光电特性传感器实验台

2021年11月20日 1点热度 0条评论 来源: 上海求育

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,大多数光电控制应用的传感器,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池等都属于内光电效应类传感器。
光照在照在光电材料上,材料表面的电子吸收的能量,若电子吸收的能量足够大,电子会克服束缚逸出表面,从而改变光电子材料的导电性,这种现象成为外光电效应。
根据爱因斯坦的光电子效应,光子是运动着的粒子流,每种光子的能量为hv(v为光波频率,h为普朗克常数),由此可见不同频率的光子具有不同的能量,光波频率越高,光子能量越大。假设光子的全部能量交给光子,电子能量将会增加,增加的能量一部分用于克服正离子的束缚,另一部分转换成电子能量。
内光电效应
当光照射到半导体表面时,由于半导体中的电子吸收了光子的能量,使电子从半导体表面逸出至周围空间的现象叫外光电效应。利用这种现象可以制成阴极射线管、光电倍增管和摄像管的光阴极等。半导体材料的价带与导带间有一个带隙,其能量间隔为Eg。一般情况下,价带中的电子不会自发地跃迁到导带,所以半导体材料的导电性远不如导体。但如果通过某种方式给价带中的电子提供能量,就可以将其激发到导带中,形成载流子,增加导电性。光照就是一种激励方式。当入射光的能量hν≥Eg( Eg为带隙间隔)时,价带中的电子就会吸收光子的能量,跃迁到导带,而在价带中留下一个空穴,形成一对可以导电的电子——空穴对。这里的电子并未逸出形成光电子,但显然存在着由于光照而产生的电效应。因此,这种光电效应就是一种内光电效应。从理论和实验结果分析,要使价带中的电子跃迁到导带,也存在一个入射光的极限能量,即Eλ=hν0=Eg,其中ν0是低频限(即极限频率ν0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即λ0=hcEg。入射光的频率大于ν0或波长小于λ0时,才会发生电子的带间跃迁。当入射光能量较小,不能使电子由价带跃迁到导带时,有可能使电子吸收光能后,在一个能带内的亚能级结构间跃迁。
光敏电阻
光敏电阻又称光导管,常用的制作材料为硫化镉,另外还有硒、硫化铝、硫化铅和硫化铋等材料。这些制作材料具有在特定波长的光照射下,其阻值迅速减小的特性。这是由于光照产生的载流子都参与导电,在外加电场的作用下作漂移运动,电子奔向电源的正极,空穴奔向电源的负极,从而使光敏电阻器的阻值迅速下降。
光敏二极管
光敏二极管也叫光电二极管。光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的,其管芯是一个具有光敏特征的PN结,具有单向导电性,因此工作时需加上反向电压。无光照时,有很小的饱和反向漏电流,即暗电流,此时光敏二极管截止。当受到光照时,饱和反向漏电流大大增加,形成光电流,它随入射光强度的变化而变化。当光线照射PN结时,可以使PN结中产生电子一空穴对,使少数载流子的密度增加。这些载流子在反向电压下漂移,使反向电流增加。因此可以利用光照强弱来改变电路中的电流。
光敏三极管
光敏三极管和普通三极管相似,也有电流放大作用,只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制,同时也受光辐射的控制。 通常基极不引出,但一些光敏三极管的基极有引出,用于温度补偿和附加控制等作用。当具有光敏特性的PN 结受到光辐射时,形成光电流,由此产生的光生电流由基极进入发射极,从而在集电极回路中得到一个放大了相当于β倍的信号电流。不同材料制成的光敏三极管具有不同的光谱特性,与光敏二极管相比,具有很大的光电流放大作用,即很高的灵敏度。
光电传感器的应用
光敏电阻可用于进行光的测量和光的控制,测量方面主要是用于测量光强,控制方面最常见的就是路灯控制和楼道感应灯的控制,在电路接通的状态下,路灯会随着周围光强的变化而变化,楼道中的灯白天不亮晚上亮也利用了光敏电阻的对光的感应特点。光敏电阻还被应用于海上导航,通常海上的浮标用的就是光敏电阻作为航道灯的开关,到晚上光敏电阻阻值变小,接通控制电路,将灯打开;白天光敏电阻增大将控制电路断开,关掉电灯。
光敏管大体有开关作用,环境光检测作用,各种光线接收作用。在太阳能自动跟踪控制中,做光电检测用,接受太阳光,校正方位。光敏二级管被应用于收音机、电视、电脑等设备中,比如用LED发光二极光替代液晶显示器背后的光源,能达到节能且稳定的作用。光敏三极管可用来控制开关的状态,其主要原因是三极管对光照强度十分敏感,可以根据根据光照强弱来控制电流大小,从而在继电器的配合下控制开关的通断状态,实现自动化控制。由于光敏管对光的敏感性很高,还可用于测量温度,因为不同温度的物体辐射的光不同,以此可以间接测量温度。此外,光敏三极管还可用于传输信号,如光藕合器,光耦合器亦称光电隔离器,简称光耦,光耦合器以光为媒介传输电信号,它对输入、输出电信号有良好的隔离作用,所以,它在各种电路中得到广泛的应用。另外,红光光敏管可用于测量红外线,这一点可用来做夜视仪
硅光电池在日常生活中也是十分常见的,因为它能将光能转变为电能,像一些太阳能发电板和太阳能电池中就有硅光电池,被广泛用于卫星、太阳能发电、太阳能热水器以及手机等。
光电传感器的用途很多很广,还有一些等待我们去发现。比如我们经常抱怨阳光下看不清手机和电脑,我们可以利用光敏器件来改变手机和电脑的屏幕亮度,从而更能看清楚,。还有我们的空调,可以通过检测红外线自动调至人的舒适温度,当温度过低或过高就开启调节装置,若在人体舒适范围左右则可关闭调节装置,从而节省能源。我们还可以穿一件有硅光电池板的衣服,衣服内有温度调节装置,由硅光电池提供能源,调节温度。

