金肯职业技术学院
毕业设计（论文）
（2010级）
题目基于光电式传感器的实际应用
系别机械与汽车工程系专业机电一体化技术学生姓名陆祉祥学号 1001030114 指导老师许凌
顾问老师
二〇年月
目录
第一章传感器的概述 (5)
1.1 传感器的组成和分类 (5)
1.2 传感器的基本特性 (6)
第二章光电传感器的发展状况及趋势 (12)
2.1 光电传感器的发展状况 (12)
2.2 光电传感器的发展趋势 (14)
第三章基于光电传感器的实际应用 (18)
3.1 光电传感器在生活中的应用 (18)
3.2 光电传感器在其它方面中的应用 (21)
参考文献 (23)
在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。它可用于检测直接引起光量变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。
关键字：光电元件传感器分类传感器应用
The photoelectric transducer adopts the photoelectric component as the transducer measuring the component. It changes the change measured into a change of the optical signal at first, then further change the optical signal into an electric signal through the photoelectric component. The photoelectric transducer is generally made up of light source, optical thorough fare and photoelectric component three parts. The photoelectric detection method has precision high, reacts fast, advantage of exposed to ing etc.s, and can examine the parameter more, the transducer is of simple structure, the form is flexible, so, it is very extensive that the photoelectricity type transducer is employed in measuring and controlling. The photoelectric transducer realizes the key component that the photoelectricity changes in various photoelectric detection systems, it change into electric device of signal optical signal (infrared can seeing and purple other ray radiation). The photoelectricity type transducer is regarded photoelectric device as and changed the transducer of the component. It was not electric consumption that it caused the light quantity to change directly that it can be used for measuring, only strong, illuminance, radiation examine warmly, the gas composition is analyzed etc.; Other ones that can also be used and measured and can change into a light quantity and change are not the electric consumption such as part diameter, surface roughness, meets an emergency, the displacement, vibration, pace, acceleration, and the form of object, discernment of working state,etc.. The photoelectricity type transducer is not exposed to, respond the fast, reliable characteristic of performance, so won extensive application in the industrial automation device and machine philtrum. In recent years, new Devices photoelectric constantly emerge, especially CCD picture the births of transducer, transducers photoelectric the further to last chapter innovated to turn on.
Keywords:Photoelectric component Transducer classification Application of transducer
第一章传感器的概述
1.1、传感器的组成和分类
传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律将其转换成可用输出信号的器件或装置。
传感器又称为敏感元件、检测器、转换器等。这些不同提法, 反映了在不同的技术领域中, 只是根据器件用途对同一类型的器件使用着不同的技术术语而已。如在电子技术领域, 常把能感受信号的电子元件称为敏感元件, 如热敏元件、磁敏元件、光敏元件及气敏元件等, 在超声波技术中则强调的是能量的转换, 如压电式换能器。这些提法在含义上有些狭窄, 而传感器一词是使用最为广泛而概括的用语。
传感器的输出信号通常是电量, 它便于传输、转换、处理、显示等。电量有很多形式, 如电压、电流、电容、电阻等, 输出信号
的形式由传感器的原理确定。
通常传感器由敏感元件和转换元件组成。其中, 敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分; 转换元件是指传感器中将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。由于传感器的输出信号一般都很微弱, 因此需要有信号调理与转换电路对其进行放大、运算调制等。
随着半导体器件与集成技术在传感器中的应用, 传感器的信号调理与转换电路可能安装在传感器的壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上。
此外, 信号调理转换电路以及传感器工作必须有辅助的电源, 因此, 信号调理转换电路以及所需的电源都应作为传感器组成的一部分。传感器组成框图如图 1 - 1 所示。
图 1-1 传感器组成框图
传感器技术是一门知识密集型技术, 它与许多学科有关。传感器的原理各种各样，其种类十分繁多, 分类方法也很多, 但目前一般采用两种分类方法: 一是按被测参数分类, 如温度压力、位移、速度等; 二是按传感器的工作原理分类, 如应变式、电容式、压电式、磁电式等。
本书是按后一种分类方法来介绍各种传感器的, 而传感器的工程应用则是根据工程参数进行叙述的。对于初学者和应用传感器的工程技术人来说, 应先从工作原理出发, 了解各种各样传感器,而对工程上的被测参数应着重于如何合理选择和使用传感器。
1.2、传感器的基本特性
在生产过程和科学实验中, 要对各种各样的参数进行检测和控制, 就要求传感器能感受被测非电量的变化并将其不失真地变换成相应的电量, 这取决于传感器的基本特性, 即输出—输入特性。
如果把传感器看作二端口网络, 即有两个输入端和两个输出端, 那么传感器的输出-输入特性是与其内部结构参数有关的外部特性。
传感器的基本特性可用静态特性和动态特性来描述。
一、传感器的静态特性
传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入
关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、灵敏度, 迟滞和重复性等。
1. 线性度
传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。从传感器的性能看, 希望具有线性关系, 即具有理想的输出输入关系。但实际遇到的传感器大多为非线性,如果不考虑迟滞和蠕变等因素, 传感器的输出与输入关系可用一个多项式表示：
y=a0+a1x+a2x2+…+anxn
式中: a0——输入量x为零时的输出量;
a1, a2, …, an——非线性项系数。
各项系数不同, 决定了特性曲线的具体形式各不相同。
静态特性曲线可通过实际测试获得。在实际使用中, 为了标定和数据处理的方便, 希望得到线性关系, 因此引入各种非线性补偿环节。如采用非线性补偿电路或计算机软件进行线性化处理, 从而使传感器的输出与输入关系为线性或接近线性。
但如果传感器非线性的方次不高,输入量变化范围较小时, 可用一条直线（切线或割线）近似地代表实际曲线的一段, 如图 1 - 2 所示, 使传感器输出—输入特性线性化。所采用的直线称为拟合直线。
.
图 1 - 2 几种直线拟合方法
(a) 理论拟合； (b) 过零旋转拟合； (c) 端点连线拟合； (d) 端点平移拟合
理论拟合:拟合直线为传感器的理论特性,与测试值无关.
过零旋转拟合:常用于校正曲线过零的传感器.
端点拟合:把校正曲线两端点的连线作为拟合直线.
端点平移拟合:端点拟合的直线进行平移,最大误差减半.
