光电子-颜色识别系统的设计.docVIP

颜色识别系统设计实验 实验目的 1、了解颜色传感器的组成及工作原理 2、了解颜色传感器的基本特性 3、掌握颜色传感器的应用 二、实验内容 1、颜色传感器短路电流测试实验 2、颜色传感器开路电压测试实验 3、颜色传感器颜色识别实验 4、设计实验：颜色传感器颜色识别设计实验 三、实验仪器 1 、光电创新实验平台主机箱 2 、颜色识别系统设计模块 3 、万用表 4、连接线 四、实验原理 1 、颜色传感器的基本结构 颜色传感器是由三个 Si-PIN 光电管以及在片滤波器集成在一起的，每个光电管都各自有三种颜色之一的滤波器。它具备小尺寸设计，高质量滤波器和三种颜色同步记录的特点。三个不同区域的颜色识别响应，类似于人眼。每个光电管对相应光谱滤波器的颜色光最敏感，主要是红色，绿色，蓝色，适用于彩色扩影、彩色印刷、色彩鉴别电路。 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，颜色传感器是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解颜色传感器的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体 PN 结原理和光电效应理论。 图 13.1 是半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当 P 型和 N 型半导体材料结合时，由于 P型材料空穴多电子少，而 N 型材料电子多空穴少，因此 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散，N型材45 料中的电子向 P 型材料这边扩散，扩散的结果使得结合区两侧的 P 型区出现负电荷，N 型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在 PN 结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当 PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当 PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为 PN 结的单向导电性,电流方向是从 P 指向 N。 2 、颜色传感器的工作原理　 颜色传感器是由三个Si-PIN光电管以及在片滤波器集成在一起的，除了响应波段与光电二极管不同外，电气性能是一致的，因此，了解了每个光电管的响应波段后，我们就可以把颜色传感器当做光电二极管来研究。下面来介绍一下光电二极管的工作原理： 光电管(PD)把光信号转换为电信号的功能，是由半导体 PN 结的光电效应实现的。 在耗尽层两侧是没有电场的中性区，由于热运动，部分光生电子和空穴通过扩散运动可能进入耗尽层，然后在电场作用下， 形成和漂移电流相同方向的扩散电流。 漂移电流分量和扩散电流分量的总和即为光生电流。当与P层和N层连接的电路开路时，便在两端产生电动势，这种效应称为光电效应。 当连接的电路闭合时，N 区过剩的电子通过外部电路流向 P 区。同样，P 区的空穴流向N 区， 便形成了光生电流。 当入射光变化时，光生电流随之作线性变化，从而把光信号转换成电信号。这种由 PN结构成，在入射光作用下，由于受激吸收过程产生的电子 - 空穴对的运动，在闭合电路中形成光生电流的器件，就是简单的光电二极管。 如图 13.2(a)所示，光电二极管通常要施加适当的反向偏压，目的是增加耗尽层的宽度，缩小耗尽层两侧中性区的宽度，从而减小光生电流中的扩散分量。由于载流子扩散运动比漂移运动慢得多，所以减小扩散分量的比例便可显著提高响应速度。但是提高反向偏压，加宽耗尽层，又会增加载流子漂移的渡越时间，使响应速度减慢。 3 、颜色传感器的基本特性　 (1) 短路电流 如图13.3 所示，不同的光照的作用下， 毫安表如显示不同的电流值。即为颜色传感器的短路电流特性。 (2)开路电压 如图13.4 所示，不同的光照的作用下， 电压表如显示不同的电压值。即为颜色传感器的开路电压特性。 (3) 光谱特性 一般光电探测器的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下，探测器所产生短路电流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应度表示，本实验中颜色传感器的光谱响应曲线如下图13.5所示： 五、实验数据 颜色传感器短路电流特性测试 将光源与探测器的距离由10cm开始逐渐调近，每隔2cm用万用表测量一次颜色传感器各个部分的电流值，并记录下来，如图表1： 表1颜色传感器短路电流特性测试 红光距离（cm） 10 8 6 4 2 光生电流（uA） 0.5 0.7 0.9 1.1 2.4 绿光距离（cm） 10 8 6 4 2 光生电流(uA) 1.4 1.8 1.9 1.3 0.9 蓝光距离(cm) 10 8 6 4 2 光生电流(uA) 3.9 5.4 8.3 10.6 16.6 2、颜色传感器开路电压特性测试 将光源与探测器的距离由10