光电探测实验指导书Word文档格式.docx
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图(2)光敏电阻伏安特性曲线
光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系,称为光敏电阻传感器的光照特性,不同类型的光敏电阻,其光照特性也不同,多数光敏电阻传感器光照特性类似于图(3)的特性曲线,光敏电阻的光照特性呈现出一定程度的非线性特性,光敏电阻的光照度——电阻值的典型特性曲线如图(4)所示,低照度a区曲线斜率较大,中间照度区b区可近似视为直线区,也是光敏电阻的主要工作区,因而光电流随光照度增长较快,在高照度区,电阻值随照度下降慢,光电流随照度增长也变慢。
图(3)光敏电阻光照特性曲线图(4)光敏电阻照度—电阻特性曲线
几种常用光敏电阻的光谱特性曲线如图(5)所示,对于不同波长的光,光敏电阻的灵敏度是不同的。
从图中可以看出,硫化镉的峰值在可见光区域,而硫化铅的峰值在红外区域。
因此,在选用光敏电阻时应当把元件和光源的种类结合起来考虑,才能获得满意的结果。
图(5)光敏电阻光谱特性曲线
当光敏电阻元件温度升高时,光敏电阻的阻值会下降,并且暗电阻比亮电阻下降更多。
环境温度对低照度时电阻值的影响比在高照度时影响更大,因此,当环境温度升高时,光敏电阻的亮电阻与暗电阻之差值会减小,这意味着光敏电阻的光电流会有所降低,图(6)示出了CdS光敏电阻在光照度一定时光电流与环境温度的关系曲线,可以看出环境温度上升时CdS光敏电阻的光电流会有所下降。
图(6)光敏电阻温度特性曲线
三.实验所需部件:
直流稳压电源、光敏电阻、负载电阻(选配单元)、数字电压/频率表、各种光源、遮光罩、固体激光器、光照度计(自备或选配)
四.实验步骤:
1.测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻并计算光电阻,观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R暗,移开遮光罩,在环境光照下测得的光敏电阻的电阻值为亮电阻R亮,暗电阻R暗与亮电阻R亮之差为光电阻R光,光电阻越大,则光敏电阻灵敏度越高。
然后在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻,试作性能比较分析。
图(7)发光管连接电路 图(8)光敏电阻测量电路
2.测试光敏电阻的暗电流、亮电流、光电流,按照图(8)接线,分别在暗光及环境光照射下测出输出电压U暗和U亮,电流I暗=U暗/R,亮电流I亮=U亮/R,亮电流I亮与暗电流I暗之差称为光电流I光,光电流越大则灵敏度越高。
3.光敏电阻的伏安特性测试,按照图(8)接线,电源可从直流稳压电源±
2~±
12V间选用,每次在一定的光照条件下,测出当加在光敏电阻上电压为+2V、+4V、+6V、+8V、+10V、+12V时电阻R两端的电压U,和电流I,同时计算出此时光敏电阻的阻值,并填入以下表格,根据实验数据画出光敏电阻的伏安特性曲线。
光敏电阻伏安特性测试数据表(暗光)
工作电压
2V
4V
6V
8V
10V
12V
U(V)
I(mA)
R光(Ω)
光敏电阻伏安特性测试数据表(正常环境光照)
光敏电阻伏安特性测试数据表(有光源照射)
4.光敏电阻的光照特性测试,按照图(8)接好实验线路,负载电阻R选定1K,光源用高亮度卤钨灯(实验者可仔细调节光源控制旋钮,得到不同的光源亮度),从电源电压UCC=2V开始到UCC=12V,每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光照度从“弱光”到逐步增强的电流数据,即:
,同时求出此时光敏电阻的阻值,即:
。
这里要求尽量多测试(不少于15个)在不同照度下的电流数据,尤其要在弱光位置选择较多的数据点,以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。
光敏电阻光照特性测试数据表(电压:
)
照度
UR(伏)
光电流
根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。
5.光敏电阻的光谱特性测试,不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性,见图(5),当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上,光敏电阻就有不同的灵敏度。
照图(8)接线,其工作电源可选用直流稳压电源的负电源,用高亮度LED(红、黄、绿、蓝、白)作为光源,发光电源可选用直流稳压电源的正电源。
发光管的接线可参照图(7)。
限流电阻用选配单元上的1K~100K档电位器,首先应置电位器阻值为最大,开启电源后缓慢调小阻值,使发光管逐步发光并至最亮,当发光管达到最高亮度时不应再改变限流电阻阻值,依次将各发光管接入光电器件模板上的发光管插座。
