第二章光电式传感器
一、学习本课程所需的预备知识。
物理、电工基础、电子测量技术、电子线路。
二、教学提要（重难点）、课程内容、教学要求、实验指导。
重点掌握光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管以及光电池的原理和应用。
光电式传感器的核心部件是光电器件，它是将光能转换为电能的一种传感器件。光电器件的理论基础是光电效应，即金属、半导体等材料在光照下释放出电子的现象。根据释放出的电子的分布的不同，光电效应可分为以下三种情况：
利用外光电效应工作的器件有光电管、光电倍增管等。
利用内光电效应（光电导效应）工作的器件有光敏电阻等。
利用光生伏特效应（阻挡层光电效应）工作的器件有光电晶体管、光电池等。
光纤传感器以及CCD可以作为了解内容。授课时可以拿鼠标作为一个光敏二极管、三极管的应用实例，有实验设备的应开设本实验。
三、教学建议。
由于光电元件在日常生活中用的较多，所以授课时可以拿身边的一些设备来讲解，比如照相机、摄像机、光控照明等。
四、典型例题
1、磁栅式传感器由哪几部分组成？简述工作原理？
答：磁栅式传感器由磁栅、磁头和检测电路组成。磁栅是检测位置的基准尺，尺身的磁性薄膜上预先录有相同间距的栅状磁信号，此偷渡去磁信号。当磁栅与磁头的相对位置发生变化时，磁头的输出发生相应变化，将位移量转换为电信号，然后通过检测电路转换成脉冲，并以数字形式显示出来。磁栅传感器有长磁栅式和圆磁栅式两种，分别用来测量线位移和角位移。
2、光电式传感器的原理是什么？
答：光电式传感器是以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的传感器。
3、光码盘的工作原理是什么？
答：码盘式传感器是建立在编码器的基础上的，它能够将角度转换为数字编码，是一种数字式的传感器。码盘按结构可以分为接触式、光电式和电磁式三种，后两种为非接触式测量。光电式编码器由光源、光学系统、码盘、光电接收元件、处理电路等组成。由光源发出的光线经透镜变成一束平行光照射在码盘上，通过透光部分的光线经狭缝照射到光电元件上，光电元件的排列与码道一一对应，这样几个光电元件输出的电信号组合就反映了角度信息，经
处理电路得到被测角度的数字量。
4、什么叫莫尔条纹？
答：将栅距相同的两块光栅的刻线面相对重叠在一起，并且使二者栅线有很小的交角，这样就可以看到在近似垂直栅线方向上出现明暗相间的条纹，称为莫尔条纹。莫尔条纹是基于光的干涉效应产生的。
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
1.传感器（信号采集部分） 采用光敏电阻作为信号采集器件，光敏电阻是基于光电导效应的一种光电器件，无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中的（暗电流）很小，当受到光照时，半导体材料电导率增加，，电阻减小，其阻值随光照强度而减小。光敏电阻作为光电式传感器的一种，它具有灵敏度高，光谱响应范围宽，体积小，重量轻，机械强度高，耐冲击，耐震动，抗过载能力强和寿命长等优点，所以选择光敏电阻采集光照信号，把不同的光照强度转化为不同的电阻值。把光敏电阻串联在直流电路中即可把不同的电阻值转化为不同的电压值。把对光电信号的处理转化为对电压信号的处理。 2.C0804（信号处理部分） AD0804是一只具有20引脚8位CMOS连续近似的A/D转换器，将光敏电阻采集到的电压模拟量信号转换成数字量的信号。 3.89C52(数据处理部分) AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM）。在本次课题中，AT89C52将AD0804转换出来的数字信号进行处理，处理完成将电压通过显示器显示出来，AT89C52和AD0804的接线图如原理图所示。 4. 晶显示(显示部分) 将电压信号通过显示器显示出来，距离的改变直接通过电压显示出来，电压的大小近似取决于距离的远近。
系统原理框图 AD0804的结构图
A/D 转换电路 R1 10k C1 150pF VIN+6VIN- 7 VREF/29CLK IN 4 A GND 8RD 2 WR 3 INTR 5CS 1 D GND 10DB7(MSB) 11 DB612DB513DB414DB315DB216DB117DB0(LSB) 18CLK R 19VCC 20U1 ADC0804 R2 10k R3 1k R4 1k 7 4 63524130210W S S S D D E E LCD1 LM016L DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8 CS RD WR 58% RV1 1k AT89C52的结构图
