光电传感器系列实验文档格式.docx
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为电子浓度的改变量，
表示迁移率。
当两端加上电压U后，光电流为：
（2）
式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。
在一定的光照度下，
为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。
光敏电阻的伏安特性如图2a所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。
光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，而且没有饱和现象。
当然，与一般电阻一样光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。
图2a光敏电阻的伏安特性曲线图2b光敏电阻的光照特性曲线
光敏电阻的光照特性则如图2b所示。
不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图2b的结果类似。
由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作线性敏感元件，这是光敏电阻的缺点之一。
所以在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。
（2）硅光电池
硅光电池是目前使用最为广泛的光伏探测器之一。
它的特点是工作时不需要外加偏压，接收面积小，使用方便。
缺点是响应时间长。
图3a为硅光电池的伏安特性曲线。
在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。
图3a硅光电池的伏安特性曲线图3b硅光电池的光照特性曲线
*图3b中1：
开路电压2：
短路电流
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
；
同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流
，此电流方向与光生电流方向相反。
所以实际获得的电流为：
（3）
式中V为结电压，
为二极管反向饱和电流，n为理想系数，表示PN结的特性，通常在1和2之间，
为波尔兹曼常熟，T为绝对温度。
短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。
在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V为0，从而有：
（4）
负载电阻在20欧姆以下时，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。
开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有
，由（3）（4）式可得开路电压为：
（5）
图3b为硅光电池的光照特性曲线。
开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。
因此，把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。
（3）光敏二极管和光敏三极管
光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图4a，b所示。
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。
原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。
图4a光敏二极管的伏安特性曲线图4b光敏三极管的伏安特性曲线
光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。
而光敏三极管
在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱
信号的检测不利。
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。
图5a光敏二极管的光照特性曲线图5b光敏三极管的光照特性曲线
三、实验内容和要求：
1、光敏电阻的特性测试
图6
1.1光敏电阻的伏安特性测试:
（a）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（可调）。
（b）先将可调光源调至一定的光照度，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；
+12V时电阻R1=1kΩ两端的电压UR，从而得到6个光电流数据
，同时算出此时光敏电阻的阻值，即
。
以后调节相对光强重复上述实验（要求至少在三个不同照度下重复以上实验）。
（c）根据实验数据画出光敏电阻的一族伏安特性曲线。
U为电路总电压，UL为光源电压，UR为1kΩ定值电阻上的电压，ULDR为光敏二极管上的反偏电压，Iph为通过光敏电阻的电流值，Rp为光敏电阻的阻值，L为光源与光敏电阻的距离。
在L=5cm,以及UL一定的情况下，即光源的照度一定时，改变电路的总外电压U，测量光敏电阻的伏安特性曲线。
下面是在三个不同的UL值下，测得的数据。
1）UL=3.5V，
U（V）
2
4
6
8
10
12
UR（V）
0.255
0.51
0.766
1.024
1.28
1.543
ULDR（V）
1.745
3.49
5.234
6.976
8.72
10.457
Iph（mA）
Rp（kΩ）
6.843
6.833
6.813
6.777
2）UL=4V，
0.3716
0.7418
1.11
1.483
1.856
2.23
1.6284
3.2582
4.89
6.517
8.144
9.77
4.382
4.392
4.405
4.394
4.388
4.381
3）UL=5V，
0.62
1.24
1.8563
2.478
3.1
3.72
1.38
2.76
4.1437
5.522
6.9
8.28
2.226
2.2326
2.2286
1.2光敏电阻的光电特性：
（a）按实验仪面板示意图（图6）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）。
（b）从UCC=0开始到UCC=12V，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：
。
这里要求至少测出15个不同照度下的光电流数据，尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出完整的光照特性曲线。
注：
实验中的照度计算，由于实验中用的小灯泡自身尺寸与它与光敏电阻的距离L相比很小，可当做点光源，根据点光源照度公式，有En=Iθ/L2。
