光电探测与信号处理教学大纲

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理论（含课内实验）课程教学大纲模板

一、课程基本信息

1、课程名称: 光电探测与信号处理

全称（英文）Photoelectric detection and signal processing

2、课程代码：B1309016

3、课程管理：数理学院应用物理教研室

4、教学对象：应用物理

5、教学时数：总时数 48 学时，其中理论教学32学时，实验实训 16 学时。

6、课程学分：3

7、课程性质：专业选修课程

8、课程衔接：

（1）先修课程：工程光学、电磁学、原子物理学、量子力学、模拟电子技术

（2）后续课程：光电子技术

二、课程简介

《光电探测与信号处理》课程为一门主要专业方向课程，是从事光学工程、仪器仪表、测量与控制研究人员所必须具备的专业基础，是一门与现代科学技术紧密相连的正在发展的新兴学科。本课程主要讲述光电检测理论基础知识以及光电检测的结构组成、设计思路和应用特点。通过本课程的学习，使学生了解和掌握光电转换的基本原理及光电检测技术所必须的各种知识，了解和掌握常用光电测量方法及常用测量仪器的使用，具备进行各种基本光电测量所需技能和设计光电检测电路的能力。

三、教学内容及要求

第一章 绪论

（一）教学目标

掌握光电检测系统的组成及特点；了解信息技术及光电检测技术的概念。

（二）教学节次及要求

第一节 信息技术及光电检测技术

了解信息技术及光电检测技术的概念。

第二节 光电检测与光电传感器概念

了解光电检测与光电传感器概念及各自的作用。

第三节 光电检测系统的组成及特点

了解光电检测系统的基本模型及光电系统框图。

第四节 光电检测方法及应用发展趋势

1、掌握光电检测的基本作用法、差动测量法补偿测量法和脉冲测量法；

2、了解光电检测系统的及应用发展趋势。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光电传感器、光电检测系统的组成及特点

2、教学难点：光电检测系统的组成及特点

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 4学时

第二章 光电检测器件工作原理及特性

（一）教学目标

了解光电检测器件的特性参数；掌握光电导效应、光生伏特效应和热释电效应。

（二）教学节次及要求

第一节 光电检测器件的物理基础

1、了解光电导效应的本质和热释电效应的过程；

2、掌握光生伏特效应的原理。

第二节 光电检测器件的特性参数

了解光电检测器件的各种特性参数。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光电导效应、光生伏特效应、热效应

2、教学难点：光生伏特效应

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 4学时

第三章 半导体光电检测器件及应用

（一）教学目标

掌握光敏电阻及光生伏特器件的工作原理及各种特性；了解各种器件在电路中的应用。

（二）教学节次及要求

第一节 光敏电阻

1、了解光敏电阻的结构及工作原理及特性；

2、了解光敏电阻的应用；

第二节 光生伏特器件

1、掌握光电池、光电二极管、光电三极管及光电倍增管的工作原理及特性；

2、掌握发光器件的发光原理

2、了解各类光生伏特器件的应用。

（三）教学重点与难点

1教学重点：光敏电阻、光电池、光电二极管、光电三极管、光电倍增管及激光的工作原理

2、教学难点：光电池、光电二极管、光电三极管及光电倍增管的工作原理

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 8 学时

第四章 光电信号检测电路

（一）教学目标

了解光电检测电路的基本组成，掌握光电检测电路中的静态和动态的计算方法。

（二）教学节次及要求

第一节 光电检测电路的设计要求

了解光电检测电路的设计要求；了解光电检测电路的基本组成。

第二节 光电信号输入电路的静态计算

1、 了解恒流源型器件、光伏型器件、可变电阻型器件的电路正常工作条件

2、 掌握图解计算法和解析计算法。

第三节 光电信号输入电路的动态计算

1、掌握光电信号输入电路的动态计算；

2、了解光电检测电路的频率特性和综合频率特性。

第四节 光电信号检测电路的噪声

1、 了解光电信号检测电路中存在的各类不同的噪声；

2、 掌握光电检测电路的噪声估算。

第五节 前置放大器

1、 了解前置放大器的作用及放大器中存在的噪声；

2、 掌握检测器件和放大电路的连接。

第六节 光电检测电路举例

了解光电检测电路在路灯控制电路和红外线防盗报警电路中的应用。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光电信号输入电路的静态和动态计算方法、检测电路的噪声、前置放大器