实际特性曲线与拟合直线之间的偏差称为传感器的非线性误差 （或线性度）, 通常用相对误差γL 表示, 即
式中: ΔLmax ——最大非线性绝对误差
; YFS ——满量程输出。
从图 1 - 2 中可见, 即使是同类传感器, 拟合直线不同, 其线性度也是不同的。 选取拟合直线的方法很多, 用最小二乘法求取的拟合直线的拟合精度最高。
2．
灵敏度
灵敏度S 是指传感器的输出量增量Δy 与引起输出量增量Δy 的输入量增量Δx 的比值, 即
S=Δy/Δx
对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, 即S=Δy/Δx 为常数,
而非线性传感器的灵敏度为一变量, 用S=dy/dx 表示。传感器的灵敏度如图1 - 3 所示。
图1-3 3. 迟滞
%100max ??±=FS L Y L
r
传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞,
如图1 - 4 所示。 也就是说, 对于同一大小的输入信号, 传感器的正反行程输出信号大小不相等。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的, 例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦、传动机构的间隙、紧固件松动等。
迟滞大小通常由实验确定。迟滞误差γH 可由下式计算:
式中: ΔHmax ——正反行程输出值间的最大差值。
图1-4 4. 重复性
重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度。 重复性误差属于随机误差, 可用正反行程中的最大偏差表示(或标准偏差表示), 即
5.分辨率与阈值
分辨率是指传感器能检测到的最小的输入增量.有些传感器，如电位器式传感器，当输入量连续变化时，输出量只做阶梯变化，则分辨率就是输出量的每’一个“阶梯”所代表的输入量的大小。分辨率%10021max ??H ±=H FS Y r %100max ??±=FS
R Y R r %10021max ??±=FS R Y R r
可用绝对值表示，也可用与满量程的百分比表示在传感器输入零点附近的分辨率称为阈值。
6.稳定性
稳定性是指传感器在长时间工作情况下输出量发生的变化。有时称为长时间工作稳定性或零点漂移。前后两次输出之差即为稳定性误差。稳定性误差可用相对误差表示，也可以用绝对误差来表示。
二、传感器的动态特性
传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时, 则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。
一个动态特性好的传感器, 其输出将再现输入量的变化规律, 即具有相同的时间函数。实际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异
就是所谓的动态误差。
为了说明传感器的动态特性, 下面简要介绍动态测温的问题。在被测温度随时间变化或传感器突然插入被测介质中以及传感器以扫描方式测量某温度场的温度分布等情况下, 都存在动态测温问题。
如把一支热电偶从温度为t0℃环境中迅速插入一个温度为t℃的恒温水槽中（插入时间忽略不计）, 这时热电偶测量的介质温度从t0℃突然上升到t, 而热电偶反映出来的温度从t0℃变化到t ℃需要经历一段时间, 即有一段过渡过程, 如图 1 - 6 所示。热电偶反映出来的温度与介质温度的差值就称为动态误差。
图1-6
造成热电偶输出波形失真和产生动态误差的原因, 是因为温度传感器有热惯性（由传感器的比热容和质量大小决定）和传热热阻, 使得在动态测温时传感器输出总是滞后于被测介质的温度变化。如带有套管的热电偶的热惯性要比裸热电偶大得多。这种热惯性是热电偶固有的, 这种热惯性决定了热电偶测量快速温度变化时会产生动态误差。
影响动态特性的“固有因素”任何传感器都有, 只不过它们的
表现形式和作用程度不同已。
第二章光电传感器的发展状况及趋势
2.1、光电传感器的发展
1873年W.史密斯和Ch.梅伊发现硒的光电导效应。1887年H.R.赫兹发现外光电效应。基于外光电效应的光电管和光电倍增管属真空电子管或离子管器件，曾在50～60年代广泛应用，直到目前仍在某些场合继续使用。虽然早在1919年T.W.凯斯就已取得硫化铊光导探测器的专利权，但半导体光敏元件却是在60年代以后随着半导体技术的发展而开始迅速发展的。在此期间各种光电材料都得到了全面的研究和广泛的应用。
它们的结构有单晶和多晶薄膜的，也有非晶的，它们的成分有元素半导体的和化合物半导体的，也有多元混晶的。其中最重要的两种是硅和碲镉汞。硅的原料丰富,工艺成熟,是制造从近红外到紫外波段光电器件的优良材料。碲镉汞是碲化汞和碲化镉的混晶，是优良的红外光敏材料。通过对光电效应和器件原理的研究已发展了多种光电器件（如光敏电阻、光电二极管、光电三极管、场效应光电管、雪崩光电二极管、电荷耦合器件等），适用于不同的场合。光电传感器的制造工艺也随薄膜工艺、平面工艺和大规模集成电路技术的发展而达到很高的水平，并使产品的成本大为降低。被称为新一代摄像器件的聚焦平面集成光敏阵列正在取代传统的扫描摄像系统。
光电传感器的最新发展方向是采用有机化学汽相沉积、分子束外延、单分子膜生长等新技术和异质结等新工艺。光电传感器的应用领域已扩大到纺织、造纸、印刷、医疗、环境保护等领域。在红外探测、辐射测量、光纤通信，自动控制等传统应用领域的研究也有新发展。例如，硅光电二极管自校准技术的提出为光辐射的绝对测量提供了一种很有前途的新方。
传感技术的发展经历了三个阶段,即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器，其测量技术、方法和特点的发展历程见表1。
表1 传感器的发展阶段
1、结构型传感器以其结构部分变化或结构部分变化后而引起某种场的变化来反映被测量的大小及变化。
2、物性型传感器利用构成传感器的某些材料本身的物理特性在被测量的作用下发生变化,从而将被测量转换为电信号或其他信号输出。
3、智能型传感器把传感器与微处理器有机地结合成一个高度集成化的新型传感器。它与结构型、物性型传感器相比,能瞬时获取大量信息,对所获得的信息还具有信号处理的功能,使信息的质量大大提高,其功能也扩展了。以网络化智能传感器为例,它以嵌入式微处理器为核心,集成了传感单元、信号处理单元和网络接口单元,使传感器由单一功能、单一检测向多功能和多点检测发展;从被动检测向主动进行信息处理方向发展;从孤立元件向系统化、网络化发展;从就地测量向远距离实时在线测控发展,已成为传感器技术发展的主要方向之一。而光电传感器作为新型传感器更是得到了广阔应用。
2.2、光电传感器的发展趋势
光电传感器及其相关技术的迅速发展，满足了各类控制装置及系统的更高要求，使得各领域的自动化程度越来越高，同时光电传感器重要性不断提高。目前，光电传感器发展的主要方向是：（1）多用途,一种光电传感器不仅能这对一种物理量，而且能够对多种物理量进行同时测量；（2）新型传感材料、传感技术等的开发；（3）在恶劣条件下，如高温、高压条件，低成本传感器的开发和应用；（4）光电传感器与其他微光学技术的发展。
随着测控系统自动化、智能化的发展，要求传感器准确度高、可靠性高、稳定性好。而且具备一定得数据处理能力，并能够自检、自校、自补偿。传统的光电传感器已不能满足这样的要求了。目前各国科学家正在按下列技术途径开发研究。
新材料的开发主要有一下几个方面：
一、光电子基础材料、生长源和关键设备
