光敏传感器的光电特性测量及应用

1、朱炯明朱炯明上海师范大学上海师范大学 数理信息学院数理信息学院三三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四四 温度传感器的温度特性测量及应用温度传感器的温度特性测量及应用五五 光敏传感器的光电特性测量及应用光敏传感器的光电特性测量及应用l 简介简介l 目的要求目的要求l 实验仪器实验仪器l 实验原理实验原理l 实验内容实验内容l 思考题思考题F 光敏传感器光敏传感器是将是将光信号光信号转换为转换为电信号电信号的传感器，的传感器，也称为光电式传感器也称为光电式传感器F 可用于可用于检测检测直接引起光强度变化的直接引起光强度变化的非电量非电量，如：，如：光强

2、、光照度、辐射测温、气体成分分析等光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等F 也可用来检测能转换成光量变化的也可用来检测能转换成光量变化的其它非电量其它非电量，如：零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度如：零件直径、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物体形状、工作状态识别等及物体形状、工作状态识别等F 光敏传感器具有光敏传感器具有非接触非接触、响应快响应快、性能可靠性能可靠等特等特点，因而在点，因而在工业自动控制工业自动控制及及智能机器人智能机器人中得到广泛中得到广泛应用应用光敏传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的光敏传感器的物理基础是光电效应，即半导体材料的许多电学特性都因受到光的照射而

3、发生变化光电效应许多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通常分为 外光电效应外光电效应 和和 内光电效应两大类内光电效应两大类外光电效应外光电效应 是指在光照射下，电子逸出物体表面的外是指在光照射下，电子逸出物体表面的外发射的现象，也称光电发射效应发射的现象，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内光电效应 是指入射的光强改变物质导电率的物理现是指入射的光强改变物质导电率的物理现象，称为光电导效应象，称为光电导效应几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有

4、光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等F 近年来新的光敏器件不断涌现，如：具有高速响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应和放大功能的APD雪崩式光电二极管雪崩式光电二极管，半导体色，半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、CCD图图像传感器等，开创了光电传感器进一步的应用像传感器等，开创了光电传感器进一步的应用F 本实验研究对象：本实验研究对象：光敏电阻光敏电阻、硅光电池硅光电池、光敏二光敏二极管极管、光敏三极管光敏三极管 四种光敏传感器的基本特性四种光敏传感器的基本特性F 光敏

5、传感器的基本特性：光敏传感器的基本特性：伏安特性伏安特性、光照特性光照特性 等等F 掌握光敏传感器基本特性的测量方法，为合理应掌握光敏传感器基本特性的测量方法，为合理应用光敏传感器打好基础用光敏传感器打好基础 1、了解、了解光敏电阻光敏电阻的基本特性的基本特性 测出它的测出它的伏安特性曲线伏安特性曲线和和光照特性曲线光照特性曲线 2、了解、了解硅光电池硅光电池的基本特性的基本特性 测出它的测出它的伏安特性曲线伏安特性曲线和和光照特性曲线光照特性曲线 3、了解、了解硅光敏二极管硅光敏二极管的基本特性的基本特性 测出它的测出它的伏安特性曲线伏安特性曲线和和光照特性曲线光照特性曲线。 4、了解、了解

6、硅光敏三极管硅光敏三极管的基本特性的基本特性 测出它的测出它的伏安特性曲线伏安特性曲线和和光照特性曲线光照特性曲线FD-LS-A 光敏传感器光电特性实验仪光敏传感器光电特性实验仪 的组成：的组成：F 光敏电阻光敏电阻F 光敏二极管光敏二极管F 光敏三极管光敏三极管F 硅光电池硅光电池 ( 四种光敏传感器四种光敏传感器 )F 可调光源可调光源F 电阻箱电阻箱F 数字电压表数字电压表 等等1. 伏安特性伏安特性2. 光照光照特性特性F 光敏传感器在一定的入射照度下，光敏传感器在一定的入射照度下，光敏元件光敏元件的电的电流流 I 与所加电压与所加电压 U 之间的关系称为光敏器件的之间的关系称为光敏器

