光电池

光 电 池 光电池 1、是一种在光的照射下产生电动势的半导体元件。光电 池的种类很多，常用有硒光电池、硅光电池和硫化铊、硫化银 光电池等。主要用于仪表，自动化遥测和遥控方面。有的光电 池可以直接把太阳能转变为电能，这种光电池又叫太阳能电 池。太阳能电池作为能源广泛应用在人造地卫星、灯塔、无人 气象站等处 2、光电池是一种特殊的半导体二极管，能将可见光转化 为直流电。有的光电池还可以将红外光和紫外光转化为直流电。光电池是太阳能电力系统内 部的一个组成部分，太阳能电力系统在替代现在的电力能源方面正有着越来越重要的地位。 最早的光电池是用掺杂的氧化硅来制作的，掺杂的目的是为了影响电子或空穴的行为。其它 的材料，例如 CIS，CdTe和 GaAs，也已经被开发用来作为光电池的材料。有二种基本类型 的半导体材料，分别叫做正电型（或P型态）和负电型（或N型态）。在一个PV电池中，这 些材料的薄片被一起放置，而且他们之间的实际交界叫做P-N节。通过这种结构方式，P-N 节暴露于可见光，红外光或紫外线下，当射线照射到P-N节的时候，在P-N节的两侧产生电 压，这样连接到P型材料和N型材料上的电极之间就会有电流通过。 一套PV电池能被一 起连接形成太阳的模组，行列或面板。用来产生可用电能的PV电池就是光电伏特计。 3、光电池也叫太阳能电池，直接把太阳光转变成电。因此光电池的特点是能够把地球 从太阳辐射中吸收的大量光能转化换成电能。 1839年，安托石-贝克雷尔制造出了最早的光电池。贝克雷尔电池是一个圆柱体，内装硝 酸铅溶液，溶液中进入一个铅阳极和一个氧化铜阴极。这种电池一经阳光照射，就会供给电 流。 1875年，德国技师维尔纳-西门子是制成第一个硒光电池，并提议用于光量测定。西门子 的光电池是根据1873年英国人史密斯发现的“内光电效应”提出的。 L.H.亚当斯于1876年指出，硒在光的作用下，不仅出现电阻的变化，而且在一定条件下 还出现电动势，从而发现了“阻挡层效应”。阻挡层效应则成了光电池的基本原理。光电池 被广泛地用于自动控制技术、信息电子学和测量技术。这些元件的性能约自1950年起，因 半导体技术的发展而得到显著改善。 光电伏特计的主要优点之一是没有污染，只需要装置和阳光就可工作。另外的一个优点 是太阳能是无限的。一旦光电伏特计系统被安装，它能提供在数年内提供能量而不需要花费， 并且只需要最小的维护。 光电伏特效应概述 1.P-N结 太阳能电池发电的原理是基于半导体的光生伏特效应将太阳辐射直接转换为电 能。在晶体中电子的数目总是与核电荷数相一致，所以P型硅和N型硅对外部来说是电中性 的。如将P型硅或N型硅放在阳光下照射，仅是被加热，外部看不出变化。尽管通过光的能 量电子从化学键中被释放，由此产生电子－空穴对，但在很短的时间内（在μS范围内）电 子又被捕获，即电子和空穴“复合”。 当P型和N型半导体结合在一起时，在两种半导体的交界面区域里会形成一个特殊的薄 层，界面的P型一侧带负电，N型一侧带正电。这是由于P型半导体多空穴，N型半导体多 自由电子，出现了浓度差。N区的电子会扩散到P区，P区的空穴会扩散到N区，一旦扩散 就形成了一个由N指向P的“内电场”，从而阻止扩散进行。达到平衡后，就形成了这样一 个特殊的薄层形成电势差，这就是P－N结。 至今为止，大多数太阳能电池厂家都是通过扩散工艺，在P型硅片上形成N型区，在两 个区交界就形成了一个P－N结（即N+／P）。太阳能电池的基本结构就是一个大面积平面P －N结。 2.光生伏特效应 如果光线照射在太阳能电池上并且光在界面层被吸收，具有足够能量的光子能够 在P型硅和N型硅中将电子从共价键中激发，以致产生电子－空穴对。界面层附近的电子和 空穴在复合之前，将通过空间电荷的电场作用被相互分离。电子向带正电的N区和空穴向带 负电的P区运动。通过界面层的电荷分离，将在P区和N区之间产生一个向外的可测试的电 压。此时可在硅片的两边加上电极并接入电压表。对晶体硅太阳能电池来说，开路电压的典 型数值为0.5～0.6V。通过光照在界面层产生的电子－空穴对越多，电流越大。界面层吸收 的光能越多，界面层即电池面积越大，在太阳能电池中形成的电流也越大。 3.光电伏特效应的应用 光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管、光敏三极管和半导体位置敏感器件传感 器） 侧向光生伏特效应（殿巴效应）--(可制作半导体位置敏感器件（反转光敏二极管）传感 器） PN结光生伏特效应--(可制作光电池、光敏二极管和光敏三极管传感器） 4.光电伏特效应与光电池 光电池是一种直接将光能转换为电能的光电器件。光电池在有光线作用时实质就是电 源，电路中有了这种器件就不需要外加电源。% 光电池的工作原理是基于“光生伏特效 应”。它实质上是一个大面积的PN结，当光照射到PN结的一个面，例如P型面时，若光子 能量大于半导体材料的禁带宽度，那么P型区每吸收一个光子就产生一对自由电子和空穴， 电子-空穴对从表面向内迅速扩散，在结电场的作用下，最后建立一个与光照强度有关的电 动势。 光电池基本特性有以下几种：% (1)光谱特性光电池对不同波长的光的灵敏度是不同的。光谱响应峰值所对应的入射光 波长是不同的，硅光电池波长在0.8μm附近，硒光电池在0.5μm附近。硅光电池的光谱响 应波长范围为0.4~1.2μm，而硒光电池只能为0.38~0.75μm。可见，硅光电池可以在很宽 的波长范围内得到应用。 (2)光照特性：光电池在不同光照度下，其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的 关系就是光照特性。