光电传感器实验论文（四川大学）(DOC)

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

文章题目 光电传感器实验论文 姓名 徐凡 学号 1143041323 电话 13541003640 邮箱 xufancck@163.com 创 新 点 自 述 ? 设计两种光敏材料的实验电路 ? 研究了不同材料的光敏特性

1

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

光电传感器实验论文

徐凡

（计算机学院，1143041323）

摘要：光电传感器在我们的生活中有着广泛的应用，本实验为了研究不同光敏材料的的特性，分别对光敏电阻和光敏二极管进行了实验研究。通过设计分别包含这两种材料的电路并进行了实验，得到了两种材料在不同实验条件下的实验数据。根据实验记录下的数据表，得出了两种光敏材料的伏安特性和光照度特性曲线。根据曲线图最终得出了两种光敏材料的特性：光敏电阻光电流与电压呈线性关系，与光照强度呈非线性关系；光敏二极管光电流不随电压改变而改变，但是谁光强增大而增大。 关键词：光电传感器；光敏电阻；光敏二极管；伏安特性；光照特性

Optical Electronic Transducer Experiment Report

Xu Fan

(Computer science and technology, 1143041323)

Abstract: Photoelectric sensor is widely used in our daily life, this experiment in order to study the characteristic of different photosensitive material, the photosensitive resistor and a photosensitive diode was investigated experimentally. The design includes circuits of these two materials and experimental, experimental data has been obtained under different experimental conditions of two kinds of materials. According to the experimental data, the volt ampere characteristic and illumination characteristic curves of two kinds of photosensitive materials are obtained. According to the curves obtained the characteristics of two kinds of photosensitive material: light photosensitive resistor voltage and current is linear, and the light intensity is nonlinear; photosensitive diode light change current does not increase with the voltage change, but who intensity

Keywords:OET；optical sensitive； volt-ampere characteristics,；light characteristics

引言：光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测

直接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成分分析等；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，即光敏材料的电学特性都因受到光的照射而发生变化。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、硅光电池等都是内光电效应类传感器。

1光电传感器的应用现状

1.1 电影发声系统

拍摄电影时的配音是把声音信号转换为光信号，用明暗不同的条纹记录在胶片边缘的声带上。放映电影时，光源发出的光通过移动声带后发生了强弱的变化，并被光电管所接收，光电管把强弱变化的光相应地转变为强弱变化的电流，经放大器放大后，由扬声器放出声音。 1.2 光控大门

干簧继电器由干簧管和绕在干簧管外的线圈组成，为了易于识别电路，通常在电路图中把线圈和干簧管分开来画。当线圈内有电流时，线圈产生的磁场使密封在干簧管内的两个铁质

2

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

簧片磁化，在磁力作用下由原来的分离状态变成连接状态，线圈内没有电流时，磁场消失，磁片在弹力的作用下，回复到分离状态。把光敏电阻装在大门上汽车灯光能照到的地方，带动大门的电动机接在干簧管的电路中。夜间，当汽车开到大门前，灯光照射光敏电阻时，干簧继电器接通电动机电路，带动大门打开。 1.3 天亮叫醒服务

蜂鸣器内装有发声电路，外边有负极和正极两极引线。使用时正极接电池正极。负极揍电池负极。当有电流通过时，能自动发出蜂鸣声。 1.4 包装充填物高度检测

用容积法计量包装的成品，除了对重量有一定误差范围要求外，一般还对充填高度有一定的要求，以保证商品的外观质量。当充填高度偏差太大时，光电接头没有电信号，即由执行机构将包装物品推出进行处理。 1.5 转速测量

