光敏傳感器基本特性與應用教學研究

王天會, 李 昂, 王 丹, 蘆明霞

(吉林大學 珠海學院, 廣東 珠海 519040)

光敏傳感器基本特性與應用教學研究

王天會, 李 昂, 王 丹, 蘆明霞

(吉林大學 珠海學院, 廣東 珠海 519040)

“光敏電阻特性研究”實驗是大學物理實驗教學中常見的實驗項目,在該實驗基礎上配備相應實驗設備、電子元器件,開設綜合設計性實驗項目“光敏傳感器基本特性與應用”。該設計性實驗在內容安排上既有傳統的電路組裝、簡單的測量應用,又引進前沿科技——傳感器的概念，其物理概念涉及光學、電學、熱學,半導體等知識,內容豐富、難易程度明顯,適合低年級不同層次、不同專業的學生。

大學物理實驗； 設計性實驗； 光敏傳感器； 馬呂斯定律

為了提高學生對所學知識、實驗能力和科學素質的綜合利用,拓展學生的眼界,在大學物理實驗的教學內容中增加綜合設計性實驗。在我院的大學物理實驗中開設有“光敏傳感器基本特性”的基本實驗,其實驗裝置是以九孔萬用插件板為基板、各種光敏器件和電子元器件為模塊的實驗裝置,只需要在此基礎上補充光度學相關知識、簡單電子線路知識,以及增加少量電子元器件,就可開設成綜合設計性實驗“光敏器件的基本特性測量與應用”,既可以安排成短學時的基本實驗,也可安排成多學時的設計性實驗項目,其實驗內容既貼近生活，又具有科學前沿性質。

1 光敏傳感器分類和物理基礎

光敏傳感器是能把光信號轉換為電信號進行觀測的傳感器,其敏感波長一般在可見光附近,在自動控制和非電量測量中有著重要應用,是目前應用最廣泛的傳感器之一。常用的光敏傳感器有光電管、光電倍增管、光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池、光電耦合器等。

(1) 光電管、光電倍增管。在光輻射作用下,電子吸收光子能量逸出材料的表面,產生光電子發射，稱為外光電效應。光電管、光電倍增管就是基于外光電效應的光電元件。

(2) 光敏電阻。在一定頻率的光照射到半導體表面時,材料內一部分電子吸收足夠的能量后,從價帶遷移到導帶,形成電子空穴對,從而使材料的電導率發生變化,這種由于光照使得材料電導率發生變化的現象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于光電導效應的光敏元件。常用的光敏電阻是硫化鎘,它的電阻值能隨著外界光照強弱的變化而變化,在無光照射時呈高阻狀態,當有光照射時電阻值迅速減小。其主要參數有暗電阻、亮電阻、光電流,其特點是光譜范圍寬、工作電流大、可測量光強范圍較寬、靈敏度高、偏置電壓低而無極性[1]。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉換,廣泛應用于自動控制電路、家用電器及測量儀器中。

(3) 光電池、光敏二極管、光敏三極管。光照能使半導體材料的不同部位之間產生電位差,這種現象被稱為“光生伏特效應”。具有光生伏特效應的半導體材料有很多,例如硅、鍺、硒、砷化鎵等。利用這些材料能夠制造出各種光生伏特器件,常見的有光電池、光電二極管、光電三極管、CCD等。光電池的種類很多,常見的有硒、鍺、硅、砷化鎵等,其中最重要的是硅光電池,它有一系列的優點:性能穩定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉換效率高、能耐高溫輻射,同時,它的光譜靈敏度與人眼的靈敏度較為接近,因此有著廣泛的應用。

2 實驗可安排內容

2.1 光敏傳感器的基本特性與測試

2.1.1 光敏電阻的伏安特性

在一定的入射光照度下,光敏傳感器的光電流I與所加電壓U之間的關系稱為光敏傳感器的伏安特性。按照圖1所示電路連線,在不同照度下改變偏置電壓,測出對應的負載電壓,繪制一簇不同照度下的光敏元件伏安特性曲線如圖2所示。

圖1 光敏元件測試電路

圖2 光敏電阻伏安特性曲線

2.1.2 光敏電阻的光照特性

光敏傳感器的輸出電壓或電流與入射光強之間的關系稱為光照特性。按照圖1所示電路連線,在不同偏置電壓下,改變照度,繪制不同偏置電壓下的光敏電阻光照特性曲線如圖3所示。