短路电流在很大范围内与光照强度呈线性关系，开路电压（即负载电阻 RL无限大时）与光照度的关系是非线性的，并且当照度在2000lx时就趋于饱和了。因此用 光电池作为测量元件时，应把它当作电流源的形式来使用，不宜用作电压源。 (3)温度特性光电池的温度特性是描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情 况。由于它关系到应用光电池的仪器或设备的温度漂移，影响到测量精度或控制精度等重要 指标，因此温度特性是光电池的重要特性之一。开路电压随温度升高而下降的速度较快，而 短路电流随温度升高而缓慢增加。由于温度对光电池的工作有很大影响，因此把它作为测量 元件使用时，最好能保证温度恒定或采取温度补偿 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。 光电倍增管（PMT） 1 概述 光电子应用技术是一门新兴的高新技术，当前还处于发展阶段。相信它在21世纪必将 有重大创新并迅速崛起。光电子技术产业也必将发展成为一种新兴的知识经济，从而在新兴 技术领域形成巨大的生产力。 光电倍增管（PMT）是光子技术器件中的一个重要产品，它是一种具有极高灵敏度和超快 时间响应的光探测器件。可广泛应用于光子计数、极微弱光探测、化学发光、生物发光研究、 极低能量射线探测、分光光度计、旋光仪、色度计、照度计、尘埃计、浊度计、光密度计、 热释光量仪、辐射量热计、扫描电镜、生化 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 仪等仪器设备中。 光电倍增管：PhotoMultiplier Tube，简称 PMT，是灵敏度极高，响应速度极快的光探 测器。这种扫描器件实际上是一种电子管，感光的材料主要是金属铯的氧化物，其中并掺杂 了其他一些活性金属（例如镧系金属）的氧化物进行改性，以提高灵敏度和修正光谱曲线， 用这材料制成的光电阴极射线管，在光线的照射下能够发射电子，我们可以称之为光电子， 它经栅极加速放大后去冲击阳极，最终形成了电流。 2 光电倍增管的类型 2.1 按接收入射光方式分类 光电倍增管按其接收入射光的方式一般可分成端窗型（Head-on）和侧窗型（side-on） 两大类。 侧窗型光电倍增管（R系列）是从玻璃壳的侧面接收入射光，两端窗型光电倍增管（CR 系列）则从玻璃壳的顶部接收射光。图2和图3分别是侧窗式光电倍增管和端窗式光电倍过 管的外形图。 图 1 光电倍增管工作原理图 在通常情况下，侧窗型光电倍增管（R系列）的单价比较便宜（一般数百元/只），在分 光光度计、旋光仪和常规光度测定方面具有广泛的应用。大部分的侧窗型光电倍增管使用不 透明光阴极（反射式光阴极）和环形聚焦型电子倍增极结构，这种结构能够使其在较低的工 作电压下具有较高的灵敏度。 一般情况下，光谱响应特性的长波段取决于光阴极材料，短波段则取决于入射窗材料。 光电倍增管的阴极一般都采用具有低逸出功能的碱金属材料所形成的光电发射面。 光电倍增管的窗材料通常由硼硅玻璃、透紫玻璃（UV玻璃）、合成石英玻璃和氟化镁（或 镁氟化物）玻璃制成。硼硅玻璃窗材料可以透过近红外至 300nm垢可见入射光，而其它 3 种玻璃材料则可用于对紫外区不可见光的探测。 端窗型光电倍增管（CR系列）也称顶窗型光电倍增管。其价格一般在千元以上，它是 在其入射窗的内表面上沉积了半透明的光阴极（透过式光阴极），这使其具有优于侧窗型的 均匀性。端窗型光电倍增管的特点是拥有从几十平方毫米到几百平方厘米的光阴极，另外， 现在还出现了针对高能物理实验用的可以广角度捕获入射光的大尺寸半球形光窗的光电倍 增管。 2.2 按电子倍增系统分类 光电倍增管之所以具有优异的灵敏度（高电流放大和高信噪比），主要得益于基于多个 排列的二次电子发射系统的使用。它可使电子在低噪声条件下得到倍增。电子倍增系统，包 括8～19极的叫做打拿极或倍增极的电极。 现在使用的光电倍增管的电子倍增系统有以下8类： a.环形聚焦型 环型聚焦型结构主要应用于侧窗型光电倍增管中，其主要特点是结构紧凑和响应快速。 b.盒栅型 这种结构包括一系列的1/4圆柱形的倍增极，并因其具有相对简单的倍增极结构和良好 的一致性而被广泛应用于端窗型光电倍增管中，但在某些应用场合，它的时间响应略显缓慢。 c.直线聚焦型 直线聚焦型光电倍增管以其极快的时间响应而被广泛应用于对时间分辨率和线性脉冲 要求较高的研究领域以及端窗型光电倍增管中。 d.百叶窗型 百叶窗型结构的倍增极可以较大，能够应用于大阴极的光电倍增管中。这种结构的一致 性比较好，有大的脉冲输出电流。多应用于对时间响应要求不高的场合。 e.细网型 该结构有封闭的精密组合网状倍增级，因而具有极强的抗磁性、一致性和脉冲线性输出 特性。另外，在使用交叠阳极或多极结构输出的情况下，还具有位置灵敏的特性。 f.微通道板（MCP）型 MCP微通道板型光电倍增管是将上百万的微小玻璃管（通道）彼此平行地集成为薄形盘 片状而形成的。这种结构的每个通道都是一个独立的电子倍增器。MCP比任何分离电极的倍 增极结构都具有超快的时间响应，并且当采用多阳极输出结构时，这种结构的光电倍增管在 磁场中仍具有良好的一致性和极强的二维探测能力。 g.金属通道型 金属通道型是滨松公司采用独有的机械加工技术所创造的紧凑型阳极结构，其各个倍增 极之间的狭窄通道空间特性使其比任何常规结构的光电倍增管都具有更快的时间响应速度。 金属通道型光电倍增管适用于位置灵敏度要求比较高的探测方面。 h.混合型 混合型是将上述结构中的两种结构相互混合而形成的复合型结构。