将转速变换成光通量的变化，再经过光电元件转换成电量的变化即可得到转速。被测转轴上装有调制盘(带孔或带齿的圆盘)，其一边设置光源，另一边设置光电元件。调制盘随轴转动，当光线通过小孔或齿缝时，光电元件就产生一个电脉冲。转轴连续转动，光电元件就输出一列与转速及调制盘上的孔(或齿)数成正比的电脉冲数。在孔(或齿)数一定时，脉冲数就和转速成正比。电脉冲输入测量电路后经放大整形，再送入频率计的计数显示。 1.6光电传感器在变电站通信控制系统中的应用 光电传感器作为一种新型的电压电流测量装置，与传统电磁式互感器相比较，具有绝缘强度高、动态范围、大频带宽、抗干扰能力强、不会产生磁饱和及铁磁谐振、体积小、重量轻、造价低等一系列优点。自20世纪60年代以来，光电传感器经历了原理性研究、试验样机和现场挂网运行等阶段。目前国外已经有部分实用化产品投入市场，但真正得到大规模的应用还有一个过程，而且国内变电站自动化系统的应用水平不一，如何让光电传感器在变电站自动化系统中得到应用并提高变电站自动化系统的水平，成为光电传感器研究的重点。变电站通信控制系统是变电站自动化系统的重要组成部分，其技术水平直接关系到变电站自动化系统的性能。随着电子技术和通信技术的飞速发展，变电站通信系统也经历了集中式、功能分布式和分散分布式等阶段。而通信系统的发展变化总是与变电站的测控、保护装置的发展变化相适应的。随着光电传感器在变电站中的应用，将对变电站通信控制系统产生深远的影响，并提高其自动化应用水平。

2光电传感器的发展趋势

近年来，由于传感器的广泛应用以及在日常生活中所起的越来越重要的作用，人们对传感器提出越来越高的要求。21世纪初期(2010前后)。敏感元件与传感器发展的总趋势是小型化、集成化、多功能化、智能化、系统化。传感器领域的主要技术将在现有基础上予以延伸和提高。并加速新一代传感器的开发和产业化。 纵观几十年传感技术领域的发展，不外乎分为两个方面：一是提高与改善传感器的技术性能；二是寻找新原理、新材料、新工艺及新功能等。

2.1 传感器改善性能的途径

一般常采用下列技术途径：差动技术，平均技术，补偿和修正技术，屏蔽、隔离与干扰抑制，稳定性处理。

2.2传感器的发展动向 2.2.1 开发新型传感器 a.采用新原理；

3

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

b.填补传感器空白；

c.仿生传感器等诸方面。 2.2.2开发新材料

a.从单晶体到多晶体、非晶体； b.从单一型材料到复合材料； c.原子(分子)型材料的人工合成。 2.2.3智能材料

是指设计和控制材料的物理、化学、机械、电学等参数，研制出生物体材料所具有的特性或者优于生物体材料性能的人造材料。 2.2.4新工艺的采用

新工艺的含义范围很广，这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的维系加工技术。 2.2.5集成化、多功能化与智能化

3光敏传感器的基本特性及实验原理

3.1伏安特性

光敏传感器在一定的入射光强照度下，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组伏安特性曲线，它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据。光敏电阻类似一个纯电阻，其伏安特性线性良好，在一定照度下，电压越大光电流越大，但必须考虑光敏电阻的最大耗散功率，超过额定电压和最大电流都可能导致光敏电阻的永久性损坏。光敏二极管的伏安特性和光敏三极管的伏安特性类似，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。 3.2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，它也是光敏传感器应用设计时选择参数的重要依据之一。

4 实验仪器

DH-SJ3光电传感器设计实验仪由下列部分组成：光敏电阻板、硅光电池板、光敏二极管板、光敏三极管板、红光发射管LED3、接受管（包括PHD 101光电二极管和PHT 101光电三极管）、Ф2.2和Ф2光纤、光纤座、测试架、DH-VC3直流恒压源、九孔板、万用表、电阻元件盒以及转接盒等组成。

