光敏传感器的光电特性测量及应用.ppt

物理实验设计与应用（高中）,朱炯明上海师范大学 数理信息学院,物理实验设计与应用,三 非线性元件伏安特性测量及发光二极管应用四 温度传感器的温度特性测量及应用五 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,简介 目的要求 实验仪器 实验原理 实验内容 思考题,光敏传感器简介,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 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,光敏传感器简介,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，称为光电导效应几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等,光敏传感器简介,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，半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、CCD图像传感器等，开创了光电传感器进一步的应用 本实验研究对象：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 光敏传感器的基本特性：伏安特性、光照特性 等 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,1、了解光敏电阻的基本特性 测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线 2、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 3、了解硅光敏二极管的基本特性 测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。4、了解硅光敏三极管的基本特性 测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线,目的要求,FD-LS-A 光敏传感器光电特性实验仪 的组成：光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 硅光电池(四种光敏传感器)可调光源 电阻箱 数字电压表 等,实验仪器,实验原理,1.伏安特性2.光照特性,1.伏安特性,光敏传感器在一定的入射照度下，光敏元件的电流 I 与所加电压 U 之间的关系称为光敏器件的伏安特性 改变照度则可以得到一族伏安特性曲线 传感器应用设计时选择电参数的重要依据 某光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管的伏安特性曲线 如图1、图2、图3、图4 所示,1.伏安特性,图1 光敏电阻 图2 硅光电池 的伏安特性曲线 的伏安特性曲线,1.伏安特性,图3 光敏二极管 图4 光敏三极管 的伏安特性曲线 的伏安特性曲线,1.伏安特性,从上述四种光敏器件的伏安特性可以看出：光敏电阻 类似一个纯电阻，伏安特性线性良好 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 光敏二极管和光敏三极管的伏安特性类似 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，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出 在一定光照度下 硅光电池 的伏安特性呈非线性,2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 光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一 某光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管的光照特性如 图5、图6、图7、图8 所示,2光照特性,图5 光敏电阻 图6 硅光电池 的光照特性曲线 的光照特性曲线（图6中 1 为开路电压 2 为短路电流）,2光照特性,图7 光敏二极管 图8 光敏三极管 的光照特性曲线 的光照特性曲线,2光照特性,从上述四种光敏器件的光照特性可以看出：光敏电阻、光敏三极管 的光照特性呈非线性，一般不适合作线性检测元件 硅光电池 的开路电压也呈非线性且有饱和现象，但硅光电池的短路电流呈良好的线性，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的良好线性关系（短路电流：外接负载电阻远小于硅光电池内阻 一般负载在 20 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）,2光照特性,光敏二极管 的光照特性亦呈良好线性 光敏三极管在大电流时有饱和现象 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,实验内容,实验1 光敏电阻的伏安/光照特性测试实验实验2 硅光电池的伏安/光照特性测试实验实验3 光敏二极管的伏安/光照特性测试实验实验4 光敏三极管的伏安/光照特性测试实验,实验内容及实验数据,实验中的光照强度均为相对光强，共可分为 3 种 各 4 挡 强光 光源电压最大 为 24 V 中等光 光源电压中等 为 12 V 左右 弱光 光源电压小 为 2.5V 左右,实验内容及实验数据,强光 光源电压最大 为 24 V1.