传感器与检测技术的第8章,光电式传感器第一节概要
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传感器原理与应用习题第8章光电式传感器
《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。
传感器与检测技术第2版课件第8章
• 光电式传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。被测量通过 对辐射源或光学通路的影响，将被测信息调制到光波上，通常改变光波的强 度、相位、空间分布和频谱分布等，光电器件将光信号转化为电信号。电信 号经后续电路的解调分离出被测信息，从而实现对被测量的测量。
• 光电式传感器
• 光电式传感器具有非接触、快速、结构简单、性能可靠等优点， 广泛应用于自动控制、智能设备、导航系统、广播电视等各个领 域。近年来，半导体光敏传感器由于体积小、重量轻、低功耗、 灵敏度高、便于集成等特点，越来越受到重视。
• (3)光谱特性 • 光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射
光的波长(或频率)与其绝对灵敏度的关系。
8.2.2 光电倍增管及基本测量电路
• 1.结构与工作原理 • 光电倍增管能把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放
大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管 由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统。
• 2.光电倍增管的主要参数和特性
• 1)光电倍增管的倍增系数M与工作电压的关系 • 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的
δ都相同，则M= ，因此，阳极电流I为
光电倍增系数M与工作电压U的关系是光电倍增管 的重要特性。随着工作电压的增加，倍增系数也相应 增加。
• (2)光电倍增管的伏安特性 光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，它是指阴极与各倍增极之间电压
• 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。
• 在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料 禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子 —空穴对，使电阻降低。光线越强，激发出的电子一空穴对越多，电阻值越低 ；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值
• 光电式传感器
• 光电式传感器具有非接触、快速、结构简单、性能可靠等优点， 广泛应用于自动控制、智能设备、导航系统、广播电视等各个领 域。近年来，半导体光敏传感器由于体积小、重量轻、低功耗、 灵敏度高、便于集成等特点，越来越受到重视。
• (3)光谱特性 • 光电管的光谱特性通常是指阳极和阴极之间所加电压不变时，入射
光的波长(或频率)与其绝对灵敏度的关系。
8.2.2 光电倍增管及基本测量电路
• 1.结构与工作原理 • 光电倍增管能把微弱的光输入转换成电子，并使电子获得倍增的电真空器件。它有放
大光电流的作用，灵敏度非常高，信噪比大，线性好，多用于微光测量。光电倍增管 由两个主要部分构成：阴极室和若干光电倍增极组成的二次发射倍增系统。
• 2.光电倍增管的主要参数和特性
• 1)光电倍增管的倍增系数M与工作电压的关系 • 倍增系数M等于n个倍增电极的二次电子发射系数δ的乘积。如果n个倍增电极的
δ都相同，则M= ，因此，阳极电流I为
光电倍增系数M与工作电压U的关系是光电倍增管 的重要特性。随着工作电压的增加，倍增系数也相应 增加。
• (2)光电倍增管的伏安特性 光电倍增管的伏安特性也叫阳极特性，它是指阴极与各倍增极之间电压
• 光敏电阻的工作原理是基于光电导效应。
• 在无光照时，光敏电阻具有很高的阻值，在有光照时，当光子的能量大于材料 禁带宽度，价带中的电子吸收光子能量后跃迁到导带，激发出可以导电的电子 —空穴对，使电阻降低。光线越强，激发出的电子一空穴对越多，电阻值越低 ；光照停止后，自由电子与空穴复合，导电性能下降，电阻恢复原值
传感器与检测技术ppt课件
y kxb
(1-8)
若实际校准测试点有n个，则第i个校准数据与拟合直线上相
应值之间的残差为
i yi (kxi bi)
(1-9)
最新课件
18
最小二乘法
n
最小二乘法拟合直线的原理就是使
2 i
为最小值，也
i1
就是使
n
2 i
对k和b的一阶偏导数为零，即
i1
k
i22 (y kix b i)( x i)0
(1-2)
y a 1 x a 2 x 2 a 4 x 4 ... a 2 n x 2 n n=1,2… (1-3)
3、仅有奇次非线性项：
y a 1 x a 3 x 3 a 5 x 5 ... a 2 n 1 x 2 n 1 n=1,2… (1-4)
最新课件
11
动态数学模型
一般采用微分方程和传递函数描述。
最新课件
38
测量方法
1、偏差式测量
在测量过程中，用仪表指针的位移（即偏差）决定 被测量的测量方法称为偏差式测量。
最新课件
39
压力表
图1-8所示的压力表就是这类仪表的一个示例。
图1-8 压力表
最新课件
40
测量方法
2、零位式测量
在测量过程中，用指零仪表的零位指示，检测测量系统 的平衡状态；在测量系统达到平衡时，用已知的基准量决定 被测未知量的测量方法，称为零位式测量法。
1.微分方程：
dny
dn1y
dy
an dnt an1 dn1t a1 dt a0y
bm
dmx dmt
bn1
dm1x dm1t
b1
dx dt
b0x
（1-5）
传感器与检测技术8-1光电式传感器
抗干扰能力。
