創(chuàng)新實驗-光電傳感器實驗.doc

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DH-SJ3光電傳感器物理設計性實驗裝置 （實驗指導書） 實 驗 講 義 杭州大華科教儀器研究所 杭州大華儀器制造有限公司 DH-SJ3光電傳感器物理設計性實驗裝置 光敏傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接引起光強度變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等；也可用來檢測能轉換成光量變化的其它非電量，如零件直徑、表面粗糙度、位移、速度、加速度及物體形狀、工作狀態(tài)識別等。光敏傳感器具有非接觸、 響應快、性能可靠等特點，因而在工業(yè)自動控制及智能機器人中得到廣泛應用。 光敏傳感器的物理基礎是光電效應，即光敏材料的電學特性都因受到光的照射而發(fā)生變化。光電效應通常分為外光電效應和內(nèi)光電效應兩大類。外光電效應是指在光照射下，電子逸出物體表面的外發(fā)射的現(xiàn)象，也稱光電發(fā)射效應，基于這種效應的光電器件有光電管、光電倍增管等。內(nèi)光電效應是指入射的光強改變物質(zhì)導電率的物理現(xiàn)象，稱為光電導效應。大多數(shù)光電控制應用的傳感器，如光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池等都是內(nèi)光電效應類傳感器。當然近年來新的光敏器件不斷涌現(xiàn)，如：具有高速響應和放大功能的APD雪崩式光電二極管，半導體光敏傳感器、光電閘流晶體管、光導攝像管、CCD圖像傳感器等，為光電傳感器的應用開創(chuàng)了新的一頁。本實驗主要是研究光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管四種光敏傳感器的基本特性以及光纖傳感器基本特性和光纖通訊基本原理。 一、實驗目的 1、了解光敏電阻的基本特性，測出它的伏安特性曲線和光照特性曲線。 2、了解光敏二極管的基本特性，測出它的伏安特性和光照特性曲線。 3、了解硅光電池的基本特性，測出它的伏安特性曲線和光照特性曲線。 4、了解光敏三極管的基本特性，測出它的伏安特性和光照特性曲線。 5、了解光纖傳感器基本特性和光纖通訊基本原理。 二、光敏傳感器的基本特性及實驗原理 1、伏安特性 光敏傳感器在一定的入射光強照度下，光敏元件的電流I與所加電壓U之間的關系稱為光敏器件的伏安特性。改變照度則可以得到一組伏安特性曲線，它是傳感器應用設計時選擇電參數(shù)的重要依據(jù)。某種光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管的伏安特性曲線如圖1、圖2、圖3、圖4所示。 圖1 光敏電阻的伏安特性曲線 圖2 硅光電池的伏安特性曲線 圖3 光敏二極管的伏安特性曲線 圖4 光敏三極管的伏安特性曲線 從上述四種光敏器件的伏安特性可以看出，光敏電阻類似一個純電阻，其伏安特性線性良好，在一定照度下，電壓越大光電流越大，但必須考慮光敏電阻的最大耗散功率，超過額定電壓和最大電流都可能導致光敏電阻的永久性損壞。光敏二極管的伏安特性和光敏三極管的伏安特性類似，但光敏三極管的光電流比同類型的光敏二極管大好幾十倍，零偏壓時，光敏二極管有光電流輸出，而光敏三極管則無光電流輸出。在一定光照度下硅光電池的伏安特性呈非線性。 2、光照特性 光敏傳感器的光譜靈敏度與入射光強之間的關系稱為光照特性，有時光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強之間的關系也稱為光照特性，它也是光敏傳感器應用設計時選擇參數(shù)的重要依據(jù)之一。某種光敏電阻、硅光電池、光敏二極管、光敏三極管的光照特性如圖5、圖6、圖7、圖8所示。 圖5 光敏電阻的光照特性曲線 圖6 硅光電池的光照特性曲線 圖7 光敏二極管的光照特性曲線 圖8 光敏三極管的光照特性曲線 從上述四種光敏器件的光照特性可以看出光敏電阻、光敏三極管的光照特性呈非線性，一般不適合作線性檢測元件，硅光電池的開路電壓也呈非線性且有飽和現(xiàn)象，但硅光電池的短路電流呈良好的線性，故以硅光電池作測量元件應用時，應該利用短路電流與光照度的良好線性關系。所謂短路電流是指外接負載電阻遠小于硅光電池內(nèi)阻時的電流，一般負載在20Ω以下時，其短路電流與光照度呈良好的線性，且負載越小，線性關系越好、線性范圍越寬。光敏二極管的光照特性亦呈良好線性，而光敏三極管在大電流時有飽和現(xiàn)象，故一般在作線性檢測元件時，可選擇光敏二極管而不能用光敏三極管。 