第1章 绪论

1.1 光电检测系统的基本工作原理

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。光电检测技术是各种检测技术中的重要组成部分。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子技术的发展，使光电检测系统的内容更加丰富，应用越来越广，目前已渗透到几乎所有工业和科研部门。

1. 光电检测系统实例

下面通过一些简单的例子来说明光电检测系统的主要构成和原理。

（1）红外防盗报警系统

这是一种利用行动中人体自身的红外辐射，经菲涅耳透镜产生调制光信号，再经光电变换及电路处理，从而获得信息，产生报警的装置。其原理框图如图1-1所示。人体红外辐射经红外菲涅耳物镜L会聚到光电探测器GD上，随着人的运动，转换为交变的电信号输出。电信号经放大、鉴别后，控制警灯、警铃等装置进行报警。同时也可以利用报警信号进行其他后处理的控制，如关门、摄像、开高压等。

（2）光电计数器

对需要进行连续计数的场合，均可采用光电计数器来完成。如统计进门参加会议的人数；统计传送带上产品的数量；路口汽车的流量等。图1-2所示为传送带上对产品进行计数的光电计数器的原理框图。将光源GY和光电探测器GD相对地安装在传送带的两侧，光源发出的光直接照射到光电探测器上。当有产品通过时，将上述光路切断，对应在光电探测器上产生暗脉冲，该脉冲信号经放大和整形后，由计数器计数并通过显示器输出。若需进行定量计数，如每100件打1包，则可将计数信号通过译码器产生规定量的信号，用该信号去控制打包和换空包的动作。

（3）锅炉水位的光电控制

在标志锅炉水位的玻璃管的两侧，在所要求的最高和最低水位处，安装两组光源——光电器件对。由于水能透过可见光，所以常用水吸收很强的红外光源和对红外敏感的探测器。其工作原理框图如图1-3所示。当水位高过上限时，挡住了光源GY1射向光电探测器GD1的红外光束，产生控制信号，该信号经放大后，控制进水阀门使之关闭。相反，水位低于下限时，光源GY2发出的红外光束照到光电探测器GD2上，产生另一个控制信号，该信号经放大后，控制出水口关闭并打开进水阀门。

（4）稳定光源发光强度的自控系统

该系统工作原理框图如图1-4所示。光源GY在外加电压U1驱动下工作，Rw1可调整光源的发光强度。光源发光的一部分经特征滤光片LG后，由电阻值为RG的光敏电阻GD所接收，R1、R2、Rw2和RG构成电桥，在达到所要求的光强时，通过调整Rw2，使电桥平衡，UA=UB，RG=（R1/R2）Rw2，这时无信号输入放大器。当由于某种外界原因光源发光强度增加时，光敏电阻RG的值减小，使RG＜（R1/R2）Rw2，对应UA＜UB。这时有负信号输入放大器，放大信号经控制器调整Rw1，使之增大，同时相应光源发光强度减小，回到所要求的稳定值。同样当光源发光强度变小时，经与上述相反的调整过程，使之恢复到要求的稳定值，起到稳定光源发光强度的作用。

2. 光电检测系统组成

从上述几个简单的光电检测系统的例子中，可以大致归纳出这类系统的基本组成，其原理框图如图1-5所示。按照不同的需要，实际的光电检测系统可能简单些，也可能还要增加某些环节。在有些系统中可能前后排列不同，或者几个环节是合在一起的，很难把它们分开。总之，图1-5只表征基本原理，而实际系统的形式是多样的，复杂的。

