实验十三光敏电阻基本特性的测量 光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器.它的物理基础就是光电效 应.光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类. 【实验目的】 1.了解简单光路的调整原则和方法： 2.在一定照度下，测量光敏电阻的电压与光电流的关系： 3.在一定电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系。 【实验原理】 1.光敏电阻的工作原理 在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应.本实验所用的光敏电阻 就是基于内光电效应的光电元件.当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带 电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴.这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电 导率增加，电导率的改变量为 △o=pel。+△ne'n (1) (I)式中e为电荷电量：△p为空穴浓度的改变量：△n为电子浓度的改变量：4p为空 穴的迁移率；4n为电子的迁移率. 当光敏电阻两端加上电压U后，光电流为 14=A0-U (2) d 其中A为与电流垂直的截面积，d为电极间的距离. 用于制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料.目前 生产的光敏电阻主要是硫化镉.光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定 性能高、体积小以及制造工艺简单等特点，被广泛地用于自动化技术中， 本实验光敏电阻得到的光照Φ由一对偏振片来控制.当两偏振片之间的夹角为α时， 光照Φ为 =Dcos2 a (3) 其中：Φ为不加偏振片时的光照，D为当两偏振片平行时的透明度 83
83 实验十三 光敏电阻基本特性的测量 光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器．它的物理基础就是光电效 应．光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类． 【实验目的】 1．了解简单光路的调整原则和方法； 2．在一定照度下，测量光敏电阻的电压与光电流的关系； 3．在一定电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系． 【实验原理】 1．光敏电阻的工作原理 在光照作用下能使物体的电导率改变的现象称为内光电效应．本实验所用的光敏电阻 就是基于内光电效应的光电元件．当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带 电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴．这样由于材料中载流子个数增加，使材料的电 导率增加，电导率的改变量为 p n Ds = Dp × e × m + Dn × e × m （1） （1）式中 e 为电荷电量；Dp 为空穴浓度的改变量；Dn 为电子浓度的改变量；m p为空 穴的迁移率；m n为电子的迁移率． 当光敏电阻两端加上电压 U 后，光电流为 U d A I ph = × Ds × （2） 其中 A 为与电流垂直的截面积，d 为电极间的距离． 用于制造光敏电阻的材料主要有金属的硫化物、硒化物和锑化物等半导体材料．目前 生产的光敏电阻主要是硫化镉．光敏电阻具有灵敏度高、光谱特性好、使用寿命长、稳定 性能高、体积小以及制造工艺简单等特点，被广泛地用于自动化技术中． 本实验光敏电阻得到的光照F 由一对偏振片来控制．当两偏振片之间的夹角为a 时， 光照F 为 a 2 0 Φ = Φ D cos （3） 其中：F 0为不加偏振片时的光照，D 为当两偏振片平行时的透明度．
