1、光電檢測技術(shù)與應(yīng)用論文論文題目：光電檢測技術(shù)應(yīng)用及其前景院系應(yīng)用物理與材料學(xué)院專業(yè)應(yīng)用物理學(xué)號11060112學(xué)生姓名郭梓浩指導(dǎo)教師孫魯完成日期2021年6月10日摘要在科學(xué)技術(shù)高速開展的現(xiàn)代社會(huì)中，人類已經(jīng)入瞬息萬變的信息時(shí)代，人們在日常生活，生產(chǎn)過程中，主要依靠檢測技術(shù)對信息經(jīng)獲取、篩選和傳輸，來實(shí)現(xiàn)制動(dòng)控制，自動(dòng)調(diào)節(jié)，目前我國已將檢測技術(shù)列入優(yōu)先開展的科學(xué)技術(shù)之一。由于微電子技術(shù)，光電半導(dǎo)體技術(shù)，光導(dǎo)纖維技術(shù)以及光柵技術(shù)的開展，使得光電傳感器的應(yīng)用與日俱增。這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、非接觸、高可靠性、高精度、可測參數(shù)多、反響快以及結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)，在自動(dòng)檢測技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用

2、，它一種是以光電效應(yīng)為理論根底，由光電材料構(gòu)成的器件。關(guān)鍵詞傳感器微電子半導(dǎo)體自動(dòng)檢測AbstractInthehigh-speeddevelopmentofscienceandtechnologyofmodernsociety,mankindhasintorapidlychanginginformationera,peopleindailylife,theproductionprocess,relymainlyondetectiontechniquesofinformationbyacquiring,screeningandtransmission,toachievethebrakecont

3、rol,automaticadjustment,atpresentourcountryhasputdetectiontechniqueslistedinoneoftheprioritytothedevelopmentofscienceandtechnology.Becauseofmicroelectronicstechnology,photoelectricsemiconductortechnology,thedevelopmentofopticalfiberandgratingtechnology,makestheapplicationofthephotoelectricsensorisgr

4、owing.Thiskindofsensorhastheadvantagesofsimplestructure,non-contact,highreliability,highprecision,measurableparameters,quickreactionandsimplestructure,theadvantagesofflexibleandvariedinform,hasbeenwidelyappliedintheautomaticdetectiontechnology,itisakindofbasedonthetheoreticalbasisofthephotoelectrice

5、ffect,composedofphotoelectricmaterialdevice.KeywordsThesensormicroelectronicssemiconductorAutomaticdetection目錄第1章緒論1弓I言1.1.2 光電檢測技術(shù)1.1.3 開展趨勢2.第2章光電檢測技術(shù)傳感器32.1 理論根底一一光電效應(yīng)3.光電元件及特性3.、光電傳感器6.光電傳感器的根本結(jié)構(gòu)6光敏三極管6.硅光敏二極管7.第3章應(yīng)用前景9.第4章結(jié)論第參考文獻(xiàn)11.圖標(biāo)目錄圖1:光電檢測系統(tǒng)工作原理圖1實(shí)用文檔.4圖2光電光結(jié)構(gòu)示意圖圖3光電管測量電路.4圖4光電管的光電特性.4圖5光電倍

6、增結(jié)構(gòu)示意圖.4圖6光敏電阻的伏安特性5圖7光電傳感器的根本結(jié)構(gòu)6圖8光敏電阻測量電路7圖9光敏晶體管測量電路7圖10光電池測量電路7圖11使用放大器的光敏元件放大電路8實(shí)用文檔.第1章緒論隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)以及復(fù)雜自動(dòng)控制系統(tǒng)和信息處理與技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)作為一門研究光與物質(zhì)相互作用開展起來的新興學(xué)科，已成為現(xiàn)代信息科學(xué)的一個(gè)極為重要的組成局部。光電檢測技術(shù)具有測量精度高、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動(dòng)化程度高等突出特點(diǎn)，令其開展十分迅速，并推動(dòng)著信息科學(xué)技術(shù)的開展。它將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等領(lǐng)域。