2、教学难点：光电信号输入电路的静态和动态计算方法

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 8学时

第五章 光电直接检测系统

（一）教学目标

了解被动和主动检测系统的距离方程，掌握莫尔条纹测长仪和激光测距仪的原理

（二）教学节次及要求

第一节 光电直接检测系统的基本工作原理

了解光电直接检测系统的基本工作原理。

第二节 光电直接检测系统的基本特性

了解直接检测系统的信噪比、视场角，了解系统通频带宽度的几种计算方法。

第三节 直接检测系统的距离方程

了解被动和主动检测系统的距离方程。

第四节 光电直接检测系统举例

1、了解莫尔条纹的原理；

2、了解莫尔条纹测长仪和激光测距仪的原理；

3、掌握在具体的环境污染检测中直接检测系统的应用。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：被动和主动检测系统的距离方程；莫尔条纹测长仪和激光测距仪的原理

2、教学难点：莫尔条纹测长仪和激光测距仪的原理

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 4学时

第六章 光外差检测系统

（一）教学目标

了解光外差检测原理，理解掌握光外差检测特性及影响灵敏度因素。

（二）教学节次及要求 （按节次逐一列出要点，每一节用“了解”、“理解”、“知道”、“懂得”、“学会”、“掌握”、“训练”、“培养”、“形成”等作为教学要求。）

第一节 光外差检测原理

了解光外差检测系统的基本工作原理。

第二节 光外差检测特性

1、 了解光外差检测特性；

2、 重点理解光外差检测的转换增益高、滤波特性和最小可检测功；

3、 了解光外差检测系统对检测器性能的要求。

第三节 影响光外差检测灵敏度的因素

了解光外差检测的空间和频率特性。

第四节 光外差检测举例

1、了解在光外差检测中激光干涉侧长的基本原理和多普勒测长原理。

2、理解光外差通信

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光外差检测原理及特性；光外差检测中激光干涉侧长的基本原理、多普勒测长原理及光外差通信

2、教学难点：光外差检测中激光干涉侧长的基本原理、多普勒测长原理

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 6学时

第七章 光纤传感检测技术

（一）教学目标

了解光纤传感器的工作原理及特性；掌握光纤的光波调制技术。

（二）教学节次及要求 （按节次逐一列出要点，每一节用“了解”、“理解”、“知道”、“懂得”、“学会”、“掌握”、“训练”、“培养”、“形成”等作为教学要求。）

第一节 光纤传感器的基础

1、掌握光纤波导原理；

2、了解光纤的分类及特性；

3、了解光纤传感器的分类。

第二节 光纤的光波调制技术

掌握强度、偏振、相位的调制与解调。

第三节 光纤传感器实例

了解各种传感器的工作原理和在生活中的应用。

第四节 分布式光纤传感器

了解反射法、波长扫描法、干涉法、连续波调频法在分布式光纤传感器的应用。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光纤传感器的工作原理及特性；光纤的光波调制技术；分布式光纤传感器。