混合结构的倍增极一 般都可以发挥各自的优势。 3 使用特性 3.1 光谱响应 光电倍增管由阴极收入射光子的能量并将其转换为光子，其转换效率（阴极灵敏度）随 入射光的波长而变。这种光阴极灵敏度与入射光波长之间的关系叫做光谱响应特性。 图 4给出了双碱光电倍增管（其光阴极材料为Sb-Rb-Cs和 Sb-K-Cs）的典型光谱响应 曲线。 3.2 光照灵敏度 由于测量光电倍增管的光谱响应特性需要精密的测试系统和很长的时间，因此，要为用 户提供每一支光电倍增管的光谱响应特性曲线是不现实的，所以，一般是为用户提供阴极和 阳极的光照灵敏度。 阴极光照灵敏度，是指使用钨灯产生的2856K色温光测试的每单位通量入射光产生的阴 极光电子电流。阳极光照灵敏度是每单位阴极上的入射光能量产生的阳极输出电流（即经过 二次发射极倍增的输出电流）。 3.3 电流放大（增益） 光阴极发射出来的光电子被电场加速后撞击到第一倍增极上将产生二次电子发射，以便 产生多于光电子数目的电子流，这些二次发射的电子流又被加速撞击到下一个倍增极，以产 生又一次的二次电子发射，连续地重复这一过程，直到最末倍增极的二次电子发射被阳极收 集，这样就达到了电流放大的目的。这时光电倍增管阴极产生的很小的光电子电流即被放大 成较大的阳极输出电流。 一般的光电倍增管有9～12个倍增极。 3.4 阳极暗电流 光电倍增管在完全黑暗的环境下仍有微小的电流输出。这个微小的电流叫做阳极暗电 流。它是决定光电倍增管对微弱光信号的检出能力的重要因素之一。 3.5 磁场影响 大多数光电倍增管会受到磁场的影响，磁场会使光电倍增管中的发射电子脱离预定轨道 而造成增益损失。这种损失与光电倍增管的型号及其在磁场中的方向有关。 一般而言，从阴极到第一倍增极的距离越长，光电倍增管就越容易受到磁场的影响。因 此，端窗型尤其是大口径的端窗型光电倍增管在使用中要特别注意这一点。 3.6 温度特点 降低光电倍增管的使用环境温度可以减少热电子发射，从而降低暗电流。另外，光电倍 增管的灵敏度也会受到温度的影响。在紫外和可见光区，光电倍增管的温度系数为负值，到 了长度截止波长附近则呈正值。由于在长波截止波长附近的温度系数很大，所以在一些应用 中应当严格控制光电倍增管的环境温度。 3.7 滞后特性 当工作电压或入射光发生变化之后，光电倍增管会有一个几秒钟以几十秒钟的不稳定输 出过程，在达到稳定状态之前，输出信号会出现一些微过脉冲或欠脉冲现象。这种滞后特性 在分光光度测试中应予以重视。 滞后特性是由于二次电子偏离预定轨道和电极支撑架、玻壳等的静电荷引起的。当工作 电压或入射光改变时，就会出现明显的滞后。对此，北京滨松公司侧窗型光电倍增管采用了 “抗滞后设计” 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，实际上已经很好地消除了这种滞后现象。 4 光电倍增管的应用 光吸收和光发射应用所适用的光电倍增管的型号选择及特性 一、利用光吸收原理 1.紫外/可见/近红外光光度计 为确定样品物质的量，可采用连续光谱对物质进行扫描，并利用光电倍增管检测光通过 被测物前后的强度，即可得到被测物质的光吸收程度，从而计算出物质的量 光电倍增管特性：宽光谱响应；高稳定性；低暗电流；高子效率；低滞后效应；较好偏 光特性 适用管型：R212，R374，R376，R928，R955，R1463，R1477，R3896，R6356，R6357， CR114，CR131 2.原子吸收分光光度计 分析各种元素时，需要专用的元素灯来照射燃烧并将雾化分离成厚子状态的被测物质制 成样品，用光电倍增管检测光被吸收的强度，您与预先得到的标准样品进行比较 光电倍增管特性：同上 适用管型：R928，R955，CR131 3.旋光仪、糖度计 旋光仪、糖度计是测定物质旋光度的仪器，通过肇光度的测定，可以分析物质的浓度、 含量及纯度等 光电倍增管特性：高稳定性；低蝉电流；低滞后效应；较好偏光特性 适用管型：R142（GDB142）；R221（GBD221） 二、利用发光原理 1.发光分光光度计 样品接收外部照射后会发光，用单色器将这种光特征光谱线显示出来，并用光电倍增管 探测是否存在及其强度，可定性或定量检测样品中的各元素 光电倍增管特性：高灵敏度；高稳定性；低音电流 适用管型：IP28，R106，R166，R212，R759，R6350，R6351，R6352，R6354，R6356， R6355，R4220，R7311，CR114，CR131 2.荧光分光光度计 用光电倍增管检测荧光强度及光谱特性，可性或定时地分析样品中的成份 光电倍增管特性：同上 适用管型：R928，R1527，R3788，R4220，R6353，R6358，CR131 3.拉曼分光光度计 由于拉曼发光极其微弱，因此检测工作需要复杂光路系统，且采用单光子计数法 光电倍增管特性：高量子效率；低暗电流；罗的单光子分辨能力 适用管型：R943-02、R649，R1463P，R2949，CR129，CR130 4.其他 液相或气相色谱、X光衍射仪、X光荧光分析电子显微镜 光电倍增管特性：同上 适用管型：IP21，R647，R580，R647-01，R1166，R3788，R6095 其它应用领域所适用的电倍增管的型号选择及特性 1.质量光谱学与固体表分析 光电倍增管特性：高稳定性、高电流增益、低暗电流 适用管型：R474/515/595/596/2362/5150 2.环境监测、尘埃粒子计数器 光电倍增管特性：低噪声、低毛刺、高量子效率 适用管型：IR21、R105/647/3788/6350、CR114 3.