7、本文從光電檢測技術(shù)本身特點(diǎn)出發(fā)，分析其開展趨勢及應(yīng)用前景201.2光電檢測技術(shù)光電檢測技術(shù)是光電信息技術(shù)的主要技術(shù)之一，它是以激光、紅外、光纖等現(xiàn)代光電子其件作為根底，通過對被檢測物體的光輻射，經(jīng)光電檢測器接受光輻射并轉(zhuǎn)換為電信號，由輸入電路、放大濾波等檢測電路提取有用信息，再經(jīng)模/數(shù)轉(zhuǎn)換接口輸入計(jì)算機(jī)運(yùn)算處理，最后顯示輸出所需要的檢測物理量等參數(shù)。其工作原理如圖1所示：矗學(xué)堂換電躇處理圖1：光電檢測系統(tǒng)工作原理圖其技術(shù)主要包括光電變換技術(shù)、光信息獲取與光信息測量技術(shù)以及測量信息的光實(shí)用文檔.電處理技術(shù)等。光電檢測技術(shù)將光學(xué)技術(shù)與電子技術(shù)相結(jié)合實(shí)現(xiàn)對各種量的測量，它具有如下特點(diǎn)：1 .Nm/m

8、光柵莫爾條紋法測角可到達(dá)；用激光測距法測量地球與月球之間距離的分辨力可到達(dá)1m=2 .高速度。光電測量以光為媒介，而光是各種物質(zhì)中傳播速度最快的，無疑用光學(xué)方法獲取和傳遞信息是最快的。3 .遠(yuǎn)距離、大量程。光是最便于遠(yuǎn)距離粗寒痹的介質(zhì)，尤其適用于遙控和遙測，如武器制導(dǎo)、光電跟蹤、電視遙測等。4 .非接觸測量。光照到被測物體上可以認(rèn)為是沒有測量力的，因此也無摩擦，可以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)測量，是各種測量方法中效率最高的一種網(wǎng)。1.3開展趨勢從上面對光電檢測技術(shù)特點(diǎn)的分析，并隨著世界各國的劇烈競爭正以日新月異的速度突飛猛進(jìn)及科研技術(shù)的提高，光電檢測技術(shù)的開展趨勢主要表現(xiàn)在：高精度方向開展：檢測精度向高精度方向

9、開展，納米、亞納米高精度的光電測量新技術(shù)是今后的開展熱點(diǎn)；智能化方向開展：檢測系統(tǒng)向智能化方向開展，如光電跟蹤與光電掃描測量技術(shù)；數(shù)字化方向開展：檢測結(jié)果向數(shù)字化，實(shí)現(xiàn)光電測量與光電控制一體化方向開展；多元化方向開展：光電檢測儀器的檢測功能向綜合性、多參數(shù)、多維測量等多元化方向開展，并向人們無法觸及的領(lǐng)域開展，如微空間三維測量技術(shù)和大空間三維測量技術(shù)；微型化方向開展：光電檢測儀器所用電子元件及電路向集成化方向開展；光電檢測系統(tǒng)朝著小型、快速的微型光、機(jī)、電檢測系統(tǒng)開展；自動(dòng)化方向開展：檢測技術(shù)向自動(dòng)化，非接觸、快速在線測量方向開展，檢測狀態(tài)向動(dòng)態(tài)測量方向開展；以上這些開展趨勢是現(xiàn)代化生產(chǎn)的需要

10、，是現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)開展的需要，是國防建設(shè)的需要4。實(shí)用文檔.第2章光電檢測技術(shù)傳感器2.1 理論根底一一光電效應(yīng)光電效應(yīng)一般有外光電效應(yīng)、光導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)。光照在照在光電材料上，材料外表的電子吸收的能量，假設(shè)電子吸收的能量足夠大是，電子會(huì)克服束縛脫離材料外表而進(jìn)入外界空間，從而改變光電子材料的導(dǎo)電性，這種現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)50根據(jù)愛因斯坦的光電子效應(yīng)，光子是運(yùn)動(dòng)著的粒子流，每種光子的能量為hv（v為光波頻率，h為普朗克常數(shù)，h=6.63*10-34Js）,由此可見不同頻率的光子具有不同的能量，光波頻率越高，光子能量越大。假設(shè)光子的全部能量交給光子，電子能量將會(huì)增加，增加的能量一局部用于克服

