光电传感器实验指导书

光电传感器技术实验指导太原理工大学物理与光电工程学院太原理工大学测控技术研究所2014年10月21日实验一光敏电阻特性参数及其测量1、光敏电阻伏安特性实验1.1、实验目的通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和伏安特性等基本参数及其测量方法。达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。1.2、实验仪器①GDS-Ⅲ(或Ⅳ)型光电综合实验平台1台；②LED光源1个；③光敏电阻1个；④通用光电器件实验装置2只⑤光电器件支杆2只；⑥连接线20条；⑦示波器探头2条；☆注意事项：LED发光二极管正负极性问题（从侧面观察两条引出线在管体内的形状，较小的是正极），与之对应的通用光电器件实验装置中，白螺钉一端为正极，黑螺钉一端为负极。通用光电器件引线红色为正，黑色为负。1.3、实验原理某些物质吸收了光子的能量后，产生本征吸收或杂质吸收，从而改变了物质电导率的现象称为物质的光电导效应。利用具有光电导效应的材料（如硅、锗等本征半导体与杂质半导体，硫化镉、硒化镉、氧化铅等）可以制成电导(或电阻)随入射光度量变化器件，称为光电导器件或光敏电阻。当光敏电阻受到光的照射时，其材料的电导率发生变化，表现出阻值的变化。光照越强，它的电阻值越低。因此，可以通过一定的电路得到输出信号随光的变化而改变的电压或电流信号。测量信号电压或电流很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）将急剧变化，因此电路中电流将迅速增加。便可获得光敏电阻随光或时间变化的特性，即光敏电阻的特性参数。1.4、实验步骤利用图1实验装置可以测量出光敏电阻的伏安特性，并能够画出其伏安特性曲线。实验过程可以采用如下步骤：下面利用光电综合实验平台提供的硬件资源，模拟示波、模拟伏安特性以及其功能软件，直接对光敏电阻进行伏安特性的测量实验，在计算机界面上直接得到光敏电阻的伏安特性曲线。具体实验步骤如下：a.电路接通无误后将LED与光敏电阻闭合、固定，接通平台电源，进入如平台软件的主界面，在主界面中点击“伏安特性实验”选项。在参数设置框中对伏安特性实验的参数进行设置，主要有两项，分别是采样频率（250Hz）——阶梯波与扫描锯齿波的工作频率，和发出锯齿波的级数选择(4级)。点击示波器进行观测。b.执行“返回”，更换采集方式。返回到主界面后，单击“数据采集”菜单，显示屏将显示出光敏电阻的伏安特性曲线，保存数据。1.5、实验结果及分析测量光敏电阻伏安特性。思考：图1中R2、R3的作用。2、光敏电阻时间响应特性实验2.1、实验目的通过本实验，认识并学习光敏电阻，掌握光敏电阻的基本工作原理，变换电路和它的光照特性和伏安特性等基本参数及其测量方法。达到会用光敏电阻器件进行光电检测方面应用课题的设计。2.2、实验仪器①GDS-Ⅲ(或Ⅳ)型光电综合实验平台1台；②LED光源1个；③光敏电阻1个；④通用光电器件实验装置2只⑤光电器件支杆2只；⑥连接线20条；⑦示波器探头2条；2.3、实验原理(1)弱辐射条件下的时间响应设入射辐射如右图上方的方波所示光脉冲，其辐射通量Φe表示为：光敏电阻的光电导率Δσ和光电流Ie随时间变化的规律为如上图下方所示的输出波形，其变化规律为：式中Δσ0与Ie0分别为弱辐射作用下的光电导率和光电流的稳态值。显然，当tr时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τr时，Δσ=0.63Δσ0，I=0.63Ie0；τr定义为光敏电阻的上升时间常数，即光敏电阻的光电流上升到稳态值IΦe0的63%所需要的时间。