三、實驗儀器 DH-SJ3光電傳感器設計實驗儀由下列部分組成：光敏電阻板、硅光電池板、光敏二極管板、光敏三極管板、紅光發(fā)射管LED3、接受管（包括PHD 101光電二極管和PHT 101光電三極管）、Ф2.2和Ф2光纖、光纖座、測試架、DH-VC3直流恒壓源、九孔板、萬用表、電阻元件盒以及轉接盒等組成。 實驗時，測試架中的光源電源插孔以及傳感器插孔均通過轉接盒與九孔板相連，其它連接都在九孔板中實現(xiàn)；測試架中可以更換傳感器板。 圖9 DH-VC3直流恒壓源面板圖 圖10-1 轉接盒 圖10-2 發(fā)射管 圖10-3 接收管 圖10-4 接收管 圖10-5 電阻盒1kΩ 圖10-6 電阻盒1kΩ 圖10-7 電阻盒470Ω 圖10-8 電阻盒10Ω 圖10-9 電阻盒4.7KΩ 圖10-10 電阻盒47Ω 圖10-11 電容盒1uF 圖10-12 喇叭盒 圖10-13 NPN三極管盒 圖10-14 Ф2.2光纖座 圖10-15 Ф2光纖座 圖10-16 Ф2.2光纖 圖10-17 Ф2光纖座 圖10-18 光敏電阻板 圖10-19 硅光電池板 圖10-20光敏二極管板 圖10-21光敏三極管板 圖10-22 九孔板 圖10 實驗元件圖 圖11 測試架 四、實驗內(nèi)容 實驗中對應的光照強度均為相對光強，可以通過改變點光源電壓或改變點光源到光敏電阻之間的距離來調(diào)節(jié)相對光強。光源電壓的調(diào)節(jié)范圍在0～12V，光源和傳感器之間的距離調(diào)節(jié)有效范圍為:0～200mm，實際距離為50～250mm。 1、光敏電阻特性實驗 1.1、光敏電阻伏安特性測試實驗 （1）按原理圖12接好實驗線路，將光源用的標準鎢絲燈和光敏電阻板置測試架中，電阻盒以及轉接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。 （2）通過改變光源電壓或調(diào)節(jié)光源到光敏電阻之間的距離以提供一定的光強，每次在一定的光照條件下，測出加在光敏電阻上電壓U為+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V時5個光電流數(shù)據(jù)，即,同時算出此時光敏電阻的阻值。以后逐步調(diào)大相對光強重復上述實驗，進行5～6次不同光強實驗數(shù)據(jù)測量。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組伏安特性曲線。 圖12 光敏電阻伏安特性測試電路 1.2、光敏電阻的光照特性測試實驗 （1）按原理圖12接好實驗線路，將光源用標準鎢絲燈和檢測用光敏電阻置測試架中，電阻盒以及轉接盒插在九孔板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供。 （2）從U=0開始到U =12V，每次在一定的外加電壓下測出光敏電阻在相對 光照強度從“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，即：，同時算出此 時光敏電阻的阻值，即：。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組光照特性曲線。 2、硅光電池的特性實驗 2.1、硅光電池的伏安特性實驗 （1）將硅光電池板置測試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，RX接到暗箱邊的插孔中以便于同外部電阻箱相連。按圖13連接好實驗線路，開關K指向“1”時，電壓表測量開路電壓Uoc，開關指向“2”時，RX短路，電壓表測量R電壓UR。光源用鎢絲燈，光源電壓0～12V（可調(diào)），串接好電阻箱（0～10000Ω可調(diào)）。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測出硅光電池的光電流Iph與光電壓USC在不同的負載條件下的關系（0～10000Ω）數(shù)據(jù)，其中。(10.00為取樣電阻R），以后逐步調(diào)大相對光強（5～6次），重復上述實驗。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的一組伏安特性曲線。 圖13 硅光電池特性測試電路 2.2、硅光電池的光照度特性實驗 （1）實驗線路見圖13，電阻箱調(diào)到0Ω。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測出硅光電池的開路電壓Uoc和短路電流IS，其中短路電流為（取樣電阻R為10.00Ω），以后逐步調(diào)大相對光強（5～6次），重復上述實驗。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線。 