11、正離子的束縛，另一局部轉(zhuǎn)換成電子能量。根據(jù)能量守恒定律：式中，m為電子質(zhì)量,v12為電子逸出的逑曲，A彳龍電子伽做的功。由上式可知，要使光電子逸出陰極外表的必要條件是h>A由于不同材料具當(dāng)入有不同的逸出功，因此對每一種陰極材料，入射光都有一個(gè)確定的頻率限,射光的頻率低于此頻率限時(shí)，不管光強(qiáng)多大，都不會(huì)產(chǎn)生光電子發(fā)射，此頻率限稱為“紅限。相應(yīng)的波長為hc式中c為光速，A為逸出功。KT光電元件及特性根據(jù)外光電元件制造的光電元件有光電子，充氣光電管和光電倍曾管。1 .光電管光電管的種類繁多，典型的產(chǎn)品有真空光電管和充氣光電管，光它的外形和結(jié)構(gòu)如圖2所示，半圓筒形金屬片制成的陰極K和位于陰極軸心

12、的金屬絲制成的陽極A封裝在抽成真空的玻殼內(nèi)，當(dāng)入射光照射在陰極上時(shí)，單個(gè)光子就把它的全部能量傳遞給陰極材料中的一個(gè)自由電子，從而使自由電子的能量實(shí)用文檔.增加h。當(dāng)電子獲得的能量大于陰極材料的逸出功A時(shí)，它就可以克服金屬外表束縛而逸出，形成電子發(fā)射。這種電子稱為光電子，光電子逸出金屬外表后的初始動(dòng)能為（1/2）mv2。光電管正常工作時(shí)，陽極電位高于陰極，如圖2所示。在人射光頻率大于“紅限的前提下，從陰極外表逸出的光電子被具有正電位的陽極所吸引，在光電管內(nèi)形成空間電子流，稱為光電流。此時(shí)假設(shè)光強(qiáng)增大，轟擊陰極的光子數(shù)增多，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)射的光電子數(shù)也就增多，光電流變大60在圖3所示的電路中，電流和

13、電阻只上的電壓降就和光強(qiáng)成函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。當(dāng)光線照射到光電陰極K上時(shí)，電子從陰極外表逸出，并被光電陽極的正電廠吸收，外電路產(chǎn)生電流I,在負(fù)載電阻Rl上的電壓U0光電管的光電特性如圖4所示，從圖中可知，在光通量不太大時(shí)，光電特性根本是一條直線。I中IIE圖2光電光結(jié)構(gòu)示意圖圖3光電管測量電路圖4光電管的光電特性2 .光電倍曾管由于真空光電管的靈敏度低，因此人們研制了具有放大光電流能力的光電倍增管。圖5是光電倍增管結(jié)構(gòu)示意圖ra-巾-I11fLiT從圖中可以看到光電倍增管也有一個(gè)陰極K和一個(gè)陽極A,與光電管不同的是在它的陰極和陽極間設(shè)置了假設(shè)干個(gè)二次發(fā)射電極，D1、D2、D3它們稱為第

14、一倍增電極、第二倍增電極、，倍增電極通常為1015級。光電倍增管工作時(shí)，相鄰電極之間保持一定電位差，其中陰極電位最低，各倍增電極電位逐實(shí)用文檔.級升高，陽極電位最高。當(dāng)入射光照射陰極K時(shí)，從陰極逸出的光電子被第一倍增電極D1加速，以高速轟擊D1,引起二次電子發(fā)射，一個(gè)入射的光電子可以產(chǎn)生多個(gè)二次電子，D1發(fā)射出的二次電子又被D1、D2問的電場加速，射向D2并再次產(chǎn)生二次電子發(fā)射，這樣逐級產(chǎn)生的二次電子發(fā)射，使電子數(shù)量迅速增加，這些電子最后到達(dá)陽極，形成較大的陽極電流。假設(shè)倍增電極有n級，各級的倍增率為6，那么光電倍增管的倍增率可以認(rèn)為是6N,因此，光電倍增管有極高的靈敏度。在輸出電流小于1mA

15、的情況下，它的光電特性在很寬的范圍內(nèi)具有良好的線性關(guān)系。光電倍增管的這個(gè)特點(diǎn)，使它多用于微光測量703、光敏電阻光敏電阻的工作原理是基于內(nèi)光電效應(yīng)。在半導(dǎo)體光敏材料的兩端裝上電極引線，將其封在帶有透明窗的管殼里就構(gòu)成了光敏電阻。光敏電阻的特性和參數(shù)如下：1暗電阻光敏電阻置于室溫、全暗條件下的穩(wěn)定電阻值稱為暗電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為暗電流。2)亮電阻光敏電阻置于室溫和一定光照條件下測得穩(wěn)定電阻值稱為亮電阻，此時(shí)流過電阻的電流稱為亮電流。4、伏安特性光敏電阻兩端所加的電壓和流過光敏電阻的電流間的關(guān)系稱為伏安特性，如圖6所示。從圖中可知，伏安特性近似直線，但使用時(shí)應(yīng)限制光敏電阻兩端的電壓，以免超

