功能是实现光学变换和光电转换与传输。目前，常用的光电检测元件有光敏电阻、光电倍管、光电耦合器件、光电二极管、光电三极管、发光二极管(LED)等。

测控电路是对输入的光电传感器信号进行相应的处理，其主要功能是对信号进行放大、滤波、调制、解调、运算、控制、转换及环境检测等。

输出系统用于输出经过智能信号处理系统确认正确的传感器信息，供用户使用，包括信息存储和输出显示等。

外围接口包括人机交互接口和总线与网络接口，前者是用于外界对嵌入式智能光电检测系统进行的人机交互，如对数据的修改、添加、删除、维护等；后者指设备之间链接和网络间的通信，以方便信息传输和共享。

4.2.2 智能光电检测系统的电路设计

智能光电检测系统主要由光电转换电路、信号放大电路、滤波电路、外围环境检测电路、智能控制电路、外围接口电路等组成。其系统框架参见图14。

图14 智能光电检测系统总体框架首先，将采集的光信息通过光电探测器转换成电信号；其次，针对信号转换过程中的信号弱和噪声大的问题进行信号放大和噪声滤除，并对外围环境信号适时检测。光电转换的信号经A／D转换器变换成数字信号，进入智能信号处理系统进行处理，随后由输出系统传送处理后的信息，完成一次信息循环。因此，良好的光电转换电路设计，应充分满足输出信噪比高、被测信号无频率失真和输出信号功率大的要求。

(1)光电转换电路

采用光电检测技术首先应设计光电转换电路解决光电转换问题。在采集光信息时，由于反射光的强弱受反射物表面的形状、颜色、阳光、灯光照射等多因素的影响，除了选择好采光点外，还应采用在光源范围内有较高灵敏度的元器件，如光敏三极管灵敏度比光电池、光敏电阻、光敏二极管高，不仅随光线变换有较好的线性，而且对光电流有放大作用。

(2)信号放大电路

在光电信号转换的过程中，由于输出电压信号微弱，需要设计放大电路予以放大。T型网络结构的放大电路由电阻比值结构决定放大器的增益，且反馈电阻扩展了(1+R )倍，减少了热噪声和对运放输入偏置电流的影响，放大器具有精度高、稳定性好的优点。其不足是当单通道输入的时候，若输入为不稳定的误差信号，就会直接影响输出端，导致电路稳定性下降。

(3)滤波电路

在光信号转换为电信号的过程中，由于混合有自然光等非检测光源，加上白噪声和器件自身的噪声，使被检测信号的频率有可能失真。为了消除光电信号转换中的这种不利影响，应设计滤波电路，滤除自然光及噪声的干扰。有源滤波器是含有半导体三极管等有源器件的滤波器，与无源滤波器相比，具有体积小、重量轻、价格低、结构牢固、便于集成的特点。4.2.3 智能光电检测系统优点

智能光电检测系统由于环境适应能力强，测量范围广，测量精确度高，尤其是强化了人工智能系统，可以自动对噪声、温度、电压波动及光源的变化进行修正，加上良好的人机交互界面，大大简化了操作程序，提高了数值处理和分析的效率。我们相信，随着光纤材料、计算机技术和人工智能技术等的不断进步，智能光电检测技术将会不断得到完善和改进，并将引领光电检测技术未来的发展方向。

5 研究热点

近年来，光电技术的研究出现较多的热点。5.1新型激光器的研究

Z激光器类似于电学系统里面的电源，信息系统里面的信号源，是光电技术的核心。光电子学的开始就是以激光器的问世开始的，在光电子学的发展历程中，也同时促进了激光器的发展，两者相互促进，共同发展。目前激光器的主流半导体激光器已经应用在信息通信"计算机和军事领域广泛应用，近年来一直保持较快速度增长。量子阱超晶格"新材料技术和能带理论的发展进一步推动了光电子学向更高带宽"更快速度"更大功率的方向发展，近年来全固化固体激光器以其优良的性能正取代泵浦方式的固体激光器，成为固体激光器的主流，目前原子激光器也有了较大程度的发展。

5.2硅基光子学的研究

硅是现代电子技术的基石，在硅材料上发展起来的集成电路对电力电子技术"计算机"通信和自动控制等信息技术起了很大的作用。然而随着信息技术的进一步发展，对信息的处理和传输速度有了更进一步的提高，特别是近年来移动互联网的发展，对移动设备低功耗有了更高的要求。但是硅集成电路受到电子运动速度的限制和制造尺寸的限制，很难满足信息量日益变大的需求。在硅集成电路中引入光子技术，用光作为信息的载体，可以大大提高信息处理的速度和效率。硅是间接带隙材料，有声子的参与才能发出光子且效率很低。硅基光电子正是解决这一关键问题所在，用以实现在硅片上集成电子器件和光子器件。目前通过掺铒硅"纳米硅"多孔硅"超晶格"量子阱材料和硅基外延等技术获得了突破性进展。

5.3有机光电材料的研究

有机聚合物具有加工合成和器件制造容易，价格成本低"介电常数较低"易于和半导体器件"光纤集成"响应速度快等优点，近年来一直是研究的热点。目前在聚合物超快开关的研究

方面也已经取得了突破性进展。

5.4光互联"光计算"光存储的研究

在信息交换技术一直是光信息技术发展的瓶颈，目前光互联技术一直是全光网络实现的关键技术。光互联主要有光交换网络和 CPU 的光互联，多CPU 之间的光互联"光波导开关"光波导互联等。光计算分为专用光计算系统和通用光计算系统，数值的光学处理分为模拟量处理和数字量处理。专用光计算系统是指以光学矩阵运算为基础的代数运算。目前研究人员在路由中用全光矩阵开关取代电开关取得了重大进展。波长为 780nm 和 640nm 的激光器，已使存储容量达到数Gb，还有进一步的提升空间。

5.5生物医学应用的研究

近年来光电技术在生物医学领域的应用的研究十分活跃。他开拓了生命科学的一个新领域。主要有两个方面的应用：一是生物体内产生光子来检测生命过程，应用于生物学研究"食品品质检测"医疗诊断"环境监测等。二是医学光电应用，主要包括医学成像技术"激光诊断治疗和医学光谱分析等。

