ch8光电式传感器及其应用(传感器原理及其应用)(南大)俞阿龙.ppt.ppt

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1、第8章 光电式传感器及其应用,光电传感器:将光信号（红外、可见光及紫外光）转变成为电信号的器件。,被测量的变化,光信号的变化,电信号的变化,对于不同波长的光有不同的光学传感器,按工作原理分类：光电效应传感器红外热释电传感器固体图像传感器光纤传感器,8.1 光电效应和热释电效应,光电效应,光电效应：光照射某一物体，可以看作是一连串能量为E的光子轰击在这个物体上，此时光子能量就传递给电子，电子得到光子传递的能量后其状态就会发生变化，从而使受光照射的物体产生相应的电效应，称这种物理效应为光电效应。,外光电效应内光电效应,一、外光电效应,外光电效应：在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象

2、。条件：光子能量大于该物体的表面逸出功,结论：光电子能否产生，取决于光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功A0；逸出的光电子具有动能；一定时，产生的光电流和光强成正比,基于外光电效应的光电器件：光电管、光电倍增管、光电摄像管等,二、内光电效应 当光照在物体上，使物体的电导率发生变化，或产生光生电动势的现象。,当光照射在物体上，使物体的电导率发生变化的现象 常见器件：光敏电阻,1.光电导效应,光半导体电子吸收能量（）跃迁电子-空穴对电导率增大,原理：,Eg,2、光生伏特效应,原理：,光生伏特效应：在光作用下能使物体产生一定方向电动势的现象。常见器件：光敏二极管、三极管、光电池等。,光PN结电子

3、N,空穴P电动势,光线照射PN结时，设光子能量大于禁带宽度Eg，使价带中的电子跃迁到导带，产生电子空穴对，在阻挡层内电场的作用下，被光激发的电子移向N区外侧，被光激发的空穴移向P区外侧，从而使P区带正电，N区带负电，形成光电动势。,三、热释电效应（红外检测）,热释电效应：当一些晶体温度变化时，其原子排列将发生变化，晶体自然极化，在晶体两表面产生电荷的现象。包含光-热、热-电两个阶段的变换过程。,热释电材料:热释电晶体(铌酸锂、钽酸锂)、热释电陶瓷(钛酸钡（BaTiO3）、锆钛酸铅（PZT）)和热释电塑料(聚偏二氟乙烯（PVDF）)等。,应用：红外探测器、温度传感器、热成像器件等,8.2 光电器

4、件(光电传感器),一、光电管,结构：在真空玻璃管内装有光电阴极(逸出功小的光敏材料涂敷在玻璃管内壁)和阳极，感光面对准光的照射孔。当光线照射到光敏材料，便有电子逸出，并被正电位的阳极吸引，在光电管内形成空间电子流，在外电路就产生电流。,1.光电管结构和工作原理,原理：基于外光电效应；光阴极光电子阳极空间电子流外接电阻压降U=f(I)（实现光电转换）,特点：简单，灵敏度低,2、光电管的特性,（1）光电管的伏安特性曲线,当入射光的频率和通量确定时，阳极电压与电流之间的关系称为伏安特性,阳极电压较低：阴极发射的电子部分到达阳极，其余受光电子在真空中运动时所形成的负电场作用，回到阴极。,阳极电压增高：

5、光电流随之增大。当阴极发射的电子能全部到达阳极时，阳极电流便很稳定，称为饱和状态。,真空光电管,（2）光电管的光照特性,光照特性：当光电管阳极与阴极间所加电压和入射光频谱一定时，阳极电流I与入射光在阴极上的光通量之间的关系。,1-氧铯阴极2-锑铯阴极,光照特性曲线的斜率称为光电管的灵敏度。,（3）光电管的光谱特性,同一光电管对于不同频率的光，具有不同的灵敏度,例：对GD-4型光电管，阴极采用锑铯材料，对可见光范围的入射光灵敏度比较高。适用于白光光源，被应用于各种光电式自动检测仪表中。,对红外光源，常用银氧铯阴极，构成红外探测器。对紫外光源，常用锑铯阴极和镁镉阴极。,（4）光电管的频率响应,光电