发光管与光敏电阻顶端可用附件中的黑色软管连接(透镜对透镜),分别测出光敏电阻在各种光源照射下的光电流,再用固体激光器作为光源,测得光电流,将测得的数据记入下表,据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线:
光源
激光
红
黄
绿
蓝
白
光电阻I
光电阻II
6.光敏电阻的温度特性测试,光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。
请按图(8)测试电路,分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温,电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。
五.注意事项:
1.实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率PMAX,PMAX=LU
2.光源照射时灯胆及灯杯温度均很高,请勿用手触摸,以免烫伤。
3.实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED在不发光时均为透明材料封装,查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。
用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。
实验二光敏电阻的应用-----暗灯控制
1.了解光敏电阻的应用。
二.实验原理:
本实验为一种当有光照射时切断电路,无光照射时接通电路的暗通型光电控制器电路,当光照消失(无光照)时,光敏电阻CdS的阻值增大,处理电路中的晶体管T基极电压升高,T导通,集电极负载LED流过的电流增大,LED发光管发光。
光敏电阻、光敏灯控、发光二极管、数字电压/频率表
1.按照仪器面板所示,将光敏电阻对应接入“光敏灯控”单元的“光敏入”,“发光管”端口与“发光二极管Ⅰ”相接,输出端Vo接数字电压/频率表20V档。
2.确认无误后,开启仪器电源,调节“暗光控制”电位器,使在实验室光照环境下发光管不亮。
3.然后改变光照条件,分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏电阻的光照,当光照变暗到一定程度时发光管变亮,这就是日常所用的暗光街灯控制电路的原理。
4.根据暗通电路原理,试设计一个亮通控制电路。
实验三光敏管的应用——光控电路
1.了解光敏管在控制电路中的具体应用。
本实验为一种当无光照射时切断电路,有光照射时接通电路的亮通型光电控制器电路,当有光照射时,光电三极管导通,处理电路中的晶体管T基极电压升高,T导通,集电极负载LED流过的电流增大,LED发光管发光。
三.实验所需部件:
光敏二极管、光敏三极管、光敏三极管光控电路、高亮度卤素光源、数字电压/频率表、实验选配单元。
四.实验步骤:
1.按照仪器面板所示,将光敏二极管对应接入“光敏三极管光控电路”单元的“传感器入”,“发光管”端口与“发光二极管Ⅰ”相接,输出端Vo接数字电压/频率表20V档。
2.确认无误后,开启仪器电源,调节“增益”电位器,使其在光源的照射下发光管发光。
3.然后改变光照条件,分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏二极管的光照,当光照变暗到一定程度时发光管变亮,这就是日常所用的亮通控制电路的原理。
4.将光敏二极管换为光敏三极管进行上面的实验步骤,比较实验结果。
4.根据暗通电路原理,试设计一个暗通控制电路。
五.注意事项:
1.光敏管接入时极性要正确。
实验四光敏三极管特性实验
一.实验目的;
1.熟悉光敏三极管的结构和工作原理。
2.了解光敏三极管的特性,当工作偏压一定时,光敏三极管输出光电流与入射光照度的关系。
光敏三极管与反向偏压的光敏二极管的工作原理是类似的,但是器件中有两个PN结,以便利用一般晶体管得作用得到电流增益。
因而,有的文献又称光敏三极管为光电孪生二极管或具有两个PN结的光敏二极管。
由于具有比光敏二极管高得多的响应度,工作时对电源的要求又不苛刻,所以,它是目前我国应用最广泛的一种半导体器件。
光敏三极管可以用元素半导体制得,也可用化合物半导体制得,本仪器用的是一种用平面工艺制造的硅NPN型光敏三极管,只有E、C两个引出端子,
光敏三极管的暗电流就是无光照射时集电极——发射极间的漏电流,在基极开放状态下使用时,光敏三极管的暗电流就是在Vce作用下的集电极——发射极的反向饱和电流Iceo=Icbo·
hFE,光敏三极管的暗电流也比光敏二极管增大了hFE倍,光敏三极管伏安特性曲线如图(15)所示。
设Ip为集电极——基极间构成的等效光敏二极管Dj的光生电流;
Ic为光敏三极管的响应输出电流(集电极电流);
