传感器与检测技术_第4章4.1 光电效应和光电器件
传感器原理及检测技术(pdf 67页)
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。
4.1光电效应和光电器件
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏二极管外形
包含1024个InGaAs元件的线性光 电二极管阵列，可用于分光镜。
第4章 光电式传感器原理与应用
(4)温度特性
温度变化对光电流的影响很小，对暗电流 的影响很大。故电子线路中应对暗电流进行 温度补偿。
第4章 光电式传感器原理与应用
(5)频率特性
100 80 60 40 20 0
相对灵敏度（%）
f(kHZ)
1 10 100
减小负载电阻可以提高响应频率，但将使输出降低。 故使用时要根据频率选择最佳的负载电阻。硅管的响 应频率比锗管的好。
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏电阻
I RL RG
E
第4章 光电式传感器原理与应用
光敏电阻的主要参数和基本特性
（1）暗电阻、亮电阻、光电流
暗电阻：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经 过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压 下流过的电流。 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。 光电流：亮电流与暗电流之差。 光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就 是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度 越高。 实用光敏电阻的暗电阻往往超过1MΩ,甚至高达100MΩ， 而亮电阻则在几kΩ以下，暗电阻与亮电阻之比在102～106之 间，可见光敏电阻的灵敏度很高。
第4章 光电式传感器原理与应用
外光电效应
光电式传感器原理与应用
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。
传感器与检测技术期末考试试题与答案
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。
传感器技术与应用(第2版) 第4章 光电式传感器
I = F1（f ）
或
S = F2（f ）
称为频率特性。以光生伏打效应原理工作的
光敏元件（如光电池）频率特性较差，
以内光电效应原理工作的光敏元件（如 光敏电阻）频率特性更差。
图4 -11各种光敏元件的频率响应
(a)光敏电阻器；(b)光电池；(c)光敏三极管
5.温度特性
部分光敏器件输出受温度影响较大。
光敏电阻，当温度上升时，暗电流增大， 灵敏度下降。
光敏晶体管，由于温度变化对暗电流影响 非常大，并且是非线性的，给微光测量带来 较大误差。
光电池受温度的影响主要表现在开路电压 随温度增加而下降，短路电流随温度上升缓 慢增加。
第4章 光电式传感器
4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6 4.7 4.8
光电效应 光电器件 红外线传感器 色彩传感器 CZG－GD－500系列紫外火焰传感器 光纤传感器 光传感器应用实例 实训
4.1 光电效应
4.1 光电效应
光电元件的理论基础是光电效应。
红外线传感器可以检测到这些物体发射出 的红外线，用于测量、成象或控制。
用红外线作为检测媒介，来测量某些非电 量，比可见光作为媒介的检测方法要好。其 优越性表现在：
(1) 红外线（指中、远红外线）不受周围可见 光的影响，故可在昼夜进行测量。
(2) 由于待测对象发射出红外线，故不必设光 源。
图 4 -14 热释电红外传感器等效电路
4.PVF2 热释电红外传感器 PVF2是聚偏二氟乙烯的缩写，是一种经
过特殊加工的塑料薄膜。
传感器与检测技术第四版 第四章
要求各个码道刻划精确，彼此对准，给码盘制作造成很大困难 有—个码道提前或延后改变，就可能造成输出的粗大误差
消除粗大误差方法： (1) 双读数头法，循环码代替二进制码
六位循环码码盘
特点：
(1) n位循环码码盘具有2n种不同编码；
(2) 循环码码盘具有轴对称性， 其最高位相反，其余各位相同
二进制码转换为循环码的电路
循环码转变为二进制码的电路
循环码是无权码，直接译码有困难， 一般先转换为二进制码再译码
单盘与多盘编码器：
单盘编码器： 全部码道在一个圆盘上，结构简单，使用方便
多盘编码器： 几个码盘通过机械传动装置连成一起，可大大提高分辨率
4.2.4 光电码盘的应用
光学码盘测角仪
脉冲当量变换
(3) 循环码为无权码 (4) 循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，
不会产生粗误差
4.2.3 二进制码与循环码的转换
