实验讲义-光电传感器

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1、 1图1 光敏电阻结构图 光电传感器综合实验 光电传感器综合实验 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。 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。外光电效应是指在光照射下，电子 逸出物体表

2、面的外发射的现象，也称光电发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光 电倍增管等。内光电效应是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应。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 电效应类传感器。 当然近年来新的光敏器件不断涌现， 如： 具有高速响应和放大功能的 APD 雪崩式光电二极管，半导体光敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、CCD 图像传感器 等，为光电传感器的应用开创了新的一页。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以及光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原 理。 【实验目的】【实验目

3、的】 1、了解光敏电阻的光电特性、光谱响应特性、频率特性等基本特性，测出它的伏安特性曲 线和光照特性曲线。 2、了解光敏二极管的基本特性，测出它的伏安特性和光照特性曲线。 3、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。 4、了解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。 5、了解光纤传感器基本特性和光纤通讯基本原理。 【实验原理】【实验原理】 1、光敏电阻 1、光敏电阻 光敏电阻是利用半导体光电导效应制成的一种特 殊电阻，对光线十分敏感，它的电阻值能随着外界光 照强弱（明暗）变化而变化它在无光照射时，呈高 阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。光敏电 阻通常由光

4、敏层、玻璃基片（或树脂防潮膜）和电极 等组成的，如图1所示。 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。本实验所用的光敏电阻就是基于内光电 效应的光电元件。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 pnp en e （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： 2phAIUd （2） 式中A为与电流垂直的表面，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

5、线性关系。 光敏电阻的伏安特性如图2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。光照度不变的情况下，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。 图2 光敏电阻的伏安特性曲线 图3 光敏电阻的光照特性曲线 当光电器件电极上的电压一定时， 光电流与入射到光电器件上的光照强度之间的关系称 为光照特性。光敏电阻的光照特性则如图3所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但 是在大多数的情况下，曲线的形状都与图3的结果类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性 的，因此不适宜作线性敏感元件 ，这是光敏电阻的缺点

6、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。 光敏电阻对入射光的光谱具有选择作用， 即光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏 度。 光敏电阻的相对光敏灵敏度与入射波长的关系称为光敏电阻的光谱特性， 亦称为光谱响 应。图4为几种不同材料光敏电阻的光谱特性。 对应于不同波长，光敏电阻的灵敏度是不同 的，而且不同材料的光敏电阻光谱响应曲线也不同。 Sr / (%) / A2040608010001.53硫化铅硫化铊硫化镉100806040200101001 00010 000硫化镉硫化铅S /( %)f / Hz图4 光敏电阻的光谱特性 图5 光敏电阻的频率特性 实验证明， 光敏电阻的

7、光电流对光照强度的变化有一定的响应时间， 即光敏电阻产生的 光电流有一定的惰性， 这种惰性通常用时间常数表示。 光敏电阻自光照停止到光电流下降至 原值的63%时所经过的时间称为光敏电阻的时间常数。大多数的光敏电阻时间常数都较大， 这是它的缺点之一。 不同材料的光敏电阻具有不同的时间常数（毫秒数量级）， 因而它们 的频率特性也就各不相同。 图5为硫化镉和硫化铅两种不同材料的光敏电阻的频率特性， 即 相对灵敏度KI与光强变化频率f之间的关系曲线。 3此外，光敏电阻和其它半导体器件一样，受温度影响较大。总之，光敏电阻具有光谱特 性好、允许的光电流大、灵敏度高、使用寿命长、体积小等优点，所以应用广泛。

8、 2、硅光电池、硅光电池 2.1 硅光电池的结构 硅光电池的基本结构如图 6，当半导体 PN 结处于零偏或反偏时， 在它们的结合面耗 尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子 将把处于介带中的束缚电子激发到导带， 激 发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘 移到 N 型区和 P 型区，当在 PN 结两端加负 载时就有一光生电流流过负载。流过 PN 结 两端的电流可由式(3)确定。 式（3）中 Is 为饱和电流，V 为 PN 结两端电压，T 为绝对温度，Ip 为产生的光电流。 从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过 PN 结的电流 I=Ip；当光电池处于反偏 时（在本实验中取 V=-5V）

