传感器原理任务书(光敏电阻、光电池)

传感器原理任务书(光敏电阻、光电池)

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1、传感器原理及应用设计性实验任务书项目:光电传感器电路的设计传感器的种类繁多,千差万别,应用场合也各式各样,即便是同种类的测定量也可采用不同工作原理的传感器,因此,在掌握传感器基本原理的同时还应该对传感器的应用有所了解。如传感器的性能、测量条件、使用方法的等等。以下实验内容是针对传感器系统实验仪中缺少的实验内容,而应用又较多的部分传感器设计的应用性实验。集成式传感器技术正在迅速发展,有必要对各种新型传感器做更多得了解。一、电路的设计及实验任务在了解光电传感原理的基础上,设计一光电传感发射和接收电路,并在面包板上用实际电子元器件插接、调试电路,记录光强变化

2、对应接收电压变化的数据结果。①使用光敏电阻接收光信号进行设计并调试完成实验;②使用光电池接收光信号进行设计并调试完成实验;③指标要求:光强成线性变化;实验提供所有电子元器件及实验台。二、设计提示1.工作原理1.1光敏电阻工作原理RG入射光电源光电流光敏电阻工作原理图光敏电阻又称光导管,它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。光敏电阻没有极性,就是电阻器件。上图为光敏电阻结构图,RG为光敏电阻,当RG两端通有电流而无光照射,RG呈高阻态,回路中仅有微弱的暗电流通过;当光敏电阻受到一定波长范围的光照射时,因光敏电阻光导材料吸收光能而生成电子—空穴对,这时电子

3、移向正极,空穴移向负极,它的阻值急剧减少,电流迅速增大。光电流的大小变化控制电路中的电压电流变化。当光照射停止时,自由电子与空穴复合,电阻又恢复原值,电路有只有微弱暗电流通过。亮电流与暗电流的差称为光电流,通常光电流越大越好,表明光敏电阻敏感度好。光敏电阻的工作原理是基于光电导效应,其结构是在玻璃底版上涂一层对光敏感的半导体物质,两端有梳状金属电极,然后在半导体上覆盖一层漆膜。7 光敏电阻结构及符号光敏电阻光照特性:·光敏电阻无光照时,内部电子被原子束缚,具有很高的电阻值;·光敏电阻有光照时,当光子能量E0>Eg时,电阻值随光强增加而降低;·光照停止时

4、,自由电子与空穴复合,电阻恢复原值。光敏电阻主要参数:·暗电阻——无光照时的电阻为暗电阻;·暗电流——无光照时的电流,在给定工作电压流过暗电阻时的电流;·亮电阻、亮电流——受光照时的阻值,电流称亮电流;·光电流——亮电流与暗电流之差称光电流。基本特性:·伏安特性·给定偏压,光照越大光电流越大;·给定光照度,电压越大光电流越大;·光敏电阻的伏安特性曲线不弯曲无饱和,但受最大功耗限制。光敏电阻伏安特性 光谱特性·光敏电阻灵敏度与入射波长有关,不同波长光敏电阻灵敏度不同;·光敏电阻灵敏度与半导体掺杂的材料有关,不同材料灵敏度不同,例如7材料相对灵敏度峰值位置

5、波长(λ)硫化镉(CdS)0.3~0.8(μm)硫化铅(PbS)1.0~3.5(μm)锑化铟(InSb)1.0~7.3(μm)光敏电阻光谱特性 温度特性温度变化影响光敏电阻的灵敏度、暗电流和光谱响应。光敏电阻温度特性1.2光电池工作原理光电池(有源器件)光电池工作原理也是基于光生伏特效应,是可直接将光能转换成电能的器件。有光线作用时就是电源,如光电池。广泛用于宇航电源,另一类用于检测和自动控制等。光电池种类很多,有硒光电池、锗光电池、硅光电池、砷化镓、氧化铜等等,其中硒光电池转换效率较高,价格低廉寿命长,是使用较广泛的一种光电池;砷化镓光电池光谱响应与

6、太阳光谱吻合,耐高温,耐宇宙射线,是宇航光电池首选材料。结构原理:光电池实质是一个大面积PN结,结构如下图所示,上电极为栅状受光电极,栅状电极下涂有抗反射膜,用以增加透光,减小反射,下电极是一层衬底铝。当光照射PN结的一个面时,电子空穴对迅速扩散,在结电场作用下建立一个与光照强度有关的电动势,一般可产生0.2V~0.6V电压,50mA电流。光照硅光电池的P区时,在P区产生电子-空穴对,硅光电池表面的光子多,电子-空穴对也越多。在内电场的作用下,电子向内扩散,在复合前到达P-N结过渡区,内电场的作用将这些电子推向N区。于是光照产生的电子-空穴对中的电子流

7、向N区;空穴则留在P区,导致P区带正电,N区带负电,形成电位差。7 光电池结构图光电池工作原理图光电池符号·光照特性·开路电压———光生电动势UOC与照度EV之间关系称开路电压曲线;开路电压与光照度关系是非线性关系,在照度位2000lx下趋于饱和。·短路电流———短路电流ISC与照度EV之间关系称短路电流曲线;短路电流是指,外接负载RL相对内阻很小时的光电流,实验证明:负载电阻RL越小,曲线线性越好,线性范围越宽;RL≈100Ω以下为好。短路电流曲线在很大范围内与光照度成线性关系,因此光电池作为测量元件使用时,一般不作电压源使用,而作为电流源的形式应用

8、。光电池光照特性图光电池光照与负载的关系·光谱特性光电池对不同波长的光灵敏度不同,下图为硅光电

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