QY-GD01光电特性综合实验台是集光、机、电于一体的多功能实验系统。可进行光通讯、信息控制、光电检测中所用的信号源、光电探测器等各类器件原理、特性、性能参数的实验,还可进行光的传输,光电传感器的应用,光强分析,莫尔条纹计数等一系列光电实验。系统采用全自动单色仪来实现光电器件光谱特性的连续测量,实验结果直接在电脑上用图形显示;用CCD摄像法实现莫尔条纹的自动计数测微;用CCD摄像法将单缝衍射图像采集处理后可实现衍射光强的二维和三维分布显示。系统采用模块组合的方式,不同的专业可以有不同的菜单。系统提供了开放的电路和光路,为学生更好的理解与掌握原理、正确使用光电器件奠定了基础,让学生通过实验学会合理地选择传感器,掌握检测的原理和方法。适用于光电信息专业、电子信息专业、计量测试专业等的教学实验。
实验项目
1、光电基础实验
2、光电探测器(光敏二极管、光敏三极管、光敏电阻、光电池)特性实验
3、光电开关实验(透射式
4、红外反射式光电开关实验
5、光源及光调制解调实验
6、热释电红外传感器实验
7、PSD位置传感器实验
8、光纤位移温度压力传感器实验
9、光电转速传感器的转速测量
10、莫耳条纹计数测微实验
11、单缝衍射光强分析实验
12、LEDLD伏安(V/I)特性、电光转换(P/I)特性实验
13、LEDLD光强空间分布及半值角测量实验
14、LEDLD光谱特性实验
15、光电探测器光谱响应度和暗电流测试实验
16、光电倍增管特性(暗电流、阴极阳极伏安特性)测试实验
17、APD雪崩光电二极管特性(反向电压、暗电流、倍增特性)测试实验
18、CCD电荷耦合器件应用实验
19、光栅位移传感器实验
20、光电式指纹传感器实验
21、光纤传输实验

    原文作者:上海求育
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