7、件的伏伏安特性安特性F 改变照度则可以得到改变照度则可以得到一族一族伏安特性曲线伏安特性曲线F 传感器应用设计时选择电参数的重要依据传感器应用设计时选择电参数的重要依据F 某某光敏电阻光敏电阻、硅光电池硅光电池、光敏二极管光敏二极管、光敏三极光敏三极管管的的伏安特性曲线伏安特性曲线 如图如图1、图、图2、图、图3、图、图4 所示所示 5 10 15 2001510520UR/VIPh/mA500Lx200Lx100Lx50Lx0.1 0.2 0.3 0.4 00.60.40.20.8USO/VIPh/mA800Lx600Lx400Lx200Lx1.0 图图1 光敏电阻光敏电阻 图图2 硅光电池

8、硅光电池 的伏安特性曲线的伏安特性曲线 的伏安特性曲线的伏安特性曲线 图图3 光敏二极管光敏二极管 图图4 光敏三极管光敏三极管 的伏安特性曲线的伏安特性曲线 的伏安特性曲线的伏安特性曲线从上述四种光敏器件的伏安特性可以看出：从上述四种光敏器件的伏安特性可以看出：F 光敏电阻光敏电阻 类似一个纯电阻，伏安特性类似一个纯电阻，伏安特性线性良好线性良好 在一定照度下，电压越大光电流越大，但超过额定在一定照度下，电压越大光电流越大，但超过额定电压和最大电流都可能导致光敏电阻永久性损坏电压和最大电流都可能导致光敏电阻永久性损坏F 光敏二极管光敏二极管和和光敏三极管光敏三极管的伏安特性类似的伏安特性类似

9、 但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大好几十倍几十倍，零偏压零偏压时，时，光敏二极管光敏二极管有光电流有光电流输出，而输出，而光敏三极管光敏三极管则则无光电流无光电流输出输出F 在一定光照度下在一定光照度下 硅光电池硅光电池 的伏安特性呈的伏安特性呈非线性非线性 F 光敏传感器的光敏传感器的光谱灵敏度光谱灵敏度与与入射光强入射光强之间的关系之间的关系称为称为光照特性光照特性，有时光敏传感器的，有时光敏传感器的输出电压输出电压或或电电流流与与入射光强入射光强之间的关系也称为光照特性之间的关系也称为光照特性F 光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据

10、之一光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一F 某某光敏电阻光敏电阻、硅光电池硅光电池、光敏二极管光敏二极管、光敏三极光敏三极管管的的光照特性光照特性如如 图图5、图、图6、图、图7、图、图8 所示所示 图图5 光敏电阻光敏电阻 图图6 硅光电池硅光电池 的光照特性曲线的光照特性曲线 的光照特性曲线的光照特性曲线 （ 图图6中中 1 为开路电压为开路电压 2 为短路电流为短路电流 ） 图图7 光敏二极管光敏二极管 图图8 光敏三极管光敏三极管 的光照特性曲线的光照特性曲线 的光照特性曲线的光照特性曲线500 1000 150000.60.40.20.8EC/LxIPh/mAU = -6U =

11、 -4U = -2U = 0500 1000 150003214EC/LxIC/mAUCE=-8UCE=-6UCE=-4UCE=-2从上述四种光敏器件的光照特性可以看出：从上述四种光敏器件的光照特性可以看出：F 光敏电阻光敏电阻、光敏三极管光敏三极管 的光照特性呈的光照特性呈非线性非线性，一，一般不适合作线性检测元件般不适合作线性检测元件F 硅光电池硅光电池 的的开路电压开路电压也呈也呈非线性非线性且有且有饱和饱和现象，现象，但硅光电池的但硅光电池的短路电流短路电流呈呈良好的线性良好的线性，故以硅光电，故以硅光电池作测量元件应用时，应该利用短路电流与光照度池作测量元件应用时，应该利用短路电流与

12、光照度的良好线性关系的良好线性关系（ 短路电流：短路电流：外接负载电阻远小于硅光电池内阻外接负载电阻远小于硅光电池内阻 一般负载在一般负载在 20 以下时，短路电流与光照度呈良好的线以下时，短路电流与光照度呈良好的线性，且负载越小，线性关系越好、线性范围越宽）性，且负载越小，线性关系越好、线性范围越宽）F 光敏二极管光敏二极管 的光照特性亦呈的光照特性亦呈良好线性良好线性F 光敏三极管光敏三极管在大电流时有在大电流时有饱和饱和现象现象 故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管不能用光敏三极管实验实验1 光敏电阻的伏安光敏电阻的伏安