圖3 光敏電阻光照特性曲線

2.1.3 硅光電池的光照特性

硅光電池在一定強度的光照作用下會產生電壓,分為連接一個10Ω以下的負載的短路電壓和不接負載的開路電壓,按照圖4連接電路,在不同強度的光照下測出其開路電壓和短路電壓,就能繪制出光電池的光照特性曲線如圖5所示。

圖4 光電池測試電路

圖5 光電池光照特性曲線

2.2 光敏傳感器的應用

光敏傳感器可組裝成簡易測光電路、光電控制電路,制作成簡易光度計驗證馬呂斯定律、測量透明介質的通光率等。學生通過查找資料設計組合出各種功能電路來完成實驗，學生也可以嘗試利用不同的光敏傳感器完成同一個電路任務,比較其不同。下面列舉幾種可實現的應用設計[7-10]。

2.2.1 使用光敏電阻組成光控變音電路

光控變音電路見圖6,晶體管VT1和VT2組成互補型多諧振蕩器,其振蕩頻率主要由光敏電阻RL的阻值和電容C的容量決定。由于RL阻值大小隨照射在它上面的光線強弱變化而變化,所以改變RL的光照強度,即可改變喇叭的發聲頻率。

圖6 光敏電阻伏安特性曲

2.2.2 使用光敏電阻組成電子測光儀

電子測光儀電路見圖7。當光線處于某一亮度時,光敏電阻RL的阻值恰好等于10kΩ時,2只晶體管偏壓相等,紅、綠發光二極管均亮。當光線變暗時,光敏電阻的阻值將變得很大,VT1的電壓上升,使VT1導通,紅色發光二極管發光。此時,通過R2的電流增大,VT2的電壓下降,導致VT2截止,綠色發光二極管不亮。反之則相反。此電路可測量光的變化。

圖7 電子測光儀電路

2.2.3 使用光敏電阻組成光控防盜報警電路

該電路安置在存放貴重物品的抽屜、箱內或底部暗處,當光敏器件見光時即可報警，電路見圖8。該電路由光敏三極管3DU5、555時基集成電路及阻容等元件構成。用于光控報警的光敏三極管3DU5的光電阻約數十kΩ,而暗電阻高達MΩ數量級。當3DU5在暗處時,阻值很大,等效于開路,由555時基電路連成的音頻振蕩器不振蕩,喇叭不發聲。一旦光敏三極管3DU5受到光照,其阻值迅速下降,555時基電路立即產生音頻振蕩,推動喇叭發出報警聲。

圖8 光控防盜報警電路

2.2.4 使用光電池組成臺燈(光)照度測試電路

該測試電路如圖9所示,由光電傳感器、單穩態觸發器、LED發光指示電路等組成,其中光電傳感器采用光電池2CR33。當光照度低于適于學習的最低照度時,2CR33呈高阻,使VT1接近于截止,555(IC)因②腳為高電平而處于復位狀態,其③腳輸出的低電平使LED發光,此時提醒學習者應調亮臺燈,增大照度。

圖9 臺燈照度測試電路

2.2.5 使用光電池制作簡易照度計,驗證偏振光的馬呂斯定律

通過基本特性測量實驗對光電池進行測量,獲得其光照特性曲線,找到其曲線成線性的部分,按照圖10擺放光路,使用毫伏表測量光電池的短路電壓,改變2個偏振片方向之間的夾角α,根據其光照特性曲線查得相對照度,繪制光照度和cos2α的曲線(見圖11),定性驗證馬呂斯定律.也可以把光電池換成光敏二極管來做,比較二者特點[11-12]。

圖10 馬呂斯定律測試光路

圖11 馬呂斯定律驗證曲線

2.2.6 根據光敏元件的光照特性曲線,測定透明介質的透光率(吸收率)

通過光敏元件基本特性測量實驗,對光敏元件進行測量,獲得其光照特性曲線,按照圖12擺放光路(可以使用劈尖干涉實驗中的玻璃板作為被測量介質),根據其光照特曲線對比,測量不同厚度下的透射光強,驗證或找出透光率(吸收率)同厚度的關系規律。