实验数据表格：
1）保持一定的外加电压U=2V，通过固定L=5cm，改变光源电压UL来改变照度，测量光敏电阻的光电特性。
此处L一定，用UL2表示照度的大小。
UL（V）
1.45
3
5
0.0045
0.029
0.15
0.368
0.621
0.857
1.9955
1.971
1.85
1.632
1.379
1.143
443.4
67.97
12.33
4.43
2.22
1.33
7
8.5
9
9.5
1.05
1.21
1.27
1.43
0.95
0.79
0.73
0.67
0.57
0.9
0.65
0.5
0.45
0.4
2）保持一定的外加电压U=6V，通过固定光源电压UL=8V，改变L的值来改变照度，测量光敏电阻的光电特性。
此处UL一定，用1/L2表示照度的大小。
L（cm）
11
3.02
2.776
2.528
2.296
2.095
1.918
1.79
2.98
3.224
3.472
3.704
3.905
4.082
4.21
0.987
1.161
1.373
1.613
1.864
2.128
2.352
13
14
15
16
17
18
1.68
1.59
1.5
1.435
1.387
1.3412
1.3
4.32
4.41
4.5
4.565
4.613
4.6588
4.7
2.571
2.774
3.181
3.326
3.474
3.615
3）保持一定的外加电压U=8V，通过固定光源电压UL=8V，改变L的值来改变照度，测量光敏电阻的光电特性。
4.02
3.7
3.364
3.06
2.8
2.57
2.4
3.98
4.3
4.636
4.94
5.2
5.43
5.6
0.99
1.162
1.378
1.614
1.857
2.113
2.333
2.26
2.13
2.02
1.926
1.86
1.8
1.74
5.74
5.87
5.98
6.074
6.14
6.2
6.26
2.534
2.756
2.96
3.154
3.301
3.444
3.598
2、光敏二极管的特性测试实验
图8
2.1光敏二极管的伏安特性测试实验
（a）按仪器面板示意图（图8）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）。
（b）将可调光源调至一定的照度，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
（
为取样电阻），以后逐步调大相对光强（3次），重复上述实验。
U为电路总电压，UL为光源电压，UR为1kΩ定值电阻上的电压，试验中光敏二极管采用反接，ULDR为光敏二极管上的反偏电压，Iph为通过光敏二极管的电流值，Rp为光敏二极管的阻值，L为光源与光敏二极管的距离。
在L=5cm,以及UL一定的情况下，即光源的照度一定时，改变电路的总外电压U，测量光敏二极管的伏安特性曲线。
下面是在三个不同的UL值下，测得的数据：
1）UL=3.3V，
UR（mV）
29.91
30.81
31.48
32.02
32.5
32.92
1.97
3.969
5.969
7.968
9.968
11.967
Iph（uA）
65.864
128.822
189.612
248.844
306.708
363.518
2）UL=5V，
114.67
118.01
120.42
122.38
124.06
125.54
1.885
3.882
5.88
7.878
9.876
11.874
16.438
32.896
48.829
64.373
79.607
94.583
3）UL=7V，
301.66
310.77
317.15
322.4
326.7
330.5
1.698
3.689
5.683
7.678
9.673
11.67
5.629
11.871
17.919
23.8159
29.608
35.31
2.2光敏二极管的光照度特性测试
（a）实验线路同图8。
（b）选择一定的反偏压，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
（1.00K
为取样电阻）。
这里要求至少测出3个不同的反偏电压下的数据。
实验中的照度计算，由于实验中用的小灯泡自身尺寸与它与光敏二极管的距离L相比很小，可当做点光源，根据点光源照度公式，有En=Iθ/L2。
1）保持一定的外加电压U=2V，通过固定L=5cm，改变光源电压UL来改变照度，测量光敏二极管的光电特性。
1
2.5
0.13
1.31
4.54
10.97
21.48
56.7
114
1.999
1.995
1.989
1.979
1.943
1.886
15384.6
1526
439.4
181.3
92.1
34.3
16.5
193.7
298.55
428
580.2
754
954
1.806
1.701
1.572
1.42
1.246
1.046
9.3
5.7
1.7
1.1
2）保持一定的外加电压U=4V，通过固定光源电压UL=8V，改变L的值来改变照度，测量光敏电阻的光电特性。
233.24
234
233.8
224.6
208.5
190.5
171.3
3.767
3.766
3.775
3.792
3.81
3.829
16.15
16.09
16.11
16.81
18.19
20
22.35
154.45
139.8
127
116
108.8
102
97.17
3.846
3.86
3.873
3.884
3.891
3.898
3.903
24.9
27.61
30.5
33.48
35.76
38.22
40.17
5.5
6.5
7.5
10.5
11.5
238.45
240.65
234.74
219
201.22
182
164.3
7.762
7.759
7.765
7.781
7.799
7.818
7.836
32.55
32.24
33.08
35.53
38.76
42.96
47.69
12.5
13.5
14.5
15.5
17.5
18.5
147.9
133.87
122.26
113.54
106.38
100.37
96.13
7.852
7.866
7.886
7.894
7.9
7.904
53.09
58.76
64.44
69.46
74.21
78.71
82.22
四、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？
答：
给光源提供可调占空比的脉冲电压，调节占空比，直到光敏传感器出现光照特性，读出占空比，即可求得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）。
附录：
*硅光电池在零偏置时，流过PN结的电流
（反相光电流），故硅光电池在零偏置无光照时，硅光电池输出电压≠0，只有使硅光电池处于负偏时，流过PN结的电流
（反相饱和电流）=0。
才能使硅光电池输出电压为零。
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