王天會(huì), 李 昂, 王 丹, 蘆明霞

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院, 廣東 珠海 519040)

光敏傳感器基本特性與應(yīng)用教學(xué)研究

王天會(huì), 李 昂, 王 丹, 蘆明霞

(吉林大學(xué) 珠海學(xué)院, 廣東 珠海 519040)

“光敏電阻特性研究”實(shí)驗(yàn)是大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中常見(jiàn)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,在該實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上配備相應(yīng)實(shí)驗(yàn)設(shè)備、電子元器件,開(kāi)設(shè)綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目“光敏傳感器基本特性與應(yīng)用”。該設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)在內(nèi)容安排上既有傳統(tǒng)的電路組裝、簡(jiǎn)單的測(cè)量應(yīng)用,又引進(jìn)前沿科技——傳感器的概念，其物理概念涉及光學(xué)、電學(xué)、熱學(xué),半導(dǎo)體等知識(shí),內(nèi)容豐富、難易程度明顯,適合低年級(jí)不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生。

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)； 設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)； 光敏傳感器； 馬呂斯定律

為了提高學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰涂茖W(xué)素質(zhì)的綜合利用,拓展學(xué)生的眼界,在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容中增加綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)。在我院的大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中開(kāi)設(shè)有“光敏傳感器基本特性”的基本實(shí)驗(yàn),其實(shí)驗(yàn)裝置是以九孔萬(wàn)用插件板為基板、各種光敏器件和電子元器件為模塊的實(shí)驗(yàn)裝置,只需要在此基礎(chǔ)上補(bǔ)充光度學(xué)相關(guān)知識(shí)、簡(jiǎn)單電子線路知識(shí),以及增加少量電子元器件,就可開(kāi)設(shè)成綜合設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)“光敏器件的基本特性測(cè)量與應(yīng)用”,既可以安排成短學(xué)時(shí)的基本實(shí)驗(yàn),也可安排成多學(xué)時(shí)的設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容既貼近生活，又具有科學(xué)前沿性質(zhì)。

1 光敏傳感器分類和物理基礎(chǔ)

光敏傳感器是能把光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行觀測(cè)的傳感器,其敏感波長(zhǎng)一般在可見(jiàn)光附近,在自動(dòng)控制和非電量測(cè)量中有著重要應(yīng)用,是目前應(yīng)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(chǎn)生光電子發(fā)射，稱為外光電效應(yīng)。光電管、光電倍增管就是基于外光電效應(yīng)的光電元件。

(2) 光敏電阻。在一定頻率的光照射到半導(dǎo)體表面時(shí),材料內(nèi)一部分電子吸收足夠的能量后,從價(jià)帶遷移到導(dǎo)帶,形成電子空穴對(duì),從而使材料的電導(dǎo)率發(fā)生變化,這種由于光照使得材料電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于光電導(dǎo)效應(yīng)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(qiáng)弱的變化而變化,在無(wú)光照射時(shí)呈高阻狀態(tài),當(dāng)有光照射時(shí)電阻值迅速減小。其主要參數(shù)有暗電阻、亮電阻、光電流,其特點(diǎn)是光譜范圍寬、工作電流大、可測(cè)量光強(qiáng)范圍較寬、靈敏度高、偏置電壓低而無(wú)極性[1]。光敏電阻器一般用于光的測(cè)量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換,廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制電路、家用電器及測(cè)量?jī)x器中。

(3) 光電池、光敏二極管、光敏三極管。光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差,這種現(xiàn)象被稱為“光生伏特效應(yīng)”。具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)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(jiàn)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(jiàn)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(yōu)點(diǎn):性能穩(wěn)定、光譜范圍寬、頻率特性好、轉(zhuǎn)換效率高、能耐高溫輻射,同時(shí),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(yīng)用。

2 實(shí)驗(yàn)可安排內(nèi)容

2.1 光敏傳感器的基本特性與測(cè)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(guān)系稱為光敏傳感器的伏安特性。按照?qǐng)D1所示電路連線,在不同照度下改變偏置電壓,測(cè)出對(duì)應(yīng)的負(fù)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(cè)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(qiáng)之間的關(guān)系稱為光照特性。按照?qǐng)D1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(qiáng)度的光照作用下會(huì)產(chǎn)生電壓,分為連接一個(gè)10Ω以下的負(fù)載的短路電壓和不接負(fù)載的開(kāi)路電壓,按照?qǐng)D4連接電路,在不同強(qiáng)度的光照下測(cè)出其開(kāi)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(cè)試電路

