傳感器原理任務(wù)書(光敏電阻、光電池)

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1、傳感器原理及應(yīng)用設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)任務(wù)書項(xiàng)目：光電傳感器電路的設(shè)計(jì)傳感器的種類繁多，千差萬別，應(yīng)用場合也各式各樣，即便是同種類的測定量也可采用不同工作原理的傳感器，因此，在掌握傳感器基本原理的同時(shí)還應(yīng)該對傳感器的應(yīng)用有所了解。如傳感器的性能、測量條件、使用方法的等等。以下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容是針對傳感器系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀中缺少的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，而應(yīng)用又較多的部分傳感器設(shè)計(jì)的應(yīng)用性實(shí)驗(yàn)。集成式傳感器技術(shù)正在迅速發(fā)展，有必要對各種新型傳感器做更多得了解。一、電路的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)任務(wù)在了解光電傳感原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一光電傳感發(fā)射和接收電路，并在面包板上用實(shí)際電子元器件插接、調(diào)試電路，記錄光強(qiáng)變化

2、對應(yīng)接收電壓變化的數(shù)據(jù)結(jié)果。①使用光敏電阻接收光信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)并調(diào)試完成實(shí)驗(yàn)；②使用光電池接收光信號(hào)進(jìn)行設(shè)計(jì)并調(diào)試完成實(shí)驗(yàn)；③指標(biāo)要求：光強(qiáng)成線性變化；實(shí)驗(yàn)提供所有電子元器件及實(shí)驗(yàn)臺(tái)。二、設(shè)計(jì)提示1．工作原理1.1光敏電阻工作原理RG入射光電源光電流光敏電阻工作原理圖光敏電阻又稱光導(dǎo)管，它幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成的光電器件。光敏電阻沒有極性，就是電阻器件。上圖為光敏電阻結(jié)構(gòu)圖，RG為光敏電阻，當(dāng)RG兩端通有電流而無光照射，RG呈高阻態(tài)，回路中僅有微弱的暗電流通過；當(dāng)光敏電阻受到一定波長范圍的光照射時(shí)，因光敏電阻光導(dǎo)材料吸收光能而生成電子—空穴對，這時(shí)電子

3、移向正極，空穴移向負(fù)極，它的阻值急劇減少，電流迅速增大。光電流的大小變化控制電路中的電壓電流變化。當(dāng)光照射停止時(shí)，自由電子與空穴復(fù)合，電阻又恢復(fù)原值，電路有只有微弱暗電流通過。亮電流與暗電流的差稱為光電流，通常光電流越大越好，表明光敏電阻敏感度好。光敏電阻的工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其結(jié)構(gòu)是在玻璃底版上涂一層對光敏感的半導(dǎo)體物質(zhì)，兩端有梳狀金屬電極，然后在半導(dǎo)體上覆蓋一層漆膜。7?光敏電阻結(jié)構(gòu)及符號(hào)光敏電阻光照特性：·光敏電阻無光照時(shí)，內(nèi)部電子被原子束縛，具有很高的電阻值；·光敏電阻有光照時(shí)，當(dāng)光子能量E0＞Eg時(shí)，電阻值隨光強(qiáng)增加而降低；·光照停止時(shí)

4、，自由電子與空穴復(fù)合，電阻恢復(fù)原值。光敏電阻主要參數(shù)：·暗電阻——無光照時(shí)的電阻為暗電阻；·暗電流——無光照時(shí)的電流，在給定工作電壓流過暗電阻時(shí)的電流；·亮電阻、亮電流——受光照時(shí)的阻值，電流稱亮電流；·光電流——亮電流與暗電流之差稱光電流?；咎匦裕骸し蔡匦浴そo定偏壓，光照越大光電流越大；·給定光照度，電壓越大光電流越大；·光敏電阻的伏安特性曲線不彎曲無飽和，但受最大功耗限制。光敏電阻伏安特性?光譜特性·光敏電阻靈敏度與入射波長有關(guān)，不同波長光敏電阻靈敏度不同；·光敏電阻靈敏度與半導(dǎo)體摻雜的材料有關(guān)，不同材料靈敏度不同，例如7材料相對靈敏度峰值位置

5、波長（λ）硫化鎘（CdS）0.3～0.8(μm)硫化鉛（PbS）1.0～3.5(μm)銻化銦（InSb）1.0～7.3(μm)光敏電阻光譜特性?溫度特性溫度變化影響光敏電阻的靈敏度、暗電流和光譜響應(yīng)。光敏電阻溫度特性1.2光電池工作原理光電池（有源器件）光電池工作原理也是基于光生伏特效應(yīng)，是可直接將光能轉(zhuǎn)換成電能的器件。有光線作用時(shí)就是電源，如光電池。廣泛用于宇航電源，另一類用于檢測和自動(dòng)控制等。光電池種類很多，有硒光電池、鍺光電池、硅光電池、砷化鎵、氧化銅等等，其中硒光電池轉(zhuǎn)換效率較高，價(jià)格低廉壽命長，是使用較廣泛的一種光電池；砷化鎵光電池光譜響應(yīng)與

6、太陽光譜吻合，耐高溫，耐宇宙射線，是宇航光電池首選材料。結(jié)構(gòu)原理：光電池實(shí)質(zhì)是一個(gè)大面積PN結(jié)，結(jié)構(gòu)如下圖所示，上電極為柵狀受光電極，柵狀電極下涂有抗反射膜，用以增加透光，減小反射，下電極是一層襯底鋁。當(dāng)光照射PN結(jié)的一個(gè)面時(shí)，電子空穴對迅速擴(kuò)散，在結(jié)電場作用下建立一個(gè)與光照強(qiáng)度有關(guān)的電動(dòng)勢，一般可產(chǎn)生0.2V～0.6V電壓，50mA電流。光照硅光電池的P區(qū)時(shí)，在P區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對，硅光電池表面的光子多，電子-空穴對也越多。在內(nèi)電場的作用下，電子向內(nèi)擴(kuò)散，在復(fù)合前到達(dá)P-N結(jié)過渡區(qū)，內(nèi)電場的作用將這些電子推向N區(qū)。于是光照產(chǎn)生的電子-空穴對中的電子流

7、向N區(qū)；空穴則留在P區(qū)，導(dǎo)致P區(qū)帶正電，N區(qū)帶負(fù)電，形成電位差。7?光電池結(jié)構(gòu)圖光電池工作原理圖光電池符號(hào)·光照特性·開路電壓———光生電動(dòng)勢UOC與照度EV之間關(guān)系稱開路電壓曲線；開路電壓與光照度關(guān)系是非線性關(guān)系，在照度位2000lx下趨于飽和。·短路電流———短路電流ISC與照度EV之間關(guān)系稱短路電流曲線；短路電流是指，外接負(fù)載RL相對內(nèi)阻很小時(shí)的光電流，實(shí)驗(yàn)證明：負(fù)載電阻RL越小，曲線線性越好，線性范圍越寬；RL≈100Ω以下為好。短路電流曲線在很大范圍內(nèi)與光照度成線性關(guān)系，因此光電池作為測量元件使用時(shí)，一般不作電壓源使用，而作為電流源的形式應(yīng)用

8、。光電池光照特性圖光電池光照與負(fù)載的關(guān)系·光譜特性光電池對不同波長的光靈敏度不同，下圖為硅光電