浊度计 光电倍增管特性：低暗电流、低峰值噪声、高量子效率 适用管型：IR21、R105/1924/6350 4.生物技术，细胞分类仪 光电倍增管特性：高量子效率、高稳定性、低暗电流 适用管型：R928/1477/2368/3788/6353/6358/CR131 5.γ相、正电子CT 光电倍增管特性：高能量辨率、高管恶性循环较好均匀性 适用管型：R1307/6231/6237、CR119、R1450/1548/1635/5800/5900/6427 6.液体闪烁计数 光电倍增管特性：高量子效率、快速时间响应、高脉冲线性 适用管型：R331、CR129/135 7.临床放射免疫检查（RIA）；临床酶标免疫检查（EIA）；临床荧光化学发免疫检测 光电倍增管特性：高量子效率、高稳定性、低暗电流 适用管型：R647/1166/1924/5611、CR105/120、R928/4220/6350/6357、CR131、 R1925/1463/647、CR110/120、IP21/28 8.X光时间计 光电倍增管特性：高灵敏度、高稳定性、低暗电流 适用管型：R105/913A/6350 9.射线测量仪 光电倍增管特性：稳定性、本底噪声、好坪特性 适用管型：R647/1635/1924、CR119/120/129/133 10.资源调查，石油测井应用 光电倍增管特性：稳定性、抗震、较好的坪特性 适用管型：1281/1288/3991/4177 11.工业计测，厚度计 光电倍增管特性：宽动态范围，高能量辨率 适用管型：R580/329/647/6231、CR120、129、CH126 12.半导体元件检测系统 光电倍增管特性：高量子效率、低峰值噪声、较好均匀性 适用管型：R647/928/1463/3896、CR115/131 13.摄影印刷、彩色扫描 在各种感光器件中，光电倍增管是性能最好的一种，无论在灵敏度、噪声系数还是动态 范围上都遥遥领先于其他的感光器件，更难能可贵的是它的输出信号在相当大范围内保持着 高度的线性输出，使输出信号几乎不用做任何修正就可以直接获得很准确的色彩还原。同时， 光电倍增管在各种感光器件中的生产成本是最高的，而且由于一次只能扫描到一个像素，因 此扫描速度很慢，扫描一张图往往需要几十分钟。因此，光电倍增管现在只用在最专业的鼓 式（大滚筒）的扫描仪之上，这种扫描仪的价格非常高昂，少则几十万元，多则上百万元， 是一种可望而不可及的贵族产品，不适合于一般家庭使用。 光电倍增管特性：高稳定性、低噪声滞后、高量子效率 适用管型：R212/905/1463/1924/3811、CR110/114/115 14.辐射计数器 光电倍增管特性：时间响应好、小型化，抗磁场 适用管型：R647/1166/1450/1635、CR115 15.TOF计数器 光电倍增管特性：时间响应好、小型化，抗磁场 适用管型：R1828/1450/1635/2083/4998/5800/5924 16.契伦柯夫计数器 光电倍增管特性：高量子效率、高分辨力、高增益、抗磁性 适用管型：R1584/2059/2256/5113/5924 17.热量计 光电倍增管特性：脉冲好，高分辨力，高稳定性，抗磁性 适用管型：R329/580/5924/6091 18.中微子、正电子衰变实验 光电倍增管特性：大直径、高稳定性、低暗计数、时间响应好 适用管型：R5912/3600-02 19.宇宙线检测、宇宙线空气浴计数器 光电倍增管特性：大直径、高稳定性、低暗计数、时间响应好 适用管型：R329/580/1166/1828/6091、CR115/129 20.天体X线检测、星际尘埃测定 光电倍增管特性：高能量分辨率、耐振动冲击 适用管型：R2486/R976/1080/6834/6835/6836 21.激光雷达、大气观察 光电倍增管特性：低暗计数、高电流增益，快速时间响应 适用管型：R3234/3237/3809/5916 22.荧光寿命测定、分子结构研究 光电倍增管特性：低暗计数、高电流增益，快速时间响应 适用管型：R3809U系列、R5916U系列 23.等离子体探测 光电倍增管特性：高量子效率、高微弱光检测效率，可以作动作 适用管型：R636-10*R943-02，CR129、CR135 5 使用 注意事项 软件开发合同注意事项软件销售合同注意事项电梯维保合同注意事项软件销售合同注意事项员工离职注意事项 在使用光电倍增管时，应特别注意以下几点： （1）光电倍增管的工作电压可能造成电击，在仪器设计中应适当地设置保护装置。 （2）由于光电倍增管的封装尾管易受外力或振动而损伤，故应尽量保证其安全。特别 是对带有过渡封装的合成石英外壳的光电倍增管，应特别注意外力的冲击和机械振动等影 响。 （3）不要用手触光电倍增管，面板上的光土和手印会影响光信号的穿透率，受到污染 的管基会产生低压漏光。光电倍增管受到污染后，可用酒精擦试干净。 （4）当阳光或其他强光照射到光电倍增管时，会损伤管中的光阴极。所以光电倍增管 存放时，不应暴露在强光中。 （5）玻璃管基（芯柱）光电倍增管比塑料管基更缺乏缓冲保护，所以对玻璃管基的管 子应更加保护，例如，在管座上焊接分压电阻时，应将光电倍增管先插入管座中。 （6）在使用中需要冷却光电倍增管时，应经常将光电倍增管的相关部件也进行冷却。 氦气会穿透石英管壳，从而使噪声值升高。因此，在使用和存放中避免将光电倍增管暴 露在有氦气存在的环境中。 CCD（Charged Coupled Device） 自二十世纪80年代开始，摄影技术出现了革命性的突破，即电荷耦合器件CCD（Charged Coupled Device）的广泛应用。