曹顯瑩 曲陽 郭春來

(哈爾濱石油學(xué)院實(shí)驗(yàn)中心 黑龍江 哈爾濱 150000)

光敏傳感器是將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接引起光強(qiáng)度變化的非電量，如光強(qiáng)、光照度、輻射測溫、氣體成份分析等；也可用來檢測光能轉(zhuǎn)換成光量變化的其他非電量.光敏傳感器具有非接觸、響應(yīng)快、性能可靠等特點(diǎn)，因而在工業(yè)自動(dòng)控制及智能機(jī)器人中得到廣泛應(yīng)用.光敏二極管，響應(yīng)速度快、頻率響應(yīng)好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應(yīng)用于可見光和遠(yuǎn)紅外探測，以及自動(dòng)控制、自動(dòng)報(bào)警、自動(dòng)計(jì)數(shù)等領(lǐng)域中的生產(chǎn)設(shè)備和檢測裝置.

為了增加學(xué)生對(duì)光敏傳感器的了解，大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)課開設(shè)了光電傳感器特性測量實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備和測試方法都比較傳統(tǒng)，目前我校使用的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備是某公司生產(chǎn)的D-GD-III型號(hào)的光電傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，測量方法是學(xué)生通過測量數(shù)據(jù)點(diǎn)，然后繪制光敏傳感器的光照曲線和伏安曲線，因此，學(xué)生在測量過程中需要大量的數(shù)據(jù)點(diǎn)，比如，在繪制光照曲線時(shí)，學(xué)生一般需要記錄40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，在記錄的過程中學(xué)生普遍感到枯燥而厭煩，難免在記錄過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤，在繪制圖像時(shí)，需要將眾多的數(shù)據(jù)點(diǎn)繪制到計(jì)算紙上，這個(gè)過程不僅耗時(shí)而且繁瑣，在繪制過程中，曲線擬合十分粗糙，造成畫出的圖像與理論不相符合，有些學(xué)生為了使自己的測量結(jié)果接近實(shí)驗(yàn)結(jié)果，個(gè)人的主觀因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響較大，學(xué)生會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)儀器、理論知識(shí)出現(xiàn)懷疑，如果在這時(shí)我們能將傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器與計(jì)算機(jī)結(jié)合，利用計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制、采集、記錄、分析數(shù)據(jù)，使用Origin數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理數(shù)據(jù)，不僅省時(shí)還能得到更客觀的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和直觀的圖像.

虛擬儀器技術(shù)是現(xiàn)代儀器技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，利用計(jì)算機(jī)軟件代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器的硬件實(shí)現(xiàn)信號(hào)分析、數(shù)據(jù)處理和顯示等多種功能[1].虛擬儀器利用 LabVIEW 圖形化語言，具有開發(fā)效率高、界面美觀友好、擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)[2].

基于虛擬儀器等特點(diǎn)，本文基于美國國家儀器公司(簡稱NI)的NI USB-6003數(shù)據(jù)采集器[3，4]，結(jié)合目前使用的D-GD-III型號(hào)的光電傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，使用LabVIEW設(shè)計(jì)了測量光電傳感器特性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，介紹了使用NI USB-6003數(shù)據(jù)采集卡的實(shí)驗(yàn)方法，信號(hào)采集的電路設(shè)計(jì)，數(shù)據(jù)分析，利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并與使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)方法測量方便靈活，實(shí)時(shí)直觀，并具有較好的擴(kuò)展性.學(xué)生可以利用該實(shí)驗(yàn)方法，自己設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)有關(guān)物理量進(jìn)行測量和分析.

1 測量光敏二極管基本特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖如圖1所示，核心是1臺(tái)NI USB-6003數(shù)據(jù)采集器，有2個(gè)模擬信號(hào)輸入通道CH0和CH1，采樣速率100 kHz，雙通道采集時(shí)每通道可達(dá)到50 kHz的采樣率，采樣精度為16位.輸入數(shù)據(jù)采集卡的兩路信號(hào)作為CH0的光照信號(hào)和CH1的光電流信號(hào).

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理框圖

主電路的左半部分為光照信號(hào)，利用一只可調(diào)電源向小燈泡A供電，電路中串接一只電阻器R1，實(shí)驗(yàn)過程中通過調(diào)節(jié)可調(diào)電源來調(diào)節(jié)小燈泡A的光強(qiáng)，此時(shí)利用數(shù)據(jù)采集卡輸入通道CH0采集電阻器R1兩端電壓UR1，UR1與R1成正比，其中，本實(shí)驗(yàn)所用的小燈泡的規(guī)格為12 V，10 W，輸出電流I取值在0～800 mA，可調(diào)電源E1取值在0～12 V，故我們選取的電阻R1為0.6 Ω.

