第7章光电式传感器

第七章光电式传感器
7.1 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。

7.2 何谓外光电效应光电导效应和光生伏特效应?
7.3 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。

7.4 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?
7.5 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。

7.6 试用射线分析方法，阐明阶跃光纤的导光原理，并解释光纤数值孔径的物理意义。

7.7 举例说明光纤传感器各种调制方式的原理和应用。

7.8 说明光纤激光多普勒测速的原理和系统的组成。

7.9 试计算：基于法拉第旋光效应的石英光纤工频变流电流传感器的光纤匝数N。

已知：光纤线圈半径R=0.3m，电流有效值1000A，由其产生磁场引起光纤偏振光的最大偏转角为30度。

第1章传感器特性习题答案：5.答：静特性是当输入量为常数或变化极慢时，传感器的输入输出特性，其主要指标有线性度、迟滞、重复性、分辨力、稳定性、温度稳定性、各种抗干扰稳定性。

传感器的静特性由静特性曲线反映出来，静特性曲线由实际测绘中获得。

人们根据传感器的静特性来选择合适的传感器。

9．解：10. 解：11．解：带入数据拟合直线灵敏度 0.68,线性度±7% 。

，，，，，，13．解：此题与炉温实验的测试曲线类似:14．解：15．解：所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,所求幅值误差为1.109,相位滞后33042,16．答：dy/dx=1-0.00014x。

微分值在x<7143Pa时为正，x>7143Pa时为负，故不能使用。

17．答：⑴20。

C时，0～100ppm对应得电阻变化为250～350 kΩ。

V0在48.78～67.63mV之间变化。

⑵如果R2=10 MΩ，R3=250 kΩ，20。

C时，V0在0～18.85mV之间变化。

30。

C时V0在46.46mV（0ppm）～64.43mV（100ppm）之间变化。

⑶20。

C时，V0为0～18.85mV，30。

C时V0为0～17.79mV，如果零点不随温度变化，灵敏度约降低4.9%。

但相对（2）得情况来说有很大的改善。

18．答：感应电压=2πfCRSVN,以f=50/60Hz, RS=1kΩ, VN=100代入，并保证单位一致，得：感应电压=2π*60*500*10-12*1000*100[V]=1.8*10-2V第3章应变式传感器概述习题答案9. 答：(1).全桥电路如下图所示(2).圆桶截面积应变片1、2、3、4感受纵向应变；应变片5、6、7、8感受纵向应变；满量程时：（3）10．答：敏感元件与弹性元件温度误差不同产生虚假误差，可采用自补偿和线路补偿。

11．解：12．解：13．解：①是ΔR/R=2（Δl/l）。

因为电阻变化率是ΔR/R=0.001，所以Δl/l（应变）=0.0005=5*10-4。

•第七章光敏传感器•1．光电效应通常分为哪几类？简要叙述之。

与之对应的光电器件有哪些？•2．半导体内光电效应与入射光频率的关系是什么？3．光电倍增管产生暗电流的原因有哪些？如何降低暗电流？•4．试述光电倍增管的组成及工作原理？•5．简述光敏二极管和光敏三极管的结构特点、工作原理及两管的区别？•6．为什么在光照度增大到一定程度后，硅光电池的开路电压不再•随入射照度的增大而增大？硅光电池的最大开路电压为多少？•7．试举出几个实例说明光电传感器的实际应用，并进行工作原理的分析。

答案：一、光电效应分为两类：外光电效应和内光电效应外光电效应：入射光子被物质的表面所吸收，并从表面向外部释放电子的一种物理现象。

基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管。

内光电效应当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。

分为光电导效应（如：光敏电阻）和光生伏特效应（如光电池、光电二极管、光电三极管）。

二、、对于不同的本征半导体材料，禁带宽度Eg不同，对入射光的波长或频率的要求也不同，一般都必须满足：7he1.24「hv=T^^-Eg式中v、A分别为入射光的频率和波长。