最强：与光源距离 50 mm2.次最强与光源距离 100 mm 3.强与光源距离 150 mm4.次强与光源距离 200 mm,实验内容及实验数据,中等光 光源电压中等 为 12 V 左右1.中等最强与光源距离 50 mm2.中等次最强与光源距离 100 mm3.中等强与光源距离 150 mm4.中等次强与光源距离 200 mm,实验内容及实验数据,弱光 光源电压小 为 2.5V 左右1.弱最强与光源距离 50 mm2.弱次最强与光源距离 100 mm3.弱强与光源距离 150 mm4.弱次强与光源距离 200 mm,光敏电阻的伏安特性测试实验,(1)实验仪面板示意图(图9)按实验仪面板示意图接好实验线路 光源用标准钨丝灯 将检测用光敏电阻装入待测点 连结+2+12V电源 光源电压 0 24V 电源,光敏电阻的伏安特性测试实验,(2)先将可调光源调至相对光强为“弱光”位置 每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压为+2V，+4V，+6V，+8V，+10V 时的 5 个光电流数据，即 同时算出此时光敏电阻的阻值，即 以后逐步调大相对光强 5-6 次 重复上述实验(3)根据实验数据画出光敏电阻的一簇伏安特性曲线,光敏电阻的光照特性测试实验,(1)按实验示意图(图9)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+2+12V电源，光源电压 0 24V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照度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即同时算出此时光敏电阻的阻值，即从 UCC=0 开始到 UCC=12V，重复上述实验(3)根据实验数据画出光敏电阻的一簇光照特性曲线,硅光电池的伏安特性测试实验,(1)按仪器面板示意图（图10）连接好实验线路 开关K指向“1”时，电压表测量开路电压 UOC 开关K指向“2”时，Rx1 短路 电压表测量 R1 电压 UR1 光源用标准钨丝灯 将待测硅光电池装入待测点 光源电压+0 24V(可调)串接好电阻箱(从 0 调至 5000),硅光电池的伏安特性测试实验,(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 U0 在不同的负载条件下的关系数据(15000)其中 2.00 为取样电阻 以后逐步调大相对光强（5-6次），重复上述实验(3)根据实验数据画出硅光电池的一簇伏安曲线,硅光电池的光照度特性测试实验,(1)实验线路见 图10，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 Isc 数据 其中短路电流为（近似值，2.00 为取样电阻）以后逐步调大相对光强（5-6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,光敏二极管的伏安特性测试实验,(1)按仪器面板示意图（图11）连接好实验线路 光源用标准钨丝灯 将待测硅光敏二极管装入待测点 光源电源电压用+0V+24V(可调),光敏二极管的伏安特性测试实验,(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 其中光电流（1.00 k 为取样电阻）以后逐步调大相对光强（5-6次），重复上述实验(3)根据实验数据画出光敏二极管的一簇伏安曲线,光敏二极管的光照度特性测试实验,(1)实验线路 同 图 11(2)反偏压从U=0 开始到 U=+12V 每次在一定的反偏压下测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据 其中（1.00 k 为取样电阻）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一簇光照特性曲线,光敏三极管的伏安特性测试实验,(1)按仪器面板示意图（图 12）连接好实验线路 光源用标准钨丝灯 将待测光敏三极管装入待测点 光源电压用 024V(可调),光敏三极管的伏安特性测试实验,(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 其中光电流为（1.00 k 为取样电阻）以后逐步调大相对光强（5-6次），重复上述实验(3)根据实验数据画出光敏三极管的一簇伏安特性曲线,光敏三极管的光照度特性测试实验,(1)实验线路如 图 12 所示(2)偏置电压 UCE 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 数据 其中（1.00 k 为取样电阻）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一簇光照特性曲线,思考题,1.光敏传感器感应光照有一个滞后时间，即光敏传感器的响应时间，如何来测试光敏传感器的响应时间？2.光照强度与距离的关系，验证光照强度与距离的平方成反比（把实验装置近似为点光源）。,模拟试题,1.硅光电池开路电压和短路电流与照射光强之间的关系分别是()。（A）线性、线性（B）线性、非线性（C）非线性、线性（D）非线性、非线性,C,模拟试题,2.在测量硅光电池光照条件下伏安特性曲线时，实验中()。（A）光强改变、负载电阻不变、测 Ui、Ii（B）光强改变、负载电阻改变、测 Ui、Ii（C）光强不变、负载电阻改变、测 Ui、Ii（D）光强不变、负载电阻不变、测 Ui、Ii,C,