2、教学难点：光纤的光波调制技术

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 4学时

第八章 光电信号的数据采集与微机接口

（一）教学目标

了解光电信号的二值化处理；掌握单元和视频光电信号的A/D转换和数据采集。

（二）教学节次及要求 （按节次逐一列出要点，每一节用“了解”、“理解”、“知道”、“懂得”、“学会”、“掌握”、“训练”、“培养”、“形成”等作为教学要求。）

第一节 光电信号的二值化处理

1、了解单元光电信号和视频信号的二值化处理的过程及电路；

2、了解光电采集信号的数据采集电路。

第二节 单元光电信号的A/D转换和数据采集

了解单元光电信号的A/D转换和数据采集。

第三节 视频光电信号的A/D转换和数据采集

视频光电信号的A/D转换和数据采集及微机接口。

（三）教学重点与难点

1、教学重点：光电信号的二值化处理；单元和视频光电信号的A/D转换和数据采集

2、教学难点：单元和视频光电信号的A/D转换和数据采集

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 4学时

第九章 光电检测技术的典型应用

（一）教学目标

知道放大器在微弱光信号检测技术中的应用；知道如何进行取样积分；了解光电开关与光电转速计的原理；了解条形码工作原理；了解光电遥控技术和红外方位检测系统。

（二）教学节次及要求 （按节次逐一列出要点，每一节用“了解”、“理解”、“知道”、“懂得”、“学会”、“掌握”、“训练”、“培养”、“形成”等作为教学要求。）

第一节 微弱光信号检测技术

1、掌握在微弱光信号检测技术中放大器的工作原理以及特性；

2、了解各种取样积分器的工作原理；

3、掌握光子计数器的基本原理和不同计数器的技术方式。

第二节 光电开关与光电转速计

1、 了解各种开关的原理；

2、 了解光电转速计的工作原理及频率和周期测量法。

第三节 条形码技术

1、 了解条形码的工作原理及特点

2、 掌握条形码的识别原理及装置。

第四节 光电遥控技术

了解光电遥控技术原理。

第五节 红外方位检测系统

了解调制盘的方位检测原理及检测的系统结构

（三）教学重点与难点

1、教学重点：微弱光信号检测技术、光电开关与光电转速计、条形码技术、光电遥控技术

2、教学难点：微弱光信号检测技术、光电开关与光电转速计

（四）教学方法与手段

课堂讲授、多媒体辅助教学。

（五）教学时数 6学时

四、实验教学内容与基本要求

实验一 光控开关设计实验

1、目的要求

（1）了解和掌握光敏电阻光控灯应用原理

（2）了解和掌握光敏电阻光控灯电路原理

（二）实验内容

（1）光敏电阻光控灯实验

（2）光敏电阻光控灯设计性实验

（三） 所需实验设施设备

（1）光电创新实验仪主机箱

（2）光控灯实验模块

（3）连接线

（4）万用表

（四） 教学形式及过程

（1）教学形式：讲授

（2）教学过程

1、光敏电阻输出端金色插座对应接到“IN”端金色插座。

2、打开电源开关，用手遮挡光敏电阻，观察指示LED明暗变化。

3、调节可调电阻W1，观察指示LED明暗变化。

实验二 光照度计设计实验

1、目的要求

（1）了解和掌握光电池在光照度计上的应用原理

（2）了解和掌握光照度计结构原理

（3）了解和掌握光照度计电路设计原理

（二）实验内容

（1）光照度计测量光照度实验

（2）光照度计设计实性验

（三） 所需实验设施设备

（1）光电创新实验仪主机箱

（2）光照度计&光功率计设计模块

（3）照度计探头

（4）连接线

（5）万用表

（四） 教学形式及过程

（1）教学形式：讲授

（2）教学过程

1、照度计探头红黑插座对应接到实验模块上输入端“+” “-”。

2、万用表红黑表笔对应接到实验模块上输出端“+” “-”。

3、放大倍数切换开关拨至X1挡，向上拨。

4、打开电源开关，观察万用表指示数值。

5、改变不同光照度和放大倍数，观察万用表指示数值变化。

6、关闭电源。

实验三 光电报警设计实验

1、目的要求

（1）了解红外砷化镓发光二极管与光电二极管的具体应用

（2）练习自拟简单的光电系统试验

（3）了解主动式光电报警系统设计原理

（4）了解锁相环的原理及应用

（5）对影响光电探测性能的各种参数进行探讨，以求最大限度地发挥系统的探测能力

（二）实验内容

（1）锁相环原理及应用测试实验

（2）利用锁相环设计光电报警系统实验

（3）设计性实验

（三） 所需实验设施设备

（1）光电创新实验仪主机箱

（2）光电报警实验模块

（3）连接线

（4）示波器

（四） 教学形式及过程

（1）教学形式：讲授

（2）教学过程

1、红外发射二极管“L+” “L-”对应接入电路中发射部分“L+” “L-”；光电二极管“P+” “P-”对应接入电路中接收部分“P-” “P+”。

2、打开电源，示波器观测Ft点波形，调节调制频率调节旋钮，使波形输出为1比1方波。

3、示波器观测Ff点波形，调节增益调节使波形最好。

4、示波器观测Fy点波形，调节阈值调节旋钮，使输出方波波形最好，并记录频率。

5、示波器观测Fc点波形，调节中心频率调节旋钮使波形频率与Fy波形频率相等。

6、用手遮挡光路，观测LED发光二极管指示状况。

实验四 红外遥控设计实验

1、目的要求

（1）了解红外遥控原理

（2）了解掌握红外遥控电路设计方法

（二）实验内容

（1）红外遥控编解码实验

（2）4路遥控原理实验

（3）设计性试验

（三） 所需实验设施设备

（1）光电创新实验仪主机箱

（2）红外遥控实验模块

（3）连接线

（4）示波器

（四） 教学形式及过程

（1）教学形式：讲授

（2）教学过程

1、将模块上红外发射二极管的金色插孔“L+”“L-”通过连线连接至发射金色插孔“L+”“L-”，红外接收头金色插孔“GND”“VCC”“SIG” 通过连线连接至接收金色插孔“GND”“VCC”“SIG”（GCC GND为接收头的供电端，SIG为接收头的信号输出端）。