自适应滤波算法在光电传感器中的应用
02 根据环境噪声和信号特征，自适应调整滤波参数，提
高传感器的信噪比和稳定性。
基于大数据的光电传感器性能优化
03
通过对大量传感器数据的分析和挖掘，发现传感器性
能优化的潜在规律和策略，提高传感器的综合性能。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
有机光电材料的研究与应用
具有低成本、易加工和柔性等优点，可用于大面积、柔性可穿戴光电传感器。
钙钛矿等新型光电材料
具有高光电转换效率、可调谐带隙等优点，为光电传感器的发展提供了新的可能。
微纳加工技术在光电传感器中应用前景
01
MEMS技术在光电传感器中的应用
利用MEMS技术可实现微型化、集成化和智能化的光电传感器，提高传
光电发射效应传感器
利用光照射物体表面，使物体 发射电子或空穴的原理而制成 的传感器。
典型的光电发射效应传感器有 光电倍增管、光电子发射管等。
具有灵敏度高、响应速度快等 优点，但需要在高真空环境下 工作，且价格较高。
03 光电式传感器性能指标及 评价方法
灵敏度与响应度
灵敏度
指传感器对被测量变化的反应能力，即输出信号与输入信号 之间的比值。对于光电式传感器而言，灵敏度越高，其对光 信号的变化越敏感，能够检测到更微弱的光信号。
ADC接口电路设计
选择合适的ADC芯片
根据实际需求，选择合适的ADC芯片，考虑分辨率、转换速度、 输入范围等参数。
设计ADC接口电路
设计ADC与微处理器之间的接口电路，包括模拟信号输入、数字信 号输出、控制信号等。
考虑电路的抗干扰能力
在ADC接口电路设计中，需要考虑电路的抗干扰能力，采取合适的 措施来抑制噪声和干扰信号的影响。
传感器技术 传感器与检测技术 PPT课件
学习本课程之前，要求先修《大学物理》、《电路理论》、《模拟电 子技术》、《数字电子技术》、《电气测量技术》，本课程也是《过 程控制系统及仪表》的先修课程。
本课程的性质及适应对象
本课程为电子信息工程专业选修课程。
本科教学计划安排
章次
内容
1 绪论
2 电阻式传感器原理与应用
3 变阻抗式传感器原理与应用
4 光电式传感器原理与应用
基础知识
定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 检测技术
参考网站
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]21IC中国电子网 [7]传感技术学报网
[8]传感器资讯网
参考文献
1．王化祥,张淑英.传感器原理及应用（第3版）[M].天津:天津 大学出版社, 2007
2．杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技 大学出版社,2004
思考题与习题
第7章 流量检测
7.1 流量的基本概念 7.2 差压式流量计 7.3 电磁流量计 7.4 涡轮流量计 7.5 涡街流量计 7.6 超声流量计 7.7 质量流量计
思考题与习题
第8章 成分检测
8.1 概述 8.2 热导式气体分析仪 8.3 磁性氧量分析仪 8.4 氧化锆氧量分析仪 8.5 红外气体分析仪 8.6感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准
思考题与习题
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 电阻式传感器
思考题与习题
第3章 变阻抗式传感器原理与应用
本课程的性质及适应对象
本课程为电子信息工程专业选修课程。
本科教学计划安排
章次
内容
1 绪论
2 电阻式传感器原理与应用
3 变阻抗式传感器原理与应用
4 光电式传感器原理与应用
基础知识
定义、分类 发展趋势 选用原则 一般特性
检测电路 现代检测系统
传感器原理 检测技术
参考网站
[1]传感器课程 [2]仪表技术与传感器 [3]传感器世界 [4]中国传感器 [5]传感器技术 [6]21IC中国电子网 [7]传感技术学报网
[8]传感器资讯网
参考文献
1．王化祥,张淑英.传感器原理及应用（第3版）[M].天津:天津 大学出版社, 2007
2．杨万海.多传感器数据融合及其应用[M].西安:西安电子科技 大学出版社,2004
思考题与习题
第7章 流量检测
7.1 流量的基本概念 7.2 差压式流量计 7.3 电磁流量计 7.4 涡轮流量计 7.5 涡街流量计 7.6 超声流量计 7.7 质量流量计
思考题与习题
第8章 成分检测
8.1 概述 8.2 热导式气体分析仪 8.3 磁性氧量分析仪 8.4 氧化锆氧量分析仪 8.5 红外气体分析仪 8.6感器概述 1.3 测量误差与数据处理 1.4 传感器的一般特性 1.5 传感器的标定和校准
思考题与习题
第2章电阻式传感器原理与应用
2.1 应变式传感器 2.2 电阻式传感器
思考题与习题
第3章 变阻抗式传感器原理与应用
《传感器与检测技术》第8章光电式传感器
8.2.2 光敏二极管的基本应用电路
利用反相器可将光敏 二极管的输出电压转换 成TTL电平。
当光照增
加，Ui<（1/2）
VDD时，反相器 翻转,输出变为 什么电平？
2019年7月12日星期五
第8章 光电式传感器
8.2.3 光敏三极管的基本应用电路
（a）发射极输出电路
（b）集电极输出电路
图8-16 锗光敏三极管的两种基本应用电路
图8-7 梳状光敏电阻
2019年7月12日星期五
第8章 光电式传感器
光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减 小。
2019年7月12日星期五
第8章 光电式传感器 2）光敏二极管
１. 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中,
其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。
2019年7月12日星期五
第8章 光电式传感器
