光敏传感器及应用本科毕业论文(2)

感波长范围比较宽广，可见光，人眼看不见的红外线和紫外线。根据探测范围分为红外传感器，可见光传感器，紫外线传感器。光敏传感器种类颇多，生活常见的光敏传感器有：光敏电阻、光敏二极管、光敏三级管、光电管，还有用于照相机图像处理比较复杂的CCD和COMS传感器。

图1 光敏电阻传感器结构图

普通意义上光敏传感器只是对光的检测，但在工业应用中它还可以与其他探测元件组成新的传感器，可以进行其他非电量进行检测。犹如光电耦合器件，就是让发光器件和光敏器件一起，对传导的光进行放大处理，然后进行传导。

在光通讯，光电信息的的处理中，光敏传感器成为重要的组成部分，成为当前应用最广泛的传感器。最简单的光敏传感器就是光敏电阻。他的结构示意图如图1，当光子照射在两个电极蛇形结合处时会产生光生载流子，阻值随光照变化。

3 光敏传感器的工作原理

在众多光敏传感器中，要完成光和电转换，必然有光电效应的发生。光电效应有两种：内光电效应与外光电效应。光敏传感器采用后者。即在有光照的发生时，光敏传感器的导电性发生了变化。光敏三极管和二极管是基于半导体PN结的原则进行。光敏电阻基于半导体在光照时产生光生载流子的感光原理，随着入射光强度的变化，电阻阻值也发生变化，是一个光控变阻器

3.1光敏电阻

原理：光敏电阻是利用内光电效应开发的一种光敏传感器。一般采用增加受光面积的方法来提高灵敏度，中间做成蛇形分界线。表面用塑胶做成保护层，底部采用陶瓷基板作为绝缘体。常用于做光敏电阻的材料主要是硫（S）化物、碲（Td）化物、硒（Sd）化物等半导体。光敏电阻的感光波长在380～780nm之间，与人的视力频谱约吻合。

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工作原理是由光子激发半导体材料产生电子-空穴对，即光生载流子，在外加电压的情况下做定向移动。光敏电阻的阻值大小取决于光生载流子的数目，光敏电阻级性和普通电阻一样，不分正负极。相当于一个由光控制阻值大小的滑动变阻器，所以可在直流电压环境工作也可以在交流电压环境工作。

图2 光敏电阻的工作原理

光谱范围：包括可见光，对红外线和紫外线不敏感。 优点：响应时间快，体积小，性能稳定，价格较低。 工作特性：阻值大小与光照强度成反比。 光敏电阻的性能参数：

光敏电阻也有一定的阻值范围。不同型号的光敏电阻阻值范围受制作材料，受光面积等因素的影响。在通常情况下，光敏电阻最大值在兆欧级，最小值在千欧以内。

光敏电阻的伏安特性：

图3 伏安特性曲线

(1) 在同等光照条件下，电压与电流成正比关系，I=U/R。

(2) 在同等光照下，U－Ｉ曲线是一条直线，说明电阻值是恒定的，即只与光照强度有关。

(3)在电压一定上网条件下，开始光照从无到逐渐增强的过程中，电流的随之变

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大。当光强达到某个数值时，电流不再增加，既达到饱和。

3.2光敏二极管

光敏二极管是最常用的红外光敏二极管，是红外光线极为敏感。在结构的光敏二极管和普通二极管相似，PN结光敏感的特性。因此，受光照影响电导率。光敏二极管具有单向导，所以反向电压可用于正常运行。

在光照条件下光敏二极管，也是反向电流很小的饱和，称为暗电流，此时二极管截止。当光辐射，饱和反向电流急剧增加，形成光电流，其大小由光强和光的强度变化控制。光电特性曲线如图4：

光电流（ma） 50 40 30 20 10 0 1000lx 2000lx 3000lx 4000lx 6000lx 温度25C°

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 （v）

图4 光敏二极管光电特性曲线

二极管的PN结对光特别敏感，当光的PN结，由于光子对电子的影响，PN结产生电子空穴对，使载流子数量增加，这些载流子在电场力的作用下做定向漂移运动，产生一个反向电流。因此，光照强度影响电路中的电流变化，无光时截止，有光时导通。