总之，光电技术目前在国民生产经济中有大规模的应用且发展十分迅猛。科学技术的进一步发展，光电技术会更有进一步服务于工业"农业"医学和国防事业中。

6 结语

光电式检测可非接触地探测物体，广泛用于自动化领域，如管理系统、机械制造、包装工业等。当然，光电式传感器也有它的缺点，它是以光为媒介进行无接触检测，光是一种频率很高的电磁波，光干扰也算一种电磁干扰，光学器件对测量的环境条件要求较高。除此以外，光学器件和电子器件价格较贵。

光电检测作为一种新型检测技术，发展迅速，应用广泛，并朝着智能化方向发展。光电传感器的应用覆盖广泛的工业领域。随着现代社会工业自动化程度的发展,可以预见,伴随着自动化技术的不断创新,光电式检测技术在工业自动化生产线上将获得越来越广泛的应用。由于光学技术的不断进步，尤其是随着激光器成本的下降，价格低廉的激光光电传感器将迅速发展起来，从而会大大提高光电传感器的能，并进一步推广普及光电传感器的工业应用。

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[9] 冯梦云,黄霞青.基于智能光电检测的电路设计[J].科协论坛：下半月,2012

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）围的电磁辐射称 μ）到（0.78m 为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间、给定方向上单位立体角所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接

收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为 ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= = 又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：

光电检测技术

光电检测技术总结 经过一学期的光电检测技术课程的学习，我们大致上了解了光电检测技术有许多方面的知识，按照传感器、转换电路、检测装置划分排列。接下来我们来仔细探讨一下究竟有什么值得我们学习的。 首先是光电技术的定义。何为光电技术？光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电子器件作为基础，通过对被检测物体的光辐射，经光电检测器接收光辐射并转换为电信号，由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息，或进入计算机处理，最终显示输出所需要的检测物理参数。其中检测和测量有一些不同的地方：检测：通过一定的物理方式，分辨出被测参量并归属到某一范围带，以此来判别被测参数是否合格或是否存在。测量：将被测的未知量与同性质的标准量比较，确定被测量对标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。而光电检测技术的应用存在在生活中的每一个部分。比如人的视觉功能，人眼是一个直径为23mm的近似球体，眼球前方横径为11mm的透明角膜具有屈光作用，角膜后的虹膜中央有称为瞳孔的圆孔，它可以扩大或缩小以调节进入眼球的光亮。虹膜后的水晶体相当于光学系统中的透镜，其直径为9mm。在眼球的后方有视网膜，这是光学细胞和杆状细胞，它们和视网膜上的其他细胞组成的微小感光单元。这些感光单元接收光刺激后转化为神经冲动，经视神经传导到大脑的高级视觉中枢，从而产生亮度和彩色的感觉，同时也形成有关物体状和大小的判断。因此，人眼是一个高灵敏度、高分辨率和极为复杂而精巧的光传感器。正好光学仪器是人眼的视觉扩展，通过利用光辐射的各种现象和特性，摄取信息实现控制的有力工具，它是人类视觉参与下才能工作的。光学仪器一共在人类视觉上做出了以下的扩展：1、时间上扩展，可以通过摄像机记录过去的样子；2、空间上的扩展，通过地球卫星观看世界个地的样貌；3、识别能力的扩展，通过放大镜和显微镜我们能够观测到人眼看不见的细微东西。 光电检测系统由哪些东西组成？典型的光电仪器包括了精密机械、光学系统、光电信号传感器、电信号处理器和运算控制计算机以及输出显示设备等环节。各种环节分别实现各自的职能，组成光、机、电的综合系统。一个典型的光电检测系统的组成由辐射源开始，依次为传输媒质、检测目标、光学系统、光点检测器件、信息处理、输出设备。其中辐射源通过传输媒质由对象空间进入到光电系统。

光电检测技术试题及答案

光电检测技术试题及答案 光电检测技术试题及答案1、光电器件的基本参数特性有哪些? (响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度) @响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 @噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声 1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的形成、传输、接收、变换、处理和应用。 (光电子学光电子器件) 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 (光学变换光电变换电路处理) 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应) 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。

光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为哪几种? (光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池) 6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么? ( 定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔) 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出? (交变辐射) 8、 CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的基本功能是什么? (电荷 CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。) 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。 (直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法) 10、光热效应应包括哪三种。 (热释电效应辐射热计效应温差电效应) 11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么?

光电检测技术作业答案

光电检测技术作业2 光电导灵敏度S g = 0.5X10 -6S/lx，1. 设某只CdS光敏电阻的最大功耗为30mW， =0 。试求当 CdS 光敏电阻上的偏置电压为 20V 时的极限照度。 暗电导 g 2. 在如图所示的照明灯控制电路中，将上题所给的CdS光敏电阻用作光电传感 器，若已知继电器绕组的电阻为 5 K ，继电器的吸合电流为2mA，电阻R 1K 。求为使继电器吸合所需要的照度。要使继电器在 3lx时吸合，问应如何调整电阻器R？

3. 在如图所示的电路中，已知R b 820 ，R e 3.3k ,U w 4V，光敏电 阻为R p ，当光照度为40lx时输出电压为6V，80lx时为9V。设该光敏电阻在30~100lx之间的 值不变。试求： （1）输出电压为8V时的照度。 （2）若R e增加到6k ，输出电压仍然为8V，求此时的照度。 （3）若光敏面上的照度为70lx，求R e 3.3k 与R e 6k 时输出的电压。（4）求该电路在输出电压为 8V时的电压灵敏度。

4. 影响光生伏特器件频率响应特性的主要因素有哪些？为什么PN结型硅光电二极管的最高工作频率小于等于107Hz？ 5为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？为什么硅光电池的有载输出电压总小于相同照度下的开路电压？ 6硅光电池的内阻与哪些因素有关？在什么条件下硅光电池的输出功率 最大？ 答：（1）极电容，串接电阻，串接电阻越小越好。 （2）显然，存在着最佳负载电阻Ropt，在最佳负载电阻情况下负载可以获得最大的输出功率Pmax

