光敏電阻特性的研究及演示用光敏器件的設計_圖文

1、光敏電阻特性的研究及演示用光敏器件的設計范佳午、楊軍、張燦坤、顏鑫亮北京師范大學物理學系摘要 :對光敏電阻從理論上、實驗上和教學上進行系統(tǒng)的研究。主要結合實驗可測量的量推算了不同頻率光對光敏電阻激發(fā)的量子產額的表達式;測量了光敏電阻在不同頻率光照射下的 R-E (阻值照度曲線;設計實驗研究了光敏電阻的響應時間與照射光的照度和頻率的關系,并給出了上升和下降時間的測量方法;并設計了教學演示用光敏器件光控照明器、閃光探測器和光源方向探測裝置,可以應用于中學傳感器教學。關鍵詞:光敏電阻,光照特性,光譜特性,響應特性,響應時間,量子產額,傳感器教學,光控照明器,閃光探測器,光源方向探測電路一、光敏電阻及

2、其特性的介紹光敏電阻是基于內光電效應的一種光傳感器。 具有靈敏度高, 光譜響應范圍寬, 體積小、重量輕、機械強度高,耐沖擊、耐振動、抗過載能力強和壽命長等優(yōu)點。因此作為開關式光電信號傳感元件廣泛應用在自動化技術中。制造光敏電阻的材料主要有金屬的硫化物、硒化物和銻化物等半導體材料。光敏電阻的結構如圖所示。 管芯是一塊安裝在絕緣襯底上帶有兩個歐姆接觸電極的光電導體。光導體吸收光子而產生的光電效應,只限于光照的表面薄層,雖然產生的載流子也有少數(shù)擴散到內部去, 但擴散深度有限, 因此光電導體一般都做成薄層。 為了獲得高的靈敏度,光敏電阻的電極一般采用硫狀圖案,結構見下圖。它是在一定的掩模下向光電導薄膜

3、上蒸鍍金或銦等金屬形成的。這種硫狀電極,由于在間距很近的電極之間有可能采用大的靈敏面積,所以提高了光敏電阻的靈敏度。 金屬封裝的硫化鎘光敏電阻結構圖其中:1-光導層 ; 2-玻璃窗口 ; 3-金屬外殼 ; 4-電極 ;5-陶瓷基座 ; 6-黑色絕緣玻璃 ; 7-電阻引線。引線45 6光敏電阻的靈敏度易受濕度的影響,因此要將導光電導體嚴密封裝在玻璃殼體中。如果把光敏電阻 連接到外電路中,在外加電壓的作用下,用光照射就能改變電路中電流的大小。光敏電阻的主要參量有暗電阻、亮電阻、光譜范圍、峰值波長和時間常數(shù)等?；咎匦杂蟹蔡匦?、 光照特性、光譜特性、溫度特性等。大致介紹如下:暗電阻:關閉 10Lx

4、 光照后第 10秒的電阻值。亮電阻:用 400 -600Lx光照射 2小時后,在標準光源 A (色溫 2853K 下,用 10Lx 光測量。 靈敏度:指其不受光照射時的電阻值 R D (暗電阻和受光照射時的電阻值 R P (亮電阻的相對變化 值。光敏電阻暗電阻的阻值一般在兆歐數(shù)量級,亮電阻在千歐數(shù)量級,有很高的靈敏度。時間常數(shù):當光敏電阻在 0上升到 100LX 時電阻到達穩(wěn)定狀態(tài)的 63%所需的時間。也稱為慣性。光譜特性:表示光敏電阻對不同波長的光照敏感程度,光譜響應最敏感的波長稱為光譜響應峰值。 伏安特性:指在一定照度下,加在光敏電阻兩端的電壓和光電流之間的關系。光照特性:指在一定外加電壓

