新型光電信號轉換特性實驗儀的研制

徐蓓蓓,宦 強

(華東師范大學物理系,上海200241)

1 引 言

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

圖1 螺桿傳動

2 儀器結構的設計與制作

2.1 螺桿傳動結構的設計與制作

本實驗儀器在變化光電器件的位置上,采用了螺桿傳動結構來調節和控制器件的位移.

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,作轉動用;螺母為從動件,即當螺桿轉動時,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運動轉變為從動件的直線運動,即將轉矩力轉換成推動力.而手搖鼓輪與螺桿連接,當轉動鼓輪搖把時,螺桿隨之轉動.在普通螺桿傳動中,螺桿轉動1圈則帶動螺母移動1個螺距.現將光電器件分別置于機架上的固定端和可移動端,通過轉動鼓輪可任意、細致地改變光電器件的間距.

2.2 暗箱結構的設計與制作

本實驗儀器中的暗箱設計如圖2所示.為了能在正常的環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境光,又要求能很方便地打開或關閉暗箱,以便對箱內的光電器件進行更換;同時還要滿足箱內的光電器件間距能根據需要進行變化.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.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,既便于讀數指針與箱內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境光,如圖3所示.

圖2 暗箱

圖3 主要結構

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,起到開、閉暗箱的作用.暗箱內壁上涂有均勻的黑色吸光材料.

圖4 圓形凹槽

2.3 外接刻度尺結構的設計和制作

由于發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.所以設計了外接的讀數指針與暗箱內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的接收器件相連,當遮光罩處于關閉狀態時,使得實驗者在暗箱外即可知道接收器件在暗箱內的準確位置,同時又使得環境光照不會影響到暗箱內的接收器件.

2.4 更換器件結構的設計與制作

因本實驗在測量上需要研究各種光敏器件的光電轉換特性,考慮到更換器件的方便,現設計了統一的接插口裝置,見圖5.即當暗箱外的遮光罩旋轉至開啟狀態時,能根據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)

3 測量數據

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,然后關閉遮光罩后旋轉手動鼓輪,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,測出的實驗數據見表1.利用光照度與光照距離成平方反比的關系,設光照距離為26 cm時光照度為J0.

圖7 實驗電路圖

表1 實驗數據

3.2 數據分析

根據實驗數據畫出硅光電池的光照特性曲線,見圖8.曲線的擬合結果驗證出開路電壓與光照度之間為對數關系,并具有飽和性.而短路電流與光照度之間也有類似的相關性.即從測試的結果可見,該新型的光電信號轉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換特性實驗儀的設計和研制,并通過對硅光電池這一典型器件的性能測試和數據分析,在驗證了硅光電池的光照特性基礎上,同時也檢驗了該儀器的適用性.

4 結束語

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

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