8.3 光电式传感器的应用 根据被测物、光源、光电元件三者之间的关系，光电传感器可 以分为以下四种：
（1）被测物体发光
光 电
（2）被测物体透光
传
感 器
（3）被测物体反光
（4）被测物体遮光
2019年7月12日星期五
第8章 光电式传感器
8.3.1 被测物体发光的应用实例
当无光照时，光敏 电阻值(暗电阻)很 大，电路中电流 （暗电流）很小。 当光敏电阻受到光 照时，光生电子— 空穴对增加，阻值 （亮电阻）减小， 电流（亮电流）增 大。
2019年7月12日星期五
暗电流（越小越好）
第8章 光电式传感器
②光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流
光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流 称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流
利用反相器可将光敏 二极管的输出电压转换 成TTL电平。
当光照增
加，Ui<（1/2）
VDD时，反相器 翻转,输出变为 什么电平？
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第8章 光电式传感器
8.2.3 光敏三极管的基本应用电路
（a）发射极输出电路
（b）集电极输出电路
图8-16 锗光敏三极管的两种基本应用电路
图8-7 梳状光敏电阻
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第8章 光电式传感器
光敏电阻
当光敏电阻受到光照时， 阻值减 小。
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第8章 光电式传感器 2）光敏二极管
１. 光敏二极管的结构与一般二极管相似。 它装在透明玻璃外壳中,
其PN结装在管的顶部, 可以直接受到光照射。
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第8章 光电式传感器
8.3 光电式传感器的应用 根据被测物、光源、光电元件三者之间的关系，光电传感器可 以分为以下四种：
（1）被测物体发光
光 电
（2）被测物体透光
传
感 器
（3）被测物体反光
（4）被测物体遮光
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第8章 光电式传感器
8.3.1 被测物体发光的应用实例
当无光照时，光敏 电阻值(暗电阻)很 大，电路中电流 （暗电流）很小。 当光敏电阻受到光 照时，光生电子— 空穴对增加，阻值 （亮电阻）减小， 电流（亮电流）增 大。
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暗电流（越小越好）
第8章 光电式传感器
②光敏电阻的主要参数 （1）暗电阻和暗电流
光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻， 此时流过的电流 称为暗电流。 （2）亮电阻和亮电流
《传感器与检测技术胡向东第》习题解答
当衔铁位于中间位置时， ，故输出电压 =0；当衔铁位于零位以上时， ，则 ；当衔铁位于零位以下时，则有 ， 。只能根据 的符号判断衔铁的位置在零位处、零位以上或以下，但不能判断运动的方向。
答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
y代表水银柱高（mm）, x代表输入温度（℃）。求该温度计的时间常数及灵敏度。
解：一阶传感器的微分方程为
式中τ——传感器的时间常数；
——传感器的灵敏度。
∴对照玻璃水银温度计特性的微分方程和一阶传感器特性的通用微分方程，有该温度计的时间常数为2s，灵敏度为1。
→∞时，输出为100mv。试求该传感器的时间常数。
②霍尔电势
霍尔电势与霍尔电场E、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度v、磁场感应强度B、电流I有关。
③霍尔传感器的灵敏度 。
为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。又霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。
解： ，
∴ ，
∴τ
解： ，
，
解：当 时共振，则
所以：
ω)和相位差φ(ω)各为多少？
解：二阶传感器的频率响应特性：
幅频特性：
相频特性：
∴当f=600Hz时，
，
；
当f=400Hz时，
。
第3章电阻式传感器
答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。
答：相敏检测电路原理是通过鉴别相位来辨别位移的方向，即差分变压器输出的调幅波经相敏检波后，便能输出既反映位移大小，又反映位移极性的测量信号。经过相敏检波电路，正位移输出正电压，负位移输出负电压，电压值的大小表明位移的大小，电压的正负表明位移的方向。
y代表水银柱高（mm）, x代表输入温度（℃）。求该温度计的时间常数及灵敏度。
解：一阶传感器的微分方程为
式中τ——传感器的时间常数；
——传感器的灵敏度。
∴对照玻璃水银温度计特性的微分方程和一阶传感器特性的通用微分方程，有该温度计的时间常数为2s，灵敏度为1。
→∞时，输出为100mv。试求该传感器的时间常数。
②霍尔电势
霍尔电势与霍尔电场E、载流导体或半导体的宽度b、载流导体或半导体的厚度d、电子平均运动速度v、磁场感应强度B、电流I有关。
③霍尔传感器的灵敏度 。
为了提高霍尔传感器的灵敏度，霍尔元件常制成薄片形状。又霍尔元件的灵敏度与载流子浓度成反比，所以可采用自由电子浓度较低的材料作霍尔元件。
解： ，
∴ ，
∴τ
解： ，
，
解：当 时共振，则
所以：
ω)和相位差φ(ω)各为多少？
解：二阶传感器的频率响应特性：
幅频特性：
相频特性：
∴当f=600Hz时，
，
；
当f=400Hz时，
。
第3章电阻式传感器