5、下,光敏電阻的光電流和光通量之間的關系。溫度特性:光敏電阻的性能 (靈敏度、暗電阻 受溫度的影響較大。隨著溫度的升高,其暗電阻和靈 敏度下降,光譜特性曲線的峰值向波長短的方向移動。廠家在測量光敏電阻特性時,采用色溫為 2853K 的標準 A 光源,并且在較少的歷史效應的條件下測 得。二、項目取得的成果(一 :對光敏電阻特性的理論推導我們在查閱文獻的基礎上,對光敏電阻的理論分析進行了系統(tǒng)的總結。并對照在光敏電阻上的照度 與波長和光子數(shù)的關系進行了推導,與課題中設計的兩個實驗結合起來,推出了光敏電阻的量子產額的 表達式。光敏電阻是基于光電導效應的光電元件。當半導體受到光照射時,引起半導體電導率改變

6、的現(xiàn)象稱 為光電導效應。光電導現(xiàn)象最基本的過程是光激發(fā)在半導體中產生自由載流子。半導體吸收光子能使電 子從價帶激發(fā)到導帶,分別在導帶和價帶中產生可以自由移動的電子和空穴,它們引起的光電導稱為本 征光電導。另外,在光激發(fā)不引起載流子數(shù)目變化,而只是使載流子遷移率變化的情況下,也可以發(fā)生 帶內光電導現(xiàn)象。1、附加光電導如果平衡態(tài)的電子和空穴濃度為 為 ,則半導體的電導率和 000p n : (000p n u p u n e +=其中 0為無光照時的電導率(暗電導率, p n u u 和 分別是電子和空穴的遷移率。光照產生的非平衡載流子,開始時它們的能量比平衡載流子的平均能量高,或者說這些載流子的

7、分 布不同于平衡分布。但是經過很短的時間,通過和晶格的碰撞他們把多余的能量傳遞給晶格,使本身的 能量相應于平衡分布。因此,非平衡載流子在其存在的大部分時間內,與平衡載流子的遷移率相同。設非平衡電子和空穴濃度為 :, 為 導率 則有光照時半導體的電和 p n p n u p p e u n n e ( (00+=于是光照引起的附加光電導 可寫為:(p n u p u n e +=雖然在本征光電導中,光激發(fā)的電子和空穴是相等的,但是在它們復合消失以前,只有一種光生載 流子有較長時間處于自由狀態(tài),而另一種則基本上被禁帶中的陷阱能級所束縛。此時:n p 或者 pn . 所以附加光電導寫成:p n u

8、p e u n e =或者 ,2、光電導的弛豫實驗表明,在恒定光照下,光電導是逐漸增大的,最后才達到穩(wěn)定值;光照停止時,光電導也是在 一段時間內逐漸消失的。光電導的這種逐漸上升和逐漸下降的現(xiàn)象,稱為光電導的弛豫。從產生光電導 的機理來看,這種現(xiàn)象反映了光生載流子的積累和消失過程。以下給出光激發(fā)引起的載流子的產生率:設強度為 I 的光均勻的垂直照射到樣品的一個表面上。在垂直光照射方向(x 方向單位面積 . 厚度 為 dx 的小體積內吸收的光能量為:dx x I dI =- (式中 為吸收系數(shù)。如果 I 是以光子數(shù)表示的光強(即單位時間內通光單位面積的光子數(shù),則單 位時間內,在單位體積內吸收的光子

9、數(shù)為 I 是常數(shù)。在這種情況下,載流子的產生率 G 也是常數(shù),可以 把它表示為:I=G表示吸收一個光子產生載流子(或電子空穴對的數(shù)目,稱為量子產額。設 為由于光照產生的非平衡載流子的壽命,電子和穴會不斷復合,對于直接符合和通過復合中 心的復合,復合率(單位時間內復合掉的電子和空穴的對數(shù) /n 。有光照射時的連續(xù)性方程可寫為: n dt n d -I= 根據(jù)起始條件:t=0,0=n , 可解得方程的解為:(/1t n -I= 當 t時, n 達到穩(wěn)定值 s n s n I=由上式可以得出持續(xù)光照時,由于光照產生的載流子數(shù)目與四個因素有關:量子產額,吸收系數(shù) ,光照強度和載流子壽命。光照停止后,決

