1、傳感器原理與應(yīng)用及傳感器與測(cè)量技術(shù)習(xí)題集與部分參考答案教材：傳感器技術(shù)（第3版）賈伯年主編，及其他參考書(shū)第8章 光電式傳感器8-1 簡(jiǎn)述光電式傳感器的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，用方框圖表示光電式傳感器的組成。8-2 何謂外光電效應(yīng)、光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)？答：外光電效應(yīng)：在光線(xiàn)的作用下，物體內(nèi)的電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象。光電導(dǎo)效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)，而引起材料電導(dǎo)率的變化的現(xiàn)象。光生伏特效應(yīng)：在光線(xiàn)作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象。8-3 試比較光電池、光敏晶體管、光敏電阻及光電倍增管在使用性能上的差別。答：光電池：光電池是利用光生伏特效應(yīng)把光直接

2、轉(zhuǎn)變成電能的器件。它有較大面積的PN結(jié)，當(dāng)光照射在PN結(jié)上時(shí)，在結(jié)的兩端出現(xiàn)電動(dòng)勢(shì)。當(dāng)光照到PN結(jié)區(qū)時(shí)，如果光子能量足夠大，將在結(jié)區(qū)附近激發(fā)出電子-空穴對(duì)，在N區(qū)聚積負(fù)電荷，P區(qū)聚積正電荷，這樣N區(qū)和P區(qū)之間出現(xiàn)電位差。8-4 通常用哪些主要特性來(lái)表征光電器件的性能？它們對(duì)正確選用器件有什么作用？8-5 怎樣根據(jù)光照特性和光譜特性來(lái)選擇光敏元件？試舉例說(shuō)明。答：不同類(lèi)型光敏電阻光照特性不同，但光照特性曲線(xiàn)均呈非線(xiàn)性。因此它不宜作定量檢測(cè)元件，一般在自動(dòng)控制系統(tǒng)中用作光電開(kāi)關(guān)。光譜特性與光敏電阻的材料有關(guān)，在選用光敏電阻時(shí)，應(yīng)把光敏電阻的材料和光源的種類(lèi)結(jié)合起來(lái)考慮，才能獲得滿(mǎn)意的效果。8-6

3、簡(jiǎn)述CCD圖像傳感器的工作原理及應(yīng)用。8-7 何謂PSD？簡(jiǎn)述其工作原理及應(yīng)用。8-8 說(shuō)明半導(dǎo)體色敏傳感器的工作原理及其待深入研究的問(wèn)題。8-9 試指出光電轉(zhuǎn)換電路中減小溫度、光源亮度及背景光等因素變動(dòng)引起輸出信號(hào)漂移應(yīng)采取的措施。8-10 簡(jiǎn)述光電傳感器的主要形式及其應(yīng)用。答：模擬式（透射式、反射式、遮光式、輻射式）、開(kāi)關(guān)式。應(yīng)用：光電式數(shù)字轉(zhuǎn)速表、光電式物位傳感器、視覺(jué)傳感器、細(xì)絲類(lèi)物件的在線(xiàn)檢測(cè)。8-11 舉出你熟悉的光電傳感器應(yīng)用實(shí)例，畫(huà)出原理結(jié)構(gòu)圖并簡(jiǎn)單說(shuō)明原理。8-12 試說(shuō)明圖8-33(b)所示光電式數(shù)字測(cè)速儀的工作原理。（1）若采用紅外發(fā)光器件為光源，雖看不見(jiàn)燈亮，電路卻能正