对于杂质半导体：Ei为杂质电离能三、1、欧姆漏电欧姆漏电主要指光电倍增管的电极之间玻璃漏电、管座漏电和灰尘漏电等。

欧姆漏电通常比较稳定，对噪声的贡献小。

在低电压工作时，欧姆漏电成为暗电流的主要部分。

在使用光电倍增管时，保证管壳和所有连接件的清洁干燥是十分必要的。

2、热发射由于光电阴极材料的光电发射阈值较低，容易产生热电子发射，即使在室温下也会有一定的热电子发射，并被电子倍增系统倍增。

要减小热电子发射，应选用热发射小的阴极材料，并在满足使用的前提下，尽量减小光电阴极的面积，降低光电倍增管温度。

3、残余气体放电光电倍增管中高速运动的电子会使管中的残余气体电离，产生正离子和光子，它们也将被倍增，形成暗电流。

这种效应在工作电压高时特别严重，使倍增管工作不稳定。

光电式传感器工作原理
光电式传感器是一种能够将光信号转化为电信号的装置。

其工作原理基于光电效应，即当光线照射到光敏元件上时，会引起该元件内部电子的跃迁，从而产生电流或电压。

光电式传感器通常由发射器和接收器两部分组成。

发射器通常是一个光源，它会产生一个特定的光束，并将其照射到待测物体上。

接收器则是光敏元件，它能够接收被物体反射、散射或透过的光束。

当光线照射到待测物体上时，一部分光线会被物体吸收，一部分光线会被物体反射回来。

接收器会接收到被物体反射回来的光线，并将其转化为相应的电信号。

这个电信号可以被放大、处理和解读，从而得到相应的物体信息。

光电式传感器可以应用到各种不同的领域中，如自动控制、检测和测量。

在自动控制中，它可以用来检测物体的位置、颜色、形状等属性，从而实现自动化的控制系统。

在检测和测量中，它可以用来检测流体的液位、物体的距离、物体的速度等参数。

总的来说，光电式传感器通过光电效应将光信号转化为电信号，从而实现对物体进行检测和测量的功能。

其工作原理简单而有效，被广泛应用于各个领域中。

《传感器与检测技术》教案项目七光电式传感器的应用一、教学目标1.了解光电效应。

2.了解各类光电元件。

3.掌握各类光电式传感器的工作原理。

4.掌握光电式传感器测量转速的方法。

二、课时分配本项目共2个任务，本项目安排4课时。

其中理论课时2课时，实践课时2课时。

三、教学重点通过本项目的学习，让学生理解能正确识别各类光电式传感器能根据任务要求，正确安装光电式传感器，正确完成光电式传感器测量转速的电路接线，正确测量转速并且读数正确。

的相关知识。

通过本项目的学习，新旧知识得以重新整合，使学生对传感器的认识更完整，更清晰。

四、教学难点1.能识别各类光电式传感器。

2.能根据任务要求，正确安装光电式传感器。

3.正确完成光电式传感器测量转速的电路接线。

4.正确测量转速并且读数正确。

五、教学内容任务一光电式传感器在转速检测中的应用知识链接一、光电效应用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串具有能量（每个光子能量的大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ，即E=hγ）的光子的轰击，组成这物体的材料吸收光子能量而发生相应电效应的物理现象称为光电效应。

由于被光照射的物体材料不同，所产生的光电效应也不同，通常光照射到物体表面后产生的光电效应分为：外光电效应、内光电效应、光生伏特效应。

1.外光电效应在光线的作用下能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应，基于外光电效应的光电元件有紫外光电管、光电倍增管、光电摄像管等。

2.内光电效应半导体材料受到光照时，使其导电性能增强，光线越强，阻值越低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。

基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。

3.光生伏特效应在光线作用下, 能使物体产生一定方向的电动势的现象，称为光生伏特效应。

具有光生伏特效应的光电器件有硅、硒、砷化镓、氧化铜、锗等材料做成的光电池。

二、光电元件1.基于外光电效应的光电元件（1）光电管光电管是基于外光电效应原理工作的光电元件。

光电式传感器的工作原理来源：电子资料文库作者：发布时间：2013-5-4 浏览(9113)次光电式传感器的英文解释：photoelectric transducer光电传感器的构成光电传感器由光源、光学通路、光电元件构成。

光电式传感器应用1、光量变化的非电量；2、能转换成光量变化的其他非电量。

光电式传感器的应用可归纳为四种基本形式，即辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。

光电式传感器特点非接触、响应快、性能可靠。

图a所示是光电式传感器的工作原理图，位于光敏二极管的对面的是作为光源的发光二极管，在它们之间有一个能断续遮光的转盘。

当转盘上的缺口、缝隙或小孔对准发光二极管时，光线可以通过，光敏二极管即发出信号指示转轴的某一位置或转速。

它输出的信号是方波脉冲，故它能适应数字式控制系统的需要。

这里的发光二极管的发光频率一般在红外线和紫外线范围内，是肉眼看不见的。

图b、c所示为六缸发动机用分电器内的光电式曲轴转角传感器的结构，由发光二极管和光敏二极管组合来计测带缝隙的转盘的旋转位置，安装在分电器内（或凸轮轴前部）。

它决定分组喷射控制及电子点火控制曲轴每转两转的喷油正时和点火正时。

在转盘上每隔60°设置了宽度不同的4种缝隙，利用发光二极管发出的光束，经过安装在分电器轴上转盘的刻度缝隙，照射在光敏二极管上，使波形电路产生电信号、并传给ECU。