《当代科学技术发展前沿与趋势》公务员在线教育试题和答案

第一题判断题 第1题 网络所产生的数据价值将随着网民数量增多而降低。 对 错 第2题 物联网时代的到来被期待为是继计算机和互联网之后信息产业的第三次飞跃。 对 错 第3题 生态供给通过技术和经济手段可以得到一定程度的提高，但是，生态系统容量或承载能力的有限特征，表明生态足迹不可能无限增加。 对 错 第4题 为了支撑科学技术的快速发展，保持科技前沿领域的竞争力，各国十分重视科技人才的培养，特别是增加理工科学生数量，保证工程领域劳动力的供应。 对 错

第5题 中国已经超过印度成为全球最大的留学生输出国，学生主要流向美国、英国、澳大利亚、加拿大。 对 错 第6题 相同质量的汽车，在相同的工况下消耗的能量越多，则说明动力系统的效率越高。 对 错 第7题 以邓小平同志为核心的党的第二代中央领导集体，提出“科学技术是第一生产力”的重要论断，科技工作受到高度重视。 对 错 第8题 生化制药是指利用生物体或者生物物质作为起始原料，经过复杂的制造过程，例如培养、发酵及纯化等工艺，制备成药品。 对 错 第9题 现代战争叫信息战，发射导弹需要信息，防御导弹需要信息，对地

观测侦查需要信息，定位也需要信息。 对 错 第10题 北京2009年被确定为首批节能与新能源汽车推广应用试点城市之一。 对 错 二、单项选择题 第1题 以人均拥有量来衡量，我国是一个（）。 A、资源丰富国 B、资源贫瘠国 C、人均占有量大 D、都不是 第2题 2012年12月在美国哈佛大学和其他专家所做的中国海外留学生问卷调查表明，越来越多的海外留学人才希望回国。调查发现，90%的中国海归称（）是他们回归的最重要原因。 A、环境因素 B、经济机会 C、食品安全

光电检测技术期末试卷试题大全

1、光电器件的基本参数特性有哪些? （响应特性噪声特性量子效率线性度工作温度） 响应特性分为电压响应度电流响应度光谱响应度积分响应度响应时间频率响应 噪声分类：热噪声散粒噪声产生-复合噪声1/f噪声信噪比S/N 噪声等效功率NEP 2、光电信息技术是以什么为基础，以什么为主体，研究和发展光电信息的 形成、传输、接收、变换、处理和应用。 （光电子学光电子器件） 3、光电检测系统通常由哪三部分组成 （光学变换光电变换电路处理） 4、光电效应包括哪些 外光电效应和内光电效应） 外光电效应：物体受光照后向外发射电子——多发生于金属和金属氧化物。 内光电效应：物体受到光照后所产生的光电子只在物质内部而不会逸出物体外部——多发生在半导体。 内光电效应又分为光电导效应和光生伏特效应。 光电导效应：半导体受光照后，内部产生光生载流子，使半导体中载流子数显著增加而电阻减少的现象。 光生伏特效应：光照在半导体PN结或金属—半导体接触面上时，会在PN结或金属—半导体接触的两侧产生光生电动势。 5、光电池是根据什么效应制成的将光能转换成电能的器件，按用途可分为 哪几种？ （光生伏特效应太阳能光电池和测量光电池） 6、激光的定义，产生激光的必要条件有什么？ （定义：激光是受激辐射的光放大粒子数反转光泵谐振腔） 7、热释电器件必须在什么样的信号的作用下才会有电信号输出？ （交变辐射） 8、CCD是一种电荷耦合器件，CCD的突出特点是以什么作为信号，CCD的 基本功能是什么？ （电荷CCD的基本功能是电荷的存储和电荷的转移。） 9根据检查原理，光电检测的方法有哪四种。 （直接作用法差动测量法补偿测量法脉冲测量法） 10、光热效应应包括哪三种。 （热释电效应辐射热计效应温差电效应） 11、一般PSD分为两类，一维PSD和二维PSD，他们各自用途是什么？ （一维PSD主要用来测量光点在一维方向的位置；二维PSD用来测定光点在平面上的坐标。） 12、真空光电器件是基于什么效应的光电探测器，它的结构特点是有一个真空管，其他元件都在真空管中，真空光电器件包括哪两类。 （外光电效应光电管光电倍增管） 二、名词解释 1、响应度 （响应度（或称灵敏度）：是光电检测器输出信号与输入光功率之间关系的度量。）2、信噪比 （是负载电阻上信号功率与噪声功率之比）

当代科学技术发展的特点和趋势以及对未来的影响

当代科学技术发展的特点和趋势以及对未来的影响 摘要：正当今世界,科学技术发展异常迅猛,学科交叉融合加快,重大创新不断涌现,技术更新和成果转化的周期日益缩短。科学技术不仅成为推动全球产业结构升级和调整的根本动力,也成为引领社会发展的先导力量和国际竞争的核心要素。总体来看,当前世界科技发展呈现出以下基本特征和新趋势。 关键词：双刃剑高度分化国际竞争管理体制信息技术产业结构升级 引言 当今时代，科技发展突飞猛进，极大的推动了社会的进步，改变了人类生活的面貌。尤其是第二次世界大战以来，科学技术的发展更是日新月异，不少学者称之为"第三次技术革命"，以表明其划时代的意义或用"知识爆炸"来形容现代科技发展的高速度。随着科学技术的不断发展以及与人类社会的紧密结合，人们也开始思考关于科技发展的哲学命题：例如科学技术的本质问题、科技与自然的关系问题、科技与社会的关系问题、科技与人的自身关系问题等等。同时，科学技术本身也呈现出了超越以往时代的特点。 正文 一. 关于科学技术

