Proteus仿真技术在光电传感器教学中的应用-精品文档.pdfVIP

Proteus仿真技术在光电传感器教学中的应用

基金项目：本文系高等职业学校专业骨干教师国家级培训项

目电气自动化技术企业顶岗培训（项目编号的研究

成果。

光电传感器是传感器与检测技术的一项重要内容，广泛应用

于各种光控电路。光电传感器能够将光信号转换为电信号，利用

一些特定材料的光电效应来实现对光信号的检测。由于是对光信

号的检测，光电传感器在教学中搭建实物试验比较困难，内容显

得较为抽象，有一定的教学难度，学生学习也有难度。笔者经过

教学实践，利用计算机仿真技术，通过Proteus软件，搭建光电

传感器虚拟实验，取得了较好的教学效果。

一、Proteus仿真教学简介

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图

布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB

设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。使用Proteus软

件进行传感器及其检测电路设计是虚拟仿真技术和计算机多媒

体技术相结合的综合运用，有利于培养学生的电路设计能力及仿

真软件的操作能力；在教学实践中，通过使用Proteus软件对

学生进行教学，在不需要硬件投入的条件下，学生普遍反映对传

感器的学习比单纯学习书本知识更容易接受，更容易提高。实践

证明，使用Proteus进行系统仿真开发成功之后再进行实际制

作能极大提高系统设计效率。

二、光电效应及光电器件的Proteus仿真

1.光电效应

光可以认为是一种能量传递的方式，它是由一定能量的粒子

组成，这种粒子叫做光子。光的频率越高，光子的能量越大，用

光照射物体，可以看做是光子对该物体的一系列撞击，物体的粒

子接受光子的撞击后获得能量，产生的电效应就是光电效应。光

电效应分为内光电效应和外光电效应。光照射在某一物体上，使

电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电现象，也叫做光电发

射。当光照射于某一物体上，使物体的导电能力发生变化，这种

现象叫做内光电效应，也叫做光电导现象。利用内光电效应可以

制成光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等光电转

换器件，这些都是常见的光电传感器。

2.光电器件的Proteus仿真

利用光电效应可以制作出各种类型的光电转换器件，即光电

传感器。常见的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、

光电池、光电管等。

（1）光敏电阻。光敏电阻是基于内光电效应的光敏传感器，

当有光照射时，其电阻值降低；光照越强，阻值越小。其暗电阻

一般为1MΩ，其亮电阻（当光照为10lX时）一般为几百欧姆到

几千欧姆。光敏电阻一般是将半导体材料粉末烧结在陶瓷衬底上

面，形成一层膜，用两个引线引出。有的在外部用防潮材料或者

玻璃外壳将其密封，起到保护作用。按照光谱特性及其工作波长，

光敏电阻可分为紫外光、红外光和可见光光敏电阻。通过Proteus

提供的光电元件，搭建的光敏电阻电路如图1所示，可以通过调

节图中模拟的灯照强度来仿真光照的强度，箭头向上调节是光照

加强，向下调节是光照减弱。通过调节光照强度可以在LDR1中

获得一个随光照变化的电流，加上电阻分压电路，就可以构成一

个光电电阻的仿真模型。当光照强度越大时，电流越大，电阻越

小。此电路中，电流经电阻转换成电压，光照越强，输出电压越

大。

（2）光敏二极管和光敏三极管。光敏二极管是一种利用PN

结的单向导电性的结型光敏传感器，与一般的二极管不同的是，

PN结上装有透明的外壳，用来接受光照。光敏三极管与普通三

极管一样，有PNP和NPN两种类型，有两个PN结，其中集电结

具有光敏特性，相当于一个光敏二极管。在应用时，集电结反偏、

发射结正偏，在光照的影响下可以等效看成是光敏二极管产生的

光电流在三极管中进行放大，其光电流比光敏二极管的光电流要

大很多，也就是光敏三极管的灵敏度比光敏二极管要高。光敏三

极管常用的材料一般是硅，一般只引出集电结和发射结，外形和

发光二极管相同。光敏三极管的Proteus