2.光敏电阻的基本特性 光敏电阻的基本特性包括伏安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和 温度特性等.本实验主要研究光敏电阻的伏-安特性和光照特性. 【实验仪器】 光源、光源电源、透镜1：f=50mm、透镜2：f=70mm、偏振器、光敏电阻、稳压 电源、数字万用表和照明灯等 【实验内容】 透镜1 透镜2 光源 偏振器 光敏电阻 稳压电源 光源电洒 电流测量 电压测量 图1实验装置图 1.调节各元件共轴等高 (1)粗调：在导轨上依次将光源、透镜1和观察屏靠拢放置，目测调节至各光学元件、 光源的中心轴大致等高，并处于同一轴线上 (2)细调：根据透镜共轭法成像的特点和 透镜1 透镜1 光路（图2），固定光源和观察屏的位置（使L >4纩)，在光源和观察屏间插入透镜1.轴向 小像 移动透镜1，在屏上可依次获得放大和缩小的 大像 物像.两次成像时，若像的中心重合，说明光 源与像的中心均在主光轴上：反之，说明物点 不在主光轴上.此时可按使放大像的中心趋向 图2共轭法测量光路 缩小像的中心的调节法（大像“追”小像）反 复调节透镜1的高度，使经过透镜1两次成像的中心位置重合，即将光源和透镜1调整至 共轴等高的状态.将透镜2放置在透镜1后，调整其高度，使此时的物像与原像中心等高， 即将光源和两透镜调整至共轴等高. 2.光敏电阻基本参数测量 84
84 2．光敏电阻的基本特性 光敏电阻的基本特性包括伏-安特性、光照特性、光电灵敏度、光谱特性、频率特性和 温度特性等．本实验主要研究光敏电阻的伏-安特性和光照特性． 【实验仪器】 光源、光源电源、透镜 1：f = 50 mm、透镜 2：f = 70 mm、偏振器、光敏电阻、稳压 电源、数字万用表和照明灯等． 【实验内容】 1．调节各元件共轴等高 （1）粗调：在导轨上依次将光源、透镜 1 和观察屏靠拢放置，目测调节至各光学元件、 光源的中心轴大致等高，并处于同一轴线上． （2）细调：根据透镜共轭法成像的特点和 光路（图 2），固定光源和观察屏的位置（使 L ＞4f ‘），在光源和观察屏间插入透镜 1．轴向 移动透镜 1，在屏上可依次获得放大和缩小的 物像．两次成像时，若像的中心重合，说明光 源与像的中心均在主光轴上；反之，说明物点 不在主光轴上．此时可按使放大像的中心趋向 缩小像的中心的调节法（大像“追”小像）反 复调节透镜 1 的高度，使经过透镜 1 两次成像的中心位置重合，即将光源和透镜 1 调整至 共轴等高的状态．将透镜 2 放置在透镜 1 后，调整其高度，使此时的物像与原像中心等高， 即将光源和两透镜调整至共轴等高． 2．光敏电阻基本参数测量 图 1 实验装置图 光 源 L 小像 大像 透镜1 透镜1 图 2 共轭法测量光路
(1)将偏振器放置在两透镜之间，调节偏振器，使偏振器与光轴同轴等高.转动可调 偏振片，观察出射光光强的变化 (2)放置光敏电阻，调节两透镜位置使出射光能均匀照射光敏电阻并使光电流输出最 大.其工作电源由稳压电源提供，其电压与光电流值由数字万用表测量， (3)在一定照度下，测量光敏电阻的电压与光电流的关系 a.将照度设定为a=0°，取U值分别为：0、1、2、…、12V,测量光电流Ih值： b.将照度分别设定为30°、60°和90°时，重复以上实验，测绘出U~Ih曲线. (4)在一定工作电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系 a.将光敏电阻的工作电压设定为U=1V,取α值分别为：0°、10°、…、90°，测量 光电流Ih值： b.光敏电阻的工作电压分别设定为4、8、12V时，重复以上实验，测绘-I曲线. 【预习思考题】 1.请简述光路调整的要点. 2.为什么可以利用“大像追小像”的步骤和方法，调节透镜系统达到共轴等高的要求？ 【思考题】 1.在利用数字万用表作为测量仪器时，是否需要考虑万用表内阻，为什么？ 2.根据测量结果，总结光敏电阻的伏安特性和光照特性. 85
85 （1）将偏振器放置在两透镜之间，调节偏振器，使偏振器与光轴同轴等高．转动可调 偏振片，观察出射光光强的变化． （2）放置光敏电阻，调节两透镜位置使出射光能均匀照射光敏电阻并使光电流输出最 大．其工作电源由稳压电源提供，其电压与光电流值由数字万用表测量． （3）在一定照度下，测量光敏电阻的电压与光电流的关系 a．将照度设定为a = 0 0，取 U 值分别为：0、1、2、…、12 V，测量光电流 Iph值； b．将照度分别设定为 30 0 、60 0 和 90 0 时，重复以上实验，测绘出 U ～ Iph曲线． （4）在一定工作电压下，测量光敏电阻的照度与光电流的关系 a．将光敏电阻的工作电压设定为 U = 1 V， 取a 值分别为：0 0、10 0、…、90 0，测量 光电流 Iph值； b．光敏电阻的工作电压分别设定为 4、8、12 V 时，重复以上实验，测绘a– Iph曲线． 【预习思考题】 1．请简述光路调整的要点． 2．为什么可以利用“大像追小像”的步骤和方法，调节透镜系统达到共轴等高的要求？ 【思考题】 1．在利用数字万用表作为测量仪器时，是否需要考虑万用表内阻，为什么？ 2．根据测量结果，总结光敏电阻的伏-安特性和光照特性．