光敏傳感器實驗論文-大物實驗

1、光敏傳感器實驗及探究摘要：光敏傳感器是以光電器件作為轉(zhuǎn)換元件的傳感器。它可用于檢測光量變化或直 接引起光量變化的非電量，也可用于檢測能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。光敏傳感器具有響應(yīng)快、精度高、能實現(xiàn)非接觸測量等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形 式靈活多樣，因此，光電式傳感器在檢測和控制領(lǐng)域應(yīng)用非常廣泛。關(guān)鍵詞：光敏傳感器；檢測光量變化；電信號；檢測與控制。Abstract: photoelectric sensor is photoelectric device as a sensor element

2、. It can be used for non electric qua ntity detect ion light inten sity or directly caused by light inten sity, and can also be used for detect ion can be con verted into other non electrical qua ntity cha nge. It divides the cha nges measured into op tical sig nal cha nges, the n with the help of o

3、p toelectr onic devices to convert op tical sig nals into electrical sig nals. Photoelectric sen sor has the adva ntages of fast respon se, high p recisi on, can realize the non-con tact measureme nt etc., and measurable p arameters, the sen sor has the adva ntages of simple structure, flexible and

4、diverse forms, therefore, app licati on of p hotoelectric sen sors in the detecti on and con trol 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、化學量等信 息，按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于測量和傳輸?shù)男?號的裝置。電信號易于傳輸和處理，所以大 多數(shù)的傳感器是將物理量等信息轉(zhuǎn)換成電 信號輸出的。例如傳聲

5、器就是一種傳感器， 它感受聲音的強弱，并轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信 號。又如電感式位移傳感器能感受位移量的 變化，并把它轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號。光電測量時不與被測對象直接接觸， 束的質(zhì)量又近似為零，在測量中不存在摩擦 和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場合，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)， 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。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

6、制應(yīng)用的傳感器都是此類，通常有光敏電 阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。 光電導效應(yīng)、光生伏特效應(yīng)是兩種常見的內(nèi) 光電效應(yīng)。2.1.1光電導效應(yīng)若光照射到某些半導體材料上時，透過到材料內(nèi)部的光子能量足夠大，某些電子吸 收光子的能量，從原來的束縛態(tài)變成導電的 自由態(tài)，這時在外電場的作用下，流過半導體的電流會增大，即半導體的電導會增大， 這種現(xiàn)象叫光電導效應(yīng)。 它是一種內(nèi)光電效 應(yīng)。光電導效應(yīng)可分為本征型和雜質(zhì)型兩 類。前者是指能量足夠大的光子使電子離開 價帶躍入導帶，價帶中由于電子離開而產(chǎn)生 空穴，在外電場作用下， 電子和空穴參與電 導，使電導增加。雜質(zhì)型光電導效應(yīng)則是能 量足夠大的光子使

7、施主能級中的電子或受 主能級中的空穴躍遷到導帶或價帶，從而使電導增加。雜質(zhì)型光電導的長波限比本征型 光電導的要長的多。2.1.2光生伏特效應(yīng)在無光照時，半導體 PN結(jié)內(nèi)部自建電 場。當光照射在 PN結(jié)及其附近時，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）。載流子在結(jié)區(qū)外時，靠擴散進入結(jié)區(qū)；在結(jié)區(qū)中時， 則因電場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)帶負電荷，P區(qū)帶 正電荷，產(chǎn)生附加電動勢，此電動勢稱為光 生電動勢，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驗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

8、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 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)計時選擇電參數(shù)的 重要依據(jù)。光敏傳感器的光譜靈敏度與入射 光強之間的關(guān)系稱為光照特性，有時光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強之間的 關(guān)系也稱為光照特性，它也是光敏傳感器應(yīng) 用設(shè)計時選擇參數(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效應(yīng)的半導體材料制 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

9、光波段和大氣透 過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關(guān)在我們?nèi)粘Ｉ钪?隨處可見。當內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時， 光敏電阻電導率 的改變量為：也 b =Ap + 也n e *n( 1)(2)在（1）式中，e為電荷電量， 卸為空 穴濃度的改變量， 占為電子濃度的改變量， 4表示遷移率。當兩端加上電壓 U后，光電流為：AIph =心 Ud式中A為與電流垂直的表面， 間的間距。在一定的光照度下，.的值，因而光電流和電壓成線性關(guān)系。d為電極 蟲J為恒定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

