第8章传感器技术-光电效应及传感器.

《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。

传感器原理及工程应用答案1—1:测量的定义,答:测量是以确定被测量的值或获取测量结果为目的的一系列操作。

所以, 测量也就是将被测量与同种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。

1—2:什么是测量值的绝对误差、相对误差、引用误差,答:绝对误差是测量结果与真值之差,即: 绝对误差=测量值—真值相对误差是绝对误差与被测量真值之比,常用绝对误差与测量值之比,以百分数表示 , 即: 相对误差=绝对误差/测量值×100%引用误差是绝对误差与量程之比,以百分数表示,即: 引用误差=绝对误差/量程×100%1—3什么是测量误差,测量误差有几种表示方法,它们通常应用在什么场合, 答: 测量误差是测得值减去被测量的真值。

测量误差的表示方法:绝对误差、实际相对误差、引用误差、基本误差、附加误差。

当被测量大小相同时，常用绝对误差来评定测量准确度;相对误差常用来表示和比较测量结果的准确度;引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，基本误差、附加误差适用于传感器或仪表中。

2,1:什么是传感器,它由哪几部分组成,它的作用及相互关系如何,答:传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。

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能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。

2—2:什么是传感器的静态特性,它有哪些性能指标,分别说明这些性能指标的含义, 答:传感器在被测量的各个值处于稳定状态时，输出量和输入量之间的关系称为传感器的静态特性;其主要指标有线性度、灵敏度、精确度、最小检测量和分辨力、迟滞、重复性、零点漂移、温漂。

灵敏度定义是输出量增量Δy与引起输出量增量Δy的相应输入量增量Δx之比。

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。

第八章习题答案1．什么是光电效应，依其表现形式如何分类，并予以解释。

解：光电效应首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号,光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类：a)在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应;b)受光照的物体导电率1R发生变化，或产生光生电动势的效应叫内光电效应。

2．分别列举属于内光电效应和外光电效应的光电器件。

解：外光电效应，如光电管、光电倍增管等。

内光电效应，如光敏电阻、光电池和光敏晶体管等。

3．简述CCD 的工作原理。

解：CCD 的工作原理如下：首先构成CCD 的基本单元是MOS 电容器，如果MOS 电容器中的半导体是P 型硅，当在金属电极上施加一个正电压时，在其电极下形成所谓耗尽层，由于电子在那里势能较低，形成了电子的势阱，成为蓄积电荷的场所。

CCD 的最基本结构是一系列彼此非常靠近的MOS 电容器，这些电容器用同一半导体衬底制成，衬底上面覆盖一层氧化层，并在其上制作许多金属电极，各电极按三相（也有二相和四相）配线方式连接。

CCD 的基本功能是存储与转移信息电荷，为了实现信号电荷的转换：必须使MOS 电容阵列的排列足够紧密，以致相邻MOS 电容的势阱相互沟通，即相互耦合；控制相邻MOC 电容栅极电压高低来调节势阱深浅，使信号电荷由势阱浅的地方流向势阱深处；在CCD 中电荷的转移必须按照确定的方向。

4．说明光纤传输的原理。

解：光在空间是直线传播的。

在光纤中，光的传输限制在光纤中，并随光纤能传送到很远的距离，光纤的传输是基于光的全内反射。

当光纤的直径比光的波长大很多时，可以用几何光学的方法来说明光在光纤内的传播。

设有一段圆柱形光纤，它的两个端面均为光滑的平面。

当光线射入一个端面并与圆柱的轴线成θi 角时，根据斯涅耳（Snell ）光的折射定律，在光纤内折射成θj ，然后以θk 角入射至纤芯与包层的界面。

若要在界面上发生全反射，则纤芯与界面的光线入射角θk 应大于临界角φc （处于临界状态时，θr =90º），即:21arcsin k c n n θϕ≥=且在光纤内部以同样的角度反复逐次反射，直至传播到另一端面。

光电传感器的基本原理及分类一、引言光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于工业自动化、机器人技术、医疗仪器等领域。