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
对射光电开关接线图 对射光电开关三线和二线接线图 对射光电开关，特征：辨别不透明的反光物体。
对射光电开关的使用注意事项 避免强光源 光电开关在环境照度较高时，一般都能稳定工作。但应回避将传感器光轴正对太阳光、白炽灯等强光源。 在不能改变传感器（受光器）光轴和强光源的角度时，可在传感器上方四周加装遮光板或套上遮光长筒。 防止相互干扰 光电开关通常都具有自动防止相互干扰的作用，因而不必担心相互干扰。然而，对射式红外光电开关在几组并列靠近安装时，则应防止邻组和相互干扰。防止这种干扰最有效的办法是投光器和受光器交叉设置，超过2组时还拉开组距。当然，使用不同频率的机种也是一种好办法。 镜面角度影响 当被测物体有光泽或遇到光滑金属面时，一般反射率都很高，有近似镜面的作用，这时应将投光器和检测物体安装成10～20°的夹角，以使其光轴不垂直于被检测物体，从而防止误动作。排除背景物影响
使用反射式扩散型投、受光器时，有时由于检出物离背景物较近，光电开关或者背景是光滑等反射率较高的物体而可能会使光电开关不能稳定检测。 因此可以改用距离限定型投、受光器，或者采用远离背景物、拆除背景物、将背景物涂成无光黑色、或设法使背景物粗糙、灰暗等方法加以排除。 自诊断作用使用 在安装或使用时，有时可能会由于台面或背景影响以及使用振动等原因而造成光轴的微小偏移、透镜沾污、积尘、外部噪声、环境温度超出范围等问题。这些问题有可能会使光电开关偏离稳定工作区，这时可以利用光电开关的自诊断作用而使其通过STABLITY绿色稳定指示灯发出通知，以提醒使用者及时对其进行调整。 对射光电开关应避免使用的场所 灰尘较多的场所； 腐蚀性气体较多的场所； 环境温度变化超出产品规定范围的场所； 振动、冲击大，而未采取避震措施的场所。
光电开关工作原理NPN与PNP传感器差异 红外线属于一种电磁射线，其特性等同于无线电或X射线。人眼可见的光波是380n m-780n m，发射波长为780n m-1m m的长射线称为红外线，省洞头县光电开关厂生产的红外线光电开关优先使用的是接近可见光波长的近红外线。 红外线光电开关（光电传感 器）属于光电接近开关的简称，它是利 用被检测物体对红外光束的遮光或反 射，由同步回路选通而检测物体的有 无，其物体不限于金属，对所有能反射 光线的物体均可检测。根据检测方式的 不同，红外线光电开关可分为 1.漫反射式光电开关 漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传 感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发 射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产 生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率 极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。 引起理想漫反射的光度分布 局部较强漫反射时的光度分布
2.镜反射式光电开关 镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。 3.对射式光电开关 对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。 4.槽式光电开关 槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。槽式光电开关比较安全可靠的适合检测高速变化，分辨透明与半透明物体。 5.光纤式光电开关 光纤式光电开关采用塑料或玻璃光纤传感器来引导光线，以实现被检测物体不在相近区域的检测。通常光纤传感器分为对射式和漫反射式。 型号说明
光电开关传感器接线图光电开关传感器双线直流接线方法 光电开关传感器电路原理图 接线电压：10—65V直流 常开触点（NO） 无极性 防短路的输出 漏电电流≤ 电压降≤5V 注意不允许双线直流传感器的串并联连接 光电开关传感器三线直流接线图 电路原理图 接线电压：10—30V直流 常开触点(NO) 电压降≤ 防短路的输出 完备的极性保护 三线直流与四线直流传感器的串联 当串联时，电压降相加，单个传感器的准备延迟时间相加。
四线直流光电开关传感器接线方法 电路原理图 接线电压：10—65V 切换开关 防短路的输出 完备的极性保护 电压降≤ 三线直流与四线直流光电开关传感器的并联接线图