目前，CCD技术已发展成一项具有广泛应用前景的新技术， 成为现代光电子与测试技术中最受关注的研究热点之一。例如，在国防军事领域，CCD成像 技术在微光、夜视、遥感应用中发挥着巨大的作用，适应了现代高技术战争的需求，成为军 事微电子学的研究热门；在科研领域，由于其灵敏度高、噪声低，成为研究宏观（如天体） 和微观（如生物细胞）现象不可缺少的工具；CCD具有成本低、小而轻的特点，在图像通信 领域也获得了广泛的用途；在工程测量领域，CCD在工件尺寸测量、工件表面质量检测、物 体热膨胀系数测量、光强分布测量等方面都有很好的应用。 在生产实际中，许多场合需要 对一维尺寸进行测量，例如对带、管、条等的测量。采取传统的先加工后测量的方法，劳动 强度大，信息反馈慢，直接影响了线材的质量和生产效益。因此，必须有一套高精度的实时 在线检测系统，一方面可使生产人员及时了解线径的大小及偏差，一方面给生产机构伺服系 统提供正比于偏差的反馈量，实现反馈控制。线阵CCD是对线材直径进行非接触实时测量系 统的核心器件。 线性CCD用于高分辨率的静态照相机，它每次只拍摄图象的一条线，这与平板扫描仪 扫描照片的方法相同。这种CCD精度高，速度慢，无法用来拍摄移动的物体，也无法使用闪 光灯。 在数码相机中CCD与CMOS的区别： 数码相机的发展真可谓一日千里，近来各种新的感光技术纷纷涌现。很多数码相机生 产厂商大肆宣扬自己的产品像素有多少多少高，画质怎么怎么好。为了让大家对目前市场上 常见的二种数码相机感光器件CCD和CMOS有一个大概的了解，我们做了以下的总结： CCD浅析 大部分数码相机使用的感光元件是 CCD（ChagreCouledDevice），它的中文名字叫电荷 耦合器，是一种特殊的半导体材料。他是由大量独立的光敏元件组成，这些光敏元件通常是 按矩阵排列的。光线透过镜头照射到CCD上，并被转换成电荷，每个元件上的电荷量取决于 它所受到的光照强度。当你按动快门，CCD将各个元件的信息传送到模/数转换器上，模拟 电信号经过模/数转换器处理后变成数字信号，数字信号以一定格式压缩后存入缓存内，此 时一张数码照片诞生了。然后图像数据根据不同的需要以数字信号和视频信号的方式输出。 目前主要有两种类型的CCD光敏元件，分别是线性CCD和矩阵性CCD。 矩阵式CCD，它的每一个光敏元件代表图象中的一个像素，当快门打开时，整个图象一 次同时曝光。通常矩阵式CCD用来处理色彩的方法有两种。一种是将彩色滤镜嵌在CCD矩阵 中，相近的像素使用不同颜色的滤镜。典型的有G-R-G-B和C-Y-G-M两种排列方式。这两种 排列方式成像的原理都是一样的。在记录照片的过程中，相机内部的微处理器从每个像素获 得信号，将相邻的四个点合成为一个像素点。该方法允许瞬间曝光，微处理器能运算地非常 快。这就是大多数数码相机CCD的成像原理。因为不是同点合成，其中包含着数学计算，因 此这种CCD最大的缺陷是所产生的图象总是无法达到如刀刻般的锐利。 另一种处理方法是使用三棱镜，他将从镜头射入的光分成三束，每束光都由不同的内置 光栅来过滤出某一种三原色，然后使用三块CCD分别感光。这些图象再合成出一个高分辨率、 色彩精确的图象。如300万像素的相机就是由三块300万像素的CCD来感光。也就是可以做 到同点合成，因此拍摄的照片清晰度相当高。该方法的主要困难在于其中包含的数据太多。 在你照下一张照片前，必须将存储在相机的缓冲区内的数据清除并存盘。因此这类相机对其 他部件的要求非常高，其价格自然也非常昂贵。 CCD与CMOS CMOS即互补性金属氧化物半导体，其在微处理器、闪存和ASIC（特定用途集成电路）的 半导体技术上占有绝对重要的地位。 CMOS和CCD一样都可用来感受光线变化的半导体。CMOS主要是利用硅和锗这两种元素所 做成的半导体，通过CMOS上带负电和带正电的晶体管来实现基本的功能的。这两个互补效 应所产生的电流即可被处理芯片纪录和解读成影像。 CMOS针对CCD最主要的优势就是非常省电。不像由二极管组成的CCD，CMOS电路几乎没 有静态电量消耗，只有在电路接通时才有电量的消耗。这就使得CMOS的耗电量只有普通CCD 的约1/3，这有助于改善人们心目中数码相机是电老虎的不良印象。我们知道在佳能EOS系 列AF相机上，CMOS一直在测光对焦系统中使用。佳能在这方面有雄厚的技术力量和丰富的 经验。发展到今日已经比较容易地以较低的成本制造较大大尺寸的CMOS感光芯片，并且CMOS 可以将影像处理电路集成在芯片上。CMOS主要问题是在处理快速变化的影像时，由于电流 变化过于频繁而过热。暗电流抑制得好就问题不大，如果抑制得不好就十分容易出现杂点。 D30有专门的回路控制暗电流，在长于1秒的曝光时降噪系统会自动工作，可以从很大程度 上降低噪点的产生。 此外，CMOS与CCD的图像数据扫描方法有很大的差别。举个例子，如果分辨率为300万 像素，那么CCD传感器可连续扫描300万个电荷，扫描的方法非常简单，就好像把水桶从一 个人传给另一个人，并且只有在最后一个数据扫描完成之后才能将信号放大。CMOS传感器 的每个像素都有一个将电荷转化为电子信号的放大器。因此，CMOS传感器可以在每个像素 基础上进行信号放大，采用这种方法可节省任何无效的传输操作，所以只需少量能量消耗就 可以进行快速数据扫描，同时噪音也有所降低，这就是像素内电荷完全转送技术。这种能耗 低、制造相对容易的感光芯片如果能在影像的锐利度、动态范围等方面再做进一步的努力， 相信CMOS是未来数码相机的发展方向。 CCD和CMOS在制造上的主要区别是 CCD是集成在半导体单晶材料上，而CMOS是集成在 被称做金属氧化物的半导体材料上，工作原理没有本质的区别。