光电检测系统

一、光电检测系统的组成与信号链

光电检测系统以光为信息载体，把待测量转换为电量输出。按课件给出的划分，完整系统由三部分组成：

• 光电传感器（核心）：以光为媒介、以光电检测器件为手段，把待测量转换为电流、电压或频率。它决定系统的灵敏度、精度和动态响应。
• 处理电路：对传感器输出的微弱电信号进行放大、处理和运算，以适应显示、控制或执行机构的要求，主要任务是微弱信号检测与光源稳定化。
• 显示/执行部分：给出测量结果或驱动执行机构。

从信息流程看，信号依次经过：光源 → 光学系统 → 待检测对象 → 光电探测器 → 处理电路 → 显示/执行。教材把光电式传感器归纳为光路与电路两大部分：光路实现被测信号对光学量的调制，电路完成光信号到电信号的转换。

二、光变换的两种基本形式

光电检测以光信息的变换为基础，有两种基本工作原理。

（1）模拟式——光通量大小反映被测量

在指定光谱、偏置和线性范围内，探测器输出光电流 $I$ 近似与光敏面上的光通量成正比；对红外等非可见波段，应按辐射功率与谱响应积分描述，不能用人眼光通量概括所有探测器。光通量受被测量 $Q$ 调制，因此

这是模拟量变换。要使 $I$ 成为 $Q$ 的单值函数，需满足：

1. $I$ 的大小同时受检测量信号、光源发光强度、光学系统和探测器性能影响；
2. 光源发光必须稳定，探测器特性必须稳定；
3. 需采取稳定化措施，如差动式电路、稳定光源供电电源、筛选光电探测器。

（2）数字式——光脉冲或条纹数反映被测量

以光脉冲或条纹的多少反映待测量大小，探测器输出由低、高电平组成的脉冲数字信息，数字信息量 $T$ 是被测量 $Q$ 的函数：

这是模/数信息转换。其特点是：数字信息量主要取决于光通量的有无，但二值判断仍要求接收量跨越阈值、具有足够信噪裕量且不饱和；光量大小会影响漏计或误计，因此并非无条件与光通量大小无关。对光源和探测器的要求相对较低，但仍需能可靠区分“1”“0”两个状态。

三、光电检测系统的特点与限制

课件给出的优点：非接触式检测、速度快（约 ${10}^{-1}\sim {10}^{-6}\mathrm{s}$）、精度高、可靠性强、可连续测量；除光信号外还可检测液面、位置、压力等。

限制：易受沾污和外界干扰光影响；使用温度范围受限，探测器须在允许温度内，远距或冷却配置仍可检测高温目标。

四、光源与光电接收器的匹配

光源：常用白炽灯、发光二极管（LED）和半导体激光器（LD），用以提供恒定的光照条件。光纤传感器中由 LED 或 LD 发射光，经光纤传输到被测对象。

调制件：把光源提供的光量转换成与被测量对应变化的光量，其结构依被测量及测量原理而定。

光电转换元器件：真空光电管、充气光电管、光电倍增管、光敏电阻、光电池、光敏二极管、光敏晶体管等，作用是检测照射其上的光通量。选用何种器件取决于被测参数所需的灵敏度、响应速度、光源特性以及测量环境和条件。

匹配的核心是光谱匹配与频率匹配：探测器的光谱响应峰值应落在光源发射波长范围内；探测器的响应速度应能跟上光信号的调制频率。

五、调制与抗干扰

使用检测系统自带光源时，把特定频率的信号加载到光波上（调制），目的是避免自然光等背景光的干扰。课件给出的调制逻辑为：用低频电信号（方波）驱动光源，使光功率或光载波包络随方波变化，从而生成被方波调制的光波；接收端用光敏三极管和放大电路把光信号还原为电信号。需区分光载波、驱动信号和包络，不能把光频场与低频方波简单相加视为自动产生光强调制。

光敏器件存在频率响应上限：课件给出的硅光敏晶体管约 $5000\mathrm{H}\mathrm{z}$、硅光电池在 $7500\mathrm{H}\mathrm{z}$ 时约 80% 以上、硒光电池在 $4500\mathrm{H}\mathrm{z}$ 时降至 20% 以下，均为特定器件、偏置、负载和测试条件下的示例，不是普遍极限。实际调制频率必须落在所选探测器在给定条件下的有效带宽内。

六、基本光路形式

按测量光路组成，光电式传感器分为四种基本形式：

• 透射式：恒定光通量穿过被测对象，部分光被吸收，其余到达光敏器件。光电流是被测对象吸收光通量的函数，可测液体、气体、固体的透明度和浑浊度。
• 反射式：恒定光源投射到被测对象，光敏器件接收反射光通量。反射光通量变化反映被测对象特性，如表面光洁度；光通量变化频率可反映转速。
• 辐射式：光源本身就是被测对象，光电器件接收辐射能强弱变化，光通量强弱与被测参量（如温度）有关。
• 开关式：光源与光电器件间光路上有物体则光路切断，否则畅通。光敏器件表现为有光就有电信号、无光则无电信号，即“0”或“1”两种开关状态，用于开关、计数和编码。

七、光路中的光学元件

光路由光学元件组成，包括透镜、滤光片、光阑、光楔、棱镜、反射镜、光通量调制器、光栅及光导纤维等，用于实现光参数的选择、调制和处理。测量其他物理量时还需配以光源和调制件。

八、典型应用中的信号链

以火灾探测报警器为例：PbS 光敏电阻在 $1\mathrm{m}\mathrm{W}\mathrm{/}\mathrm{c}{\mathrm{m}}^2$ 辐照度下暗电阻 $1\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$、亮电阻 $0.2\mathrm{M}\mathrm{\Omega }$，峰值响应波长 $2.2\mu \mathrm{m}$，与火焰峰值辐射光谱波长接近。火焰辐射被 PbS 接收后，前置放大器输出跟随火焰“跳变”信号，经电容耦合、高输入阻抗放大器放大，再送中心站放大器发出报警或执行灭火动作。该例体现了“光源（火焰）—光路—探测器—放大—显示/执行”的完整链条。