《传感器与自动检测技术》习题解答 - 图文 下载本文

成反比,与其它物理参数无关.这就是电磁流量计的测量原理。

第5章 光电传感器

1. 光电效应有哪几种?分别对应什么光电元件?

答:光电效应大致可以分为三类:外光电效应、内光电效应和光生伏特效应。

对应的光电元件:用外光电效应制成的光电元件有光电管、光电倍增管、光电摄像管等;内光电效应制成的光电元器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏晶体管和光敏晶闸管等;基于光生伏特效应的光电元器件是光电池。

2. 试比较光敏电阻、光电池、光敏二极管和光敏晶体管的性能差异,并简述在不同场合下应选用哪 种元件最为合适。

答:(1)光谱特性:

图5-6 光敏电阻的光谱特性曲线

5-11 光敏二极管的光谱特性 图

图5-15 光电池的光谱特性

(2)响应时间:

光敏电阻中的光电流的变化滞后于光的变化的时间,即光敏电阻突然感受光照时,光电流并不是立刻上升到其稳定数值,且当光突然消失时光电流也不会立刻下降到零,这说明光电流的变化对于光的变化,在时间上有一个滞后。尽管不同材料的光敏电阻具有不同的响应时间,但都存在着这种时延特性,因此,光敏电阻不能用在要求快速响应的场合。

硅光敏二极管的响应时间约为10~10s左右,光敏晶体管的响应速度则比相应的二极管大约慢一个数量级,而锗管的响应时间要比硅管小一个数量级。因此在要求快速响应或入射光调制频率(明暗交替频率)较高时,应选用硅光敏二极管。

由于光敏晶体管基区的电荷存储效应,所以在强光照和无光照时,光敏晶体管的饱和与截止需要更多的时间,所以它对入射调制光脉冲的响应时间更慢,最高工作频率更低。

光电池:由于光电池受照射产生电子一空穴对需要一定的时间,因此当入射光的调制频率太高

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时,光电池输出的光电流将下降。硅光电池的面积越小,PN结的极间电容也越小,频率响应就越好,硅光电池的频率响应可达数十千赫兹至数兆赫兹,硒光电池的频率特性较差,目前已较少使用。

(3)温度特性:

光敏电阻和其他半导体器件一样,受温度的影响较大,随着温度的升高,它的暗电阻与灵敏度都下降的特性。

光敏二极管和光敏晶体管:温度变化对亮电流影响不大,但对暗电流影响非常大,并且是非线性的。在微光测量中有较大误差。硅管的暗电流比锗管小几个数量级,所以在微光测量中应采用硅管。另外由于硅光敏晶体管的温漂大,所以尽管光敏三级管灵敏度较高,但是在高精度测量中应选择硅光敏二极管。可采用低温漂、高精度的运算放大器来提高精度。

光电池:温度特性是描述光电池的开路电压UO和短路电流Isc随温度变化的特性。从图5-17中可以看出,开路电压随温度增加而下降的速度较快,电压温度系数约为-2mV/℃。而短路电流随温度上升而缓慢增加,温度系数较小。当光电池作为检测元件时,应考虑温度漂移的影响,采取相应措施进行补偿。

3. 光电传感器有哪些部分组成?被测量可以影响光电传感器的哪些部分?

答:光电式传感器由光源、光学元器件和光电元器件组成光路系统,结合相应的测量转换电路而构成。被测量主要影响光电传感器的敏感原件。 4. 简述光电倍增管的工作原理。

答:光电倍增管由真空管壳内的光电阴极、阳极以及位于其间的若干个倍增电极构成。工作时在各电极之间加上规定的电压。当光或辐射照射阴极时,阴极发射光电子,光电子在电场的作用下加速逐级轰击发射倍增电极,在末级倍增电极形成数量为光电子的10?10倍的次级电子。众多的次级电子最后为阳极收集,在阳极电路中产生可观的输出电流。通常光电倍增管的灵敏度比光电管要高出几万倍,在微光下就可产生较大的电流。 5. 试述图5-50所示光敏电阻式光控开关的工作原理。

答:白天有光照时,光敏电阻RG阻值很小,晶体管VT1、VT2不导通,继电器K断开;夜晚无光照时,光敏电阻RG呈现高阻,晶体管VT1、VT2导通,继电器K吸合,从而实现光控开关的作用。

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图5-50 光敏电阻式光控开关

6. 试分析图5-51所示光控自动照明灯电路的工作原理。

图5-51 光控自动照明灯

解答:图中VT1为触发二极管,触发电压约为30V左右。白天自然光线较强,光敏电阻器RG呈现低阻,它与RP的分压低于30V(A点),触发二极管截止,双向可控硅无触发电流,VT2呈断开状态,灯EL不亮。夜幕来临时,照射在RG上的自然光线较弱,RG呈现高电阻,A点电压大于30V,,触发二极管导通,双向可控硅导通,灯EL点亮。R1、C1为保护双向可控硅的吸收电路。 7. 试分析光电扫描笔是如何工作的?

答:扫描笔的前方为光电读入头,它由一个发光二极管和一个光敏三极管组成,当扫描笔头在条形码上移动时,若遇到黑色线条,发光二极管发出的光线将被黑线吸收,光敏三极管接收不到反射光,呈现高阻抗,处于截止状态。当遇到白色间隔时,发光二极管发出的光线,被反射到光敏三极管的基极,光敏三极管产生光电流而导通。

整个条形码被扫描过之后,光敏三极管将条形码变成一个一个电脉冲信号,该信号经放大、整形后便形成了脉冲列,脉冲列的宽窄与条形码的宽窄及间隔成对应关系,脉冲列再经过计算机处理后,完成对条形码信息的识读。

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8. 光纤传感器有哪两种类型?光纤传感器调制方法有哪些?

答:根据工作原理不同,光纤传感器可以分为传感型和传光型两大类。 光纤传感器调制方法有强度调制、相位调制、频率调制及偏振调制等几种。

9. 根据硅光电池的光电特性,在4000lx的光照下要得到2V的输出电压,需要几片光电池?如何连接?

答:如图5-16 为光电池的光照特性。光电池负载开路时的开路电压与光照度的关系曲线呈非线性关系,在2000lx以上便趋于饱和。最大电压只能达到0.6V,即使在4000lx的光照下要得到2V的输出电压,也得需要4

图5-16 光电池的光照特性

片光电池,串联连接。

10. 设计一光电开关用于生产流水线的产量计数,画出结构图,并简要说明,为防止日光灯等其他光源的干扰,设计中应采取什么措施?

答:下图为光电开关用于生产流水线的产量计数的常用测量方法。图a为反射式,图b为遮断式。对于发射式计数测量,当产品通过光电开关时,产品反射光线,接收器接收到一个光信号,输出一系列光脉冲,通过计算光脉冲的个数就可以得到产品的数量。

对于遮断式计数器,当产品通过光电发射器与接收器之间时,产品挡住了光信号,接收器接收不到光信号,从而使输出信号发生变化,信号的变化同样以脉冲的形式输出,通过计算光脉冲的个数就可以得到产品的数量。

为防止日光灯等其他光源的干扰,可用遮光罩将光电开关和光通路遮挡起来,与外间光源隔绝。

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