实验十四光电传感器原理及应用(没有)

实验十四光电传感器原理及应用【实验目的】1.了解光敏电阻的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线；2.了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线；3.了解硅光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线；4.了解硅光敏三极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。【实验仪器】822FB型物理实际性（光敏传感器）实验装置，其结构如图a1所示。该实验仪由光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池、光纤、光耦六种光敏传感器及可调光源、电阻箱、九孔实验板与光学暗筒、数字万用表等组成。图1a光敏传感器实验装置1.光学暗筒：工作时照明光路是置与暗筒中进行，消除杂散光对实验的影响。光学暗筒的结构：一头装有光敏元件的安装盖，用统一大小的元件接插件固定在插口上，用线引入电路，另一端是装有白炽灯（V12）的金属杆，并标有刻度，可以调节并读取光源与光敏元件的距离，改变它们之间的相对照度。2.电源：本实验装置配有一台30JK型光电传感器实验电源，主要提供两路工作电压，一路供白炽灯使用，电压V12~0连续可调，另一路提供传感器电路工作电压，有V12,10,8,6,4,2共计6组电压值变化，以保证实验的不同需要。3.其他实验配件：光敏传感器处的照度通过调节可调光源的电压和光源与探测器之间的距离来调节。在一的定的电源电压和光源距离下，本实验仪给出了相对应的光源照度，以供参考（见讲义最后）附表中。【实验原理】凡是能将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光强度变化引起的非电量，如光强、光照度等；也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量，如零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用。1.光电效应：光敏传感器的物理基础是光电效应，在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。电子并不逸出材料表面的则是内光电效应。光电导效应、光生伏特效应则属于内光电效应。即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而发生变化。光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类，几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。（1）光电导效应：若光照射到某些半导体材料上时，透射到材料内部的光子能量足够大，某些电子吸收光子的能量，从原来的束缚态转变成导电的自由态，这时在外电场的作用下，流过半导体的电流会增大，即半导体的电导会增大，这种现象叫光电导效应。它是一种内光电效应。光电导效应可分为本征型和杂质型两类。前者是指能量足够大的光子使电子离开价带跃入导带，价带中由于电子离开而产生空穴，在外电场作用下，电子和空穴参与电导，使电导增加。杂质型光电导效应则是能量足够大的光子使施主能级中的电子或受主能级中的空穴跃迁到导带或价带，从而使电导增加。杂质型光电导的长波限比本征型光电导的要长的多。（2）光生伏特效应：在无光照时，半导体PN结内部自建电场。当光照射在PN结及其附近时，在能量足够大的光子作用下，在结区及其附近就产生少数载流子（电子、空穴对）。载流子在结区外时，靠扩散进入结区；在结区中时，则因电场E的作用，电子漂移到N区，空穴漂移到P区。结果使N区带负电荷，P区带正电荷，产生附加电动势，此电动势称为光生电动势，此现象称为光生伏特效应。2.光敏传感器的基本特性：光敏传感器的基本特性包括：伏安特性、光照特性等。伏安特性：光敏传感器在一定的入射光照度下，光敏元件的电流I与所加电压U之间的关系称为光敏器件的伏安特性。改变照度则可以得到一簇伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。光照特性：光敏传感器的光谱灵敏度与入射光强之间的关系称为光照特性，有时光敏传感器的输出电压或电流与入射光强之间的关系也称为光照特性，光照特性是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。掌握光敏传感器基本特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础。本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种光敏传感器的基本特性。（1）光敏电阻：利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器称为光敏电阻。目前光敏电阻应用的极为广泛，其工作过程为，当光敏电阻受到光照时，发生内光电效应，光敏电阻电导率的改变量为：npenep（1）在（1）式中，e为电荷电量，p为空穴浓度的改变量，n为电子浓度的改变量，表示迁移率。当两端加上电压U后，光电流为：UdAIph（2）式中A为与电流垂直的表面积，d为电极间的间距。在一定的光照度下，为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻的伏安特性如图a2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。在照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。光敏电阻的光照特性则如图b2所示。不同的光敏电阻其光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图b2的结果相类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性光敏元件，这是光敏电阻的缺点之一。所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。