十进制数 0 1 2 3 4 5 6 7
二进制码 0000 0001 0010 0011 0100 0101 0110 0111
循环码 0000 0001 0011 0010 0110 0111 0101 0100
阻挡层光电效应(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。 如光电池、光敏晶体管
4.1.1 光电管
4.1.2 光电倍增管
特点：放大光电流。 结构：光电阴极+若干倍增极+阳极 工作原理： 二次电子发射系数 σ =二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1.3 光敏电阻
4.1.6 光电式传感器的应用
1. 模拟式光电传感器的应用 原理： 光电器件的光电流随光通量而变化，是光通量的函数。 光通量随被测非电量而变化，这样光电流就是被测非电量的函数 光电比色高温计
传感器与检测技术(填空)
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。
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4.1 光电效应和光电器件 4.2 光电
光电式传感器
工作原理：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。
1
2
辐射源
光学通路
I
光电元件
x1
x2
光电式传感器方框图
光电效应 ？
波
物理学中认为光是由分离的能团——光子组成 粒子
能量： E hf
4.1.6 光电式传感器的应用
模拟式传感器 脉冲式传感器
1. 模拟式光电传感器
基于光电器件的光电流随光通量而发生变化，是光通 量的函数 。 对于光通量的任意一个选定值，对应的光电流就有一 个确定的值，而光通量又随被测非电量的变化而变化， 这样光电流就成为被测非电量的函数。
光电比色高温计
1－物镜；2－平面玻璃；3－光阑；4－光导棒；5－分光镜； 6－滤光片；7－硅光电池；8－滤光片；9－硅光电池； 10－瞄准反射镜；11－圆柱反射镜；12－目镜；13－多夫棱镜 14、15－硅光电池负载电阻；16－可逆电机；17－电子电位差计
用导线将pn结两端用导线连接起来，就有电流流 过，电流的方向由P区流经外电路至n区。若将电 路断开，就可以测出光生电动势。
2． 基本特性
(1) 光谱特性 (2) 光照特性 (3) 频率响应 (4) 温度特性 (5) 稳定性
（1）光谱特性
光电池对不同波长的光，灵敏度是不同的
(2)光照特性
不同光照度下，光电流和光生电动势是不同的。
光电倍增管的结构 与工作原理
光电阴极 光电倍增极 阳极 倍增极上涂有Sb-Cs或Ag-Mg等光敏材料，并且电 位逐级升高
阴极发射的光电子以高速射到倍增极上，引起二 次电子发射
二次电子发射系数 σ = 二次发射电子数／入射电子数 若倍增极有n，则倍增率为σn
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
光敏电阻的灵敏度易受潮湿的影响，因此要将光电导体严密封装 在带有玻璃的壳体中。
2．光敏电阻的基本特性
（1）伏安特性 （2）光照特性 （3）光谱特性 （4）响应时间和频率特性 （5）温度特性
（1）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
在给定的偏压情况下，光照度越大，光电流也就越大； 在一定光照度下，加的电压越大，光电流越大，没有饱和现象。 光敏电阻的最高工作电压是由耗散功率决定的， 耗散功率又和面积以及散热条件等因素有关。
4.1.1 外光电效应（光电发射型）
在光线作用下使电子逸出物体表面的现象。 如光电管、光电倍增管
光电管
当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子， 电子被带正电位的阳极所吸引，在光电管内就有电 子流，在外电路中便产生了电流。
真空光电管的伏安特性
充气光电管的伏安特性
充气光电管: 构造和真空光电管基本相同，优点是灵敏度高. 所不同的仅仅是在玻璃泡内充以少量的惰性气体 其灵敏度随电压变化的稳定性、频率特性等都比真空光电管差
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，应把它当作电流源的形式来使用
负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽
(3)频率响应
指输出电流随调制光频率变化的关系
硅光电池具有较高的频率响应 ,用于高速计数的光电转换
(4)温度特性
开路电压和短路电流随温度变化的关系。 关系到应用光电池的仪器的温度漂Hale Waihona Puke ，影响到光敏电阻的频率特性
不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间，所以它 们的频率特性也就不尽相同。
（5）温度特性