目标：突破新型生长源关键制备技术，掌握相关的检测技术：突破半导体光电子器件的基础材料制备技术，实现产业化。研究内容及主要指标：高纯四氯化硅(4N)的纯化技术和规模化生产技术；高纯(6N)三甲基铟规模化生产技术；可协变(Compliant)对底关键技术；衬底材料制备与加工技术；用于平板显示的光电子基础材料与关键设备技术。
二、人工晶体和全固态激光器技术
目标：研究探索新型人工晶体材料与应用技术，突破人工晶体的产业化关键技术，研制大功率全固态激光器，解决产业化关键技术问题。研究内容及主要指标：新型深紫外非线性光学晶体材料和全固态激光器；面向光子／声子应用的人工微结构晶体材料与器件；研究开发瓦级红、蓝全固态激光器产业化技术，高损伤闽值光学镀膜关键技术(B类)，基于全固态激光器的全色显示技术；研究开发大功率半导体激光器阵列光纤耦合模块产业化技术；Yb系列激光晶体技术。
三、新型半导体材料与光电子器件技术
目标：重点研究白组装半导体量子点、ZnO 晶体和低维量子结构、窄禁带氮化物等新型半导体材料及光电子器件技术。研究内容及主要指标：研究ZnO 晶体、低维量子结构材料技术，研制短波长光电子器件；自组装量子点激光器技术；／II—V族窄禁带氮化物材抖及器件技术；光泵浦外腔式面发射半导体激光器。
四、光电子材料与器件产业化质量控制技术
目标：发展人工晶体与全固态激光器、GaN基材料及器件表征评价技术，解决产：业化质量控制关键技术。研究内容：重点研究人工晶体与同态激光器、GaN基材料及器件质量监测新方法与新技术，相关产．测试条件与数据标准化研究。
五、超高亮度全色显示材料与器件应用技术
目标：研究开发用j 场致电子发射平板显示器(FED)材料和器件结构，以及超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术。说明：等离子体平板示器和高亮度、长寿命有机发光器件(OLED)和FED 的产、化关键技术将于“平板显示专项”中考虑。研究内容：①超高亮度冷阴极发光管制作和应用的关键技术；②研制FED用的、能够在低电压下工作的新型冷阴极电子源结构、新型冷阴极电子发射材料。
六、超高密度光存储材料与器件技术
目标：发展具有自主知识产权的超高密度、大容量、高速度光存储材料和技术，达到国际先进水平，为发展超高密度光存储产业打下基础。研究内容：① DVD光头用光源和非球面透镜等产业化关键技术：②新型近场光存储材料和器件。
七、光传感材料与器件技术
目标：以特殊环境应用为目的，实现传感元器件的产业化技术开发，研究开发新型光电传感器。研究内容：①光纤光栅温度、压力、振动传感器的产业化技术；②锑化物半导体材料及室温无制冷红外焦平面探测器技术；③大气监测用高灵敏红外探测器及其列阵；④基于新概念、新原理的光电探测技术。
八、新型有机光电子材料及器件
目标：研究开发新型有机半导体材料及其在光显示等领域的应用。研究内容：①有机非线性光学材料及其在全光光开关中的应用：②有机半导体薄膜晶体管材料与器件技术。
九、利用新的测量原理和方法
谐振式传感器输出的数字量，可以直接和微机及接口总线连接，不用A／D 转换器。另外，光纤传感器、化学传感器、生物传感器等新型传感器，为智能传感器提供了新的信息来源。
光电传感器的智能化发展
智能光电传感器是当今国际科技界研究的热点、尚无统一的、确切的定义。目前国内外学者普遍认为，智能光电传感器是由传统的光电传感器和微处理器(或微计算机)相结合而构成的，它充分利用计算机的计算和存储能力，对传感器的数据进行处理，并能对它的内部行为进行调节，使采集的数据最佳智能光电传感器的功能有：自补偿能力。自校准功能，自诊断功能，数值处理功能，双向通信功能，信息存储和记忆功能，数字量输出功能随着科学技术的发展，智能传感器的功能将逐步增强，它将利用人工神经网、人工智能、信息处理技术(如传感器信息融合技术、模糊理论等)，使传感器具有更高级的智能．具有分析、判断、自适应、自学习的功能、可以完成图像识别、特征检测、多维检测等复杂任务。
时代在发展，科学技术在更新，光电传感器种类也日益增多，性能不断提高和改善。光电传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样的优点，具有其他传感器所不能取代优越性。光电传感器的研究及产品的开发应用在国内外相关领域内受到了极大关注和重视。随着现在社会的发展与进步，光电传感器作为重要的一项自动检测技术，光电传感器必定有着越来越广阔的发展前景，应用也会越来越广泛。
第三章 基于光电传感器的实际应用
传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段传感器早已渗透到诸如生活、工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源调查、医学诊断、生物工程、
甚至文物保护等等极其之泛的领域。
3.1、 光电传感器在生活中的应用
一、 条形码扫描笔
当扫描笔头在条形码上移动时，若遇到黑色线条，发光二极管的光线将被黑线吸收，光敏三极管接收不到反射光，呈高阻抗，处于截止状态。当遇到白色间隔时，发光二极管所发出的光线，被反射到光敏三极管的基极，光敏三极管产生光电流而导通。
整个条形码被扫描过之后，光敏三极管将条形码变形一个个电脉冲信号，该信号经放大、整形后便形成脉冲列，再经计算机处理，完成对条形码信息的识别。
二、产品计数器
产品在传送带上运行时，不断地遮挡光源到光敏器件间的光路，使光电脉冲电路随产品的有无产生一个个电脉冲信号。产品每遮光一次，光电脉冲电路便产生一个脉冲信号，因此，输出的脉冲数即代表产品的数目。该脉冲经计数电路计数并由显示电路显示出来。
三、光电式烟雾报警器
没有烟雾时，发光二极管发出的光线直线传播，光电三极管没有接收信号，没有输出；有烟雾时，发光二极管发出的光线被烟雾颗粒折射，使三极管接受到光线，有信号输出，发出报警。
四、 防盗报警电路
将光电断路器安装于抽屉的背后，并设一电源开关置于隐蔽的地方，当需要防盗时，将开关合上。平时由于挡板插入槽口，光电三极仅有暗电流，BG 不导通，继电器J 不吸合。当小偷撬开抽屉时，一拉开抽屉则挡板离开槽口，光电三极管的光电流使R2上产生接近电源的电压，BG 导通，继电器吸合，发出报警信号。
五、 公共汽车关门安全指示器
当车门关好时，挡板插入光电断路器槽口，光电三极管无工作电流，其输出为高电平；当三个车门全关好时，则相应地输出三个高电平信号。则与门的输出为高电平 ，绿灯亮。若其中有一个车门没关好（或没关严），则与门输出为低电平，使红灯亮。
毕业论文声明 本人郑重声明： 1．此毕业论文是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除了特别加以标注地方外，本文不包含他人或其它机构已经发表或撰写过的研究成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中作了明确标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 2．本人完全了解学校、学院有关保留、使用学位论文的规定，同意学校与学院保留并向国家有关部门或机构送交此论文的复印件和电子版，允许此文被查阅和借阅。本人授权大学学院可以将此文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本文。 3．若在大学学院毕业论文审查小组复审中，发现本文有抄袭，一切后果均由本人承担，与毕业论文指导老师无关。 4.本人所呈交的毕业论文，是在指导老师的指导下独立进行研究所取得的成果。论文中凡引用他人已经发布或未发表的成果、数据、观点等，均已明确注明出处。论文中已经注明引用的内容外，不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究成果做出重要贡献的个人和集体，均已在论文中已明确的方式标明。 学位论文作者（签名）： 年月