圖12 透光率測試光路

2.2.7 利用光敏傳感器組建光纖傳輸電路

按圖13接線。左側電路為信號發送端,采用音頻信號調制光信號,再由帶光纖接口的LED3通過光纖傳送至右側接收端,經帶光纖接口的光敏三極管PHT101接收、NPN三極管TS101放大，喇叭發聲[1]。

圖13 光纖通信的基本應用電路

3 實驗教學設計

在現在大多數院校開設光敏傳感器實驗時,在應用設計內容中都是輔以各種電子器件來組裝其應用電路的相關內容,而在獨立學院的工科大學物理實驗教學中,存在課時少、學時少的問題,同時也存在學生基礎薄弱及不同專業學生學科背景不同,很多學生不清楚最基本的二極管、三極管電路,更不要說更復雜的電路。對這些學生來講其實驗內容難度過大,因此在應用設計中增加一些既能夠加深物理學基本概念,又相對簡單的設計內容,對不同學生采取分層次、分專業的教學設計。

3.1 分學時教學

該實驗可操作、可完成的任務較多,可根據實際情況,安排實驗的教學內容,如果學時較短,可以安排只測量一個光敏元件的基本特性測試,學時較多時可以安排學生完成光敏傳感器應用部分作為設計性或綜合性實驗.

3.2 分專業教學

我校學習大學物理實驗的學生主要是電子科學與技術、計算機科學與技術、化學與藥學和機汽工程4個系,在做光敏傳感器實驗時,針對不同專業學生進行不同內容,對電子、機汽工程的學生要求多做一些有關電路、電子元件的應用,而計算機、化學與藥學的學生更側重于使用完成好的電路去測試相關物理量。

3.3 分層次教學

我校學生在廣東省招生規模較大,和其他省市相比,部分學生基礎更加薄弱,在做光敏傳感器實驗時,依據學生自身能力,把實驗內容分成3個層次:

第一層次,該層次學生基礎薄弱,對于物理概念、實驗技能等掌握一般,安排其完成有關特性測試實驗內容,設計性實驗部分采用教師全程輔導其完成。

第二層次,該層次學生基礎較好,物理概念、實際技能掌握很好,具有較強的動手能力,能夠綜合自身知識,查找資料獨立完成實驗,可根據其自身情況選擇所要完成實驗.

第三層次,該層次學生無論自身基礎和掌握的知識還是動手能力都非常好,安排其設計完成有別于給定的幾種電路之外的內容,發掘其潛力。

4 結語

大學物理實驗的對象為理工科低年級學生,在實驗教學中引進與結合現代科技新的技術成果、結合各類傳感器的物理原理,挖掘出適合初學者能夠掌握、完成的實驗項目,是實驗教學改革的一個可行方向。光敏傳感器作為最廣泛應用的傳感器之一,與科技、生活關聯很多,其物理概念涉及廣泛、實驗可操作內容豐富、難易程度的差異明顯、可操作性強,不同層次、不同專業的學生，經過努力都能夠完成其設計內容,將其引入到物理實驗教學中，既能達到訓練目的,又有助于開闊學生視野。

References)

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Teaching research on Basic Characteristics and Application of Photosensitive Sensor in college physical designing experiments

Wang Tianhui, Li Ang, Wang Dan, Lu Mingxia

(Zhuhai College, Jilin University, Zhuhai 519040, China)

Research on Basic Characteristics of Photosensitive Sensor is a common college physical experiment project. This article discusses the setup of a comprehensive design experimental project of Basic Characteristics and Application of Photosensitive Sensor, by combining years of experience in teaching, along with experimental equipment and electronic components. The design experiment contains the traditional circuit assembly, simple measurement and application. This paper introduces the concept of sensors, as well as physical concept including optical, electrical and thermal, semiconductor physics. The experiment has substantial contents and is easy to practice for lower grade students from different majors.

college physical experiment; designing experiment; photosensitive sensor; Marius’s law

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.042

2016-11-03

吉林大學珠海學院教學質量工程項目(ZLGC20130601)

王天會(1979—),男,吉林農安,本科，講師,從事基礎物理課程教育與研究.

E-mail：watihu@163.com

G642.0

A

1002-4956(2017)5-0170-04