光电检测技术是以激光、红外、光纤等现代光电器件为基础, 通过对载荷被检测物体信息的光辐射进行检测, 即通过光电检测器件接收光辐射并转换为电信号, 由输入电路、放大滤波等检测电路提取有用信息, 再经模/数变换接口输入微型计算机运算、处理, 最后显示或打印输出所需检测物体的几何量或物理量等参数。
本文根据光电检测系统的构成、光电检测电路设计要点, 设计了钢板边缘位置光电检测电路。该电路设计严谨, 对实际检测仪器设计具有一定的参考价值。
1 光电检测系统的基本构成
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。作为一个完整的检测系统, 其基本组成部分可分为:光源、被检测对象及光信号的形成、光信号的匹配处理、光电转换、电信号的放大与处理、微机、控制系统和显示等部分。按照不同的需要, 实际的光电检测系统能简单些, 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—起的, 很难把它们分开。总之, 图中只表征基本原理, 而实际系统的形式是多样的, 复杂的 (如图1) 。
2 光电检测电路设计
2.1 电路设计技术要点
为了保证光电检测系统处于最佳的工作状态, 光电间的电路应满足以下技术要求。
(1) 光电转换能力强。将光信号转变为适合的电信号, 是实现光电检测的先决条件。所以, 光电转换能力的高低对整个光电检测系统有至关重要的影响和作用。因此, 具备较强的光电转换, 是对光电检测电路的最基本要求。 (2) 动态响应速度快。随着对检测系统与器件的要求不断提高, 对检测系统每个环节动态相应的要求也随之提高。 (3) 信号检测能力强。通常光电检测电路具有可靠检测所必须的信噪比或最小可检测信号功率。 (4) 稳定性、可靠性好光电检测电路在长期工作的情况下应该稳定、可靠。特别是在一些特殊场合下, 对稳定性、可靠性的要求会更高。
2.2 光电检测电路的设计
在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中, 光电检测器件的作用是将载有被测信息的光辐射能量变换为电能, 并在实现这种变换的过程中完成信息的传递。检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节, 它既是光路元件又是电路元件, 有着光学和电子学的双重属性。作为光路元件, 它是光信号接收器, 是前级光学系统的输出端口;作为电路元件, 它是信号发生器, 是后续电子系统的输入端口。正是由于利用了光电检测器件的双重属性, 才建立了光路和电路的联系, 使彼此间得以连通。因此, 光电检测器件类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工作品质至关重要, 是系统设计的一个重要问题。
为了提高传输效率, 无畸变地变换光电信号, 光电检测器件不仅要和被测辐射源及光学系统, 而且要和后续的电子系统在特性和工作参数上相匹配, 使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。
光电检测器件和光路的匹配是在对辐射源和光路进行光谱分析和能量计算的基础上, 通过合理选择光路和器件的光学参数来实现的。而光电检测器件和电路的匹配则应根据选定的光电检测器件的参数, 通过正确选择和设计电路来完成。
3 钢板边缘位置光电检测电路设计
3.1 电路设计 (如图2)
3.2 电路工作原理
光源产生的非线性光, 经过凸透镜后变成一束平行光线。当钢板靠近光源时, 光源经过钢板后反射到光电三级管上, 使光电三极管导通, 在15K电阻上产生分压, 由于这个电压比较小, 需要进行放大才能够驱动后面的电路。在15K电阻产生的小电压经过3014和LM311及周围的电阻构成的两级放大电路, 驱动LED发光 (330K的电阻起到限流作用, 防止LED被烧坏) , 同时也使三极管2N3904导通, 使电源经过扬声器、510Ω的电阻接地构成一条闭合回路, 这样使流过扬声器的加大, 从而使扬声器发声。如果把扬声器直接接到运算放大器后, 扬声器则不会发声, 因为扬声器需要很大的电流才能发声。这样起到检测钢板的边缘的作用, 即当钢板的边缘靠近光源时, LED发光, 同时扬声器发出报警器声音。
4 结语
光电检测技术是光学与电子学技术相结合而产生的一门新兴检测技术。它是利用电子技术对光学信息进行检测, 并进一步传递、储存、控制、计算和显示等。从广义上讲光电信息技术就是光频段的微电子技术, 它将光的快速与电子信息处理的方便、快速相结合, 因而具有许多无可比拟的优点。
摘要：阐述了光电检测技术的基本原理和光电检测系统的基本构成, 给出了光电检测电路的设计要点, 最后给出了钢板边缘位置光电检测电路并对电路的工作原理进行了说明。
关键词：光电检测技术,光电器件,动态响应
参考文献
[1] 杨永才, 等.光电信息技术[M].上海:东华大学出版社, 2005, 8.
[2] 郭培源.光电检测技术与应用[M].北京:航空航天大学出版社, 2006 (1) :28～61.