16、過虛線所示的功耗區(qū)。4/mAj40(500mW30圖6光敏電阻的伏安特性5、光電特性光敏電阻兩極間電壓固定不變時(shí)，光照度與亮電流間的關(guān)系稱為光電特性。光敏電阻的光電特性呈非線性，這是光敏電阻的主要缺點(diǎn)之一。、光電傳感器光電傳感器的根本結(jié)構(gòu)光電傳感器是通過把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號的變化來實(shí)現(xiàn)控制的，它的根本結(jié)構(gòu)如圖7,它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號.光電傳感器一般由光源，光學(xué)通路和光電元件三局部組成.光電檢測方法具有精度高，反響快，非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常光學(xué)尢電電

17、參量信號電子測母中蹄可用國號橫謝星量圖7光電傳感器的根本結(jié)構(gòu)光電傳感器是一種依靠被測物與光電元件和光源之間的關(guān)系，來到達(dá)測量目的的，因此光電傳感器的光源扮演著很重要的角色，光電傳感器的電源要是一個(gè)恒光源，電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，電源的穩(wěn)定性直接影響到測量的準(zhǔn)確性，常用光源有以下幾種：1、發(fā)光二極管是一種把電能轉(zhuǎn)變成光能的半導(dǎo)體器件。它具有體積小、功耗低、壽命長、響應(yīng)快、機(jī)械強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，并能和集成電路相匹配。因此，廣泛地用于計(jì)算機(jī)、儀器儀表和自動(dòng)控制設(shè)備中。2、絲燈泡這是一種最常用的光源，它具有豐富的紅外線。如果選用的光電元件對紅外光敏感，構(gòu)成傳感器時(shí)可加濾色片將鴇絲燈泡的可見光濾除，而僅用

18、它的紅外線做光源，這樣，可有效防止其他光線的干擾。光敏三極管光敏三極管在低照度入射光下工作時(shí)，或者希望得到較大的輸出功率時(shí)，也可以配以放大電路，如圖8所示。實(shí)用文檔.由于光敏電池即使在強(qiáng)光照射下，最大輸出電壓也僅0.6V,還不能使下一級晶體管有較大的電流輸出，故必須加正向偏壓，如圖9a所示。為了減小晶體管基極電路阻抗變化，盡量降低光電池在無光照時(shí)承受的反向偏壓，可在光電池兩端并聯(lián)一個(gè)電阻?；蛘呦髨D9b所示的那樣利用錯(cuò)二極管產(chǎn)生的正向壓降和光電池受到光照時(shí)產(chǎn)生的電壓疊加，使硅管e、b極間電壓大于0.7V,而導(dǎo)通工作。這種情況下也可以使用硅光電池組，如圖10c所示。硅光敏二極管半導(dǎo)體光電元件的光電

19、轉(zhuǎn)換電路也可以使用集成運(yùn)算放大器。硅光敏二極管通過集成運(yùn)放可得到較大輸出幅度，如圖11a所示。當(dāng)光照產(chǎn)生的光電流為時(shí)，輸出電壓為了保證光敏二極管處于反向偏置，在它的正極要加一個(gè)負(fù)電壓。圖11b給出硅光電池的光電轉(zhuǎn)換電路，由于光電池的短路電流和光照成線性關(guān)系，因此將它接在運(yùn)放的正、反相輸入端之間，利用這兩端電位差接近于零的特點(diǎn)，可以得到較好的效果。在圖中所示條件下，輸出電壓U0=2I0及。實(shí)用文檔.由光通量對光電元件的作用原理不同所制成的光學(xué)測控系統(tǒng)是多種多樣的，按光電元件（光學(xué)測控系統(tǒng)）輸出量性質(zhì)可分二類，即模擬式光電傳感器和脈沖（開關(guān)）式光電傳感器.模擬式光電傳感器是將被測量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的

