光敏传感器基本特性与应用研究指导书

1试验5.10光敏传感器的根本特性与应用争论器，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；也可用加速度及物体外形、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能牢靠等特点，因而在工业自动掌握及智能机器人中得到广泛应用。电子并不逸出材料外表的则是内光电效应〔包括光电导效应、光生伏特效应。光敏三极管、硅光电池等。感器的伏安特性和光照特性，及两个具体应用电路。光敏传感器的根本特性光敏传感器的根本特性包括：伏安特性、光照特性、光谱特性、温度特性、为合理应用光敏传感器打好根底。伏安特性：光敏传感器在肯定的入射光照度下，光敏元件的电流I与所加电压U线。它是传感器应用设计时的重要依据。特性是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。光敏传感器的应用传输电路等，并用面包板装调该电路，检验所设计电路的功能。这是一组综合性设计性试验，可由以下分项试验组成。光敏电阻的根本特性测量与争论。硅光电池的根本特性测量与争论。在接线板上组装光敏电阻与光电池的应用电路，并赐予解释。参考文献：1、康华光电子技术根底模拟局部〔第五版〕[M]北京.高教出版社2023、12、孙运旺传感器技术与应用[M]杭州浙江大学出版社2023、93、孙健民传感器技术[M] 北京清华大学出版社北京交通大学出版社2023、104、陈振官陈宏威等光电子电路及制作实例[M]北京国防工业出版社2023、15.10.1硅光电池根本特性的测量其中最重要的是硅光电池，它有一系列的优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射。同时，硅光池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，因此，其有广泛应用。它的缺点是响应时间较长。本试验仅对硅光电池的根本特性和应用作初步了解与争论。【试验目的】了解光电池的根本特性，测量出光照特性曲线。把握电子电路中的根本测量方法。【试验原理】硅光电池的照度特性PN结的单结光电池，它由半导体硅中掺入肯定的微量杂质而制成。当光照耀在PN结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P区NPN〔属内光电效应。〔1〕硅光电池的短路电流与照度关系当光照耀硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流I；同phPNIPND区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流为：II

I I

eV )1] (1)ph D

ph

nkTBV是与入射光的光强成正比的光生O ph电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的构造和材料的特性有关。n为抱负系数，是表示PN12KBT〔负载电阻为零，V=0,由〔1〕式可得到短路电流ISCIph 〔2〕硅光池短路电池与照度特性见图5.10.2b.这里所说的短路电流，是指在肯定光照下，负载电阻相对于光电池的内阻20性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。图5.10.1a硅光电池的伏安特性 图5.10.1b硅光电池的光照特性曲线〔2〕硅光电池的开路电压与照度的关系的电压。I=0，由〔1〔2〕式可得开路电压为：nkT I V B ln SC1 〔3〕OC q I0硅光电池的开路电压与照度特性曲线见图5.10.2b.硅光电池作为敏感元件时，应当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。硅光电池的伏安特性安特性呈非线性。【试验仪器】JK-30型试验电源，光学暗筒，四位半数字万用表，硅光电池，电阻。【试验内容与步骤】硅光电池的根本特性测试源到光敏电阻之间的距离来调整相对光强。光源电压的调整范围在0～12V，光源和传感器之间的距离调整有效范围为:0～200mm。3光学暗筒内光照度的标定由于灯泡参数不行能完全全都，试验前依据电路图4.5.2，通过调整加在灯泡两端的电压，可转变白炽灯的数据0cm处照度，则校准了一个相比照度。x/cm0x/cm01234564.5.27暗筒照度定标8 9E/lx2700120067543230022016913310889x/cm10111213141516171819E/lx75645548423733302724

光电池

VR10VVVxrx2.0cmx处的4照度由距离平方反比律

0 计算。(x 2)2硅光电池的伏安特性测量〔略〕硅光电池的光照特性测量5.10.1.c。图中开关K是一只单刀双掷开关当它拨向0位置时为测量光电池开路电压U V；当它拨向1位置时为测量取样电阻R上的电压U V，从而计算出OC R光电池的短路电流I A。SC对光照暗筒内光照度进展标定。由于硅光电池的短路电流随照度的变化太〔10.00Ω〕上的电压来代替此时的短路电流测量。调至肯定的照度下(见表5，移动灯杆)，测出该照度硅光电池的开路U

和取样电阻R两端的电压U V(计算短路电流用)。OC RU短路电流即为光电流I I SC Ph

〔近似值，10.00为取样电阻。逐步转变光照度〔8~10位R4电压U V。R图5.10.1.c硅光电池光照特性测量电路【数据记录及处理】的光照特性测量数据，绘出光照特性曲线，用曲线表示结果。表1 硅光电池的光照特性测量记录表拉杆刻度数 0 1 2 3 4(cm)