光敏电阻受温度的影响较大。当温度升高时，它 的暗电阻和灵敏度都下降。
温度系数:
R2 R1 100 %C 1
(T2 T1 )R2
在一定光照下，温度每变化1℃， 光敏电阻阻值的平均变化率
硫化镉光敏电阻的温度特性
温度对光谱特性影响
随着温度升高，光谱响应峰值向短波方向移动。因此， 采取降温措施，可以提高光敏电阻对长波光的响应。
硫化铅光敏电阻的光谱温度特性
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
（2）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。
（3）光谱特性
光敏电阻对不同波长的光，灵敏度是不同的
（4）响应时间
光电导的弛豫现象：光电流的变化对于光的变化，在 时间上有一个滞后。
通常用响应时间t表示。
（1）光谱特性
入射光的波长增加时，相对灵敏度要下降
硅和锗光敏二极（晶体）管的光谱特性 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
硅 光 敏 管 的 伏 安 特 性
（3）光照特性
硅光敏管的光照特性 光敏二极管的光照特性曲线的线性较好
（4）温度特性
内光电效应（光电导型）
在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如光敏电阻等
1. 光敏电阻的工作原理及结构
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
光敏电阻的结构
1.玻璃 2.光电导层 3.电极 4.绝缘衬底 5.金属壳 6.黑色绝缘玻璃 7.引线 半导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层。 光敏电阻的电极一般采用梳状，可提高光敏电阻的灵敏度。
c ZTN 60
End the 4.1
2. 脉冲式光电传感器
光电器件的输出仅有两个稳定状态，也就是“通” 与“断”的开关状态。
光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受 光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电 器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、 线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等 等。
光电式数字转速表
其暗电流及光电流与温度的关系
温度变化对光电流影响很小，而对暗电流影响很大。
（5）频率响应
具有一定频率的调制光照射时，光敏管输出的 光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系
硅光敏晶体管的频率响应
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
4.1.2 光电倍增管
在入射光极为微弱时，光电管能产生的光电流就很小， 光电倍增管：放大光电流 组成：光电阴极+若干倍增极+阳极
阻挡层光电效应（光生伏特效应）
在光线作用下能使物体产生一定方向的电动 势的现象。如光电池、光敏晶体管等
光电池
有光线作用下实质上就是电源，电路中有了这种器件 就不再需要外加电源。 1. 工作原理 2．基本特性
1. 工作原理
直接将光能转换为电能的光电器件，是一个大面 积的pn结。当光照射到pn结上时，便在pn结的两 端产生电动势(p区为正，n区为负) 。
4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管
1． 工作原理 2． 基本特性
1． 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
光敏二极管
光敏晶体管
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。
2． 基本特性
（1）光谱特性 （2）伏安特性 （3）光照特性 （4）温度特性 （5）频率响应
测量精度或控制精度等重要指标
硅光电池的温度特性(照度1000lx)
(5)稳定性
当光电池密封良好、电极引线可靠、应用合理时，光 电池的性能是相当稳定的 硅光电池的性能比硒光电池更稳定
影响性能和寿命因素： 光电池的材料及制造工艺 使用环境条件
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用
所谓光电效应是物体吸收能量为E的光后所产生电效应
根据爱因斯坦的假设，一个光子的能量只能给一个电子， 因此，要使一个电子从物质的表面逸出，光子的能量E必 须大于该物质表面的逸出功A0，即
Ek
1 2
mv02
hf
A0
4.1 光电效应和光电器件
4.1.1 光电管 4.1.2 光电倍增管 4.1.3 光敏电阻 4.1.4 光敏二极管和光敏晶体管 4.1.5 光电池 4.1.6 光电式传感器的应用