2.7 光敏电阻传感器

2.7.1 光敏电阻传感器原理及构造概述

△ 光敏电阻器（Photoconductive Cells）是利用某些光敏材料的光电导效应工作的光电传感元件，它的电阻值能够随着外部光照强度的变化而发生改变，其性质如同一种光控可变电阻器。光敏电阻器就是通过在光的控制下改变自身电阻值使电路中相关点的电位或电流值发生改变来实现光电转换的。光敏电阻传感器具有比较高的光电响应灵敏度，光谱响应范围较宽，工作中保持电阻的特性，易于使用。并且元件构造简单，抗机械冲击性能好，允许耗散功率较大，应用十分广泛。图2-90示出了几种光敏电阻传感器的外观。

△ 无光照时，光敏电阻器的阻值很高，远高于有光照时的阻值。有光照时，当入射光波长λ小于光敏电阻器受光材料的临界波长λ0时发生光电导效应，使光敏材料的电阻率下降，致使光敏电阻器的阻值发生变化。光照强度越大，光敏电阻器的阻值下降越多。光照停止后，光敏电阻阻值复原。

△ 用于制作光敏电阻器的材料主要有硫化镉（CdS）、硫化铅（PbS）、硒化铅（PbSe）、硒化镉（CdSe）等几种。各种材料光敏电阻器的光谱响应范围也不相同，硒化铅（PbSe）、硫化铅（PbS）光敏电阻器主要用于红外区域（波长范围1～5μm）的光电检测，硫化镉（CdS）光敏电阻器主要用于可见光区的光电检测，硒化镉（CdSe）器件可用于可见光和近红外光区（波长范围0.4～1μm）的光电检测。其中硫化镉（CdS）光敏电阻器的光谱响应特性（波长范围0.35～0.8μm）最接近人眼视敏特性，本节主要介绍这种光敏电阻传感器。多数硫化镉（CdS）光敏电阻传感器的基本构造如图2-91所示。

△ 由于光电导效应只发生于受光照射的材料表层，所以在光敏电阻器中都把光电导材料制成薄膜，置于玻璃受光窗口下方。并预先赋予光电导材料薄膜一定的电阻值。CdS光敏电阻器的基本结构和横截面图如图2-91（a）和（b）所示。其中电极一般做成梳齿形，光电导材料薄膜分布于两梳齿形电极之间，梳齿形电极的构造如图2-91（c）所示。为了避免外来干扰和防潮防尘，光敏电阻器一般都被严密地封装在金属或硬塑料外壳内并用防潮树脂密封。光敏电阻传感器顶面受光窗的玻璃片有时还兼做特定光谱范围的滤光镜用。

2.7.2 光敏电阻传感器的主要特性

2.7.2.1 暗电阻、暗电流、亮电阻、亮电流及光电流的概念

△ 暗电阻：在室温下，光敏电阻传感器处于完全遮光条件下，并且经过一定稳定时间后，所测得的遮光状态下的电阻值，称为暗电阻。

△ 暗电流：在完全遮光条件下，使光敏电阻器处于暗电阻状态中，在给定的工作电压下，光敏电阻传感器中流过的电流，称为暗电流。

△ 亮电阻：有光照射时，光敏电阻传感器在某一光照度下的电阻值，称为该光照度下的亮电阻。

△ 亮电流：在某一个光照度的亮电阻值下，在给定的工作电压下，光敏电阻中流过的电流，称为该光照度下的亮电流。

△ 光电流：光敏电阻传感器在某一光照度下的亮电流值与暗电流值之差值，称为光敏电阻器在该光照度下的光电流。

△ 暗电阻、亮电阻与光反应灵敏度：光敏电阻传感器的光反应灵敏度是以其暗电阻和亮电阻的差值来衡量的。光敏电阻的暗电阻越大，且同一照度下的亮电阻越小，则其光电变换性能就越好，亦即表示光敏电阻传感器的光反应灵敏度越高。实际的光敏电阻元件，其暗阻大致在100kΩ～100MΩ范围里；亮阻大致在100Ω～200kΩ范围里。

