光电信息变换技术的典型应用下优秀PPT.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2,*,2,1,主讲：扬州职业大学 电子工程系 贾湛,2012.2,贾湛制作,第,10,章 光电技术应用（下）,2,2,家用电器：,数码相机、数码摄像机：自动对焦,-,红外测距传感器,数字体温计：接触式,-,热敏电阻，非接触式,-,红外传感器,自动感应灯：亮度检测,-,光敏电阻,空调、冰箱、电饭煲：温度检测,-,热敏电阻、热电偶,电话、麦克风：话音转换,-,驻极电容传感器,遥控接收：红外检测,-,光敏二极管、光敏三极管,办公商务：,可视对讲、可视电话：图像获取,-,面阵,CCD,扫描仪：文档扫描,-,线阵,CCD,红外传输数据：红外检测,-,光敏二极管、光敏三极管,医疗卫生：,电子血压计：血压检测,-,压力传感器,血糖测试仪、胆固醇检测仪,-,离子传感器,光电技术在日常生活中的应用,2,3,温度检测,一工作原理,热体的温度可以通过处理其所发出的辐射能来求得。辐射高温计就是以发射体的辐射强度和光谱成分来确定热体温度的仪表。,根据斯蒂芬波尔兹曼定律。物体在单位时间内单位面积上，波长从,0,所辐射的总能量为,E,T,4,。,非黑体的实际温度,T,与黑体温度,T,0,的关系：,2,4,测量波长从,0,整个波谱范围内的辐射功率来确定温度的仪器称为,全辐射测温仪,。但考虑到光电器件的光谱响应以及光学系统的光谱透过率等因素，利用光电器件接收不可能成为全辐射型。,测量波长在部分,波谱范围内的辐射功率来确定温度的器件称为,部分辐射光电高温计,。,如,1000,度的目标时，石英透镜只能透过,0.24,m,的辐射，占总,65,。,采用,PbS,光敏电阻因为它的光谱响应范围只占某一波段，其响应的范围更小。,目前光电高温计的类型很多，按作用原理大致分为五类：,1,）部分辐射法；,2,）亮度法；,3,）比色法；,4,）三色测温法；,5,）最大波长法；,6),直接测量法,2,5,温度直接测量法的原理框图,辐射体发出的红外辐射，进入光学系统，经调制器把红外辐射调制成交变辐射，由探测器转变成为相应的电信号。该信号经过放大器和信号处理电路，并按照仪器内的算法和目标发射率校正后转变为被测目标的温度值。,2,6,部分辐射光电高温计,2,7,光电比色温度计原理,对应于黑体，则有维恩公式可推得：,对于非黑体来说，根据两个辐射强度的比值所求得是所谓的比色温度,T,c,。比色温度,T,c,和实际温度,T,关系：,式中，,1,和,2,是物体的黑度系数，对于灰体来说，,1,2,1,，即比色温度与真实温度是一致的。,2,8,比色温度的概念是对两个波长引入的，而实际上为两个波段，利用光电器件和适当电路，测量两个光波段内辐射能量的比值，经过一定的关系运算后就可得到被测温度。两个波段的选择，在实用中，对于高温测量，由于辐射能量足够大，可将波段选得尽量窄而且靠近，对于低温测量，辐射能量较小，可选两个较宽、但是尽量靠近、甚至部分重叠的波段，以减少黑度系数的影响。,比色温度计容易测得物体的真实温度，正确性好，稳定性好。测量距离的远近，中间是否有介质吸收，热体的大小等因素对温度测定影响较小。,2,9,测温仪的构成,2,10,目标,探测器,信号处理和显示,453C,SP1 470C,EMS .85,大气窗口,滤波片和镜头,红外测温仪实际上是一种非接触式辐射能量探测器，世界上所有的物体都会产生红外线辐射。而,辐射的能量则与该物体的温度成比例,，非接触式温度测量即是测量物体辐射能量的强弱，并由此得到一个与该物体温度成比例的信号。,2,11,大气中的水蒸气、二氧化碳等对某些红外辐射波段不吸收或极少吸收，有利于能量进行传输从而能被红外测温仪探测到,.,这样的特殊红外波段即为所谓“大气窗口”。,大气窗口,2,12,红外线辐射温度计外形,激光仅用于瞄准,2,13,红外线辐射温度计在非接触体温测量中的应用,耳温仪,2,14,红外线辐射温度计在非接触温度测量中的应用,集成,IC,温度测量,2,15,利用红色激光瞄准被测物（冷藏牛奶和面食）,2,16,利用红色激光瞄准被测物（电控柜、天花板内的布线层）,温度 采集系统,2,17,比色式温度传感器,比色式温度传感器采用比色式（双波段）测温原理实现对被测目标的非接触测温，用户不需知道物质的发射率。