停止辐射时，入射辐射通量Φe与时间的关系为：同样，可以推导出停止辐射情况下的光电导率和光电流随时间的变化规律当t=τf时，Δσ0下降到Δσ=0.37Δσ0，Ie0下降到I=0.37Ie0；当tτf时，Δσ0与Ie0均下降到0；可见，在辐射停止后，光敏电阻的光电流下降到稳态值的37%所需要的时间称为光敏电阻的下降时间常数，记为τf。显然，光敏电阻在弱辐射作用下的上升时间常数τr与下降时间常数τf近似相等。（2）强辐射条件下的时间响应如右图所示为较强的辐射通量Φe（图的上方）脉冲作用于光敏电阻时的输出波形（图的下方波形），无论对本征型还是杂质型的光敏电阻，光激发载流子的变化规律由下式表示，其中，设入射辐射为方波脉冲光敏电阻电导率σ的变化规律为：其光电流的变化规律为：显然，当tτ时，Δσ=Δσ0，Ie=Ie0；当t=τ时，Δσ=0.76Δσ0，Ie=0.76Ie0。在强辐射入射时，光敏电阻的光电流上升到稳态值的67%所需要的时间τr定义为强辐射作用下的上升时间常数。当停止辐射时，由于光敏电阻体内的光生电子和光生电荷需要通过复合才能恢复到辐射作用前的稳定状态，而且随着复合的进行，光生载流子数密度在减小，复合几率在下降，所以，停止辐射的过渡过程要远远大于入射辐射的过程。停止辐射时光电导率和光电流的变化规律可表示为：2.4、实验步骤利用图1实验装置可以测量出光敏电阻的时间响应特性，并能够画出其时间响应特性曲线。具体实验步骤如下：a.电路接通无误后将LED与光敏电阻闭合、固定，接通平台电源，进入如平台软件的主界面，在主界面中点击“时间响应实验”选项。然后，再从时间响应实验栏的“采样频率”选项中设置适当的频率，最后，采用两个示波探头CH1与CH2分别接在电阻Re端测量方波输入脉冲和光敏电阻变换电路的输出上，然后点击“采集数据”菜单。“时间相应测量结果的界面”，界面分为两部分，上部显示加在光敏电阻上的输入方波脉冲的波形，其横轴为时间坐标，显示以方波脉冲光作用到光敏电阻上，下部分为光敏电阻变化电路的输出信号，对比上下两部分波形，观测光敏电阻的时间响应特性。b.调节R2，使得方波信号工作在非饱和状态。测量光敏电阻在强（R1=510Ω）、弱（R1=1MΩ）两种辐射作用下时间响应特性。例如，弱辐射的上升时间测量方法为：上升曲线边缘处点击鼠标右键，在上升到稳态50%点击鼠标右键，弱辐射条件下光敏的上升时间为两者差，可从界面右下角处直接读出。2.5、实验结果及分析测量光敏电阻在强、弱两种辐射作用下时间响应特性，并分别计算出对应的上升、下降时间，将结果进行比较。关机与结束①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。实验二光电二极管的特性参数及其测量1、实验目的硅光电二极管是最基本的光生伏特器件，掌握了光电二极管的基本特性参数及其测量方法对学习其他光伏器件十分有利。通过该实验，要熟悉光电二极管的光电灵敏度、时间响应、光谱响应等特性。2、实验仪器①GDS-Ⅲ(或Ⅳ)型光电综合实验平台1台；②LED光源1个；③光电二极管1只；④通用光电器件实验装置3只；⑤光电器件支杆2只；⑥连接线20条；⑦示波器探头2条；☆注意事项：LED与光电二极管的区别以及正负极性问题（从顶端看去，能够看出它们的差异，光电二极管的光敏面积，即显深颜色部分，较大；发光二极管没有）。光电二极管的长引脚为正、短引脚为负。通用光电器件引线红色为正，黑色为负。3、实验原理光电二极管是典型的光生伏特器件，它只有一个PN结。光电二极管的全电流方程为：式中前一项称为扩散电流，也称为暗电流，用Id表示；后一项为光生电流，常用IP表示。显然，扩散电流Id与加在光电二极管上的偏置电压U有关，当U=0时，扩散电流为0。扩散电流Id与偏置电压U的关系为：式中，ID为PN结的反向漏电流，与材料中的杂质浓度有关；q为电子电荷量，k为波尔曼常数，T为环境的绝对温度。显然，上式描述了光电二极管的扩散电流与普通二管没有什么区别。而与入射辐射有关的电流Ip为：式中，h为普朗克常数，α为硅材料的吸收系数，d为光电二极管在光行进方向上的厚度，λ为入射光的波长。