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1、第一章 概论1、光电传感器是将光信号转换成电信号的一种传感器2、光电传感器的组成和分类：按探测机理的不同光电传感器可以分为光子传感器和热传感器两大类：（1）光子传感器，它是利用某些半导体材料在入射光的照射下，产生光电效应，使处理的电学性能发生变化。（2）热传感器，它在吸收了红外辐射后，会引起温度的变化，并伴随产生一些物理性能的变化。热传感器可以分为：热电堆光传感器、辐射热计传感器、热释电传感器（热传感器）3、按光电传感器输出信号的性质可以分为：模拟光学传感器、光栅传感器、光电式传感器、光纤传感器、固态图像传感器等。4、按光电传感器的输出方式可以分为直射式和反射式两类。5、光电传感器件的特性主要
2、介绍：灵敏度，频率响应特性，光照特性（结合后面章节知识进行考察） 。6、按光学原理的不同可以分为莫尔条纹检测、光纤及光栅检测、CCD 成像检测、激光干涉及衍射检测、激光多普勒检测、激光光谱检测等。7、按接收光电器件的检测机理的不同可以分为光子检测和红外辐射检测。8 按检测方式的不同可以分为直接检测和外差检测。9、图 1-4 光电传感与检测系统组成框图10、绝对误差：是指测量值与实际值之间的差值相对误差：是指绝对误差与实际值之比，通常用百分数来表示，即第二章 光电检测技术基础1、表 2-1 常用辐射度量的名称、符号、定义方程、单位及单位符号2、表 2-2 常用光度量的名称、符号、定义方程、单位及
3、单位符号3、光视效能 K 是光源发出的辐射通量可产生多少能够对人眼引起刺激的光通量。4、关是一种客观存在的物质，兼有波动性和粒子性，并以电磁波的形式传播。5、图 2-4 PN 结的形成过程:两种类型半导体交界面处载流子浓度不同,半导体中的载流子开始做扩散运动,P 型半导体区域的多子( 空穴)以及 N 型半导体区域的多子(电子)均从高浓度区域向低浓度区域扩散,扩散的结果为 P 型半导体区域一侧因失去空穴而留下不能移动的负离子,N 型半导体区域一侧因失去电子而留下不能移动的正离子,这些不能移动的带电粒子通常称为空间电荷,它们在两种半导体的交界处形成了一个很薄的空间电荷区,这就是通常所说的 PN 结
4、。6、外光电效应：金属或半导体收到光照时，如果入射的光子能量 hv 足够大，光子和物质中的电子相互作用，使电子从物质表面逸出的现象，也称为外光电效应。光电发射效应大致分为三个过程：（1）从基态跃迁到能量高于真空能级的激发态；（2）受激电子得到光子的能量从物体内部向真空界面运动；（3）到达物体表面的电子，若有足够的能量用来克服表面势垒对电子的束缚，受激电子就会从物体表面逸出，成为光子。光电发射效应遵守四个基本定律：（1）光电发射效能应存在一个截止频率，入射光的频率低于截止频率时，不论光的强度如何，都没有光电子产生；（2）光电发散效应是瞬时效应，一经光线照射，立刻就产生光电子，光电子发射至光电流产
5、生最多相差 10-9s；（3）光电子的最大逸出功初动能与光强无关，与入射光的频率有关，且与入射光频率成正比；（4）光电流与光强成正比。7、半导体材料的本征光电导响应长波限：8、内光电效应：包括光电导效应和光生伏特效应。光电导效应：光照变化引起半导体材料电导率变化的现象称为光电导效应。图 2-5 光生伏特效应的形成原理： 光线照射到某些半导体材料构成的 PN 结上时，由于 PN 结内建的作用，使 P 区的自由电子向 N 区移动，N 区的空穴向 P 区移动，这种载流子运动使得 PN 结的 P 区表面附近积累带正电的空穴，N 区表面积累带负电的电子。PN 结开路时，PN 结的两端会产生一个附加电动势
