光传感技术实验研究

戴玉梅，戴玉洁

（1.沈阳大学 理学院，辽宁 沈阳 110044；2.辽东学院 信息技术学院，辽宁 丹东 118003）

为了适应时代的发展，工科院校大学物理实验作为一门重要的基础实验课程也需要不断革新.因此，为提高教学质量，增强培养学生分析问题、解决问题的能力，有必要对工科大学物理实验教学和运作模式加以改革或重新构建，开展综合性实验和设计性实验，利用计算机等现代化手段，提高实验效率与质量，以适应新形势的要求.

在大学物理实验教学中，为了培养学生的实践与创造能力，很多实验室开设一些与温度传感器相关的实验项目［1-3］.随着光敏电阻元器件的快速发展，在许多场合下光传感器已逐渐取代传统的其他传感器.但目前开设光传感器实验的学校比较少，光传感器是实验改革的一个革新点.一些高校应用FD-LS-A光敏传感器光电特性实验仪进行光传感器实验，该实验仪由光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、硅光电池四种光敏传感器及可调光源、电阻箱、数字电压表等组成.使用这台仪器进行实验很便利，但不能让学生们直接理解光传感器元器件的工作原理，缺少一定动手练习的机会.因此，笔者参考大学物理温度传感技术实验研究和太阳能电池基本特性研究［4］，制作一个快速了解光传感器原理的实验仪，已经申请国家发明专利（专利号：201110202924.6）.本文利用研发的光传感技术实验仪进行实验研究，使学生们深刻了解光传感器原理.

1 光敏电阻的原理

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.本实验中RG代表光敏电阻.从图1中可以看出光敏电阻阻值随光强的变化规律.

图1 光敏电阻阻值随光强变化曲线Fig.1 The curve of resistance of photoresistor with the light intensity

2 电路结构及工作原理

本实验制作的新型光传感器技术实验仪电路图如图2和图3.

图2 电路图Fig.2 Circuit diagram

图3 等效电路图Fig.3 Equivalent circuit diagram

电路结构如图2所示，在获取光强这个物理量的信息时，通常是将传感元件（光敏电阻）作为图中电桥的一个桥臂［5］.当光强变化引起光敏电阻的阻值变化时，电桥的输出电压也随之而变，从而实现了光强与电压之间的转换.由于电桥不平衡时，输出电压一般为毫伏量级，因此要加差动放大电路.利用戴维南定理［6］把图2电路等效为图3电路.设R5＝R6＝R，R7＝R8＝Rf，则有

式（1）与光强有关、式（2）与光强无关.

由图3可列出

式（5）中R′1和Vi1与光强有关，所以式（5）就是光传感器电压—光强特性表达式.式（5）所表达的函数关系是非线性的，但通过适当的选择电路参数可以使得这一关系近似为直线.这一近似直线引起的误差与传感器的测光照强度范围有关［7］.设所测光强范围为G1～G3，则测光强范围的中值光强为G2＝ （ G1＋G3） ／2，若G1、G2、G3对应输出的电压分别为V01、V02、V03.要求

由图2可看出，需要确定的参数有7个（R1、R2、R3、R5＝R6＝R、R7＝R8＝Rf、V、V0）.这些参数的选择和计算可按以下原则进行：

①R2＝R3＝RA，R1＝RG1，RA的阻值接近于RG1.

② 为了尽量减小温度对光敏电阻的影响，使光源离光敏电阻远一点进行实验研究.

③ 传感器的最大输出电压V3的值应与后面连接的显示仪表相匹配（3V）.

④ 电路参数R和Rf值的确定.

由式（5）、式（6）得

式（7）、式（8）中R′13、Vi13和R′12、Vi12是光敏电阻RG所处环境光强为G3和G2时按式（1）计算所得R′1和Vi1值，式（7）和式（8）中除R 和Rf为未知数外，其余各值都有确定的值.所以，联立求解式（7）和式（8），利用叠代法就可求出R和Rf的值.

3 实验方法应用举例

将光敏电阻和0～2mW的光强测试仪粘贴到一起，固定在太阳电池基本测定仪上，从光强0.05mW开始，每隔0.05mW用数字万用表测量光敏电阻的阻值，直到0.55mW为止.记录实验数据拟合的电阻—光强曲线结果如图4所示.

图4 光敏电阻元件阻值-光强特性测试曲线Fig.4 Test curve of resistance of potoresistor element with light intensity characteristic

利用迭代法计算电路中R和Rf的阻值，按照叠代法的计算规则，最后选取R＝0.322 8kΩ，Rf＝3.575 3kΩ.

用可变电阻箱代替光敏电阻元件，接入光传感技术实验仪控制面板“光敏电阻”的两个插孔内，并调节控制面板上的“V”调节，使接入电桥的电源电压为3V左右.然后把数字电压表（电压档）接至仪器控制面板上的输出V0的两插孔内，并把电阻箱的阻值接至光敏电阻在起始光强G1（0.05mW）时对应的RG1值，然后转动“调零旋钮”使V0输出为零.保持调零旋钮位置不变，把电阻箱的阻值调节为最高光强（0.55mW）时光敏电阻所对应的RG3值，同样，用数字万用表测量输出V0，转动V调节，使V0为设计要求的V3值（3 V）.在完成零点和量程调节后，断开电阻箱与光传感实验技术仪之间的连接，把光强测试仪和光敏电阻元件固定在太阳能电池基本特性演示测试仪上，光敏电阻的引线接入光传感技术实验仪控制面板上“光敏电阻”的两插孔中，打开太阳能电池基本特性演示测试仪，在使光敏电阻与光源的距离减小光强增大的过程中，从起始光强开始，每隔0.05mW用数字万用表读取一次V0，直至实验最大光强为止，实验结果如图5.

图5 传感器电压-光强特性曲线Fig.5 Characteristic curve of sensor voltage with light intensity

在图5中看到电学量电压随非电学量光强的增加而增加，符合传感器的设计要求.

4 结 论

本文设计了一个光传感器电路.本实验以光源固定，改变光照距离使光强增大的方法，通过改变光敏电阻阻值，来测量光强与电压的关系.实验结果符合传感器的设计要求.实验设计符合我国大学物理实验教学改革的方向.

［1］ 王瑗，余建波，王云，等.热敏电阻温度特性的计算机数据采集［J］.物理实验，2007，27（3）：17-20.

［2］ 邱淑荣，许磊.基于热敏电阻温度特性的拓展实验系列研究［J］.大学物理，2004，23（8）：45-47.

［3］ 唐纯青，隨峰.大学物理实验简明教程［M］.西安：陕西人民出版社，2006：129-135.

［4］ 韩笑，肖鸿飞，林欣悦.物理实验教程［M］.北京：科学技术文献出版社，2009：105-109，117-122.

［5］ 王暄，郭芳侠.一种快速响应光传感器的设计［J］.陕西师范大学学报：自然科学版，2003，31（3）：40-42，31.

［6］ 秦曾煌.电工学［M］.6版.北京：高等教育出版社，2004：45-57.

［7］ 钟双英，李鸿.集成温度传感器在物理试验中的应用［J］.江西科学，2005，23（5）：601-604.