6、管在从光子射入阴极到在阳极上获得光电子的时间间隔仅有几纳秒，但由于电极间的分布电容和负载电阻构成RC回路关系，使光电管工作响应时间延长至10-4量级，在使用时，可以通过降低负载电阻和减少分布电容方法，提高频率响应。,二、光电倍增管,原理：利用二次电子释放效应,将光电流在管内部进行放大。二次电子释放效应：高速电子撞击固体表面,再发射出二次电子的现象。,1.结构与原理,光电管缺点：灵敏度较低改进：光电倍增管,设第一倍增极有个二次电子发出，经过n次加速和轰击加速后，产生的电子数为 n,称为二次电子发射比,几种常见光电倍增管的结构,几种常见的光电倍增管结构：,几种光电倍增管的外形,2.光电倍增管的基本

7、特性,光电特性,光电倍增管的阳极输出电流与照射在光电阴极上的光通量之间关系,在入射光通最小于10-4 lm时，有较好的线性关系,当光通量再增大时，呈现非线性特性,放大倍数(电流增益),在一定的工作电压下，光电倍增管的阳极电流和阴极电流的比称为光电倍增管的放大倍数(或电流增益)。,光谱灵敏度和积分灵敏度光电阴极对于一定波长辐射光的灵敏度称为光谱灵敏波，而对复合光(或称白光)的灵敏度称为积分灵敏度。积分灵敏度可用光照灵敏度来表示，即以光电流与光源入射于阴极的光通量之比来定义。,倍增极的电压是由分压电阻链R1、R2、RN+1获得,三、光敏电阻,1.光敏电阻的结构及原理,光敏电阻的电极构造与封装,光敏

8、电阻的结构如图,光敏电阻工作过程,原理：基于光电导效应,无光照：光敏电阻阻值很大;有光照：光子能量大于材料禁带宽度,价带中的电子吸收光子能量后激发出电子-空穴对,使电阻降低;光线愈强,激发出的电子-空穴对越多,电阻值越低;,光照停止：自由电子与空穴复合,导电性能下降,电阻恢复原值。,2、光敏电阻的特性及特点：,光敏电阻对光敏感,当改变光照强度时,电阻的大小也随着改变。一般会随着光照强度的增大而电阻值减小。,）暗电阻光敏电阻在不受光时的阻值称为暗电阻,此时流过的电流称为暗电流。）亮电阻光敏电阻在光照射时的电阻称亮电阻,此时流过的电流称亮电流。光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。）光电流

9、亮电流与暗电流之差称为光电流。暗电流越小，光电流越大，光敏电阻的灵敏度越高。,暗电阻一般超过1M,甚至高达100M，亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，灵敏度很高。,4)光照特性 光敏电阻的光电流与光强之间的关系,称为光敏电阻的光照特性。不同类型的光敏电阻,光照特性不同。,光敏电阻的光照特性,多数是非线性的。不宜做线性测量元件，一般用做开关式的光电转换器。,5)光谱特性 光敏电阻对不同波长的光,光谱灵敏度不同,而且不同种类光敏电阻峰值波长也不同。,光敏电阻的光谱灵敏度,不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性

10、质，选择合适的光电元件（匹配）使光电元件得到较高得相对灵敏度。,6)伏安特性 在一定照度下,光敏电阻两端所加的电压与光电流之间的关系,称为伏安特性。,光敏电阻的伏安特性,一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。,7)响应时间和频率特性,当光敏电阻受到脉冲光作用时，光电流需要经历一段时间才上升到最大值。这种响应时间用时间常数来表示。多数光敏电阻时间常数在10-210-6s数量级。,响应时间长短与照度有关,不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数及频率特性1-硫化铅2-硫化铊。,8)温度特性,温度变化影响暗电阻和灵敏度，也影响光敏电阻的光谱响应。,硫化铅光敏电阻的光谱温