实验时，测试架中的光源电源插孔以及传感器插孔均通过转接盒与九孔板相连，其它连接都在九孔板中实现；测试架中可以更换传感器板。

4

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

图1 DH-VC3直流恒压源面板图

图2-1 转接盒 图2-2 电阻盒1kΩ

图2-3 光敏电阻板

图2-4光敏二极管板

图2-5 九孔板

5

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

图3 测试架

图4 光电传感器更换示意图

5 实验内容

5.1、光敏电阻特性实验

5.1.1光敏电阻伏安特性测试实验

（1）按原理图5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DH-VC3直流恒压源提供。

（2）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U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电

6

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

流数据，即

IphU?URURR?p?Iph1.00K?,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5～6次不同光强实验数据测量。

（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。

图5

5.1.2光敏电阻的光照特性测试实验

（1）按原理图5接好实验线路，将光源用标准钨丝灯和检测用光敏电阻置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。

（2）从U=0开始到U =12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对

光照强度从“弱光”到逐步增强的光电流数据，即：

Iph?UR1.00K?，同时算出此

Rp?时光敏电阻的阻值，即：

U?URIph。

（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。

7

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

实验数据如下表所示： U/v UR/v 2 4 6 8 10 12 L/mm 50 100 150 200 250 1.218 0.854 0.661 0.604 0.532 2.533 1.760 1.377 1.195 1.049 3.715 2.540 2.031 1.745 1.534 4.935 3.414 2.701 2.331 2.051 6.059 4.251 3.366 2.907 2.617 7.429 5.135 4.115 3.447 3.113 U/v Iph/mA L/mm 50 100 150 200 250 2 4 6 8 10 12 1.218 0.854 0.661 0.604 0.532 2.533 1.760 1.377 1.195 1.049 3.715 2.540 2.031 1.745 1.534 4.935 3.414 2.701 2.331 2.051 6.059 4.251 3.366 2.907 2.617 7.429 5.135 4.115 3.447 3.113 U/v R阻/? L/mm 50 100 150 200 250 2 4 6 8 10 12 642 1342 2026 2311 2759 579 1273 1905 2347 2813 615 1362 1954 2438 2911 621 1343 1962 2432 2901 650 1352 1971 2440 2821 615 1337 1916 2481 2855 8

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

注意：以下三图以感光元件与光源的距离作为光强的对比，距离值越小，光照越强。 光敏电阻的伏安特性曲线：

电压（V） 图6

由图6可知：在一定照度下，光电流随光敏电阻电压的增大而增大，呈线性关系。

光敏电阻的光照特性曲线：

光源距离（mm）

图7

由图7可知：在一定外加电压下，光电流随光照强度的增大而增大，呈非线性。 Iph(mA) 9

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

光敏电阻的电阻变化曲线：

电压（V）

图8-1

光源距离（mm） 图8-2

由图8-1和8-2可知：光敏电阻的阻值在光强一定的条件下，不随电压的改变而改变；而电压一定时，阻值随光强的减小而增大

5.1.3 实验思考题

a.当光敏电阻所受光强发生改变时，光电流要经过一段时间才能达到稳态值，光照突然消失时，光电流也不立刻为零，这说明光敏电阻有延时特性。试研究光敏电阻的延时特性。

答：当光照在光敏电阻的表面时，电子获得能量发生跃迁，这些电子成为自由电子，自由电子向光敏电阻的一边移动，这样会使光敏电阻的一边带负电荷，而对应的另一边将带正电荷，然后两边就会产生电位差，从而在光敏材料内部产生了电流，而这些电子的跃迁和运动从开始到稳定状态需要一定时间，这就是我们看到的延时。当光照强度增强时，光敏电阻内部从电子运动和跃迁达到稳定状态需要一定的时间；而光照减弱时时，同理，电子从自由状态回到稳定状态也需要一定的时间。综合上面的两种情况，当光敏电阻所受到的光强发生改变时，电子的状态改变到电子的状态稳定都需要一定的时间，所以说这就造成了光敏电阻的延时特性。

10

R/Ω R/?

