新型光电信号转换特性实验仪的研制

徐蓓蓓,宦 强

(华东师范大学物理系,上海200241)

1 引 言

光电器件具有很多的应用场合,而不同器件在光与电信号的转换上又会呈现出各种特性,要研究这些内容则需要一套使用方便、测量准确、不受环境光照影响的仪器.现研制出的光电信号转换特性仪,在结构上具有4个方面的创新点:1)螺杆传动结构,可精细地调节光电器件间的距离;2)暗箱结构,可避免环境光照的干扰和影响;3)读数结构,可直接读出光电器件在暗箱内所处的位置;4)更换器件的接口结构,可方便地更换不同的光电测量器件.

图1 螺杆传动

2 仪器结构的设计与制作

2.1 螺杆传动结构的设计与制作

本实验仪器在变化光电器件的位置上,采用了螺杆传动结构来调节和控制器件的位移.

螺杆传动由直螺杆、螺母和机架组成,如图1所示.螺杆为主动件,作转动用;螺母为从动件,即当螺杆转动时,将带动啮合在旁的螺母作左右移动.该装置主要用于将主动件的旋转运动转变为从动件的直线运动,即将转矩力转换成推动力.而手摇鼓轮与螺杆连接,当转动鼓轮摇把时,螺杆随之转动.在普通螺杆传动中,螺杆转动1圈则带动螺母移动1个螺距.现将光电器件分别置于机架上的固定端和可移动端,通过转动鼓轮可任意、细致地改变光电器件的间距.

2.2 暗箱结构的设计与制作

本实验仪器中的暗箱设计如图2所示.为了能在正常的环境光照条件下做实验,即不用将仪器刻意地置于避光处,对暗箱的要求是既不能射入环境光,又要求能很方便地打开或关闭暗箱,以便对箱内的光电器件进行更换;同时还要满足箱内的光电器件间距能根据需要进行变化.图2中一粗一细2个超过半圆的筒是套在一起的,组合成了可开可闭的暗箱,图2中展示了暗箱开启和闭合的状态.具体制作是将较细的1根塑料管垂直横截面切去1/4,制作成留有270°周边长的暗箱主体.然后将较粗的1根塑料管切割成半圆筒,制作成遮光罩套在暗箱主体外面.两圆筒套内的间距约3 mm,两圆筒开口边缘均粘有遮光毛条,既便于读数指针与箱内的可移动器件进行连接,又防止指针在左右移动时射入干扰的环境光,如图3所示.

图2 暗箱

图3 主要结构

暗箱主体和遮光罩的两端分别嵌在金属支架两边的2个圆形凹槽中,如图4所示.暗箱主体固定,而遮光罩可以顺着圆形凹槽进行旋转,起到开、闭暗箱的作用.暗箱内壁上涂有均匀的黑色吸光材料.

图4 圆形凹槽

2.3 外接刻度尺结构的设计和制作

由于发光器件和接收器件是安装在暗箱中,在实验时不能用测量长度的工具直接在暗箱外面测得两器件的间距.所以设计了外接的读数指针与暗箱内接收器件连接的装置,如图3所示.即用金属条制作1根指针,其读数端是安置在暗箱外,而金属条的另一端则穿过大小2个半圆筒间的狭缝后与暗箱内的接收器件相连,当遮光罩处于关闭状态时,使得实验者在暗箱外即可知道接收器件在暗箱内的准确位置,同时又使得环境光照不会影响到暗箱内的接收器件.

2.4 更换器件结构的设计与制作

因本实验在测量上需要研究各种光敏器件的光电转换特性,考虑到更换器件的方便,现设计了统一的接插口装置,见图5.即当暗箱外的遮光罩旋转至开启状态时,能根据需要很方便地拔下原器件或插上新的器件,则对研究问题起到了便利作用.整台仪器的外形如图6所示.

图6 实验仪器实物图(暗箱开启状态)

3 测量数据

3.1 硅光电池的光照特性测试方法

在研制成的本仪器上,现按图7的电路做了硅光电池光照特性的测试.在实验时,先在仪器暗箱的左端插上小灯泡,右端插上硅光电池,接通K1,断开 K2,然后关闭遮光罩后旋转手动鼓轮,通过分压原理测出小灯泡与硅光电池在不同间距时的开路电压UOC,或接通 K2后测出不同的光照度下,硅光电池的短路电流 ISC值,其中短路电流为 ISC=UR2/2(取样电阻 R=4.7 kΩ).实验时,光电器件间距每次可变化2 cm左右,测出相应得到的开路电压和短路电流.电源电压取4.5 V左右,测出的实验数据见表1.利用光照度与光照距离成平方反比的关系,设光照距离为26 cm时光照度为J0.

图7 实验电路图

表1 实验数据

3.2 数据分析

根据实验数据画出硅光电池的光照特性曲线,见图8.曲线的拟合结果验证出开路电压与光照度之间为对数关系,并具有饱和性.而短路电流与光照度之间也有类似的相关性.即从测试的结果可见,该新型的光电信号转换特性实验仪能符合实验的要求,同时适合各种光电器件(光敏二极管、光敏电阻、光敏三极管等)特性方面的研究.

图8 硅光电池光照特性

本文主要叙述了新型光电信号转换特性实验仪的设计和研制,并通过对硅光电池这一典型器件的性能测试和数据分析,在验证了硅光电池的光照特性基础上,同时也检验了该仪器的适用性.

4 结束语

[1] 杨介信,宦强.普通物理实验(电磁学部分)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2] 马葭生,宦强.大学物理实验[M].上海:华东师范大学出版社,2001.