6、，称为光生电动势，这种光致电变化就是光生伏特效应。9、根据工作机理的不同，光电检测器件可分为外光电效应型、光电导型、光生伏特型和光电热效应型：（1）外光电效应型：光电倍增管、真空光电管、充气光电管等；（2）光电导型：光敏电阻等；（3）光生伏特型：光电池、光敏二极管、光敏晶体管等：（4）光电热效应型：热释电探测器、热敏电阻、热点偶等。10、光敏电阻a、光敏电阻的电阻值随光照的变化而改变，光照越强，其电阻值越小。光敏电阻是一个没有电极性的纯电阻器件，常见的光敏电阻一般由金属硫化物、硒化物和碲化物组成，如 CdS、 PbS、 PbTe、InSe 等。b、光敏电阻的暗电阻一般是 M 数量级，而亮电阻一
7、般是 K 数量级。c、光敏电阻的光照特性指的是光电流 I 和光照度 Ev 之间的关系 【非线性关系】 。 （光照特性）d、硫化铅光敏电阻在较宽的光谱范围内具有较高的灵敏度，峰值出现在红外区域；硫化镉的光谱范围很接近人眼的可见光谱曲线，因此常用于光度计度量的测定（看图 2-10） 。（光谱特性）e、一般随着温度的升高，光敏电阻的暗电流和灵敏度都下降、光谱响应峰值向短波长的方向移动。 （温度特性）11、光敏二极管的工作原理：没有光照时，光敏二极管的反向电阻较大，反向电流很小；若有光照时，PN 结受光照射产生电子空穴对，这些载流子在外加反向偏压和内建电场的作用下产生定向移动，形成光电流，并且光照越强
8、，产生的光电流也就越大。光敏二极管与普通的二极管类似，PN 结都具有单向到电特性。12、锗光敏二极管的光谱响应范围位于 5001700nm 之间，红外探测时，多采用锗光敏二极管；探测可见光多采用硅光二极管。光敏二极管的频率特性是半导体光电器件中最好的一种，频率响应时间为 10us 数量级，由于光敏电阻和光电池。13、光敏晶体管:光电流相当于普通晶体管的基极电流，将被放大（B+1 ）倍，光敏晶体管的灵敏度比光敏二极管高，是光敏二极管的几十倍，输出电流也比光敏二极管大得多，多为 mA 数量级。光敏晶体管应用时必须遵守集电结反偏、发射结正偏的原则。14、光电倍增管是一种将微弱的光信号转换为可测电信号
9、的光电转换器件。光电阴极的作用是光电转换，接受入射光子向外发射出电子。 （图 2-18）15、光电池是利用光生伏特效应直接将光能转换为电能的器件，其核心是一个大面积的 PN结。负载电阻越小，光电流和光照度的线性关系越好，并且线性范围也较大。负载电阻增大时，光电流也变小，并且光照特性曲线的线性部分也变小。 （图 2-27）16、图 2-3217、红外探测器件是利用红外辐射与物质的相互作用所引起的物理效应来检测红外辐射的，红外辐射照射物体会引起物体的物理特性发生变化，产生红外热释效应和光电效应。18、热释电红外探测器是由热释电晶体制作的。热释电晶体是一种压电晶体，某一方向上正-负电荷中心不重合，晶
10、体表面形成一定量的极化电荷。受红外辐射时，晶体温度发生变化，引起晶体的正-负电荷中心发生偏移，晶体表面的极化电荷也随之变化。热释电晶体的极化强度与温度有关。19、热敏电阻红外探测器是利用固体材料的电阻率随温度变化的特性制作的。20、光子探测器是利用光电效应制作的，光子探测器分为光电导探测器、光磁电探测器和光生伏特探测器三种。21、PSD 工作原理：当入射光照射到 PSD 的光敏层时，入射位置就产生于光子能量成比例的电荷，这些电荷作为光电流通过电阻层（P 层）从电极输出。由于 P 层的电阻是均匀的，电极 1 和电极 2 输出的电流分别与光点到各级的距离（电阻值）成反比例关系。利用光电的距离和电极
11、的电流之间的对应关系，就可以准确地测定光点位置和位移。 （图 2-35）课后习题 3、说明内光电效应和外光电效应的差别？4、解释 PN 结的光生伏特效应和光电池的工作原理。第四章 红外传感与检测技术1、红外检测系统一般由红外光学系统、红外探测器、信号放大和处理系统、显示记录系统等部分组成。2、红外探测器是能将红外辐射能转换成电能的一种光敏器件。红外传感器根据探测机理可分为光子探测器（光电效应）和热探测器（热效应） 。3、红外光电器件的应用，举例子说明。 。 。4、简单设计一个热释电红外光开光，并说明其工作原理 P106。 。 。课后习题1、 简述下列概念：红外辐射，红外传感器，热传感器，热释电