答：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。金属电阻应变片的工作原理是主要基于应变效应导致其材料几何尺寸的变化；半导体电阻应变片的工作原理是主要基于半导体材料的压阻效应。
传感器与检测技术8-1光电式传感器
光电式传感器的优缺点
优点
• 高灵敏度 • 快速响应 • 广泛适用于不同环境
缺点
• 受到环境光影响 • 精确度受到物体特性影响 • 成本较高
光电式传感器的市场前景
随着科技的发展和工业自动化的推进，光电式传感器的需求将继续增长。预计未来几年内，这个市场将保持稳 定增长。
光电式传感器的生产厂家
厂家1
光电式传器
光电式传感器是一种利用光学原理进行检测和测量的传感器。它们在各个领 域都有广泛的应用，如工业自动化、环境监测和机器人技术等。
什么是光电式传感器
光电式传感器是一种使用光学技术进行检测和测量的传感器，可以将光信号 转换为电信号。它们通过感受和分析光的特性来实现不同的应用。
光电式传感器的工作原理
其他类型的光电式传感器
包括光电投射式传感器、光电闪烁式传感器、 光电静态式传感器和光电旋转式传感器等。
光电式传感器的应用领域
1 工业自动化
用于检测物体的位置、速度和方向以及控制 生产过程。
2 安全监测
用于检测火灾、烟雾和其他危险物质。
3 智能交通
用于检测交通信号灯、行人和车辆的存在。
4 环境监测
用于检测空气质量、水质以及其他环境因素。
光电式传感器通过发射光线并接收反射光线来检测物体的存在或特定属性。它们使用光电效应和光敏器件来将 光信号转换为电信号。
光电式传感器的分类
反射型光电式传感器
通过检测被物体反射的光信号来判断物体的存 在与否。
光电障碍物检测传感器
用于检测是否有物体在路径上阻挡光线的传感 器。
侧推型光电式传感器
通过检测光线被物体阻挡的程度来判断物体的 存在与否。
该公司是光电式传感器领域的领军企业，提供多种 类型的传感器和解决方案。
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
传感器与检测技术-第8章 光电式传感器
光电式传感器是一种基于光电效应的传感器技术，利用光的特性来实现对物 体的检测和测量。本章将介绍光电式传感器的原理、分类以及各种应用。
光电开关传感器
工作原理
光电开关传感器通过发送光线，并接收反射光线来检测物体的存在。
应用场景
广泛应用于自动化生产线上的物体检测、检测门的状态是否打开或关闭等。
光电测距传感器
1 原理
2 应用
光电测距传感器通过发送光脉冲并测量返 回时间来计算物体的距离。
广泛应用于测距仪、机器人导航等需要测 量距离的领域。
光电旋转编码器
原理
光电旋转编码器利用光栅原理来测量物体的旋 转运动。
应用
常见于机器人关节的位置控制、旋钮的位置检 测等。
光电非接触式测量传感器
原理
光电非接触式测量传感器利用光的干涉或散射来 测量物体的尺寸。
光电反射式传感器
原理
光电反射式传感器利用物体对光的反射来进行检 测和测量。
应用
适用于停车场的车辆检测、印刷机上的纸张检测 等。
光电遮断式传感器
1
工作原理
光电遮断式传感见于自动门、自动售货机等需要检测物体是否接近的场合。
3
创意应用
可以应用于制作光电乐器或触摸交互装置。
应用
常用于物体距离检测、非接触式测量等。
光电式压力传感器
1
原理
光电式压力传感器通过测量物体对光的压力变化来进行压力测量。
2
应用
适用于工业领域的压力监测、医疗设备中的生理参数测量等。
光电式温度传感器
原理
光电式温度传感器利用光的特性来测量物体的温度。
应用
常用于工业过程控制、医疗设备等需要精确测量温度的场景。
传感器与检测技术的第8章,光电式传感器第一节概要
图8-6 光电倍增管的特性曲线
8.1 光电器件
（3）光谱特性
◆光电倍增管的光谱特性与相同材料光电管的光谱特性很相似。
（4）暗电流及本底电流
◆当管子不受光照，但极间加入电压时在阳极上会收集到电子， 这时的电流称为暗电流，。
◆如果光电倍增管与闪烁体放在一起，在完全避光情况下，出现 的电流称本底电流，其值大于暗电流。增加的部分是宇宙射线 对闪烁体的照射而使其激发，被激发的闪烁体照射在光电倍增 管上而造成的。本底电流具有脉冲形式，因此也成为本底脉冲。
图8-12 光敏电阻的频率特性
为硫化镉和硫化铅的光敏电阻的频率特性。
8.1 光电器件
4．光敏电阻基本应用电路
◆在图8-13所示的电 路中，我们利用光 敏电阻将光线的强 弱变为电阻值的变 化，以达到光控制 电路的目的。
图8-13 CDS 实验电路
8.1 光电器件
8.1.5 光敏二极管和光敏晶体管
1．结构原理
◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价 带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：
电子能量E 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
导带 禁带 价带
Eg
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电 率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 hc 1.24 hv 电导材料的禁带宽度Eg，即： E
第8章 光电式传感器
8.1 8.2 8.3 光电器件 光纤传感器 红外传感器
1
2
3
概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。
传感器与检测技术胡向东第版习题解答
传感器与检测技术（胡向东，第2版）习题解答王涛第1章概述什么是传感器答：传感器是能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。
传感器的共性是什么答：传感器的共性就是利用物理定律或物质的物理、化学或生物特性，将非电量（如位移、速度、加速度、力等）输入转换成电量（电压、电流、频率、电荷、电容、电阻等）输出。