CCD只有少数几个厂商例如 索尼、松下等掌握这种技术。而且CCD制造工艺较复杂，采用CCD的摄像头价格都会相对比 较贵。事实上经过技术改造，目前CCD和CMOS的实际效果的差距已经减小了不少。而且CMOS 的制造成本和功耗都要低于CCD不少，所以很多摄像头生产厂商采用的CMOS感光元件。成 像方面：在相同像素下CCD的成像通透性、明锐度都很好，色彩还原、曝光可以保证基本准 确。而CMOS的产品往往通透性一般，对实物的色彩还原能力偏弱，曝光也都不太好，由于 自身物理特性的原因，CMOS的成像质量和 CCD还是有一定距离的。但由于低廉的价格以及 高度的整合性，因此在摄像头领域还是得到了广泛的应用。 CCD是目前比较成熟的成像器件，CMOS被看作未来的成像器件。CMOS结构相对简单， 与现有的大规模集成电路生产工艺相同，从而生产成本可以降低。从原理上，CMOS的信号 是以点为单位的电荷信号，而CCD是以行为单位的电流信号，前者更为敏感，速度也更快， 更为省电。现在高级的CMOS并不比一般CCD差，但是CMOS工艺还不是十分成熟，普通的 CMOS 一般分辨率低而成像较差。CCD与 CMOS孰优孰劣不能一概而论，但一般而言，普及型的数 码相机中使用CCD芯片的成像质量要好一些。 以下是线阵CCD芯片图片，目前线阵CCD芯片的像素覆盖范围由128像素--10550像素， 像素尺寸覆盖4μm--14μm，工作频 率由100KHz--25 MHz，以及黑白及彩色等多种型号。 红 外 热 像 仪 当你每天收看中央电视台天气预报的时候，解说员会说“从风云2号气象卫星传来的 气象卫星云图来看⋯⋯”让你了解各地的气象。气象卫星的眼睛就是红外装置，其核心是红 外探测器。红外热像仪是红外系统中的一种，红外热像仪不仅在科学实践上有重要的用途， 而且在国防现代化建设中也有不可替代的地位。 顾名思义，红外热像仪就是把物体的红外辐射转变成可见光，供人们观察。红外热像仪 与微光仪器虽同属于夜视仪器，但是它们的工作原理是不同的，微光仪器的工作原理是把物 体被微弱的光照到的光反射，通过微光仪器加以放大，也就是把弱光信号增强，以使人们能 够用眼观察。而红外热像仪则是接收物体的热辐射。自然界中的所有物体都有热辐射，温度 不同，热辐射量也不同，红外热像仪也就是利用探测器接收不同的热辐射形成图像。 红外热像仪一般工作在3～5um，8—12um这两个波段。因为，在这两个波段中，大气 的透过率高，对红外来说是”透明”的。红外热像仪由光学、机械、电子和计算机等几部分 组成，属于复杂的光机电产品。光学部分将热辐射进行收集汇聚到探测器上，探测器将热辐 射转变成电信号，电信号被电路进行放大，然后变成数字信号，由计算机对这些数字量进行 处理，最后在显示器上显示出来。这个过程是很复杂的，其中热像仪中的光学透镜多数为铝 材料制成，并且还是非球面的。 红外热像仪是50年代以后才逐渐发展起来的产品。随着电子技术的迅速发展，红外热 像仪至今已发展到了第三代。第一代产品由于探测器元数少，所形成的信号不能在阴极射线 管上形成图像，所以在光学系统中加一个机械扫描器，使探测器能接收视场中的景物，并形 成图像。而第三代产品已不需扫描器，探测器也比第一代更复杂，性能提高许多，体积也缩 小了。红外热像仪正在走向成熟，而且其价格正在降低。 红外热像仪在当今属于高科技产品，其应用领域广泛，如:军事上用的瞄准镜。 红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境 下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停地辐射出热红外能量，分子和原子的运 动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。 温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。通过红外探 测器将物体辐射的功率信号转换成电信号，成像装置的输出就可以完全一 一对应地模拟扫 描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理后传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应 的热像图。 运用这一方法，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析 判断。 红外热像仪是利用红外探测器、 光学成像物镜和光机扫描系统(目前先进的焦平面技 术则省去了光机扫描系统)接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏 元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构(焦平面热像仪无此机构)对被测 物体的红外热像仪进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成 电信号，经放大处理、转换为标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。 这种热像图与物体表面的分布场相对应；实际上是被测目标物体各部分红外辐射的 热像分布图由于信号非常弱，与可见光相比缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为 更有效地判断被测目标的红外热场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮 度、对比度的控制，实际校正，伪色彩描绘等高线和直方进行运算、打印等。 