2.7.2.2 光敏电阻传感器的光照特性

△ 光敏电阻的光电流与光照强度之间的关系，称为光敏电阻传感器的光照特性。不同类型的光敏电阻，其光照特性也不同。多数光敏电阻传感器的光照特性类似于图2-92的特性曲线。

△ 由图2-92可以看出，光敏电阻传感器的光照特性呈现出一定程度的非线性特征。在低照度区，其电阻值随照度下降较快，因而光电流随照度增长较快；在高照度区，电阻值（随照度）下降变慢，光电流（随照度）增长也变慢。

2.7.2.3 光敏电阻的光照度-电阻值特性

△ 在对数坐标系里，光敏电阻传感器的光照度-电阻值的典型特性如图2-93所示。可以看出光照强度增大，光敏电阻值减小的规律。图2-93反映出了典型光敏电阻传感器的基本特性，不同材料种类的光敏电阻器其特性曲线也有差别。

△ 在图2-93里，光敏电阻的照度-电阻特性曲线中间有一段近似直线的区域；而在低照度区和高照度区，曲线的斜率有所变化。因此，可将对数坐标系里的照度-电阻特性近似地分为三个区段：

<1>低照度的a区，曲线斜率较大；

<2>中间照度的b区，在对数坐标系里，可近似视为直线区；b区也是光敏电阻传感器的主要工作区；

<3>高照度的c区，曲线斜率较小。

2.7.2.4 光敏电阻的光照度-电阻值特性曲线的γ值

△ 不同种类的光敏电阻器，其光照度-电阻值特性曲线也有较大差异。曲线斜率一般用图2-93中的dR/dE表示。也可以用γ值表示。γ值也表示在图2-93的对数坐标系中，曲线上两点之间所连直线的斜率的绝对值。

△γ值也称为光敏电阻器的照度指数，或称为光敏电阻器的γ特性。γ值通常可用下式表示：

式中：R10——照度在10lx（即E10）照度时，光敏电阻的阻值；

R100——照度在100lx（即E100）照度时，光敏电阻的阻值。

（产品手册中，一般也常给出这种条件下的0值）

由式（2-93）可知，值是表示光照度在10～100lx之间变化时，光敏电阻器阻值的变化情况（曲线斜率）。

△ 0值越大，一定的光照度变化量能引起的电阻值变化量就越大，亦即光敏电阻器对光量变化的反应灵敏度越高。可以看出，光敏电阻的γ值也是一个可以反映光敏电阻灵敏度的参数。

△ 光敏电阻的0值一般在0.5～1之间。在光电控制系统中，多用=0.6～0.7；在摄影曝光控制中，一般使用γ=1的光敏电阻作光电传感器。光敏电阻器的γ=1，意味着光照度变化的倍数与电阻值变化的倍数相等。所以可以直接用于自动曝光控制电路中，根据光照度的变化量，自动调整曝光时间。

2.7.2.5 光敏电阻的外加电压-亮电流特性

△ 光敏电阻的外加电压、光照度及对应的亮电流之间的关系，如图2-94所示。可以看出，光敏电阻的亮电流与光照度和外加电压都有关联。

△ 由图2-94光敏电阻在不同照度E之下，外加电压U和亮电流之间的关系可以看出：

●外加电压一定时，由于光敏电阻值随着照度的增大而下降，所以，亮电流随着照度的增加而增加。

●光敏电阻的亮电流有一个特点，在最大允许工作电压及最大允许耗散功率范围内，在相同的光照度下，若增大外加电压，便可增大光电流。因此对于光敏电阻这类电阻性光电变换元件，只要增大外加电压值，便可得到较大的响应输出电流。这一点上与光电二极管不同。

●光敏电阻自身的耗散功率（自身电压降和电流的乘积），不能超过这种传感器件的最大允许耗散功率值。若超出其最大允许值，光敏电阻会由于自身发热而影响其性能，并且其γ值也会发生改变。另外，光敏电阻上所加的电压值也不能超过其最大允许外加电压值，若超出其耐压允许值，将会造成器件击穿损坏。

