光敏传感器光电特性测量实验

光敏传感器光电特性测量实验

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。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。几乎大多数光电控制应用的传感器都是此类，通常有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等。当然近年来新的光敏器件不断涌现，如：具有高速响应和放大功能的APD雪崩式光电二极管，半导体色敏传感器、光电闸流晶体管、光导摄像管、CCD图像传感器等，为光电传感器进一步的应用开创了新的一页。本实验主要是研究光敏电阻、硅光电池、光敏二极管、光敏三极管四种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、时间响应、频率特性等。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。 【实验目的】

了解硅光电池的基本特性，测出它的伏安特性曲线和光照特性曲线。 仪器简介

仪器由全封闭光通路、实验电路、待测光敏传感器（光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池）、实验连接线等组成。

仪器安装在360×220×80（mm)实验箱内，仪器面板如下图

FD-ST-LS 光敏传感器光电特性实验模块光敏电阻+U光电二极管+U光电三极管硅光电池+-GDU相对照度传感器+R1 2-c++UGT1GD1eR1 1.00KR1 1.00KR1 1.00KR2 100UoUoUo负载改变R1 2GR100按面板电路图指示插好线路，安装好待测光敏传感器就能进行测试实验了。

【实验原理】 1．伏安特性

光敏传感器在一定的入射照度下，器件所加电压与光电流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族伏安特性曲线。它是传感器应用设计时选择电参数的重要依据。某种硅光电池的伏安特性曲线如图所示。

硅光电池的伏安特性曲线

从上图中可以看出，硅光电池在零偏置时，流过PN结的电流I置无光照时，硅光电池的输出电压≠0，只有在硅光电池处于负偏置时，流过PN结的电流

IIpIs（反相饱和电流）=0。才能使硅光电池无光照时的输出电压为零。在一定光照度下硅

光电池的伏安特性呈非线性。

- 1 -

- 钨丝灯+0-24V0发光二极管-+0-24V+0VocIscRx1 10K620商标上海复旦天欣科教仪器有限公司

Ip(反相光电流)，故在零偏

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。某种硅光电池的光照特性如图所示。

硅光电池的光照特性曲线 图中 1： 开路电压 2： 短路电流

从硅光电池的光照特性可以看出，硅光电池的开路电压呈非线性且有饱和现象，硅光电池的 短路电流呈良好的线性，但短路电流在零偏置无光照时不等于零。故以硅光电池作测量元 件应用时，应该利用短路电流与光照度的良好线性关系。所谓短路电流是指外接负载电阻 远小于硅光电池内阻时的电流，一般负载在20以下时，线性较好，且负载越小线性关 系越好，且线性范围宽。 【实验内容及实验数据】

1．硅光电池的特性测试实验电路图：

2. 硅光电池的伏安特性测试实验

(1)按实验模块示意图连接好实验线路，光源用标准钨丝灯，将待测硅光电池装入待测点，连接主机，光源电压+0—24V(可调)，测Isc时将R2短接。测负载特性（伏安特性）时调节可变电阻Rx1100K,利用检测已知电阻R2上的电压间接测试负载电流。

- 2 -

(2)从0 LX开始到200 LX每次在一定的照度下，测出硅光电池的光电流Iph与光电压U0在不同的负载条件下的关系(1 --5000)数据，其中IPh(3)将测出的数据填入表3

表1硅光电池在不同的光照度时，光电流与光电压在不同负载电阻时的关系实测数据 2 LX 4 LX 6 LX 8 LX 10 LX R负/ Iph/mAUO/V Iph/mA UO/V Iph/mA UO/V Iph/mA UO/V Iph/mA UO/V U0。 ＊150为取样电阻 150R负/

12 LX 14 LX 16 LX Iph/mAUO/V Iph/mA UO/V Iph/mA UO/V - 3 -

(4)根据表3数据画出硅光电池的一族伏安曲线。 3. 硅光电池的光照度特性测试实验

(1)实验线路同上，Rx1可变电阻调至零，R2短接。

(2)从2 LX开始到16 LX, 每次在一定的照度下，测出硅光电池的开路电压Uoc和短路电流Isc数据,其中短路电流为IscU0（近似值）。＊150为取样电阻 150(3)将测出的数据填入表4,

表2硅光电池的开路电压与短路电流与照度的关系实测数据

Ec/ LX Uoc/V Uo/V Isc/mA 2 4 6 8 10 12 14 16 (4)根据表2数据画出硅光电池的光照特性曲线。

- 4 -