光敏傳感器實驗及探究摘要：光敏傳感器是以光電器件作為轉換元件的傳感器。它可用于檢測光量變化或直接引起光量變化的非電量， 也可用于檢測能轉換成光量變化的其他非電量。 它首先把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光敏傳感器具有響應快、精度高、能實現非接觸測量等優點，而且可測參數多，傳感器的結構簡單，形式靈活多樣，因此 ,光電式傳感器在檢測和控制領域應用非常廣泛。關鍵詞：光敏傳感器；檢測光量變化；電信號；檢測與控制。Abstract:photoelectricsensorisphotoelectricdeviceasasensorelement.Itcanbeusedfornonelectricquantitydetectionlightintensityordirectlycausedbylightintensity,andcanalsobeusedfordetectioncanbeconvertedintoothernonelectricalquantitychange.Itdividesthechangesmeasuredintoopticalsignalchanges,thenwiththehelpofoptoelectronicdevicestoconvertopticalsignalsintoelectricalsignals.Photoelectricsensorhastheadvantagesoffastresponse,highprecision,canrealizethenon-contactmeasurementetc.,andmeasurableparameters,thesensorhastheadvantagesofsimplestructure,flexibleanddiverseforms,therefore,applicationofphotoelectricsensorsinthedetectionandcontrolfieldisverywide.Keywords:photoelectricsensor;detectionoflightintensity;signal;detectionandcontrol.阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等。1前言光電導效應、光生伏特效應是兩種常見的內傳感器是將感受的物理量、化學量等信光電效應。息，按一定規律轉換成便于測量和傳輸的信2.1.1光電導效應號的裝置。電信號易于傳輸和處理，所以大若光照射到某些半導體材料上時，透過多數的傳感器是將物理量等信息轉換成電到材料內部的光子能量足夠大，某些電子吸信號輸出的。例如傳聲器就是一種傳感器，收光子的能量，從原來的束縛態變成導電的它感受聲音的強弱，并轉換成相應的電信自由態，這時在外電場的作用下，流過半導號。又如電感式位移傳感器能感受位移量的體的電流會增大，即半導體的電導會增大，變化，并把它轉換成相應的電信號。這種現象叫光電導效應。它是一種內光電效光電測量時不與被測對象直接接觸，光應。束的質量又近似為零，在測量中不存在摩擦光電導效應可分為本征型和雜質型兩和對被測對象幾乎不施加壓力。因此在許多類。前者是指能量足夠大的光子使電子離開應用場合，光電式傳感器比其他傳感器有明價帶躍入導帶，價帶中由于電子離開而產生顯的優越性。空穴，在外電場作用下，電子和空穴參與電2光敏傳感器工作原理導，使電導增加。雜質型光電導效應則是能2.1光電效應量足夠大的光子使施主能級中的電子或受光敏傳感器的物理基礎是光電效應，光主能級中的空穴躍遷到導帶或價帶，從而使電效應通常分為外光電效應和內光電效應電導增加。雜質型光電導的長波限比本征型兩大類。在光輻射作用下電子逸出材料的表光電導的要長的多。面，產生光電子發射稱為外光電效應，或光2.1.2光生伏特效應電子發射效應，基于這種效應的光電器件有在無光照時，半導體PN結內部自建電光電管、光電倍增管等。電子并不逸出材料場。當光照射在PN結及其附近時，在能量表面的則是內光電效應，幾乎大多數光電控足夠大的光子作用下，在結區及其附近就產制應用的傳感器都是此類，通常有光敏電生少數載流子（電子、空穴對）。載流子在結區外時，靠擴散進入結區；在結區中時，則因電場E的作用，電子漂移到N區，空穴漂移到P區。結果使N區帶負電荷，P區帶正電荷，產生附加電動勢，此電動勢稱為光生電動勢，此現象稱為光生伏特效應。