圖5 光電池光照特性曲線

2.2 光敏傳感器的應(yīng)用

光敏傳感器可組裝成簡(jiǎn)易測(cè)光電路、光電控制電路,制作成簡(jiǎn)易光度計(jì)驗(yàn)證馬呂斯定律、測(cè)量透明介質(zhì)的通光率等。學(xué)生通過(guò)查找資料設(shè)計(jì)組合出各種功能電路來(lái)完成實(shí)驗(yàn)，學(xué)生也可以嘗試?yán)貌煌墓饷魝鞲衅魍瓿赏粋€(gè)電路任務(wù),比較其不同。下面列舉幾種可實(shí)現(xiàn)的應(yīng)用設(shè)計(jì)[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(jiàn)圖6,晶體管VT1和VT2組成互補(bǔ)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(qiáng)弱變化而變化,所以改變RL的光照強(qiáng)度,即可改變喇叭的發(fā)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(cè)光儀

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

圖7 電子測(cè)光儀電路

2.2.3 使用光敏電阻組成光控防盜報(bào)警電路

該電路安置在存放貴重物品的抽屜、箱內(nèi)或底部暗處,當(dāng)光敏器件見(jiàn)光時(shí)即可報(bào)警，電路見(jiàn)圖8。該電路由光敏三極管3DU5、555時(shí)基集成電路及阻容等元件構(gòu)成。用于光控報(bào)警的光敏三極管3DU5的光電阻約數(shù)十kΩ,而暗電阻高達(dá)MΩ數(shù)量級(jí)。當(dāng)3DU5在暗處時(shí),阻值很大,等效于開(kāi)路,由555時(shí)基電路連成的音頻振蕩器不振蕩,喇叭不發(fā)聲。一旦光敏三極管3DU5受到光照,其阻值迅速下降,555時(shí)基電路立即產(chǎn)生音頻振蕩,推動(dòng)喇叭發(fā)出報(bào)警聲。

圖8 光控防盜報(bào)警電路

2.2.4 使用光電池組成臺(tái)燈(光)照度測(cè)試電路

該測(cè)試電路如圖9所示,由光電傳感器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、LED發(fā)光指示電路等組成,其中光電傳感器采用光電池2CR33。當(dāng)光照度低于適于學(xué)習(xí)的最低照度時(shí),2CR33呈高阻,使VT1接近于截止,555(IC)因②腳為高電平而處于復(fù)位狀態(tài),其③腳輸出的低電平使LED發(fā)光,此時(shí)提醒學(xué)習(xí)者應(yīng)調(diào)亮臺(tái)燈,增大照度。

圖9 臺(tái)燈照度測(cè)試電路

2.2.5 使用光電池制作簡(jiǎn)易照度計(jì),驗(yàn)證偏振光的馬呂斯定律

通過(guò)基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)對(duì)光電池進(jìn)行測(cè)量,獲得其光照特性曲線,找到其曲線成線性的部分,按照?qǐng)D10擺放光路,使用毫伏表測(cè)量光電池的短路電壓,改變2個(gè)偏振片方向之間的夾角α,根據(jù)其光照特性曲線查得相對(duì)照度,繪制光照度和cos2α的曲線(見(jiàn)圖11),定性驗(yàn)證馬呂斯定律.也可以把光電池?fù)Q成光敏二極管來(lái)做,比較二者特點(diǎn)[11-12]。

圖10 馬呂斯定律測(cè)試光路

圖11 馬呂斯定律驗(yàn)證曲線

2.2.6 根據(jù)光敏元件的光照特性曲線,測(cè)定透明介質(zhì)的透光率(吸收率)

通過(guò)光敏元件基本特性測(cè)量實(shí)驗(yàn),對(duì)光敏元件進(jìn)行測(cè)量,獲得其光照特性曲線,按照?qǐng)D12擺放光路(可以使用劈尖干涉實(shí)驗(yàn)中的玻璃板作為被測(cè)量介質(zhì)),根據(jù)其光照特曲線對(duì)比,測(cè)量不同厚度下的透射光強(qiáng),驗(yàn)證或找出透光率(吸收率)同厚度的關(guān)系規(guī)律。

圖12 透光率測(cè)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(cè)電路為信號(hào)發(fā)送端,采用音頻信號(hào)調(diào)制光信號(hào),再由帶光纖接口的LED3通過(guò)光纖傳送至右側(cè)接收端,經(jīng)帶光纖接口的光敏三極管PHT101接收、NPN三極管TS101放大，喇叭發(fā)聲[1]。