13、/ /光照特性测试实验光照特性测试实验实验实验2 硅光电池的伏安硅光电池的伏安/ /光照特性测试实验光照特性测试实验实验实验3 光敏二极管的伏安光敏二极管的伏安/ /光照特性测试实验光照特性测试实验实验实验4 光敏三极管的伏安光敏三极管的伏安/ /光照特性测试实验光照特性测试实验F 实验中的光照强度均为相对光强，共可分为实验中的光照强度均为相对光强，共可分为 3 种种 各各 4 挡挡 强光强光 光源电压最大光源电压最大 为为 24 V 中等光中等光 光源电压中等光源电压中等 为为 12 V 左右左右 弱光弱光 光源电压小光源电压小 为为 2.5V 左右左右强光强光 光源电压最大光源电压最大 为

14、为 24 V1. 最强：最强：与光源距离与光源距离 50 mm2. 次最强次最强与光源距离与光源距离 100 mm 3. 强强与光源距离与光源距离 150 mm4. 次强次强与光源距离与光源距离 200 mm中等光中等光 光源电压中等光源电压中等 为为 12 V 左右左右1. 中等最强中等最强与光源距离与光源距离 50 mm2. 中等次最强中等次最强与光源距离与光源距离 100 mm3. 中等强中等强与光源距离与光源距离 150 mm4. 中等次强中等次强与光源距离与光源距离 200 mm弱光弱光 光源电压小光源电压小 为为 2.5V 左右左右1. 弱最强弱最强与光源距离与光源距离 50 mm

15、2. 弱次最强弱次最强与光源距离与光源距离 100 mm3. 弱强弱强与光源距离与光源距离 150 mm4. 弱次强弱次强与光源距离与光源距离 200 mm (1) 实验仪面板示意图实验仪面板示意图 ( 图图9 )F 按实验仪面板示意图接好实验线路按实验仪面板示意图接好实验线路F 光源用标准钨丝灯光源用标准钨丝灯F 将检测用将检测用光敏电阻光敏电阻装入待测点装入待测点F 连结连结 +2 +12V电源电源F 光源电压光源电压 0 24V 电源电源 (2) 先将可调光源调至相对光强为先将可调光源调至相对光强为“弱光弱光”位置位置F 每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电每次在一定的光照条件下

16、，测出加在光敏电阻上电压为压为 +2V，+4V，+6V，+8V，+10V 时的时的 5 个光电流个光电流数据，即数据，即 F 同时算出此时光敏电阻的阻值，即同时算出此时光敏电阻的阻值，即F 以后逐步调大相对光强以后逐步调大相对光强 5 - 6 次次 重复上述实验重复上述实验 (3) 根据实验数据画出光敏电阻的根据实验数据画出光敏电阻的一簇一簇伏安特性曲线伏安特性曲线k00. 1RPhUIPhRCCgIUUR(1) 按实验示意图按实验示意图 (图图9) 接好实验线路，光源用标准接好实验线路，光源用标准钨丝灯，将检测用光敏电阻装入待测点，连结钨丝灯，将检测用光敏电阻装入待测点，连结+2 +12V电

17、源，光源电压电源，光源电压 0 24V电源（可调）电源（可调）(2) 每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从照度从“弱光弱光”到逐步到逐步增强的光电流数据，即增强的光电流数据，即同时算出此时光敏电阻的阻值，即同时算出此时光敏电阻的阻值，即从从 UCC= 0 开始到开始到 UCC = 12V，重复上述实验，重复上述实验(3) 根据实验数据画出光敏电阻的根据实验数据画出光敏电阻的一簇一簇光照特性曲线光照特性曲线k00. 1RPhUIPhRCCgIUUR (1) 按仪器面板示意图（图按仪器面板示意图（图10）连接好实验线路）连接好实验线路F 开关开