20、光電流，它與被測量間呈單值關(guān)系.模擬式光電傳感器按被測量（檢測目標(biāo)物體）方法可分為透射（吸收）式,漫反射式,遮光式（光束阻檔）三大類.所謂透射式是指被測物體放在光路中，恒光源發(fā)出的光能量穿過被測物，部份被吸收后，透射光投射到光電元件上，如測液體網(wǎng)、氣體透明度和混濁度的光電比色計(jì)等；所謂漫反射式是指包光源發(fā)出的光投射到被測物上，再從被測物體外表反射后投射到光電元件上，如光電比色溫度計(jì)和光照度計(jì)等；所謂遮光式是指當(dāng)光源發(fā)出的光通量經(jīng)被測物光遮其中一部份，使投射到光電元件上的光通量改變，改變的程度與被測物體在光路位置有關(guān)，如振動(dòng)測量、工件尺寸測量；而在脈沖式光電傳感器中在這種傳感器中，光電元件接受的

21、光信號是斷續(xù)變化的，因此光電元件處于開關(guān)工作狀態(tài)，它輸出的光電流通常是只有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的脈沖形式的信號，多用于光電計(jì)數(shù)和光電式轉(zhuǎn)速測量等場合。實(shí)用文檔.第3章應(yīng)用前景光電檢測技術(shù)的產(chǎn)生使人類能更有效地?cái)U(kuò)展自身的視覺能力，使視覺的長波延伸到亞毫米波、短波延伸到紫外線、x射線，并可以在超快速度條件下檢測諸如核反響、航空器發(fā)射等變化過程。光電檢測技術(shù)以其所具有高精度、速度快、非接觸、頻寬與信息容量極大、信息效率極高、以及自動(dòng)化程度高等突出特點(diǎn)，將光學(xué)技術(shù)與現(xiàn)代電子技術(shù)相結(jié)合，廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等許多科學(xué)領(lǐng)域9。在工業(yè)領(lǐng)域方面主要表現(xiàn)在在線檢測如零件尺寸、產(chǎn)品缺陷、裝

22、配定位；汽車傳感器中如汽車電子控制系統(tǒng)的信息源，關(guān)鍵部件，核心技術(shù)內(nèi)容，以及溫度、壓力、位置、轉(zhuǎn)速、流量、氣體濃度和爆震傳感器等。家庭應(yīng)用方面主要表現(xiàn)在我們?nèi)粘Ｉ畹挠闷分?，如?shù)碼相機(jī)、數(shù)碼攝像機(jī)的自動(dòng)對焦一一紅外測距傳感器；自動(dòng)感應(yīng)燈的亮度檢測一一光敏電阻；空調(diào)、冰箱、電飯煲的溫度檢測一一熱敏電阻、熱電偶；、麥克風(fēng)的話音轉(zhuǎn)換一一駐極電容傳感器等。醫(yī)療衛(wèi)生應(yīng)用方面主要表現(xiàn)在：數(shù)字體溫計(jì)中接觸式一一熱敏電阻，非接觸式有紅外傳感器；電子血壓計(jì)的血壓檢測的壓力傳感器；血糖測試儀、膽固醇檢測儀的離子傳感器等100在國防和軍事應(yīng)用方面方面表現(xiàn)在夜視瞄準(zhǔn)機(jī)系統(tǒng)的非冷卻紅外傳感器技術(shù)、地基攔截器、早期預(yù)警系

23、統(tǒng)、前沿部署如雷達(dá)、管理與控制系統(tǒng)、衛(wèi)星紅外線監(jiān)測系統(tǒng)的方面。光電檢測技術(shù)在航天領(lǐng)域的應(yīng)用主要用于檢測參數(shù)一一加速度、溫度、壓力、振動(dòng)、流量、應(yīng)變、聲學(xué)等傳感器方面。從上面所述的應(yīng)用現(xiàn)狀可以看出，隨著光電檢測技術(shù)的開展及現(xiàn)代化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，光電檢測技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，將廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、家庭、醫(yī)學(xué)、軍事和空間科學(xué)技術(shù)等許多科學(xué)領(lǐng)域，其應(yīng)用前景是相當(dāng)樂觀。第4章結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的開展人們對測量精度有了更高的要求，這就促使光電傳感器不得不隨著時(shí)代步伐而更新，改善光電傳感器性能的主要手段就是應(yīng)用新材料、新技術(shù)制造性能更優(yōu)越的光電元件。例如今天光電傳感器的雛形，是一種小的金屬圓柱形設(shè)備，發(fā)射器帶一個(gè)校準(zhǔn)鏡頭，將光聚