光敏电阻特性的测量

实验4.5光敏电阻基本特性的测量光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；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。【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.了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。【实验原理】1.光敏电阻的工作原理在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应。大多数光电控制应用的传感器，如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都是内光电效应传感器。对于光敏电阻来说，当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴，这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电导率增加，电导率的改变量为：npnepe(4.5.1)(4.5.1)式中e为电荷量，p空穴浓度的改变量，n电子浓度的改变量，p为空穴的迁移率，n为电子的迁移率。当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为UdAIph(4.5.2)（4.5.2）式中A为与光电流垂直的截面积，d为电极间的距离。用于制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料，目前生产的光敏电阻主要是硫化镉，光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、1使用寿命长、稳定性能高、体积小以及制造工艺简单等特点，被广泛地用于自动化技术中。2.光敏电阻的基本特性光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和温度特性等，本实验主要研究光敏电阻的伏安特性和光照特性2.1伏安特性光敏传感器在一定的入射光强照度下，光敏元件的电流PhI与所加电压U之间的关系称为光敏电阻的伏安特性。改变照度则可以得到一组伏安特性曲线，它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据。某种光敏电阻的伏安特性曲线如图4.5.1所示。从光敏器件的伏安特性可以看出，光敏电阻类似一个纯电阻，其伏安特性线性良好。2.2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，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。某种光敏电阻光照特性如图4.5.3、所示。从光敏器件的光照特性可以看出光敏电阻的光照特性呈非线性，一般不适合作线性检测元件，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使用。图4.5.1a光敏电阻的伏安特性曲线图4.5.1b光敏电阻的光照特性曲线2【实验仪器】JK-30型光电传感器实验电源，JK-7信号源，光学暗筒，数字万用表，光敏传感器件。【实验内容与步骤】实验中对应的光照强度均为相对光强，可以通过改变点光源电压或改变点光源到光敏电阻之间的距离来调节相对光强。光源电压的调节范围在0～12V，光源和传感器之间的距离调节有效范围为:0～200mm。1.光学暗筒内光照度的标定为消除杂散光对实验的影响，实验时照明光路是置于暗筒中进行。光学暗筒的结构：一端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，用导线引入电路，另一端是装有白炽灯的可移动杆，杆身标有刻度，可以调节并读取光源与光电元件的距离，以改变它们之间的相对照度。由于灯泡参数不可能完全一致，实验前根据电路图4.5.2，通过调节加在灯泡两端的电压，可改变白炽灯的亮度，直至达到硅光电池模块标莶纸上厂方所标定照度数据（0cm处照度），则校准了一个相对照度。表4.5.1拉杆刻度同光照度对照表刻度cmx/0123456789照度Lx/2700120067543230022016913310889刻度cm/x10111213141516171819照度Lx/75645548423733302724注：刻度数x是指灯杆上刻度数，白炽灯到硅电池间实际距离r为：02.xcm。x处的照度由距离平方反比律2024)(x计算。2．光敏电阻特性实验按电路图4.5.3接好实验线路，光源用白炽灯，将光敏电阻（LDR）置于光V10R光电池图4.5.2暗筒照度定标3学暗筒中，电阻等元件插在九孔板中，电源由JK-30型光电传感器实验电源提供。使用万用表测量暗电阻和一般光电阻并记录。2.1．光敏电阻伏安特性测试⑴在自然光下用数字万用表测光敏电阻在实验室灯光下的亮电阻明R，在暗筒中的暗电阻暗R。⑵调节光源到光敏电阻之间的距离，将光源调至标定的照度，在此光照的条件下，改变光敏电阻电路的偏置电压CCU，测出电阻1R两端电压1RU，则电流kΩ00.11RphUI，测量6个不同偏置电压下的1RU，记到数据表4.5.2。⑶改变照度重复上述过程（不少于三次）。2.2.光敏电阻的光照特性测试实验⑴在一定的外加偏置电压下（如V10CCU），通过改变光源同光敏电阻之间距离x，测出光敏电阻在相对光照强度下1R两端电压1RU，则电流kΩ00.11RphUI，记到数据表4.5.3。⑵改变外加偏置电压CCU重复上述过程（不少于三次）。3、光纤通讯演示实验时按图4.5.4进行接线，把波形发生器设定为正弦波输出，幅度调到合适值，示波器将会有波形输出；改变正弦波的幅度和频率，接受的波形也将随之改变，并且喇叭盒也发出频率和响度不一样的单频声音。图中：①信号源，②为扬声器，③为示波器，说明：实际实验的过程中用喇叭盒代替耳机听筒，光电三极管PHT101也可以换成光电二极管PHD101。图4.5.4光纤通讯的基本应用的原理图图4.5.3光敏电阻测试电路LDR光敏电阻VR1=1kΩ偏置电压+2V~+12V4【数据记录及处理】1.记录光敏电阻伏安特性测试数据，绘出伏安特性曲线。表4.5.2光敏电阻伏安特性测试数据表暗电阻暗R灯光下电阻明R偏置电压V/CCU24681012刻度x/cmcm4x（Lx300）V/1RUmA/phIV1/RCCUUU2.记录光敏电阻光照特性测试数据，绘出光照特性曲线。表4.5.3光敏电阻光照特性测试数据表刻度/cm0123456810121416光照度Lx/偏置电压V8CCUV1/RUmA/phI【注意事项】1.光电传感器感应光照在时间上有滞后现象，即光电传感器的“响应时间”（或称弛豫时间），在测试是应待稳定后再读数。2.流过LED3的电流不能过大，最高峰值电流为180mA/1kHz。【思考题】1.验证光照强度与距离的平方成反比（把实验装置近似为点光源）。2.使用数字万用表作为测量仪器时，是否需要考虑其内阻，为什么？3.根据测量结果，总结光敏电阻的伏安特性和光照特性。