10、定 n 變化的連續(xù)性方程為: n dt n d -= 由初始條件 t=0, n =s n , 解方程可得:/t sn n -= 由上式可得:當時間 t 遠遠大于 , n 趨近于 0。下圖給出了 n 隨時間 t 的變化過程: 3、光能量的傳播(1輻射通量和視見函數(shù)設光源表面 S 向所有方向輻射出各種波長的光。此光源表面一個面積 dS 的輻射情況,可以用單位時間內該面積 dS 輻射出來的所有波長的光能量(也就是通過該面積的輻射功率來表示,這就是面積元 dS 的 輻射通量?？捎?來表示,單位為瓦特。分布函數(shù) e (是單位時間內通過光源面積元的某一波長附近的單位波長間隔內的光能量。 e (是 波長 的

11、函數(shù),它又稱為譜輻射通量密度。從光源面積元 dS 輻射出來的波長在 到 +d間的光輻射通量為( d d e d +=于是,從面積元 dS 發(fā)出的各種波長光的輻射通量為0( e d = 設任一波長為 的光和波長為5550的光,產生相同亮暗視覺所需的輻射通量分別為 和 5550 ,則比 值5550( v = 稱為視見函數(shù)。(2光通量引入視見函數(shù)后,就可以研究光通量,它表示光源表面的可觀輻射通量對人眼所引起的視覺強度, 以 表示,它等于輻射通量與視見函數(shù)的乘積,在某一波長 附近對于波長間隔為 d 的單色光來講,其 光通量為( ( ( ( m d k v d k e d =式中( ( m k k v

12、=( k 稱為光譜光視效能, m k 為最大光視效能,簡稱最大光效率,在國際單位制中 m k =683lm/W(3發(fā)光強度發(fā)光強度是表征光源在一定方向范圍內發(fā)出的光通量的空間分布的物理量,它可用點光源在單位立 體角中發(fā)出的光通量的數(shù)值來量度,可表示為d I d =式中 d 是點光源在某一方向上所張的立體角元。(4照度照度是表征受照面被照明程度的物理量,它可用落在受照物體單位面積上的光通量數(shù)值來量度,如 果照射在物體面元 ds 上的光通量為 d ,則照度 E 可表達為dsd E =我們認為在照射過程中,輻射均勻,則有 s E =從而得出Es =則照射到光敏電阻上的光強為2cos r E Es I

13、 = 式中 r 為光源距受光物體元面積 d 中心的距離, 為光束的軸線方向與受照面法線間夾角。于是,( (m d d k v =對于特定光波長有( (m k v = (即為某波長光輻射到光敏電阻上的輻射功率。 每個光子的能量為 hc ,所以單位時間內通過單位面積的光子數(shù)為/ (hc =I 式中 83.010/c m s =是真空中的光速, 346.610/h J s -=是普朗克常量。4、綜上可得出光敏電阻量子產額 的表達式 : =s n /( I目前市場上的光敏電阻大多材料為 Cds ,而 Cds 為 N 型半導體,所以s n =/(en u 而 ( (/ (v hck Es v hck h

14、c m m =I 當照度較大時,由于 0,可認為 =所以 nu Es e v hck m = ( n u Es e v hck m = ( 式中 s 為光敏電阻上光導電材料的受光面積, E 、 、 可由我們設計的實驗測得。 u n 為電子遷移率, 為吸收系數(shù)與照射光的波長 有關。其他的量均為常數(shù)或由查圖表可得。(二光敏電阻在不同頻率單色光下的阻值照度關系曲線的測量光敏電阻的光照特性是指在一定外加電壓下,光敏電阻的光電流與光通量之間的關系。在電壓一定 的條件下,光電流與光敏電阻阻值成反比關系,故只需測得了阻值,即可將之轉化為光電流大小。由于 光敏電阻的受光面積一定,照在光敏電阻上的光通量與照度成