它抗烟雾、水蒸气和灰尘能力较强，不受窗口玻璃影响，能瞄准,测量小目标，可不考虑距离系数，可以不完全被目标充满，不需调焦就可准确测量。,比色温度计适于环境条件恶劣的工业现场中使用，如,:,烟雾、水蒸气、灰尘比较严重的钢铁、焦化和炉窑等应用现场。,2,18,热电偶测温计,1,）,热电偶,是应用最普遍、最广泛的温度测量元件。,2,）既可用于,流体,温度测量也可用于,固体,温度测量，既可以检测,静态,温度也能测量,动态,温度。,3,）在火电厂中，主蒸汽、过热器管壁与高温烟气等的温度都是采用热电偶测量的。,4,）热电偶一般用于测量,100,1600,范围内温度，用特殊材料制成的热电偶还可测更高或更低温度。,5,）热电偶将感受到的,温度信号,直接转换成,电势信号,输出，便于测量、信号传输、自动记录和控制等。,2,19,2,20,2,21,2,22,2,23,2,24,2,25,热释电传感器应用,热释电元件外形,热释电元件在红外线检测中得到广泛的应用。它可用于能产生远红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,菲涅尔透镜外形,2,26,菲涅尔透镜,PIR,（被动红外线探测器）广泛的用在警报器上。,PIR,上都有个塑料的小帽子，这就是菲涅尔透镜。小帽子的内部都刻上了齿纹。可以达到对指定光谱范围的光带通,(,反射或者折射,),的作用,.,这种菲涅尔透镜可以将入射光的频率峰值限制到,10,微米左右（人体红外线辐射的峰值）。成本相当的低。,菲涅尔透镜作用：,聚焦作用，即将热释红外信号折射（反射）在,PIR,上，将探测区域内分为若干个明暗区，使进入探测区域的移动物体能以温度变化的形式在,PIR,上产生变化热释红外信号。,2,27,热释电报警器,设定按钮,高分贝喇叭,菲涅尔透镜,2,28,热释电传感器的感应范围,热释电传感器用于自动亮灯，当然也可以用于防盗,2,29,热释电感应灯,热释电传感器,2,30,自动感应灯,（参考施特朗公司资料）,2,31,光电自动门,自动门光电传感器,放大图,有效检测区域,2,32,热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,上下范围,左右范围,2,33,光的照度,E,的单位是,lx,（,勒克斯），它是常用的光度学单位之一，它表示受照物体被照亮程度的物理量，可以用照度计来测量。,光电池,（外加柔光罩）,照度计,2,34,烟雾报警器外形,（参考,南京千里通公司,无线,烟雾报警器,资料）,烟雾,报警,无烟雾时，光敏元件接收到,LED,发射的恒定红外光。而在火灾发生时，烟雾进入检测室，遮挡了部分红外光，使光敏三极管的输出信号减弱，经阀值判断电路后，发出报警信号。,2,35,无线,烟雾报警器,工作在警戒状态时，工作电流仅为,15,微安，报警发射时工作电流为,20,毫安。当探测到初期明火或者烟雾达到一定浓度时，传感器的报警蜂鸣器立即发出,90,分贝的连续报警，发出无线报警信号，通知远方的接收主机。报警距离在空旷地可以达到,200,米，在有阻挡的普通家庭环境中可以达到,20,米。,2,36,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外,LED,发出的红外光无法到达红外光敏三极管。,当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,反射式烟雾报警器,2,37,将装有浊水的试管插入仪器中,光电式浊度计和含沙量测量,2,38,光电式浊度计工作原理,参比通道,1,恒流源,2,半导体激光器,3,半反半透镜,4,反射镜,5,被测水样,6,、,9,光电池,7,、,10,电流,/,电压转换器,8,标准水样,2,39,色标传感器,现代化工业生产中，颜色检测和颜色识别等的应用越来越多。例如，在包装生产中机器要确定哪种产品放在什么颜色的包装中、如何保证产品的正面朝向包装盒的玻璃纸窗口等等。,2,40,色饱和图,色标传感器能识别红、绿、蓝等颜色,2,41,色标传感器在流水线上检测产品的颜色,色标传感器常用于检测特定色标或物体上的斑点，它是通过与非色标区相比较来实现色标检测，而不是直接测量颜色。,2,42,用多个色标传感器测量薄板的颜色,产品包装色彩检测、分选,2,43,光电式转速表,n,=60(,f,/,z,),光电式转速表属于反射式光电传感器，它可以在距被测物数十毫米外非接触地测量其转速。