光电传感器的实验研究及其应用

封面1光电传感器的实验研究及其应用指导教师：张亮亮学生姓名：白银进专业班级：机电一体化092班学生学号：258020109020032012年4月5日摘要2论文题目：光电传感器的实验研究测量电路及其应用专业：机电一体化指导教师：张亮亮摘要随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。关键词：光电效应、光电传感器、光敏材料、图像传感器、光纤传感器错误!未找到引用源。目录３目录第1章光电传感器的简单概述...............................４1.1光的产生..................................................................................................................４1.2常见光源分类及其应用.........................................................................................４第2章光电器件及其特性...................................５2.1光敏电阻..................................................................................................................５2.2光敏二极管.............................................................................................................６2.3光敏三极管.............................................................................................................７2.4硅光电池..................................................................................................................８第3章光电效应及其光电传感器的应用.....................１０3.1光电效应..............................................................................................................１０3.2外光电效应.........................................................................................................１０3.3内光电效应.........................................................................................................１０3.4光电传感器的应用.............................................................................................１１第4章图像传感器.........................................134.1CCD图像传感器.......................................................................................................134.1.1CCD图像传感器的优点：..............................................................................134.2CMOS图像传感器..................................................................................................144.2.1CMOS图像传感器的优点：..........................................................................154.3图像传感器的应用：.............................................................................................16参考文献................................................１７致谢................................................１８第1章光电传感器的简单概述４第1章光电传感器的简单概述1.1光的产生通常人们把物体向外发射出可见光的现象称为发光。光是从物体中发射出来的，是以电磁波形式传播的物质。发光物质受激发而发光包括两个过程：激励和复合。在正常分布状态下，原子多处于稳定的低能级，如无外界的作用，原子可长期保持此状态。但在外界光子作用下，赋予原子一定的能量，原子从低能级跃迁到高能级，这个过程称为光的受激吸收。处在高能级的原子在外来光的诱发下，跃迁至低能继而发光，这个过程称为光的受激辐射。受激辐射发出的光子与外来光子具有完全相同的频率、传播方向、偏振方向。激励可以使发光物质发光，外界所提供的激励有多种形式，常用的有电致发光、光致发光、化学发光、热发光等形式。1.2常见光源分类及其应用普通灯泡：效率（LM）：8~18，经济寿命：1000，特征：安装及使用容易、立即启动成本低、反射泡可做聚光投射。适用范围：住宅基本及装饰性照明、反射灯泡可用于重点照明。卤素灯：效率（LM）：12~14，经济寿命：2000~3000，特征：体积小、高亮度、光色较白、易安装、寿命较普通灯泡长。适用范围：商业空间的重点照明。普通型日光灯：效率（LM）：60~104，经济寿命：5000~12000，特征：有各种不同光色可供选择、可达到高照度并兼顾经济性。适用范围：办公室、商场、住宅及一般公共建筑。SL省电灯管：效率（LM）：39~50，经济寿命：6000，特征：高效、省电、能直接取代普通白炽灯泡。适用范围：大部分使用白炽灯泡的场所均可使用。高压水银灯泡：效率（LM）：40~61，经济寿命：1000~12000，特征：高效率、寿命长、适当显色性。适用范围：住宅区公用区、运动场、工厂。金属卤化物灯泡：效率（LM）：66~108，经济寿命：4000~10000，特征：效率高、寿命长、演色性佳。适用范围：适合彩色电视转播运动场投光照明、工业照明、道路照明、植栽照射。第2章光电器件及其特性５第2章光电器件及其特性2.1光敏电阻1)光敏电阻又称光导管，常用的制作材料为硫化镉，另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下，其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电，在外加电场的作用下作漂移运动，电子奔向电源的正极，空穴奔向电源的负极，从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。2)光敏电阻的伏安特性测量图1光敏电阻伏安特性测试电路（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。（2）通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即,同时算出此时光敏电阻的阻值。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行5～6次不同光强实验数据测量。（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。第2章光电器件及其特性错误!未找到引用源。６由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。2.2光敏二极管1）光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加，形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时，可以使PN结中产生电子一空穴对，使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移，使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。2）光敏二极管的伏安特性测量图2光敏二极管特性测试电路第2章光电器件及其特性７（1）按原理图2接好实验线路，将光电二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反偏电压与产生的光电流的关系数据，其中光电流：(l.00KΩ为取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。由图可知，光电二极管的在一定光强下，其光电流保持一定值，并不随光电压得增大而增大。2.3光敏三极管1）光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN结受到光辐射时，形成光电流，由此产生的光生电流由基极进入发射极，从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性，与光敏二极管相比，具有很大的光电流放大作用，即很高的灵敏度。2）光敏三极管的伏安特性测量第2章光电器件及其特性错误!未找到引用源。８图3光敏三极管特性测试实验（1）按原理图3接好实验线路，将光敏三极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。其中光电流(l.00KΩ为取样电阻R）。由图可知，在较弱光强下，光明三极管的光电流并不随光电压变化，随着光强的增大，其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大，而后保持一定值不变。2.4硅光电池1）硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。它的结构很简单，核心部分是一个大面积的PN结，把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管第2章光电器件及其特性９与一块微安表接成闭合回路，当二极管的管芯(PN结)受到光照时，你就会看到微安表的表针发生偏转，显示出回路里有电流，这个现象称为光生伏特效应。硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多，所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多。硅光电池的伏安特性测量图4硅光电池特性测试电路（1）实验线路见图4，电阻箱调到0Ω。（2）先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置，每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压和短路电流IS，其中短路电流为（取样电阻R为10.00Ω），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。由图可知，在光强一定时，硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变，后逐渐减小，且减小速度越来越快。第3章光电效应及其光电传感器的应用错误!未找到引用源。１０第3章光电效应及其光电传感器的应用