光敏傳感器實(shí)驗(yàn)論文-大物實(shí)驗(yàn)

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:photoelectricsensorisphotoelectricdeviceasasensorelement.Itcanbeusedfornonelectricquantitydetectionlightintensityordirectlycausedbylightintensity,andcanalsobeusedfordetectioncanbeconvertedintoothernonelectricalquantitychange.Itdividesthechangesmeasuredintoopticalsignalchanges,thenwiththehelpofoptoelectronicdevicestoconvertopticalsignalsintoelectricalsignals.Photoelectricsensorhastheadvantagesoffastresponse,highprecision,canrealizethenon-contactmeasurementetc.,andmeasurableparameters,thesensorhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleanddiverseforms,therefore,applicationofphotoelectricsensorsinthedetectionandcontrolfieldisverywide.Keywords:photoelectricsensor;detectionoflightintensity;signal;detectionandcontrol.阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。1前言光電導(dǎo)效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)是兩種常見(jiàn)的內(nèi)傳感器是將感受的物理量、化學(xué)量等信光電效應(yīng)。息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量和傳輸?shù)男?.1.1光電導(dǎo)效應(yīng)號(hào)的裝置。電信號(hào)易于傳輸和處理，所以大若光照射到某些半導(dǎo)體材料上時(shí)，透過(guò)多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，某些電子吸信號(hào)輸出的。例如傳聲器就是一種傳感器，收光子的能量，從原來(lái)的束縛態(tài)變成導(dǎo)電的它感受聲音的強(qiáng)弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信自由態(tài)，這時(shí)在外電場(chǎng)的作用下，流過(guò)半導(dǎo)號(hào)。又如電感式位移傳感器能感受位移量的體的電流會(huì)增大，即半導(dǎo)體的電導(dǎo)會(huì)增大，變化，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)。這種現(xiàn)象叫光電導(dǎo)效應(yīng)。它是一種內(nèi)光電效光電測(cè)量時(shí)不與被測(cè)對(duì)象直接接觸，光應(yīng)。束的質(zhì)量又近似為零，在測(cè)量中不存在摩擦光電導(dǎo)效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩和對(duì)被測(cè)對(duì)象幾乎不施加壓力。因此在許多類。前者是指能量足夠大的光子使電子離開(kāi)應(yīng)用場(chǎng)合，光電式傳感器比其他傳感器有明價(jià)帶躍入導(dǎo)帶，價(jià)帶中由于電子離開(kāi)而產(chǎn)生顯的優(yōu)越性?？昭?，在外電場(chǎng)作用下，電子和空穴參與電2光敏傳感器工作原理導(dǎo)，使電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)效應(yīng)則是能2.1光電效應(yīng)量足夠大的光子使施主能級(jí)中的電子或受光敏傳感器的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)，光主能級(jí)中的空穴躍遷到導(dǎo)帶或價(jià)帶，從而使電效應(yīng)通常分為外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)電導(dǎo)增加。雜質(zhì)型光電導(dǎo)的長(zhǎng)波限比本征型兩大類。在光輻射作用下電子逸出材料的表光電導(dǎo)的要長(zhǎng)的多。面，產(chǎn)生光電子發(fā)射稱為外光電效應(yīng)，或光2.1.2光生伏特效應(yīng)電子發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件有在無(wú)光照時(shí)，半導(dǎo)體PN結(jié)內(nèi)部自建電光電管、光電倍增管等。電子并不逸出材料場(chǎng)。當(dāng)光照射在PN結(jié)及其附近時(shí)，在能量表面的則是內(nèi)光電效應(yīng)，幾乎大多數(shù)光電控足夠大的光子作用下，在結(jié)區(qū)及其附近就產(chǎn)制應(yīng)用的傳感器都是此類，通常有光敏電生少數(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)稱為光生電動(dòng)勢(shì)，此現(xiàn)象稱為光生伏特效應(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)系稱為光敏器件的伏安特性。改變照度則可以得到一族伏安特性曲線。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：pe p ne n （1）在（1）式中，e為電荷電量，p為空穴濃度的改變量，n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：AU（2）Iphd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圖2b 光敏電阻的光照特性曲線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，曲線的形狀都與圖2b的結(jié)果類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件，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。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線性。V為0，從而有：ISCIph（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性關(guān)系，負(fù)載電阻過(guò)大，則線性會(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I0，由（3）（4）式可得開(kāi)路電壓為：VOCnkBTlnISC1（5）qI0圖3a硅光電池的伏安特性曲線圖3b為硅光電池的光照特性曲線。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，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似，如圖4a，b所示。但光敏三極管的光電流比同類型的光圖3b硅光電池的光照特性曲線敏二極管大好幾十倍，零偏壓時(shí)，光敏二極*圖3b中1：開(kāi)路電壓2：短路電流管有光電流輸出，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)，只當(dāng)光照射硅光電池的時(shí)候，將產(chǎn)生一個(gè)因光電三極管的集電結(jié)在無(wú)反向偏壓時(shí)沒(méi)由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流Iph；同時(shí)由于有放大作用，所以此時(shí)沒(méi)有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。PN結(jié)二極管的特性，存在正向二極管管電流ID，此電流方向與光生電流方向相反。所以實(shí)際獲得的電流為：IIphIDIphI0eV1expnkBT（3）式中V為結(jié)電壓，I0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，通圖4a光敏二極管的伏安特性曲線常在1和2之間，kB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)電壓圖4b 光敏三極管的伏安特性曲線光敏二極管的光照特性亦呈良好線時(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)的非線性所至， 對(duì)弱信號(hào)的檢測(cè)不利。故一般在作線性檢測(cè)元件時(shí)，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。（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；+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)IphUR，同時(shí)算出此時(shí)光敏1.00k電阻的阻值，即RgUccUR。以后調(diào)節(jié)相IPH圖5a 光敏二極管的光照特性曲線