光电开关传感器双线交流接线方法 电路原理图 常开触点(NO) 常闭触点(NC) 接线电压：20—250V交流 漏电电流≤ 电压降≤7V（有效值） 双线交流传感器的串联 常开触点：“与”逻辑 常闭触点：“或非”逻辑 当串联时，在传感器上的电压降相加，它减低了负载上可利用的电压，因此要注意：不能低于负载上的最小工作电压（注意到电网电压的波动）。 机械开关与交流光电开关传感器串联接线方法 断开的触点中断了传感器的电源电压，若在传感器被衰减期间内机械触点闭和的话，则会产生一个短时间的功能故障，传感器的准备延迟时间（t≤80ms）避免了立即的通断动作。 补偿方法：将一电阻并联在机械触点上（当触点断开时也是一样），此电阻使传感器的准备时间不再起作用，对于200V交流，此电阻大约为82KΩ/1w。 电阻的计算方法：近似值大约为400Ω/V
双线交流光电开关传感器的并联接线方法 常开触点：“与”逻辑 常闭触点：“或非”逻辑 闭和触点使传感器的工作电压短路，当触点短开以后只有在准备延迟时间（t≤80ms）之后传感器才处于功能准备状态。 补偿办法：触点上串联一个电阻可以可靠地保证了传感器的最小工作电压，因此避免了在机械触点断开之后的准备延迟。 计算电阻的公式：R=10/I P=I2×R
没有最小，只有更小！ 业界最小款漫反射柱形光电开关 光电开关（即光电传感器:photoelectric switch）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 随着工业自动化小型化要求的不断提供，光电传感器也在往小型化发展，更多小巧的光电开关正在投入市场,为广大客户提供服务，主要介绍以下两款业界最小规格： 日本竹中(takex) UX系列光电开关： 光纤型光电开关不同的是，它本身自带放大器，不再像光纤型光电开关一样,光纤探头和放大器分离。这样使得安装操作更加简便，现场工作省时省力，必然会得到操作人员的喜爱。 ●漫发射型，具有灵敏度调节功能 ●耗电量比原来的光纤型光电开关还要节省 ●它的不锈钢外壳，连电池制造行业也丢掉了以前无法使用光电开关的顾虑 ●系列中的对射型同时包括了直装和侧装两种方式，现场运用方便 ●小巧的体型，使其可以探测普通光电开关难以探测的小型物体 型号：UX-R5V 探测方式：漫反射型 探测距离：3-50 mm 探测物体：100X100 mm 螺纹：M5x0.75 工作电压：12V~24V 波动10%以下 功率损耗：20 mA 输出方式：集电极开路 工作方式：入光工作方式 响应时间：小于0.5ms
光源：红外LED（870nm） 指示灯：橘黄为工作指示灯。绿色为稳定指示灯 连接方式：2米引线 防护等级：IP67 智恒（IMS）M5系列光电开关： IMS光电传感器最大的优势就是采用专用集成光传感器IC为核心，不仅内置放大器，而且带内置数字滤波器，有效防止外界自然光、外来红外光以及电磁信号干扰，具有行业领先优势。不仅如此，IMS光电传感器IC在业界已有广泛应用。 ●延时启动功能，防止上电误触发 ●高速响应时间1ms 、0.25ms可选 ●低功耗，自带灵敏度调节功能 ●内置数字滤波器，有效防止外界光电干扰 ●不锈钢外壳更加牢固稳定，便于安装 ●电源反接保护、输出过载保护、输出逆接保护 型号：IMS-PE-M5 探测方式：漫反射型 探测距离：1-100 mm 探测物体：100X100 mm 螺纹：M5 * 0.75 工作电压：12V~24V 波动10%以下 功率损耗：10 mA（低功耗） 响应时间：1ms、0.2ms可选 输出方式：集电极开路 指示灯：电源灯、稳定指示灯、工作指示灯。 防护等级：IP67
《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。
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。
PLC与接近、光电开关的接线问题 一:引言 PLC的数字量输入接口并不复杂，我们都知道PLC为了提高抗干扰能力，输入接口都采用光电耦合器来隔离输入信号与内部处理电路的传输。因此，输入端的信号只是驱动光电耦合器的内部LED导通，被光电耦合器的光电管接收，即可使外部输入信号可靠传输。 目前PLC数字量输入端口一般分单端共点与双端输入，各厂商的单端共点（Com）的接口有光电耦合器正极共点与负极共点之分，日系PLC通常采用正极共点，欧系PLC习惯采用负极共点；日系PLC供应欧洲市场也按欧洲习惯采用负极共点；为了能灵活使用又发展了单端共点（S/S）可选型，根据需要单端共点可以接负极也可以接正极。 