7.2光电器件中的光照特性、光谱特性分别描述的是光电器件的什么性能？ 解：光电器件的光照特性光照度（E）与光电流之间的关系

光电器件的光谱特性是指入射光照度一定时，光电器件的相对灵敏度随光波波长的变化而变化，一种光电器件只对一定波长范围的人射光敏感，这就是光电器件的光谱特性。 7.3试述光敏电阻、光敏晶体管、光电池的器件结构和工作原理。

解：光敏电阻的结构：绝缘衬底上均匀地涂上一层具有光导效应的半导体材料，作为光电导层，在半导体的两端装有金属电极，金属电极与引出线端相连接，光敏电阻就通过引出线端接入电路。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。

光敏三极管的结构与一般三极管很相似，只是它的发射极一边做得很大，以扩大光的照射面积。光敏三极管的工作原理是基于内光电效应。

光电池是用单晶硅制成的，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的PN结，P层很薄，从而使光能穿透到PN结上。由于光线的照射，使P区带正电荷，N区带负电荷，从而在两区之间形成电位差，即构成光电池，若接于外电路中就可产生电流。光电池的工作原理是基于“光生伏特效应”。 7.4当光源波长为0.8～0.9μm时宜采用哪种材料的光敏元件进行测量？ 解：可以采用铯材料作为阴极的光电管进行测量。

7.5叙述电荷耦合器件（CCD）的结构和存储电荷与转移电荷的工作过程。

解：CCD是一种半导体器件，在N型或P型硅衬底上生长一层很薄的SiO2，再在SiO2薄层上依次序沉积金属电极，这种规则排列的MOS电容数组再加上两端的输入及输出二极管就构成了CCD芯片,CCD可以把光信号转换成电脉冲信号。每一个脉冲只反映一个光敏元的受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲的顺序可以反映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。详细叙述如书中的图7.29和图7.29。

7.6光敏电阻、光电二极管和光电三极管是根据什么原理工作的？他们的光电特性有何不

同？

解：光敏电阻、光电二极管和光电三极管都是根据内光电效应的原理工作的。

25

不同光敏电阻是不相同的。绝大多数光敏电阻的光照特性曲线是非线性的，光敏电阻不宜作线性测量元件，一般用作开关式的光电转换器。

硅光电二极管的光电特性（光照特性）是线性较好，适合于做检测元件。

硅光电三极管的光电特性（光照特性）是在弱光时电流增长缓慢，采用较小的发射区面积，则能提高弱光时的发射结电流密度而使起始时增长变快，有利于弱光的检测。 7.7用光电式转速传感器测量转速，已知测量孔数为60，频率计的读数为4000Hz,问转轴的转速是多少？

解：n=60f/N 所以n=4000r/min

7.8试设计一个路灯自动控制电路，使天黑时路灯亮，天亮时路灯灭。

解：（参考）路灯与继电器的常闭触点串联到220V交流电压上。当天亮时，光敏二极管导通，继电器线圈得电而动作，继电器的常闭触点断开，路灯灭。天黑时，光敏二极管不导通，继电器线圈没有电流，继电器的常闭触点保持闭合，路灯不灭。

T~24V~220V路灯JJ

7.9光电管使用的CdS材料和InSb材料的性质差异是什么？ 解：InSb光电管虽然响应速度快，但必须使用液体氮冷却。

7.10在用光电开关检测物体的系统中，由受光器的受光次数，可计算通过输送带上物体的个

数，那么，用输送带搬运两种高度的物体时，画出能分别计算两种高度的物体个数的系统组成图。

解：在运输带两边分别设置发光器A和B，受光器A'和B'。高度低的物体通过时，受光器A'受光但B'不受光。若是高的物体，则A'和B'都不受光。设受光时输出是0V（L水平），不受光时输出是6V（H水平），结果如表1所示，分别数一数输出A'，B'为L，H时（低的物体）或者H，H时（高的物体）的个数即可。

26

A’ B’低的物体高的物体没有物体表1L HH HL L运输带A BA’ B’

7.11按照光纤在传感器中的作用的不同。光纤传感器可分为几种？试举例说明。

解：光纤传感器一般可分为两大类：一类是功能型传感器(Function Fiber Optic Sensor)，又称FF型光纤传感器；另一类是非功能型传感器(Non-Function Fiber Optic Sensor)，又称NF型光纤传感器。在功能型光纤传感器中，光纤不仅起传光作用，同时又是敏感元件，即利用被测物理量直接或间接对光纤中传送光的光强(振幅)、相位、偏振态、波长等进行调制而构成的一类传感器。其中有光强调制型、光相位调制型、光偏振调制型等。这种光纤传感器的光纤本身就是敏感元件，因此加长光纤的长度可以得到很高的灵敏度，尤其是利用干涉技术对光的相位变化进行测量的光纤传感器，具有极高的灵敏度。制造这类传感器的技术难度大，结构复杂，调整较困难。

非功能型光纤传感器中光纤不是敏感元件，只是作为传光元件。一般是在光纤的端面或在两根光纤中间放置光学材料及敏感元件来感受被测物理量的变化，从而使透射光或反射光强度随之发生变化来进行检测。这里光纤只作为光的传输回路，所以要使光纤得到足够大的受光量和传输的光功率。这种传感器常用数值孔径和芯径较大的光纤。非功能型光纤传感器结构简单、可靠，技术上易实现，但灵敏度、测量精度一般低于功能型光纤传感器。 7.12若某光栅的栅线密度为50线／mm，主光栅与指标光栅之间夹角θ=0.01rad。请回答下

列问题：

(1)其形成的莫尔条纹间距BH是多少?

(2)若采用四只光敏二极管接收莫尔条纹信号，并且光敏二极管响应时间为10-6s，此时光栅允许最快的运动速度v是多少?

解：(1)

根据公式可求莫尔条纹间距BH?W?，式中θ为主光栅与指标光栅夹角，得

BH?

W??0.02?2mm 0.0127

(2)光栅运动速度与光敏二极管响应时间成反比，即

v?W0.02??6?20m/s t10所以最大允许速度为20m/s。

7.13某光栅的栅线密度为100线／mm，要使形成莫尔条纹宽度为10mm，求栅线夹角θ。 解：由光栅密度100线/mm，可知其光栅栅距 W?根据公式可求莫尔条纹间距BH?1?0.01mm 100W?，所以

??W0.01??0.001rad BH10第八章 气敏与湿敏传感器思考题与习题答案

8.1气敏传感器能完成那些检测任务？

解：主要用于天然气、煤气、石油化工等工业部门的易燃、易爆、有毒、有害气体的监测、预报和自动控制。

8.2半导体气敏传感器有哪几种类型？

解：半导体气敏传感器按照半导体与气体的相互作用是在其表面，还是在其内部，可分为表面控制型和体控制型两类；按照半导体变化的物理特性，又可分为电阻型和非电阻型两种。 8.3简单说明表面控制型半导体气敏传感器的工作原理。

解：电阻型半导体气敏元件是利用半导体接触气体时，其阻值的改变来检测气体的成分或浓度；而非电阻型半导体气敏元件根据其对气体的吸附和反应，使其某些有关特性变化对气体进行直接或间接检测。

8.4说明多数半导体气敏器件工作时都需要加热器的原因。

解：加热器是用来烧去附在元件表面的油雾与尘埃，加速气体的吸附，从而提高元件的灵敏

28