徐蓓蓓,宦 強

(華東師范大學(xué)物理系,上海200241)

1 引 言

光電器件具有很多的應(yīng)用場合,而不同器件在光與電信號的轉(zhuǎn)換上又會呈現(xiàn)出各種特性,要研究這些內(nèi)容則需要一套使用方便、測量準確、不受環(huán)境光照影響的儀器.現(xiàn)研制出的光電信號轉(zhuǎn)換特性儀,在結(jié)構(gòu)上具有4個方面的創(chuàng)新點:1)螺桿傳動結(jié)構(gòu),可精細地調(diào)節(jié)光電器件間的距離;2)暗箱結(jié)構(gòu),可避免環(huán)境光照的干擾和影響;3)讀數(shù)結(jié)構(gòu),可直接讀出光電器件在暗箱內(nèi)所處的位置;4)更換器件的接口結(jié)構(gòu),可方便地更換不同的光電測量器件.

圖1 螺桿傳動

2 儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作

2.1 螺桿傳動結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作

本實驗儀器在變化光電器件的位置上,采用了螺桿傳動結(jié)構(gòu)來調(diào)節(jié)和控制器件的位移.

螺桿傳動由直螺桿、螺母和機架組成,如圖1所示.螺桿為主動件,作轉(zhuǎn)動用;螺母為從動件,即當螺桿轉(zhuǎn)動時,將帶動嚙合在旁的螺母作左右移動.該裝置主要用于將主動件的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭蛹闹本€運動,即將轉(zhuǎn)矩力轉(zhuǎn)換成推動力.而手搖鼓輪與螺桿連接,當轉(zhuǎn)動鼓輪搖把時,螺桿隨之轉(zhuǎn)動.在普通螺桿傳動中,螺桿轉(zhuǎn)動1圈則帶動螺母移動1個螺距.現(xiàn)將光電器件分別置于機架上的固定端和可移動端,通過轉(zhuǎn)動鼓輪可任意、細致地改變光電器件的間距.

2.2 暗箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作

本實驗儀器中的暗箱設(shè)計如圖2所示.為了能在正常的環(huán)境光照條件下做實驗,即不用將儀器刻意地置于避光處,對暗箱的要求是既不能射入環(huán)境光,又要求能很方便地打開或關(guān)閉暗箱,以便對箱內(nèi)的光電器件進行更換;同時還要滿足箱內(nèi)的光電器件間距能根據(jù)需要進行變化.圖2中一粗一細2個超過半圓的筒是套在一起的,組合成了可開可閉的暗箱,圖2中展示了暗箱開啟和閉合的狀態(tài).具體制作是將較細的1根塑料管垂直橫截面切去1/4,制作成留有270°周邊長的暗箱主體.然后將較粗的1根塑料管切割成半圓筒,制作成遮光罩套在暗箱主體外面.兩圓筒套內(nèi)的間距約3 mm,兩圓筒開口邊緣均粘有遮光毛條,既便于讀數(shù)指針與箱內(nèi)的可移動器件進行連接,又防止指針在左右移動時射入干擾的環(huán)境光,如圖3所示.

圖2 暗箱

圖3 主要結(jié)構(gòu)

暗箱主體和遮光罩的兩端分別嵌在金屬支架兩邊的2個圓形凹槽中,如圖4所示.暗箱主體固定,而遮光罩可以順著圓形凹槽進行旋轉(zhuǎn),起到開、閉暗箱的作用.暗箱內(nèi)壁上涂有均勻的黑色吸光材料.

圖4 圓形凹槽

2.3 外接刻度尺結(jié)構(gòu)的設(shè)計和制作

由于發(fā)光器件和接收器件是安裝在暗箱中,在實驗時不能用測量長度的工具直接在暗箱外面測得兩器件的間距.所以設(shè)計了外接的讀數(shù)指針與暗箱內(nèi)接收器件連接的裝置,如圖3所示.即用金屬條制作1根指針,其讀數(shù)端是安置在暗箱外,而金屬條的另一端則穿過大小2個半圓筒間的狹縫后與暗箱內(nèi)的接收器件相連,當遮光罩處于關(guān)閉狀態(tài)時,使得實驗者在暗箱外即可知道接收器件在暗箱內(nèi)的準確位置,同時又使得環(huán)境光照不會影響到暗箱內(nèi)的接收器件.

2.4 更換器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計與制作

因本實驗在測量上需要研究各種光敏器件的光電轉(zhuǎn)換特性,考慮到更換器件的方便,現(xiàn)設(shè)計了統(tǒng)一的接插口裝置,見圖5.即當暗箱外的遮光罩旋轉(zhuǎn)至開啟狀態(tài)時,能根據(jù)需要很方便地拔下原器件或插上新的器件,則對研究問題起到了便利作用.整臺儀器的外形如圖6所示.

圖6 實驗儀器實物圖(暗箱開啟狀態(tài))

3 測量數(shù)據(jù)

3.1 硅光電池的光照特性測試方法

在研制成的本儀器上,現(xiàn)按圖7的電路做了硅光電池光照特性的測試.在實驗時,先在儀器暗箱的左端插上小燈泡,右端插上硅光電池,接通K1,斷開 K2,然后關(guān)閉遮光罩后旋轉(zhuǎn)手動鼓輪,通過分壓原理測出小燈泡與硅光電池在不同間距時的開路電壓UOC,或接通 K2后測出不同的光照度下,硅光電池的短路電流 ISC值,其中短路電流為 ISC=UR2/2(取樣電阻 R=4.7 kΩ).實驗時,光電器件間距每次可變化2 cm左右,測出相應(yīng)得到的開路電壓和短路電流.電源電壓取4.5 V左右,測出的實驗數(shù)據(jù)見表1.利用光照度與光照距離成平方反比的關(guān)系,設(shè)光照距離為26 cm時光照度為J0.

圖7 實驗電路圖

表1 實驗數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出硅光電池的光照特性曲線,見圖8.曲線的擬合結(jié)果驗證出開路電壓與光照度之間為對數(shù)關(guān)系,并具有飽和性.而短路電流與光照度之間也有類似的相關(guān)性.即從測試的結(jié)果可見,該新型的光電信號轉(zhuǎn)換特性實驗儀能符合實驗的要求,同時適合各種光電器件(光敏二極管、光敏電阻、光敏三極管等)特性方面的研究.

圖8 硅光電池光照特性

本文主要敘述了新型光電信號轉(zhuǎn)換特性實驗儀的設(shè)計和研制,并通過對硅光電池這一典型器件的性能測試和數(shù)據(jù)分析,在驗證了硅光電池的光照特性基礎(chǔ)上,同時也檢驗了該儀器的適用性.

4 結(jié)束語

[1] 楊介信,宦強.普通物理實驗(電磁學(xué)部分)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2] 馬葭生,宦強.大學(xué)物理實驗[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2001.