4、常工作，為什么？（2）當(dāng)改用小白熾燈作光源后，卻不能正常工作，試分析原因。8-13 若采用波長(zhǎng)為9100（）的砷化鎵發(fā)光二極管作光源，宜采用哪幾種光電元件作測(cè)量元件？為什么？8-14 手頭有三種光電元件：硫化鉈光敏電阻、硫化鉛光敏電阻、硅光敏三極管，用可見(jiàn)光為光源，請(qǐng)按下列條件選用光電元件：（1）制作光電開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率約10Hz；（2）制作光電開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)頻率約為104Hz；（3）作線(xiàn)性測(cè)量元件，響應(yīng)時(shí)間10-1s。8-15 簡(jiǎn)述視覺(jué)傳感器概念、結(jié)構(gòu)組成和工作原理。*8-16 什么是外光電效應(yīng)？?jī)?nèi)光電效應(yīng)？光生伏特效應(yīng)？光電導(dǎo)效應(yīng)？8-17 光電器件中的光照特性、光譜特性分別描述的是光電器件的什

5、么性能？8-18 試述光敏電阻、光敏晶體管、光電池的器件結(jié)構(gòu)和工作原理。8-19 當(dāng)光源波長(zhǎng)為0.80.9m時(shí)宜采用哪種材料的光敏元件進(jìn)行測(cè)量？8-20 敘述電荷耦合器件（CCD）的結(jié)構(gòu)和存儲(chǔ)電荷與轉(zhuǎn)移電荷的工作過(guò)程。答：CCD是一種半導(dǎo)體器件，在N型或P型硅襯底上生長(zhǎng)一層很薄的SiO2，再在SiO2薄層上依次序沉積金屬電極，這種規(guī)則排列的MOS電容數(shù)組再加上兩端的輸入及輸出二極管就構(gòu)成了CCD芯片,CCD可以把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)。每一個(gè)脈沖只反映一個(gè)光敏元的受光情況，脈沖幅度的高低反映該光敏元受光的強(qiáng)弱，輸出脈沖的順序可以反映光敏元的位置，這就起到圖像傳感器的作用。轉(zhuǎn)移電荷的工作過(guò)程：如

6、圖三相控制是在線(xiàn)陣列的每一個(gè)像素上有三個(gè)金屬電極P1,P2,P3,依次在其上施加三個(gè)相位不同的控制脈沖1，2，3，見(jiàn)圖（b）。CCD電荷的注入通常有光注入、電注入和熱注入等方式。圖(b)采用電注入方式。當(dāng)P1極施加高電壓時(shí)，在P1下方產(chǎn)生電荷包（t=t0）；當(dāng)P2極加上同樣的電壓時(shí)，由于兩電勢(shì)下面勢(shì)阱間的耦合，原來(lái)在P1下的電荷將在P1、P2兩電極下分布（t=t1）；當(dāng)P1回到低電位時(shí)，電荷包全部流入P2下的勢(shì)阱中（t=t2）。然后，P3的電位升高，P2回到低電位，電荷包從P2下轉(zhuǎn)到P3下的勢(shì)阱（t=t3），以此控制，使P1下的電荷轉(zhuǎn)移到P3下。隨著控制脈沖的分配，少數(shù)載流子便從CCD的一端轉(zhuǎn)

7、移到最終端。終端的輸出二極管搜集了少數(shù)載流子，送入放大器處理，便實(shí)現(xiàn)電荷移動(dòng)。8-21 作為光波5m紅外線(xiàn)的傳感器材料有哪些？8-22 作光電管的CdS材料和InSb晶體的性質(zhì)差異是什么？答：InSb光電管雖然響應(yīng)速度快，但必須使用液體氮冷卻。8-23 在用光開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體的系統(tǒng)中，指出輸出電壓的時(shí)間波形。答：光進(jìn)入受光器輸出電壓為0V，光不進(jìn)入時(shí)，輸出6V，所以下圖為所示波形。8-24 在用光開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體的系統(tǒng)中，由受光器的受光次數(shù)，可計(jì)算通過(guò)輸送帶上物體的個(gè)數(shù)，那么，用輸送帶搬運(yùn)兩種高度的物體時(shí)，畫(huà)出能分別計(jì)算兩種高度的物體個(gè)數(shù)的系統(tǒng)組成圖。答：在運(yùn)輸帶兩邊分別設(shè)置發(fā)光器A和B，受光器A&#

