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光电式传感器
光电式传感器
●光电效应和光电元件●光电器件的特性
●光电耦合器件
●电荷耦合器件(CCD)●光电式传感器
光电式传感器
光电式传感器的概念
光电式传感器是以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。
光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。
光电式传感器的物理基础是光电效应。
光电效应和光电元件
●外光电效应
●基于外光电效应的器件●内光电效应
●基于内光电效应的器件
基于外光电效应的器件 光电管
基于外光电效应的器件 光电倍增管
光电效应
●内光电效应之二(光生伏特效应)
✓势垒效应(结光电效应)
✓侧向光电效应。
光电式传感器原理与应用光电效应与光电器件一、光电效应光电效应可以分为以下三种类型：(1)外光电效应(2)光电导效应(3)光生伏特效应.(1)外光电效应在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。
只有当光子能量大于逸出功时，即时，才有电子发射出来，即有光电效应，当光子的能量等于逸出功时，即时，逸出的电子初速度为0，此时光子的频率为该物质产生外光电效应的最低频率，称为红限频率。
利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。
(2)光电导效应.在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。
.由于这里没有电子自物体向外发射，仅改变物体内部的电阻或电导，有时也称为内光电效应。
与外光电效应一样，要产生光电导效应，也要受到红限频率限制。
利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。
(3)光生伏特效应.在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。
.利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。
二、光电器件的特性(1)光电流光敏元件的两端加一定偏置电压后，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流称为光电流。
(2)暗电流光敏元件在无光照时，两端加电压后产生的电流称为暗电流。
(3)光照特性当光敏元件加一定电压时，光电流I与光敏元件上光照度E之间的关系，称为光照特性。
一般可表示为。
(4)光谱特性.当光敏元件加一定电压时，如果照射在光敏元件上的是一单色光，当入射光功率不变时，光电流随入射光波长变化而变化的关系，称为光谱特性。
.光谱特性对选择光电器件和光源有重要意义，当光电器件的光谱特性与光源的光谱分布协调一致时，光电传感器的性能较好，效率也高。
在检测中，应选择最大灵敏度在需要测量的光谱范围内的光敏元件，才有可能获得最高灵敏度。
(5)伏安特性在一定照度下，光电流I与光敏元件两端的电压U的关系称为伏安特性。
第一章传感器基础l。
检测系统由哪几部分组成? 说明各部分的作用.答：一个完整的检测系统或检测装置通常是由传感器、测量电路和显示记录装置等几部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等功能。
当然其中还包括电源和传输通道等不可缺少的部分。
下图给出了检测系统的组成框图。
检测系统的组成框图传感器是把被测量转换成电学量的装置,显然,传感器是检测系统与被测对象直接发生联系的部件，是检测系统最重要的环节，检测系统获取信息的质量往往是由传感器的性能确定的，因为检测系统的其它环节无法添加新的检测信息并且不易消除传感器所引入的误差。
测量电路的作用是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号。
通常传感器输出信号是微弱的，就需要由测量电路加以放大,以满足显示记录装置的要求。
根据需要测量电路还能进行阻抗匹配、微分、积分、线性化补偿等信号处理工作.显示记录装置是检测人员和检测系统联系的主要环节，主要作用是使人们了解被测量的大小或变化的过程。
2.传感器的型号有几部分组成，各部分有何意义?依次为主称(传感器）被测量—转换原理—序号主称-—传感器，代号C;被测量—-用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记.见附录表2;转换原理——用一个或两个汉语拼音的第一个大写字母标记。
见附录表3；序号—-用一个阿拉伯数字标记，厂家自定，用来表征产品设计特性、性能参数、产品系列等。
若产品性能参数不变，仅在局部有改动或变动时，其序号可在原序号后面顺序地加注大写字母A、B、C等，(其中I、Q不用）。
例：应变式位移传感器： C WY-YB-20；光纤压力传感器：C Y—GQ—2.3.测量稳压电源输出电压随负载变化的情况时，应当采用何种测量方法？如何进行?答：测定稳压电源输出电压随负载电阻变化的情况时，最好采用微差式测量.此时输出电压认可表示为U0，U0=U+△U，其中△U是负载电阻变化所引起的输出电压变化量，相对U来讲为一小量。
如果采用偏差法测量，仪表必须有较大量程以满足U0的要求，因此对△U，这个小量造成的U0的变化就很难测准。
传感器1. 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K 0, α0, βs ）以及被测试件线膨胀系数βg 有关。
2 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。
1) 电阻温度系数的影响2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响3. 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。
4. 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿方法。
5.注意补偿条件：① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。