11、度特性曲线的峰值随着温度上升向波长短的方向移动。,常用材料光敏电阻的典型参数,常见光敏电阻,一个实际的光敏电阻开关电路,3、光敏电阻的应用,光照度计：农作物日照时数测定：输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。无光照V0=VL；有光照V0=VH。,四、光电二极管和光电三极管,1.光电二极管和光电三极管的结构及原理,光电二极管:利用PN结单向导电性的结型光电器件,结构与一般二极管类似。PN结安装在管的顶部,便于接受光照。外壳上面有一透镜制成的窗口以使光线集中在敏感面上。为了获得尽可能大的光生电流,PN结的面积比一般二极管要大。为了光

12、电转换效率高,PN结的深度较一般二极管浅。,光电二极管大多数情况下工作在反向偏压状态。,当光照射时，光敏二极管处于导通状态。,当光不照射时，光敏二极管处于截止状态。,光电三极管：可以等效看作一个光电二极管和一只晶体三极管的结合。基极开路,集电极与发射极之间加正电压。当光照射在集电结上时,在结附近产生电子-空穴对,电子在结电场的作用下，由P区向N区运动，形成基极电流，被晶体管放大倍,因此光电三极管的灵敏度比光电二极管的灵敏度高几十倍。,2.光敏管的特性,1)光谱特性 光电三极管的光谱特性曲线与光电二极管的相似。当入射光的波长增加时,相对灵敏度要下降,这是因为光子的能量太小,不足以激发出电子-空穴

13、对。当入射光波长太短时相对灵敏度也下降,这是因为光子在半导体表面附近激发的电子空穴在半导体表面附近便被吸收,不能达到PN结。,材料不同,峰值波长也不同,应根据光谱特性来确定光源和光电器件的最佳匹配。,2)伏安特性,硅光敏管在不同照度下的伏安特性曲线，（a）图为硅光敏二极管，（b）图为硅光敏三极管。光敏三极管的光电流比相同管型的光敏二极管的光电流大上百倍。在零偏压时，二极管仍有光电流输出，三极管则没有,3)光照特性 光照特性反映集电极输出电流IC和照度EC之间的关系。三极管的光照特性曲线线性不太好,在大电流时有饱和现象。光电二极管在反向偏压的作用下,光照特性曲线有良好的线性。,硅光敏管的光照特性

14、（a）硅光敏二极管；（b）硅光敏三极管,4)温度特性 温度对光电管暗电流和光电流的影响,如图所示。温度变化对光电流的影响很小,而对暗电流影响很大。,5)频率响应(特性)和时间常数 光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时,光电管输出的光电流(或负载上的电压)随频率的变化关系。光电管的频率响应与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。,硅光电三极管的频率响应曲线,光电管的时间常数:在10-1010-4 s之间,硅管时间常数较小,响应频率高。有些特殊用途的光电管,如硅PIN光电二极管其响应频率高达几百兆赫兹,暗电流小到1nA。,硅PIN管光电二极管:,特点：频带宽，可达10GHz。在

15、反偏压下运用可承受较高的反向电压，线性输出范围宽。不足：I层电阻很大，输出电流小，一般多为零点几微安至数微安。,工作电压很高，约100200V，接近于反向击穿电压。结区内电场极强，光生电子在这强电场中可得到极大的加速，同时与晶格碰撞而产生电离雪崩反应。因此，APD有很高的内增益，可达到几百。响应速度特别快，带宽可达100GHz，是目前响应速度最快的一种光电二极管。在光通信中应用前景广阔。缺点：噪声大,雪崩光电二极管(APD):,光照光生载流子强电场加速与其它原子碰撞产生二次电子空穴雪崩放大,硅PIN光电二极管,硅光电二极管,几种硅（锗）光电三极管的特性参数,五、光电池,1.光电池的结构及原理,

16、原理：基于光生伏特效应,光电池有较大面积的PN结，当光照到PN结区时，如果光子能量足够大，将在结区附近激发出电子-空穴对，在N区聚积负电荷，P区聚积正电荷，这样N区和P区之间出现光生电动势。,光电池可把太阳能直接变电能，又称为太阳能电池,是发电式有源元件.,种类：硒光电池、氧化亚铜光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓光电池等,硅光电池价格便宜，转换效率高，寿命长，适于接受红外光。硒光电池光电转换效率低(0.02)、寿命短，适于接收可见光(响应峰值波长0.56m)，最适宜制造照度计，常用于分析仪器、测量仪表。砷化镓光电池转换效率比硅光电池稍高，光谱响应特性则与太阳光谱最吻合。且工作温度最高，更耐受