显然，对单色辐射来讲，当光电二极管确定后，上述参数均为常数。因此，结论为光电二极管的光电流随入射辐射通量Φe，λ线性变化，式中的负号表明光生电流的方向与扩散电流的方向相反。4、实验内容①光电二极管伏安特性的测量；②光电二极管时间响应特性的测量；（选作）5、实验步骤①光电二极管伏安特性的测量a.将LED、光电二极管接入中通用光电器件实验装置（注意正负极性），按图1搭建电路。电路检查无误后将LED与光电二极管闭合，避免杂散光的影响，打开实验平台开关。b.调出光电综合实验平台的执行软件界面，在界面上先选中“伏安特性实验”。点击界面上的“示波器”，所示的示波器显示界面，选择通道1为红色，通道2为蓝色，再点击“开始”菜单，屏幕上将显示出各通道输入信号的波形。c.调节电路参数，使输出信号波形的每个台阶的高度均有一定的差异，高度尺寸不太小或太大，此时光电二极管的变换电路调得比较合适。点击停止按键，然后在主界面上再点击“数据采集”，保存光电二极管器件的伏安特性曲线图。②光电二极管时间响应特性的测量a.按图2搭建电路，电路检查无误后，进行“时间响应实验”。b.调节电路参数，观测时间响应特性，并保存。6、实验结果及分析①测量光电二极管的伏安特性曲线。②测量光电二极管的时间响应特性曲线。关机与结束①所测的数据及实验结果（包括实验曲线）保存好，分析实验结果的合理性，如不合理，则要重新补作上述实验；若合理，可以进行关机；②先将实验平台的电源关掉，再将所用的配件放回配件箱；③将实验所用仪器收拾好后，请指导教师检查，批准后离开实验室。实验三PSD位置传感器实验1.实验目的通过PSD光电位置传感器的原理实验，掌握光伏器件的横向效应和利用横向效应制造出的光点位置传感器（PSD），并了解有关PSD的应用技术。2.实验仪器①GDS-Ⅲ（或Ⅳ）型光电综合实验平台主机1台；②一维PSD光电位置传感器及其夹持器1件；③点状半导体激光器1只；④二维调整架1只；3.实验内容将装载有点光源的被测物体所发出的圆形光点落入到一维PSD器件上，其两个电极分别输出两路电流，电流强度的和与差值与光点距器件中心位置的距离有关，因此，可用电流强度来度量光点在PSD上的位置，既用电流测出被测物体的位置。4.实验原理如右图所示为PIN型PSD器件的结构示意图，它由3层构成，上面为p型层，中间为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的距离为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与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与I2之和。即：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。5.实验步骤a.搭建实验装置。从实验平台备件箱中取出PSD实验装置，并将其用支持架固定在光电综合实验平台上。固定的时候要求PSD光敏面与光学平台台面平行。然后再将点状半导体激光器（LD光源）装置安装到下面装有二维调整架上，使二维调整架能够沿PSD长度方向微调，构成右图所示的结构。b.将激光器LD电源正极与Vcc连接，负极与50Ω电阻串联后接地。串联电阻的作用为防止电路电流过大烧坏激光器。c.PSD器件搭设。PSD有三个引脚：红、黄、黑，红色引脚接电流表正极，黄色引脚接另一电流表正极，黑色引脚分别接入电流表负极。d.打开试验台开关，调节调整架位置，使激光器的光斑落在PSD的中间位置，分别读出I1与I2的值。然后调节微调器，使光斑沿PSD敏感面移动，边移动边记录电流I1与I2的值，从调整架或微调器上测出位移量△X，观测并记录位移量与电流变化量的关系。6.实验结果及分析画出△X与I1-I2的关系曲线。思考入射光电大小对测量结果的影响。关机与结束①