2.7.2.6 关于光敏电阻的灵敏度问题

△ 光敏电阻的灵敏度，可以用其电阻值随光照量的变化量来表示，也可以用其光电流随光照量的变化量来表示。但由于光电流还与外加电压有关，所以一般使用光敏电阻的暗电阻值和在指定照度E（如E=10lx）下的电阻值来表示。并且参考光敏电阻的γ值来全面反映光敏电阻的灵敏度。光敏电阻元件手册中，一般给出照度E=10lx时光敏电阻的阻值R10，测定参数所用的光源为色温2856K的标准钨丝灯。

2.7.2.7 光敏电阻的光脉冲响应特性

△ 图2-95示出了CdS光敏电阻传感器的光脉冲响应特性。用脉冲光照射光敏电阻后传感器，其响应输出值上升到稳态值的63%时，所经历的时间称为跳起时间；脉冲光消失后，其响应值下降到稳态值的37%时，所经历的时间称为衰减时间。

△ 光敏电阻传感器的响应时间，与光照度的强弱、负载电阻的大小、工作前存放的条件及环境温度等因素有关。

●负载电阻越大，光敏电阻上升时的跳起时间越短，而下降时的衰减时间越长。这一点与其他传感器不同。

●光敏电阻在工作前的存放条件，也会影响其工作时的响应速度。工作以前光敏电阻是存放在暗处的情况下，其工作时的响应速度就会变慢，并且在暗处存放的时间越长，这种现象就越明显。

● 光照强弱对光敏电阻的响应速度也有影响（如图2-95中的a曲线和b曲线）。当光敏电阻处在高照度时，响应速度较快；而在低照度时，响应速度较慢。光敏电阻一般不能在1lx照度以下使用。

●当环境温度在0～50℃范围内时，温度对光敏电阻响应特性基本无影响。但当环境温度下降到0℃以下，而光敏电阻又处在低照度下时，温度因素对光敏电阻传感器的响应速度会发生影响，这种低温、低照度环境条件，会使光敏电阻传感器的响应速度变慢，例如光敏电阻在-30℃时的响应时间约为在+20℃时的两倍。

2.7.2.8 光敏电阻传感器的光谱响应特性

△ 光敏电阻传感器的灵敏度（电阻值变化量），也会随着入射光波长的不同而发生变化。使用光敏电阻时，也要考虑到欲要检测的光信息的光谱功率分布情况，并根据入射光的波长范围，来选择与之相配的光敏电阻器。光敏电阻的光谱响应特性即指用恒定能量的不同波长光照射光敏电阻的光敏面时，光敏电阻传感器的灵敏度随入射光的波长变化的特性。

△ 图2-96给出了以硫化镉（CdS）、硒化镉（CdSe）和含硒的硫化镉（CdS-Se）为主要成分的光敏电阻传感器的光谱响应特性。使用光敏电阻传感器时，应考虑到不同材质种类的光敏电阻的峰值波长及其光谱衰减特点，按入射光波长范围选用传感器。

△ 由图2-96可见：

●以硫化镉（CdS）为主要成分的光敏电阻器的光谱响应特性最接近人眼的视敏特性。因此，人们常用硫化镉CdS型光敏电阻来做需要以人眼的视感觉为基础的光电传感器。如常将CdS型光敏电阻器用于数码相机的自动曝光控制电路、摄影照度计等。

●含硒的硫化镉（CdS-Se）光敏电阻器，由于加入了硒（Se）元素，响应速度变快。但其光谱响应峰值波长比硫化镉（CdS）大，光谱响应范围也向红外区移动。硒化镉（CdSe）光敏电阻的光谱响应的峰值波长更长，光谱响应范围更向红外区移动，对红外线较敏感。

●图中虚线所围的部分是人眼的视敏函数曲线，它反映人眼对不同波长光的视觉敏感程度。它以555nm的黄绿光为中心，在可见光波长范围（380～780nm）内对称分布。图中的视敏函数曲线用于与各种光敏电阻传感器的光谱响应曲线相对比。

2.7.2.9 光敏电阻传感器的温度特性

△ 当光敏电阻元件温度升高时，光敏电阻器的阻值会下降，并且暗电阻比亮电阻下降更多。环境温度对低照度时的电阻值的影响比在高照度时影响更大。因此，当环境温度升高时，光敏电阻的亮电阻与暗电阻之差值会减小，这意味着光敏电阻传感器的光电流会有所降低。图2-97示出了CdS光敏电阻在光照度一定时光电流与环境温度的关系曲线。可以看出环境温度上升时CdS光敏电阻的光电流会有所下降。

