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文档收集自网络，仅用于个人学习一、 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，记录光强变化对应接收电压变化的数据结果文档收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XX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一空穴对，这时电子移向正极，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文档收集自网络，仅用于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文档收集自网络，仅用干个人学习半导体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EO>Eg时，电阻值随光强增加而降低;•光照停止时，自由电子与空穴复合，电阻恢复原值光敏电阻主要参数：• 暗电阻一一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 材料相对灵敏度峰值位置波长（入）硫化镉（CdS） 0.3〜0.8（p m） 硫化铅（PbS） 1.0〜3.5（p m）锑化铟（InSb） 1.0〜7.3（|J m）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文当收集自网光电池种类很多，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 与太阳光谱吻合，耐高温，耐宇宙射线，是宇航光电池首选材料文档收集自网络，仅用干个人学结构原理：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。
文档S19 2illi1 ~ r++ 1P計11—* MI—! 1 S3—R 电流表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=iooq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文档收集自网络，1OOEv/1k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，下图为硅光电池和硒光电池的光谱特性曲线由图可见，不同材料的光电池，光谱响应的最大灵敏度峰值所对应的入射波长不同，硅光电池的光谱响应峰值在0.8p m附近，波长范围0.4〜1.2p m,硒光电池光谱响应峰值在0.5p m附 近，波长范围0.38〜0.75p m硅光电池可以在很宽的波长范围内应用文档收集自网络，仅用00. 4 0. 8 1.2 1.6 1.8o o o o OO 8 6 4 2 --稲对灵敏度篩01.5 -3.0 4.5 6.0f/KHz7 ;o o o o OO 0 6 4 2 --相对光电疣%光电池光谱特性图硅、频率特性硒光电池的频率特性频率特性指光电池相对输出电流与光的调制频率之间关系。
从上图中得知，硅、硒光电池的 频率特性不同，硅光电池有较好的频率响应，硒光电池较差在一些测量系统中，光电池作 为接受器件，测量调制光（明暗变化）的输入信号，所以高速计数器的转换一般采用硅光电 池作为传感器元件文档收集自网络，仅用于个人学习电路连接•光电池作为控制元件时通常接非线性负载（晶体管）锗管发射结导通电压降为0.2V〜0.3V，硅光电池开路电压可达0.5V，可直接将光电池 接入基极，控制晶体管工作光照度变化时，引起基极电流IB变化，集电极电流（IC=B IB） 发生B倍的变化电流ic与光照近似线性关系文档收集自网络，仅用于个人学习硅管的发射结导通电压为0.6V〜0.7，这时光电池的0.5V电压无法起到控制作用，可 以将两个光电池串联后接入基极，或者用偏压电阻和二极管产生附加电压文档收集白网络，仅•光电池作为电源使用时，根据使用要求进行连接 需要高电压时应将光电池串联使用；需要大电流时应将光电池并联使用Ic Ic光电池电路连接2. 实验目的和任务了解光敏电阻、光电池的工作原理和应用，认识光敏元器件；设计、联接和调试电路; 测量、记录实验数据根据具体给出的器件设计一光照强度显示电路，当光敏元件受到一定 强度光照时，显示器给出对应的数据，获得光照强度与光电元件输出信号的对应关系曲线。
3. 实验步骤（1） 根据给出的器件设计电路，在面包板上插接电路2） 用直流稳压电源（用实验台电源）接通电路板（5V）,对插接电路进行调试，观察 光照时的电路状态调节激光二极管的输入电源电压，用仪表测量光照度3） 测量光照度不同时光敏电阻的阻值变化，光电池的输出电压4） 变化光照度，测出测量电路输出电压⑸ 针对测量电路输出电压，测出放大电路的输出电压值；调节放大电路的相关电阻，再测放大电路的输出电压值，直至在显示范围内文档收集自网络，仅用于个人学习（6） 编写实验报告，内容包括：目的、任务；实验框图及电路设计；调试过程遇到的问题及解决的方法；测量数据的记录（激光二极管输入电压，激光二极管光照度值、 光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电池开路电压、测量电路、调理电路输入输出电压, 对应电阻参数）4•实验器件：光敏电阻cds （硫化镉）一只；光电池一只；激光二极管一只， 面包板一块、传感器实验台一台5•激光发射、接收电路（参考电路）+5V+血1 k Ohm2 kOhmLM358[R]/1〔kOh1>1+5V+Vcc激光管驱动电路光敏电阻三、1CUTGND+5V+火匚10 kOhm2 kOhmVvV去显乔电路VvV10 kOhm光敏电阻式光接收电路10 k OhmVvV=光电池LM358去显不电路光电池式光敏接收电路PIN CONMECTIONS(1)(2)(3)(4)内容4 . . , , b'jC LM358引脚图2OUT2IN-2IN +Output A [7 叵 叵Inputs A 激光二极管光端电压与光敏电阻接收电路输出电压的关系；寸 发光二极管端电压与光敏电阻接收电路输出电压的关系；，"耳 对测试值结果的分析。
■:Top View；可VccLI Output BEn.Inputs B。