hEF为光敏三极管的直流放大倍数;
则光敏三极管的响应输出电流为:
Ic=Ip·
hFE,光敏三极管的灵敏度比光敏二极管提高了hEF倍光敏三极管的输出电流Ic与光电流Ip保持线性关系;
这亦代表了输出电流Ic与入射光量之间,基本保持线性关系,如图(16)光照特性曲线所示。
图(15)图(16)
硅光电三极管的相对光谱特性曲线如图(17)所示,光电三极管的光谱灵敏度特性与光电二极管相似,在可见光区和近红外光区都有较好的响应,光电三极管的光谱响应特性主要取决于构成光敏器件的半导体材料的光谱响应特性;
只是在光谱响应的增益值方面,受光电管hFE个体差异的影响而有较大的个体差异,这一点与光电二极管有所不同。
图(17)图(18)
光敏三极管的相对光响应灵敏度与温度的特性曲线如图(18)所示,环境温度T对光电三极管的灵敏度有很大影响,由于光电三极管的hFE受环境温度的影响较大,所以光电三极管的灵敏度也会随环境温度变化而变化,温度特性方面光电三极管与光电二极管有很大不同。
光敏三极管、直流稳压电源、各类光源、数字电压/频率表(自备41/2位表)、微安表(或自备42/1位万用表200mA档)、负载电阻(实验选配单元)、照度计(用户选配)
四.实验步骤
图(19)
1.判断光敏三极管C、E极性:
方法是用万用表20K电阻测试档,黑表棒接发射极,红表棒接集电极,无光照时显示∞,光照增强时电阻迅速减小至1-2K欧姆;
若将红表棒接发射极,黑表棒接集电极,则不论光照变化与否万用表始终显示∞。
2.光敏三极管的伏安特性测试,按图(19)连接好实验线路,光源选用高亮度卤素灯,负载电阻选用1K欧姆。
3.分别调节光照至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。
每次在该光照条件下,测出加在光敏三极管的偏置电压UCE与产生的光电流IC的关系数据。
其中光电流为
(1KΩ为取样电阻),然后选用另两种照度后重复上述实验。
光敏三极管伏安特性测试数据表(照度:
弱)
电压(伏)
2
4
6
8
10
12
电阻(欧姆)
中)
强)
根据实验数据画出光敏三极管的伏安特性曲线。
4.光敏三极管的光照度特性测试,实验线路如图(19)所示。
光源选用高亮度卤素灯,由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度,每选一种照度选择3种反向偏压测试记录,测出光敏三极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据,其中
(1K
为取样电阻),记录下表
光敏三极管光照特性测试数据表(电压:
光敏二极管光照特性测试数据表(电压:
根据实验数据画出光敏三极管的光照特性曲线。
5.光敏三极管的光谱特性测试,不同的半导体材料制成的光敏三极管有着不同的光谱特性,见图(17),当不同波长的入射光照到光敏三极管的光敏面上,光敏三极管就有不同的灵敏度。
照图(19)接线,其工作电源可选用直流稳压电源的负电源,用高亮度LED(红、黄、绿、蓝、白)作为光源,发光电源可选用直流稳压电源的正电源。
发光管与光敏三极管顶端可用附件中的黑色软管连接(透镜对透镜),分别测出光敏三极管在各种光源照射下的光电流,再用固体激光器作为光源,测得光电流,将测得的数据记入下表,据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线:
光电流I
光电流II
6.光敏三极管的温度特性测试,光敏三极管与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升高电阻值增大,灵敏度下降。
请按图(19)测试电路,分别测出常温下和加温(可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温,电烙铁切不可直接接触器件)后的伏安特性曲线。
五.思考题:
1.光敏三极管工作的原理与半导体三极管相似,为什么光敏三极管有两根引出电极就可以正常工作?
实验五光电池的应用——光强计
1.了解硅光电池的基本应用。
由光电池将待测的光信号转换为电信号,将电信号通过处理系统进行放大、滤波、细分,并从这些信号中提取信息。
然后将此类信息转化为所需要的格式,最后输送到显示器中。
光电池、光强测试单元、数字电压表
1.按照仪器面板所示,将“光电池”接入“光强测试单元”的“光电池入”两端,输出Vo接数字电压表。
2.确认接线无误后,开启仪器电源,光电池在无光照时,电压输出基本为零。
3.选用高亮度卤素灯,按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度,查看光电池在相对光照度为“弱光”到逐步增强的电压输出情况。
观察两个发光二极管不亮、稍亮、两个都很亮,这样就形成了一个简易的光强计。
4.更换另外一支光电池,重复上面的操作。
1.如何将此电路改造成可更细分光照强度的光强计?