5 6 7 9 11照度E /lxV开路U

VOCU mVR 短路I mASC【留意事项】〔称弛豫时间，测试时应待稳定后再读数。【预习思考题】1、为什么可以通过测量取样电阻的电压值得到此时的短路电流值？2、试验时间源的相对强度发生了变化，对测量结果有何影响？3、硅光电池的输出与入射光照耀瞬间有没有滞后现象？试验中能觉察吗？57光电池简介〔属内光电效应。例如，国产2CR型硅光池〔由N型单晶硅制造〕100mW/cm2的入射光强下，开路电压为450—600mV，短路电流为16—30mA，转换效率为6％--1230—397％，提高了转换效率。点，这是硅光电池的主要优点。使用硅光电池时应留意以下几项〔1才能获得最大功率输出〔2〕硅光电池可以串并联使用，以满足所需要的电压或〔3〕硅光电池的外表有一层抗反射膜，使用时应避开损伤其外表，如外表消灭污垢，可用酒精棉球轻轻擦拭〔4〕使用时，硅光电池不应受外界环境干扰，以免产生误动信号。附录：光功率与光度学的单位眼的响应包含了生理因素。1.光功率：A的光能，叫做作用于ΔA的光功率，光功率的单位是W(瓦)。2.视见函数：〔波长〕〔波长〕有关，经过对大量视觉曲线，叫做视见函数。0.555μm1。0.4μm~0.75μm3.光度学单位：W。量，单位为流明〔lumen〕,lm。流明的定义是：1W0.555μm1KMKM=683lm/W对于波长为λ〔λ，则光视效能为M常用的照明光有连续的光谱，假设在波长为λ至λdλ区间中的光功率为P(λ)dλ,则光功率为Pp()d光通量为 k

V()P()dM一个被光照耀的面,其照明的状况用照度来描述，假设面元dA上的光通量为dФ，则此面元上的照度为E=dФ/dAV照度的单位叫勒克斯〔lux〕lx:1lx=1lm/m2线度足够小的光源，叫做点光源；另一种是光源在一个较大的面上辐射光波，叫做面光源。r方向上有立体角I=dф/dΩV发光强度的单位叫做坎德拉〔candelacd.1cd=1lm/1srsrnnn面光源的面积为ΔA，法线方向的单位矢量为en

，矢量re

的夹角为θ，迎着r的方向观看，光源的面积〔投影面积〕为ΔAr：ΔAr=ΔAcosθ假设在r方向的立体角为dΩ，在此立体角内面光源辐射的光通量为dф，则面光源在方向的亮度为L d dV Ad Acosdrcd/cm2.540*1012H的单色辐射，在给定Z方向上的辐射强度为〔1/683〕W/sr，则在此方向的发光强度为1cd。定义中540*1012HZ

辐射的波长接近0.555μm，它是人眼感觉最灵敏的波长。摘自《光学》王 楚 汤俊雄 北京大学出版社2023、75.10.2光敏电阻根本特性的测量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、气体成分分位移、速度、加速度及物体外形、工作状态识别等。光敏传感器具有非接触、响应快、性能牢靠等特点，因而在工业自动掌握及智能机器人中得到广泛应用。【试验目的】了解光敏电阻的根本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。把握电子技术中的测量方法。【试验原理】光敏电阻的工作原理〔属于内光电硅光电池等都是内光电效应传感器。材料的电导率增加，电导率的转变量为：pep

nen

(4.5.1)(4.5.1)式中e为电荷量，p空穴浓度的转变量，n电子浓度的转变量， 为空p穴的迁移率， 为电子的迁移率。当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为nI AU (4.5.2)ph d〔4.5.2〕Ad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化技术中。光敏电阻的根本特性率特性和温度特性等，本试验主要争论光敏电阻的伏安特性和光照特性。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伏安特性I

与所加电压U之Ph4.5.1a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。光照特性4.5.1b、所作开关量的光电传感器使用。【试验仪器】JK-30型试验电源，光学暗筒，数字万用表，光敏传感器件。【试验内容与步骤】0～12V，光911源和传感器之间的距离调整有效范围为:0～200mm。光学暗筒内光照度的标定参见试验5.10.1硅光电池根本特性的测量”中的内容。光敏电阻特性试验LDR光敏电阻偏置电压+2V~+12VV4.5.3接好试验线路，光源用白炽灯，将光敏电阻〔LDR光敏电阻偏置电压+2V~+12VV光敏电阻伏安特性测试⑴用数字万用表测光敏电阻在试验室灯光下的R明

，在暗筒中的暗电阻R 。暗

图4.5.3光敏电阻测试路的偏置电压U

UR两端电压URCC 1R1

U1. 1Ω1. 1Ωph 00k

6个不同偏置电压下的UR1

，记到数据表4.5.2。⑶转变照度重复上述过程〔不少于三次。光敏电阻的光照特性测试试验〔按图4.5.3连接线路〕⑴在肯定的外加偏置电压下〔如U 10V，通过转变光源同光敏电阻之CC1间距离x，测出光敏电阻在相对光照强度下R1两端电压UR1

，则电流UI R1

，记到数据表4.5.3。ph 1.00kΩ⑵转变外加偏置电压U 重复上述过程〔不少于三次。CC【数据记录及处理】记录光敏电阻伏安特性测试数据，绘出伏安特性曲线。4.5.2光敏电阻伏安特性测试数据表R暗