18、关K指向指向 “1” 时，电压表测量开路电压时，电压表测量开路电压 UOCF 开关开关K指向指向 “2” 时，时，Rx1 短路短路 电压表测量电压表测量 R1 电压电压 UR1F 光源用标准钨丝灯光源用标准钨丝灯F 将待测硅光电池装入待测点将待测硅光电池装入待测点F 光源电压光源电压 +0 24V (可调可调)F 串接好电阻箱串接好电阻箱 (从从 0 调至调至 5000 )KR1硅光电池URx12ISCUOC1(2) 先将可调光源调至相对光强为先将可调光源调至相对光强为“弱光弱光”位置位置F 每次在一定的照度下，测出硅光电池的光电流每次在一定的照度下，测出硅光电池的光电流 Iph 与光电压与光

19、电压 U0 在不同的负载条件下的关系数据在不同的负载条件下的关系数据 ( 15000 )F 其中其中 2.00 为取样电阻为取样电阻 F 以后逐步调大相对光强（以后逐步调大相对光强（5 -6次），重复上述实验次），重复上述实验(3) 根据实验数据画出硅光电池的根据实验数据画出硅光电池的一簇一簇伏安曲线伏安曲线 00. 21RPhUI(1) 实验线路见实验线路见 图图10，电阻箱调到，电阻箱调到 0(2) 先将可调光源调至相对光强为先将可调光源调至相对光强为“弱光弱光”位置位置F 每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压 Uoc和短路电流和短路电流 I

20、sc 数据数据F 其中短路电流为其中短路电流为 （近似值，（近似值，2.00 为取样电阻）为取样电阻）F 以后逐步调大相对光强（以后逐步调大相对光强（5-6次），重复上述实验次），重复上述实验(3) 根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线00. 2RSCUI(1) 按仪器面板示意图（图按仪器面板示意图（图11）连接好实验线路）连接好实验线路F 光源用标准钨丝灯光源用标准钨丝灯F 将待测硅光敏二极管装入待测点将待测硅光敏二极管装入待测点F 光源电源电压用光源电源电压用 +0V+24V(可调可调)R1光电二极管U(2) 先将可调光源调至相对光强为先将可调光源调

21、至相对光强为“弱光弱光”位置位置F 每次在一定的照度下，测出加在光敏二极管上的反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偏电压与产生的光电流的关系数据F 其中光电流其中光电流 （ 1.00 k 为取样电阻）为取样电阻）F 以后逐步调大相对光强（以后逐步调大相对光强（5 - 6次），重复上述实验次），重复上述实验(3) 根据实验数据画出光敏二极管的根据实验数据画出光敏二极管的一簇一簇伏安曲线伏安曲线k00. 1RPhUI(1 )实验线路实验线路 同同 图图 11 (2) 反偏压从反偏压从U = 0 开始到开始到 U = +12VF 每次在一定的反偏压下测出光敏二

22、极管在相对光照每次在一定的反偏压下测出光敏二极管在相对光照度为度为“弱光弱光”到逐步增强的光电流数据到逐步增强的光电流数据F 其中其中 （1.00 k 为取样电阻）为取样电阻） 改变反偏压，重复上述实验改变反偏压，重复上述实验(3) 根据实验数据画出光敏二极管的根据实验数据画出光敏二极管的一簇一簇光照特性曲线光照特性曲线k00. 1RPhUI(1) 按仪器面板示意图（图按仪器面板示意图（图 12）连接好实验线路）连接好实验线路F 光源用标准钨丝灯光源用标准钨丝灯F 将待测光敏三极管装入待测点将待测光敏三极管装入待测点F 光源电压用光源电压用 024V (可调可调 )R1U光电三极管(2) 先将可调光源调至相对光强为先将可调光源调至相对光强为“弱光弱光”位置位置F 每次在一定光照条件下，测出加在光敏三极管的偏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电压 UCE 与产生的光电流与产生的光电流 IC 的关系数据的关系数据F 其中光电流为其中光电流为 （1.00 k 为取样电阻）为取样电阻）F 以后逐步调大相对光强（以后逐步调大相对光强（5-6次），重复上述实验次），重复上述实验(3) 根据实验数据画出光敏三极管的根据实验数据画出光敏三极管的一簇一簇伏安特性曲线伏安特性曲线k00. 1RCUI(