本文将从基本原理和分类两个方面介绍光电传感器的知识。

二、光电传感器的基本原理1. 光电效应原理光电效应是指当金属或半导体表面受到光照射时，会产生电子的现象。

这种现象可以用经典物理学或量子力学来解释，但无论采用哪种解释方式，都不能完全符合实验结果。

根据实验结果，可以得出以下结论：当光子能量大于物质表面材料的束缚能时，就会发生外逸电子现象。

利用这个原理，可以制作出具有灵敏度高、响应速度快等优点的光电传感器。

2. 光敏元件原理在光电传感器中，最重要的部分就是光敏元件。

常见的光敏元件有四种：硅太阳能电池、硒太阳能电池、气体放大管和半导体二极管。

其中最常见的是半导体二极管，其工作原理是基于PN结的光电效应。

当光照射到PN结上时，会产生电子和空穴对，从而导致PN结区域的电流变化。

这种变化可以被检测到，并通过信号处理器转化为数字信号输出。

3. 光电传感器的工作原理光电传感器的工作原理是将光信号转化为电信号。

当物体进入传感器检测范围内时，会反射出一定程度的光线，这些光线被接收器接收后经过放大和滤波处理后转化为数字信号输出。

根据不同的应用需求，可以选择不同类型的光电传感器来实现不同功能。

三、光电传感器的分类1. 按照检测目标分类根据检测目标的不同，可以将光电传感器分为接近式、距离式和透明式三种类型。

（1）接近式：主要用于检测物体是否在一定距离范围内，并且可以识别物体是否有金属或非金属等特殊属性。

（2）距离式：主要用于测量物体与传感器之间的距离，并且可以精确地计算出物体与传感器之间的距离。

（3）透明式：主要用于检测透明或半透明物体的存在与否，例如检测玻璃板是否存在。

2. 按照工作原理分类根据工作原理的不同，可以将光电传感器分为反射式、散射式、直接式和光栅式四种类型。

（1）反射式：传感器和物体之间有一定距离，通过物体反射的光信号来检测物体的存在与否。

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。

《第一章传感器的一般特性》1试绘制转速和输出电压的关系曲线，并确定：1）该测速发电机的灵敏度。

2）该测速发电机的线性度。

2．已知一热电偶的时间常数τ=10s，若用它来测量一台炉子的温度，炉内温度在540οC和500οC 之间按近似正弦曲线波动，周期为80s，静态灵敏度k=1，试求该热电偶输出的最大值和最小值，以及输入与输出信号之间的相位差和滞后时间。

3．用一只时间常数为0.355s 的一阶传感器去测量周期分别为1s、2s和3s的正弦信号，问幅值误差为多少？4．若用一阶传感器作100Hz正弦信号的测试，如幅值误差要求限制在5%以内，则时间常数应取多少？若在该时间常数下，同一传感器作50Hz正弦信号的测试，这时的幅值误差和相角有多大？5．已知某二阶系统传感器的固有频率f0=10kHz，阻尼比ξ=0.1，若要求传感器的输出幅值误差小于3%，试确定该传感器的工作频率范围。

6．某压力传感器属于二阶系统，其固有频率为1000Hz,阻尼比为临界值的50%,当500Hz的简谐压力输入后，试求其幅值误差和相位滞后。

《第二章应变式传感器》1．假设某电阻应变计在输入应变为5000με时电阻变化为1%，试确定该应变计的灵敏系数。

又若在使用该应变计的过程中，采用的灵敏系数为 1.9，试确定由此而产生的测量误差的正负和大小。

2．如下图所示的系统中：①当F＝0和热源移开时，R l＝R2＝R3＝R4，及U0＝0；②各应变片的灵敏系数皆为+2.0，且其电阻温度系数为正值；③梁的弹性模量随温度增加而减小；④应变片的热膨胀系数比梁的大；⑤假定应变片的温度和紧接在它下面的梁的温度一样。

在时间t＝0时，在梁的自由端加上一向上的力，然后维持不变，在振荡消失之后，在一稍后的时间t1打开辐射源，然后就一直开着，试简要绘出U0和t的关系曲线的一般形状，并通过仔细推理说明你给出这种曲线形状的理由。

3．一材料为钢的实心圆柱形试件，直径d＝10 mm，材料的弹性模量E＝2 ×1011N／m2，泊松比μ＝0.285，试件上贴有一片金属电阻应变片，其主轴线与试件加工方向垂直，如图1所示，若已知应变片的轴向灵敏度k x ＝2，横向灵敏度C=4%，当试件受到压缩力F＝3×104N作用时。

光电传感器工作原理光电传感器是一种能够将光信号转化为电信号的设备，广泛应用于光电检测、自动控制、光通信等领域。

它通过感知光的特性，将光信号转换为电信号，从而实现对光的测量、检测和控制。

光电传感器的工作原理主要包括光电效应、光电二极管和光敏电阻。

1. 光电效应：光电传感器的工作基于光电效应，即光照射到物质上时，会引起物质内部电子的激发和运动。

光电效应的基本原理是光子与物质中的电子相互作用，将光能转化为电能。

光电效应的主要表现形式有光电发射效应、光电吸收效应和光电导效应。

2. 光电二极管：光电二极管是一种能够将光信号转化为电信号的光电传感器。

它由PN结构组成，当光照射到PN结上时，光子的能量会激发PN结中的载流子，产生电流。

光电二极管的工作原理是基于光电效应，当光子能量大于材料的带隙能量时，光电二极管才干产生电流。

光电二极管具有快速响应、高灵敏度和宽波长范围等优点，被广泛应用于光电检测和通信领域。

3. 光敏电阻：光敏电阻是一种光电传感器，也被称为光敏电阻器。

它是一种变阻器，其电阻值随光照强度的变化而变化。

光敏电阻的工作原理是基于光电效应，当光照射到光敏电阻上时，光子的能量会激发光敏材料中的载流子，改变材料的电导率，从而导致电阻值的变化。

光敏电阻具有简单、便宜和易于使用的特点，广泛应用于光电检测和光敏控制领域。

光电传感器的工作原理可以简单总结为：光照射到光电传感器上时，光子的能量会激发材料中的载流子，产生电流或者改变电阻值。

通过测量电流或者电阻值的变化，可以得到光信号的信息。

光电传感器的应用非常广泛。

在工业领域，光电传感器可以用于检测物体的位置、颜色、形状等特征，实现自动化控制。

在光通信领域，光电传感器可以用于接收和解码光信号，实现高速、稳定的光通信。

此外，光电传感器还可以应用于光电测量仪器、光电计量等领域。

总之，光电传感器通过光电效应，将光信号转化为电信号，实现对光的测量、检测和控制。

光电二极管和光敏电阻是常见的光电传感器类型，具有不同的工作原理和特点。