光电传感实验.docx
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光电传感实验
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【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
光电传感实验
光电传感器实验
（二）辐射度与光度学
一、实验目的
了解辐射度学与光度学的区别。
二、实验内容
1、测量当前环境的照度值；
2、测量普通光源在供电电压不同的情况下的光照度；
3、测量不同颜色光在同一供电电压下的光照度；
4、测量激光器的光照度；
5、测量激光器的光功率值。
三、实验仪器
ZY13OFSens12SB主机箱
普通光源,遮光筒,半导体激光器,光照度计探头,光功率计探头,滤色片（七色）,支架,导线.
四、实验原理
辐射度单位和光度单位是两套不同的体系。
辐射度单位适用于整个电磁波段，光度学只适用于可见光波段。
本实验可以帮助学生理解这两种概念体系的区别和联系。
以电磁波形式或粒子（光子）形成传输的能量，它们可以用光学条件反射、成像或色散，这样能量传输及其传播过程称为光辐射。
为了对光辐射进行定量描述，存在着辐射单位和光度单位两套不同的体系，表2-1是常用的辐射度量和光度量之间的对应关系。
在光度单位中，发光强度是基本单位，定义为一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射。
若在一给定方向上的辐射光度为1/683（W/Sr），则该光源在该方向上的的发光强度为1cd（坎德拉）。
本实验中备有普通光源和激光光源两种，普通光源的光谱为连续光谱。
利用滤色片或通过分光镜后，可以提供红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等多种波长的光辐射。
激光光源是半导体激光器，发射的激光波长一般为630-680纳米。
激光颜色为红色。
本实验使用的激光器激光波长为650纳米。
5、数据记录与处理
表2-1不同输入电压下的照度值
输入电压/V
2
3
4
5
6
7
光照度/Lx
由表可以看出光照度值随输入电压的增大而增大。
表2-2不同波长下的照度值
滤色片颜色
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
光照度/Lx
光照度，即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
光照度是表明物体被照明程度的物理量。
光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。
由表2-2可以看出光照度与波长没有明确的关系。
表2-3不同输入电压下激光器的照度值
输入电压/V
3
4
5
光照度/kLx
由表2-3可以看出激光器的光照度值随电压的变大二变大但是没有普通光源的变化率大。
表2-4不同输入电压下激光器的光功率
输入电压/V
3
4
5
光功率/mv
由表2-4可以看出激光器的光功率随着输入电压的增大而增大。
六、实验思考题
辐度学和光度学的区别光功率和光照度的区别
答：
对能量进行客观计量的学科称辐射度学；在可见光波段内，考虑到人眼的主观因素后的相应计量学科称为光度学。
光功率，即光在单位时间内所做的功。
光照度，即通常所说得勒克司度（lux），表示被摄主体表面单位面积上受到的光通量。
光照度是表明物体被照明程度的物理量。
7、实验总结
通过做本实验了解了光照度的概念以及与它有关的物理量以及具体关系，即光照度与照明光源、被照表面及光源在空间的位置有关，大小与光源的光强和光线的入射角的余玄成正比，而与光源至被照物体表面的距离的平方成反比。
（三）光敏电阻实验
一、实验目的
了解光敏电阻工作原理、光照特性、伏安特性和光谱响应特性。
二、实验内容
1、光敏电阻暗电阻和亮电阻的测量；
2、光敏电阻光照特性测量；
3、光敏电阻伏安特性测量；
4、光敏电阻光谱特性测量。
三、实验仪器
ZY13OFSens12SB主机箱，普通光源，遮光筒，cds光敏电阻，光照度计探头，光电器件实验
（一）模板，滤色片（七色），支架，导线。
四、实验原理
光敏电阻是用光电导体制成的光电器件，又称光导管．它是基于半导体光电效应工作的。
光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时可加直流电压，也可以加交流电压。