红外热像仪的主要参数 工作波段： 工作波段是指红外热像仪中所选择的红外探测器的响应波长区域，一般是 3～5μm或8～12μm。 红外热像仪一般分光机扫描成像系统和非扫描成像系统. 光机扫描成像系统采用单元或多元(元数有 8、10、16、23、48、55、60、120、180甚 至更多) 光电导或光伏红外探测器，用单元探测器时速度慢，主要是帧幅响应的时间不够快， 多元阵列探测器可做成高速实时热像仪。 非扫描成像的热像仪，如今几年推出的阵列式凝视成像的焦平面热像仪，属新一代的热 成像装置，在性能上大大优于光机扫描式热像仪，有逐步取代光机扫描式热像仪的趋势。其 关键技术是探测器由单片集成电路组成被测目标的整个视野都聚集在上面，并且图象更加清 晰，使用更加方便，仪器非常小巧轻便，同时具有自动调焦图像冻结、连续放大，点温、线 温、等温和语音注释图像等功能。仪器采用PC卡，其存储容量可高达500幅图像。 红外热电视是红外热像仪的一种。红外热电视是通过热释电摄像管(PEV)接受被测目标 物体表面红外辐射，并把目标内热辐射分布的不可见热图像转变成视频信号。因此，热释点 摄像管是红外热电视的关键器件，它是一种实时成像、宽譜成像(对比3~5μm及8~14μm 有较好的频率响应)具有中等分辨率的热成像图器件。主要由透镜、靶面和电子枪三部分组 成。其技术功能是将被测目标的红外辐射线通过透镜聚集成像到热释电摄像管，采用常温热 电视探测器和电子束扫描及靶面成像技术来实现的。红外热像仪作为一种红外成像仪器,不 但在军事应用中占有很重要的地位在民用方面也具有很强的生命力。它除具有红外测温仪的 优点(如非接触、快速、能对运动目标和微小目标测温等)外，还具有下列优点： (1) 直观地显示物体表面的温度场。红外测温仪只能显示物体表面某一小区域或某一点 的温度值，而热像仪则可以同时测量物体表面各点温度的高低，并以图像形式显示出来。 (2) 温度分析率高。红外测温仪由于各种一因素的影响，很难分辨0.1以下的温差,而 热像仪由于可以同时显示出两点的温度值,因而能准确区分很小的温差,甚至可达0.01: (3) 可采用多种显示方式。热像仪输出的视频信号包含目标的大量信息，可用多种方式 显示出来。例如，对视频信号进行假彩色处理，便可由不同颜色显示不同温度的热图像；若 反视频信号进行模数转换处理，即可用数字显示物体各点的温度值： (3) 可进行数据存储和计算机处理。热像仪输出的视频信号，可用数字存储器存储，或 用录像带记录，这样既可长期保持又可用计算机作运算处理。 热像仪在军事和民用方面都有广泛的应用。随着热成像技术的成熟，各种低成本适于 民用的热像仪的问世，它在国民经济各部门发挥着越来越大的作用。在工业生产中，许多设 备常处于高温、高压和高速运行状态，应用红外热像仪对这些设备进行检测和监控，既能保 证设备的安全运转，又能发现异常情况以便及时排除隐患。同时，利用热像仪还可进行工业 产品质量控制和管理。例如，在钢铁工业中的高炉和转炉所用耐火材料的烧蚀磨损情况，可 用热像仪进行观测及时采取措施检修防止事故发生。又如，在石化工业中，热像仪可监视生 产设备和管道的运行情况，随时提供有关沉淀形成、流动阻塞、漏热温度隔热材料变质等数 据。再如，在电力工业中，发电机组、高压输电和配电线路等可用热像仪沿线扫查，找出故 障隐患，及时排除以利于杜绝事故的发生。在电子工业中，也可用热像仪检查半导体器件、 集成电路和印刷电路板等的质量情况，发现其他方法难以找到的故障。 此外，红外热像仪在医疗、治安、消防、考古、交通、农业和地质等许多领域均有重 要的应用。如建筑物漏热查寻、森林探火、火源寻找、海上救护、矿石断裂判别、导弹发动 机检查，公安侦查以及各种材料及制品质无损检查等。 光 电 透 过 率 测 量 系 统 透过率测量的方法有多种，其中以激光作为光源的光学透过率测量方法，*由于具有远 距离、高精度、非接触等优点在工程应用中被广泛采用。本实验主要提供了一种光电混合激 光透过率测量实验仪的硬件组成及其实验测量方法。 1.实验仪组成 光电法透过率测量实验仪是一种典型的光电混合测量系统，采用模块化的设计方法。各 模块及功能框图如图1所示。因为这个实验仪包含了光的、电的及其混合处理等内容，所以 涉及的知识面相对广泛。 该实验仪的工作过程为：经过调制模块调制后的红外激光脉冲信号穿透介质后衰减，被 衰减的红外光信号经过透镜汇聚到光电探测器的响应平面上，光电探测器将红外辐射信号转 化为电信号输出后经信号处理（包括I-V转换、滤波、积分等）变成直流信号，此直流信号 经过A/D转换送入单片机，单片机将采集的信号处理后送入PC机，在PC机上利用另外设计 的专用软件进行数据分析处理，最后在电脑屏幕上直观显示出介质透过率情况。 2.硬件组成及其功能介绍 2.1调制脉冲信号光源 光源功率的起伏对测量的精度造成了很大的影响，传统的解决办法是使用调制盘，但是 调制盘由于频率稳定性差导致实验效果很不理想。为了提高红外探测系统的作用距离，而又 不使红外发射管过载，一般采用脉冲发射方式或调制载波脉冲发射方式。 红外探测系统的有效距离取决于发射管辐射的峰值功率，而峰值功率是由发光二极管的 图 1透过率测量实验仪系统框图 调 制 模 块 光 源 光 电 转 换 信 号 处 理 模 数 转 换 P C 显 示 介 质 5 1 单 片 机 电流峰值功率所决定的。峰值功率越大，驱动电流的平均值越小，则发光效率就越高。脉冲 调制可使红外发射管的平均功率减小，提高系统的有效作用距离，且大大提高了红外探测的 抗干扰能力。 