△ 光敏电阻的温度系数α反映出温度因素对光敏电阻阻值的影响。在光源和照度一定时，温度系数α表示环境温度每上升1℃时，光敏电阻阻值的平均变化率。当环境温度由T1变为T2时，光敏电阻的温度系数α可表示为

式中，R1为在一定的光源和照度下，环境温度为T1时的光敏电阻值；R2为在同样的光源和照度下，环境温度为T2时的光敏电阻值。

△ 光敏电阻的温度系数越小其温度稳定性就越好。同一个光敏电阻器，在低照度时和高照度时其温度系数是不一样的，在高照度时，温度系数比较小，温度稳定性较好。在低照度时，光敏电阻阻值的温度系数比较大，温度稳定性较差，使用中应注意环境温度因素对暗电阻的影响。

△ 图2-98示出了不同照度条件下光敏电阻传感器的电阻值随环境温度变化的情况。以环境温度20℃时光敏电阻的阻值变化率（受光后的下降率）为基准（100%），在同一照度下，温度上升时光敏电阻值的变化率（下降率）会增大，温度下降时光敏电阻值的变化率（下降率）会减小，这表明环境温度上升会使光敏电阻值以更大的比率下降。并且在不同的照度下这个比率的变化也不相同。

△ 由图2-98还可以看出，以温度20℃为中心温度，在光源和照度一定时，环境温度变化越大，光敏电阻值的变化率相对于中心值（100%）的改变量也越大。当光照度由高到低依次改变时，对应的电阻值变化率曲线的钭率也依次变大，此即表明温度对低照度时的阻值的影响程度比高照度时更大。这也意味着温度对光敏电阻暗电阻值的影响程度比对亮电阻更大。总的来讲，光敏电阻受环境温度影响较大，尤其在低照度（1lx以下）时影响更为显著。使用中应注意到这一点，防止在遮光时或低照度时由于温度升高使暗电阻减小过限，避免引起误动作。

2.7.2.10 光敏电阻传感器的最大耗散功率

△ 光敏电阻工作时，其电阻值随着入射光强度的变化而改变，元件中流过的电流也随着入射光强度的变化而变化，当光敏电阻两端所加的电压一定时，元件上所加的电压值U与元件中流过的电流值I的乘积不可以超过元件参数表中规定的最大允许耗散功率值。光敏电阻工作过程中，元件两端电压U不可以超过参数表中规定的最大允许外加电压值UM；并且应知晓在接收最大光强度时光敏电阻实际可以达到的最小亮电阻值RM，并使值不超过元件的最大耗散功率值。使用光敏电阻传感器时应在规定的最大允许值之下留有30%以上余地，以保持元件性能的稳定性和工作的可靠性。若超过光敏电阻元件规定的极限最大值，会导致元件发热、性能下降，严重时还会损坏光敏电阻传感器。

2.7.3 光敏电阻传感器的参数说明

2.7.3.1 典型光敏电阻传感器件的参数

△ 以日本滨松光电子公司生产的P201D-5R硫化镉（CdS）光敏电阻器为例，说明具体光敏电阻传感器的参数和特性。图2-99示出了P201D-5R光敏电阻传感器的外观和外形尺寸。

△P201D-5R（CdS）光敏电阻传感器的主要参数如下。测试条件为色温2856K标准钨丝灯光源照射，环境温度25℃。

型号： P201D-5R；

生产厂家： 日本滨松光电子公司；

最大允许外加电压：100V；

最大允许耗散功率：50mW；

工作温度范围： -30～+60℃；

峰值波长： 520nm；

暗电阻值（0lx时）： 20 MΩ（min）（用10lx光照射后，遮光10s后，测得的暗电阻值）；

亮电阻值（10lx时）：48kΩ（min）～140kΩ（max）；

值： 0.90；

响应时间（10lx时）：跳起时间为50ms，衰减时间为20ms。

光敏电阻传感器的上述参数中，最能反映光敏电阻工作性能的参数有三个，即亮电阻值、0值和响应时间值。这三个参数在选择光敏电阻时最为重要。

2.7.3.2 典型光敏电阻的光照度-电阻特性

图2-100示出了P201D-5R的光照度-电阻特性。由图可见P201D-5R在较宽的照度范围里，其电阻值可随照度的变化；在对数坐标系里，特性曲线在大部分区域呈现直线特征，只是在低照度区域曲线斜率有所增大。