传感器一般由哪几部分组成答：传感器的基本组成分为敏感元件和转换元件两部分，分别完成检测和转换两个基本功能。
②按传感器的工作原理进行分类根据传感器的工作原理（物理定律、物理效应、半导体理论、化学原理等），可以分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器、光电式传感器等。
③按传感器的基本效应进行分类根据传感器敏感元件所蕴含的基本效应，可以将传感器分为物理传感器、化学传感器和生物传感器。
改善传感器性能的技术途径有哪些答：①差动技术；②平均技术；③补偿与修正技术；④屏蔽、隔离与干扰抑制；⑤稳定性处理。
第2章传感器的基本特性什么是传感器的静态特性描述传感器静态特性的主要指标有哪些答：传感器的静态特性是它在稳态信号作用下的输入、输出关系。
静态特性所描述的传感器的输入-输出关系中不含时间变量。
衡量传感器静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性和漂移。
利用压力传感器所得测试数据如下表所示，计算非线性误差、迟滞和重复性误差。
设压力解：①求非线性误差，首先要求实际特性曲线与拟合直线之间的最大误差，拟合直线在输入量变化不大的条件下，可以用切线或割线拟合、过零旋转拟合、端点平移拟合等来近似地代表实际曲线的一段（多数情况下是用最小二乘法来求出拟合直线）。
（1）端点线性度： 设拟合直线为：y=kx+b, 根据两个端点（0，0）和（，），则拟合直线斜率： ∴*+b= ∴b=0（2）最小二乘线性度： 设拟合直线方程为01y a a x =+， 误差方程01()i i i i i y y y a a x v ∧∧-=-+= 令10x a =，21x a =由已知输入输出数据，根据最小二乘法，有：直接测量值矩阵0.644.047.4710.9314.45L ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，系数矩阵10.0210.0410.0610.0810.10A ⎡⎤⎢⎥⎢⎥⎢⎥=⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦，被测量估计值矩阵01a X a ∧⎡⎤=⎢⎥⎣⎦由最小二乘法：''A A X A L ∧=，有答：非线性误差公式：max 0.106100%100%0.64%16.50L FS L Y γ∆=±⨯=⨯= ② 迟滞误差公式：max100%H FSH Y γ∆=⨯， 又∵最大行程最大偏差max H ∆=，∴max 0.1100%100%0.6%16.50H FS H Y γ∆=⨯=⨯= ③ 重复性误差公式：max100%L FSR Y γ∆=±⨯， 又∵重复性最大偏差为max R ∆=，∴max 0.08100%100%0.48%16.50L FS R Y γ∆=±⨯=±⨯=± 用一阶传感器测量100Hz 的正弦信号，如果要求幅值误差限制在±5％以内，时间常数应取多少如果用该传感器测量50Hz 的正弦信号，其幅值误差和相位误差各为多少 解：一阶传感器频率响应特性：1()()1H j j ωτω=+幅频特性：()A ω=由题意有()15%A ω-≤15%-≤又22200f Tπωππ=== 所以：0＜τ＜取τ=，ω=2πf=2π×50=100π幅值误差：()100% 1.32%A ω∆==-所以有%≤△A(ω)＜0相位误差：△φ(ω)=-arctan(ωτ)= 所以有≤△φ(ω)＜0某温度传感器为时间常数τ=3s 的一阶系统，当传感器受突变温度作用后，试求传感器指示出温差的三分之一和二分之一所需的时间。
《传感器与检测技术》第八章光电式传感器
光 检 测 放 大
烟 筒
刻 度 校 对
显 示 报 警 器
吸收式烟尘浊度监测系统组成框图
3．包装充填物高度检测
光电开光
光电信号
h 放大 整形 放大
执行机构
利用光电检测技术控制充填高度
五、光电耦合器件
1．光电耦合器 （1）耦合器的组合形式
（2）耦合器的结构形式
（3）耦合器常见的特性
对于光电耦合器的特性，应注意以下各项参数。 1）电流传输比 2）输入输出间的绝缘电阻 3）输入输出间的耐压 4）输入输出间的寄生电容 5）最高工作频率 6）脉冲上升时间和下降时间
的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。
光敏晶体管的结构与原理电路
原理：光照射在集电结上时 ，形成光电流，相当于 三极管的基极电流。因而集电极电流是光生电流的 β倍，所以光敏晶体管有放大作用。
（3）基本特性 1）光谱特性
应用：光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。但 对红外光进行探测时，锗管较为适宜。
运动的“粒子流”，这种粒子称为光子。每个光子具
有的能量为： E=h·υ
υ—光波频率； h—普朗克常数，h＝6.63*10-34J/Hz
对不同频率的光，其光子能量是不相同的，光波频率 越高，光子能量越大。用光照射某一物体，可以看 做是一连串能量为hγ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
2．光电开关 （1）典型的光电开关结构
（2）光电开关的应用
第二节 光纤传感器
光纤传感器FOS（Fiber Optical Sensor)用光作为敏 感信息的载体，用光纤作为传递敏感信息的媒质。 因此，它同时具有光纤及光学测量的特点。
传感原理与检测技术PPT课件-第八章 光电检测
光敏电阻由绝缘底座、半导体薄膜和电极三部分组成，制备的材料 一般为金属的硫化物、硒化物等。
导带 自由电子所占能带
Eg
禁带 不存在电子所占能带
价带 价电子所占能带
8.2 光电效应及光电器件
8.2.2 内光电效应及器件
光敏电阻的主要参数
暗电阻——光敏电阻在不受光线照射时的阻值。 暗电流——光敏电阻在不受光线照射时流过的电流。 亮电阻——光敏电阻受光线照射时的阻值。 亮电流——光敏电阻受光线照射时流过的电流。 光电流——光敏电阻的亮电流和暗电流之差。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，即光电流