15、正比。前人只對復合光下光敏電阻的光照 特性曲線進行了測量,尚未探索光通量光頻率阻值之間的關系。但在不同頻率光的照射下,光 敏電阻可能有著不同的光照特性曲線,即不同的 R-E 關系曲線。我們設計實驗對光敏電阻在不同頻率單色 光下的 R-E 關系曲線進行了測量。1、實驗裝置與實驗設計實驗裝置如下圖所示。為了得到不同頻率的照射光,采用高亮度可發(fā)出連續(xù)的復合光的溴鎢燈作為 光源。再通過濾色片得到單一頻率的光。在光源后放置透鏡 1使透過后的光成為平行光。偏振器由一對偏振片組成, 用來控制照射到光敏電阻上的光強度。 兩偏振片間的夾角 與照射光強度 I 的關系為 I = I 0cos2,其中 I 0為當兩偏

16、振片平行時的出射光強。當平行光入射至偏振器后,通過改變兩偏振器間的夾角 可 達到調節(jié)照射光強度變化的目的。透鏡 2可使由偏振器出射的平行光能高效、均勻地照射光敏電阻。濾色 片置于緊貼遮光筒開口處,這樣可保證照射到光敏電阻上的光為單色光。而光敏電阻置于遮光筒中,避 免了雜散光的影響。光敏電阻阻值的測量采用了數(shù)字歐姆表。數(shù)字歐姆表不僅精度高,同時避免了組裝 測量電路的麻煩。 阻值照度關系曲線測量裝置圖在擺置圖一所示的裝置時,要注意將各元件調整至等高共軸狀態(tài),并調整好透鏡 1和透鏡 2的位置, 使照射到光敏電阻上的最大光強盡可能大。實驗前先將偏振片的夾角調至零度,用照度計測量照射到光 敏電阻上的最大

17、照度值。測量時注意要將照度計的探頭放至和光敏電阻相同的位置,并使探頭平面和光 敏電阻平面平行。實驗時,只要調整偏振片角度改變光強,并讀出相應的阻值即可。2、 實驗數(shù)據(jù)及作圖用以上的實驗方法,我們對兩只光敏電阻在不同頻率單色光下的光照特性進行了測量,整理后的實 驗數(shù)據(jù)如表 1和表 2,根據(jù)數(shù)據(jù)畫出圖 1和圖 2 ,光敏電阻 2在 407nm 光照射下的 R-E 曲線的數(shù)據(jù)由于 最大照度不夠只測到三組數(shù)據(jù),表中未列出:表 1 光敏電阻 1的數(shù)據(jù) 表 2 光敏電阻 2的數(shù)據(jù) 由圖可以看出,不同頻率光對光敏電阻的光照特性有著不同的影響。光照較弱的時候,在不同頻率 光的同一照度下光敏電阻的阻值有很大差別

18、。隨著光照增強,這種差別逐漸減小。對不同的光敏電阻存 在使其最靈敏的波段,而不是隨波長增加光敏電阻的靈敏度單調遞增或遞減,即存在光譜響應峰值。由 相對靈敏度的定義,可以推出亮電阻越小相對靈敏度越大,即圖中越下面的曲線的相對靈敏度越大。而 根據(jù)本實驗測得的市場上兩個光敏電阻的數(shù)據(jù),這兩個光敏電阻的光譜響應特性曲線都存在著不止一個 峰。不知實驗中使用的光敏電阻的型號和材料。一般廠家給出的光敏電阻光譜響應特性曲線只有一個明 顯的峰(可參考 聯(lián)系到 (一 中推出的量子產額的公式, 影響量子產額 的吸收系數(shù) 、 視見函數(shù) V( 都與 有關, 響應時間 與 可能有關,我們將在(三部分的實驗中試圖研究。并且