17、宇宙射线的辐射。因此，它在宇宙飞船、卫星、太空探测器等电源方面的应用是有发展前途的。,2、光电池特性,硒光电池适用于可见光，常用于分析仪器、测量仪表。如用照度计测定光的强度。,硅光电池的光谱峰值在800nm附近，硒的在540nm附近。,1）光谱特性：,2)光照特性,不同光照射下有不同光电流和光生电动势。短路电流在很大范围内与光强成线性关系。,开路电压与光强是非线性的，且在2000 lx时趋于饱和。光电池作为测量元件时，应把它作为电流源的形式来使用，不宜用作电压源，且负载电阻越小越好。,硅光电池光照特性与负载的关系,光电池负载越小，光电流与照度之间的线性关系越好，而且线性范围越宽。负载在100

18、以下，线性还是比较好的，负载电阻太大，则线性变坏,3)频率特性,光电池的频率特性是指输出电流随调制光频率变化的关系,反映光的交变频率和光电池输出电流的关系。硅光电池有很高的频率响应，可用于高速记数、有声电影等方面,4)温度特性,主要描述光电池的开路电压和短路电流随温度变化的情况。开路电压随温度升高而下降的速度较快。短路电流随温度升高而变化缓慢,因此作测量元件时应考虑进行温补。,几种硅光电池的性能参数,光电池外形,3、应用,光电探测器：光电定向、照度计,+12V,-12V,在实际应用中，主要利用光电池的光照特性、光谱特性、频率特性和温度特性等，通过基本电路与其它电子线路的组合可实现或自动控制的目

19、的。,3、应用,太阳能电池：卫星、灯塔、高空侦察气球（几万米）,太阳电池发电系统：主要由太阳电池方阵、蓄电池组、调节控制和阻塞二极管组成。如果还需要向交流负载供电，则加一个直流交流变换器，太阳电池电源系统框图如图。,六、其他光电器件,光电耦合器：发光和接收元件都封装在一个外壳内。它以光为媒介，实现输入电信号耦合到输出端。,应用:电路中的强弱电隔离。,强弱电隔离。输入输出之间绝缘电阻很高。耐压达2000V以上。能避免输出端对输入端的干扰。对系统内部噪声有很强的抑制作用。发光二极管为电流驱动元件，动态电阻很小，对系统内部的噪声有旁路作用。（滤除噪声）,特点：,光电开关：,光电开关在制造业自动化包装

20、线及安全装置中作光控制和光探测装置。可实现限位控制、产品计数,料位检测，越限安全报警及计算机输入接口等用途。,透射式 反射式,光电开关与光电耦合器件比较,都是由发光端和受光端组成的组合件。区别：光电开关不封闭，发光端与受光端之间可以插入调制板光电耦合器则是把发光元件与受光元件都封闭在一个不透光的管壳内。应用：光电开关多用于光电计数、报警、安全保护、非接触开关，及各种光电控制等方面。光电耦合器多用于抗干扰电路、电平转换、长线传输、过流保护及高压控制等方面。,光电开关与光电耦合器共同点：,热释电传感器：利用热释电效应来检测受光面的温度升高值,得知光的辐射强度,在红外检测中得到广泛的应用，可用于能产

21、生红外辐射的人体检测，如防盗门、宾馆大厅自动门、自动灯的控制等。,热释电感应灯,热释电传感器,特点：增益很大；当输入为0.1mW/cm2时,可获得2mA的集电极电流。缺点：响应速度低,当负载电阻为几千欧时,响应时间为毫秒量级。,达林顿光电三极管：光电三极管与普通三极管内部采用达林顿接线方式集成在一起的组件,光电角度编码器,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1-光源，2-透镜，3-码盘，4-狭缝，5-光电组件,绝对接触式编码器演示,4个光电元件,4位二进制码盘,最小分辨角度为=360/2n,8.3、光电传感器应用,按被测物与光电元件和光源之间的关系，光电式传感器

