第1章 緒論

1.1 光電檢測系統的基本工作原理

所謂光電檢測系統是指對待測光學量或由非光學待測物理量轉換成的光學量，通過光電變換和電路處理的方法進行檢測的系統。光電檢測技術是各種檢測技術中的重要組成部分。特別是近年來，各種新型光電探測器件的出現，以及電子技術和微電子技術的發展，使光電檢測系統的內容更加豐富，應用越來越廣，目前已滲透到幾乎所有工業和科研部門。

1. 光電檢測系統實例

下面通過一些簡單的例子來說明光電檢測系統的主要構成和原理。

（1）紅外防盜報警系統

這是一種利用行動中人體自身的紅外輻射，經菲涅耳透鏡產生調制光信號，再經光電變換及電路處理，從而獲得信息，產生報警的裝置。其原理框圖如圖1-1所示。人體紅外輻射經紅外菲涅耳物鏡L會聚到光電探測器GD上，隨著人的運動，轉換為交變的電信號輸出。電信號經放大、鑒別后，控制警燈、警鈴等裝置進行報警。同時也可以利用報警信號進行其他后處理的控制，如關門、攝像、開高壓等。

（2）光電計數器

對需要進行連續計數的場合，均可采用光電計數器來完成。如統計進門參加會議的人數；統計傳送帶上產品的數量；路口汽車的流量等。圖1-2所示為傳送帶上對產品進行計數的光電計數器的原理框圖。將光源GY和光電探測器GD相對地安裝在傳送帶的兩側，光源發出的光直接照射到光電探測器上。當有產品通過時，將上述光路切斷，對應在光電探測器上產生暗脈沖，該脈沖信號經放大和整形后，由計數器計數并通過顯示器輸出。若需進行定量計數，如每100件打1包，則可將計數信號通過譯碼器產生規定量的信號，用該信號去控制打包和換空包的動作。

（3）鍋爐水位的光電控制

在標志鍋爐水位的玻璃管的兩側，在所要求的最高和最低水位處，安裝兩組光源——光電器件對。由于水能透過可見光，所以常用水吸收很強的紅外光源和對紅外敏感的探測器。其工作原理框圖如圖1-3所示。當水位高過上限時，擋住了光源GY1射向光電探測器GD1的紅外光束，產生控制信號，該信號經放大后，控制進水閥門使之關閉。相反，水位低于下限時，光源GY2發出的紅外光束照到光電探測器GD2上，產生另一個控制信號，該信號經放大后，控制出水口關閉并打開進水閥門。

（4）穩定光源發光強度的自控系統

該系統工作原理框圖如圖1-4所示。光源GY在外加電壓U1驅動下工作，Rw1可調整光源的發光強度。光源發光的一部分經特征濾光片LG后，由電阻值為RG的光敏電阻GD所接收，R1、R2、Rw2和RG構成電橋，在達到所要求的光強時，通過調整Rw2，使電橋平衡，UA=UB，RG=（R1/R2）Rw2，這時無信號輸入放大器。當由于某種外界原因光源發光強度增加時，光敏電阻RG的值減小，使RG＜（R1/R2）Rw2，對應UA＜UB。這時有負信號輸入放大器，放大信號經控制器調整Rw1，使之增大，同時相應光源發光強度減小，回到所要求的穩定值。同樣當光源發光強度變小時，經與上述相反的調整過程，使之恢復到要求的穩定值，起到穩定光源發光強度的作用。

2. 光電檢測系統組成

從上述幾個簡單的光電檢測系統的例子中，可以大致歸納出這類系統的基本組成，其原理框圖如圖1-5所示。按照不同的需要，實際的光電檢測系統可能簡單些，也可能還要增加某些環節。在有些系統中可能前后排列不同，或者幾個環節是合在一起的，很難把它們分開。總之，圖1-5只表征基本原理，而實際系統的形式是多樣的，復雜的。