19、 本身也影響著 。 V( 與 的關系較為簡單,是僅有一個峰值的光滑曲線(可參見姚啟鈞光學教程 257頁 。而 與 的關系可 能較復雜,它受本征吸收、激子吸收、雜質吸收、自由載流子吸收等的影響(可參見黃昆固體物理學 441頁 。因此, 與 的關系可能比較復雜。注意:圖中均沒有測到照度為零時的阻值,圖一中照度很小的點看似已經在縱軸上,實際并未在縱 軸上,而是還接受微弱的光照。實驗測得,當光照為零時(把光敏電阻用黑紙嚴實包住,光敏電阻的 阻值會隨著時間的增加一直增加,直至超出量程為 88M 歐的萬用表量程。光敏電阻的暗電阻定義為:關閉 10Lx 光照后第 10秒的電阻值。(三光敏電阻響應時間的研究光

20、敏電阻是基于光電導效應的光電元件。在從無光到恒定光照下,光電導逐漸增大,最后才達到穩(wěn) 定值;光照停止后,光電導也是在一段時間內逐漸減小到穩(wěn)定值的。光電導的這種逐漸上升和逐漸下降 的現(xiàn)象,稱為光電導的弛豫。這種現(xiàn)象表現(xiàn)了光電導對光強變化反應的快慢。從產生光電導的機理來看, 弛豫現(xiàn)象反映了光生載流子的積累和消失過程。光電導上升或下降的時間就是弛豫時間,或稱為響應時 間。光敏電阻的靈敏度指其不受光照射時的電阻值 R D (暗電阻和受光照射時的電阻值 R P (亮電阻的相 對變化值。相對靈敏度 S s 為 (RD -R P /RD 。下面的圖表示出光敏電阻的響應特性。當脈沖光照射后上升到飽 光敏電阻的

21、響應特性和值的 63%的時間稱為上升時間,而脈沖光遮擋后下降到飽和值的 37%的時間稱為下降時間。大多數(shù)光敏 電阻的響應時間較長,這是它的缺點之一。1、 實驗裝置與實驗設計實驗裝置如下圖所示。光源采用高亮度可發(fā)出連續(xù)的復合光的溴鎢燈。再通過濾色片得到單一頻率 的光。在光源后放置透鏡 1使透過后的光成為平行光。偏振器由一對偏振片組成,用來控制照射到光敏 實驗裝置示意圖電阻上光強度。兩偏振片間的夾角 與照射光強度 I 的關系為 I = I 0cos 2其中 I 0為當兩偏振片平行時 的出射光強。當平行光入射至偏振器后,通過改變兩偏振器間的夾角 可達到調節(jié)照射光強度變化的目 的。透鏡 2可使由偏振器

22、出射的平行光能高效、均勻地照射光敏電阻。濾色片置于貼近快門處,這樣可 保證照射到光敏電阻上的光為單色光。而將光敏電阻置于快門中后部以避免雜散光的影響。利用快門的 打開和關閉來獲得入射光脈沖。將光敏電阻和另一固定阻值的電阻串聯(lián)后接到穩(wěn)壓電源上,在光敏電阻的兩端并聯(lián)數(shù)字存儲示波器。 則可將光敏電阻的阻值的變化轉化為電壓的變化在示波器上顯示出來。利用數(shù)字存儲示波器的儲存功能 或采用長余輝慢掃描方式將光脈沖引起的波形存儲下來以便測量。本實驗采用半定量的方法研究光敏電阻的響應時間與照射光的照度和波長的關系,可以得出響應時 間隨照射光的照度和波長的變化規(guī)律。為了避免由于波形的起點和終點不好確認而帶來的誤差

