图 PN结产生光生伏特效应

3．外光电效应器件

基于外光电效应工作原理制成的光电器件，一般都是真空的或充气的光电器件，如光电管和光电倍增管。

1）光电管的结构及原理

光电管由—个涂有光电材料的阴极和一个阳极构成，并且密封在一只真空玻璃管内。阴极通常是用逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃泡内壁上做成，阳极通常用金属丝弯曲成矩形或圆形置于玻璃管的中央。真空光电管的结构如图所示。当光电管的阴极受到适当波长的光线照射时便有电子逸出，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。如果在外电路中串入一适当阻值的电阻，则在光电管组成的回路中形成电流，并在负载电阻上产生输出电压。在入射光的频谱成分和光电管电压不变的条件下，输出电压与入射光通量成正比。

2）光电倍增管的结构及原理

图 光直空电管的结构

光电倍增管由光阴极、次阴极(倍增电极)以及阳极三部分组成，如图所示。光阴极是由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜—铍的衬底上涂上锑铯材料而形成的，次阴极多的可达30级，通常为12级～14级。阳极是最后用来收集电子的，它输出的是电压脉冲。

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图 光电倍增管的结构

当入射光很微弱时，普通光电管产生的光电流很小，只有零点几个微安，很不容易探测。为了提高光电管的灵敏度，这时常用光电倍增管对电流进行放大。光电倍增管的光电转换过程为：当入射光的光子打在光电阴极上时，光电阴极发射出电子，该电子流又打在电位较高的第一倍增极上，于是又产生新的二次电子；第一倍增极产生的二次电子又打在比第一倍增极电位高的第二倍增极上，该倍增极同样也会产生二次电子发射，如此连续进行下去，直到最后一级的倍增极产生的二次电子被更高电位的阳极收集为止，从而在整个回路里形成光电流。

3.36 某光敏三极管在强光照时的光电流为2.5mA，选用的继电器吸合电流为50mA，直流电阻为250Ω。现欲设计两个简单的光电开关，其中一个是有强光照时继电器吸合，另一个相反，是有强光照时继电器释放。请分别画出两个光电开关的电路图（采用普通三极管放大），并标出电源极性及选用的电压值。

?5V3.37 某光电开关电路如题3.37图所示，请分析其工作原理，并说

K明各元件的作用，该电路在无光照的情况下继电器K是处于吸合VD2RP还是释放状态？

R1R2 1V13.38 请用激光传感器设计一台激光测量汽车速度的装置（画出示VD1CC40106意图），并论述其测速的基本工作原理。 答：汽车上安定一个反光体，当激光照射时，反光体将激光反射反回来，将会产生多普勒效应。发射机发射出的激光向被测物体

辐射，被测物体以速度v运动，如图（a）所示，被测物体作为接收机接收到的频率为：

题3.37图

f1?f0?v?0

式中： f0——发射机发射信号的频率；

v——被物体的运动速度；

?0——激光波长，?0?Cf0，C为激光的传播速度。

如果将f1作为反射波向接收机发射信号，如图（b）所示。接收机接收到的信号频率为：

f2?f1?v?1?f0?v?0?v?1

由于被测物体的运动速度远小于激光光速，则可认为?0??1，即

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f2?f0?2v?0

由多普勒效应产生的频率之差称为多普勒频率，即

Fd?f2?f0?2v?0

由此可见，被测物体的运动速度v可以用多普勒频率来描述。 3.39 什么是超声波？超声波通过两种介质界面时，会发生什么现象？

答：波是振动在弹性介质中的传播，振动频率20kHz以上的机械波称为超声波。

当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介绍中的传播速度不同，在异质界面上将会产生反射、折射和波型转换等现象。

3.40用超声波探头测工件时，往往要在工件与探头接触的表面上加一层耦合剂，这是为什么？ 答：用声波进行检测时，在工件与探头接触的表面加一层耦合剂。相当于声波由一种介质内传来、通过第二种介质传到第三种介质中去的时候。

假设声波由声阻抗为?1C1的介质中入射到声阻抗为?1C1和?2C2二种介质的交界面上，然后透过第二种介质入射到?2C2和?3C3二种介质的交界面上，最后进入声阻抗为?3C3的介质，如图所示。由物理学可知，进入第三介质的声波声压与第一介质的声压的比为：

p34?2C2??3C3? p1??2C2??3C3???2C2??1C1?ej??C2?d???2C2??1C1???3C3??2C2?e?j??C2?d式中：d——耦合剂的厚度。

则由透射系数T定义（进入第三介质的声强与入射波声强的比值）可得：

???1C1?2C2??1C1?2?2?????1?cosd??sind??C???C?C?CC33?233?2??22?C?2?d?d???2n?1?,n?0,1,2,??时，上式可简化为： 若令11?m，当

?2C2C2?221T? （3-136） 22?m?1???2m????这时若有?2C2?T?4?1C1?3C322 （3-135）

?1C1??3C3，得到T?1。其物理意义是：当声波垂直通过声阻抗分别?1C1、

选取耦合剂的厚度为声波波长的?2n?1?4时，就能获得声波的全透射。

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?2C2、?3C3的介质所组成的界面时，只要耦合剂的声阻抗为介质1和介质3的几何平均值时，则

3.41 请你依据已学过的知识设计一个超声波液位计（画出原理框图，并简要说明它的工作原理、优缺点）。 答：采用单换能器的传感器发射和接收超声波均使用一个换能器，如图所示结构示意图。

超声波发射和接收换能器安装在液面的上方，让超声波在空气中传播。超声波从发射到液面，又从液面反射到换能器的时间为t，则换能器距液面的距离h为：

h?液位情况。

vt 2式中，v为超声波在介质中传播的速度。由此可知，只要测量从液面反射到换能器的时间为t，即可

3.42 微波传感器分为哪两种？其工作原理是什么？

答：微波传感器就是指利用微波特性来检测某些物理量的器件或装置。由发射天线发出微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使其功率发生变化。若利用接收天线，接收到通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成为电信号，再经过信号调理电路后，即可显示出被测量，从而实现微波检测过程。根据上述原理，微波传感器可以分为反射式和遮断式两类。 3.43 比较微波传感器与超声波传感器有何异同。 答：参见题3.41和3.42两题，如表所示

项 目 波类型 反射特性 压力影响 温度影响 传播速度 测量盲区 传播环境

3.44 请用红外传感器设计一台红外防盗装置（画出它的示意图），并说明其工作原理？

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微波传感器 电磁波 在不同介电常数的界面上反射 微不足道 微不足道 约3?10m/s（真空中） 8超声波传感器 机械波 在不同声阻抗的界面上反射 很小 需温度补偿 约314m/s（空气中，20C） 离辐射面大于250mm 要求均一的气体环境 0到天线顶端 很少受气相环境影响