当无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流很小。
当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减少，因此电路中电流迅速增加。
光敏电阻的暗电阻越大．而亮电阻越小．则性能越好，也就是说，暗电流要小，光电流要大，这样的光敏电阻的灵敏度就高。
实际上，大多数光敏电阻的暗电阻往往超过1M欧，甚至高达100MΩ，而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到1kΩ以下，可见光敏电阻的灵敏度是相当高的。
光照特性、伏安特性和光谱特性是光敏电阻的基本特性。
5、数据记录与处理
表3-1一定电压下的电流与电阻
/Lx
Ｕ测/V
电流/mＡ
光照度
I亮
I暗
5
0..03
电阻
R亮
R暗
电阻/k
表3-2不同光照下的光电流
光照度/Lx
100
300
500
700
900
1100
1300
电流/mＡ
图3-1光照度与电流关系图
由图可以看出随着光照度的增大光电流随之增大，则表明光敏电阻阻值不断减小。
表3-3不同光照度下的电压与电流
光照度/Lx
电流/uA
电压/V
2
3
4
5
100
300
0..88
500
图3-2不同光照度下的电压与电流关系
由图可以看出相同光照条件下阻值基本保持不变，随着光照值增大图像斜率也增大即阻值减小。
R=1/k。
（k为斜率）
滤色片颜色
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
波长/nm
650
610
570
530
480
450
400
10Lx照度下的电流
由于滤光片的颜色与实验要求的有差异，测量的数据做的图不规范，剔除不规范的数据后作图如下。
图3-3波长与电流关系图
由图可以看出波长与电流没有明确的关系。
六、实验思考题
光敏电阻和普通电阻主要有什么不同它有哪些特点
答：
光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器，光敏电阻随光照强度的增加而变大。
普通电阻随温度升高而变小。
特点：
灵敏度高、光谱响应、光谱特性好、光照特性、温度系数/稳定性好、一致性强的性能.
7、实验总结
通过做本实验了解了光敏电阻的特性随光强的增大而增大，以及其光谱特性。
但在做实验过程中由于滤光片不能很好的辨认与之对应使得做出的结果有点不符常规。
希望老师贴上标签以便确认。
（五）光敏三极管特性实验
一、实验目的
了解光敏三极管工作原理、光照特性、伏安特性和光谱相应特性。
二、实验内容
1、光敏三极管的光照特性测量；
2、光敏三极管的伏安特性测量；
3、光敏三极管的光谱特性测量。
三、实验仪器
ZY13OFSens12SB主机箱，普通光源，遮光筒，光敏三极管，光照度计探头，光电器件实验
（一）模板，滤色片（七色），支架，导线。
四、实验原理
在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用了晶体三极管的电流放大作用，用Ge或Si单晶体制造NPN或PNP型光敏三极管。
其结构使用电路及等效电路如图5-1所示。
图5-1光敏三极管结构及等效电路
光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极和集电极并联：
集电极-基极产生的电流，输入到三极管的基极再放大。
不同之处是，集电极电流（光电流）由集电结上产生的iφ控制。
集电极起双重作用：
把光信号变成电信号起光电二极管作用；使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。
一般光敏三极管只引出E、C两个电极，体积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。
5、数据记录与处理
表5-1不同照度下的电流
照度/Lx
100
200
300
400
500
600
700
800
I亮mA
图5-1光照度与电流关系图
由图可以看出随着光照度的增大光电流先迅速增大而后逐渐保持平稳不变。
表5-2同光照度下的电压与电流
光照度/Lx
电流/mA
电压/V
1
2
100
图5-2电压与电流
由图可以看出随着电压的增大电流先迅速增大而后逐渐平稳。
表明电阻值先缓慢增大，而后增大的变化率比较大。