10、越大，而且沒有 飽和現(xiàn)象。當然，與一般電阻一樣光敏電阻 的工作電壓和電流都不能超過規(guī)定的最高 額定值。光敏電阻的伏安特性曲線圖2a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之一。 所以在自動控制中 光敏電阻常用作開關(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 探測器之一。它的特點是工作時不需要外加 偏壓，接收面積小，使用方便。缺點是響應(yīng) 時間長。圖3a為硅光電池的伏安特性曲線。在 一定

11、光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線 性。V為0，從而有:1 SC = 1 ph(4)圖3a硅光電池的伏安特性曲線負載電阻在20歐姆以下時，短路電流 與光照有比較好的線性關(guān)系，負載電阻過 大，則線性會變壞。開路電壓則是指負載電阻遠大于 光電池的內(nèi)阻時硅光電池兩端的電壓， 而當硅光電池的輸出端開路時有I =0，由（3）（ 4）式可得開路電壓為：VOC 晉npH(5)*圖3b硅光電池的光照特性曲線*圖3b中1 : 開路電壓 2:短路電流當光照射硅光電池的時候,將產(chǎn)生一個由N區(qū)流向P區(qū)的光生電流Lh；同時由于圖3b為硅光電池的光照特性曲線。開 路電壓與光照度之間為對數(shù)關(guān)系，因而具有飽和性。因此，把硅光

12、電池作為敏感元件時， 應(yīng)該把它當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，這是硅光電池的主要優(yōu)點。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 敏二極管大好幾十倍， 零偏壓時，光敏二極 管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流 輸出。原因是它們都能產(chǎn)生光生電動勢，只 因光電三極管的集電結(jié)在無反向偏壓時沒 有放大作用，所以此時沒有電流輸出 （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I D，此電流方向與光生電流方向相反。所

13、以實際獲得的電流為：=p h D =丨 p h 怙(3)式中V為結(jié)電壓，Io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，kB為波爾茲曼常熟，T為 絕對溫度。短路電流是指負載電阻相對于光 電池的內(nèi)阻來講是很小的時候的電流。在一定的光照度下，當光電池被短路時，結(jié)電壓圖4a光敏二極管的伏安特性曲線4i J侑置電壓2光散電粗R1 I1 k f! J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 靈敏度低些，在強光時則有飽和現(xiàn)象，這是 由于電流放大倍數(shù)的非線性所至，對弱信號 的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時， 可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。2.5

14、5 r 510A電流數(shù)據(jù)Iph，同時算出此時光敏圖5b光敏三極管的光照特性曲線（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，測出加在光敏電阻上電壓 為 +2V; +4V; +6V; +8V; +10V; +12V 時電阻R1兩端的電壓LR,從而得到6個光電阻的阻值，即RgUr。以后調(diào)節(jié)相1 PH對光強重復上述實驗（要求至少在三個不同 照度下重復以上實驗）。（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（見附錄）畫出光敏電 阻的一族伏安特性曲線。3實驗方案3.1光敏電阻3.1.1光敏電阻的伏安特性測試（1）按實驗儀面板示意圖7接好實驗線路，基準參考硅光電池接相對照度處的硅光電 池接口，輸出接定標系統(tǒng)的數(shù)字電壓

15、表。光 源用標準鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點，連結(jié)+2-+12V電源，光源電壓0-24V 電源（可調(diào)）。3.1.2光敏電阻的光照度測試（1）按實驗儀面板示意圖， 接好實驗線路， 基準參考硅光電池接相對照度處的硅光電池接口，輸出接定標系統(tǒng)的數(shù)字電壓表。光 源用標準鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待測點，連結(jié)+2-+12V電源，光源電壓0-24V 電源（可調(diào)）。（2）從Ucc=0開始到 Ucc=12V,每次在一定的外加電壓下測出光敏電阻在相對光照 度從“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，即:I Dh = Ur，同時算出此時光敏電阻的P 1.00KQ阻值，即：Rg = U CC U R 。這里要求至少1

16、Ph測出10個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，以使所得到的數(shù)據(jù)點能夠繪出完整的光照特性曲線。（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一族光 照特性曲線。ResultsSnaatting iiue： jsc) = piecvi EB pnlyzaniEl computed ror pSnaatting parameter：p = 0.0155B66B5&啦應(yīng)& o fit:SSE: 7.991e-3SH-scuare： 0. 9957Adjii&ted R-squar： 0.9992BH5J: 0.0016123.2硅光電池3.2.1硅光電池的伏安特性測試 （1 ）如圖接線敷