2.7.3.3 计算光敏电阻的γ值

△ 以P201D-5R光敏电阻传感器为例，计算光敏电阻的γ值。由图2-100中的P、Q两点的参数值，可计算出对应此两点的值，即

式中：EP=10lx（P点对应的照度值）；

EQ=1 0 0lx（Q点对应的照度值）；

RP=33k Ω（EP照度下光敏电阻P201 D-5 R的电阻值）；

RQ=4.8k Ω（EQ照度下光敏电阻P201 D-5 R的电阻值）。

△ 将EP、EQ、RP、RQ的具体数据代入式（2-95）中，可得P201D-5R在P、Q两点间的γ值为

2.7.3.4 计算光敏电阻（P201D-5R）在任一照度下的电阻值

△ 由于CdS光敏电阻的阻值是随着光照度的增大而减小，所以式（2-95）中的为负值。而恒为正值，因此式（2-95）可写为

对式（2-96）应用对数换底公式，可得

则

即

△ 由式（2-97），可写出任一照度EX下的光敏电阻值RX，

即

式中：EX——任一照度值；

EK——某已知照度值；

RX——EX照度下的电阻值；

RK——EK照度下的电阻值；

——EX、EK两照度间的γ值。

△ 例题：试计算P201 D-5 R在EX=60lx时的电阻值RX。

根据图2-100曲线，先取得EX和EP两照度参数，即已知：EP=10lx；RP=33k Ω；由于EX和EP两照度间的值，基本上与EQ和EP间的值相同（基本在同一直线上），所以可以认为：。

由式（2-98）之含义，可有

则

由此可知，光敏电阻P201D-5R在室温（25℃）下，光照度为60lx时，其阻值为7.33kΩ。

2.7.4 光敏电阻传感器的应用电路

2.7.4.1 基本接法一：光敏电阻RG与负载电阻RL串联输出方式

△ 图2-101示出了光敏电阻RG与负载电阻RL串联输出的电路。这种输出方式是光敏电阻最简单的连接使用方法，可以后续放大和信号处理电路。

△ 图2-101电路的输出电压Uo为

这种电阻串联式接法在电源电压UC发生变化时会直接影响输出电压Uo，因此，在精确测光电路中对电源UC的电压及RG、RL阻值的温度稳定性要求很高。这种串联分压式输出方式经常用在各种光电开关和数码像机自动曝光电路的受光头中。

2.7.4.2 基本接法二：光敏电阻RG作为电桥中的一臂来使用

（1）图2-102是一个电桥式输出电路

△ 光敏电阻RG作为电桥电路中的一臂来使用。电桥平衡条件是在

RG·RC=RA·RB时，Ua=Ub（即Uab=0）。

△ 图2-102电路中电桥失衡时的输出电压Uo为

这种形式的电路中，调整RB可使电桥预先平衡；当光敏电阻RG变化将光信息导入电桥时，便形成失衡信号电压Uo输出。且电源电压变化对桥路平衡无影响，工作较为稳定。这种电路作为受光头电桥，配合后续的信号放大和处理电路应用较多。

（2）图2-103是图2-102电桥的改进电路

△ 图2-103与图2-102电路的原理相同。只是光敏电阻RG与普通电阻RD并联，作为电桥中的一臂来工作。

△ 图2-103形式的电路多用于大动态范围受光的场合。光敏电阻RG与电阻RD并联，可以压缩输出信号的变化幅度。如果RG的电阻值在低照度时增大，由于有并联电阻RD存在，便可以抑制其一臂电阻的过大变化，从而抑制输出阻抗的增大。电桥中的可变电阻RB用于调整电桥平衡点。这种电路对γ指数较大的光敏电阻效果比较明显。