2、“TE”分别设为3态，用示波器观察编码芯片PT226217脚输出波形状态。

3、“TE”分别设为低电平，按下4路控制任何一路开关，用示波器观察接收头“SIG”波形。

4、使用短路块将编码解码设置相同状态，按下4路控制任何一路开关，观察4路输出只是状态。

5、使用短路块将编码解码设置不同状态，按下4路控制任何一路开关，观察4路输出只是状态。

6、分析红外遥控原理

五、课程时数分配表

（一）总体学时分配

说明：

（1）学时分配合计数要与实验总学时相同或大于实验总学时数（其中超出的学时数可为选开实验）。

（2）实验属性指所开实验为基础类、技术（专业）基础类或专业类；

（3）实验类别指基础性（演示性、操作性及验证性）、综合性或设计性等实验。

注意：按照教育部本科教学评估要求，开出综合性、设计性实验的课程占有实验课程总数的比例应≥80%。（指整个专业的所有实验）

（4）每组人数指开设本项实验最少的人数，例如，计算机上机一般为1人，基础课实验一般规定1人或2人等。

（5）实验要求指必做或选做：按教学要求，划分该项目属必做或选做。

六、考核方式

1、课程的考核方式：闭卷

2、课程考核成绩确定方法：

（作业、考勤、课堂讨论等）占30%，期末考核占70%。

七、建议教材及教学参考书

1、教材及参考书

使用教材：郭培源、付扬等,《光电检测技术与应用》第2版,北京航空航天大学出版社, 2011

主要参考书:

（1） 姚建铨，于壹仲《光电子技术》，著高等教育出版社,2006年5月出版

（2）《光电子技术基础》 朱京平，科学出版社，2003年9月出版

（3）王静怀《光电子学》 马养武，，浙江大学出版社，2004年3月出版

（4）曾光宇，《光电检测技术》,清华大学出版社

（5） 吕海宝，《激光光电检测》,国防科技大学大学出版社

（6）雷玉堂，《光电检测技术》，中国计量出版社

2、实践指导书(格式同上)

执笔人： 教研室负责人审核： 　教学院长审核：

全国青少年机器人技术等级考试三级

全国青少年机器人技术等级考试是由中国电子学会发起的面向青少年机器人技术能力水平的社会化评价项目。中国电子学会是工业和信息化部直属事业单位，是中国科学技术协会的团体会员单位，中国电子学会拥有全球知名的国家级机器人专业品牌（世界机器人大会-WRC）。2015年起，中国电子学会启动了面向青少年（6-18岁）级别的机器人技术等级考试项目。

一、《全国青少年机器人技术等级考试三级》考试标准：

（图像化编程+模块搭建+电子电路）

科目 ：图形化编程、电子电路搭建、机器人常用知识。

形式 ：软件知识、硬件知识、机器人常用知识采用上机考试形式。电子电路搭建采用现场实际操作形式。

核心控制板： Arduino 开源硬件控制板，包含硬件的原理图、引导程序（如果含）、开源的开发环境及源码。

电子部分 ：与核心控制板配套的电子元件或模块。

开发软件 ：能够完成开源硬件控制板程序开发的图形化编程软件即可。建议采用 Mixly 软件。

（一） 知识

了解电子电路领域的相关理论、相关人物及前沿科技时事

理解电流、电压、电阻、欧姆定律、导体、半导体等概念

理解串联、并联的概念

理解二极管的特性

理解控制系统的基本工作流程

理解模拟量、数字量、I/O 口输入输出等概念

掌握图形化编程软件的使用

掌握图形化编程软件的使用

掌握图形化环境下，程序设计的三种基本结构、变量的定义及使用

掌握图形化编程环境下，数学、比较、逻辑运算

掌握程序流程图的绘制

（ 二 ） 电子电路、图形化编程

1. 掌握简单的串联、并联电路、混合连接的电路连接

2. 掌握搭建不同的 LED 显示效果的电路

3. 掌握处理按键类型数字输入信号的电路

4. 掌握使用光敏电阻搭建环境光线检测感应的电路

5. 掌握通过可调电阻控制 LED 的亮度变化的电路

6. 掌握通过蜂鸣器发出不同声调的电路

7. 掌握通过图形化编程，使用超声波传感器、舵机及红外遥控器

8. 掌握通过图形化编程、利用不同传感器、执行器，实现简单的交互装置

搭建模型

二、《全国青少年机器人技术等级考试三级》学习大纲：

三、《全国青少年机器人技术等级考试三级》题型及分值：

1、理论100分

单选

多选

判断题

2、实操100分

流程图

电路搭设

功能呈现

四、《全国青少年机器人技术等级考试三级》时间及流程：

1、一年四次考试机会：3月、6月、9月、12月。具体时间关注中国电子学会考评中心。

2、报名及退费截止时间一般在考前的20天。

3、考试成绩在考试后一个月左右时间出来，证书寄送的时间在考试后第二个月内。

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