,2,44,水泵,转速测量,2,45,高锟,(K.C.Kao),博士深入研究了光在石英玻璃纤维中的严重损耗问题，发现这种玻璃纤维引起光损耗的主要原因是其中含有过量的铬、铜、铁与锰等金属离子和其他杂质，其次是拉制光纤时工艺技术造成了芯、包层分界面不均匀及其所引起的折射率不均匀，他还发现一些玻璃纤维在红外光区损耗较小。,英籍华人高锟,(K.C.Kao),博士,工作地点：英国标准电信研究所,光纤之父,2,46,高锟,(,左,),从瑞典国王手中接过,2009,诺贝尔物理学奖,1966,年，高锟,(C.K.Kao),和霍克哈姆,(C.A.Hockham),发表了关于传输介质新概念的论文,用于光频的光纤表面波导,指明通过“原材料的提纯制造出适合于长距离通信使用的低损耗光纤”这一发展方向,奠定了现代光通信,光纤通信的基础。,2,47,当今世界范围的光纤通信系统,海底光缆及洲际通信网,2,48,脉冲激光测距,脉冲激光测距利用了激光的发散角小，能量空间相对集中的优点。同时还利用了激光脉冲持续时间极短，能量在时间上相对集中的特点。,工作原理：在,1,处产生的激光，经过待测的路程射向,2,处。在,2,处装有向,1,处反射的装置，,1,处至,2,处间的距离,D,是待测的。如果在,1,处有一种装置，它能够测出脉冲激光从,1,处到达,2,处再返回,1,处所需要的时间,t,，则,D=ct/2,，,式中,c,为光的传播速度。,2,49,脉冲激光测距仪的原理和结构较简单，测程远主要缺点是绝对测距精度较低。精度要求较高的场合可采用相位测距法。,2,50,2,51,空载激光拦截机概念图,利用机上,9,个红外搜索与跟踪传感器,(IRST),探测,360,度视场内的弹道导弹尾焰信号粗略标定位置后，旋转炮塔对准弹体，利用炮塔上视觉较窄的红外探测器追踪，打开激光照明器照亮弹体高分辨率成像器成像，标定导弹头锥，信标激光光束瞄准，波前传感器探测波前畸变控制变形镜，随后激励高能氧碘激光器光束通过大气聚焦导弹燃料箱，数秒摧毁目标,。,2,52,PMT,比例计,计数器,数模转换器,放大器,光子,参考电压,光子脉冲,噪声,技术脉冲,鉴别器,模拟输出,数字输出,模拟输出,入射到光电倍增管阴极上的光子引起输出信号脉冲，经过放大器输送到一个脉冲高达鉴别器上，从中分离出单光子脉冲，再用计数器计数光子脉冲数。,光子计数系统,2,53,光纤式光电开关,反射型,遮断型,反射镜反射型,2,54,光纤式光电开关应用,标志孔,电路板标志检测,当光纤发出的光穿过标志孔时，若无反射，说明电路板方向放置正确。,光纤 耦合器,传输光纤,出射光纤,2,55,光电,-,机械式鼠标内置了二个滚轴，分别是,X,方向滚轴和,Y,方向滚轴,这两个滚轴都与一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，译码轮被带动时，,LED,发出的光照到光敏晶体管而被阻断时，产生表示位移的脉冲；,通过鼠标的控制芯片转换处理后被,CPU,接收并对其计数。互相垂直的传动轴分别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。,光电鼠标结构和工作原理图,2,56,照相机,快门,相机参数,快门速度,光圈数,焦距刻度,景深表,2,57,照相机的基本构成,2,58,光圈系数,一是控制光通量，以限制镜头的进光量，与快门速度组合控制,曝光量,；二是控制,景深,；三是减少部分,像差,。,光圈的作用,2,59,景深,能够获得最大景深时的摄影物距,l,，称为在该焦距和该光圈数下的,超焦距,H,。,2,60,标准镜头的焦距以相机成像面的画幅对角线长度为准，当镜头焦距接近某类相机成像面的画幅对角线长度时被称为该类相机的,标准焦距镜头,，,简称,标准镜头,或,标头,。,标准焦距镜头的视角约,50,，画面透视关系类似于人眼所感觉到的透视关系，拍摄效果比较平实,。,鱼眼镜头,透视感夸张，畸变效果突出，拍摄景物范围大，景深特深,鱼眼允许严重桶形畸变的存在,视角大于,60,的镜头被称为,广角镜头,也称,短焦距镜头,视角大于,90,非鱼眼镜头称,超广角镜头,。