17、字式萬用表+ r-（ 口 J1 2T*IK US 1Isc口10 Ug稱硅光電池圖5硅扯電池伏安特性測試電路圖（2）開關(guān)打到“ 1 ”，在一定照度下，調(diào)節(jié)多圈電位器阻值 Rxi =0.5kO7.5kC，步進量為O.5k0，然后測量硅光電池輸出電壓Uo和取樣電阻R，兩端電壓URi，光電流Uri（10.000為取樣電阻）P10.000（3 ）選取不同光照度，重復上述實驗（4）根據(jù)數(shù)據(jù)（見附錄）畫出硅光電池的 一簇伏安特性曲線恢血型對抽曲ResultsSnpothinf iplint；= pi#cevi ech1 carvtd frun pSriGothi咤 pBjajie-ter：p = S.M3

18、2ft46t-05fit：SSE: 0. 001471H-sqiiare. 0. 9011AdjuEtcd K-sqfuirc. D.9731BMSt: C DI523ResultsSdioothing spline:f(X)= piecevis plynwitid. computedSniDothing parameter：p = 0.004EE353SEfrc 電壓zPT十口丫牙-RiIkfi光二簫Goodness o fit：SSE: 0.0001917K-square： 0. 999Adjusted K-square： 0 9934TtHSE; 0. 005S39圈S光徵二極管伏安特性

19、測試電路圖（1）如上圖接線，光源用標準鎢絲燈，光源電壓用0+12V（可調(diào)）Isc =阻），次），（3）3.2.2硅光電池的光照度測試（1 ）如前圖實驗線路如圖，電位器調(diào)到00（2）先將可調(diào)光源調(diào)至一定的照度下，測 出該照度下硅光電池的開路電壓Uoc和短路電流Isc數(shù)據(jù),其中短路電流為Ur（近似值，10.000為取樣電10.000以后逐步改變可調(diào)光源的照度（810重復測出開路電壓和短路電壓。根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（見附錄）畫出硅光電池的光照特性曲線。RultiLirituF nadil Falyl 九)三 phM p2(with 95lfUcuz* bciiitd=):pl =0.0106； 0.0096

20、-15. 0.01163)pl =0 D6：ig CD 04393, 0- O9l5S)j4dneB& fi 血：0.005154K-ifluart. 0.9364Adjust id K- s Einar d 9617EMSI: 0.025333.3光敏二極管3.3.1光敏二極管的伏安特性測試（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Uri （1.00為取樣電阻），以P 1.00 kQ后調(diào)節(jié)相對光強重復上述實驗（要求至少在 三個不同照度下重復以上實驗）。（3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)（見附錄）畫出光敏二 極管的一族伏安特性曲線。Re

21、&ultcf Cx) =鼻4Qfrw pSn打*Lhiei若t :p = 1. lJ93333tof fi t:？ 5L5t-R.-xquu-: 0. 9919 Adju-sttd.0. 9-763MfE: 0 uoseiRult$ftesuFtsSfioothiTig spLirtfifCl) - pjiolyiiftftiil ewipQtid frn pp = 1. l-l3653Jc-0flSfioothiiiE spliM：fHJ =cnpultd frR p$nothLJXE 卩P -47S&2I12E 卩f fit3SE: 2452Kr 屯aax 亡：0. 9931AdjMlei

22、 K-(Qttfire: O.SLdGIKE- 2：.ieGooii! o fit：5SF: 1.201 日 5fl-=quir: 0 972&Adj 111 ted R-kiftrt. 0.9197PW5E ： 0 WS6S2RjeiuhsIfSResellsSnLbiiL jpliiLE：f (zj - pi Bcnisfe polTUbniftl cenputid. fri p 5nDjtbiiig p-aoranbtvr：p = I. 56l5fl-Cl?SmcotLin. spLiiit：(i)- piciiE polynofni ! 口onputd fra p弘屮 thiTLg p

23、aruid-tr p 二 0 rsKiiJfitSSE: J.3ft3t-07K-iqUHTE： fl. flfl9Jkijustei ft-sqnHT*： 0. M? Q.DttHaS：pf fl t :SSI: 2463R-afluare ： 0 MS2hdjlisted R-fiiaare. 0. ?31SRII5J： 27.213.3.2光敏二極管的光照特性測試(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出光敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，其中Uri (I.OOkO為取樣電阻) 1.OOk0(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)(見附錄)畫出光敏二1 phIResu