光电式传感器的分类 按照输出量的性质分类：模拟式光电传感器(把被测量转
换为与之成单值对应关系的连续变化的光电流)和数字式 光电传感器(把被测量转换为断续变化的光电流，系统输 出为开关量的电信号)。
8.1 光电检测的基本概念
8.1.1 光电检测的基本概念
按照工作原理分类：光电效应传感器、红外热释电传感 器、固体图像传感器和光纤传感器。
光电三极管具有比光电二极管更高的灵敏度。
8.2 光电效应及光电器件
8.2.3 阻挡层光电效应及器件
光电晶体管的基本特性
光谱特性 当入射光的波长增加时，相对灵敏度下降。
伏安特性 光电晶体管把光信号变成电信号而且输出的电信号较大。
8.2 光电效应及光电器件
8.2.3 阻挡层光电效应及器件
光照特性 根据光电晶体管的光照特性曲线，光电晶体管的输出电
8.2 光电效应及光电器件
8.2.2 内光电效应及器件
光电池
光电池/光伏电池是一种利用阻挡层光电效应把光直接转 变成电能的器件，属于自动发电式，即在有光线作用下 实质上就是电源。
导带 自由电子所占能带
Eg
禁带 不存在电子所占能带
价带 价电子所占能带
8.2 光电效应及光电器件
8.2.2 内光电效应及器件
光敏电阻的主要参数
暗电阻——光敏电阻在不受光线照射时的阻值。 暗电流——光敏电阻在不受光线照射时流过的电流。 亮电阻——光敏电阻受光线照射时的阻值。 亮电流——光敏电阻受光线照射时流过的电流。 光电流——光敏电阻的亮电流和暗电流之差。 一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好，即光电流
光电式传感器的分类 按照输出量的性质分类：模拟式光电传感器(把被测量转
换为与之成单值对应关系的连续变化的光电流)和数字式 光电传感器(把被测量转换为断续变化的光电流，系统输 出为开关量的电信号)。
8.1 光电检测的基本概念
8.1.1 光电检测的基本概念
按照工作原理分类：光电效应传感器、红外热释电传感 器、固体图像传感器和光纤传感器。
光电三极管具有比光电二极管更高的灵敏度。
8.2 光电效应及光电器件
8.2.3 阻挡层光电效应及器件
光电晶体管的基本特性
光谱特性 当入射光的波长增加时，相对灵敏度下降。
伏安特性 光电晶体管把光信号变成电信号而且输出的电信号较大。
8.2 光电效应及光电器件
8.2.3 阻挡层光电效应及器件
光照特性 根据光电晶体管的光照特性曲线，光电晶体管的输出电
8.2 光电效应及光电器件
8.2.2 内光电效应及器件
光电池
光电池/光伏电池是一种利用阻挡层光电效应把光直接转 变成电能的器件，属于自动发电式，即在有光线作用下 实质上就是电源。
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◆当光照射到光电导体上时，若这个光电导体为本征半 导体材料，而且光辐射能量又足够强，光电导材料价 带上的电子将被激发到导带上去，如图8-2所示：
电子能量E 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
导带 禁带 价带
Eg
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电 率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 hc 1.24 hv 电导材料的禁带宽度Eg，即： E
（1）倍增系数M
◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。 n 如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi ，因此，阳极电 流I为： n
I i iຫໍສະໝຸດ ◆ M与所加电压有关，一般在10 5 ~108之间。如果电压有波 动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一 般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增 电极的电压差为50V－100V。
1 hv mv0 2 A0 （8-2） 2
式中：m－电子质量；v0－电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
8.1 光电器件
◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的 逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值， 成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件， 如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。
◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的 光电阴极。
8.1 光电器件
8.1.3 光电倍增管
1．结构与原理
◆光电倍增管也是基于
外光电效应的器件。 由于真空光电管的灵 敏度较低，因此人们 便研制了光电倍增管， 其工作原理如图8-5所 示。
图8-5 光电倍增管的外型和工作原理
8.1 光电器件
2．主要参数
8.1 光电器件
8.1.1 光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外
光电效应和内光电效应两大类。 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，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能 力由下式确定：
E hv
8.1 光电器件
8.1.2 光电管
1．结构与工作原理
