光傳感技術實驗研究

戴玉梅，戴玉潔

（1.沈陽大學 理學院，遼寧 沈陽 110044；2.遼東學院 信息技術學院，遼寧 丹東 118003）

為了適應時代的發展，工科院校大學物理實驗作為一門重要的基礎實驗課程也需要不斷革新.因此，為提高教學質量，增強培養學生分析問題、解決問題的能力，有必要對工科大學物理實驗教學和運作模式加以改革或重新構建，開展綜合性實驗和設計性實驗，利用計算機等現代化手段，提高實驗效率與質量，以適應新形勢的要求.

在大學物理實驗教學中，為了培養學生的實踐與創造能力，很多實驗室開設一些與溫度傳感器相關的實驗項目［1-3］.隨著光敏電阻元器件的快速發展，在許多場合下光傳感器已逐漸取代傳統的其他傳感器.但目前開設光傳感器實驗的學校比較少，光傳感器是實驗改革的一個革新點.一些高校應用FD-LS-A光敏傳感器光電特性實驗儀進行光傳感器實驗，該實驗儀由光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、硅光電池四種光敏傳感器及可調光源、電阻箱、數字電壓表等組成.使用這臺儀器進行實驗很便利，但不能讓學生們直接理解光傳感器元器件的工作原理，缺少一定動手練習的機會.因此，筆者參考大學物理溫度傳感技術實驗研究和太陽能電池基本特性研究［4］，制作一個快速了解光傳感器原理的實驗儀，已經申請國家發明專利（專利號：201110202924.6）.本文利用研發的光傳感技術實驗儀進行實驗研究，使學生們深刻了解光傳感器原理.

1 光敏電阻的原理

光敏電阻又稱光導管，常用的制作材料為硫化鎘，另外還有硒、硫化鋁、硫化鉛和硫化鉍等材料.這些制作材料具有在特定波長的光照射下，其阻值迅速減小的特性.這是由于光照產生的載流子都參與導電，在外加電場的作用下作漂移運動，電子奔向電源的正極，空穴奔向電源的負極，從而使光敏電阻器的阻值迅速下降.本實驗中RG代表光敏電阻.從圖1中可以看出光敏電阻阻值隨光強的變化規律.

圖1 光敏電阻阻值隨光強變化曲線Fig.1 The curve of resistance of photoresistor with the light intensity

2 電路結構及工作原理

本實驗制作的新型光傳感器技術實驗儀電路圖如圖2和圖3.

圖2 電路圖Fig.2 Circuit diagram

圖3 等效電路圖Fig.3 Equivalent circuit diagram

電路結構如圖2所示，在獲取光強這個物理量的信息時，通常是將傳感元件（光敏電阻）作為圖中電橋的一個橋臂［5］.當光強變化引起光敏電阻的阻值變化時，電橋的輸出電壓也隨之而變，從而實現了光強與電壓之間的轉換.由于電橋不平衡時，輸出電壓一般為毫伏量級，因此要加差動放大電路.利用戴維南定理［6］把圖2電路等效為圖3電路.設R5＝R6＝R，R7＝R8＝Rf，則有

式（1）與光強有關、式（2）與光強無關.

由圖3可列出

式（5）中R′1和Vi1與光強有關，所以式（5）就是光傳感器電壓—光強特性表達式.式（5）所表達的函數關系是非線性的，但通過適當的選擇電路參數可以使得這一關系近似為直線.這一近似直線引起的誤差與傳感器的測光照強度范圍有關［7］.設所測光強范圍為G1～G3，則測光強范圍的中值光強為G2＝ （ G1＋G3） ／2，若G1、G2、G3對應輸出的電壓分別為V01、V02、V03.要求

由圖2可看出，需要確定的參數有7個（R1、R2、R3、R5＝R6＝R、R7＝R8＝Rf、V、V0）.這些參數的選擇和計算可按以下原則進行：

①R2＝R3＝RA，R1＝RG1，RA的阻值接近于RG1.

② 為了盡量減小溫度對光敏電阻的影響，使光源離光敏電阻遠一點進行實驗研究.

③ 傳感器的最大輸出電壓V3的值應與后面連接的顯示儀表相匹配（3V）.

④ 電路參數R和Rf值的確定.

由式（5）、式（6）得

式（7）、式（8）中R′13、Vi13和R′12、Vi12是光敏電阻RG所處環境光強為G3和G2時按式（1）計算所得R′1和Vi1值，式（7）和式（8）中除R 和Rf為未知數外，其余各值都有確定的值.所以，聯立求解式（7）和式（8），利用疊代法就可求出R和Rf的值.

3 實驗方法應用舉例

將光敏電阻和0～2mW的光強測試儀粘貼到一起，固定在太陽電池基本測定儀上，從光強0.05mW開始，每隔0.05mW用數字萬用表測量光敏電阻的阻值，直到0.55mW為止.記錄實驗數據擬合的電阻—光強曲線結果如圖4所示.

圖4 光敏電阻元件阻值-光強特性測試曲線Fig.4 Test curve of resistance of potoresistor element with light intensity characteristic

利用迭代法計算電路中R和Rf的阻值，按照疊代法的計算規則，最后選取R＝0.322 8kΩ，Rf＝3.575 3kΩ.

用可變電阻箱代替光敏電阻元件，接入光傳感技術實驗儀控制面板“光敏電阻”的兩個插孔內，并調節控制面板上的“V”調節，使接入電橋的電源電壓為3V左右.然后把數字電壓表（電壓檔）接至儀器控制面板上的輸出V0的兩插孔內，并把電阻箱的阻值接至光敏電阻在起始光強G1（0.05mW）時對應的RG1值，然后轉動“調零旋鈕”使V0輸出為零.保持調零旋鈕位置不變，把電阻箱的阻值調節為最高光強（0.55mW）時光敏電阻所對應的RG3值，同樣，用數字萬用表測量輸出V0，轉動V調節，使V0為設計要求的V3值（3 V）.在完成零點和量程調節后，斷開電阻箱與光傳感實驗技術儀之間的連接，把光強測試儀和光敏電阻元件固定在太陽能電池基本特性演示測試儀上，光敏電阻的引線接入光傳感技術實驗儀控制面板上“光敏電阻”的兩插孔中，打開太陽能電池基本特性演示測試儀，在使光敏電阻與光源的距離減小光強增大的過程中，從起始光強開始，每隔0.05mW用數字萬用表讀取一次V0，直至實驗最大光強為止，實驗結果如圖5.

圖5 傳感器電壓-光強特性曲線Fig.5 Characteristic curve of sensor voltage with light intensity

在圖5中看到電學量電壓隨非電學量光強的增加而增加，符合傳感器的設計要求.

4 結 論

本文設計了一個光傳感器電路.本實驗以光源固定，改變光照距離使光強增大的方法，通過改變光敏電阻阻值，來測量光強與電壓的關系.實驗結果符合傳感器的設計要求.實驗設計符合我國大學物理實驗教學改革的方向.

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