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）畫出光敏電阻的一族伏安特性曲線。圖5b光敏三極管的光照特性曲線3實(shí)驗(yàn)方案3.1.2光敏電阻的光照度測(cè)試3.1光敏電阻（1）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖，接好實(shí)驗(yàn)線路，3.1.1光敏電阻的伏安特性測(cè)試基準(zhǔn)參考硅光電池接相對(duì)照度處的硅光電（1）按實(shí)驗(yàn)儀面板示意圖7接好實(shí)驗(yàn)線路，池接口，輸出接定標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)字電壓表。光基準(zhǔn)參考硅光電池接相對(duì)照度處的硅光電源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測(cè)用光敏電阻裝入待池接口，輸出接定標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)字電壓表。光測(cè)點(diǎn)，連結(jié)+2--+12V電源，光源電壓0--24V源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈將檢測(cè)用光敏電阻裝入待電源（可調(diào)）。測(cè)點(diǎn)，連結(jié)+2--+12V電源，光源電壓0--24V（2）從UCC=0開(kāi)始到UCC=12V，每次在一電源（可調(diào)）。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)的光電流數(shù)據(jù)，即：URIph ，同時(shí)算出此時(shí)光敏電阻的1.00K阻值，即：RgUccUR。這里要求至少IPh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。3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一族光照特性曲線。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（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 RX1 0.5k ~7.5k ，步進(jìn)量為0.5k ，然后測(cè)量硅光電池輸出電壓Uo和取樣電阻R1兩端電壓UR1，光電流IphUR1(10.00為取樣電阻)10.003）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）畫出硅光電池的一簇伏安特性曲線（1）如上圖接線，光源用標(biāo)準(zhǔn)鎢絲燈，光源電壓用0~+12V(可調(diào))3.2.2硅光電池的光照度測(cè)試 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至一定的光照度， 每（1）如前圖實(shí)驗(yàn)線路如圖，電位器調(diào)到0次在一定的光照條件下，測(cè)出加在光敏二極（2）先將可調(diào)光源調(diào)至一定的照度下，測(cè)管的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流，其中光電流出該照度下硅光電池的開(kāi)路電壓Uoc和短路IphUR1(1.00k為取樣電阻)，以電流Isc數(shù)據(jù),其中短路電流為1.00kUR（近似值，10.00為取樣電后調(diào)節(jié)相對(duì)光強(qiáng)重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)（要求至少在Isc10.00三個(gè)不同照度下重復(fù)以上實(shí)驗(yàn)）。阻），以后逐步改變可調(diào)光源的照度（8～10（3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫出光敏二次），重復(fù)測(cè)出開(kāi)路電壓和短路電壓。極管的一族伏安特性曲線。3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫出硅光電池的光照特性曲線。3.3光敏二極管3.3.1光敏二極管的伏安特性測(cè)試3.3.2光敏二極管的光照特性測(cè)試1）如上圖接線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IphUR1(1.00k為取樣電阻)1.00k3）根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（見(jiàn)附錄）畫出光敏二極管的一簇光照特性曲線誤差分析（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)。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)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，2012.1吳勤勤.控制儀表及裝置第三版.化學(xué)工業(yè)出版社，2012.1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，2011.2邱關(guān)源.電路第五版.高等教育出版社，2006.5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， 2008.4周殿清，馮輝.基礎(chǔ)物理實(shí)驗(yàn).科學(xué)出版社.2009.1附錄：一、光敏電阻偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )

照度：20Lx246810121.553.094.636.187.729.281.553.094.636.187.729.28290.32294.50295.90294.50295.34293.10照度：30Lx246810121.583.154.736.317.909.461.583.154.736.317.909.46265.82269.84268.50267.83265.82268.50照度：62Lx246810121.673.345.006.678.3210.021.673.345.006.678.3210.02197.60197.60200.00199.40201.92197.60偏置電壓：8V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62IPH(mA)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62Rg()886.7847.5984.1626.0976.21135.760.5983.4602.5812.698328236769偏置電壓：10V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28IPH(mA)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28Rg()484.2473.3579.7298.7574.8726.6408.4562.5290.3449.23080025028偏置電壓：12V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)6.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95IPH(mA)6.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95Rg()228.8219.5314.070.95310.6425.1177.8300.171.81206.081628613二、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UOC(V)UR1(V)ISC(A)0.4000.08530.00853照度：20Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0RX1(k)119257345415437447452456458460UO(mV)2.32.32.32.01.71.51.31.11.00.9UR1(mV)IPH(mA)RX1(k )UO(mV)UR1(mV)IPH(mA)RX1(k )UO(mV)UR1(mV)

0.230.230.230.20.170.150.130.110.100.09照度：30Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.01633314264454564614644674694703.33.32.82.21.81.51.31.11.00.90.330.330.280.220.180.150.130.110.100.09照度：62Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.02434294594694734754774784794815.14.23.02.31.81.51.31.11.00.7IPH(mA)0.510.420.300.230.180.150.130.110.100.07光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UOC(mV)442445458459462470473483489504UR1(mV)0.60.61.11.01.21.71.72.74.37.1IPH(mA)0.060.060.110.10.120.170.170.270.430.71三、光敏二極管照度：20Lx偏置電壓（V）2.074.076.098.0510.0412.04R1()1.00k