科学是关于自然、社会和思维的知识体系。科学的任务是揭示事物发展的客观规律，探求客观真理；而技术则泛指根据生产实践经验和自然科学原理而发展成的各种工艺操作方法与技能。在现代，随着科学技术化和技术科学化的趋势日益加强，科学和技术作为两个既有本质区别又有内在联系的概念已成为一个有机的整体。 科技就其本质而言，是人类的一种有目的的活动。科学技术自从产生以来，已经给人类带来了数不清的实际利益。它既是利用自然的资源为人类服务，也是以人为主体进行改造自然的活动；科技作为一种社会历史现象，也与社会有着双向依赖关系；人类发展科学技术的初衷在于使科学技术造福人类，使人获得更大的自由与解放，从而使人获得全面发展，在当代科技更是与人类自身的发展建立了密不可分的关系。 然而，科学技术是一把双刃剑。由于科学技术本身存在某种非人性化的因素，加上人类自身对科技的不合理使用，导致技术的异化。在这种状态下，技术不再是为人服务的工具，对于人自身而言，技术反倒成为统治自己的异己力量，造成了人类社会的灾难，带来科学技术的负面效应，即科学技术的进步带给人类的并不尽是鲜花和满意的微笑，还有困惑和苦恼。 在当代，科学技术与自然，社会和人类自身的联系更加紧密；围绕着这些关系，科学技术的发展呈现出了鲜明的时代特点。 二．科学与技术的关系： 在当代科学技术的发展，主要在于揭示事物本质的规律，总的来说具有以下的特点： 首先，随着工程的系统化，工程项目规模越来越庞大，结构愈来愈精巧；因此科学与工程、技术的关系日益紧密，在工程技术中的比重越来越大；离开

光电检测技术考试试卷

光电检测技术期中考试试卷 2014 一．选择题（20分） 1．对于费米能级，以下说法不正确的是（ ） A 一个平衡的系统只能有唯一一个费米能级 B 电子占据率为0.5时所对应的能级 C p 型半导体材料费米能级靠近价带顶 D n 型半导体材料费米能级靠近价带顶 2．负电子亲和势阴极和正电子亲和势比较有重要差别，参与发射的的电子（ ） A 不是冷电子，而是热电子 B 不是热电子，而是冷电子 C 既是冷电子，又是热电子 D 既不是冷电子，也不是热电子 3．下列器件按照响应速度由快到慢的顺序，正确的是（ ） A PIN 光电二极管 PN 结光电二极管 光电三极管 光敏电阻 B PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 光电三极管 C 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻PN 结光电二极管 D PN 结光电二极管 光电三极管 PIN 光电二极管 光敏电阻 4．下列探测器的光－电响应时间，由少数载流子的寿命决定： （ ） A 光电导探测器 B 光电二极管 C 光电倍增管 D 光电倍增管 5．对于光敏电阻，下列说法不正确的是( ) A 弱光照下，光电流与照度之间具有良好的线性关系 B 光敏面做成蛇形，有利于提高灵敏度 C 光敏电阻光谱特性的峰值波长，低温时向短波方向移动 D 光敏电阻具有前历效应 6．下列光源中哪一种光源，可作为光电探测器在可见光区的积分灵敏度测量标准光源：（ ） A 氘灯 B 低压汞灯 C 色温2856K 的白炽灯 D 色温500K 的黑体辐射器 7．当黑体的温度升高时，其峰值光谱辐射出射度所对应的波长的移动方向为（ ） A.向短波方向移动 B.向长波方向移动 C.不移动 D.均有可能 8．表中列出了几种国外硅APD 的特性参数 根据表中数据，要探测830nm 的弱光信号，最为合适的器件是 （ ） A C30817E B C30916E C C30902E D C30902S 9．已知甲、乙两厂生产的光电器件在色温2856K 标准钨丝灯下标定出的灵敏度分别为uW uA S e /5=， lm A o S v /4.=，则甲乙两厂中光电器件灵敏度比较结果正确的是（ ） A. 甲场灵敏度高 B. 乙场灵敏度高 C. 甲乙两场灵敏度一样高 D. 无法比较

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

光电检测技术课程作业及答案(打印版)

思考题及其答案 习题01 一、填空题 1、通常把对应于真空中波长在（0.38m μ）范围内的电磁辐 μ）到（0.78m 射称为光辐射。 2、在光学中，用来定量地描述辐射能强度的量有两类，一类是（辐射度学量），另一类是(光度学量)。 3、光具有波粒二象性，既是（电磁波），又是（光子流）。光的传播过程中主要表现为（波动性），但当光与物质之间发生能量交换时就突出地显示出光的（粒子性）。 二、概念题 1、视见函数：国际照明委员会（CIE）根据对许多人的大量观察结果，用平均值的方法，确定了人眼对各种波长的光的平均相对灵敏度，称为“标准光度观察者”的光谱光视效率V(λ),或称视见函数。 2、辐射通量：辐射通量又称辐射功率，是辐射能的时间变化率，单位为瓦(1W=1J/s)，是单位时间内发射、传播或接收的辐射能。 3、辐射亮度：由辐射表面定向发射的的辐射强度，除于该面元在垂直于该方向的平面上的正投影面积。单位为(瓦每球面度平方米) 。 4、辐射强度：辐射强度定义为从一个点光源发出的，在单位时间内、给定方向上单位立体角内所辐射出的能量，单位为W／sr(瓦每球面度)。 三、简答题 辐射照度和辐射出射度的区别是什么？ 答：辐射照度和辐射出射度的单位相同，其区别仅在于前者是描述辐射接

收面所接收的辐射特性，而后者则为描述扩展辐射源向外发射的辐射特性。 四、计算及证明题 证明点光源照度的距离平方反比定律，两个相距10倍的相同探测器上的照度相差多少倍？答： 2 22 4444R I R I dA d E R dA d E R I I ===∴=ππφπφφπφ＝的球面上的辐射照度为半径为又＝的总辐射通量为在理想情况下，点光源设点光源的辐射强度为ΘΘ ()1 2222222221 122 12 11001001010E E L I E L I L I L I E R I E L L L L =∴====∴= =ΘΘ又的距离为第二个探测器到点光源， 源的距离为设第一个探测器到点光 习题02 一、填空题 1、物体按导电能力分（绝缘体）（半导体）（导体）。 2、价电子的运动状态发生变化,使它跃迁到新的能级上的条件是（具有能向电子提供能量的外力作用）、（电子跃入的那个能级必须是空的）。 3、热平衡时半导体中自由载流子浓度与两个参数有关：一是在能带中（能态的分布），二是这些能态中（每一个能态可能被电子占据的概率）。 4、半导体对光的吸收有（本征吸收）（杂质吸收）（自由载流子吸收）（激子吸收）（晶格吸收）。半导体对光的吸收主要是（本征吸收）。 二、概念题 1、禁带、导带、价带：