由于这些区别，用户在选配外部传感器时接法上需要一定的区分与了解才能正确使用传感器与PLC为后期的编程工作和系统稳定奠定基础。 二：输入电路的形式 1、输入类型的分类 PLC的数字量输入端子，按电源分直流与交流，按输入接口分类由单端共点输入与双端输入，单端共点接电源正极为SINK（sink Current 拉电流），单端共点接电源负极为SRCE（source Current 灌电流）。 2、术语的解释 SINK漏型 SOURCE源型 SINK漏型为电流从输入端流出，那么输入端与电源负极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源正极，可接NPN型传感器。 SOURCE源型为电流从输入端流进，那么输入端与电源正极相连即可，说明接口内部的光电耦合器为单端共点为电源负极，可接PNP型传感器。 国内对这两种方式的说法有各种表达： 1）、根据TI的定义，sink Current 为拉电流，source Current为灌电流， 2）、由按接口的单端共点的极性，共正极与共负极。这样的表述比较容易分清楚。 3）、SINK为NPN接法，SOURCE为PNP接法（按传感器的输出形式的表述）。 4）、SINK为负逻辑接法，SOURCE为正逻辑接法（按传感器的输出形式的表述）。 5）、SINK为传感器的低电平有效，SOURCE为传感器的高电平有效（按传感器的输出状态的表述）。 这种表述的笔者接触的最多，也是最容易引起混淆的说法。 接近开关与光电开关三、四线输出分NPN与PNP输出，对于无检测信号时NPN的接近开关与光电开关输出为高电平（对内部有上拉电阻而言），当有检测信号，内部NPN管导通，开关输出为低电平。 对于无检测信号时PNP的接近开关与光电开关输出为低电平（对内部有下拉电阻而言），当有检测信号，内部PNP管导通，开关输出为高电平。 以上的情况只是针对，传感器是属于常开的状态下。目前可厂商生产的传感器有常开与常闭之分；常闭型NPN输出为低电平，常闭型PNP输出为高电平。因此用户在选型上与供应商配合上经常产生偏差。 另一种情况，用户也遇到SINK接PNP型传感器，SOURCE接NPN型传感器，也能驱动PLC接口，对于PLC输入信号状态则由PLC程序修改。原因是传感器输出有个上拉电阻与下拉电阻的缘故，对于集电极开路的
教师授课方案（首页） 授课班级09D电气1、电气2 授课日期 课节 2 课堂类型讲授 课题第十章光电传感器第一节光电效应及光电传感器 第二节光电元件的基本应用电路 教学目的与要求【知识目标】 1、理解光电效应、了解光电元件及特性、参数 2、掌握光电元件的基本应用电路 【能力目标】培养学生理论分析及理论联系实际的能力，在实际测量中会分析光电元件的基本应用电路。 【职业目标】培养学生爱岗敬业的情感目标。 重点难点重点：光电元件的基本应用电路 难点：无 教具教学辅助活动教具：多媒体课件、光电元件及光电传感器实物、习题册教学辅助活动：提问、学生讨论 一节教学过程安排复习 1、简述热电偶的冷端补偿方法 2、简述热电偶的冷端补偿导线配型以及补偿 时的注意事项 3、温控仪表的接线方法 5分钟讲课 1、光电效应、光电元件及特性、参数 2、光电管、光敏二极管、光敏三极管、光敏 晶闸管的应用电路 73分钟小结 小结见内页，之后利用10分钟时间与学生互 动答疑 10分钟作业习题册第十章光电传感器习题2分钟 任课教师：叶睿2011年2月6日审查教师签字：年月日
教案附页【复习提问】 上节课知识点： 1、简述热电偶的冷端补偿方法 2、简述热电偶的冷端补偿导线配型以及补偿时的注意事项 3、温控仪表的接线方法 第十章光电传感器 【章节导入】： 光电传感器是将光信号（例如转速、浊度）转换为电信号的传感器。此传感器具有反应快、非接触测量的优点。 【本章要点】： 1、学习光电效应、光电元件的结构、工作原理、特性 2、掌握光电元件的基本应用电路 3、光电传感器的各种应用 4、掌握光电开关及光电断续器的使用方法。 第一节光电效应及光电传感器 【本节内容设计】 通过实物展示、课件与教师讲授光电效应、光电元件、光电元件的特性与参数，为光电传感器的学习奠定基础 【授课内容】 光电效应：用光照射某一物体，可以看作物体受到一连串能量为hf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。通常把光电效应分为三类： （1）外光电效应：在光线的作用下能使电子逸出物体表面的光电效应。 基于外光电效应的光电元件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等（玻璃真空管元件）。 （2）内光电效应：在光线的作用下能使物体的电阻率改变的光电效应 基于内光电效应光电元件：光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管及光敏晶闸管等。 （3）光生伏特效应：在光线的作用下，物体产生一定方向电动势的光电效应。