目前在工业或民用的红外光探测中所使用的红外光谱主要集中在 760～1600nm的近红 外“窗口”，这是因为首先在这个区域红外光辐射透过率较其他区域高；其次在这个区域红 外光发射器件（如红外发光管、半导体激光器等）与接收用光电探测器件（包括光电二极管、 光敏三极管、硅光电池等）的响应波长相匹配，使探测灵敏度高，从而工作效率提高。 鉴于以上原因本实验仪选用辐射波长为850nm的可调制LD。 2.2光电转换传感器 为了获得高灵敏度的响应，在满足对光源系统调制频率正常响应的情况下，考虑到实验 系统调整的方便，选择光敏面较大的光电池作为光电转换器件。光电池的光谱特性由其制成 材料决定。制造光电池的材料有多种，其中以硅光电池的应用最广,它具有高效率、宽光谱 响应、高稳定性和耐高能辐射等优点。因此本实验系统选用硅光电池作为光电转换传感器。 2.3信号处理电路 红外激光脉冲信号在穿透介质被汇聚到光电传感器——光电池的光敏面上后，光强转换 成了相应的电流信号，为了便于研究要对此电流信号进行处理。具体处理方法详见附2。 相关原理 透过率的测量是光学测量的一项重要内容，在物质结构分析、物体的化学性质、生物医 学等领域得到了广泛的应用。 一般情况下，辐射源的辐射要受到中介媒质（大气，光学系统元件等）的吸收，辐射等， 只有一部分辐射功率透过媒质，最后被探测器接受。当以平行辐射束在媒质中传播时，若媒 质有吸收，则在传播一段距离之后，在垂直于传播方向单位面积上的辐射能通量将减少。 实验证明，对于在均匀吸收媒质，如果不考虑散射时，被吸收的辐射能通量的相对值 /df f- 与通过的路程dx成正比，即 a d dx f m f - = (2.1) 将上式从0到x积分，得到x处的辐射能通量 ( ) (0) a xx e mf f -= (2.2) 式中， am 为吸收系数，是个有量纲的量，当x以米为单位时， am 的单位是 1m- ； (0)f 为x=0处的辐射功率。由式(2.2)可见，当辐射在媒质中传播1/ am 距离时，辐射能通量就衰 减为原来值得1/ e。 除去吸收外，散射也是辐射衰减原因之一。设有一辐射能通量为f的平行辐射束，入射 到包含许多微粒质点的非均匀媒质上，由于媒质内微粒的散射而衰减的相对值 /df f 与通过 的距离dx成正比，即： x d dx f m f - = (2.3) 将上式从0到x积分，得到在x处的辐射能通量： ( ) (0) xxx e mf f -= (2.4) 该式称为散射定律，式中 (0)f 为在x=0处的辐射功率， xm 为散射系数，与吸收情况相 似，媒质散射也是辐射能通量按指数规律衰减。 如果传播媒质中同时存在吸收和散射，则辐射能通量为f的入射辐射在传播 x距离之 后，透过的辐射能通量为： ( )( ) (0) (0)a x x xx e em m mf f f- + -= = (2.5) 上式称为比尔——朗伯定律。式中， a xm m m= + 为衰减系数。 激光透过媒质后的光强与透过前的光强的比值称为透过率。又称透射率或透射系数。如 前所述，其计算 公式 小学单位换算公式大全免费下载公式下载行测公式大全下载excel公式下载逻辑回归公式下载 为： 1 0 100% I T Il = ´ (2.6) 式中，Tl－透过率， 1I —透过后的光强， 0I —透过前的光强。 附：系统各部分电路说明 驱动与调制电路：为满足半导体激光器对驱动信号的频率要求，可以设计一个可调谐的方波 发生器。方波发生频率从32KHZ到125HZ.。方波发生器实际上是由以NE 555为核心的组成。 555时基电路和R16、R13、C12等组成一个无稳态多谐振荡器，它的振荡频率 16 13 121.43/( 2 )f R R C= + (3.1) 此多谐振荡器产生的波形是具有一定占空比的方波，其中 13 120.7PLt R C= (3.2) 16 13 120.7( )PHt R R c= + (3.3) 将原理图中的参数带入公式（3.1）中可计算出从555产生的方波信号频率为32KHZ.。 由NE555产生的频率为32KHZ的方波，经过CD4040分频出来即可得到32KHZ、16KHZ、 8KHZ、4KHZ、2KHZ、1KHZ、500HZ、250HZ、125HZ频率的方波信号。参考电路如下： 图2 LD驱动与调制电路 本实验中，半导体激光器的调制频率采用1KHz。 光电传感I/V转换电路：光电传感器采用光电池，由于光电池采用无偏置电路，输出信号为 电流，所以后续的电路采用低噪声、低偏置电流放大器CA3140设计了如图3所示的I/V转 换电路。由电路的虚短与虚断特性计算可知： 0 8 2 8 2 10( / )PU I R R R R R= + + (3.4) 图3 I/V转化电路 带通滤波电路: 本方案设计一个 2阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率 f=1khz,增益 vA =2，品质因数Q=10，原理图如图4所示。 图4 带通滤波电路 带通滤波器的性能参数： 20 2 6 3 9 1 1 1 R C R R w æ ö = +ç ÷ è ø (3.5) ( )0 0 0 f Q BW BW BW w w= <<或 时 (3.6) ( )5 4 1 2V V R A A R = + £ (3.7) 积分电路：积分电路的作用是将输入的交流信号变成直流信号，可以采用 AD536A芯片。 AD536A能够计算直流和交流信号的真有效值。在工作时，如果输入的是幅值缓慢变化的直 流信号，则它可以进行精确的转换。当输入直流信号的幅值变化较快时，由于直流误差(