② R1和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K 和初始电阻值R0。
③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。
④ 两应变片应处于同一温度场。
6.电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。
直流电桥平衡条件:R1R4=R2R3.7.电压灵敏度的物理意义：① 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； ② 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n 的函数，恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。
7. 当E 值确定后，n=1时才能使KU 最高。
即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有 U0=E *△R1/4R1(单臂)8.结论：当电源电压E 和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时， 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。
9.减小和消除非线性误差的方法：①提高桥臂比；②采用差动电桥{公式P29非线性误差}10.半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。
可知：Uo 与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。
传感器和检测技术课程标准《传感器及检测技术》课程标准一、课程信息课程名称：传感器及检测技术课程类型：电气自动化专业核心课课程代码：0722070 授课对象：电气自动化专业学分：4 先修课：模拟电子技术、数字电子技术、微机原理学时：72 后续课：智能仪器、电气综合实训、电工中、高级职业资格证书、毕业设计、顶岗实习制定人：邓贻XX制定时间：20XX/7/10二、课程性质传感器是现代操纵的基本工具，而检测技术则是操纵过程猎取信息的唯一手段。
《传感器与检测技术》是一门多学科交叉的专业课程，重点介绍各种传感器的工作原理和特性，结合工程应用实际，了解传感器在各种电量和非电量检测系统中的应用，培养学生使用各类传感器的技巧和能力，掌握常用传感器的工程测量设计方法和实验研究方法，了解传感器技术的进展动向。
本课程是电气自动化技术专业的一门核心专业技术课，也是后续的电气综合实训、电工中、高级职业资格证书（其内容约占20%）、毕业设计、顶岗实习等基本技能养成课程，即是职业素养养成与职业能力培养最基本的理论实践一体化课程。
三、课程设计1、课程目标设计总体目标：教学目标和总体要求是让学生初步掌握检测技术的基本知识和应用。
培养学生使用各类传感器的能力。
使学生能够进一步应用传感器解决工程测控系统中的具体问题。
要求理解不同传感器的工作原理，常用的测量电路；能够对常用传感器的性能参数与主要技术指标进行校量与标定。
掌握传感器的工程应用方法，并能正确处理检测数据。
了解传感器技术进展前沿状况，培养学生科学素养，提高学生分析解决问题的能力。
通过行为导向的项目式教学，加强学生实践技能的培养，培养学生的综合职业能力和职业素养；独立学习及猎取新知识、新技能、新方法的能力；与人交往、沟通及合作等方面的态度和能力。
（1）知识目标：1. 传感器的静态特性、动态特性与技术指标2. 电阻传感器原理与应用3. 电感传感器原理与应用4. 电容传感器原理与应用5. 光电（光纤、光栅）传感器原理与应用6. 磁电式传感器与霍尔传感器7. 压电式传感器原理与应用8. 半导体物性传感器9. 温度检测系统10.压力检测系统11.液位测检系统12.流量检测系统13.传感器在汽车上的应用（2）能力目标：1．测量误差与数据处理2. 传感器的标定和校准3. 应变电阻传感器的测量电路与电子秤的标定。
《传感器与检测技术》课程标准一、课程概述1.基本信息课程名称：《传感器与检测技术》课程类型：理论+实践课程总学时：课程总计64学时，其中一理论课时54,机动+实践课时10。
标准适用专业：本标准适用于机电一体化与制造专科专业。
2.课程定位《传感器与检测技术》课程是机电一体化与制造专业的一门专业核心技能课程；本课程的任务是要教会学生了解和熟悉常用工业传感器及检测方法的基本知识，能够使用合理的传感器实施可靠的检测方案，培养解决生产实际问题的基本技能。
本课程适用于机电一体化、机械制造以及自动化等专业3年制高职学生，课程应在学完电工和电子学等课程后开设，并为后续专业课程的学习和从事专业相关工作打下基础。
二、课程目标（一）总体目标通过《传感器与检测技术》课程的学习，使学生掌握基本工业常用传感器的基本知识、基本理论，初步具备运用传感器设计简单检测系统的能力，并获得运用所学知识解决生产实际问题的基本技能。
（二）分项目标通过《传感器与检测技术》课程的学习，应达到以下培养目标：1.知识目标①学习常用检测量以及相应传感器的基本原理和使用方法等知识；②掌握常用检测系统的基本设计方法；3.技能目标①具备搜集和查阅传感器与检测技术国家标准和有关资料的能力；②具备进行简单检测系统设计和确定相应传感器性能指标的技能；③初步具备简单检测系统的搭建和基本调试手段；4.方法目标①通过常用物理量检测方法在日常生活中的自动化运用实例激发学习兴趣；②通过Flash等丰富多彩的课堂呈现手段加深学生对检测方法认识。
5.素质目标①通过本课程，使学生认识到传感器对于自动化和智能化的产业应用所发挥的作用,增加通过不同手段解决问题的思路，开阔学生的眼界和视野。
②使学生认识到我国有关行业和世界发达国家的巨大差距，增强学生的竞争意识和努力学习的自觉性。
说明：机动课时可安排有关和语言的基本课时，以及有关试验安排, 共计IO个课时。
四、教学设计1.考核方式说明：（I）有些课程可能只进行两种考核中的一种考核，则另外一项考核权重为O即可。