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光电传感器的应用与新技术 --浅谈光电池与CCD 摘要：光电传感器是利用光电效应制成的一类传感器的总称，它能将光学量转变为电学量，广泛应用于检测和自动化系统。光电传感器包括光电池和光电阻传感器。本文将以下几个方面：1. 什么是光电池和光电阻传感器；2.光电池和光电阻传感器的比较；3.光电传感器的实际应用；4.光电传感器在未来的发展方向，详细地介绍光电传感器，并提出本人对光电传感器在未来的预测。 一光电池和光电阻 在介绍光电传感器之前，我们有必要先了解一下光电效应。光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的电特性发生变化的一种物理现象，可分为光电子发射、光电导效应和光生伏特效应三种。前一种现象发生在物体表面，又称外光电效应[1]。它是指，在光线作用下物体内的电子逸出物体表面向外发射的物理现象。后两种现象发生在物体内部，称为内光电效应。光电导效应是指当入射光射到半导体表面时，半导体吸收入射光子产生电子空穴对，使其自生电导增大。光生伏特效应是指当一定波长的光照射非均匀半导体（如PN结），在自建场的作用下，半导体内部产生光电压的效应[2]。光电传感器都是利用光电效应制成的。 1.光电池 光电池是一种能在光的照射下，不加偏置，产生电动势半导体器件，也属于电能量型传感器。光电池的种类很多，有硒，氧化亚铜，硫化铊，硫化镉，锗，硅，砷化镓光电池等。其中最受重视的是硅光电池，因为它有一系列优点：性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，传递效率高（接近理论极限17%），能耐高温辐射等[3]。 1.1光电池的工作原理 光电池的工作原理是光生伏特效应。当光子的能量hγ大于半导体材料的禁带宽度时，半导体材料吸收光而产生电子空穴对，这样在半导体材料内部形成载流子的浓度梯度，进而在受照表面和暗面产生一个开路的光电压。 1.2光电池的特性 光电池的特性主要有光谱特性，光照特性等。
第10章光电式传感器 一、单项选择题 1、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 2、下列光电器件是根据外光电效应做出的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 3、当光电管的阳极和阴极之间所加电压一定时，光通量与光电流之间的关系称为光电管的（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 4、下列光电器件是基于光导效应的是（）。 A. 光电管 B. 光电池 C. 光敏电阻 D. 光敏二极管 5、光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为（）。 A. 伏安特性 B. 光照特性 C. 光谱特性 D. 频率特性 6、下列关于光敏二极管和光敏三极管的对比不正确的是（）。 A. 光敏二极管的光电流很小，光敏三极管的光电流则较大 B. 光敏二极管与光敏三极管的暗点流相差不大 C. 工作频率较高时，应选用光敏二极管；工作频率较低时，应选用光敏三极管 D. 光敏二极管的线性特性较差，而光敏三极管有很好的线性特性 7、下列光电式传感器中属于有源光敏传感器的是（）。 A. 光电效应传感器 B. 红外热释电探测器 C. 固体图像传感器 D. 光纤传感器 8、光敏电阻的特性是（） A．有光照时亮电阻很大 B．无光照时暗电阻很小 C．无光照时暗电流很大 D．受一定波长范围的光照时亮电流很大 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（） A．光电管 B.光敏电阻 C．光电池 D.光电倍增管 10、CCD以（）为信号 A. 电压 B.电流
C．电荷 D.电压或者电流 11、构成CCD的基本单元是（） A. P型硅 B.PN结 C. 光电二极管 D.MOS电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变的原理，可以做成（）传感器，用于探测位移、压力、温度等变化。 A.位移 B.压力 C.温度 D.光电 13、光纤传感器一般由三部分组成，除光纤之外，还必须有光源和( )两个重要部件。 A.反射镜 B.透镜 C.光栅 D.光探测器 14、按照调制方式分类，光调制可以分为强度调制、相位调制、频率调制、波长调制以及( )等，所有这些调制过程都可以归结为将一个携带信息的信号叠加到载波光波上。 A.偏振调制 B.共振调制 C.角度调制 D.振幅调制 15、利用外界因素对于光纤中光波相位的变化来探测各种物理量的传感器，称为( )。 A.相位调制型传感器 B.相位结合型传感器 C.相位振动型传感器 D.相位干涉型传感器 16、半导体激光发光是由( )之间的电子-空穴对复合产生的，激励过程是使半导体中的载流子从平衡状态激发到非平衡状态的激发态。 A.原子 B.分子 C.离子 D.能带 17、固体激光器是以固体为工作物质的激光器，也就是以掺杂的离子型( )和玻璃作为工作物质的激光器。 A.石英晶体 B.高纯硅 C.绝缘晶体 D.压电晶体 18、利用光纤本身的某种敏感特性或功能制作的传感器称为( )。 A.敏感型传感器 B.功能型传感器 C.传光型传感器 D.功敏型传感器 19、光纤仅起传输光波的作用，必须在光纤中间或端面加装其他敏感元件才能构成传感器，称为( )。 A.光容型传感器 B.光感型传感器 C.传光型传感器 D.光敏型传感器 20、光纤振动传感器与其他光纤传感器一样，从原理上讲也可以分为两种类型，实际上，直接以( )作为振动信息的敏感元件,难以分离其他物理量变化产生的影响。 A.光纤 B.电压 C.电流 D.电阻 21、光纤是用( )作为主要原料的一种透明度很高的介质材料，广泛用于通信和传感器。 A.光刻玻璃 B.石英玻璃 C.光刻硅 D.钛铝合金 22、数值孔径NA是光纤的一个重要参数，以下说法不正确的是（） A．数值孔径反映了光纤的集光能力 B．光纤的数值孔径与其几何尺寸有关
光电传感器的应用与研究 学院名称：邵阳学院专业名称：自动化年级班别： 13 姓名：史利东指导教师：罗卲屏 2015年5 月 摘要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 关键词：PSD,效应，原理，光电传感器 目录 摘要 (1) 一、绪论 (3) 1.1光电传感器概述 (3) 1.2光电传感器发展 (4) 二、光电传感器的基本原理 (7) 2.1光电效应 (7) 2.2光电原件及特性 (8) 2.3光电传感器 (11) 三、新型的光电传感器 (15) 3.1 CCD传感器 (15) 3.2光纤传感器 (16) 3.3光电位传置感器 (6) 四、其他的光电传感器 (20) 4.1 高速光电二极管 (20) 4.3 光位置传感器 (22)