光电式曲轴转角传感器的工作原理与结构a）工作原理图b）结构图c）转盘1-输出信号2-光敏二极管3-发光二极管4-电源5-转盘6-转子头盖7-密封盖8-波成形电路9-第一缸120°信号缝隙10-10信号缝隙11-120°信号缝隙光电效应它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，可分为外光电效应和内光电效应两类。

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物理现象。

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。

第7章光电式传感器习题1. 什么是光电效应? 什么是内、外光电效应?当用光照射物体时，物体受到一连串具有能量的光子的轰击，于是物体材料中的电子吸收光子能量而发生相应的电效应（如电阻率变化、发射电子或产生电动势等）。

这种现象称为光电效应。

2 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏三极管的性能差异．给出什么情况下应选用哪种器件最为合适的评述。

3假如打算设计—种光电传感器，用于控制路灯的自动亮灭(天黑自动点亮，天明白动熄灭)。

试问可以选择哪种光电器件?试设计电路。

4光电转速传感器的测量原理是将被测轴的转速变换成相应频率的脉冲信号，然后，测出脉冲频率即可测得转速的数值。

试根据这一思路画出光电转速传感器的检测变换部分的工作原理示意图，图中的光电转换元件选用哪种光电器件比较合适?为什么？5 利用光敏器件制成的产品计数器，具有非接触、安全可靠的特点，可广泛应用于自动化生产线的产品计数，如机械零件加工、输送线产品、汽水、瓶装酒类等。

还可以用来统计出入口入员的流动情况。

试利用光电传感器设计一产品自动计数系统，简述系统工作原理。

产品计数器的工作原理，如图所示。

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，使光电脉冲电路随着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一、单项选择题1、晒太阳取暖利用（）；人造卫星的光电池利用（）；植物生长利用了（）；A光电效应 B 光化学效应 C 光热效应 D 感光效应2、蓝光的波长比红光（），相同光通量的蓝光能量比红光（）。

A大 B 小 C长 D短3、光敏二极管属于（ B ），光电池属于（）。

A外光电效应 B 内光电效应 C光生伏特效应4、光敏二极管在测光电路中应处于（）偏置状态，光电池处于偏置状态( )A正向 B反向 C零5、光纤通信中，与出射光纤耦合的光电元件选用（）。

光电式速度传感器工作原理光电式速度传感器（Optical Speed Sensor），是一种通过光电转换原理，将物体运动的速度转换成电信号输出的传感器。

该传感器常用于工业生产中对物体的速度检测和控制。

一、工作原理光电式速度传感器的工作原理基于光电转换技术，该技术被广泛应用于光电测量、光电检测和自动化测量方面。

具体来说，该传感器是由光电发生器、滤光片、谐振电路和放大电路组成的。

当物体运动时，它的表面会通过传感器的光电发生器上的凸台或凹槽，产生一个光电信号。

该信号经过滤光片过滤后，通过谐振电路进行放大，并被放大电路处理，最终输出为数字信号。

速度传感器的输出信号频率与物体运动的速度成正比，因此可以通过读取输出信号的频率，进行速度的测量和控制。

二、特点1. 高精度: 光电式速度传感器具有高精度的测量能力，可以快速准确地测量物体的速度，特别是对于高速运动的物体，能够准确地检测其速度和方向。

2. 宽测量范围：该传感器可以测量很大的速度范围，从几厘米每秒到几百米每秒不等。

这让它成为适用于不同工业应用的理想工具，且该传感器还可以应用于高温、低温、高湿度和具有腐蚀性的环境中。

3. 高稳定性: 该传感器具有较高的稳定性，可以在长时间使用过程中保持高精度和可靠性。

传感器的输出信号具有良好的线性特性，可以有效地消除测量误差。

反应速度快：光电式速度传感器响应时间很短，能够在很短时间内检测物体的速度变化，并可以提供及时的反馈。

三、应用光电式速度传感器广泛应用于控制和测量领域，其主要应用领域包括：1. 机械工业：用于机器生产线上的物体的速度和位置控制；2. 轨道交通：用于测量电车、地铁等列车的速度和位置；3. 航空航天：用于测量飞行器的速度和位置；4. 安防领域：用于测量和监控交通工具、航空器、船只等在运行过程中的速度和方向。

四、总结光电式速度传感器是一种精度高、测量范围宽、稳定性强，反应速度快的传感器，其工作原理基于光电转换技术。