为了对光电检测系统有个大致的认识，下面对图1-5中主要部分给予简单说明。

（1）光源

光源是光电检测系统中必不可少的部分。在许多系统中按需要选择一定辐射功率、一定光谱范围及一定发光空间分布的光源，以此发出的光束作为携带待测信息的物质，如图1-2和图1-3所示的系统。有时光源本身就是待测对象，如图1-1和图1-4所示的系统。这里所指的光源是广义的，它可以是人工光源，也可以是自然光源。如图1-1的系统中，人体辐射就是光源。此外光源也可以是其他非光物理量，通过某些效应转换出来的发光体，例如利用荧光质来完成将电子束或各种射线转换为发光的过程，通过对发光功率等特性的测量，将达到对电子射线或各种射线特性检测的目的。这里的荧光质也就是该系统的光源。

（2）被检测对象及光信号的形成

被检测对象即待测物理量，它们是千变万化的。这里所指的是上述光源所发出的光束在通过这一环节时，利用各种光学效应，如反射、吸收、折射、干涉、衍射、偏振等，使光束携带上被检测对象的特征信息，形成待检测的光信号。例如，利用散射测定某气体中的含尘量，其原理示意图如图1-6所示。光源GY发出的光束经物镜L1形成平行光束，在光束经过待测含尘气体时，光与尘埃作用产生各方向的散射光，利用物镜L2和光电探测器检测其散射光的量，就可测定气体中含尘量的大小。该装置中含尘气体就是被检测对象，光束通过这一环节后，使散射光携带了被测对象的特征信息。图1-2和图1-3的例子其实质也是这样的过程，这时检测对象的待测物理量是传送带上的产品和水位的高低。

光通过被检测对象这一环节，能否使光束准确地携带上所要检测量的信息，是决定所设计检测系统成败的关键。

（3）光信号的匹配处理

这一工作环节的位置可以设置在被检测对象前面，也可设在其后部，应按实际要求来决定。通常在检测中表征待测量的光信号可以是光强度的变化、光谱的变化、偏振特性的变化、各种干涉和衍射条纹的变化，以及脉宽或脉冲数等。要使光源发出的光或产生携带各种待测信号的光与光电探测器等环节间实现合理的甚至是最良好的匹配，经常需要对光信号进行必要的处理。例如，利用光电探测器进行光度检测时，需要对探测器的光谱特性按人眼视见函数进行校正；当光信号过强时，需要进行中性减光的处理；当入射信号光束不均匀时，则需要进行均匀化的处理；当进行交流检测时，需要对信号光束进行调制处理等。归纳起来可以说，光信号匹配处理的主要目的是为了更好地获得待测量的信息，以满足光电转换的需要。光信号的处理主要包括：光信号的调制、变光度、光谱校正、光漫射，以及会聚、扩束、分束等。

以上讨论的三个环节往往紧密结合在一起，目的是把待测信息合理地转换为适于后续处理的光信息。

（4）光电转换

该环节是实现光电检测的核心部分。其主要作用是将光信号转换为电信号，以利于采用目前最为成熟的电子技术进行信号的放大、处理、测量和控制等。光电检测不同于其他光学检测的本质就在于此。完成这一转换工作主要是依靠各种类型的光电和热电探测器，随着各类探测器的发展和新型探测器的出现，都为光电检测技术的发展提供了有力的基础。

（5）电信号的放大与处理

这一部分主要由各种电子线路组成。为实现各种检测目的，可按需要采用不同功能的电路来完成，对具体系统进行具体分析。应当指出，虽然电路处理方法多种多样，但必须注意整个系统的一致性。也就是说，电路处理与光信号获得、光信号处理，以及光电转换均应统一考虑和安排。

（6）微机及控制系统

通常把显示系统也包括在这一环节当中。许多光电检测系统只要求给出待测量的具体值，即将处理好的待测量电信号直接经显示系统显示。

在需要利用检测量进行反馈后去实施控制的系统中，就要附加控制部分。如果控制关系比较复杂，则可采用微机系统给以分析、计算或判断等处理后，再由控制部分执行。这样的系统又可叫做智能化的光电检测系统。目前随着单片机和小型微机的迅速发展，对稍复杂的光电检测系统都考虑尽可能实现智能化的检测。