《传感器与检测技术》课程教学大纲(双语) 一、课程基本信息课程代码：E131005课程名称：传感器与检测技术英文名称：Sensors and Detection technology课程类别：专业必修课Professional required course s学时：45(含实验)Class hours: 45（Experiment including）学分：3.0Credits: 3.0适用对象:电子信息工程专业的学生考核方式：考试（平时成绩占总成绩的30%）先修课程：高等数学，大学物理，模拟电路Pre-sessional course: Advanced Mathematics, University Physics, Analog circuit 二、课程简介“传感器与检测技术”是信息类专业必修的一门主要专业基础课。
传感器是将各种非电量（包括物理量、化学量、生物量等）按一定规律转换成便于处理和传输的另一种物理量的装置。
传感器开发和应用的综合技术，随着现代测量、控制和自动化技术的发展，越来越受到重视。
学生通过本课程的学习，可以获得比较全面而系统的传感器知识。
Course Description:“S ensors and detection technology”is a professional major basic course for information specialty. Sensor is a device that converts a physical signal (non-electric signal) into an electric signal according to certain rules. Integrated technology for sensor development and Application becomes a issue which gets a lot of attention with the development of Modern measurement、Control and automation technology。
1 《传感器与检测技术》课程考试大纲一、适用对象：网络教育、成人教育工科电子类专科层次学生二、主要参考教材：《传感器与检测技术》，高等教育出版社，作者：周乐挺，高等教育出版社，作者：周乐挺三、考试目的：使学生通过本课程的考试，掌握传感器基本概念和基本特性；电阻式传感器等8种传感器的工作原理、测量转换电路、补偿方法和用途；掌握非电量测量技术及温度等常见非电量的测量系统组成和工作原理。
四、考试范围和重点考试范围在第一章至第十三章。
考试范围在第一章至第十三章。
重点是传感器的特性、重点是传感器的特性、重点是传感器的特性、工作原理、工作原理、工作原理、测量转测量转换电路；非电量测量技术和非电量测量系统组成和工作原理。
第一章 传感器技术基础了解：传感器的分类，传感器的动态特性和传感器的技术指标。
理解：传感器的定义。
理解：传感器的定义。
掌握：传感器的组成与作用，传感器的静态特性指标。
第二章 电阻式传感器了解：电阻式传感器的特点和用途，温度补偿方法。
理解：电位器式传感器、应变式传感器和压阻式传感器的基本定义和工作原理。
原理。
掌握：掌握：应变片式传感器的结构和工作原理、应变片式传感器的结构和工作原理、应变片式传感器的结构和工作原理、电阻应变片的特性、电阻应变片的特性、电阻应变片的特性、测量电路。
测量电路。
第三章 变磁阻式传感器了解：变磁阻式传感器的特点和用途。
了解：变磁阻式传感器的特点和用途。
理解：电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器的基本定义和工作原理。
和工作原理。
掌握：电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器的结构和基本特性、测量电路本特性、测量电路第四章 电容式传感器了解：电容式传感器的特点和用途，保持电容传感器特性稳定的方法。
理解：变面积、变极距、变介质电容传感器的组成和工作原理。
掌握：变面积、变极距、变介质电容传感器的结构和基本特性、测量电路第五章 霍尔式传感器了解：霍尔传感器的误差补偿方法和用途。
光电式传感器是以光电元件作为转化元件，将被测非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。
光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件3部分组成。
光电元件是构成光电式传感器最主要的部件。
光电器件响应快、结构简单、使用方便，而且有较高的可靠性，因此在自动检测，计算机和控制系统中，应用非常广泛。
光电式传感器的物理基础是光电效应。
6.1光电效应及光电元器件6.1.1 光电效应及分类光电式传感器的工作原理是基于不同形式的光电效应。
根据光的波粒二象性，我们可以认为光是一种以光速运动的粒子流，这种粒子称为光子。
每个光子具有的能量hν正比于光的频率ν（h普朗克常数）。
每个光子具有的能量为=hν（6-1） E式中，h为普朗克常数，h= 6.63×10-34j·s。
由此可见，对不同频率的光，其光子能量是不相同的，频率越高，光子能量越大。
用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hν的光子所轰击，组成该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。
光电效应通常分为3类。
（1）外光电效应。
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，基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等。
（2）内光电效应。
在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象称为内光电效应，基于内光光电式传感器及应用 102 第6章电效应的光电元件有光敏电阻、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，物体产生一定方向电动势的现象称为光生伏特效应，基于光生伏特效应的光电元件有光电池等。
第（1）类光电元件属于真空管元件，第（2）、（3）类属于半导体元件。
在以下光电元件的论述中将要应用到流明（lm ）和勒克斯（lx ）两个光学单位。
所谓流明是光通量的单位，所有的灯都以流明表征输出光通量的大小。
勒克斯是照度的单位，它表征受照物体被照程度的物理量。
6.1.2 光电元器件及基本测量电路1．光电管、光电倍增管（1）结构与工作原理。
