光电传感器实验研究论文.doc

光电传感器实验研究摘要随着科学技术的发展人们发明了各种各样的机器为了改善机器的性能提高机器的自动化程度需要实时地测量反映机器工作状态的信息并利用这些信息区控制机器使之处于最佳的工作状态同时人类生活也越来越注重信息和自动化在日常的生产学习过程中人们常常需在必要的环境条件下进行自动采集信息识别筛选传送等一系列的控制过程传感器就是在这样一种需求下应用而生自然而然的面世了按照不同地外界因素的变化传感器分为不同的类别有温度传感器气敏传感器光电传感器压电式传感器等而在现实不断的使用摸索下在近代光电传感渐渐被人们所青睐在日常生活生产学习中发挥了不可磨灭的作用而光敏传感器的物理基础是光电效应即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化关键词光电效应光电传感器光敏材料一引言光电式传感器是利用光敏元件将光信号转换为电信号的传感器件它的敏感度波长在可见光波长附近包括红外线和紫外线光电传感器不只局限于对光的探测它还可以作为探测元件组成其它传感器对许多非电量进行检测光电式传感器是目前产量最多应用最广的传感器之一它在自动控制和非电量测试技术中占有非常重要的地位二理论基础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大多数光电控制应用的传感器如光敏电阻光敏二极管光敏三极管硅光电池等都属于内光电效应类传感器1外光电效应光照在照在光电材料上材料表面的电子吸收的能量若电子吸收的能量足够大电子会克服束缚逸出表面从而改变光电子材料的导电性这种现象成为外光电效应根据爱因斯坦的光电子效应光子是运动着的粒子流每种光子的能量为hvv为光波频率h为普朗克常数由此可见不同频率的光子具有不同的能量光波频率越高光子能量越大假设光子的全部能量交给光子电子能量将会增加增加的能量一部分用于克服正离子的束缚另一部分转换成电子能量根据能量守恒定律12mv2hvw式中m为电子质量v为电子逸出的初速度w为逸出功由上式可知要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hvw由于不同材料具有不同的逸出功因此对每一种阴极材料入射光都有一个确定的频率限当入射光的频率低于此频率限时不论光强多大都不会产生光电子发射此频率限称为红限2内光电效应当光照射到半导体表面时由于半导体中的电子吸收了光子的能量使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应利用这种现象可以制成阴极射线管光电倍增管和摄像管的光阴极等半导体材料的价带与导带间有一个带隙其能量间隔为Eg一般情况下价带中的电子不会自发地跃迁到导带所以半导体材料的导电性远不如导体但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量就可以将其激发到导带中形成载流子增加导电性光照就是一种激励方式当入射光的能量hEgEg为带隙间隔时价带中的电子就会吸收光子的能量跃迁到导带而在价带中留下一个空穴形成一对可以导电的电子空穴对这里的电子并未逸出形成光电子但显然存在着由于光照而产生的电效应因此这种光电效应就是一种内光电效应从理论和实验结果分析要使价带中的电子跃迁到导带也存在一个入射光的极限能量即Eh0Eg其中0是低频限即极限频率0Egh这个关系也可以用长波限表示即0hcEg入射光的频率大于0或波长小于0时才会发生电子的带间跃迁当入射光能量较小不能使电子由价带跃迁到导带时有可能使电子吸收光能后在一个能带内的亚能级结构间即图1中每个能带的细线间跃迁二光电器件及其特性1光敏电阻1光敏电阻又称光导管常用的制作材料为硫化镉另外还有硒硫化铝硫化铅和硫化铋等材料这些制作材料具有在特定波长的光照射下其阻值迅速减小的特性这是由于光照产生的载流子都参与导电在外加电场的作用下作漂移运动电子奔向电源的正极空穴奔向电源的负极从而使光敏电阻器的阻值迅速下降2光敏电阻的伏安特性测量图1光敏电阻伏安特性测试电路按原理图连接好实验线路将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中电阻盒以及转接盒插在九孔板中电源由直流恒压源提供通过改变光源电压或调节光源到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强每次在一定的光照条件下测出加在光敏电阻上电压为时个光电流数据即同时算出此时光敏电阻的阻值以后逐步调大相对光强重复上述实验进行次不同光强实验数据测量根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线4683157109926889543672005602030404061408104011304120830125116436017406211245187424578023208311670250532811002901040208831394103光强lxURVUV由图可知在一定光强下光敏电阻的光电流与光电压成线性关系随电压的增大二增大并且光强越大其增长越快2光敏二极管光敏二极管也叫光电二极管光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的其管芯是一个具有光敏特征的结具有单向导电性因此工作时需加上反向电压无光照时有很小的饱和反向漏电流即暗电流此时光敏二极管截止当受到光照时饱和反向漏电流大大增加形成光电流它随入射光强度的变化而变化当光线照射结时可以使结中产生电子一空穴对使少数载流子的密度增加这些载流子在反向电压下漂移使反向电流增加因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流光敏二极管的伏安特性测量图2光敏二极管特性测试电路按原理图接好实验线路将光电二极管板置测试架中电阻盒置于九孔插板中电源由直流恒压源提供光源电压可调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为取样电阻以后逐步调大相对光强次重复上述实验根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