△ 图2-103的电桥平衡条件是（RG∥RD）·RC=RARB时，Uo=0。

电桥失衡时的输出电压Uo为

2.7.4.3 光量平衡电桥

△ 图2-104是一种光量平衡电桥电路。若光敏电阻RG1和RG2的受光量相同（阻值相等），则电桥平衡，输出电压Uo为0；当两个光敏电阻RG1和RG2的入射光量不相等时，电桥失衡，便可取出输出电压。可变电阻RA用于调整电桥平衡，补偿RG1和RG2的阻值差异。这种电路可用于需要光电自动定位及光电自动跟踪的装置中。

2.7.4.4 光电控制器电路一

△ 图2-105是一种在有光照时接通电路的亮通型光电控制器电路。当有光照射时，硫化镉光敏电阻CdS的阻值减小，使晶体管Q1的基极电位高于发射极电位US，则晶体管Q1导通；晶体管Q2和Q3也随之导通。继电器B通电动作接通开关。电位器值RP可以调整US电位的高低，用来设定开启光电开关的光照度水平。减小RP值，可调低开启光电开关的最低照度水平；增大RP值，可调高开启光电开关的最低照度水平。

2.7.4.5 光电控制器电路二

△ 图2-106是一种当有光照射时切断电路，无光照射时接通电路的暗通型光电控制器电路。当光照消失（无光照）时，硫化镉光敏电阻CdS的阻值增大，K点电位下降，使晶体管Q1截止，使晶体管Q2的发射电位下降、而基极电位上升，致使Q2导通。导致晶体管Q3导通，致使Q4也导通，使继电器K通电动作接通开关。

△ 为了使暗通特性稳定，防止有微光时发生误导通动作，设置了由Q1和Q2组成的导通迟滞电路，使光电开关只在受光量低于指定照度（足够黑暗）时才会导通。只有在光照量低于指定照度值时，晶体管Q1才会完全截止，这样才会使Q1的集电极电位足够高，同时使Q1的发射极电位足够低，才能使晶体管Q2导通。当光照量高于指定照度值（不完全黑暗）时，晶体管Q1不会完全截止，Q1的集电极电位较低，而发射极电位较高，这样就不能使晶体管Q2导通，从而避免了暗通型光电控制电路在不完全黑暗时发生误导通动作。电位器RP值可用来设定开启光电开关的动作照度水平。增大RP值，可调低开启光电开关的最高照度水平；减小RP值，可调高开启光电开关的最高照度水平。

2.7.4.6 曝光时间自动控制电路

△ 图2-107是能够控制曝光时间，在经过了指定时间长度T时，自动关闭快门的自动曝光控制电路。电路中积分电容C和光敏电阻RG，共同构成的定时器电路，用来自动控制曝光时间T。当S1断开时快门联动开启，曝光开始计时；曝光时间够了时，快门关闭器 M动作，关闭快门。完成一次时间长度为T的曝光过程。二极管D用来吸收快门关闭器M可能产生的反向电动势的干扰。

△ 图2-107电路工作过程：当S1断开时，电容C通过光敏电阻RG充电，A点电位逐渐升高；光照度越高，RG阻值就越小，RC时间常数τ就越小，充电速度就变快。若使用γ=1的光敏电阻，则光敏电阻值的变化量，能自动与外界光照度的变化量相对应。这样便能随照度自动改变RG，从而自动改变曝光时间量（RC充电控制），使曝光时间自动对应外界照度的变化，实现自动曝光时间控制。

△ 电路中P为电压比较器。UE为基准电压，加于电压比较器P的反相输入端；A点电压（C的充电电压值）加于P的同相输入端。当A点电压充到UE时，电压比较器P反转，使快门关闭器M动作，关闭快门。完成一次曝光时间为T的曝光过程。

△ 计算曝光时间T：因为快门关闭器M动作时UA=UE，所以

对式（2-104）两边取对数，有

则曝光时间T为

若设：UE/UC=k，则曝光时间T可表示为

△ 可见，曝光时间T与电容C和光敏电阻值RG（对应光照量），以及设定的UE/UC比值k有关。光照量增大，RG值对应减小，T值亦对应缩短。可变电阻RP1及RP2用于调整UE/UC比值k，以调整曝光时间适应不同的感光度模式。

由于，所以增大电阻RP2/RP1的比值，可以增大k值，延长曝光时间。