2.2光敏傳感器的基本特性本實驗主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管四種光敏傳感器的基本特性。光敏傳感器的基本特性則包括：伏安特性、光照特性等。其中光敏傳感器在一定的入射照度下，光敏元件的電流I與所加電壓U之間的關系稱為光敏器件的伏安特性。改變照度則可以得到一族伏安特性曲線。它是傳感器應用設計時選擇電參數的重要依據。光敏傳感器的光譜靈敏度與入射光強之間的關系稱為光照特性，有時光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強之間的關系也稱為光照特性，它也是光敏傳感器應用設計時選擇參數的重要依據之一。掌握光敏傳感器基本特性的測量方法，為合理應用光敏傳感器打好基礎。2.2.1光敏電阻利用具有光電導效應的半導體材料制成的光敏傳感器稱為光敏電阻。目前，光敏電阻應用的極為廣泛，可見光波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻。利用光敏電阻制成的光控開關在我們日常生活中隨處可見。當內光電效應發生時，光敏電阻電導率的改變量為：pe p ne n （1）在（1）式中，e為電荷電量，p為空穴濃度的改變量，n為電子濃度的改變量，表示遷移率。當兩端加上電壓U后，光電流為：AU（2）Iphd式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的間距。在一定的光照度下，為恒定的值，因而光電流和電壓成線性關系。光敏電阻的伏安特性如圖2a所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明

電阻值隨光照度發生變化。光照度不變的情況下，電壓越高，光電流也越大，而且沒有飽和現象。當然，與一般電阻一樣光敏電阻的工作電壓和電流都不能超過規定的最高額定值。圖2a光敏電阻的伏安特性曲線圖2b 光敏電阻的光照特性曲線光敏電阻的光照特性則如圖2b所示。不同的光敏電阻的光照特性是不同的，但是在大多數的情況下，曲線的形狀都與圖2b的結果類似。由于光敏電阻的光照特性是非線性的，因此不適宜作線性敏感元件，這是光敏電阻的缺點之一。所以在自動控制中光敏電阻常用作開關量的光電傳感器。2.2.2硅光電池硅光電池是目前使用最為廣泛的光伏探測器之一。它的特點是工作時不需要外加偏壓，接收面積小，使用方便。缺點是響應時間長。圖3a為硅光電池的伏安特性曲線。在一定光照度下，硅光電池的伏安特性呈非線性。V為0，從而有：ISCIph（4）負載電阻在20歐姆以下時，短路電流與光照有比較好的線性關系，負載電阻過大，則線性會變壞。開路電壓則是指負載電阻遠大于光電池的內阻時硅光電池兩端的電壓，而當硅光電池的輸出端開路時有I0，由（3）（4）式可得開路電壓為：VOCnkBTlnISC1（5）qI0圖3a硅光電池的伏安特性曲線圖3b為硅光電池的光照特性曲線。開路電壓與光照度之間為對數關系，因而具有飽和性。因此，把硅光電池作為敏感元件時，應該把它當作電流源的形式使用，即利用短路電流與光照度成線性的特點，這是硅光電池的主要優點。2.2.3光敏二極管和光敏三極管光敏二極管的伏安特性相當于向下平移了的普通二極管，光敏三極管的伏安特性和光敏二極管的伏安特性類似，如圖4a，b所示。但光敏三極管的光電流比同類型的光圖3b硅光電池的光照特性曲線敏二極管大好幾十倍，零偏壓時，光敏二極*圖3b中1：開路電壓2：短路電流管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。原因是它們都能產生光生電動勢，只當光照射硅光電池的時候，將產生一個因光電三極管的集電結在無反向偏壓時沒由N區流向P區的光生電流Iph；同時由于有放大作用，所以此時沒有電流輸出（或僅有很小的漏電流）。PN結二極管的特性，存在正向二極管管電流ID，此電流方向與光生電流方向相反。所以實際獲得的電流為：IIphIDIphI0eV1expnkBT（3）式中V為結電壓，I0為二極管反向飽和電流，n為理想系數，表示PN結的特性，通圖4a光敏二極管的伏安特性曲線常在1和2之間，kB為波爾茲曼常熟，T為絕對溫度。短路電流是指負載電阻相對于光電池的內阻來講是很小的時候的電流。在一定的光照度下，當光電池被短路時，結電壓圖4b 光敏三極管的伏安特性曲線光敏二極管的光照特性亦呈良好線時靈敏度低些，在強光時則有飽和現象， 這是由于電流放大倍數的非線性所至， 對弱信號的檢測不利。故一般在作線性檢測元件時，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。（2）先將可調光源調至一定的光照度， 每次在一定的光照條件下， 測出加在光敏電阻上電壓 為+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V時電阻R1兩端的電壓 UR，從而得到 6個光電流數據IphUR，同時算出此時光敏1.00k電阻的阻值，即RgUccUR。以后調節相IPH圖5a 光敏二極管的光照特性曲線

