光敏傳感器實(shí)驗(yàn)論文-大物實(shí)驗(yàn)

1、光敏傳感器實(shí)驗(yàn)及探究摘要：光敏傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測(cè)光量變化或直接引起光量變化的非電量，也可用于檢測(cè)能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光敏傳感器具有響應(yīng)快、精度高、能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。 關(guān)鍵詞：光敏傳感器；檢測(cè)光量變化；電信號(hào)；檢測(cè)與控制。Abstract: photoelectric sensor is photoelectric device as a sensor element.

2、 It can be used for non electric quantity detection light intensity or directly caused by light intensity, and can also be used for detection can be converted into other non electrical quantity change. It divides the changes measured into optical signal changes, then with the help of optoelectronic

3、devices to convert optical signals into electrical signals. Photoelectric sensor has the advantages of fast response, high precision, can realize the non-contact measurement etc., and measurable parameters, the sensor has the advantages of simple structure, flexible and diverse forms, therefore, app

4、lication of photoelectric sensors in the detection and control field is very wide.Key words: photoelectric sensor; detection of light intensity; signal; detection and control.1 前言傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男盘?hào)的裝置。電信號(hào)易于傳輸和處理，所以大多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的。例如傳聲器就是一種傳感器，它感受聲音的強(qiáng)弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。又如電感式位移傳感

5、器能感受位移量的變化，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。2 光敏傳感器工作原理2.1 光電效應(yīng)光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)兩大類(lèi)。在光輻射作用下電子逸出材料的表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射稱(chēng)為外光電效應(yīng)，或光電子發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。電子并不逸出材料表面的則是內(nèi)光電效應(yīng)，幾乎大多數(shù)光電控制應(yīng)用的傳感器都是此類(lèi)，通常有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏

6、特效應(yīng)是兩種常見(jiàn)的內(nèi)光電效應(yīng)。2.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)若光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，透過(guò)到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，某些電子吸收光子的能量，從原來(lái)的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的自由態(tài)，這時(shí)在外電場(chǎng)的作用下，流過(guò)半導(dǎo)體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會(huì)增大，這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩類(lèi)。前者是指能量足夠大的光子使電子離開(kāi)價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，價(jià)帶中由于電子離開(kāi)而產(chǎn)生空穴，在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴參與電導(dǎo)，使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)則是能量足夠大的光子使施主能級(jí)中的電子或受主能級(jí)中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長(zhǎng)波限比本征型光電導(dǎo)的要長(zhǎng)的多。2.1.

7、2光生伏特效應(yīng)在無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部自建電場(chǎng)。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，在能量足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)生少數(shù)載流子（電子、空穴對(duì)）。載流子在結(jié)區(qū)外時(shí)，靠擴(kuò)散進(jìn)入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時(shí)，則因電場(chǎng)E的作用，電子漂移到N區(qū)，空穴漂移到P區(qū)。結(jié)果使N區(qū)帶負(fù)電荷，P區(qū)帶正電荷，產(chǎn)生附加電動(dòng)勢(shì)，此電動(dòng)勢(shì)稱(chēng)為光生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱(chēng)為光生伏特效應(yīng)。2.2光敏傳感器的基本特性本實(shí)驗(yàn)主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管四種光敏傳感器的基本特性。光敏傳感器的基本特性則包括：伏安特性、光照特性等。其中光敏傳感器在一定的入射照度下，光敏元件的電流I與所加電壓U之間的關(guān)系稱(chēng)為光敏器件的伏安特

8、性。改變照度則可以得到一族伏安特性曲線(xiàn)。它是傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)選擇電參數(shù)的重要依據(jù)。光敏傳感器的光譜靈敏度與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系稱(chēng)為光照特性，有時(shí)光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強(qiáng)之間的關(guān)系也稱(chēng)為光照特性，它也是光敏傳感器應(yīng)用設(shè)計(jì)時(shí)選擇參數(shù)的重要依據(jù)之一。掌握光敏傳感器基本特性的測(cè)量方法，為合理應(yīng)用光敏傳感器打好基礎(chǔ)。2.2.1光敏電阻利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器稱(chēng)為光敏電阻。目前，光敏電阻應(yīng)用的極為廣泛，可見(jiàn)光波段和大氣透過(guò)的幾個(gè)窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開(kāi)關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪须S處可見(jiàn)。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為： （1） 在（1）式中，e