◆光电管是外光电效应的器件， 有真空光电管和充气光电管 两类。 ◆光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内 壁上做成，其感光面对准光 图8-3 光电管的结构 的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些 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，在外电路就产生电流。
8.1 光电器件
（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的
平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图8-6所示。极间 电压越高，灵敏度越高；但 极间电压也不能太高，太高 反而会使阳极电流不稳。另 外，由于光电倍增管的灵敏 度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损坏。
g
8.1 光电器件
●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生
一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有 光电池和光敏晶体管等。
① 势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区 域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 ② 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子 浓度梯度将会产生侧向光电效应。
8.1 光电器件
2．主要性能
（1）光电管的伏安特性
◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的 电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所 示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
图8-4 光电管的伏安特性
8.1 光电器件
（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和 阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间 的关系为光电管的光照特性。 ◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比 称为光电管的灵敏度。
第8章 光电式传感器
8.1 8.2 8.3 光电器件 光纤传感器 红外传感器
1
2
3
概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。
◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，
具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特 点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了 广泛的应用。
8.1 光电器件
2．内光电效应
◆受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电 动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。
●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 阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这 种效应的器件有光敏电阻等。
8.1 光电器件
式中： 34 h——普朗克常数，6.626×10 （J∙s）； υ——光的频率（s 1 ）。
8.1 光电器件
◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0
时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一 个电子逸出，则光子能量hυ必须超出逸出功A0，超 过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即
8.1 光电器件
（3）光电管光谱特性
◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的 红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。 ◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0， 并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的 光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率 的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。
8.1 光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主要的部 件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示 被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表 示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。
图8-1 光电式传感器的工作原理
电子能量E 自由电子所占能带 不存在电子所占能带 价电子所占能带