现代科学技术的发展趋势

目录 摘要 (2) 1.20世纪科学技术的发展 (2) 1.1科学技术成为支撑、引领经济社会发展的主导力量 (2) 1.2科学技术向应用转化速度不断加快，科技成果产业化周期大大缩短 (3) 1.3科学的交叉融合和技术的集成，导致重大的创新突破，孕育了新的科学和技术革命 (3) 1.4科技全球化深刻改变了科学研究的传统组织结构和方式，使得科技资源在全球范围 内的融合和有效配置 (3) 2.世纪科学技术发展新趋势 (3) 2.1信息技术成为先导技术，世界正在进入以信息产业为主导的新经济时代 (3) 2.2高新技术成为现代生产力中最活跃，最重要的因素 (4) 2.3科学发展的综合化趋势 (4) 2.4科技交流的国际化 (5) 3．结束语 (6) 参考文献 (7)

现代科学技术的发展趋势 摘要：当今时代，科技发展突飞猛进，极大的推动了社会的进步，改变了人类生活的面貌。尤其是第二次世界大战以来，科学技术的发展更是日新月异，不少学者称之为"第三次技术革命"，以表明其划时代的意义或用"知识爆炸"来形容现代科技发展的高速度。随着科学技术的不断发展以及与人类社会的紧密结合，人们也开始思考关于科技发展的哲学命题：例如科学技术的本质问题、科技与自然的关系问题、科技与社会的关系问题、科技与人的自身关系问题等等。同时，科学技术本身也呈现出了超越以往时代的特点。 关键词：科学技术人类社会发展 1.20世纪科学技术的发展 20世纪是科学技术空前辉煌的世纪，人类创造了历史上最为巨大的科学成就和物质财富。这些成就深刻地改变了人类生产和生活的方式及质量，同时也深刻地改变了人类的思维观念和对世界的认识，改变并继续改变着世界的面貌，极大地推动了社会的发展。纵观20世纪中叶以来50多年间，科学技术发展大致经历了6次大变革。 表1 20世纪现代科技经历的6次变革 上表显示出了20世纪总体上世界科技发展的特点: 1.1科学技术成为支撑、引领经济社会发展的主导力量 量子理论促进了集成电路计算机的发展，奠定了信息产业的发展；相对论和原子核裂变原理形成了核技术和核能工业；分子生物学和遗传学成就发展了生物

传感器与检测技术期末考试试卷及答案

传感器与自动检测技术 一、填空题（每题3分） 1、传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件、产生可用信号输出的转换元件、以及相应的信号调节转换电路组成。 2、金属材料的应变效应是指金属材料在受到外力作用时，产生机械变形，导致其阻值发生变化的现象叫金属材料的应变效应。 3、半导体材料的压阻效应是半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。 4、金属丝应变片和半导体应变片比较其相同点是它们都是在外界力作用下产生机械变形，从而导致材料的电阻发生变化。 5、金属丝应变片和半导体应变片比较其不同点是金属材料的应变效应以机械形变为主，材料的电阻率相对变化为辅；而半导体材料则正好相反，其应变效应以机械形变导致的电阻率的相对变化为主，而机械形变为辅。 6、金属应变片的灵敏度系数是指金属应变片单位应变引起的应变片电阻的相对变化叫金属应变片的灵敏度系数。 7、固体受到作用力后电阻率要发生变化，这种现象称压阻效应。 8、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 9、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。 10、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 11、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 12、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用来将应变的转换为电阻的变化。 13、应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻敏感元件构成，弹性元件用来感知应变，电阻敏感元件用

光电探测技术

第一章： 1，光电检测系统的基本组成及各部分的主要作用？ 光源——光学系统——被测对象——光学变换——光电转换——电信号放大与处理[存储，显示，控制] 作用：光学变换：将被测量转换为光参量，有时需要光信号的匹配处理，目的是更好的获得待测量的信息。 电信号放大与处理的作用：存储，显示，控制。 第二章： 1、精密度、准确度、精确度、误差、不确定度的意义、区别。 答：精密度高指偶然误差较小，测量数据比较集中，但系统误差大小不明确； 准确度高指系统误差较小，测量数据的平均值偏离真值较少； 精确度高指偶然误差和系统误差都比较小，测量数值集中在真值附近； 误差=测量结果-真值；不确定度用标准偏差表示。 2、朗伯辐射体的定义？有哪些主要特性？ 答：定义：辐射源各方向的辐亮度不变的辐射源。特性：自然界大多数物体的辐射特性，辐亮度与观察角度无关。 3、光谱响应度、积分响应度、量子效率、NEP、比探测率的定义、单位及物理意义。 答：灵敏度又叫响应度，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。辐射度量测量中，测不同的辐射度量，应当用不同的响应度。 对辐射通量的电流响应度(AW-1 ) 对辐照度的电流响应度(AW-1 m 2 ) E 对辐亮度的电流响应度(AW-1 m 2 Sr)L 量子效率：在单色辐射作用于光电器件时，单位时间产生的的光电子数与入射的光子数之比，为光电器件的量子效率。 NEP：信噪比等于1时所需要的最小输入光信号的功率。单位：W。物理意义：反映探测器理论探测能力的重要指标。 比探测率：定义；物理意义：用单位探测系统带宽和单位探测器面积的噪声电流来衡量探测器的探测能力。 第三章： 1、光源的分类及各种光源的典型例子；相干光源和非相关光源包括哪些？ 答：按照光波在时间、空间上的相位特征，一般将光源分成相干光源和非相干光源；按发光机理可分为：热辐射光源，常用的有：太阳、黑体源、白炽灯，典型军事目标辐射；气体辐射光源，广泛用作摄影光源；固体辐射光源，用于数码、字符和矩阵的显示；激光光源，应用：激光器。相干光源：激光；非相关光源：普通光源。 2、对一个光电检测系统的光源通常都有哪方面要求？ 答：1.波长（光谱）特性2.发光强度（光功率）3.光源稳定性（强度、波长） 3、辐射效率和发光效率的概念及意义 答：在给定λ1～λ2波长范围内，某一辐射源发出的辐射通量与产生这些辐射通量所需比，称为该辐射源在规定光谱范围内的辐射效率；某一光源所发射的光通量与产生这些光通量所需的电功/率之比，就是该光源的发光效率。 4、色温，配光曲线的概念及意义 答：色温：如果辐射源发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射出的光的颜色相同，则黑体的

