光电传感器考试必备复习材料综述

第一章 光电传感器 光电效应

一、外光电效应：在光线作用下，能使电子逸出物体表面的现象。如光电管和光电倍增管。

外光电效应器件:光电管和光电倍增管。 二、内光电效应：

（a) 光电导效应:在光线作用下能使物体的电阻率改变的现象。如光敏电阻。

（b)光生伏特效应：在光线作用下使物体产生一定方向的电动势的现象，也称为阻挡层光电效应。如光电池、光敏晶体管等光电器件。

内光电效应器件：光敏电阻、光电池和光敏二极管和光敏晶体管 三、光照射物体时，电子吸收入射光子的能量，每个

光子具有的能量是：

E h γ

=

h ——普朗克常数(h=6.62620*10-34 尔格.秒)

γ——光的频率（Hz ）

，波长短，频率高，能量大

能量守恒定律

如果光子的能量E 大于电子的逸出功A ，超出的能量表现在电子逸出的动能，电子逸出物体表面，产生光电子发射。

能否产生光电效应，取决于光子的能量是否大于物体表面的电子逸出功。也就是说，能否产生光电效应只与光子的频率γ和普朗克常量h 有关，与光照强度无关。

红限频率或长波限：当光子的能量等于光子的逸出功时，即E=h γ=A 时，γ就是红限频率或长波限。

光敏电阻:

1.结构和原理

当无光照时，光敏电阻值(暗电阻)很大，电路中电流很小 当有光照时，光敏电阻值(亮电阻)急剧减少，电流迅速增加

2

012E h mv A

γ==+

逸出后的电子动能 逸出功

所吸收的光子能量

2．光敏电阻的特性（非线性）

暗电阻和暗电流:光敏电阻在室温条件下，在全暗后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时流过的电流，称为暗电流。

亮电阻:光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻，此时流过的电流称为亮电流。

光电流:亮电流与暗电流之差，称为光电流。

伏安特性

在一定照度下，光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系

1、在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大；

2、在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。

3、光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的，

4、耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。

光照特性

光敏电阻的光电流与光强之间的关系

由于光敏电阻的光照特性呈非线性，因此不宜作为测量元件，

一般在自动控制系统中常用作开关式光电信号传感元件。

各种效应

光电池：

（1）光谱特性：光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的，可见硒光电池适用于可见光，常用于照度计。故在实际应用中，要根据光源频率选光电池，或根据光电池选光源。

(2)光照特性：

不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。

短路电流与光照度成线性关系；开路电压与光照度是非线性的

光电池作为测量元件使用时，要求输入量与输出量呈线性关系，

应把它当作电流源的形式来使用。

光敏二极管和光敏晶体管：

光敏二极管的工作原理：

结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外壳中在电路中一般是处于反向工作状态的

工作原理：

光敏二极管在电路中一般处于反向偏置状态，无光照时，反向电阻很大，反向电流很小；有光照时，PN结处产生光生电子空穴对；在电场作用下形成光电流，光照越强光电流越大；

光敏三极管：

与一般晶体管很相似，具有两个pn结。把光信号转换为电信号同时，又将信号电流加以放大。

特性：

（1）光谱特性

可见光或探测赤热状态物体时，一般都用硅管。

在红外光进行探测时，则锗管较为适宜。

（2）伏安特性

（3）光照特性：光敏三极管输出电流与照度间呈近似线性关系，故可用于测量，也可用于开关元件。光敏二极管的光照特性曲线的线性相对光敏三极管更好。

（4）温度特性：温度变化对光电流影响较小，而对暗电流影响很大。

应用中，就对暗电流进行温度补偿。

（5）频率响应：频率特性受负载电阻的影响较大，减小负载电阻可以提高频率响应。

光电位置传感器：

光电位置传感器应用：分析下列的电路图（只做参考）

光电开关: 透射式和反射式

门窗防盗报警:原理要掌握，要看懂电路图

光电器件前置放大器反馈电阻的计算

设每LX的输入，光电流IIN=5.5nA.如果取反馈电阻为180Ω，则每LX就可以得到1mV的输出电压。如照度范围为(0~2000LX)则输出电压为（0~2V）

电容Cf作用：为了不产生自激振荡，需要的去耦电容

光栅式传感器：

功能：用于线位移和角位移以及转换为长度的物理量的测量。其原理简单、测量精度高、测量范围广，易于实现数字显示和自动化测量。

光栅传感器组成：光栅传感器由光路系统、标尺光栅（主光栅）和指示光栅。

通常指示光栅比标尺光栅短得多，但两者刻有同样密度的纹线，测位移时，指示栅固定不动，标尺光栅移动。

莫尔条纹：

相邻的两明暗条纹之间的距离B称为莫尔条间距。

横向莫尔条纹重要特性:

①莫尔条纹运动与光栅运动具有对应关系，条纹的移动反映标尺光栅与指示光栅相对移动的大小和方向。标尺移动一个栅距W,莫尔条纹移动一个条纹间距BH，莫尔条纹的光强度按正弦规律变化。

②莫尔条纹具有位移放大作用

③莫尔条纹具有平均光栅误差作用：所产生的条纹由所有刻线产生而不是一条刻线产生，故起到平均误差的作用

辨向原理：物体正向移动时，并将得到的脉冲数累加，而物体反向移动时就从已累加的脉冲数中减去反向移动所得的脉冲数。

第二章几何光学

费马原理：光从一点传播到另一点是沿着光程为极值（极大、极小、常量）的路径传播的。

光程：光线在介质中传播的距离与该介质折射率的乘积。

折射率：是光在某种介质中被阻挡的程度。

组成光学系统的各个光学元件的表面曲率中心同在一条直线上，则称为共轴光学系统，该直线叫作光轴。

完善成像条件：由物点发出的通过光学系统到达像点的任意光路的光程相等。

轴向放大率：它表示光轴上一对共轭点沿轴向移动量之间的关系。

角放大率:定义为折射光线的孔径角和它对应的入射光线的孔径角的比值。

角放大率表示折射球面将光束变宽或变细的能力，角放大率只与共轭点的位置θ

θθW

W W

B H

=

≈

=

2

2

2

sin

2