五、光电传感器的应用 (23) 5.1光电传感器的优点 (23) 5.2光电传感器的具体应用举例 (23) 六、我对光电传感器的看法 (26) 七、结论 (28) 一、绪论 1.1光电传感器概述 （1）定义 光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。（2）光电传感器的分类 光电元件有光敏电阻、光电二极管、光电三极管、发光二极管（LED）、光电倍增管、光电池、光电耦合器件等。由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的，按光电元件（光学测控系统）输出量性质，光电式传感器可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲（开关）式光电传感器；模拟式光电传感器按被测量（检测目标物体）方法又可分为透射（吸收）式、漫反射式、遮光式（光束阻挡）三大类。 1．槽开光电开关把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。2．对射式光电开光若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为以射分离式光电开光，简称对射式光电开关。 3．反光板反射式光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式（或反射镜反射式）光电开关。 4．扩散反射式光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是收不到的；当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关控制信号。 光纤式光电开关把发光器发出的光用光纤引导到检测点，再把检测到的光信号用光纤引导到光接收器就组成光纤式光电开关。按动作方式的不同，光纤式光电开关也可分成对射式、反光板反射式、扩散反射式等多种类型。 （3）光电传感器的作用
光电传感器在生活中的应用 ——CCD图像传感器 摘要： 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 关键字：光电传感器；CCD图像传感器 正文 一、CCD的工作方式 ?CCD和传统底片相比，CCD 更接近于人眼对视觉的工作方式。只不过，人眼 的视网膜是由负责光强度感应的杆细胞和色彩感应的锥细胞，分工合作组成视觉感应。 CCD经过长达35年的发展，大致的形状和运作方式都已经定型。 CCD 的组成主要是由一个类似马赛克的网格、聚光镜片以及垫于最底下的电子线路矩阵所组成。 ?CCD(Charge Coupled Devices，CCD)由大量独立光敏元件组成，每个光敏元 件也叫—个像素。这些光敏元件通常是按矩阵排列的，光线透过镜头照射到光电二极管上，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，图像光信号转换为电信号。当CCD工作时，CCD将各个像素的信息经过模傲转换器处理后变成数字信号，数字信号以一一定格式压缩后存入缓存内，然后图像数据根据不间的需要以数字信号和视频信号的方式输出。
光 电 传 感 器 的 应 用 刘翠莉 2010016030 10级智能检测班级
光电传感器 摘要：在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 关键字：光电效应，光电元件，光电特性，传感器分类，传感器应用 正文： 一、理论基础——光电效应 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。在能量守恒定律的式子中：m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。由式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长方程式中，c为光速，A为逸出功。 当受到光照射时，吸收电子能量，其电阻率降低的导电现象称为光导效应。
光电式传感器原理及其应用 姓名 (测仪111班，刘俊杰，5801211048) Principle and application of photoelectric sensor 英文姓名 (measurement of class 111, Junjie Liu, 5801211048) 摘要：光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测光量变化或直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电式传感器具有响应快、精度高、能实现非接触测量等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制领域应用非常广泛。 关键词：光电式传感器；检测光量变化；电信号；检测与控制。 Abstract:photoelectric sensor is photoelectric device as a sensor element. It can be used for non electric quantity detection light intensity or directly caused by light intensity, and can also be used for detection can be converted into other non electrical quantity change. It divides the changes measured into optical signal changes, then with the help of optoelectronic devices to convert optical signals into electrical signals. Photoelectric sensor has the advantages of fast response, high precision, can realize the non-contact measurement etc., and measurable parameters, the sensor has the advantages of simple structure, flexible and diverse forms, therefore, application of photoelectric sensors in the detection and control field is very wide. Key words:photoelectric sensor; detection of light intensity; signal; detection and control. 1 前言 传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成电信号输出的。例如传声器就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。 光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器有明显的优越性。 2 光电式传感器工作原理 2.1 光电效应 光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的导电特性发生变化的一种物理现象，可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应（光生伏特效应包含于内光电效应，在此为特意列出）三类。 外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。光子是以量子化“粒子”的形式对可见光波段内电磁波的描述。光子具有能量hν，h为普朗克常数，ν为光频。光子通量则相应于光强。外光电效应由爱因斯坦光电效应方程描述： EK=hν-W 当光子能量等于或大于逸出功时才能产生外光电效应。因此每一种物体都有一个对应于光电效应的光频阈值，称为红限频率。对于红限频率以上的入射光，外生光电流与光强成正比。 内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应，分为光电导效应和光生伏特效应两类。光电导效应是指，半导体材料在光照下禁带