23、,我們規(guī) 定每次測量電壓從初始值到最后的穩(wěn)定值的改變量的 10%上升到 90%所用的時間(僅測量快門關閉引起的 電壓變化波形,光敏電阻阻值增加,相對靈敏度下降 。實驗時只需改變偏振片的夾角 ,再按我們的規(guī) 定測量相應的時間。在測完一組數(shù)據(jù)后,將偏振片夾角轉至 0度,將照度計探頭置于和光敏電阻同樣位置 和角度處測量最大照度。然后更換另一種波長的濾色片,測量另一組數(shù)據(jù)和相應的最大照度。由于光敏 電阻的受光面積和對光源位置保持不變,可以證明光敏電阻受到的照度也滿足 E=E0cos 2, 其中 E 0為光敏電阻受到的最大照度。最后可通過作圖將在不同波長光照射下測得的數(shù)據(jù)進行對比。2、 實驗數(shù)據(jù)及作圖在

24、串聯(lián)了 2000歐的電阻情況下,對型號為 5606的光敏電阻測量的結果見表。其中波長為 550nm 的入射 光的最大照度為 140lx ,用 E 1代表光敏電阻受到的照度, T 1代表根據(jù)上面規(guī)定測得的時間;波長為 600nm 的 入射光的最大照度為 180lx ,用 E 2代表光敏電阻受到的照度, T 2代表根據(jù)規(guī)定測得的時間。響應時間與照度關系實驗數(shù)據(jù)/( E 1(lx T 1(ms E 2(lx T 2(ms 0 140.0 112 180.0 11010 135.8 112 174.6 11020 123.6 110 158.9 11830 105.0 108 135.0 10640

25、82.2 111 105.6 11650 57.8 108 74.4 10660 35.0 116 45.0 11466 23.2 116 29.8 12472 13.4 114 17.2 11678 6.1 135 7.8 12480 4.2 132 5.4 13282 2.7 150 3.5 14484 1.5 152 2.0 14686 0.7 188 0.9 20088 0.2 180 0.2 230根據(jù)表 1的數(shù)據(jù)作出的曲線見下圖。由圖可以看出,隨著照度的減小,光敏電阻的響應時間增長。并 且照度越小,響應時間隨照度的變化越急劇。對于型號為 5606的光敏電阻,波長為 550nm 的照

26、射光下和波不同波長光照射下的 T-E 曲線長為 600nm 的照射光下的 T-E 曲線的差別在照度較大時不明顯;在照度很小時,表格中的 T 1和 T 2有一定的差 別。但由于實驗中照度測量的不確定度較大,并且偏振片夾角在為 90時也難以完全不透光,而照度小 時 T 隨 E 變化劇烈,故 T 的不同可能是由 E 的微小不同引起的。在同樣 E 下波長對 T 的影響,還需更精密的實 驗來測量。 響應時間測量的示波器顯示的照片3、上升時間和下降時間的測量方法下面給出一個上升時間和下降時間的測量方法。實驗裝置與上面相同。如果實驗使用型號為 5549的 光敏電阻,暗電阻為 10兆歐(廠家數(shù)據(jù)。示波器為 T

27、ektronix TDS 1002,內阻 1兆歐。設穩(wěn)壓電源輸出 電壓為 U 0。為便于測量,將電阻箱改為串連阻值為 20兆歐的電阻。當光敏電阻阻值為暗電阻時,示波器與 光敏電阻并聯(lián)的阻值為 0.91兆歐,示波器測得電壓為 0.044 U 0。當光敏電阻被光源發(fā)出的光(照度在 10lx 以上照射并達到穩(wěn)定阻值時,阻值小于 1萬歐,與示波器并聯(lián)后,可認為示波器測得電壓為 0。根據(jù)光 敏電阻響應特性曲線,在相對靈敏度達到 63%的點, (RD -R P /RD =0.63,可得到 R P =0.37RD =3.7兆歐,與示波 器并聯(lián)后,示波器測得電壓為 0.038 U 0。所以用示波器測得電壓從最