3、光敏二極管的特性實驗 3.1、光敏二極管伏安特性實驗 圖14 光敏二極管特性測試電路 （1）按原理圖14接好實驗線路，將光電二極管板置測試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強為“弱光”位置，每次在一定的照度下，測出加在光敏二極管上的反偏電壓與產(chǎn)生的光電流的關系數(shù)據(jù)，其中光電流：(l.00KΩ為取樣電阻R），以后逐步調(diào)大相對光強（5～6次），重復上述實驗。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一組伏安特性曲線。 3.2、光敏二極管的光照度特性實驗 （1）按原理圖14接好實驗線路。 （2）反偏壓從U=0開始到U=+l2V，每次在一定的反偏電壓下測出光敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流數(shù)據(jù)，其中光電流 (l.00KΩ為取樣電阻R）。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的一組光照特性曲線。 4、光敏三極管特性實驗 4.1、光敏三極管的伏安特性實驗 圖15 光敏三極管特性測試實驗 （1）按原理圖15接好實驗線路，將光敏三極管板置測試架中、電阻盒置于九孔插板中，電源由DH-VC3直流恒壓源提供，光源電壓0～12V（可調(diào)）。 （2）先將可調(diào)光源調(diào)至相對光強為“弱光”位置，每次在一定光照條件下，測出加在光敏三極管的偏置電壓UCE與產(chǎn)生的光電流IC的關系數(shù)據(jù)。其中光電流(l.00KΩ為取樣電阻R）。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的一組伏安特性曲線。 4.2、光敏三極管的光照度特性實驗 （1）實驗線路如圖15所示。 （2）偏置電壓UC：從0開始到+12V，每次在一定的偏置電壓下測出光敏三極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強的光電流IC的數(shù)據(jù)，其中光電流 (l.00KΩ為取樣電阻R)。 （3）根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏三極管的一組光照特性曲線。 5、光纖傳感器原理及其應用 5.1、光纖傳感器基本特性研究 圖16和圖17分別是用光電三極管和光電二極管構成的光纖傳感器原理圖。圖中LED3為紅光發(fā)射管，提供光纖光源；光通過光纖傳輸后由光電三極管或光電二極管接受。LED3、PHT 101、PHD 101上面的插座用于插光纖座和光纖。 ①通過改變紅光發(fā)射管供電電流的大小來改變光強，分別測量通過光纖傳輸后，光電三極管和光電二極管上產(chǎn)生的光電流，得出它們之間的函數(shù)關系。注意：流過紅光發(fā)射管LED3的最大電流不要超過40mA；光電三極管的最大集電極電流為20mA，功耗最大為：75mW/25℃。 ②紅光發(fā)射管供電電流的大小不變，即光強不變，通過改變光纖的長短來測量產(chǎn)生的光電流的大小與光纖長短之間的函數(shù)。 圖16 光纖傳感器之光電三極管 圖17 光纖傳感器之光電二極管 5.2、光纖通訊的基本原理 實驗時按圖17進行接線，把波形發(fā)生器設定為正弦波輸出，幅度調(diào)到合適值，示波器將會有波形輸出；改變正弦波的幅度和頻率，接受的波形也將隨之改 變，并且喇叭盒也發(fā)出頻率和響度不一樣的單頻聲音。注意：流過LED3的最高峰值電流為180mA/1kHz。 圖18 光纖通訊的基本應用的原理圖 圖中：①為波形發(fā)生器，②為喇叭，③為示波器 圖19 光纖通訊的基本應用接線圖 說明：實際實驗的過程中用喇叭盒代替耳機聽筒，光電三極管PHT 101也可以換成光電二極管PHD 101來做實驗。 五、思考題 1、驗證光照強度與距離的平方成反比（把實驗裝置近似為點光源）。 2、當光敏電阻所受光強發(fā)生改變時，光電流要經(jīng)過一段時間才能達到穩(wěn)態(tài)值，光照突然消失時，光電流也不立刻為零，這說明光敏電阻有延時特性。試研究這一特性。 3、什么叫光敏電阻的光譜特性以及頻率特性？如何研究？ 附圖：做實驗時，需要更換各種光電傳感器，此時只需擰開測試架，換上對應的傳感器板即可，安裝圖如下： 圖20 光電傳感器更換示意圖 　　　　 杭州大華儀器制造有限公司 地址：浙江省富陽市東山路23號 　　　 電話：0571-63373802 63373832 　 傳真：0571-63310833 　 郵編：311400 　 網(wǎng)址：WWW.HZDH.COM