期末考试传感器题库试卷5

试卷五 一、单项选择题（每小题 1分，共 15分） 1.传感器一般包括敏感元件和（ D ） A ．弹性元件 Ｂ．霍尔元件 Ｃ．光电元件 2.如果按被测对象分类，温度传感器和压力传感器属于（C ） A ．物理型传感器 Ｂ．生物量传感器 Ｃ．物理量传感器 Ｄ．转换元件 Ｄ．化学量传感器 Ｄ．压电传感器 Ｄ．稳定性 3.以下传感器中具有能量放大作用的是（ B ） A ．热电偶 Ｂ．电感式传感器 Ｃ．光电池 4.以下特性属于传感器动态特性的是（ A ） A ．瞬态响应 5.传感器在零点附近的分辨力称为（A A ．阀值 Ｂ．线性度 Ｃ．灵敏度 ） Ｂ．分辨力 Ｃ．迟滞 Ｄ．重复性 6.电阻式传感器是一种基本电量传感器，其非电量与电量转换是通过测量（ D ） A ．电流值 7.据光生伏打效应制成的光电器件是（ B ） A ．光敏电阻 Ｂ．电压值 Ｃ．电感值 Ｄ．电阻值 Ｂ．光电池 Ｃ．光敏二极管 Ｄ．光敏晶闸管 8.家用彩色电视机的色彩调整使用的传感器是（A A ．光纤传感器 Ｂ．红外传感器 Ｃ．色彩传感器 Ｄ．温度传感器 9.弹性敏感元件的灵敏度和线性度有相互矛盾的问题，提高灵敏度，线性度会（C A ．变差 Ｂ．变好 10.利用霍尔效应制成的传感器是（ C ） A ．磁敏传感器 Ｂ．温度传感器 Ｃ．霍尔传感器 Ｄ．气敏传感器 11.影响超声波的衰减程度的因素有介质和（ B A ．温度 Ｂ．频率 12.用来衡量物体温度数值的标尺称为（ D ） A ．摄氏度 13.属于半导体气敏传感器的是（ C ） A ．固体电解质式 14.微生物传感器和酶传感器都属于（D ） ） Ｃ．不变 Ｄ．不能确定 ） Ｃ．湿度 Ｄ．浓度 Ｂ．华氏温度 Ｃ．绝对温标 Ｄ．温标 Ｂ．光干涉式 Ｃ．氧化物系 Ｄ．接触燃烧式 ） A ．电阻传感器 Ｂ．电感传感器 Ｃ．电容传感器 Ｄ．生物传感器 15.智能传感器不具有的功能是（ C ） A ．自检 16.在测谎仪中一般采用（a A ．热敏电阻 17.电容式湿度传感器主要包括陶瓷电容式和（ B ） A ．金属电容式 Ｂ．高分子电容式 Ｃ．半导体电容式 Ｄ．单晶电容式 18.酶传感器的信号变换方法有电位法和（ C ） A ．电压法 19.弹性滞后的主要原因是材料内部存在的分子间（ D ） A ．吸引力 20.以下不属于传感器主要发展方向的是（ B ） A ．开发新材料 Ｂ．简单化 Ｂ．自诊断 Ｃ．自修复 Ｄ．自维护 ） Ｂ．光敏电阻 Ｃ．磁敏电阻 Ｄ．压敏电阻 Ｂ．电阻法 Ｃ．电流法 Ｄ．电容法 Ｄ．内摩擦 Ｂ．排斥力 Ｃ．相容性 Ｃ．集成化 Ｄ．智能化

现代科学技术的发展趋势

现代科学技术的发展趋势

目录 摘要 (3) 1.20世纪科学技术的发展 (4) 1.1科学技术成为支撑、引领经济社会发展 的主导力量 (4) 1.2科学技术向应用转化速度不断加快，科 技成果产业化周期大大缩短 (4) 1.3科学的交叉融合和技术的集成，导致重 大的创新突破，孕育了新的科学和技术革命 (5) 1.4科技全球化深刻改变了科学研究的传统 组织结构和方式，使得科技资源在全球范围 内的融合和有效配置 (5) 2.世纪科学技术发展新趋势 (5) 2.1信息技术成为先导技术，世界正在进入 以信息产业为主导的新经济时代 (5) 2.2高新技术成为现代生产力中最活跃，最 重要的因素 (6) 2.3科学发展的综合化趋势 (6) 2.4科技交流的国际化 (7) 3．结束语 (8)

参考文献 (7) 现代科学技术的发展趋势 摘要：当今时代，科技发展突飞猛进，极大的推动了社会的进步，改变了人类生活的面貌。尤其是第二次世界大战以来，科学技术的发展更是日新月异，不少学者称之为"第三次技术革命"，以表明其划时代的意义或用"知识爆炸"来形容现代科技发展的高速度。随着科学技术的不断发展以及与人类社会的紧密结合，人们也开始思考关于科技发展的哲学命题：例如科学技术的本质问题、科技与自然的关系问题、科技与社会的关系问题、科技与人的自身关系问题等等。同时，科学技术本身也呈现出了超越以往时代的特点。