12、传感器4、热释电红外传感器应用于检测时有哪些技术上的要求？第六章1、光纤传感器的基本工作原理：由于光纤不但可以作为光波的传输介质，而且光波在光纤中传输时表征光波的特征参量会随外界因素的作用而间接或直接的发生变化，从而可将光纤作为传感元件来探测各种物理量。 （图 6-5）2、 （1）按光纤在传感器中所起的作用，分为功能型光纤传感器（FF）和非功能型光纤传感器（NF）两种。（2）按测量对象可分为：光纤温度传感器、光纤压力传感器、光纤流量传感器、光纤电流传感器、光纤磁场传感器、光纤应变传感器、光纤位移传感器等。（3）按被调至的光波参数不同分为：强度调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光
13、纤传感器、波长调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器和时分调制型光纤传感器等。 （参考课件）3、光纤微弯压力传感器工作原理：如图 6-8，光束以大于临界角 的角度 在纤芯内传输，为全反射；但在微弯处 ，一部分光将逸出，散射入包层中。当受力增加时，光纤微弯的程度也增大，泄露到包层的散射光随之增加，纤芯输出的光强度相应减小。因此，通过检测纤芯或包层的光功率，就能测得引起微弯的压力，或检测由压力引起的位移等物理量。4、反射式位移传感器原理：光纤采用 Y 型结构，两束光纤一端合并在一起组成光纤探头，另一端分为两支，分别作为光源光纤盒接受光纤。光从光源耦合到光源光纤，通过光纤传输，射向反射片，再被反射到
14、接受光纤，最后由光电转换器接受，转换器接受到的光源与反射体表面性质、反射体到光纤探头距离有关。当反射表面位置确定后，接收到的反射光光强随光纤探头到反射体的距离的变化而变化。5、四种类型光纤干涉仪结构，图 6-12、PPT6、在利用向后瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，结构如图 6-147、图 6-16 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图8、公式 6-109、图 6-25 发射电路的工作原理10、图 6-26 电流源的放大原理图11、图 6-51 传感探测头结构 课后习题1、 简述传感型和传光型光纤传感器的原理，并比较二者的不同。2、
15、 简述光纤微弯压力传感器的原理。3、 比较迈克尔逊、马赫-琴特、塞格纳克、法布里 -伯罗四种干涉仪的异同。4、 简述图 6-25 所示发射电路的原理。5、 简述基于 Sagnac 的干涉型光纤传感器的原理。6、 简述基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统的测量原理。第七章 光栅传感与检测技术1、莫尔条纹：两光栅尺不透明的黑色先问的重叠部分变得越来越小，不透明区域面积逐渐变大，即遮光面积逐渐变大，使得挡光效应变强，只有较小的光线能够通过这个区域透过光栅，使这个区域出现暗带。这些与光栅线纹几乎垂直，相间出现的亮、暗带就是莫尔条纹。2、莫尔条纹的特点：（1）条纹放大位移（2）误差的平均效应（3）光栅信
16、号与位移的对应关系（4）信号波形的正弦型（5）共模漂移（6）反差3、长光栅有振幅光栅和相位光栅两种形式。振幅光栅也叫黑白光栅，它又可分为投射光栅和反射光栅两种第八章 光电新技术的应用（PPT）1、什么是压电效应？某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。什么是逆压电效应？当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。2、 声波分类。 。 。论述题（12 分）1、 压力传感器：选择一种压力传感器，简述其工作原理（附图） ，与其他压力传感器相比较有哪些优缺点。2、 温度传感器：选择一种温度传感器，简述其工作原理（附图） ，与其他温度传感器相比较有哪些优缺点。(注：材料仅供参考，有些仅列出考点，答案自己查找课本，若有遗漏，请补充完整。祝同学们考试顺利！)
