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1、论文光电传感器论文A lways(定稿) 光电传感器特性研究关键字光电效应光电传感器元件特性前景展望摘要光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。 它可用于检测直接引起光量变化的非电量，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他非电量，如零件直径、表面粗糙度、应变、位移、振动、速度、加速度，以及物体的形状、工作状态的识别等。 光电式传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因此在工业自动化装置和机器人中获得广泛应用。 近年来，新的光电器件不断涌现，特别是CCD的诞生，为光电传感器的进一步应用开创了新的一页。 一、实验原理 1、理论基础光电效应光电效应是指，
2、当光线照射在金属表面时,金属中有电子逸出的现象,称为光电效应.逸出的电子称为光电子。 光电效应发生的原因是金属表面的电子吸收外界的光子,克服金属的束缚而逸出金属表面。 如带电小锌球在紫外线照射下会失去负电荷带上正电。 不同的金属发生光电效应的最小光频率是不同的。 赫兹在1887年发现了光电效应。 1)概述在光的照射下，使物体中的电子脱出的现象叫做光电效应。 (2)说明光电效应的实验规律。 a阴极(发射光电子的金属材料)发射的光电子数和照射发光强度成正比。 b光电子脱出物体时的初速度和照射光的频率有关而和发光强度无关。 这就是说，光电子的初动能只和照射光的频率有关而和发光强度无关。 c仅当照射物
3、体的光频率不小于某个确定值时，物体才能发出光电子，这个频率蛳叫做极限频率(或叫做截止频率)，相应的波长。 叫做红限波长。 不同物质的极限频率”。 和相应的红限波长。 是不同的。 根据爱因斯坦的光电子效应，光子是运动着的粒子流，每种光子的能量为hv(v为光波频率，h为普朗克常数，h6.63*10-34J/HZ)，由此可见不同频率的光子具有不同的能量，光波频率越高，光子能量越大。 假设光子的全部能量交给光子，电子能量将会增加，增加的能量一部分用于克服正离子的束缚，另一部分转换成电子能量。 根据能量守恒定律2A-hm12=式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,A微电子所做的功。 由上式可知，要使
4、光电子逸出阴极表面的必要条件是hA。 由于不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射。 相应的波长为式中，c为光速，A为逸出功。 除金属外，多数绝缘体和半导体都有光电效应，半导体尤为显著，根据光导效应制造的光电元件有固有入射光频率，当光照在光电阻上，其导电性增强，电阻值下降。 光强度愈强，其阻值愈小，若停止光照，其阻值恢复到原阻值。 2、光电传感器光电传感器通常由光源、光学通路和光电元件三部分组成。 图中1是光源发出的光信号，2是光电器件接受的光信号，被测量可以是x1或者x2，它们能够分别造成光源
5、本身或光学通路的变化，从而影响传感器输出的电信号I。 光电传感器在越来越多的领域内得到广泛的应用。 本实验中所采用的光源是丝灯泡，这是一种最常用的光源，它具有丰富的红外线。 如果选用的光电元件对红外光敏感，构成传感器时可加滤色片将钨丝灯泡的可见光进行滤除，而仅用其红外线作光源，这样可以有效防止其他光线的干扰。 由光源、光学通路和光电器件组成的光电传感器在用于光电检测时，还必须配备适当的测量电路。 测量电路能够把光电效应造成的光电元件电性能的变化转换成所需要的电压或电流。 不同的光电元件，所要求的测量电路也不相同。 按本实验要求测量所需要测量的仪器原件时，应仔细按图接好测量电路，再参照以下注意事
6、项进行实验 1、半导体光敏电阻可以通过较大的电流，所以一般情况下，无需配置放大器。 2、光敏三极管在低照度入射光下工作时，或者希望得到更大的输出功率时，I x1x2x312光源光学通路光电元件AhcK=也可以配置放大电路。 3、由于光敏电池即使在强光照射下，最大输出电压还不能使下一级晶体管有较大的电流输出，故应当加正向偏压。 为了减小晶体管基极电路阻抗变化，应尽量降低光电池在无光照时承受的反向偏压，可以在光电池两端并联一块电阻。 二、实验内容实验步骤 （1）按原理图1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
7、）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?=KUIRph00.1。 以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行56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。 光敏电阻伏安特性测试实验数据2V4V6V8V10V25cm0.4070.8321.2861.7482.23220cm0.4560.9311.4231.9422.47215cm0.5551.1301.7172.3312.95910cm0.7191.4482.1872.9533.