主電路的右半部分代表光電流信號(hào)，同樣將光敏二極管電路中串聯(lián)一只電阻器R2，數(shù)據(jù)采集卡輸入通道CH1采集電阻器R2兩端電壓UR2，UR2與R2成正比，其中，E2為穩(wěn)壓電源，E2的調(diào)節(jié)范圍在0～12 V，電阻R2的取值基于D-GD-III型光傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，由于本實(shí)驗(yàn)是將數(shù)據(jù)采集卡連接到實(shí)驗(yàn)儀上，而實(shí)驗(yàn)儀中的電阻R2為固定值1 kΩ.

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)

基于LabVIEW的測控軟件包括參數(shù)設(shè)定、數(shù)據(jù)采集、I-U曲線實(shí)時(shí)顯示、數(shù)據(jù)記錄及保存和數(shù)據(jù)分析等功能，其中光敏二極管的光電流和光照電流的前面板如圖2所示，參數(shù)設(shè)定模塊可對(duì)R1兩端的電壓UR1和R2的兩端電壓UR2進(jìn)行設(shè)定，數(shù)據(jù)采集模塊可對(duì)UR1和UR2值進(jìn)行測量，I-U關(guān)系曲線模塊把UR1和UR2值分別還原為電流IR1和電壓IR2后實(shí)時(shí)顯示，數(shù)據(jù)記錄及保存模塊把IR1，IR2值和實(shí)驗(yàn)參數(shù)量寫入用戶文件，數(shù)據(jù)處理主要完成對(duì)UR1按照標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換成為電流IR1，對(duì)UR2按照標(biāo)定系數(shù)轉(zhuǎn)換為IR2，畫出IR1-IR2曲線.

圖2 光敏二極管的光電流和光照電流前面板圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 光敏二極管的光照特性曲線

所謂光敏二極管的光照特性就是測定光敏二極管在不同的外加電壓U下，光電流Iph隨光照的變化情況.

圖3為由圖2采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出的Origin數(shù)據(jù)處理軟件所做的圖像[5]，其中實(shí)線為Origin軟件直線線性擬合，y=kx+b，其中擬合的斜率

k=0.034 52b=-0.008

圖3 利用Origin軟件擬合的光照特性曲線

2.2 光敏二極管的伏安特性曲線

光敏二極管的伏安特性是指測定在不同光照下光電流Iph隨電壓U的變化.

由于本校實(shí)驗(yàn)過程中所用的光電傳感器實(shí)驗(yàn)箱的穩(wěn)壓電源E2電壓不能從0～12 V逐漸調(diào)節(jié)，本文選擇的電壓點(diǎn)為 2 V,4 V,6 V,8 V,10 V,12 V，圖4為光敏二極管伏安特性數(shù)據(jù)采集曲線，光照電流分別在0.6 A,0.7 A,0.8 A，圖4為由圖2采集數(shù)據(jù)導(dǎo)出的Origin數(shù)據(jù)處理軟件所做的圖像.

圖4 利用Origin軟件繪制的伏安特性曲線

3 討論與分析

圖5和圖6分別是學(xué)生利用描點(diǎn)法繪制的光敏二極管光照曲線和伏安曲線，學(xué)生使用的是D-GD-III型光傳感器特性綜合實(shí)驗(yàn)儀，其中圖5在E2=6 V,E2=8 V時(shí)的兩條光照曲線，從圖中可以看出，每條曲線均需要記錄大概40個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，數(shù)量很大與理論圖像相比較，結(jié)果比較相似，將圖3和圖5進(jìn)行比較，結(jié)果比較相似，與理論結(jié)果相比，圖3更加吻合.

圖5 描點(diǎn)法繪制光敏二極管光照曲線

圖6是光照電流分別在600 mA,700 mA,800 mA的光敏二極管的伏安曲線，共需要記錄18個(gè)點(diǎn)，通過與圖4和圖6進(jìn)行對(duì)比，采用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所得到的圖與教學(xué)儀器得到的結(jié)果基本符合，并且更加接近理論結(jié)果.

圖6 描點(diǎn)法繪制光敏二極管伏安曲線

4 結(jié)論

本文將數(shù)據(jù)采集器與傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)儀器相結(jié)合，測了光敏二極管的光照特性曲線和伏安特性曲線，利用數(shù)據(jù)采集器采集數(shù)據(jù)，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，利用Origin數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將該實(shí)驗(yàn)方法與使用傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)儀器測量數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)該實(shí)驗(yàn)方法大大提高了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測量的精度和實(shí)驗(yàn)效率，學(xué)生可以針對(duì)不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，自己設(shè)計(jì)合適的實(shí)驗(yàn)電路，對(duì)有關(guān)物理量進(jìn)行測量和分析.這樣既豐富了物理實(shí)驗(yàn)課程的內(nèi)容，又可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性和主動(dòng)性.