24、hj極管的一簇光照特性曲線nothing spl皿f&)二 piecetise palyLomial conpiit色d frfli piothing paramfiter p = 0. 47562112Gm血辭5 of fit:SSE: 3531R-square 0.9931Adjusted E-square 0.5812ra： 27.594誤差分析（1）光源在發(fā)光過程中持續(xù)加熱，電阻會 持續(xù)增大，光照度會緩慢提升，從而影響實 驗數(shù)據(jù)。（2）光源電壓不穩(wěn)定， 在一定范圍內(nèi)波動。5結(jié)論光敏傳感器除了能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量 多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度

25、等， 因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。光電測量時不與被測對象直接接觸，光束的質(zhì)量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被 測對象幾乎不施加壓力。因此在許多應(yīng)用場 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，隨著光電科學、信息科學 和材料科學發(fā)展成果的推動，光電式傳感器技術(shù)得到了進一步的飛速發(fā)展。隨著科學技術(shù)的不斷進步，人們對現(xiàn)代科技認識的不斷 深入，光敏傳感器必將迎來屬于自己的時 代。參考文獻1 孫傳友，張一.感測技術(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.化學工 業(yè)出版社，2012.13 杜維，張宏建，王會芹.過程檢測技術(shù)及 儀表第二版.化學工

26、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，2008.4周殿清，馮輝.基礎(chǔ)物理實驗.科學出版 社.2009.1附錄：76430 523 5Results1.5U1_ 5一、光敏電阻照度：20Lx偏置電壓（V）24681012Uri(V)1.553.094.636.187.729.28IpH (mA)1.553.094.636.187.729.28Rgg)290.32294.50295.90294.50295.34293.10照度：30Lx偏置電壓（V）24681012Ur1(V)1.583.154.736

27、.317.909.46IPH(mA)1.583.154.736.317.909.46Rg(0)265.82269.84268.50267.83265.82268.50照度：62Lx偏置電壓（V）24681012Ur1(V)1.673.345.006.678.3210.02Iph (mA)1.673.345.006.678.3210.02Rgg197.60197.60200.00199.40201.92197.6090Linear model Polyl : f 儀)=pl*x + p3Coefficients (*ith 95毎 confidence bounds)：pl = p2 =3. 1

28、G.353, 3,441-0 0026Q9(0.07525, 0 07103)Goodness of fit：SSE: 0. 003245Oi 9999R-s,iquar s：Adjusted R-square： 0. 9999RWS: Oi. 02S43ResultsLinear model FoLyl = pl+x + p2pl = p2 =Ccfici ents (vith 951 confidnce baunds):3.739 665. 3.793)-0.00534(-0. 09536, 0 0B33)Gcaiidikess of fit:SSE： O. 004791M-square：

29、 0.9999Adjusted R-square： 0. 9999SE： 0. 034612ResultsLinear cd.l Polyl:EteJ = pl*i + p2Coefficients (i th SS% confL deuce bcunds): S.012(4.36S, 5 ISS)0. 0060ft(-0 179, 0.1910Gaodness of fit：SSE: 0.02052R-s,i(jiiare : 0. 999SAdjusted. Jt-square： 0. 99S5ErtSI: 0.07163偏置電壓：8V光源電壓88108101210121012光源距離(m

30、m)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062Uri(V)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62I PH (mA)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62Rgg)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

31、(V)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28I PH (mA)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28Rgg)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)6.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95I PH (mA)6.5

32、16.567.617.477.638.428.499.239.339.95Rg(0)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路電壓與短路電流Uoc (V)Ur1(V)Isc(A)0.4000.08530.00853照度：20LxR1(k0)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0UO(mV)119257345415437447452456458460UR1(mV)2.32.32.32.01.71.51.31.11.00.91 PH (mA)0.230.230.2

33、30.20.170.150.130.110.100.09照度：30LxRg)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0Uo(mV)163331426445456461464467469470URi(mV)3.33.32.82.21.81.51.31.11.00.91 PH ( mA)0.330.330.280.220.180.150.130.110.100.09照度：62LxRi(kC)0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0Uo(mV)243429459469473475477478479481URi(mV)5.14.23.02.31.81.51.31.11.00.71 PH ( mA)0.510.420.300.230.180.150.130.110.100.07光源電壓8810810