专题九 光电式传感器与数字式传感器（教案）-山东省职教高考《传感器及应用》（高教版）专题复习讲练测.docxVIP

专题九光电式传感器与数字式传感器（教案）-《传感器及应用》高教版-专题复习讲练测

[考纲要求]

1.理解光电效应的概念，掌握外光电效应和内光电效应的原理和区别，能够举例说明不同光电效应的应用。

2.熟悉光电管、光敏电阻、光敏晶体管、光电池的工作原理、特性和主要参数，能够根据给定的应用场景选择合适的光电元件。

3.掌握光电式传感器的模拟式、开关式、脉冲式三种应用类型的特点和适用范围，能够分析实际应用中采用不同类型的原因。

4.了解光电比色温度计、光电式烟尘浓度计、光电式转速表、光电式边缘位置检测器的工作原理和应用领域，能够分析这些应用实例中的关键技术和性能特点。

5.掌握光栅传感器、码盘、磁栅传感器、感应同步器的工作原理、结构组成和特点，能够比较不同数字式传感器的优缺点和适用场景。

[课时安排]

2课时

[知识梳理]

重点一光电效应

光电元件的理论基础是光电效应。光电效应就是在光线作用下，物体吸收光能量而产生相应电效应的一种物理现象，通常可分为外光电效应和内光电效应两种类型。

(1)外光电效应在光线作用下，电子从物体表面逸出的物理现象称为外光电效应，也称光电发射效应。基于外光电效应的光电元件有光电管。

(2)内光电效应在光线作用下，物体电导性能发生变化或产生一定方向电动势的现象称为内光电效应，它又可分为光电导效应、光敏晶体管效应和光生伏特效应。基于内光电效应的光电元件有光敏电阻、光敏晶体管和光电池。

重点二光电元件及其特性

1.光电管

以外光电效应原理制作的光电管由真空管、光电阴极K和光电阳极A组成，其符号和基本工作电路如图4-1所示。当一定频率的光照射到光电阴极时，阴极发射的电子在电场作用下被阳极所吸引，光电管电路中形成电流，称为光电流。不同材料的光电阴极对不同频率的入射光有不同的灵敏度，人们可以根据检测对象是红外光、可见光或紫外光而选择不同阴极材料的光电管。光电管的光电特性如图4-2所示。从图中可知，在光通量石太大时光电特性基本是一条直线。

2.光敏电阻

光敏电阻的工作原理是基于内光电效应的光电导效应。在半导体光敏材料的两端装上电极引线，将其封在带有透明窗的管壳里就构成了光敏电阻。光敏电阻的特性和参数如下:

(1)暗电阻置于室温、全暗条件下的稳定电阻值称为暗电阻，此时流过电阻的电流称为暗电流。

(2)亮电阻置于室温和一定光照条件下测得的稳定电阻值称为亮电阻，此时流过电阳的电流称亮电流。

(3)伏安特性光敏电阻两端所加的电压和流过光敏电阻的电流间的关系称为伏安特性，如图4-3所示。从图中可知，伏安特性近似直线，但使用时应限制光敏电阻两端的电压，以免超过虚线所示的功耗区。

(4)光电特性在光敏电阻两极间电压固定不变时，光照度与亮电流间的关系称为光电特性。光敏电阻的光电特性呈非线性，这是光敏电阻的主要缺点之一。

(5)光谱特性人射光波长不同时，光敏电阻的灵敏度也不同。入射光波长与光敏器件相对灵敏度间的关系称为光谱特性。使用时可根据被测光的波长范围选择不同材料的光敏电阻。

重点三光栅传感器

光栅传感器实际上是光电传感器的一个特殊应用。由于光栅测量具有结构简单、测量精度高、易于实现自动化和数字化等优点，因而在位移测量中得到广泛的应用。

(1)光栅的结构和类型光栅传感器作为计量元件被称为计量光栅。计量光栅由主光棚(又称标尺光栅)、指示光栅和光路系统组成。计量光栅是在透明的玻璃或不透明但具有强反射能力的基体上均匀地刻划间距和宽度相等的条纹。计量光栅按其形状和用途可以分成长光栅和圆光栅两类。前者用于长度测量，后者用于角度测量;按光线的走向可分为透射光栅和反射光栅。图4-15a所示为透射长光栅光路系统示意图，图4-15b所示为栅线放大示意图。

光路系统除主光栅和指示光栅外，还包括光源、透镜和光电元件。光电元件有光电池和光敏三极管，要选用敏感波长与光源相近的光电池和光敏三极管，以获得较大的输出(转换效率)。通常，光电元件的输出信号通过放大器或整形电路将信号变为要求的输出波形。

(2)光栅的工作原理计量光栅是利用莫尔条纹现象来进行测量的。所谓莫尔条纹，是指两块光栅尺叠合时，出现光的若干条明暗相间的条纹。利用莫尔条纹的放大特性，即将主光栅与指示光栅的相对微小移动转化成放大了的莫尔条纹的移动，经光电传感器检测莫尔条纹移动的大小，再通过辨向电路辨别莫尔条纹移动方向，即光栅移动的方向，辨向电路还将光电传感器检测的模拟信号转化为数字信号。

重点四光栅传感器的应用

光栅数显装置是光栅式传感器的一个典型应用，其结构示意图和电路原理框图如图4-20所示，图中各环节的典型电路及工作原理上面已经介绍过。在实际应用中对于不带微处理器的光栅数显装置，完成有关功能的电路往往由一些大规模集成