关键词：科学技术人类社会发展 1.20世纪科学技术的发展 20世纪是科学技术空前辉煌的世纪，人类创造了历史上最为巨大的科学成就和物质财富。这些成就深刻地改变了人类生产和生活的方式及质量，同时也深刻地改变了人类的思维观念和对世界的认识，改变并继续改变着世界的面貌，极大地推动了社会的发展。纵观20世纪中叶以来50多年间，科学技术发展大致经历了6次大变革。 表1 20世纪现代科技经历的6次变革 上表显示出了20世纪总体上世界科技发展的特点: 1.1科学技术成为支撑、引领经济社会发展的主导力量 量子理论促进了集成电路计算机的发展，奠定了信息产业的发展；相对论和原子核裂变原理形成了核技术和核能工业；分子生物学和遗传学成就发展了生物技术和生物产业。 1.2科学技术向应用转化速度不断加快，科技成果产业化周期大大缩短 19世纪贝尔发明电话，掀开了人类通讯史从此一个全新的篇章。但相比电

《光电检测技术题库》

《光电检测》题库 一、填空题 1.光电效应分为内光电效应和外光电效应，其中内光电效应包括 和。 2.对于光电器件而言，最重要的参数是、和。 3.光电检测系统主要由光电器件、和等部分组成。 4.为了取得很好的温度特性，光敏二极管应在较负载下使用。 5.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成。 6.光电三极管的工作过程分为和。 7.激光产生的基本条件是受激辐射、和。 8.检测器件和放大电路的主要连接类型有、和 等。 https://www.wendangku.net/doc/4914555943.html,D的基本功能是和。 10.已知本征硅材料的禁带宽度E g=1.2eV，则该半导体材料的本征吸收长波限为。 11. 非平衡载流子的复合大致可以分为和。 12.在共价键晶体中，从最内层的电子直到最外层的价电子都正好填满相应的能带，能量最高的是填满的能带，称为价带。价带以上的能带，其中最低的能带常称为，与之间的区域称为。 13.本征半导体在绝对零度时，又不受光、电、磁等外界条件作用，此时导带中没有，价带中没有，所以不能。 14.载流子的运动有两种型式，和。 15. 发光二极管发出光的颜色是由材料的决定的。 16. 光电检测电路一般情况下由、、组成。 17. 光电效应分为内光电效应和效应，其中内光电效应包括和，光敏电阻属于效应。 18.导带和价带中的电子的导电情况是有区别的，导带愈多，其导电能力愈强；而价带的愈多，即愈少，其导电能力愈强。 19.半导体对光的吸收一般有、、、和这五种形式。 20. 光电器件作为光电开关、光电报警使用时，不考虑其线性，但要考虑。 24.半导体对光的吸收可以分为五种，其中和可以产生光电效应。 22.光电倍增管由阳极、光入射窗、电子光学输入系统、和等构成，光电倍增管的光谱响应曲线主要取决于材料的性质。 23.描述发光二极管的发光光谱的两个主要参量是和。

最新当前世界科学技术发展现状及未来趋势

当前世界科学技术发展现状及未来趋势 21世纪是科学技术全面发展和科学理性充分发展的世纪，世界科技革命开始向更高的阶段迈进，新的科技浪潮正迎着新世纪的曙光蓄势待发。新的科学发现和技术发明，特别是高技术的不断创新及其产业化，将对全球化的竞争和综合国力的提高、对世界的发展和人类文明的进步产生更加巨大而深刻的影响。社会产业结构、生产工具、劳动者素质等生产力要素和人们的生产方式、生活方式、思想观念都将发生新的革命性变化。 一、信息技术成为率先渗透到经济社会生活各领域的先导技术，世界正在进入以信息产业为主导的新经济时代 未来信息技术的发展方向将是信息密集程度的增加，集成电路制造技术的发展，费用的迅速下降。计算机与通讯的结合，互联网，移动电话与卫星网络的发展，对人类经济社会的进一步发展将产生极为巨大的影响。在信息储存方面，储存容量将稳定增长，集成技术将进一步发展。微机电系统技术对未来全球通讯系统的发展将可能有重大影响。 信息技术未来的主要发展趋势是网络化。互联网的发展与计算机的发展起着相辅相成的作用。网络化与计算机对未来的教育(远程教育)、经济(如电子商务)发展有着十分重要的作用。信息技术发展的另一趋势是计算机的广泛应用。将来的发展趋势是每一项设备或用具中都安装有计算机，这些计算机是互联的，因此可以设想一个人在外面可以控制他的家用设备。 随着以信息技术产业为代表的高技术产业的发展，高技术服务业的比重将大大增加，也将促进以物质生产、物质服务为主的经济发展模式向以信息生产、信息服务为主的经济发展模式的转变。 二、基因技术、蛋白质工程、空间利用、海洋开发以及新材料、新能源的发展将产生一系列重大创新成果 与生物学相关的技术将成为21世纪新的经济增长点。生物技术是有生命物质的工业应用技术，用于制造食物、药品或其他产品。生物技术中包括了传统生物技术和现代生物技术，传统生物技术是人类应用发酵技术制造酱油，醋及酒等传统产品。而现代生物技术中的基因工程，或重组DNA(脱氧核糖核酸)技术，则可以广泛地用于药物及农业方面。人类基因组序列工作框架图的绘就，直接引发了基因革命的新冲击波。基因革命在21世纪有望通过改变物质生产方式而重塑全球经济。 在21世纪，绿色科技成为未来科技为社会服务的基本方向，也是人类走向可持续发展道路的必然选择。绿色科技强调自然资源的合理开发，综合利用、保护和增值，强调发展清洁生产技术和无污染的绿色产品，提倡文明、科学的消费和生活方式。 国际能源技术发展的趋势将较少地依靠单一能源而更多地依靠多种能源。影响未来能源结构的最大不确定因素是温室气体(主要是二氧化碳，氧化氮，臭氧、甲烷)所造成的全球气温的升高。长期能源战略侧重于能源结构的调整。未来的能源结构将主要依靠二种不含碳的一次能源结构。能源技术发展方向的第二个方面是节能。节能技术的发展反映在各个领域，一是改进结构，比如在房屋建筑中使用绝缘材料以促进电力的有效利用，二是改进使用油及天然气的机器以提高燃料的使用效率。 纳米技术具有彻底改变物质生产方式的巨大潜能。它有可能在新世纪引发一场新的产业革命。同时，柔性生产正以全球规模兴起。柔性生产系统不仅具有硬件生产系统的特征，更主要的是具有软件组织系统的特征。 三、科学技术一体化以及自然科学与社会科学日益交融成为科技发展主流 科学技术发展具有交叉性、复杂性和多样性特征。学科间、门类间的交叉与融合是普遍现象；科学技术系统、人类社会系统、全球经济系统、生态系统、生命系统、脑与神经系统，