实验六光纤位移传感器——转速测量
1.了解光纤传感器转速测量的应用。
当光纤探头与反射面的相对位置发生周期性变化;
光电变换器输出电量也发生相应的变化,经V/F电路变换,成方波频率信号输出。
光纤传感器、光电变换组件、光纤变换电路、测速电机、数字电压/频率表、示波器
1.将光纤传感器、光电变换组件与光纤变换电路相连接,光纤变换电路的输出端Vo接入“光电耦合器单元”的“整形入”端,光纤变换电路的Fo输出端接数字频率表2KHz档。
2.根据实验十一的结果,将光纤探头安装在距电机反射叶片最佳工作点处。
确认无误后,开启仪器电源。
3.开启转速电机,调节转速,用示波器观察Vo端输出电压波形和经过整形的Fo端输出方波的波形,如Fo端无输出则可能是Vo端输出电压过高,可适当降低放大增益,直至FO端有方波输出为止。
4.用示波器或频率表读出电机的转速。
5.示波器探头接于光电变换器VO端,增益置最大,根据实验十一的结果,探头安装在距反射叶片的最佳工作点处。
开启电源与旋转电机,调节示波器,以能稳定地观察输出波形为好。
读出相邻输出波形峰值之差,根据位移测试标定结果,判断旋转电机叶片的抖动情况,得出电机转动是否平稳的结论。
1.电机转速=Fo端方波频率除以2(每周两个方波信号)
2.电机叶片转动时VO输出电压峰值之差是比较小的,观察时可提高示波器的灵敏的,而且要特别注意背景光的影响。
实验七PSD光电位置传感器——位移测量
1.了解PSD光电位置传感器的结构。
2.掌握PSD光电位置传感器的工作原理。
二.实验原理:
光电位置敏感器件(PSD)是基于光伏器件的横向效应的器件,是一种对入射到光敏面上的光电位置敏感的光电器件。
因此,称其为光电位置敏感器件(PositionSensitiveDetector,简称为PSD),如图(33)所示为PIN型PSD器件的结构示意图,它由三层构成,上面为P型层,中间位I型层,下面为N型层。
在上面的P型层上设置有两个电极,两电极间的P型层除具有接受入射光的功能外还具有横向分布电阻的特性。
即P型层不但为光敏层,而且还是一个均匀的电阻层。
当光束入射到PSD器件光敏层上距中心点得距离为xA时,在入射位置上产生与入射辐射成正比的信号电荷,此电荷形成的光电流通过电阻P型层分别由电极1和2输出,设P型层的电阻是均匀的,两电极间的距离为2L,流过两电极的电流分别为I1和I2,则流过N型层上电极的电流I0为I1和I2之和,即I0=I1+I2。
若以PSD器件的几何中心点O为原点,光斑中心距原点O的距离为xA,则
利用上式即可测出光斑能量中心对于器件中心的位置xA,它只与电流I1和I2的和、差及其比值有关,而与总电流无关。
图(33)图(34)
PSD器件已被广泛地应用于激光自准直、光点位移量和振动的测量、平板平行度的检测和二维位置测量等领域。
目前,PSD器件已有一维和二维两种PSD器件。
本仪器用的是一维PSD器件,主要用来测量光斑在一维方向上的位置或移动量的装置,图(34)为一维PSD器件的原理图,其中①和②为信号电极,③为公共电极。
它的光敏面为细长的矩形条。
图(35)为其等效电路,它由电流源Ip、理想二极管VD、结电容Cj、横向分布电阻RD和并联电阻Rsh组成,
PSD器件属于特种光伏器件,它的基本特性与一般硅光伏器件基本相同,如光谱响应、时间响应和温度响应等与前面讲述的PN结光伏器件相同。
作为位置传感器PSD有其独特特性,即位置检测特性,PSD的位置检测特性近似于直线,图(36)所示为一维PSD位置检测误差特性曲线,由曲线可知,越接近中心位置测量误差越小,因此,利用PSD来检测光斑位置时,尽量使光点靠近器件中心。
图(35)图(36)
三.实验所需器件:
PSD组件(器件已装在基座上)、固体激光器、反射体、PSD光电位置单元、数字电压表
1.通过PSD基座上端圆孔观察PSD器件及在基座上的安装位置,PSD光电位置传感器的“I1”和“I2”两端对应接入PSD光电位置单元的“I1”和“I2”两输入端,输出端Vo接数字电压表20V档。
2.确认接线无误后,开启仪器电源,此时因无光源照射,PSD器件前端的聚焦透镜也无光照射而形成的光点照射在PSD器件上,Vo输出的为环境光的噪声电压,试用一块遮光片将观察圆孔盖上,观察光
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