8、7325cm1.1182.2393.3634.5025.642光敏电阻伏安特性曲线图0123456246810U(V)I(mA)25cm20cm15cm10cm5cmUI(mS22光敏电阻光照特性实验步骤 （1）按原理图1接好实验线路，将光源用标准钨丝灯和检测用光敏电阻置测试架中，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）从U=0开始到U=12V，每次在一定外加电压下测出光敏电阻在相对光照强度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即?=KUIRph00.1。 光敏电阻的光照特性实验数据25cm20cm15cm10cm5cm2V0.1011.xx.2021.2041.2
9、074V0.1212.0112.0132.0182.0216V0.1432.8132.8172.8312.8598V0.1674.7464.7874.7934.79610V0.1786.2396.246.2426.244光敏电阻光照特性曲线图0123456725cm20cm15cm10cm5cm距离I(mA)2V4V6V8V10V SI(mAU3硅光电池基本特性3. 1、硅光电池伏安特性实验步骤 （1）将硅光电池板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，RX接到暗箱边的插孔中以便于同外部电阻箱相连。 按图2连接好实验线路，开关K指向“1”时，电压表测量开路电压Uoc
10、，开关指向“2”时，RX短路，电压表测量R电压UR。 光源用钨丝灯，光源电压012V（可调），串接好电阻箱（010000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，测出硅光电池的光电流Iph与光电压USC在不同的负载条件下的关系（010000）UI。 (10.00为取样电阻R），以后逐步调大相对光强，重数据，其中?=00.10Rph复上述实验。 （3）根据实验数据画出硅光电池的一组伏安特性曲线。 硅光电池伏安特性实验数据0.00.10.20.30.425cm0.620.610.580.120.0020cm0.810.800.780.130.0015cm0.920
11、.910.900.150.0110cm1.081.071.060.160.015cm1.241.231.220.160.01硅光电池伏安特性曲线00.20.40.60.811.21.400.10.20.30.4U(V)I(mA)25cm20cm15cm10cm5cm UI(mS3. 2、硅光电池光照特性实验步骤 （1）实验线路见图3，电阻箱调到0。 （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Uoc和短路电流IS，其中短路电流为?=00.10RSUI（取样电阻R为10.00），以后逐步调大相对光强（56次），重复上述实验。 （3）根据实验数据画出硅光
12、电池的光照特性曲线。 硅光电池的光照特性实验数据25cm距离数据20cm15cm10cm5cm I（mA）U（V）1.220.083.520.095.070.166.040.216.060.26硅光电池的光照特性电流曲线0123456725cm20cm15cm10cm5cm距离I(mA)硅光电池的光照特性电压曲线00.050.10.150.20.250.325cm20cm15cm10cm5cm距离U(V)U（V）4光敏三极管的基本特性4.1光敏三极管伏安特性实验步骤 （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012V
13、（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UIC00.1?=KR(l.00K为取样电阻R）。 （3）根据实验数据画出光敏三极管的一组伏安特性曲线。 光敏三极管的一组伏安特性实验数据表五25cm20cm15cm10cm5cm-0.50.130.200.320.510.78-1.00.150.230.400.600.90-1.50.170.320.560.851.19-2.00.180.330.570.881.20-2.50.190.350.580.871.21光敏三极管的伏安特性曲线
14、00.20.40.60.811.21.4-0.5-1-1.5-2-2.5U(V)I(mA)25cm20cm15cm10cm5cm距离I(mA)U(V)4.2光敏三极管光照特性实验步骤 （1）实验线路如图3所示。 （2）偏置电压UC从0开始到+12V，每次在一定的偏置电压下测出光敏三极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流IC的数据，其中光电流UIC00.1?=KR(l.00K为取样电阻R)。 （3）根据实验数据画出光敏三极管的一组光照特性曲线。 光敏三极管的光照特性实验数据25cm20cm15cm10cm5cm-20.020.060.110.170.21-40.120.140.220.30
15、0.41-60.210.260.370.470.61-80.220.350.530.730.99-100.280.510.810.971.10光敏三极管的光照特性曲线00.20.40.60.811.2-2-4-6-8-10U(V)I(mA)25cm20cm15cm10cm5cm距离I(mA)U(V)实验结论 1、光敏电阻有一般电阻的伏安特性，而且当光敏电阻两端所加电压一定时，光强越大光电流越强，达到最大值以后光电流基本不变。 2、当光照强度一定时，硅光电池两端所加电压增加光电流基本保持不变，当电压达到一定值时光电流迅速减小；其他条件一定时，在一点范围内增加光照可以提高光电流强度。 3、光敏三极管两端所加电压增大光电流增大，达到饱和光电流后不再随电压变化，其他条件一定时，在一点范围内增加光照可以提高光电流强度。 三、前景展望它可用于检测直接引起光量变化的