28、大值下降改變量的(0.044-0.038 / (0.044-0 =13.6%所對應的時間,即為光敏電阻的上升時間。使用同樣方法,通過計算對示波器上測得 波形的測量范圍,可以測出光敏電阻的下降時間。實驗要注意將光敏電阻固定到快門中時要使光敏電阻的后部漏有余光,并控制余光的光強使光敏電 阻的阻值在暗電阻 10M 歐左右。這是因為廠家給出的光敏電阻的暗電阻為:關閉 10Lx 光照后第 10秒的電阻 值。而在完全無光條件下,隨著時間的增加,光敏電阻的阻值會一直增加直至超出廠家給出的暗電阻很 多倍。4、實驗改進方向條件允許,可研究一下快門的內部電路。設法將快門打開和關閉的信號同步接到示波器的另一個通 道

29、上,從而將快門的信號波形和光敏電阻上電壓變化的波形作比較,更加嚴謹精確的確定上升和下降時 間。另外,由于快門從打開到全開的時間無法得知,我們無法估計它可能給實驗帶來多大誤差?？蓢L試 尋找能產生光強階躍變化的閃光發(fā)生器來產生光脈沖。但是,雖然有這些不足,我們得出的數(shù)據(jù)和曲線 都可以半定量的反映出光敏電阻的響應時間與照射光的頻率和照度的關系。(四光控照明,閃光探測器,光源方向探測電路的設計光敏電阻作為一種靈敏的光電傳感器,有非常廣泛的應用。為了在教學中讓學生了解到這些應用,并 掌握一些簡單的應用電路,啟發(fā)學生自己尋找在生活中應用傳感器的思路,我們設計了一些演示用的光敏器件,包括光控照明、閃光探測器

30、和光源方向探測裝置。與其他人設計的電路相比較,我們設計的電 路特色在于原理清晰、簡單易懂,便于演示教學使用。1、光控照明在馬路上及各種公共場所,長明燈現(xiàn)象十分普遍,這造成了能源的極大浪費。而且由于頻繁開關或 者人為因素,墻壁開關的損壞率很高,增大了維修量,浪費資金。因此,能有一種根據(jù)光照強度自動控 制照明的方案是十分必要的。我們組設計了一種簡便的光控照明電路,作為教學演示用,它的電路簡明, 原理清晰,制作簡單,有助于幫助學生了解光敏電阻的應用,啟發(fā)同學們的思路。適合目前中學普遍開 展的傳感器的教學應用。 原理為:當有光照射時,光敏電阻呈現(xiàn)低電阻,三極管處于截止狀態(tài),那么,燈泡兩端的電壓接近 于

31、零,處于不亮的狀態(tài)。同樣,當光敏電阻沒有光線照射時,呈現(xiàn)為高電阻,三極管處于飽和連通狀態(tài), 燈泡兩端處于高電壓狀態(tài),燈泡變亮,此電路可以用作使用光敏電阻作光控照明的演示電路。2、閃光探測器閃光探測器可用于有間隔的閃光的探測和閃光次數(shù)計數(shù),在一些自動控制和實驗中有著應用。在設 計過程中使用了一些芯片,可以使中學生提前接觸到并了解目前有廣泛應用的電子芯片,激發(fā)學生的興 趣。電路圖如下,我們的電路由光脈沖發(fā)生器、計數(shù)器、顯示譯碼器和顯示器組成。 光脈沖發(fā)生器采用 555構成的施密特觸發(fā)器, 計數(shù)器選用 74LS163, 顯示譯碼器選用 74LS42, 顯示器 采用共陽極顯示器。電路原理:當光敏電阻受