表5-3不同光照条件下的电流
光照度
电流/mＡ
颜色度
红
橙
黄
绿
青
蓝
紫
100
由于滤光片的颜色与实验要求的有差异，测量的数据做的图不规范，剔除不规范的数据后作图如下。
图5-3波长与电流关系图
6、思考题
分析一下实验中用到的光敏三极管的特点。
答：
光谱特性，伏安特性，光电特性。
7、实验总结
通过做本实验了解了光敏三极管的部分特性如：
光谱特性，伏安特性，光电特性。
且其光灵敏度高。
（六）光开关实验（透射式）
一、实验目的
了解透射式光电开关组成原理及应用。
二、实验内容
用发光二极管和光敏三极管实现透射式开关。
三、实验仪器
ZY13OFSens12SB主机箱，发光二极管，光敏三极管，光电器件实验
（一）模板，支架，导线。
四、实验原理
光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成（光耦、光断续器）。
当发射管和接收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断，利用这种特性可制成光电开关用来工业零件计数、控制等。
实验装置图
5、实验操作图
图6-1不遮挡时--灯亮图6-2遮挡时--灯不亮
六、实验思考题
思考一下，在组成光开关的光发射管个光接收管有哪些要求
答：
当之间没有阻挡时应该有光电流产生。
并且光发射管和光接收管要对准使得光接收管能够接收到光。
在室内光条件下光接收管中不应该产生光电流。
7、实验总结
通过做本实验了解光开关的原理即根据光电流产生的原理来控制电流的有无。
（十一）PSD位置传感器实验
一、实验目的
了解一维PSD光电位置敏感器件的原理与应用。
二、实验内容
使用一维PSD测量输出电压与位移的关系。
三、实验仪器
ZY13OFSens12SB主机箱，PSD传感器实验模板，PSD传感器及位移装置，导线。
四、实验原理
PSD为一具有PIN三层结构的平板半导体硅片。
其断面结构如图11-1所示，表面层P为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。
当光点入射到PSD表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流
，光生电流就流向两个输出电极，从而在两个输出电极上分别得到光电流
和
，显然
。
而
和
的分流关系则取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。
假设PSD表面分流层的阻挡是均匀的，则PSD可简化为图11-2所示的电位器模型，其中
、
为入射光点位置到两个输出电极间的等效电阻，显然
、
正比于光点到两个输出电极间的距离。
因为
所以可得
当入射光恒定时，
恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与
成线性关系，与入射光点强度无关。
通过适当的处理电路，就可以获得光点位置的输出信号。
5、数据记录与处理
表11-1位移与电压关系
位移量/mm
0
1
2
3
4
输出电压/V
位移量/mm
5
6
7
8
输出电压/V
从表中数据可以看出测量时刚开始光电点不在PSD一段的端点而超过了其端点从而数据由小变大再逐渐变小，所以作图时应该选择正确的数据即从输出电压为开始。
作图如下：
图11-1位移与电压关系图
由图可以看出随着光电越接近中点，输出电压值越来越小。
图11-2实验操作图
六、、实验思考题及其答案
试分析一下二维PSD的工作原理。
答：
当入射光照射到光敏面上某一点后,光生载流子在薄层中向四面八方流动,可用2个正交分量表示:
平行于x轴方向的分量Ix和平行于y轴方向的分量Iy,且Ix+Iy=I0,I0为光生总电流。
根据载流子的移动按照欧姆定律分配的规律,便可得出Ix达式
即
同理,可得其他电极的电流表达式
式中IxIx2、Iy1、Iy2的电流。
由以上4个方程式可求出光点在PSD光敏面上的位置坐标x,y的表达式
其中,2L表示PSD光敏面的宽度,上两式表明：
入射光点的位置坐标（x,y）可由4个电极上的电流经过和、差及除法运算获得。
因此,只要检测出4个电极上电流的大小,即可计算出坐标x,y的值。
七、实验总结
通过做本实验了解了一维PSD的原理以及其输出特性即，与距终点的距离成正比，越原理中点输出值越小。
知道了PSD可以用来定位测量。
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