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

b.什么叫光敏电阻的光谱特性以及频率特性？如何研究？请查阅资料给出实验方案。 答：照射波的波长与光电流之间的关系光谱特性，光敏电阻的频率特性是指光敏电阻的光电流不能随着光强的改变而立刻发生改变，即光敏电阻产生光电流有一定的惰性，此惰性用时间表示即为它的频率特性。

研究方法：

1>.光谱特性：电压一定时，通过改变照射光的波长，来测出不同波长情况下对应光电流的情况，分析实验数据，从而得以研究其光谱特性规律，可以改变光敏电阻材料多做几组实验。

2>.频率特性：在电压一定的情况下，快速改变相同强度的光强，记录下光电流从发生变化到稳定的时间，改变材料测量不同光敏电阻的稳定时间，分析比较，从而得到其电阻之间的频率。

5.2 光敏二极管的特性实验 5.2.1光敏二极管伏安特性实验

图9

（1）按原理图9接好实验线路，将光敏二极管板置测试架中、电阻盒置于九孔插板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供，光源电压0～12V（可调）。

（2）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：

Iph?UR1.00K?(l.00KΩ为

取样电阻R），以后逐步调大相对光强（5～6次），重复上述实验。

（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组伏安特性曲线。 5.2.2光敏二极管的光照度特性实验

（1）按原理图9接好实验线路。

（2）反偏压从U=0开始到U=+l2V，每次在一定的反偏电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，其中光电流

Iph?UR1.00K?

(l.00KΩ为取样电阻R）。

（3）根据实验数据画出光敏二极管的一组光照特性曲线。

11

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

实验数据：

U/v UR/v L/mm 50 100 150 200 250 2 4 6 8 10 12 0.009 0.027 0.055 0.110 0.159 0.009 0.027 0.057 0.111 0.161 0.009 0.029 0.057 0.112 0.165 0.009 0.030 0.058 0.112 0.171 0.009 0.030 0.058 0.113 0.175 0.009 0.031 0.059 0.113 0.181 U/v Iph/mA L/mm 50 100 150 200 250 2 4 6 8 10 12 0.009 0.027 0.055 0.110 0.159 0.009 0.027 0.057 0.111 0.161 0.009 0.029 0.057 0.112 0.165 0.009 0.030 0.058 0.112 0.171 0.009 0.030 0.058 0.113 0.175 0.009 0.031 0.059 0.113 0.181 U/v R二/? L/mm 50 100 150 200 250 2 4 6 8 10 12 221222 73074 35364 17182 11579 443444 147148 69175 35036 23845 665667 205897 104263 52571 35364 887889 265667 136931 70429 45784 1110111 332333 171414 87496 56143 1332333 386097 202390 105195 65298

12

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

注意：以下三图以感光元件与光源的距离作为光强的对比，距离值越小，光照越强。

光敏二极管的伏安特性曲线：

电压（V） 图10

Iph(mA) 由图10可知：光敏二极管光电流保持恒定，不随外加电压而改变。 光敏二极管的光照特性曲线：

Iph(mA)

由图11可知：光敏二极管的光电流随光强增大而增大。

13

光源距离（mm） 图11

学期：2014-春 课程名：《探索型物理实验 》 课序号：05 姓名：徐凡 学号：1143041323

光敏二极管的电阻变化曲线：

R/Ω

电压（V）

图12-1

R/Ω

光源距离（mm） 图12-2

由图12-1和图12-2 可知：在光强一定的条件下，光敏二极管的电阻随电压的增大而增大；在电压一定的条件下，光敏二极管的电阻随光强的减小而减小。

5.2.3 思考题

a.研究光敏二极管的光谱响应特性，并设计实验。

答：照射波的波长与光电流之间的关系光谱特性研究方法：电压一定时，通过改变照射光的波长，来测出不同波长情况下对应光电流的情况，分析实验数据，从而得以研究其光谱特性规律，可以改变光敏电阻材料多做几组实验。

参考文献

[1] 王植恒.《大学物理实验》.高等教育出版社

[2] 宝传，刘峰，朱本宏.光电传感器的应用.机电工程,2011，28（9）

14

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/d6a8.html