题目：光电传感器 院系：计算机科学与技术学院专业：物联网工程 学号： 姓名： 时间：2014.5.14
光电传感器 在科学技术高速发展的现代社会中，人类已经入瞬息万变的信息时代，人们在日常生活，生产过程中，主要依靠检测技术对信息经获取、筛选和传输，来实现制动控制，自动调节，目前我国已将检测技术列入优先发展的科学技术之一。 由于微电子技术，光电半导体技术，光导纤维技术以及光栅技术的发展，使得光电传感器的应用与日俱增。这种传感器具有结构简单、非接触、高可靠性、高精度、可测参数多、反应快以及结构简单,形式灵活多样等优点，在自动检测技术中得到了广泛应用，它一种是以光电效应为理论基础，由光电材料构成的器件。 一、理论基础——光电效应 光电效应一般有外光电效应、光导效应、光生伏特效应。 光照在照在光电材料上，材料表面的电子吸收的能量，若电子吸收的能量足够大是，电子会克服束缚脱离材料表面而进入外界空间，从而改变光电子材料的导电性，这种现象成为外光电效应 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v 为光波频率，h 为普朗克常数，h ＝6.63*10-34 J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。根据能量守恒定律： 式中，m 为电子质量,v 为电子逸出的初速度,A 微电子所做的功。 由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是h>A 。由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限称为“红限”。相应的波长λx 式中，c 为光速，A 为逸出功。 二、光电元件及特性 根据外光电元件制造的光电元件有光电子，充气光电管和光电倍曾管。 1.光电管 光电管的种类繁多，典型的产品有真空光电管和充气光电管，光它的外形和结构如图1所示，半圆筒形金属片制成的阴极K 和位于阴极轴心的金属丝制成的阳极A 封装在抽成真空的玻壳内，当入射光照射在阴极上时，单个光子就把它的全部能量传递给阴极材料中的一个自由电子，从而使自由电子的能量增加h 。当电子获得的能量大于阴极材料的逸出功A 时，它就可以克服金属表面束缚而逸出，形成电子发射。这种电子称为光电子， 光电子逸出金属表面后的初始动能为2)21(mv 光电管正常工作时，阳极电位高于阴极，如图2所示。在人射光频率大于“红限”的前提下，从阴极表面逸出的光电子被具有正电位的阳极所吸引，在光电管内形成空间电子流，称为光电流。此时若光强增大，轰击阴极的光子数增多，单位时间内发射的光电子数也就增多，光电流变大。在图2所示的电路中，电流和电阻只上的电压降就和光强成函数关系，从而实现光电转换。当光线照射到光电阴极K 上时，电子从阴极表面逸出，并被光电阳极的正电厂吸收，外电路产生电流I ，在负载电阻 L R 上的电压0U A hc K =λA -h m 2 12νν=
光电式传感器在汽车上的应用及发展趋势 摘要:传感器是新技术革命和信息社会的重要技术基础,传感器技术是实现测 试与自动控制的重要环节, 而测试技术与自动控制水平的高低, 是衡量一个国家科学技术现代化程度的重要标志。本文介绍了光电传感器的原理, 列举了光电传感器在汽车一些方面的应用。 关键词:光电传感器;汽车传感器;应用;发展趋势 The Adhibition and Development Tendency of Photo-sensor of the Motor Vehicle Abstract:Sensor is the important technological foundation of the new technology revolution and the information society.The sensor techniques is a important part to realize the test and automatic control.The level of the testing technology ang automatic control is th e important symbol to measure the modernization of a country’ s science and technology.This paper introduces the principle of photo-sensor and enumerates some photo-sensors applied on the motor vehicles. Keywords:photo-sensor;automotive sensors;adhibition;development tendency 0 引言 随着汽车电子技术的迅速发展及电控单元运用的普及, 新型汽车为了提高动力性、经济性、安全性、舒适性以及减少排气污染,已广泛应用电子控制技术。从发动机的燃油喷射系统、点火装置、进气装置、废气排放、故障自诊断到底盘的传动系统、行驶系统、转向制动系统以及车身和辅助设备等普遍采用了电子控制技术。在汽车电子控制系统中, 传感器担负着采集和传输功能, 它是电子控制中非常重要的部件,其技术性能的好坏,直接影响汽车电子控制系统的工作情况。汽车传感器主要有温度传感器、压力传感器、空气流量传感器、位置与角度传感器、气体浓度传感器、速度与加速度传感器、爆燃与碰撞传感器等几十种。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器, 通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的
光感式传感器原理及其 应用 HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】
机电工程系 传感器与检测技术学习报告 专业班级：生产过程自动化14-2 姓名：张鹏宇 学号： 项目名称：光感式传感器的应用与发展 指导教师：刘辉 评定成绩： 2015年12月15日 摘要：光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测光量变化或 直接引起光量变化的非电量，也可用于检测能转换成光量变化的其他非电量。它首先 把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信 号。光电式传感器具有响应快、精度高、能实现非接触测量等优点，而且可测参数 多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制领域应用 非常广泛。 关键词：光电式传感器；检测光量变化；电信号；检测与控制。 1 前言 传感器是将感受的物理量、化学量等信息，按一定规律转换成便于测量和传输的 信号的装置。电信号易于传输和处理，所以大多数的传感器是将物理量等信息转换成 电信号输出的。例如传声器就是一种传感器，它感受声音的强弱，并转换成相应的电 信号。又如电感式位移传感器能感受位移量的变化，并把它转换成相应的电信号。 光电测量时不与被测对象直接接触，光束的质量又近似为零，在测量中不存在摩 擦和对被测对象几乎不施加压力。因此在许多应用场合，光电式传感器比其他传感器 有明显的优越性。 2 光电式传感器工作原理 光电效应 光电效应是光照射到某些物质上，使该物质的导电特性发生变化的一种物理现 象，可分为外光电效应、内光电效应和光生伏特效应（光生伏特效应包含于内光电效 应，在此为特意列出）三类。