,2,61,2,62,机身、镜头、快门、光电传感器、数字影像处理器、存储器、取景器和电源等主要部分,1,、光电传感器,a,、,CCD,与,CMOS b,、光电传感器的滤色镜,c,、光电传感器的像素值与尺寸,2,、数码相机的镜头,袖珍数码相机镜头的实际焦距很短，一般广角端的焦距只有几毫米，而光电传感器面积很小,3,、取景器与,LCD,（,Liquid Crystal Display,）,数码相机有光学、,LCD,和电子三种取景方式,4,、存储卡,:,存储容量、存取速度,CF,卡、记忆棒、,SD,卡、,MMC,卡、,xD,卡,5,、电池,6,、影像处理器,数码照相机的基本结构,2,63,2,64,数码相机,2,65,2,66,数字信号,数码照相机,译码器 存储介质 数据接口,CCD,镜头,影像,CF,卡,(Compact Flash),内置,ATA/IDE,控制,最大容量,1GB,SM,卡,(Smart Media),最大容量,128MB,MS,卡,(Memory Stick),最大容量,1GB,XD,卡,(XD-Picture),最大容量,8GB,LCD,显示屏,(,彩色,/,单色,/,像素数量,),光敏元件排列方式,直排列 交错排列,数据接口,USB/Video,输出接口,IEEE 1394,高速接口,像素数量,(200,万,1200,万,),2,67,相机外观检查：镜头表面是否有划痕、镀膜是否均匀，镜片内部是否有灰尘、气泡；机身表面是否有损伤、螺丝尾部是否有拆卸痕迹、电池触点是否有划痕。开机后镜头等各种可调部件调节时要松紧适度、运动顺畅、定位准确；,LCD,看上去清晰、明亮，尽可能没有坏点，各种按钮、拨盘能起作用。,试用检查：各种功能是否有效，光电传感器是否有坏点，曝光是否准确，对焦是否准确，色彩还原是否正常，电池电量是否正常，存储卡是否损坏等。,照相机质量检查,2,68,美国国家航空航天局（,NASA,）特别研制的一部相机，通过,线性,CCD,扫描,实现超高的,8800044000,分辨率照片，像素高达近,40,亿，未压缩的原文件大小达,24G,。,2,69,CCD,数码显微镜拍摄的金属表面显微照片,2,70,线阵,CCD,用于字符识别,2,71,传真机诞生于,1843,年成熟于,20,世纪,20,年代，,60,年代后迅速发展广泛运用。,它是一种先进的传统的模拟通信手段（,Facsimile-,）。,传真机,(,FAX,),性能和用途,自动拨号,定时发送,存储接收,保密通信,批量发送,声音确认,多页复印,2,72,传真机工作原理图,2,73,扫描仪,手持扫描仪,扫描、打印两用机,2,74,线阵,CCD,在扫描仪中的应用,每次捕捉一细长条的光影,2,75,透射式扫描原理,扫描样张,光电转换器,光源,底片扫描仪,扫描样张,光电转换器,导轨,光源,数字信号输出,扫描仪基本工作原理,反射式扫描原理,数字信号输出,识别反射光线,识别穿透光线,平板式扫描仪,2,76,触摸屏,输入设备,坐标定位装置,触摸屏,显示器,触摸检测装置,触摸屏控制卡,驱动程序,电缆,红外线触模屏,2,77,电阻触摸屏,+5V,+5V,+5V,0V,0V,X,方向,Y,方向,第,1,层,I TO,第,2,层,I TO,第,1,层,I TO,第,2,层,I TO,R,将检测到的电阻值转换成坐标数字信息,2,78,表面声波触摸屏,发射,X,方向,Y,方向,第,1,层,第,2,层,发射,接收,接收,第,1,层,I TO,第,2,层,I TO,将阻挡声波的位置转换成坐标数字信息,2,79,矢量压力触摸屏,矢量压力触摸屏：是一种全方位检测触摸屏，可以检测触摸点在空间的各项参数如坐标和压力。,将触摸压力点的位置和压力转换成坐标信息,2,80,电容触模屏,手指触摸会改变工作层面的电容量，而分布于工作层面的四个引出电极反映出的电容量变化，则反映了触摸位置。这是电极感应的微小差异经过精密计算的结果。,2,81,发动机：,向发动机的电子控制单元（,ECU,）提供发动机工作状况信息，,对发动机工作状况进行精确控制,温度、压力、位置、转速、流量、气体浓度和爆震传感器等,汽车传感器：汽车电子控制系统的信息源，关键部件，核心技术内容,普通轿车：约安装几十到近百只传感器，,豪华轿车：传感器数量可多达二百余只。,底 盘：,控制变速器系统、动力转向系统、制动防抱死系统等,车速、踏板、加速度、节气门、发动机转速、水温、油温,车 身：,提高汽车的安全性、可靠性和舒适性等,温度、湿度、风量、日照、加速度、车速、测距、图象等,检测技术在汽车中的应用,2,82,