3.3光敏三极管

光敏三极管根据内部构造不同分为PNP和NPN两种。但实际应用比较少，工作原理和普通三极管相类似，有着对电流的放大作用，它对电流放大受两个变量的控制，一个控制变量是基极路，一个控制变量是外界光照辐射。在一般情况下基级电极不做引出，但也有特殊的情况下引出作为其他控制量。

由于光敏三极管特殊光电特性，光照强度与器件的电流电阻之间的关系也不同，

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它的光电特性曲线比较变化明显，即随光照强度的变化电阻电流变化迅速，光电特性曲线如图5和图6所示：

图5 三极管光电阻特性曲线 图6 三极管光电流特性曲线

4影响光敏传感器的主要因素

电子元件的运行，都受外界环境和工作环境的影响，如外界环境的温度、湿度、压强、光照、辐射；内部工作环境的电流、电压、磁场、电路的稳定性。影响光敏传感器的主要因子有温度、湿度等。

4.1温度对光敏电阻的影响

温度是影响光敏传感器准确性的第一要素。对于普通电阻，温度的升高会使电阻阻值变大，这与温度升高使得电子的无序运动剧烈有关。同样，作为光敏传感中电流产生的载体载流子，在同等光照条件下，载流子的无序运动强烈程度直接关系着光敏传感器的阻值，即通过光敏的电流大小。温度越高，光敏传感器中的载流子的无序运动越剧烈，所以电阻也相应变大。图7和图8为不同照度CdS光敏电阻在相同光照下不同温度对光敏电阻阻值的影响。

图7 温度对暗电阻的特性影响 图8 温度对亮电阻特性影响

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从上图可以看出，温度对光敏的准确性影响是很大的。为了降低温度对光敏准确性的影响，需要在一个温度相对恒定的环境中工作，也可以把温度传感器和光敏传感器组合在一起得出比较精确的结果。

5 光敏传感器的应用

光敏传感器实用好，在生活中也很常见，主要应用在家用电器和自动控制中十分广泛。根据光敏传感器在电路中的不同用途可以分为以下几类：自动开关，可变电阻器，信号接收器。例如在光控路灯，光控报警器，声光控开关中起的就是自动开关的作用；在智能手机屏幕亮度调节，自动避障或循迹的儿童玩具车，照相机的对焦曝光，起的作用就是可变电阻器；在电视机的遥控，光纤接口转换器中就是信号接收器。对于高电压电流电流，光敏传感器不直接控制电路通断，以免损坏，而是通过继电器来完成。

5.1光敏传感器在智能手机上的应用

在智能机普及的今天，手机的超长待机尤为重要，因此，节电是必要的一种选择， 手机从过去单一的芯片节能到现在传感器自动节能，使用诸如LXD/GB5-A1DPZ等线性光敏传感器来实现许多功能，从而达到节能，舒适的目的。

5.1.1自动感光

（1）节能（键盘感应）

在手机的使用过程中，白天可以关掉呼吸灯，按键的背光灯，在晚上根据感光自动关闭，这样既方便操作，又能起到省电效果。

（2）智能感光（LCD 屏感应）

手机屏幕亮度是耗电的一大因素，因此，随着外界光线强弱感应，自动调节屏幕背光强弱，色彩的饱和度，实现在强光下看得清晰的屏幕图像，在弱光条件下舒适，不刺眼，自动调节亮度，在保护眼睛同时也节省了电池电量

（3）拍摄自动补光感应

在大多有补光灯手机相机中，都有自动选择开补光灯的功能，在什么时候开或者关闭补光灯，这里需要一个光感电路了，常用的光感芯片有 LXD/GB5-A1DPZ。

5.1.2 应用电路

LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)是一款可见光传感器，用于数码产品的光照控制，一般采用国标LED1206的2脚贴片封装。在实际电路中，通常采用串联输出的方式，串联电流信号输出，串联一个电阻就是电压信号输出。LXD/GB5-A1DPZ(SMD1206)

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