9、為電荷電量，為空穴濃度的改變量，為電子濃度的改變量，表示遷移率。當(dāng)兩端加上電壓U后，光電流為： （2） 式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的間距。在一定的光照度下，為恒定的值，因而光電流和電壓成線(xiàn)性關(guān)系。光敏電阻的伏安特性如圖2a所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明電阻值隨光照度發(fā)生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒(méi)有飽和現(xiàn)象。當(dāng)然，與一般電阻一樣光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過(guò)規(guī)定的最高額定值。圖2a 光敏電阻的伏安特性曲線(xiàn) 圖2b 光敏電阻的光照特性曲線(xiàn)光敏電阻的光照特性則如圖2b所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數(shù)的情況下，曲線(xiàn)的形狀都

10、與圖2b的結(jié)果類(lèi)似。由于光敏電阻的光照特性是非線(xiàn)性的，因此不適宜作線(xiàn)性敏感元件 ，這是光敏電阻的缺點(diǎn)之一。所以在自動(dòng)控制中光敏電阻常用作開(kāi)關(guān)量的光電傳感器。2.2.2硅光電池硅光電池是目前使用最為廣泛的光伏探測(cè)器之一。它的特點(diǎn)是工作時(shí)不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。圖3a為硅光電池的伏安特性曲線(xiàn)。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線(xiàn)性。 圖3a 硅光電池的伏安特性曲線(xiàn) 圖3b 硅光電池的光照特性曲線(xiàn) *圖3b中 1： 開(kāi)路電壓 2： 短路電流當(dāng)光照射硅光電池的時(shí)候，將產(chǎn)生一個(gè)由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流；同時(shí)由于PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流，此電流方向與光生

11、電流方向相反。所以實(shí)際獲得的電流為： （3） 式中V為結(jié)電壓，為二極管反向飽和電流，n為理想系數(shù)，表示PN結(jié)的特性，通常在1和2之間，為波爾茲曼常熟，T為絕對(duì)溫度。短路電流是指負(fù)載電阻相對(duì)于光電池的內(nèi)阻來(lái)講是很小的時(shí)候的電流。在一定的光照度下，當(dāng)光電池被短路時(shí)，結(jié)電壓V為0，從而有： （4） 負(fù)載電阻在20歐姆以下時(shí)，短路電流與光照有比較好的線(xiàn)性關(guān)系，負(fù)載電阻過(guò)大，則線(xiàn)性會(huì)變壞。開(kāi)路電壓則是指負(fù)載電阻遠(yuǎn)大于光電池的內(nèi)阻時(shí)硅光電池兩端的電壓，而當(dāng)硅光電池的輸出端開(kāi)路時(shí)有，由（3）（4）式可得開(kāi)路電壓為： （5） 圖3b為硅光電池的光照特性曲線(xiàn)。開(kāi)路電壓與光照度之間為對(duì)數(shù)關(guān)系，因而具有飽和性。因此

12、，把硅光電池作為敏感元件時(shí)，應(yīng)該把它當(dāng)作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線(xiàn)性的特點(diǎn)，這是硅光電池的主要優(yōu)點(diǎn)。2.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的伏安特性相當(dāng)于向下平移了的普通二極管，光敏三極管的伏安特性和光敏二極管的伏安特性類(lèi)似，如圖4a，b所示。但光敏三極管的光電流比同類(lèi)型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時(shí)，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無(wú)光電流輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)，只因光電三極管的集電結(jié)在無(wú)反向偏壓時(shí)沒(méi)有放大作用，所以此時(shí)沒(méi)有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。 圖4a 光敏二極管的伏安特性曲線(xiàn) 圖4b 光敏三極管的伏安特性曲線(xiàn) 光敏二極管的光照特性亦呈良