22、的应用有以下四种：,1、光源本身就是被测物。如：光电比色温度计、光照度计等,2、恒定光源发出的光通量透过被测物，由被测物吸收一部分后到达光电元件上。如：测液体透明度、烟尘浓度等,3、恒定光源发出的光通量经过被测物遮挡一部分后照射到光电元件上。如：测元件尺寸、运动状态等,4、恒定光源发出的光通量经被测物反射后到达光电元件上。如：测纸张白度、零件表面粗糙度、光电转速表等,应用实例,1.红外线辐射温度计,红外辐射温度计既可用于高温测量，又可用于冰点以下的温度测量，所以是辐射温度计的发展趋势。市售的红外辐射温度计的温度范围可以从-303000，中间分成若干个不同的规格，可根据需要选择适合的型号。,食品

23、温度测量,集成IC 温度测量,光、机、电一体化的红外测温系统,814 m,2.反射式烟雾报警器,在没有烟雾时，由于红外对管相互垂直，烟雾室内又涂有黑色吸光材料，所以红外LED发出的红外光无法到达红外光敏三极管。,当烟雾进入烟雾室后，烟雾的固体粒子对红外光产生漫反射（图中只画出几个微粒的反射示意），使部分红外光到达光敏三极管，有光电流输出。,3.光电自动门,自动门光电传感器放大图,有效检测区域,4、路灯自动控制器,5、热释电传感器在智能空调中的应用,智能空调能检测出屋内是否有人，微处理器据此自动调节空调的出风量，以达到节能的目的。,空调中，热释电传感器的菲涅尔透镜做成球形状，从而能感受到屋内一定

24、空间角范围里是否有人，以及人是静止着还是走动着。,5.产品计数,6、光电数字式转速表光电转换电路,n=60(f/z),1.光电效应有哪些？这些光电效应对应哪些光电元件？,2.这些光电元件有哪些特点？分别适用哪些场合？,小结：,8.4 光电数字式传感器,一、数字式传感器分类和特点,1.数字式传感器分类及工作原理数字式传感器：把输入量转换成数字量输出的传感器（1）代码型数字式传感器,代码型数字式传感器又称为编码器,输出的每个代码相当于一个定量的输入值。,K1:输出代码为10l0；K2:输出代码为1011。代码的“1”为高电平，“0”为低电平。,（a）代码型；（b）计数型,（2）计数型数字式传感器计

25、数型数字式传感器也称脉冲数字式传感器(上图b)。脉冲数与输入量成正比，加上计数器就可对输入量进行计数，可用来检测通过输送带上的产品个数，也可用来检测执行机构的位移量。这时执行机构每移动一定距离或转动一定角度，传感器就会发生一个脉冲信号，如增量式光电脉冲编码器和光栅传感器。,2.数字式传感器特点高测量精度高分辨率高信噪比适宜在恶劣环境下和远距离传输情况下使用容易和其它对接,二、光电角度编码器,用光电方法把被测角位移转换成以数字代码形式表示的电信号的转换部件。,1-光源，2-透镜，3-码盘，4-狭缝，5-光电组件,绝对接触式编码器演示,4个光电元件,4位二进制码盘,最小分辨角度为=360/2n,根

26、据码盘的起始和终止位置就可确定转角,6位二进制码盘,二进制码盘主要特点：,（1）n位(n个码道)的二进制码盘具有2n种不同编码，最小分辨力136002n；（2）二进制码为有权码，编码Cn,Cn-1，C1对应于由零位算起的转角为：（3）码盘转动中，CK变化时，所有Cj(jK)应同时变化。,某6码道的二进制光电码盘，光线照射时得到编码为011000，则转角为多少？,(1)n位循环码码盘具有2n种不同编码；(2)循环码为无权码；(3)循环码码盘转到相邻区域时，编码中只有一位发生变化，不会产生粗误差。,六位的循环码码盘,角编码器外形,拉线式角编码器利用线轮，能将直线运动转换成旋转运动。,安装轴,转轴,

