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、12、孙运旺传感器技术与应用[M] 杭州浙江大学出版社2006、93、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、104、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--=-=Tn 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1.光学暗筒内光照度的标定为消除杂散光对实验的影响，实验时照明光路是置于暗筒中进行。
光学暗筒的结构：一端有光敏元件的安装盖，用统一大小的元件接插件固定在插口上，用导线引入电路，另一端是装有白炽灯的可移动杆，杆身标有刻度，可以调节并读取光源与光电元件的距离，以改变它们之间的相对照度。
由于灯泡参数不可能完全一致，实验前根据电路图4.5.2，通过调节加在灯泡两端的电压，可改变白炽灯的亮度，直至达到硅光电池模块标莶纸上厂方所标定照度数据（0cm 处照度），则校准了一个相对照度。
表4.5.1 拉杆刻度同光照度对照表注：刻度数x 是指灯杆上刻度数，白炽灯到硅电池间实际距离r 为：02.+x cm 。
x 处的照度由距离平方反比律2024)(+⨯x φ计算。
2.硅光电池的伏安特性测量（略）3. 硅光电池的光照特性测量实验电路见图5.10.1.c 。
图中开关K 是一只单刀双掷开关，当它拨向0位置时，为测量光电池开路电压()V U C O ；当它拨向1位置时为测量取样电阻R 上的电压()V R U ，从而计算出光电池的短路电流()A I SC 。
对光照暗筒内光照度进行标定。
由于硅光电池的短路电流随照度的变化太大，从而给测量带来困难，本实验采用测量取样电阻（10.00Ω）上的电压来代替此时的短路电流测量。
（1）调至一定的照度下(见表5，移动灯杆)，测出该照度硅光电池的开路电压U OC 和取样电阻R 两端的电压()V R U (计算短路电流用)。
短路电流即为光电流Ω==00.10R Ph SC U I I （近似值，Ω00.10为取样电阻）。
（2）逐步改变光照度（10~8位），重复测出开路电压和取样电阻R 两端的电压()V R U 。
【数据记录及处理】记录光电池的光照特性测量数据，绘出光照特性曲线，用曲线表示结果。
拉杆刻度数(cm)0 1 2 3 4 5 6 7 9 11 照度lx /V E开路()V U C O()m V R U短路()mA SC I【注意事项】光敏传感器感应光照在时间上有迟后现象，即光敏传感器的“响应时间”（或称弛豫时间），测试时应待稳定后再读数。
【预习思考题】1、为什么可以通过测量取样电阻的电压值得到此时的短路电流值？2、实验时光源的相对强度发生了变化，对测量结果有何影响？3、硅光电池的输出与入射光照射瞬间有没有滞后现象？实验中能发现吗？图5.10.1.c 硅光电池光照特性测量电路光电池简介硅光电池是一种直接把光能转换成电能的半导体器件。
其核心部分是一个大面积的PN结。
在入射光的照射下，产生光生电动势——光生伏特效应（属内光电效应）。
例如，国产2CR型硅光池（由N型单晶硅制造）在100m W/cm2的入射光强下，开路电压为450—600mV，短路电流为16—30mA，转换效率为6％--12％。
为了减少光线在硅光池表面的反射，在它的表面蒸有一层蓝色的一氧化硅抗反射膜，使反射系数由30—39％下降到7％，提高了转换效率。
硅光电池作光控或光强测量元件时，应利用其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。
使用硅光电池时应注意以下几项：（1）光电池的输出特性与负载有关。
在一定光照条件下，当负载很小时，硅光电池输出电流趋近于短路电流，输出电压则趋近开路电压。
因此，在使用硅光电池时，只在确定好负载电阻为某地数值时，才能获得最大功率输出。
（2）硅光电池可以串并联使用，以满足所需要的电压或电流值。
（3）硅光电池的表面有一层抗反射膜，使用时应避免损伤其表面，如表面出现污垢，可用酒精棉球轻轻擦拭。
（4）使用时，硅光电池不应受外界环境干扰，以免产生误动信号。
附录：光功率与光度学的单位光度学讨论的内容仅是可见光的传播与量度，因此光度学的单位必须考虑人眼的响应包含了生理因素。
1.光功率：光波（行波）是光能流，若空间有一指定的面积为ΔA的截面，每秒射到ΔA的光能，叫做作用于ΔA的光功率，光功率的单位是W(瓦)。
2.视见函数：光波作用于人的眼睛，使人有颜色感和亮暗感，“色”是视觉对光波的频率（波长）的响应；“亮”是视觉对通过瞳孔的光功率的响应。
但是亮度是人的主观感受，亮的感受因人而异，而且与光波的频率（波长）有关，经过对大量视觉正常的人的测试统计，得到在光功率相同时，对不同波长的光感觉到的相对亮度曲线，叫做视见函数。
在较明亮的环境中，人眼对波长为0.555μm的绿光最敏感，因而把这种光的视见函数值规定为1。
一般人能感受的波长（可见光）范围大致在0.4μm~0.75μm之间。
3.光度学单位：光度学的单位是用来描述人的视觉感受的单位，因而与通常所说的物理学单位不同。
例如，在物理学中描述光的能流通量的物理量是光功率，它的单位是W。
但因人的亮暗感与照明光的波长有关，不能用能流通量表示人的视觉的感受。
为了把光功率与人的视觉联系起来，定义描述视觉感受到的光功率的量，叫做光通量，单位为流明（lumen）,记作lm。