8、39;和B'。高度低的物體通過(guò)時(shí)，（下圖（a），受光器A'受光但B'不受光（表1中分別用符號(hào)和表示）。若是高低物體，則A'和B'都不受光（表1中分別用和表示）。因此可得b圖的體統(tǒng)組成圖。受光時(shí)（符號(hào)）輸出是0V（L水平），不受光（符號(hào)）時(shí)輸出是6V（H水平）。因此，表1變成表2 。結(jié)果，分別數(shù)一數(shù)輸出a,b為L(zhǎng)，H時(shí)（低的物體）或者H，H時(shí)（高的物體）即可。這是用邏輯電路和計(jì)數(shù)電路完成的。8-25 由光電二極管二維陣列組成面型傳感器進(jìn)行圖像檢測(cè)，對(duì)圖像的分辨率由光電二極管的個(gè)數(shù)決定，試說(shuō)明理由。答：面型傳感器由許多的單元構(gòu)成二維平面，其中每一個(gè)小單元都是

9、一個(gè)光電二極管，稱(chēng)為像素。用面型傳感器測(cè)量物體的形狀所得的圖像的分辨率最高只能是一個(gè)像素。如果所測(cè)得圖像長(zhǎng)為l ，對(duì)應(yīng)N個(gè)像素，分辨率為l/N。假設(shè)N為200，則分辨率最高只能使1/200。8-26 簡(jiǎn)述模擬式光電傳感器的要求及工作方式。答：模擬式光電傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成連續(xù)變化的光電流，要求光電元件的光照特性為單值線(xiàn)性，而且光源的光照均勻恒定。屬于這類(lèi)的傳感器的工作方式有：（1）被測(cè)物體本身是光輻射源，由它釋出的光射向光電元件；（2）被測(cè)物體位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物對(duì)光的吸收程度或?qū)ζ渥V線(xiàn)的選擇來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)；（3）恒定光源射出的光投射到被測(cè)物體上，再?gòu)钠浔砻娣瓷涞焦怆娫希?/p>

10、根據(jù)反射的光通量多少測(cè)定被測(cè)物表面性質(zhì)和狀態(tài)；（4）被測(cè)物位于恒定光源與光電元件之間，根據(jù)被測(cè)物阻擋光通量的多少來(lái)測(cè)定被測(cè)參數(shù)；（5）時(shí)差測(cè)距：恒定光源發(fā)出的光投射于目的物，然后反射到光電元件，根據(jù)發(fā)射與接收之間的時(shí)間差測(cè)出距離。8-27 光電效應(yīng)可分幾類(lèi)？說(shuō)明其原理并指出相應(yīng)的光電器件。答：光電效應(yīng)是指物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生電效應(yīng)的現(xiàn)象。分為：外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩種，其中內(nèi)光電效應(yīng)又分為光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。外光電效應(yīng)：在光的照射下，電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象。條件：小于紅限波長(zhǎng)（或大于其紅限頻率）即根據(jù)愛(ài)因斯坦光電效應(yīng)方程，要使一個(gè)電子從物體

11、表面逸出，必須使光子的能量大于該物體的表面逸出功，超過(guò)部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的動(dòng)能。外光電效應(yīng)多發(fā)生于金屬和金屬氧化物。基于外光電效應(yīng)原理工作的光電器件有光電管和光電倍增管。 內(nèi)光電效應(yīng)：半導(dǎo)體材料中處于價(jià)帶的電子吸收光子能量，通過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使導(dǎo)帶內(nèi)電子濃度和價(jià)帶內(nèi)空穴增多，即激發(fā)出光生電子-空穴對(duì)，從而使半導(dǎo)體材料產(chǎn)生電效應(yīng)。條件：光子能量必須大于材料的禁帶寬度DE。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理可分為兩種： 1）光電導(dǎo)效應(yīng)：半導(dǎo)體受光照后電阻率變化的現(xiàn)象。過(guò)程：當(dāng)光照射到半導(dǎo)體材料上時(shí)，價(jià)帶中的電子受到能量大于或等于禁帶寬度的光子轟擊，并使其由價(jià)帶越過(guò)禁帶躍入導(dǎo)帶，使材料中導(dǎo)帶內(nèi)的電子和價(jià)帶