： 室内光线下电阻R ：明偏置电压偏置电压U/V24681012CCx4cmU /VR1〔EUUU /VRV300lx〕CC1I /mAph拉杆刻度/cm013拉杆刻度/cm01357 91113151719EV/lx偏置电压U /VR1U 8VCCU=8-U /VR1I (U /1k)/mAphR1【留意事项】〔称弛豫时间，测试时应待稳定后再读数。【思考题】〔把试验装置中的灯泡近似为点光源。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？依据测量结果，总结光敏电阻的伏安特性和光照特性。半导体光敏电阻简介625-A型硫化镉光敏电阻，有光照时电阻值可以小于50kΏ，无光照时电阻值可大到50MΏ；625-B500KΏ5MΏ。对红光敏感的是硫化铅光敏电阻，用来对红外光进展探测的是锑化铟光敏电阻。5.10.3光敏器件应用电路〔例〕等电路，供同学们试验时参考及试做。JK7试验电源〔信号源〔0~15V可调元件、半导体三极管、LED、电阻及电容等。1、光敏电阻测光电路测光电路1.1VT1、T2等元件组成，VT1、VT2构成施密特触发电路，当读写光照度正常〔大于100lx〕时，光敏电阻受光照耀呈低电阻，使VT1导通，VT2截止，LED不亮；当光照度缺乏

+6VVT1截止亮度保护视力。调整时，用标准光照度计，使光照为100lx，调整BPLED刚好熄灭即可。MG44-35KVT29015。试验要求：搭接出电路，实现测光电路的功能。用数字万用表电压挡测量表1.1中的各个量值。1.1

BP10kRL

90151.1测光电路R1.1测光电路

R2470

R32.4kVT29015LEDVT1基极电压〔V〕LED+端电压〔V〕

光强≥100lx 光强≤100lx+6VR+6VRRL2470VT90152LEDR红绿110k电子测光仪电路如图1.2。当光线处于R3L某一亮度，光敏电阻RL

的阻值恰好等于10K

10kbe很大，VT1的U 上升，使VT1导通，红色发beR2致R致4beeU的电位降低，VT2Ubee

下降，导致VT2

10k截止，绿色发光二极管不亮。反之则相反。此试验要求：搭接出电路，实现测光仪的功能。

1.2电子测光仪电路〔图中9015〕用数字万用表电压挡测量表1.2中的各个量值。1.2LEDLED红光红、绿LED发光LED绿光VT1基极电压〔V〕2、光控闪耀、变音装置光控闪光灯电路R1

+4VRR 2RL2.1。光线的亮度大时，光敏电阻阻值很小，三极管ＶＴ２饱和

100k

LEDC

C+2+10μ+

47k光线较暗时，光敏电阻阻值变大，两只三极管L的阻值变大，闪光速度加快，闪光速度还与Ｃ１和C２的容量有关，容量越小，闪光速度越快。试验要求：搭接出电路，实现电路的功能。用数字万用表电压挡测量表2.1中的各个量值。2.1

110μVTTS101 VTNPN1 2VT1基极电压〔V〕VT2基极电压〔V〕

光线强〔LED常亮〕

光线弱〔LED闪耀〕光控鱼缸闪耀灯厅光线暗时，灯光闪耀，光线强时停顿。2.2VT1VT2组成简洁的互补型自激多谐振荡器，振荡反响网络C1组成，VT1的基极偏置电路由电阻

100kRL

+ VTTS1011

LED

kVT901526vR1RL共同构成。白天室内光线较强时2.2光控鱼缸闪耀灯电路光敏电阻呈现低电阻，VT1基极处于低电平，VT1、VT2LED不发光。晚上室内光线较弱，光敏电阻VT2间隙导通与截止，LED就会按间隙振荡频率一闪一闪的发光。试验要求：搭接出电路，实现电路的功能。用数字万用表电压挡测量表2.2中的各个量值。2.2光线强光线强光线弱〔LED闪耀〕VT1基极电压〔V〕光控变音电路C+ 0.1μRLVTC+ 0.1μRLVT90152YVTTS1011k2.0V2.3光控变音电路Ｌ的阻值大小随照耀在它上面的光线强弱变化而ＬＬ发声频率。试验要求：搭接出电路，实现电路的功能。假设将电路中的0.1μ电容换成1μ的电容，喇叭中发出声音的音调〔对应的是频率〕有何变化？试试看。用数字万用表电压挡测量表2.3中的各个量值。2.3光线强〔≥100LX〕光线弱〔≤100LX〕VT1集电极电压〔V〕光线强〔≥100LX〕光线弱〔≤100LX〕VT1集电极电压〔V〕3、测光报警装置3DU5光控防盗报警电路 4 87

+4V或底部暗处，当光敏器件见光时即可报警。

R1R10kBP 6

IC5553

+C210μ电路见图3.１。该电路由光敏三极管３ＤＵ５、

100