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1、 光敏电阻传感器应用分析姓名：许康 学号：3110405047摘要：随着科技的发展，人类越来越注重信息和自动化，在日常的生产学习过程中，人们常常要进行自动筛选、自动传送，而为了实现这些，光电传感发挥了不可磨灭的作用。光敏传感器的物理基础是光电效应，即光敏材料的电学特性因受到光的照射而发生变化。本文就光电传感器中的光敏电阻进行详细的介绍。首先是对其工作原理的大概解释，然后就理论基础进行分类介绍其原理。再对光敏电阻进行实验，来进一步了解其工作原理和主要的特点。接着是对光敏电阻的参数进行介绍和解释，再对不同型号的光敏电阻进行参数比较。最后是具体应用的列举和介绍。引言：光敏电阻又称光敏电阻器或光导管，
2、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。1、 工作原理1.1理论基础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
3、都属于内光电效应类传感器。1.1.1外光电效应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。根据能量守恒定律：式中，m为电子质量,v为电子逸出的初速度,w为逸出功。由上式可知，要使光电子逸出阴极表面的必要条件是hvw。由于
4、不同材料具有不同的逸出功，因此对每一种阴极材料，入射光都有一个确定的频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，都不会产生光电子发射，此频率限被称为“红限”。相应的波长为 式中， c为光速，w为逸出功。1.1.2、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
5、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hEg（ 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E=h0=Eg,其中0是低频限(即极限频率0=Egh)。这个关系也可以用长波限表示,即0=hcEg。入射光的频率大于0或波长小于0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
6、收光能后,在一个能带内的亚能级结构间(即图1中每个能带的细线间)跃迁。1.2光敏电阻1)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。2)光敏电阻的伏安特性测量图1 光敏电阻伏安特性测试电路（1）按原理图1连接好实验线路，将光源用的标准钨丝灯和光敏电阻板置测试架中，电阻盒以及转接盒插在九孔板中，电源由DH-VC3直流恒压源提供。（2）通过改变光源电压或调节光源
7、到光敏电阻之间的距离以提供一定的光强，每次在一定的光照条件下，测出加在光敏电阻上电压U为+2V、+ 4V、+6V、+8V、+10V时5个光电流数据，即,同时算出此时光敏电阻的阻值。以后逐步调大相对光强重复上述实验，进行56次不同光强实验数据测量。（3）根据实验数据画出光敏电阻的一组伏安特性曲线。光强（lx)UR(V)U(V)46.8315.710992688.95436.720.0560.2030.4040.6140.81040.1130.4120.8301.2511.64360.1740.6211.2451.8742.45780.2320.8311.6702.5053.281100.2901
8、.0402.0883.1394.103 由图可知，在一定光强下，光敏电阻的光电流与光电压成线性关系，随电压的增大二增大，并且，光强越大，其增长越快。2、 技术性能分析根据光敏电阻的光谱特性，可分为三种光敏电阻器：紫外光敏电阻器、红外光敏电阻器、可见光光敏电阻器。光敏电阻的主要参数是：（1）光电流、亮电阻。光敏电阻器在一定的外加电压下，当有光照射时，流过的电流称为光电流，外加电压与光电流之比称为亮电阻，常用“100LX”表示。（2）暗电流、暗电阻。光敏电阻在一定的外加电压下，当没有光照射的时候，流过的电流称为暗电流。外加电压与暗电流之比称为暗电阻，常用“0LX”表示。（3）灵敏度。灵敏度是指光敏
9、电阻不受光照射时的电阻值（暗电阻）与受光照射时的电阻值（亮电阻）的相对变化值。（4）光谱响应。光谱响应又称光谱灵敏度，是指光敏电阻在不同波长的单色光照射下的灵敏度。若将不同波长下的灵敏度画成曲线，就可以得到光谱响应的曲线。（5）光照特性。光照特性指光敏电阻输出的电信号随光照度而变化的特性。从光敏电阻的光照特性曲线可以看出，随着的光照强度的增加，光敏电阻的阻值开始迅速下降。若进一步增大光照强度，则电阻值变化减小，然后逐渐趋向平缓。在大多数情况下，该特性为非线性。（6）伏安特性曲线。伏安特性曲线用来描述光敏电阻的外加电压与光电流的关系，对于光敏器件来说，其光电流随外加电压的增大而增大。（7）温度系
10、数。光敏电阻的光电效应受温度影响较大，部分光敏电阻在低温下的光电灵敏较高，而在高温下的灵敏度则较低。（8）额定功率。额定功率是指光敏电阻用于某种线路中所允许消耗的功率，当温度升高时，其消耗的功率就降低光敏电阻按陶瓷基板直径参数分类比较：规格型号最大电压(VDC)最大功耗(mW)环境温度（）光谱峰值(nm)亮电阻（10Lux)(K)暗电阻（M）100 10响应时间mS照度电阻特性上升下降3系列GL351610050-30+705405-100.60.530302GL352610050-30+7054010-2010.630303GL3537-110050-30+7054020-3020.6303
11、04GL3537-210050-30+7054030-5030.730304GL3547-110050-30+7054050-10050.830306GL3547-210050-30+70540100-200100.9303064系列GL451615050-30+705405-100.60.530302GL452615050-30+7054010-2010.630303GL4537-115050-30+7054020-3020.730304GL4527-215050-30+7054030-5030.830304GL4548-115050-30+7054050-10050.830306GL454
12、8-215050-30+70540100-200100.9303065系列GL551615090-30+705405-100.50.530302GL5528150100-30+7054010-2010.620303GL5537-1150100-30+7054020-3020.620304GL5537-2150100-30+7054030-5030.720304GL5539150100-30+7054050-10050.820305GL5549150100-30+70540100-200100.920306GL5606150100-30+705604-70.50.530302GL56161501
13、00-30+705605-100.80.630302GL5626150100-30+7056010-2020.620303GL5637-1150100-30+7056020-3030.720304GL5637-2150100-30+7056030-5040.820304GL5639150100-30+7056050-10080.920305GL5649150100-30+70560100-200150.95203067系列GL7516150100-30+705405-100.50.630302GL7528150100-30+7054010-2010.630303GL7537-1150150-3
14、0+7056020-3020.730304GL7537-2150150-30+7056030-5040.830304GL7539150150-30+7056050-10080.83030610系列GL10516200150-30+705605-1010.630303GL10528200150-30+7056010-2020.630303GL10537-1200150-30+7056020-3030.730304GL10537-2200150-30+7056030-5050.730304GL10539250200-30+7056050-10080.83030612系列GL12516250200-
15、30+705605-1010.630303GL12528250200-30+7056010-2020.630303GL12537-1250200-30+7056020-3030.730304GL12537-2250200-30+7056030-5050.730304GL12539250200-30+7056050-10080.83030620系列GL20516500500-30+705605-1010.630303GL20528500500-30+7056010-2020.630303GL20537-1500500-30+7056020-3030.730304GL20537-2500500-3
16、0+7056030-5050.730304GL20539500500-30+7056050-10080.8303063、 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
17、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
18、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。 4、 结语 本文主要介绍了光电传感器，首先是介绍其理论基础，在理论基础上细分外光电效应和内光电效应来介绍。然后是具体介绍了光电传感器中的光敏电阻进行了介绍和性能测试。随后又对光敏电阻的参数进行了介绍和解释，再按光敏电阻陶瓷基板直径分类进行了各类参数的比较。最后是介绍了具体的应用。参考资料：现代传感技术 传感器原理及应用 百度百科 维基百科