光电开关传感器接线图 This model paper was revised by the Standardization Office on December 10, 2020
光电开关传感器接线图光电开关传感器双线直流接线方法 光电开关传感器电路原理图 接线电压：10—65V直流 常开触点（NO） 无极性 防短路的输出 漏电电流≤ 电压降≤5V 注意不允许双线直流传感器的串并联连接
光电开关传感器三线直流接线图 电路原理图 接线电压：10—30V直流 常开触点(NO) 电压降≤ 防短路的输出 完备的极性保护 三线直流与四线直流传感器的串联 当串联时，电压降相加，单个传感器的准备延迟时间相加。
四线直流光电开关传感器接线方法 电路原理图 接线电压：10—65V 切换开关 防短路的输出 完备的极性保护 电压降≤ 三线直流与四线直流光电开关传感器的并联接线图
光电开关传感器双线交流接线方法 电路原理图 常开触点(NO) 常闭触点(NC) 接线电压：20—250V交流 漏电电流≤ 电压降≤7V（有效值） 双线交流传感器的串联
常开触点：“与”逻辑 常闭触点：“或非”逻辑 当串联时，在传感器上的电压降相加，它减低了负载上可利用的电压，因此要注意：不能低于负载上的最小工作电压（注意到电网电压的波动）。 机械开关与交流光电开关传感器串联接线方法 断开的触点中断了传感器的电源电压，若在传感器被衰减期间内机械触点闭和的话，则会产生一个短时间的功能故障，传感器的准备延迟时间（t≤80ms）避免了立即的通断动作。 补偿方法：将一电阻并联在机械触点上（当触点断开时也是一样），此电阻使传感器的准备时间不再起作用，对于200V交流，此电阻大约为82KΩ/1w。 电阻的计算方法：近似值大约为400Ω/V
在不同的环境，不同的需要，我们需要运用不同的光电开关，就比如漫反射光电开关一种集发射器和接收器于一体的传感器，下文是其参数介绍。 它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
特点描述 Feature Description 输出方式I / O mode ·能检测各种物体 ·具有极性保护、短路保护功能·外壳材料：黄铜镀镍 ·防护等级IP65 ·耐温-25℃~55℃ 直流两线常开 直流两线常闭 直流三线NPN常开 直流三线NPN常闭 直流三线PNP常开 直流三线PNP常闭 交流两线常开 交流两线常闭规格参数 Specification 检测方式漫反射式 产品规格M8/M12/M18/M30/FS30/FS50/FS100 电源电压10…36VDC/20…250VAC 工作电流表(晶体管/可控硅/继电器) 200mA/400mA/3A 响应时间<3ms 指向角3°...20° 电压降<1.5V 极性保护有 短路保护有 防护等级IP67 工作环境照度白炽灯(受光面照度) <=3000LUX 太阳光(受光面照度) <=10000LUX 环境温度-25℃…55℃
接线图： 以上是其参数的介绍，了解更多信息，可咨询：南京凯基特电气有限公司进行了解，这是一家专业从事传感器及胶带机保护装置研发，生产及销售的企业，产品品种繁多，门类齐全，具有电压范围宽，重复定位精度高，频率响应快，抗干扰及防水性能好，耐高温，以及安装调试方便，使用寿命长等特点，生产线具有先进的生产技术和完善的检测手段，严格参照国际标准在中国研发和生产。
DH-SJ3光电传感器物理设计性实验装置 （实验指导书） 实 验 讲 义 请勿带走 杭州大华科教仪器研究所 杭州大华仪器制造有限公司
DH-SJ3光电传感器物理设计性实验装置 光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，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它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。 光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应。大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都是内光电效应类传感器。