13、好線(xiàn)時(shí)靈敏度低些，在強(qiáng)光時(shí)則有飽和現(xiàn)象，這是由于電流放大倍數(shù)的非線(xiàn)性所至，對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)不利。故一般在作線(xiàn)性檢測(cè)元件時(shí)，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。 圖5a 光敏二極管的光照特性曲線(xiàn)圖5b 光敏三極管的光照特性曲線(xiàn)3 實(shí)驗(yàn)方案3.1光敏電阻3.1.1光敏電阻的伏安特性測(cè)試（1）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖7接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，基準(zhǔn)參考硅光電池接相對(duì)照度處的硅光電池接口，輸出接定標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)字電壓表。光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測(cè)用光敏電阻 裝入待測(cè)點(diǎn)，連結(jié)+2-+12V電源，光源電壓0-24V電源（可調(diào)）。（2）先將可調(diào)光源調(diào)至一定的光照度， 每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏電阻上電壓 為+2V；+4V；+

14、6V；+8V；+10V；+12V時(shí)電阻R1兩端的電壓UR，從而得到6個(gè)光電流數(shù)據(jù)，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值，即。以后調(diào)節(jié)相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（要求至少在三個(gè)不同照度下重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)）。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫(huà)出光敏電阻的一族伏安特性曲線(xiàn)。3.1.2光敏電阻的光照度測(cè)試（1）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖，接好實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路，基準(zhǔn)參考硅光電池接相對(duì)照度處的硅光電池接口，輸出接定標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)字電壓表。光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測(cè)用光敏電阻 裝入待測(cè)點(diǎn)，連結(jié)+2-+12V電源，光源電壓0-24V電源（可調(diào)）。（2）從UCC=0開(kāi)始到UCC=12V，每次在一定的外加電壓下測(cè)出光敏電阻在相對(duì)光照度從“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電

15、流數(shù)據(jù)，即：，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的阻值，即： 。這里要求至少測(cè)出10個(gè)不同照度下的光電流數(shù)據(jù)，尤其要在弱光位置選擇較多的數(shù)據(jù)點(diǎn)，以使所得到的數(shù)據(jù)點(diǎn)能夠繪出完整的光照特性曲線(xiàn)。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出光敏電阻的一族光照特性曲線(xiàn)。3.2硅光電池3.2.1硅光電池的伏安特性測(cè)試（1） 如圖接線(xiàn)（2）開(kāi)關(guān)打到“1”，在一定照度下，調(diào)節(jié)多圈電位器阻值，步進(jìn)量為，然后測(cè)量硅光電池輸出電壓和取樣電阻兩端電壓，光電流（3）選取不同光照度，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（4）根據(jù)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫(huà)出硅光電池的一簇伏安特性曲線(xiàn)3.2.2硅光電池的光照度測(cè)試（1）如前圖實(shí)驗(yàn)線(xiàn)路如圖，電位器調(diào)到（2） 先將可調(diào)光源調(diào)至一定的照度下，測(cè)出

16、該照度下硅光電池的開(kāi)路電壓Uoc和短路電流Isc數(shù)據(jù),其中短路電流為（近似值，為取樣電阻），以后逐步改變可調(diào)光源的照度（810次），重復(fù)測(cè)出開(kāi)路電壓和短路電壓。 （3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫(huà)出硅光電池的光照特性曲線(xiàn)。3.3光敏二極管3.3.1光敏二極管的伏安特性測(cè)試（1） 如上圖接線(xiàn)，光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈，光源電壓用（2） 先將可調(diào)光源調(diào)至一定的光照度， 每次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏二極管的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流，其中光電流，以后調(diào)節(jié)相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（要求至少在三個(gè)不同照度下重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)）。（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫(huà)出光敏二極管的一族伏安特性曲線(xiàn)。 3.3.2光敏二極管的光照特性