线1621094380893171883820009002700580102016140009002800590104016560009002900600107017080009003000610110017410000910310062011301791200091032006301170183由图可知光电二极管的在一定光强下其光电流保持一定值并不随光电压得增大而增大3光敏三极管光敏三极管和普通三极管相似也有电流放大作用只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制同时也受光辐射的控制通常基极不引出但一些光敏三极管的基极有引出用于温度补偿和附加控制等作用当具有光光强lxURVUV敏特性的PN结受到光辐射时形成光电流由此产生的光生电流由基极进入发射极从而在集电极回路中得到一个放大了相当于倍的信号电流不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性与光敏二极管相比具有很大的光电流放大作用即很高的灵敏度光敏三极管的伏安特性测量图光敏三极管特性测试实验按原理图接好实验线路将光敏三极管板置测试架中电阻盒置于九孔插板中电源由直流恒压源提供光源电压可调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与产生的光电流的关系数据其中光电流为取样电阻根据实验数据画出光敏三极管的一组伏安特性曲线16210943808931718838201010205081422484560401140311110228255469601250426136734036733801380540150440177965100150065017404605923612016107531976521310514光强lxURVUV由图可知在较弱光强下光明三极管的光电流并不随光电压变化随着光强的增大其光电流在一定范围内随着电压的增大二增大而后保持一定值不变4硅光电池硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件它的结构很简单核心部分是一个大面积的PN结把一只透明玻璃外壳的点接触型二极管与一块微安表接成闭合回路当二极管的管芯PN结受到光照时你就会看到微安表的表针发生偏转显示出回路里有电流这个现象称为光生伏特效应硅光电池的PN结面积要比二极管的PN结大得多所以受到光照时产生的电动势和电流也大得多硅光电池的伏安特性测量图硅光电池特性测试电路实验线路见图电阻箱调到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和短路电流其中短路电流为取样电阻为以后逐步调大相对光强次重复上述实验根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线光强5661LxR471414701000USCV0173013601030052URV0024010704300913由图可知在光强一定时硅光电池的光电流随着光电压的增大先保持不变后逐渐减小且减小速度越来越快三光电传感器的应用光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制测量方面主要是用于测量光强控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制在电路接通的状态下路灯会随着周围光强的变化而变化楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点光敏电阻还被应用于海上导航通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关到晚上光敏电阻阻值变小接通控制电路将灯打开白天光敏电阻增大将控制电路断开关掉电灯光敏管大体有开关作用环境光检测作用各种光线接收作用在太阳能自动跟踪控制中做光电检测用接受太阳光校正方位光敏二级管被应用于收音机电视电脑等设备中比如用LED发光二极光替代液晶显示器背后的光源能达到节能且稳定的作用光敏三极管可用来控制开关的状态其主要原因是三极管对光照强度十分敏感可以根据根据光照强弱来控制电流大小从而在继电器的配合下控制开关的通断状态实现自动化控制由于光敏管对光的敏感性很高还可用于测量温度因为不同温度的物体辐射的光不同以此可以间接测量温度此外光敏三极管还可用于传输信号如光藕合器光耦合器亦称光电隔离器简称光耦光耦合器以光为媒介传输电信号它对输入输出电信号有良好的隔离作用所以它在各种电路中得到广泛的应用另外红光光敏管可用于测量红外线这一点可用来做夜视仪硅光电池在日常生活中也是十分常见的因为它能将光能转变为电能像一些太阳能发电板和太阳能电池中就有硅光电池被广泛用于卫星太阳能发电太阳能热水器以及手机等光电传感器的用途很多很广还有一些等待我们去发现比如我们经常抱怨阳光下看不清手机和电脑我们可以利用光敏器件来改变手机和电脑的屏幕亮度从而更能看清楚还有我们的空调可以通过检测红外线自动调至人的舒适温度当温度过低或过高就开启调节装置若在人体舒适范围左右则可关闭调节装置从而节省能源我们还可以穿一件有硅光电池板的衣服衣服内有温度调节装置由硅光电池提供能源调节温度四总结通过本次的学习过程不仅仅让我对传感器的认识更上一层楼更通过学习实实在在的锻炼了自学采集信息处理信息事物的能力这次学习任务能够圆满完成首先要感谢指导老师齐老师对我们的细致与耐心的指导俗话说师傅领进门修行靠个人在不断的学习过程中最终还是要看自己这也是齐老师经常在课堂上告诫我们的但是师傅的水平也是有高低之分的一个优秀的引导的老师对我们的帮助不言而喻而且事实上也是齐老师的指导一直贯穿在我们的学习中并在将后也一直引导者我们参考文献1王雪文传感器原理及应用北京航空航天大学出版社20042张洪润傅瑾新等传感技术大全北京航空航天大学出版社20073张锡富传感器机械工业出版社20044徐科军传感器与检测技术电子工业出版社20045百度百科6贾伯年传感器技术东南大学出版社20077胡向东传感技术重庆大学出版社20068杨帮文新编传感器实用宝典机械工业出版社20059林天池现代传感技术与系统机械工业出版社2009硝烟中的士兵