光电传感器的发展及其应用 摘要：光电式传感器（photoelectric transducer），基于光电效应的传感器，在受到可见光照射后即产生光电效，将光信号转换成电信号输出。它除能测量光强之外，还能利用光线的透射、遮挡、反射、干涉等测量多种物理量，如尺寸、位移、速度、温度等，因而是一种应用极广泛的重要敏感器件。 关键词：光电传感器、光电效应、发展、应用实例 1 引言 光电传感器由于反应速度快，能实现非接触测量，而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半导体光敏器件具有体积小、重量轻、功耗低、便于集成等优点，因而广泛应用于军事、宇航、通信、检测与工业自动化控制等多种领域中。当前，世界上光电传感领域的发展可分为两大方向：原理性研究与应用开发。随着光电技术的日趋成熟，对光电传感器实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键。 2 光电传感器原理及应用 2.1光电式传感器 光电传感器又称光传感器，其基本原理是以光电效应为基础，通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的，它的基本结构如图1，它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源，光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高,反应快，非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛[1]。 图 1
光电传感器的电源要是一个恒光源，电源稳定性的设计至关重要，电源的稳定性直接影响到测量的准确性，常用光源有以下几种： ⑴、发光二极管是一种把电能转变成光能的半导体器件。它具有体积小、功耗低、寿命长、响应快、机械强度高等优点，并能和集成电路相匹配。因此，广泛地用于计算机、仪器仪表和自动控制设备中。 ⑵、丝灯泡这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光滤除，而仅用它的红外线做光源，这样，可有效防止其他光线的干扰。 ⑶、激光激光与普通光线相比具有能量高度集中，方向性好，频率单纯、相干性好等优点，是很理想的光源。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。下面介绍几种半导体光电元件常用的测量电路。 半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以在一般情况下，无需配备放大器。在要求较大的输出功率时，可用图2所示的电路。图3（a）给出带有温度补偿的光敏二极管桥式测量电路。当入射光强度缓慢变化时，光敏二极管的反向电阻也是缓慢变化的，温度的变化将造成电桥输出电压的漂移，必须进行补偿。图中一个光敏二极管做为检测元件，另一个装在暗盒里，置于相邻桥臂中，温度的变化对两只光敏二极管的影响相同，因此，可消除桥路输出随温度的漂移。光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到较大的输出功率时，也可以配以放大电路，如图3所示。 图2 图3 由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压也仅0.6V，还不能使下一
第八章光电式传感器 §8-1 真空光电器件 作业题 1.光电管由一个和一个封装在一个内组成。它 的技术特性主要取决于。（阴极；阳极；光电阴极材料） 2.光电管的光谱特性主要取决于的特性，光电管对入射光的 具有选择性，这是因为对入射光的有选择性。（光 电阴极材料；频谱；光电阴极；频谱） 3.光电管的伏安特性是指，与的关系。当阳极 电压较小时，光电流随而增加。到电压以后，光电流，这是因为单位时间内发射的光电子全部被阳极收集了。（一定光适量照 射下；阴极电压；光电流；阳极电压增加；饱和；饱和；发射的光电子） 4.光倍增管的结构与基本一样，也是在壳内，安装 和，只是在之间再安装几个。（光电管；玻璃； 阳极；阴极；阳极与阴极；倍增级） 5.光电倍增管倍增系数大约为数量级，故光电倍增管的 极高。随着的升高，倍增系数也增加。（106；灵敏度；工作电 压） 6.当入射光不变时，被照物体在单位时间内与 成正比。（频谱；发射的光电子数；入射光强度） §8-2 光敏元件 作业题 1.物体受到光照以后，物体内部的原子释放出电子，这些电子仍留在物体 内部，使物体的或产生的现象称为。（电阻率 发生变化；光电动势；内光电效应） 2.在光线的作用下，半导体的的现象称光电导效应。（电导率增加）
3.光照射使半导体原子中的吸收光子能量激发出的现象，称本 征光导效应；光照射使半导体杂质吸收光子能量激发出的现象，称非本征光导效应，它的激发比本征光导效应。（价电子； 自由电子同时产生空穴；自由电子；容易） 4.某种半导体能否产生光电效应，决定于照射光的，而光的强 度只取决于产生的。（频率；光子数目的多少） 5.光敏电阻是用制成的，极性，是个电阻。使用时可 以加电压，亦可加电压。不同下电阻值不同，对不同的入射光有的灵敏度。（光导体；没有；纯；直流； 交流；材料；波长；不同） 6.将光敏电阻置于室温、条件下，经过一定稳定时间后，测得的 阻值称暗电阻；在条件下，测得的阻值称为。（无光照全暗；光照；亮电阻） 7.一定电压作用下，与的关系称为光敏电阻的光电特 性。因为它具有性，光敏电阻不宜做测量元件。（光适量；光通量；非线） 8.光敏电阻的频率特性中的频率是指。（光强度变化的频率） §8—3 光电池 作业题 1.光电池是基于直接将转换成的一种有源器 件。（光生伏特效应；光能；电能） 2.硅光电池是在N型硅片上渗入形成一个 PN结附近激发出 光生电子、空穴对时，由PN结将光生电子、空穴对进行漂移，使 PN结两边半导体产生。（P型杂质；大面积；光照射PN结区；阻挡层；电动势） 3.硅光电池的光谱比硒大。它的光照度与短路电流的关系呈，光 照度与开路电压的关系有。使用硅光电池做测量变换元件时，最 好使其工作在。它在温度特性是指与随的特
传感器的应用 高二（11）陈远杰 指导老师： 【关键字】传感器原理应用 【摘要】对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 1传感器及其工作原理 1.1什么是传感器 1.1.1传感器的定义 英文名称：transducer / sensor 国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量件并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 “传感器”在新韦式大词典中定义为： “从一个系统接受功率，通常以另一种形式将功率送到第二个系统中的器件”。 根据这个定义，传感器的作用是将一种能量转换成另一种能量形式，所以不少学者也用“换能器－Transducer”来称谓“传感器－Sensor”。 1.2功能 常将传感器的功能与人类5大感觉器官相比拟： 光敏传感器——视觉 声敏传感器——听觉 气敏传感器——嗅觉 化学传感器——味觉 压敏、温敏、流体传感器——触觉 1.2.1敏感元件的分类： ①物理类，基于力、热、光、电、磁和声等物理效应。 ②化学类，基于化学反应的原理。 ③生物类，基于酶、抗体、和激素等分子识别功能。