导带 禁带 价带
Eg
图8-2 电子能级示意图
从而使导带的电子和价带的空穴增加，致使光导体的导电 率变大。为了实现能级的跃迁，入射光的能量必须大于光 hc 1.24 hv 电导材料的禁带宽度Eg，即： E
（1）倍增系数M
◆倍增系数M等于各倍增电极的二次电子发射电子δi的乘积。 n 如果n个倍增电极的δi都一样，则M=δi ，因此，阳极电 流I为： n
I i iຫໍສະໝຸດ ◆ M与所加电压有关，一般在10 5 ~108之间。如果电压有波 动，倍增系数也要波动，因此M具有一定的统计涨落。一 般阳极和阴极的电压为1000V－2500V，两个相邻的倍增 电极的电压差为50V－100V。
1 hv mv0 2 A0 （8-2） 2
式中：m－电子质量；v0－电子逸出速度。
该方程称为爱因斯坦光电效应方程。
8.1 光电器件
◆由式（8-2）可知：光电子能否产生，取决于光子的能量是 否大于该物体的表面电子逸出功A0。不同物体具有不同的 逸出功，这意味着每一个物体都有一个对应的光频阀值， 成为红限频率或波长限。光线频率小于红限频率的入射光， 光强再大也不会产生光电子发射。 ◆当入射光的频谱成分不变时，产生的光电流与光强成正比。 ◆光电子逸出物体表面具有初始动能，因此外光电效应器件， 如光电管即使没有加阳极电压，也会有光电流产生。
◆所以，对各种不同波长区域的光，应选用不同材料的 光电阴极。
8.1 光电器件
8.1.3 光电倍增管
1．结构与原理
◆光电倍增管也是基于
外光电效应的器件。 由于真空光电管的灵 敏度较低，因此人们 便研制了光电倍增管， 其工作原理如图8-5所 示。
图8-5 光电倍增管的外型和工作原理
8.1 光电器件
2．主要参数
8.1 光电器件
8.1.1 光电效应
◆光电器件工作的物理基础是光电效应。光电效应分为外
光电效应和内光电效应两大类。 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，如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。 我们知道，光子是具有能量的粒子，每个光子具有的能 力由下式确定：
E hv
8.1 光电器件
8.1.2 光电管
1．结构与工作原理
◆光电管是外光电效应的器件， 有真空光电管和充气光电管 两类。 ◆光电阴极通常是用逸出功小 的光敏材料徐敷在玻璃泡内 壁上做成，其感光面对准光 图8-3 光电管的结构 的照射孔。当光线照射到光敏材料上，便有电子逸出，这些 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，在外电路就产生电流。
8.1 光电器件
（2）阴极灵敏度和总灵敏度一个光子在阴极上能够打出的
平均电子数叫做光电阴极的灵敏度。而一个光子在阳极上产 生的平均电子数叫做光电倍增管的总灵敏度。 光电倍增管的放大倍数或总 灵敏度如图8-6所示。极间 电压越高，灵敏度越高；但 极间电压也不能太高，太高 反而会使阳极电流不稳。另 外，由于光电倍增管的灵敏 度很高，所以不能受强光照 射，否则将会损坏。
g
8.1 光电器件
●光生伏特效应：在光线作用下能够使物体产生
一定方向电动势的现象。基于该效应的器件有 光电池和光敏晶体管等。
① 势垒效应（结光电效应） 接触的半导体和PN结中，当光线照射其接触区 域时，便引起光电动势，这就是结光电效应。 ② 侧向光电效应 当半导体光电器件受光照不均匀时，由载流子 浓度梯度将会产生侧向光电效应。
8.1 光电器件
2．主要性能
（1）光电管的伏安特性
◆在一定的光照射下，对光电器件的阴极所加电压与阳极所产生的 电流之间的关系称为光电管的伏安特性。 ◆真空光电管和充气光电管的伏安特性分别如同8-4（a）和（b）所 示。它是应用光电传感器参数的主要依据。
图8-4 光电管的伏安特性
8.1 光电器件
（2）光电管的光照特性：通常指当光电管的阳极和 阴极之间的所加电压一定时，光通量和光电流之间 的关系为光电管的光照特性。 ◆光电管阴极材料不同，其光照特性也不同。 ◆光照特性曲线的斜率（光电流与入射光通量之比 称为光电管的灵敏度。
第8章 光电式传感器
8.1 8.2 8.3 光电器件 光纤传感器 红外传感器
1
2
3
概述
光电式传感器是将光通量转换为电量的一 种传感器，光电式传感器的基础是光电转换元 件的光电效应。
◆由于光电测量方法灵活多样，可测参数众多，
具有非接触、高精度、高可靠性和反应快等特 点，使得光电传感器在检测和控制领域获得了 广泛的应用。
8.1 光电器件
2．内光电效应
◆受光照的物体导电率发生变化，或产生光生电 动势的效应叫内光电效应。内光电效应又可分 为以下两大类。
●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 阻率变化，这种效应称为光电导效应。基于这 种效应的器件有光敏电阻等。
8.1 光电器件
式中： 34 h——普朗克常数，6.626×10 （J∙s）； υ——光的频率（s 1 ）。
8.1 光电器件
◆若物体中电子吸收的入射光的能量足以克服逸出功A0
时，电子就逸出物体表面，产生电子发射。故要使一 个电子逸出，则光子能量hυ必须超出逸出功A0，超 过部分的能量，表现为逸出电子的动能。即
8.1 光电器件
（3）光电管光谱特性
◆一般对于光电阴极材料不同的光电管，它们有不同的 红限频率v0，因此它们可用于不同的光谱范围。 ◆即使照射在阴极上的入射光的频率高于红限频率v0， 并且强度相同，随着入射光频率的不同，阴极发射的 光电子的数量还会不同，即同一光电管对于不同频率 的光的灵敏度不同，这就是光电管的光谱特性。
8.1 光电器件
光电器件是构成光电式传感器最主要的部 件。光电式传感器的工作原理如图8-1所示：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。图中x1表示 被测量能直接引起光量变化的检测方式；x2表 示被测量在光传播过程中调制光量的检 测方式。
图8-1 光电式传感器的工作原理