当然近年来新的光敏器件不断涌现，如：具有高速响应和放大功能的APD雪崩式光电二极管，半导体光敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、CCD图像传感器等，为光电传感器的应用开创了新的一页。本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种光敏传感器的基本特性以及光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。 一、实验目的 1、了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 2、了解光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。 3、了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 4、了解光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。 5、了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。 二、光敏传感器的基本特性及实验原理 1、伏安特性 光敏传感器在一定的入射光强照度下，光敏元件的电流I与所加电压U之间的关系称为光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一组伏安特性曲线，它是
第 10 章 光电式传感器 、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 C.电荷 D. 电压或者电流 11、 构成CCD 勺基本单元是( ) 8、光敏电阻的特性是（ ） A.有光照时亮电阻很大 B C.无光照时暗电流很大 D 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（ A 光电管 B. C.光电池 D. 10、CCD U( ）为信号 A. 电压 B. .无光照时暗电阻很小 .受一定波长围的光照时亮电流很大 ） 光敏电阻 光电倍增管 电流
光电传感器的认识与应用 内容摘要：传感器是衡量一个国家科学技术发展的重要标志。光电传感器作为传感器中的重要一员，广泛应用于社会生活的各个方面。本文简单介绍了光电传感器的理论基础，以及光电传感器相较于其他传感器的特点及优点和常见的五种光电传感器，同时结合传感器的工作原理，举例说明了传感器在日常生活的常见应用。 关键词：光电传感器、光电效应、光敏材料 一、理论基础 1.光电效应 光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。外光电效应是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应，大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。 2.工作原理 光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。一般情况下，有三部分构成，分别为：发送器、接收器和检测电路。发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。 二、光电传感器的认识 1.结构分析 光电传感器通常由三部分构成，它们分别为：发送器、接收器和检测电路。发射器带一个校准镜头，将光聚焦射向接收器，接收器出电缆将这套装置接到一个真空管放大器上。在金属圆筒内有一个小的白炽灯做为光源，这些小而坚固的白炽灯传感器就是如今光电传感器的雏形。 接收器有光电二极管、光电三极管及光电池组成。光敏二极管是现在最常见的传感器。光电传感器光敏二极管的外型与一般二极管一样，只是它的管壳上开有一个嵌着玻璃的窗口，以便于光线射入，为增加受光面积，PN结的面积做得较大，光敏二极管工作在反向偏置的工作状态下，并与负载电阻相串联，当无光照时，它与普通二极管一样，反向电流很小称为光敏二极管的暗电流;当有光照时，载流子被激发，产生电子-空穴，称为光电载流子。 此外，光电传感器的结构元件中还有发射板和光导纤维。角反射板是结构牢固的发射装置，它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，
本红外漫反射式光电传感器的参数如下： 额定电压：+5V供电 检测距离：5毫米～60厘米（距离超远而且可调） 输出电平：TTL电平（有物体反射红外光时输出“0”，无物体反 射红外光时输出“1”） 模块体积：长55mm 宽30mm 高10mm 应用范围：机器人走迷宫或避障碍物、材料的定位剪切控制、流水 线上产品的计数、液面的高低检测、光电测速、程控小 车循黑线和避悬崖等等。 支持软件升级，具备抗干扰能力。 3线模式：两根线供电，一个根信号线。