通常据其基本感知功能可分为热敏元件、光敏元件、气敏元件、力敏元件、磁敏元件、湿敏元件、声敏元件、放射线敏感元件、色敏元件和味敏元件等十大类（还有人曾将敏感元件分46类）。 1.2.2常见的元件 光敏电阻 光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。 热敏电阻和金属热电阻 除了光照以外，温度也能明显地影响金属导体和半导体材料的导电性能。 金属的电阻率随温度的升高而增大。用金属丝可以制作温度传感器，称为热电阻。常用的一种热电阻是用铂制作的。与金属不同，有些半导体在温度上升时导电能力增强，因此可以用半导体材料制作热敏电阻。有一种热敏电阻是用氧化锰等金属氧化物烧结而成的，它的电阻随温度的变化非常明显。与热敏电阻相比，金属热电阻的化学稳定性好，测温范围大，但灵敏度较差。 霍尔元件 详见人教版高中物理选修3-2 2传感器的应用 传感器输出的电信号相当微弱，难以带动执行机构去控制动作，因此要把这个电信号放大。如果需要远距离传送，可能还要把它转换成其他电信号一抵御外界干扰。 从传感器获得信号后，可以用指针式电表或液晶板等显示测量的数据；也可以用来驱动继电器或其他元件，来执行诸如打开管道的阀门，开通或关闭电动机等动作；还可以由计算机对获得的数据进行处理，发出更复杂的指令。 2.1 常见传感器的应用 2.1.1 力传感器的应用——电子称 我们经常见到的电子称，小的用来称量食物的重量，大的可以称量汽车、火车的重量。它所使用的测力装置是力传感器。常用的一种力传感器是由金属梁
光电传感器的原理、功能特点等应用 光电传感器是将光信号转换为电信号的一种器件。光电传感器一般由处理通路和处理元件两部分组成。其基本原理是以光电效应为基础，把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将非电信号转换成电信号。 其工作原理基于光电效应。光电效应是指光照射在某些物质上时，物质的电子吸收光子的能量而发生了相应的电效应现象。光电效应是指用光照射某一物体，可以看作是一连串带有一定能量为的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，并且是一个光子的全部能量一次性地被一个电子所吸收，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应。光电传感器因为采用光学原理，因此其采集结果更精准、快速。 特点： 光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（可见及紫外镭射光）转变成为电信号的器件。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。它可用于检测直接引起光量变化的非电物理量，如光强、光照度、辐射测温、
气体成分分析等；也可用来检测能转换成光量变化的其他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此应用广泛。 工作原理： 由光通量对光电元件的作用原理不同所制成的光学测控系统是多种多样的,按光电元件(光学测控系统)输出量性质可分二类，即模拟式光电传感器和脉冲(开关)式光电传感器。模拟式光电传感器是将被测量转换 光电式传感器分类： ⑴反光板型光电开关 把发光器和收光器装入同一个装置内，在前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用，称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光源被反光板反射回来再被收光器收到;一旦被检测物挡住光路，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。 ⑵对射型光电传感器，若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大，一个发光器和一个收光器组成对射分离式光电开关，简称对射
传感器原理与应用》及《传感器与测量技术》习题集与部分参考答案 教材：传感器技术（第 3 版）贾伯年主编，及其他参考书 第8 章光电式传感器 8-1 简述光电式传感器的特点和应用场合，用方框图表示光电式传感器的组成。 8-2 何谓外光电效应、光电导效应和光生伏特效应？ 答：外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。 光电导效应：在光线作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，而引起材料电导率的变化的现象。 光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生一定方向的电动势的现象。 8-3 试比较光电池、光敏晶体管、光敏电阻及光电倍增管在使用性能上的差别。答：光电池：光电池是利用光生伏特效应把光直接转变成电能的器件。它有较大面积的PN 结，当光照射在PN 结上时，在结的两端出现电动势。当光照到PN 结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N 区聚积负电荷，P 区聚积正电荷，这样N 区和P 区之间出现电位差。 8-4 通常用哪些主要特性来表征光电器件的性能？它们对正确选用器件有什么作用？ 8-5 怎样根据光照特性和光谱特性来选择光敏元件？试举例说明。 答：不同类型光敏电阻光照特性不同，但光照特性曲线均呈非线性。因此它不宜作定量检测元件，一般在自动控制系统中用作光电开关。 光谱特性与光敏电阻的材料有关，在选用光敏电阻时，应把光敏电阻的材料和光源的种类结合起来考虑，才能获得满意的效果。 8-6 简述CCD 图像传感器的工作原理及应用。 8-7 何谓PSD ？简述其工作原理及应用。 8-8 说明半导体色敏传感器的工作原理及其待深入研究的问题。 8-9 试指出光电转换电路中减小温度、光源亮度及背景光等因素变动引起输出信号漂移应采取的措施。 8-10 简述光电传感器的主要形式及其应用。 答：模拟式（透射式、反射式、遮光式、辐射式）、开关式。 应用：光电式数字转速表、光电式物位传感器、视觉传感器、细丝类物件的在线检测。 8-11 举出你熟悉的光电传感器应用实例，画出原理结构图并简单说明原理。 8-12 试说明图8-33（b）所示光电式数字测速仪的工作原理。（1 ）若采用红外发光器件为光源，虽看不见灯亮，电路却能正常工作，为什么？（ 2 ）当改用小白炽灯作光源后，却不能正常工作，试分析原因。
学习情境（项目）5授课说明 学习领域名称：家电传感器应用授课教师：课程总学时： 72 项目5：节能灯与光电传感器学时数： 16 累计学时： 48 授课时间安排与执行记录 授课班级 智能家电授课地点 授课日期资讯7 10月6日1-4 节 家电产品控制 实训室 计划0.5 10月9日1-4 节 家电产品控制 实训室 决策0.5 家电产品控制 实训室 实施 6 家电产品控制 实训室 检查 1 家电产品控制 实训室 评估 1 家电产品控制 实训室 参考资料PPT、网络资源、节能灯控制电路 教学方法宏观：引导文法微观：见下 教学目标 知识目标： 1.光电式传感器的分类及工作原理 2.光电式传感器特性 3.红外热释电传感器的分类及工作原理 4.红外热释电传感器特性 5.菲尼尔透镜工作原理及作用技能目标： 6.测量电路构成； 7.光敏电阻在节能灯智能控制中的作用 8.红外热释电传感器实际应用中的安装 9.光敏与红外热释电在节能灯控制策略 中的实施 态度目标： 10.培养学生的沟通能力及团队协作精神 11.养成良好的职业道德 12.提高质量、成本、安全、环保意识 重点： 13.红外热释电传感器特性 1.测量电路 2.光敏电阻的选用与电路设计 3.光敏与红外热释电在节能灯控制策略中的实施 难点： 1.各类光电式传感器的工作原理 2.光电式传感器的特性 3.菲尼尔透镜工作原理及作用 资讯：7学时（注：1学时=45 min，下同） 教学提纲主要内容教学资源及工具教学方法参考时间备注 1．目标描述下发设计任务书，描述项目学 习目标 实物展示、PPT 设计任务书 讲授法 演示法 15 min 下发引导文 2．布置任务1）交代项目任务 2）发放相关学习资料 PPT 讲授法 演示法 15 min