（2）硅光电池：硅光电池是目前使用最为广泛的光伏探测器之一。它的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。缺点是响应时间长。图a3为硅光电池的伏安特性曲线。在一定的光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流phI；同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流DI，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为：]1)TkneV[exp(IIIIIB0phDph（3）式中V为结电压，0I为二极管反向饱和电流，n为理想系数，表示PN结的特性，通常在1和2之间，Bk为波尔兹曼常数，T为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压0V，从而有：phSCII（4）负载电阻在20时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压。而当硅光电池的输出端开路时有0I，由（3）、（4）式可得开路电压为：1IIlnqTknV0SCBOC（5）图b3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。（3）光敏二极管和光敏三极管：光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图b4,a4所示。但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，如图b5,a5这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所致，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，应选择光敏二极管而不能用光敏三极管。【实验内容和要求】本实验内容分为必做部分和选作部分两项内容1.光敏电阻的特性测试：(1)光敏电阻的伏安特性测试：①按图6b接好实验线路，光源用标准钨丝灯。将检测用光敏电阻装入待测点，连结V12~V2电源，光源电压V12~0电源（可调）。②先将可调光源调至一定的光照度，每次在一定的光照条件下，改变光敏电阻电路的偏置电压：V12,V10,V8,V6,V4,V2时，测出电阻1R两端电压1RU，从而计算得到6个光电流数据kΩ00.1UI1Rph，同时计算出光敏电阻的阻值，即Ph1RccgIUUR。以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在三个不同照度下重复以上实验）。③根据实验数据画出光敏电阻的一簇伏安特性曲线。表1光敏电阻伏安特性测试数据记录表（照度：Lx20）偏置电压)V(24681012)V(U1R)A(IPH)(Rg表2光敏电阻伏安特性测试数据记录表（照度：30Lx）偏置电压)V(24681012)V(U1R)A(IPH)(Rg表3光敏电阻伏安特性测试数据记录表（照度：62Lx）偏置电压)V(24681012)V(U1R)A(IPH)(Rg(2)光敏电阻的光照特性测试：①按图6接好实验线路，光源用标准钨丝灯将检测用光敏电阻装入待测点，连结V12~V2电源，光源电压V12~0电源（可调）。②从0UCC开始到V12UCC，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即：kΩ00.1UI1Rph，同时算出此时光敏电阻的阻值，即：Ph1RccgIUUR。这里要求至少测出15个不同照度下的光电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出完整的光照特性曲线。表4光敏电阻光照特性测试数据记录表（偏置电压：8V）光源电压88108101210121012光源距离mm)（2001502001001502001001005050光照度)Lx(12345610203062V)(U1R)A(IPH)(Rg表5光敏电阻光照特性测试数据记录表（偏置电压：10V）光源电压88108101210121012光源距离mm)（2001502001001502001001005050光照度)Lx(12345610203062V)(U1R)A(IPH)(Rg表6光敏电阻光照特性测试数据记录表（偏置电压：12V）光源电压88108101210121012光源距离mm)（2001502001001502001001005050光照度)Lx(12345610203062V)(U1R)A(IPH)(Rg③根据实验数据画出光敏电阻的一族光照特性曲线。2.硅光电池的特性测试：(1)实际接线见实验线路图7a：(2)硅光电池的伏安特性测试：仪器实际接线如图7a所示，当开关K指向“0”时，电压表测量硅光电池的开路电压OCU，当开关指向“1”时，调节0R1X（即短路），电压表测量1R两端的电压1RU,根据公式可以计算出硅光电池的短路电流SCI(这里可以忽略1R对短路条件的影响)。①按照图b7所示连接好实验线路，其中1XR为多圈电位器，光源用标准钨丝灯，将待测硅光电池装入暗筒中待测元件插座，光源电压V12~0(可调)。②先将可调光源调至最大的照度，（光源电压V12，暗筒拉杆读数值为mm0）把开关K打到“0”，此时数字电压表测量硅光电池的开路电压OCU，当开关打到“1”，并调节0R1X，10R1时，测量1RU并计算出硅光电池的短路电流SCI。将测量结果记录到表格7。表7硅光电池在最大光照度下的开路电压与短路电流数据记录表VUCOVU1R)A(ISC③开关打到“1”，在一定的照度下，调节多圈电位器阻值k5.7~k5.0R1X,步进量为k5.0，然后用数字万用表分别测出一系列硅光电池的输出电压OU和取样电阻1R两端的电压1RU,将测试数据逐一记录到表8中。光电流00.10UI1RPh(00.10为取样电阻的阻值)，这里要求至少测出01个数据点，便于绘制出完整的伏安特性曲线。④以后逐步选择不同的光照度（共计3次），重复上述实验。分别将测试数据记录到表格9和表格10中。表8硅光电池伏安特性测试数据记录表（照度：20Lx）)k(R1X0.51.01.52.02.5…6.06.57.07.5VUOVU1RAIPH表9硅光电池伏安特性测