光电检测技术介绍

?（一）检测 一、检测是通过一定的物理方式，分辨出被测参数量病归属到某一范围带，以此来 判别被测参数是否合格或参数量是否存在。测量时将被测的未知量与同性质的标准量进行比较，确定被测量队标准量的倍数，并通过数字表示出这个倍数的过程。 在自动化和检测领域，检测的任务不仅是对成品或半成品的检验和测量，而且为了检查、监督和控制某个生产过程或运动对象使之处于人们选定的最佳状况，需要随时检测和测量各种参量的大小和变化等情况。这种对生产过程和运动对象实时检测和测量的技术又称为工程检测技术。 测量有两种方式：即直接测量和间接测量 直接测量是对被测量进行测量时，对以表读数不经任何运算，直接的出被测量的数值，如：用温度计测量温度，用万用表测量电压 间接测量是测量几个与被测量有关的物理量，通过函数关系是计算出被测量的数值。 如：功率P与电压V和电流I有关，即P=VI，通过测量到的电压和电流，计算出功率。 直接测量简单、方便，在实际中使用较多；但在无法采用直接测量方式、直接测量不方便或直接测量误差大等情况下，可采用间接测量方式。 光电传感器与敏感器的概念 传感器的作用是将非电量转换为与之有确定对应关系得电量输出，它本质上是非电量系统与电量系统之间的接口。在检测和控制过程中，传感器是必不可少的转换器件。 从能量角度出发，可将传感器划分为两种类型：一类是能量控制型传感器，也称有源传感器；另一类是能量转换传感器，也称无源传感器。能量控制型传感器是指传感器将被测量的变换转换成电参数（如电阻、电容）的变化，传感器需外加激励电源，才可将被测量参数的变化转换成电压、电流的变化。而能量转换型传感器可直接将被测量的变化转换成电压、电流的变化，不需外加激励源。 在很多情况下，所需要测量的非电量并不是传感器所能转换的那种非电量，这就需要在传感器前面加一个能够把被测非电量转换为该传感器能够接收和转换的非电量的装置或器件。这种能够被测非电量转换为可用电量的元器件或装置成为敏感器。例如用电阻应变片测量电压时，就需要将应变片粘贴到售压力的弹性原件上，弹性原件将压力转换为应变力，应变片再将应变力转换为电阻的变化。这里应变片便是传感器，而弹性原件便是敏感器。敏感器和传感器随然都可对被测非电量进行转换，但敏感器是把被测量转换为可用非电量，而传感器是把被测非电量转换为电量。 二、光电传感器是基于光电效应，将光信号转换为电信号的一种传感器，广泛应用 于自动控制、宇航和广播电视等各个领域。 光电传感器主要噢有光电二极管、光电晶体管、光敏电阻Cds、光电耦合器、继承光电传感器、光电池和图像传感器等。主要种类表如下图所示。实际应用时，要选择适宜的传感器才能达到预期的效果。大致的选用原则是：高速的光电检测电路、宽范围照度的照度计、超高速的激光传感器宜选用光电二极管；几千赫兹的简单脉冲光电传感器、

光电检测技术题库试卷

光电检测技术题库试卷 一、单项选择题（每小题2分,共40分） 1．材料的禁带宽度，最大的是( C ) A. 金属; B. 杂质半导体 C. 绝缘体; D. 本征半导体． 2．紫外线频率的范围在（ D ）． A. 1011～1012 B. 108～109 C. 1013～1014 D. 1015～1016 3．等离子体是一种( B ). A. 气体光源 B. 固体光源 C. 液体光源 D. 激光光源4．费米能级Ef的意义是电子占据率为( D )时所对应的能级 A. 0； B. 0.1； C. 0.2； D. 0.5． 5．光源在指定方向上通过单位立体角内的辐射通量的多少，称为( B ). A. 辐功率； B. 辐强度； C. 辐照度； D. 辐出度 6．光子探测是利用入射光和磁，产生（ B ）。使材料的电学性质发生变化。通过测量电学性质的变化，可以知道红外辐射的强弱。 A. 光子效应 B. 霍尔效应 C. 热电效应 D. 压电效应7．在光源λ一定的情况下，通过半导体的透射光强随温度T 的增加而( B )。

A. 增加; B. 减少; C. 不变; D. 不能确定． 8．电子亲和势，是指电子从（A 差。 A.导带底能级 B. 价带顶能级 C. 费米能级 D. 施主能级 9．光纤通信指的是（ B ）。 A. 以电波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式 B. 以光波作载波、以光纤为传输媒介的通信方式 C. 以光波作载波、以电缆为传输媒介的通信方式 D. 以激光作载波、以导线为传输媒介的通信方式 10．光电探测器单位信噪比的光功率，称为光电探测器的（ C ）。 A. 电流灵敏度; B. 光谱灵敏度; C. 噪声等效功率; D. 通量阈 11．N型半导体的费米能级处于禁带（B）. A. 中间 B. 上部 C. 下部 D. 不确定． 12．PN结和光敏电阻的时间常数（ B ）. A前者大 B. 后者大 C. 一样大 D. 不能确定 13. 下列像管的性能指标( A )的值越高，像管的成像质量越好。

光电检测思考题及部分答案

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：真空二极管工作原理：当入射光透过光窗射到光阴极面上时，光电子从阴极发射到真空中，在阴极电场作用下，光电子加速运动到阳极被吸收，光电流数值可在阳极电路中测出。优缺点：电流与入射光通量成正比，因此可精确测量光通量；噪声小，但增益小。 充气二极管工作原理：光电管中充入低压惰性气体，在光照下光阴极发射出的光电子受电场作用加速向阳极运动，途中与气体原子相碰撞，气体原子发生电离形成电子与正离子，不断繁衍构成电子流。优缺点：高灵敏度，结构简单，但噪声大频响差。 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。组成部分：光电阴极、倍增极、阳