圖13 光纖通信的基本應(yīng)用電路

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

在現(xiàn)在大多數(shù)院校開(kāi)設(shè)光敏傳感器實(shí)驗(yàn)時(shí),在應(yīng)用設(shè)計(jì)內(nèi)容中都是輔以各種電子器件來(lái)組裝其應(yīng)用電路的相關(guān)內(nèi)容,而在獨(dú)立學(xué)院的工科大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,存在課時(shí)少、學(xué)時(shí)少的問(wèn)題,同時(shí)也存在學(xué)生基礎(chǔ)薄弱及不同專業(yè)學(xué)生學(xué)科背景不同,很多學(xué)生不清楚最基本的二極管、三極管電路,更不要說(shuō)更復(fù)雜的電路。對(duì)這些學(xué)生來(lái)講其實(shí)驗(yàn)內(nèi)容難度過(guò)大,因此在應(yīng)用設(shè)計(jì)中增加一些既能夠加深物理學(xué)基本概念,又相對(duì)簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)內(nèi)容,對(duì)不同學(xué)生采取分層次、分專業(yè)的教學(xué)設(shè)計(jì)。

3.1 分學(xué)時(shí)教學(xué)

該實(shí)驗(yàn)可操作、可完成的任務(wù)較多,可根據(jù)實(shí)際情況,安排實(shí)驗(yàn)的教學(xué)內(nèi)容,如果學(xué)時(shí)較短,可以安排只測(cè)量一個(gè)光敏元件的基本特性測(cè)試,學(xué)時(shí)較多時(shí)可以安排學(xué)生完成光敏傳感器應(yīng)用部分作為設(shè)計(jì)性或綜合性實(shí)驗(yàn).

3.2 分專業(yè)教學(xué)

我校學(xué)習(xí)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的學(xué)生主要是電子科學(xué)與技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)、化學(xué)與藥學(xué)和機(jī)汽工程4個(gè)系,在做光敏傳感器實(shí)驗(yàn)時(shí),針對(duì)不同專業(yè)學(xué)生進(jìn)行不同內(nèi)容,對(duì)電子、機(jī)汽工程的學(xué)生要求多做一些有關(guān)電路、電子元件的應(yīng)用,而計(jì)算機(jī)、化學(xué)與藥學(xué)的學(xué)生更側(cè)重于使用完成好的電路去測(cè)試相關(guān)物理量。

3.3 分層次教學(xué)

我校學(xué)生在廣東省招生規(guī)模較大,和其他省市相比,部分學(xué)生基礎(chǔ)更加薄弱,在做光敏傳感器實(shí)驗(yàn)時(shí),依據(jù)學(xué)生自身能力,把實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分成3個(gè)層次:

第一層次,該層次學(xué)生基礎(chǔ)薄弱,對(duì)于物理概念、實(shí)驗(yàn)技能等掌握一般,安排其完成有關(guān)特性測(cè)試實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)部分采用教師全程輔導(dǎo)其完成。

第二層次,該層次學(xué)生基礎(chǔ)較好,物理概念、實(shí)際技能掌握很好,具有較強(qiáng)的動(dòng)手能力,能夠綜合自身知識(shí),查找資料獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn),可根據(jù)其自身情況選擇所要完成實(shí)驗(yàn).

第三層次,該層次學(xué)生無(wú)論自身基礎(chǔ)和掌握的知識(shí)還是動(dòng)手能力都非常好,安排其設(shè)計(jì)完成有別于給定的幾種電路之外的內(nèi)容,發(fā)掘其潛力。

4 結(jié)語(yǔ)

大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的對(duì)象為理工科低年級(jí)學(xué)生,在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中引進(jìn)與結(jié)合現(xiàn)代科技新的技術(shù)成果、結(jié)合各類傳感器的物理原理,挖掘出適合初學(xué)者能夠掌握、完成的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的一個(gè)可行方向。光敏傳感器作為最廣泛應(yīng)用的傳感器之一,與科技、生活關(guān)聯(lián)很多,其物理概念涉及廣泛、實(shí)驗(yàn)可操作內(nèi)容豐富、難易程度的差異明顯、可操作性強(qiáng),不同層次、不同專業(yè)的學(xué)生，經(jīng)過(guò)努力都能夠完成其設(shè)計(jì)內(nèi)容,將其引入到物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，既能達(dá)到訓(xùn)練目的,又有助于開(kāi)闊學(xué)生視野。

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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(xué)珠海學(xué)院教學(xué)質(zhì)量工程項(xiàng)目(ZLGC20130601)

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

E-mail：watihu@163.com

G642.0

A

1002-4956(2017)5-0170-04