為了對光電檢測系統有個大致的認識，下面對圖1-5中主要部分給予簡單說明。

（1）光源

光源是光電檢測系統中必不可少的部分。在許多系統中按需要選擇一定輻射功率、一定光譜范圍及一定發光空間分布的光源，以此發出的光束作為攜帶待測信息的物質，如圖1-2和圖1-3所示的系統。有時光源本身就是待測對象，如圖1-1和圖1-4所示的系統。這里所指的光源是廣義的，它可以是人工光源，也可以是自然光源。如圖1-1的系統中，人體輻射就是光源。此外光源也可以是其他非光物理量，通過某些效應轉換出來的發光體，例如利用熒光質來完成將電子束或各種射線轉換為發光的過程，通過對發光功率等特性的測量，將達到對電子射線或各種射線特性檢測的目的。這里的熒光質也就是該系統的光源。

（2）被檢測對象及光信號的形成

被檢測對象即待測物理量，它們是千變萬化的。這里所指的是上述光源所發出的光束在通過這一環節時，利用各種光學效應，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束攜帶上被檢測對象的特征信息，形成待檢測的光信號。例如，利用散射測定某氣體中的含塵量，其原理示意圖如圖1-6所示。光源GY發出的光束經物鏡L1形成平行光束，在光束經過待測含塵氣體時，光與塵埃作用產生各方向的散射光，利用物鏡L2和光電探測器檢測其散射光的量，就可測定氣體中含塵量的大小。該裝置中含塵氣體就是被檢測對象，光束通過這一環節后，使散射光攜帶了被測對象的特征信息。圖1-2和圖1-3的例子其實質也是這樣的過程，這時檢測對象的待測物理量是傳送帶上的產品和水位的高低。

光通過被檢測對象這一環節，能否使光束準確地攜帶上所要檢測量的信息，是決定所設計檢測系統成敗的關鍵。

（3）光信號的匹配處理

這一工作環節的位置可以設置在被檢測對象前面，也可設在其后部，應按實際要求來決定。通常在檢測中表征待測量的光信號可以是光強度的變化、光譜的變化、偏振特性的變化、各種干涉和衍射條紋的變化，以及脈寬或脈沖數等。要使光源發出的光或產生攜帶各種待測信號的光與光電探測器等環節間實現合理的甚至是最良好的匹配，經常需要對光信號進行必要的處理。例如，利用光電探測器進行光度檢測時，需要對探測器的光譜特性按人眼視見函數進行校正；當光信號過強時，需要進行中性減光的處理；當入射信號光束不均勻時，則需要進行均勻化的處理；當進行交流檢測時，需要對信號光束進行調制處理等。歸納起來可以說，光信號匹配處理的主要目的是為了更好地獲得待測量的信息，以滿足光電轉換的需要。光信號的處理主要包括：光信號的調制、變光度、光譜校正、光漫射，以及會聚、擴束、分束等。

以上討論的三個環節往往緊密結合在一起，目的是把待測信息合理地轉換為適于后續處理的光信息。

（4）光電轉換

該環節是實現光電檢測的核心部分。其主要作用是將光信號轉換為電信號，以利于采用目前最為成熟的電子技術進行信號的放大、處理、測量和控制等。光電檢測不同于其他光學檢測的本質就在于此。完成這一轉換工作主要是依靠各種類型的光電和熱電探測器，隨著各類探測器的發展和新型探測器的出現，都為光電檢測技術的發展提供了有力的基礎。

（5）電信號的放大與處理

這一部分主要由各種電子線路組成。為實現各種檢測目的，可按需要采用不同功能的電路來完成，對具體系統進行具體分析。應當指出，雖然電路處理方法多種多樣，但必須注意整個系統的一致性。也就是說，電路處理與光信號獲得、光信號處理，以及光電轉換均應統一考慮和安排。

（6）微機及控制系統

通常把顯示系統也包括在這一環節當中。許多光電檢測系統只要求給出待測量的具體值，即將處理好的待測量電信號直接經顯示系統顯示。

在需要利用檢測量進行反饋后去實施控制的系統中，就要附加控制部分。如果控制關系比較復雜，則可采用微機系統給以分析、計算或判斷等處理后，再由控制部分執行。這樣的系統又可叫做智能化的光電檢測系統。目前隨著單片機和小型微機的迅速發展，對稍復雜的光電檢測系統都考慮盡可能實現智能化的檢測。