光敏传感器基本特性与应用研究指导书

实验5.10 光敏传感器的基本特性与应用研究

凡是能将光信号转换为电信号的传感器称为光敏传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接由光强度变化引起的非电量，如光强、光照度等；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，光电效应通常分为外光电效应和内光电效应两大类。在光辐射作用下电子逸出材料的表面，产生光电子发射称为外光电效应，或光电子发射效应，基于这种效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。电子并不逸出材料表面的则是内光电效应（包括光电导效应、光生伏特效应）。也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。几乎大多数光电控制应用的传感器都是基于内光电效应的器件，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。

本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管等光敏传感器的伏安特性和光照特性，及两个具体应用电路。

1.光敏传感器的基本特性

光敏传感器的基本特性包括：伏安特性、光照特性、光谱特性、温度特性、频率特性、暗电阻、亮电阻、响应时间等。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。

伏安特性：光敏传感器在一定的入射光照度下，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簇伏安特性曲线。它是传感器应用设计时的重要依据。

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，光照特性是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。

2.光敏传感器的应用

运用掌握了其基本特性的光敏传感器设计两个应用电路，如测光强电路、光传输电路等，并用面包板装调该电路，检验所设计电路的功能。

3.这是一组综合性设计性实验，可由下列分项实验组成。

（1）光敏电阻的基本特性测量与研究。

（2）硅光电池的基本特性测量与研究。

（3）在接线板上组装光敏电阻与光电池的应用电路，并给予解释。

参考文献：

1、康华光电子技术基础模拟部分（第五版）[M] 北京. 高教出版社2006、1

2、孙运旺传感器技术与应用[M] 杭州浙江大学出版社2006、9

3、孙健民传感器技术[M] 北京清华大学出版社北京交通大学出版社2005、10

4、陈振官陈宏威等光电子电路及制作实例[M] 北京国防工业出版社2006、1

实验5.10.1 硅光电池基本特性的测量

硅光电池是目前广泛使用的光敏传感器之一。它工作时不需要外加电源，而能直接把光能转换为电能。光电池的各类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓等，其中最重要的是硅光电池，它有一系列的优点：性能稳定、光谱范围宽、频率特性好、转换效率高、能耐高温辐射。同时，硅光池的光谱灵敏度与人眼的灵敏度较为接近，因此，其有广泛应用。它的缺点是响应时间较长。

本实验仅对硅光电池的基本特性和应用作初步了解与研究。

【实验目的】

1. 了解光电池的基本特性，测量出光照特性曲线。

2．掌握电子电路中的基本测量方法。

【实验原理】

1.硅光电池的照度特性

硅光电池是属于一种PN 结的单结光电池，它由半导体硅中掺入一定的微量杂质而制成。当光照射在PN 结上时，由光子所产生的电子与空穴将分别向P 区和N 区集结，使PN 结两端产生光生电动势。这一现象称为光生伏特效应（属内光电效应）。

（1）硅光电池的短路电流与照度关系

当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N 区流向P 区的光生电流I ph ；同时由于PN 结二极管的特性，存在正向二极管管电流I D ，此电流方向从P 区到N

区，与光生电流相反。因此，实际获得的电流为： ]1)k [ex p(B 0--=-=T

n eV I I I I I ph D ph (1) 式中V 为结电压，I O 为二极管反向饱和电流，I ph 是与入射光的光强成正比的光生

电流，其比例系数与负载电阻大小以及硅光电池的结构和材料的特性有关。n 为理想系数，是表示PN 结的特性的参数，通常在1和2之间，K B 为波尔兹曼常数，

T 为绝对温度。在一定的照度下，当硅光电池被短路（负载电阻为零），V=0,由

（1）式可得到短路电流

ph SC I I = （2）

硅光池短路电池与照度特性见图5.10.2b.

这里所说的短路电流，是指在一定光照下，负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。负载电阻在Ω≤20时，短路电流与光照有比较好的线

性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。

（2） 硅光电池的开路电压与照度的关系

开路电压则是指在一定光照下，负载电阻远大于光电池内阻时硅光电池两端的电压。

当硅光电池的输出端开路时，有I=0，由（1）、（2）式可得开路电压为：

⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+=1ln 0I I q T nk V SC B OC （3） 硅光电池的开路电压与照度特性曲线见图5.10.2b.

由图5.10.1b 可看出，开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。

2.硅光电池的伏安特性

图5.10.1a 为硅光电池的伏安特性曲线。在一定的光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。

【实验仪器】

JK-30型实验电源，光学暗筒，四位半数字万用表，硅光电池，电阻。

【实验内容与步骤】

硅光电池的基本特性测试

实验中对应的光照强度均为相对光强，可以通过改变点光源电压或改变点光源到光敏电阻之间的距离来调节相对光强。光源电压的调节范围在0～12V ，光源和传感器之间的距离调节有效范围为:0～200mm 。

图5.10.1a 硅光电池的伏安特性 图5.10.1b 硅光电池的光照特性曲线