27、盘码及狭缝,光敏元件,光栏板及辨向用的A、B狭缝,LED,A,B,C,零位标志,A,B,C,三、直线位移编码器,间接直线位移编码器通过机械转换装置，把被测体的直线位移转换成角位移。这样，可以用角度数字编码器直接测量线位移。图示为一种典型的间接线位移编码器结构,用途：机床和类似的设备中，轴的旋转将引起螺母的直线位移，被测体就装在这个螺母上，轴上装有标准的编码盘。如果码盘采用增量式编码器，则可测得位移的方向和相对于基准位置的大小，行程范围比较大，这种系统的精度可在1m行程上达到0.003mm。,直接直线位移编码器通常有一个长标尺和沿标尺运动的扫描点，用于感受和测量任何相对位移。优点：避免了一套直线

28、旋转转换的机械装置，也避免了由此产生的变换误差。光栅直接增量式直线位移传感器就是一种高精度、高速线位移传感器。,光栅式测量是利用光通过相叠的两片光栅片时形成莫尔条纹的原理进行的。光栅光学系统有主光栅(动光栅)和指标光栅(定光栅)。,编码器在定位加工中的应用,1绝对式编码器 2电动机 3转轴 4转盘 5工件 6刀具,编码器在数控加工中心的刀库选刀控制中的应用,旋转刀库,被加工工件,刀具,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与 旋转刀库连接,四、数字式光电传感器应用,光学码盘测角仪的原理图1光源 2大孔径非球面聚光镜 3码盘 4狭缝 5光电元件,1、光学码盘测角仪,1绝对式编码器 2电动机 3转轴

29、 4转盘 5工件 6刀具,2、编码器在定位加工中的应用,3、编码器在数控加工刀库选刀控制中的应用,旋转刀库,被加工工件,刀具,角编码器的输出为当前刀具号,角编码器与旋转刀库连接,角编码器除了能直接测量角位移或间接测量直线位移外，可用于数字测速、工位编码、伺服电机控制等。,M法测速（适合于高转速场合）,T,编码器每转产生 N 个脉冲，在T 时间段内有 m1 个脉冲产生，则转速（r/min)为：n=60m1/（NT）,例题,T,有一增量式光电编码器，其参数为1024p/r，在5s时间内测得65536个脉冲，则转速（r/min)为：n=60 65536/（1024 5）r/min=768 r/min

30、,8.5电荷耦合器件图像传感器原理及其应用简介,CCD的功能：,光电转换：获得与像素明暗相关的电荷；,电荷转移：能够将电荷进行保存，并定向转移到输出电路。,问题：（1）如何获取图像信息？（2）怎样实现图像电信号的存储和输出？,图像是由像素组成行，由行组成帧。对于黑白图像来说，每个像素应根据光的强弱得到不同大小的电信号。,一.电荷耦合器件(CCD)原理,电荷耦合器件（Charge Couple Device，简称CCD），它将光敏二极管阵列和读出移位寄存器集成为一体，构成具有自扫描功能的图象传感器。是一种金属氧化物半导体（MOS）集成电路器件，它以电荷作为信号,基本功能是进行光电转换电荷的存储和

31、电荷的转移输出。广泛应用于自动控制和自动测量,尤其适用于图像识别技术。,MOS光敏单元的结构及原理,CCD器件完成对物体的成像，在其内部形成与光像图形相对应的电荷分布图形。这就要求它的基本单元具有存储电荷的功能，同时还具有电荷转移输出功能。CCD器件的基本单元结构是MOS（金属氧化物半导体）结构。即在P型硅衬底上生长一层SiO2(120nm),再在 SiO2层上沉积金属铝构成MOS结构，它是CCD器件的最小工作单元。,CCD是一种半导体器件,1金属 2绝缘层SiO2,有信号电荷的势阱,当MOS电容器栅压大于开启电压UG，周围电子迅速地聚集到电极下的半导体表面处，形成对于电子的势阱。,光电转换的实现,CCD图像传感器,二、CCD图像传感器应用线阵CCD器件检测工件尺寸,L工件尺寸，N覆盖的光敏单元d相邻光敏单元中心距离M光学系统放大率,2d为图象末端两个光敏单元之间可能的最大误差。根据目前产品情况d0013003mm。,小结：,光电器件,光电效应,数字式光电传感器,光电传感器应用,