具有向前检测和向上检测两种不同方向，方便安装和使用。 如果您购买4个或4个以上，货到了手中却发现不适合自己用，您 可以无条件退货，而且卖家承担运费。 外形参考下图：
使用方法： 本传感器模块一共有两个接线插座， 第1个4根的接线插座是程序更新，升级或者下载时用的，在模块工作的时候4根线那个插座是闲置不用的。 第2个3根的接线插座，第1根（标有+5V）和第3根（标有GND）分别接的是电源的正极和负极（+5V供电）， 中间那根（标有个”D”字的）是信号的输出端，当前面没有物体反射红外光的时候输出是高电平“1”（ 约为+5V），当前面有物体反射红外光的时候输出是低电平“0”（0V）。 本模块的测试和距离调整方法也很简单，大家按照下面的接线图接上一个发光二极管：
当前面有物体反射红外光的时候，二极管亮；当前面没有物体反射红外光的时候二极管灭。 调节可调电阻可以调节物体检测的距离。 检测距离的远近要视反射材料的反射率而定的，如表： 原理介绍:
光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束（红外、可见及紫外光辐射）的遮挡或反射，由同步回路 选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。 光电传感器的工作原理如下图所示： 本产品是一种红外光漫反射式光电传感器，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当前面有被检测物体时，物体将发射器发出 的红外光线反射到接收器，于是光电传感器就产生了开关信号。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电传感器 是首选的检测模式。 漫反射式传感器的应用范围十分广泛，机器人避障碍物或走迷宫、材料的定位剪切控制、流水线上产品的计数、液面的高低检测、光 电测速、程控小车循黑线线和避悬崖等等。 也许你会想，这样的一个传感器还不简单！用一个红外线发射管接通电源发射红外光，然后用一个红外线接收管做接收，当前面 有物体反射红外光时红外接收管导通，当前面没有物体时红外接收管截止。在理论的环境下，这种做法是可以，但是实际上红外线光 源无处不在，比如说人体能发出红外光、日光灯光线下有红外光、太阳光线下也有红外光，干扰源如此之多怎能确保你的传感器能正 常工作？这样的红外漫反射式传感器恐怕只能等晚上关灯了再用了（汗！！） 市面上的漫反射式传感器品种繁多，其性能也大有差别，从几元到几百元不等。价格低的同类产品抗干扰能力非常的差，大多数没有
第 10 章光电式传感器 、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 C.无光照时暗电流很大D 9、基于光生伏特效应工作的光电器件是（ A光电管 B. C.光电池 D. 10、CCD U(）为信号 A. 电压 B..无光照时暗电阻很小 .受一定波长范围的光照时亮电流很大 ） 光敏电阻 光电倍增管 电流 C.电荷 D. 电压或者电流 11、构成CCD勺基本单元是( ) A. P 型硅结 C. 光电二极管电容器 12、基于全反射被破坏而导致光纤特性改变勺原理，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勺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勺变化来探测各种物理量勺传感器，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( ) 之间勺电子- 空穴对复合产生勺，激励过程是使半导体中勺 载流子从平衡状态激发到非平衡状态勺激发态。 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勺激光器，也就是以掺杂勺离子型( ) 和玻璃作为工作物质勺激光器。 A. 石英晶体 B. 高纯硅 C. 绝缘晶体 D. 压电晶体 18、利用光纤本身勺某种敏感特性或功能制作勺传感器称为( ) 。 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、光纤仅起传输光波勺作用，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( ) 作为振动信息勺敏感元件,难以分离其他物理量变化产生勺影响。