答：电容式物位传感器是利用被测物不同，其介电常数不同，电容量也不同的特点进行检测的。 6. 试分析电磁流量计的工作原理，并推导流量的表达式。

答：根据法拉第电磁感应定律，当一导体在磁场中运动切割磁力线时，在导体的两端即产生感生电势e，其方向由右手定则确定，其大小与磁场的磁感应强度B，导体在磁场内的长度L及导体的运动速度?成正比，如果B， L，?三者互相垂直，则e?BL? .与此相仿，在磁感应强度为B的均匀磁场中，垂直于磁场方向放一个内径为D的不导磁管道，当导电液体在管道中以流速?流动时，导电流体就切割磁力线。如果在管道截面上垂直于磁场的直径两端安装一对电极，如图4-33所示。

图4-33 电磁流量计原理简图

可以证明，只要管道内流速分布均匀，两电极之间也将产生感生电动势：e?BD? 。 式中， ?为管道截面上的平均流速。由此可得管道的体积流量为：

Qv??A?e1?D?D2?e BD44B 由上式可见，体积流量Qv与感应电动势e和测量管内径D成线性关系，与磁场的磁感应强度B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。

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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

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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106108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。

图5-50 光敏电阻式光控开关

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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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