17、測(cè)試（1） 如上圖接線(xiàn)（2） 選擇一定的反偏壓，每次在一定的反偏壓下測(cè)出光敏二極管在相對(duì)光照度為“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，其中（3） 根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫(huà)出光敏二極管的一簇光照特性曲線(xiàn)4 誤差分析（1） 光源在發(fā)光過(guò)程中持續(xù)加熱，電阻會(huì)持續(xù)增大，光照度會(huì)緩慢提升，從而影響實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。（2） 光源電壓不穩(wěn)定，在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。5 結(jié)論光敏傳感器除了能測(cè)量光強(qiáng)之外，還能利用光線(xiàn)的透射、遮擋、反射、干涉等測(cè)量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測(cè)量中不存在摩擦和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多

18、應(yīng)用場(chǎng)合，光敏傳感器比其他傳感器有明顯的優(yōu)越性。而且近年來(lái)，隨著光電科學(xué)、信息科學(xué)和材料科學(xué)發(fā)展成果的推動(dòng)，光電式傳感器技術(shù)得到了進(jìn)一步的飛速發(fā)展。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)現(xiàn)代科技認(rèn)識(shí)的不斷深入，光敏傳感器必將迎來(lái)屬于自己的時(shí)代。參考文獻(xiàn)1 孫傳友，張一.感測(cè)技術(shù)基礎(chǔ)第三版.電子工業(yè)出版社，2012.12 吳勤勤.控制儀表及裝置第三版.化學(xué)工業(yè)出版社，2012.13 杜維，張宏建，王會(huì)芹.過(guò)程檢測(cè)技術(shù)及儀表第二版.化學(xué)工業(yè)出版社，2011.24 邱關(guān)源.電路第五版.高等教育出版社，2006.55 康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分第五版.高等教育出版社，2008.46 周殿清，馮輝.基礎(chǔ)物理實(shí)

19、驗(yàn).科學(xué)出版社.2009.1 附錄：一、光敏電阻偏置電壓（V）246810121.553.094.636.187.729.281.553.094.636.187.729.28290.32 294.50 295.90 294.50 295.34 293.10 偏置電壓（V）246810121.583.154.736.317.909.461.583.154.736.317.909.46265.82 269.84 268.50 267.83 265.82 268.50 偏置電壓（V）246810121.673.345.006.678.3210.021.673.345.006.678.3210.021

20、97.60 197.60 200.00 199.40 201.92 197.60 光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)123456102030624.244.335.044.925.065.625.686.056.246.624.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62886.79 847.58 984.13 626.02 976.28 1135.23 760.56 983.47 602.56 812.69 光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2

21、001502001001502001001005050光照度(Lx)123456102030625.395.436.336.166.356.957.107.687.758.285.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28484.23 473.30 579.78 298.70 574.80 726.62 408.45 562.50 290.32 449.28 光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)123456102030626.516.567.617.477.638.42

22、8.499.239.339.956.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95228.88 219.51 314.06 70.95 310.62 425.18 177.86 300.11 71.81 206.03 二、硅光電池硅光電池在最大光照度下的開(kāi)路電壓與短路電流0.4000.08530.008530.51.01.52.02.53.03.54.04.55.01192573454154374474524564584602.32.32.32.01.71.51.31.11.00.90.230.230.230.20.170.150.130.110.100.090.

23、51.01.52.02.53.03.54.04.55.01633314264454564614644674694703.33.32.82.21.81.51.31.11.00.90.330.330.280.220.180.150.130.110.100.090.51.01.52.02.53.03.54.04.55.02434294594694734754774784794815.14.23.02.31.81.51.31.11.00.70.510.420.300.230.180.150.130.110.100.07光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)123456102030624424454584594624704734834895040.60.61.11.01.21.71.72.74.37.10.060.060.110.10.120.170.170.270.430