32、到閃光燈照射時,電阻變小,約等于 2K , 而一直串聯(lián)的電阻為 5K ,那 么,它所分到的電壓約為 72V DD 小于 31V DD ,這樣一來, 6腳電壓也小于 31V DD , 555置位, 3腳躍變?yōu)楦?電平,作為計數(shù)脈沖加至計數(shù)器計數(shù)。當沒有收到閃光燈照射時,光敏電阻呈現(xiàn)高電阻約為 1M 左右, 所以能分到較大部分電壓,此電壓大于 32V DD ,這就使得 6腳處的電壓也大于 32V DD , 555復位, 3腳輸 出低電平,計數(shù)器不能計數(shù)。這樣,我們就可以通過是否產生計數(shù)脈沖來描述閃光的有無。譯碼器的作用就是把由計數(shù)器輸出的信號轉化成顯示器需要的輸入信號,然后通過顯示器顯示出來,即,

33、已探測到 閃光的次數(shù)。3、光源方向探測電路利用光敏電阻的光照特性還可以用來探測光源的方位。我們設計了一種光源方位探測器,其原理電 路圖如圖 3所示 .這樣一個簡單的電路,可以用來判斷太陽光的方位,在太陽能的開發(fā)與利用方面,起到重要的作用。 這個電路可以大大地激發(fā)學生的研究和制作興趣。所使用的元件有:光敏電阻 (9個 , 透鏡 (半徑 cm r 4=, 焦距 cm f 12= , 普通電阻 (9個, 22K , 電源(8節(jié) 5號電池 ,發(fā)光二極管(8個 ,開關一個,手電筒。其電路原理如圖 3所示:每個光敏電阻都與一個普通電阻串聯(lián), 9個這樣相同的部分并聯(lián)到電源兩端。 發(fā)光二極管正極都接在標號為

34、0的光敏電阻上,負極接在相應的光敏電阻和普通電阻的中間接線處。 原理:當沒有光照或 0號和 1號光敏電組上有相同的光照強度時, 兩光敏電阻阻值相等, a 點電勢等 于 b 點電勢, 1號發(fā)光二極管截止, 不發(fā)光; 當照在 1號光敏電阻上的光照強度大于照在 0號光敏電阻上 的光照強度時, 1號光敏電阻阻值小于 0號光敏電阻阻值, a 點電勢低于 b 點電勢, 1號發(fā)光二極管導通 發(fā)光。其余 2 8號光敏電阻依此類推。 本器件中主要元件具體位置示意圖如圖 4所示(對電源和普通電阻的位置及部分導線沒有要求,所以在這里未畫出 。 其中, 陰影部分表示凸透鏡所在位置, 所有光敏電阻和發(fā)光二極管都在同一個

35、平面內, 且處于凸透鏡所在平面下方約 8cm 處。 0號光敏電阻置于凸透鏡正下方, 1 8號光敏電組圍成一個 cm r 5. 2=的圓。用手電筒光照射,發(fā)現(xiàn)在距離凸透鏡 1m 范圍以內,器件能比較準確地指示光源方位。這個器件的待改進之處是:當光源是較大的面光源時,光可以同時照在三個或者三個以上的光敏電 阻上,可能導致多個發(fā)光二極管都發(fā)光,這時只可以確定光源的一個位置范圍。三、總結對光敏電阻從理論上、實驗上和教學上進行系統(tǒng)的研究。主要推算了不同頻率光對光敏電阻激發(fā)的 量子產額的表達式, 并結合了設計的實驗;測量了光敏電阻在不同頻率光照射下的 R-E (阻值照度 曲 線;設計實驗研究了光敏電阻的響應時間與照射光的照度和頻率的關系,并給出了上升和下降時間的測 量方法;并設計了簡單易懂的光敏器件:光控照明器、閃光探測器和光源方向探測裝置,可以配合中學 物理新課標對傳感器教學的要求,應用于中學傳感器教學。 推算出光敏電阻的量子產額:n u Es e v hck m = (式中 s 為光敏電阻上光導電材料的受光面積,