對光強重復上述實驗（要求至少在三個不同照度下重復以上實驗）。3）根據實驗數據（見附錄）畫出光敏電阻的一族伏安特性曲線。圖5b光敏三極管的光照特性曲線3實驗方案3.1.2光敏電阻的光照度測試3.1光敏電阻（1）按實驗儀面板示意圖，接好實驗線路，3.1.1光敏電阻的伏安特性測試基準參考硅光電池接相對照度處的硅光電（1）按實驗儀面板示意圖7接好實驗線路，池接口，輸出接定標系統的數字電壓表。光基準參考硅光電池接相對照度處的硅光電源用標準鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待池接口，輸出接定標系統的數字電壓表。光測點，連結+2--+12V電源，光源電壓0--24V源用標準鎢絲燈將檢測用光敏電阻裝入待電源（可調）。測點，連結+2--+12V電源，光源電壓0--24V（2）從UCC=0開始到UCC=12V，每次在一電源（可調）。定的外加電壓下測出光敏電阻在相對光照度從“弱光”到逐步增強的光電流數據，即：URIph ，同時算出此時光敏電阻的1.00K阻值，即：RgUccUR。這里要求至少IPh測出10個不同照度下的光電流數據，尤其要在弱光位置選擇較多的數據點，以使所得到的數據點能夠繪出完整的光照特性曲線。3）根據實驗數據畫出光敏電阻的一族光照特性曲線。3.2硅光電池3.2.1硅光電池的伏安特性測試（1）如圖接線（2）開關打到“ 1”，在一定照度下，調節多圈電位器阻值 RX1 0.5k ~7.5k ，步進量為0.5k ，然后測量硅光電池輸出電壓Uo和取樣電阻R1兩端電壓UR1，光電流IphUR1(10.00為取樣電阻)10.003）選取不同光照度，重復上述實驗4）根據數據（見附錄）畫出硅光電池的一簇伏安特性曲線（1）如上圖接線，光源用標準鎢絲燈，光源電壓用0~+12V(可調)3.2.2硅光電池的光照度測試 （2）先將可調光源調至一定的光照度， 每（1）如前圖實驗線路如圖，電位器調到0次在一定的光照條件下，測出加在光敏二極（2）先將可調光源調至一定的照度下，測管的反偏電壓與產生的光電流，其中光電流出該照度下硅光電池的開路電壓Uoc和短路IphUR1(1.00k為取樣電阻)，以電流Isc數據,其中短路電流為1.00kUR（近似值，10.00為取樣電后調節相對光強重復上述實驗（要求至少在Isc10.00三個不同照度下重復以上實驗）。阻），以后逐步改變可調光源的照度（8～10（3）根據實驗數據（見附錄）畫出光敏二次），重復測出開路電壓和短路電壓。極管的一族伏安特性曲線。3）根據實驗數據（見附錄）畫出硅光電池的光照特性曲線。3.3光敏二極管3.3.1光敏二極管的伏安特性測試3.3.2光敏二極管的光照特性測試1）如上圖接線2）選擇一定的反偏壓，每次在一定的反偏壓下測出光敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流數據，其中IphUR1(1.00k為取樣電阻)1.00k3）根據實驗數據（見附錄）畫出光敏二極管的一簇光照特性曲線誤差分析（1）光源在發光過程中持續加熱，電阻會持續增大，光照度會緩慢提升，從而影響實驗數據。（2）光源電壓不穩定， 在一定范圍內波動。結論光敏傳感器除了能測量光強之外， 還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。 光電測量時不與被測對象直接接觸， 光束的質量又近似為零，在測量中不存在摩擦和對被測對象幾乎不施加壓力。 因此在許多應用場合，光敏傳感器比其他傳感器有明顯的優越性。而且近年來，隨著光電科學、信息科學和材料科學發展成果的推動， 光電式傳感器技術得到了進一步的飛速發展。 隨著科學技術的不斷進步，人們對現代科技認識的不斷深入，光敏傳感器必將迎來屬于自己的時代。參考文獻孫傳友，張一.感測技術基礎第三版.電子工業出版社，2012.1吳勤勤.控制儀表及裝置第三版.化學工業出版社，2012.1杜維，張宏建，王會芹.過程檢測技術及儀表第二版.化學工業出版社，2011.2邱關源.電路第五版.高等教育出版社，2006.5康華光.電子技術基礎模擬部分第五版.高等教育出版社， 2008.4周殿清，馮輝.基礎物理實驗.科學出版社.2009.1附錄：一、光敏電阻偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )偏置電壓（V）UR1(V)IPH(mA)Rg( )