12、內(nèi)的空穴濃度增加，從而使電導(dǎo)率變大?；诠怆妼?dǎo)效應(yīng)原理工作的光電器件有光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管。2）光生伏特效應(yīng)：光照產(chǎn)生電子-空穴對(duì)在結(jié)電場(chǎng)作用下，電子®N區(qū)，空穴®P區(qū)，其積累使PN結(jié)兩邊的電位發(fā)生變化，PN結(jié)兩端出現(xiàn)一個(gè)因光照而產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象，稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)，常稱(chēng)為光電池?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池和光敏二極管、光敏三極管。8-28 光電器件的基本特性有哪些？它們各是如何定義的？答：1）光電流：光敏元件的兩端加上一定偏置電壓后，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流稱(chēng)為光電流。2）暗電流：光敏元件在無(wú)光照時(shí)，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流稱(chēng)為暗電流。3）光照特性

13、：當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，光電流與光敏元件上光照度之間的關(guān)系。4）光譜特性（又稱(chēng)光譜響應(yīng)）：當(dāng)光敏元件加一定電壓時(shí)，若照射在光敏元件上的是一單色光，且入射光功率不變，光電流隨入射光波長(zhǎng)變化而變化的關(guān)系。5）伏安特性：在一定照度下，光電流與光敏元件兩端的電壓的關(guān)系。6）頻率特性：在相同的電壓和相同幅值的光強(qiáng)度下，當(dāng)入射光受不同的正弦交變頻率調(diào)制時(shí)，光敏元件輸出的光電流和靈敏度隨調(diào)制頻率變化的關(guān)系。7）溫度特性：環(huán)境溫度變化后，光敏元件的光學(xué)性質(zhì)也將隨之改變的現(xiàn)象。8-29 硅光電池的結(jié)構(gòu)是什么？答：在N型硅片上滲入P型雜質(zhì)形成一個(gè)大面積PN結(jié)而成。8-30 簡(jiǎn)述光電傳感器的物理基礎(chǔ)以及光電效應(yīng)的

14、種類(lèi)和所對(duì)應(yīng)的光敏元件。答：物理基礎(chǔ)：光電效應(yīng)。在光線(xiàn)作用下能使電子逸出物體表面的稱(chēng)外光電效應(yīng)，有光電管、光電倍增管。在光線(xiàn)作用下能使電阻率改變的稱(chēng)內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)），有光敏電阻、光電管。在光線(xiàn)作用下能使物體產(chǎn)生一定方向電動(dòng)勢(shì)的稱(chēng)光生伏特效應(yīng)，有光電池。8-31光電效應(yīng)有哪幾種類(lèi)型？與之對(duì)應(yīng)的光電元件各有哪些？簡(jiǎn)述各光電元件的優(yōu)缺點(diǎn)。答：光電效應(yīng)根據(jù)產(chǎn)生結(jié)果的不同，通?？煞譃橥夤怆娦?yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)三種類(lèi)型。光電管和光電倍增管是屬于外光電效應(yīng)的典型光電元件。光電倍增管的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，比光電管高出幾萬(wàn)倍以上，輸出線(xiàn)性度好，頻率特性好；缺點(diǎn)是體積大，易破碎，工作電壓高達(dá)上千伏，使用不方便。因此它一般用于微光測(cè)量和要求反應(yīng)速度很快的場(chǎng)合?；趦?nèi)光電效應(yīng)的光電元件有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管。光敏電阻具有很高的靈敏度，光譜響應(yīng)的范圍可以從紫外