9、 ，流过 PN 结的电流 I=Ip-Is，因此，当光电池用作光电转换器时， 光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流 Ip 与输入 光功率 Pi 有以下关系： 2.2 硅光电池的基本特性 (1) 短路电流 图 7 硅光电池短路电流测试 如图 7 所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短 路电流特性。 (2)开路电压 图 8 硅光电池开路电压测试 如图 8 所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为硅光电池的开路电 压特性。 (4) ipRPI 图 6 硅光电池结构图 ）（3 ) 1(pkTeVsIeII4(3)伏安特性

10、 在硅光电池输入光强度不变时， 测量当负载一定的范围内变化时， 光电池的输出电压及 电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性，如图 9。 (4) 光照特性 光电池在不同光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的，它们之间的关系就是光照 特性，如图 10。 图 9 硅光电池的伏安特性曲线 图 10 硅光电池的光照特性曲线 (5)负载特性(输出特性) 光电池作为电池使用， 入射光照射下， 由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到 导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较 小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻 RL的值来

11、测 定硅光电池的负载特性。 在线性测量中，光电池通常以电流形式使用，故短路电流与光照度（光能量）呈线性关 系，是光电池的重要光照特性。实际使用时都接有负载电阻 RL，输出电流 IL 随照度（光通 量）的增加而非线性缓慢地增加，并且随负载 RL的增大线性范围也越来越小。因此，在要 求输出的电流与光照度呈线性关系时， 负载电阻在条件许可的情况下越小越好， 并限制在光 照范围内使用。 (5) 光谱特性 一般光电池的光谱响应特性表示在入射光 能量保持一定的条件下， 光电池所产生短路电流 与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表 示，实验中硅光电池的响应范围为 4001100nm， 峰值波长为 8009

12、00nm，由于实验仪器所提供的 波长范围为 400650nm，因此，实验所测出的光 谱响应曲线呈上升趋势，如图 11 所示。 图 11 硅光电池的光谱曲线 （6）时间响应与频率响应 实验证明， 光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化， 会有一定的惰 性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电 探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。 为衡量其长短， 常用 时间常数的大小来表示。 当用一个辐射脉冲光电探测器， 如果这个脉冲的上升和下降时间 很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰

13、值处 所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。 3、光敏二极管与光敏三极管、光敏二极管与光敏三极管 3.1 光敏二极管与光敏三极管结构 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5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。 光敏二极管结构见图 12。 光敏三极管是具有 NPN 或 PNP 结构的半导体管，结构与普通三极管类似。 图 12 光敏二极管结构图 3.2 光

14、敏二极管与光敏三极管特性 暗电流 光电二三极管在一定偏压，当没有光照的情况下，即黑暗环境中，所测得的电流值即为光电 二、三极管的暗电流。 伏安特性 在一定光照条件下，光电二、三极管的输出光电流与偏压的关系称为伏安特性。 图 13 光敏二极管的伏安特性曲线 图 14 光敏三极管的伏安特性曲线 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。 图 15 光敏二极管的光照特性曲线 图 16 光敏三极管的光照特性曲线 响应时间特性 光敏晶体管受调制光照射时， 相

15、对灵敏度与调制频率的关系称为频率特性。 减少负载电 阻能提高响应频率，但输出降低。一般来说，光敏三极管的频响比光敏二极管差得多，锗光 敏三极管的频响比硅管小一个数量级。 实验证明， 光电器件的信号的产生和消失不能随着光强改变而立刻变化， 会有一定的惰 性，这种惰性通常用时间常数表示。即当入射辐射到光电探测器后或入射辐射遮断后，光电 探测器的输出升到稳定值或下降到照射前的值所需时间称为响应时间。 为衡量其长短， 常用6时间常数的大小来表示。 当用一个辐射脉冲光电探测器， 如果这个脉冲的上升和下降时间 很短，如方波，则光电探测器的输出由于器件的惰性而有延迟，把从 10%上升到 90%峰值处 所需的时间称为探测器的上升时间，而把从 90%下降到 10%所需的时间称为下降时间。 光谱特性 不同材料制成的光敏二极管与光敏三极管有着不同的光谱特性， 它反映了光敏二极管与 光敏三极管对不同波长的光反应的灵敏度是不同的。 把反应最灵敏的波长， 叫做该光敏二极 管或光敏三极管的峰值波长。 【实验内容】【实验内容】 1、光敏电阻特性实验