照度：20Lx246810121.553.094.636.187.729.281.553.094.636.187.729.28290.32294.50295.90294.50295.34293.10照度：30Lx246810121.583.154.736.317.909.461.583.154.736.317.909.46265.82269.84268.50267.83265.82268.50照度：62Lx246810121.673.345.006.678.3210.021.673.345.006.678.3210.02197.60197.60200.00199.40201.92197.60偏置電壓：8V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62IPH(mA)4.244.335.044.925.065.625.686.056.246.62Rg()886.7847.5984.1626.0976.21135.760.5983.4602.5812.698328236769偏置電壓：10V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28IPH(mA)5.395.436.336.166.356.957.107.687.758.28Rg()484.2473.3579.7298.7574.8726.6408.4562.5290.3449.23080025028偏置電壓：12V光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UR1(V)6.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95IPH(mA)6.516.567.617.477.638.428.499.239.339.95Rg()228.8219.5314.070.95310.6425.1177.8300.171.81206.081628613二、硅光電池硅光電池在最大光照度下的開路電壓與短路電流UOC(V)UR1(V)ISC(A)0.4000.08530.00853照度：20Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.0RX1(k)119257345415437447452456458460UO(mV)2.32.32.32.01.71.51.31.11.00.9UR1(mV)IPH(mA)RX1(k )UO(mV)UR1(mV)IPH(mA)RX1(k )UO(mV)UR1(mV)

0.230.230.230.20.170.150.130.110.100.09照度：30Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.01633314264454564614644674694703.33.32.82.21.81.51.31.11.00.90.330.330.280.220.180.150.130.110.100.09照度：62Lx0.51.01.52.02.53.03.54.04.55.02434294594694734754774784794815.14.23.02.31.81.51.31.11.00.7IPH(mA)0.510.420.300.230.180.150.130.110.100.07光源電壓88108101210121012光源距離(mm)2001502001001502001001005050光照度(Lx)12345610203062UOC(mV)442445458459462470473483489504UR1(mV)0.60.61.11.01.21.71.72.74.37.1IPH(mA)0.060.060.110.10.120.170.170.270.430.71三、光敏二極管照度：20Lx偏置電壓（V）2.074.076.098.0510.0412.04R1()1.00k