基于虚拟仪器的光电传感器实验系统

曹显莹 曲阳 郭春来

(哈尔滨石油学院实验中心 黑龙江 哈尔滨 150000)

光敏传感器是将光信号转换为电信号的传感器，也称为光电式传感器，它可用于检测直接引起光强度变化的非电量，如光强、光照度、辐射测温、气体成份分析等；也可用来检测光能转换成光量变化的其他非电量.光敏传感器具有非接触、响应快、性能可靠等特点，因而在工业自动控制及智能机器人中得到广泛应用.光敏二极管，响应速度快、频率响应好、灵敏度高、可靠性高，广泛应用于可见光和远红外探测，以及自动控制、自动报警、自动计数等领域中的生产设备和检测装置.

为了增加学生对光敏传感器的了解，大学物理实验课开设了光电传感器特性测量实验，实验教学设备和测试方法都比较传统，目前我校使用的实验教学设备是某公司生产的D-GD-III型号的光电传感器特性综合实验仪，测量方法是学生通过测量数据点，然后绘制光敏传感器的光照曲线和伏安曲线，因此，学生在测量过程中需要大量的数据点，比如，在绘制光照曲线时，学生一般需要记录40个数据点，在记录的过程中学生普遍感到枯燥而厌烦，难免在记录过程中出现错误，在绘制图像时，需要将众多的数据点绘制到计算纸上，这个过程不仅耗时而且繁琐，在绘制过程中，曲线拟合十分粗糙，造成画出的图像与理论不相符合，有些学生为了使自己的测量结果接近实验结果，个人的主观因素对实验结果影响较大，学生会对实验仪器、理论知识出现怀疑，如果在这时我们能将传统的实验仪器与计算机结合，利用计算机进行控制、采集、记录、分析数据，使用Origin数据处理软件进行处理数据，不仅省时还能得到更客观的实验数据和直观的图像.

虚拟仪器技术是现代仪器技术与计算机技术相结合的产物，利用计算机软件代替传统仪器的硬件实现信号分析、数据处理和显示等多种功能[1].虚拟仪器利用 LabVIEW 图形化语言，具有开发效率高、界面美观友好、扩展性强等特点[2].

基于虚拟仪器等特点，本文基于美国国家仪器公司(简称NI)的NI USB-6003数据采集器[3，4]，结合目前使用的D-GD-III型号的光电传感器特性综合实验仪，使用LabVIEW设计了测量光电传感器特性实验系统，介绍了使用NI USB-6003数据采集卡的实验方法，信号采集的电路设计，数据分析，利用Origin数据处理软件处理实验数据，并与使用传统实验仪器测量数据的实验方法进行对比，发现该实验方法测量方便灵活，实时直观，并具有较好的扩展性.学生可以利用该实验方法，自己设计合适的实验电路，对有关物理量进行测量和分析.

1 测量光敏二极管基本特性的实验系统

1.1 实验系统的硬件结构

实验系统原理框图如图1所示，核心是1台NI USB-6003数据采集器，有2个模拟信号输入通道CH0和CH1，采样速率100 kHz，双通道采集时每通道可达到50 kHz的采样率，采样精度为16位.输入数据采集卡的两路信号作为CH0的光照信号和CH1的光电流信号.

图1 实验系统原理框图

主电路的左半部分为光照信号，利用一只可调电源向小灯泡A供电，电路中串接一只电阻器R1，实验过程中通过调节可调电源来调节小灯泡A的光强，此时利用数据采集卡输入通道CH0采集电阻器R1两端电压UR1，UR1与R1成正比，其中，本实验所用的小灯泡的规格为12 V，10 W，输出电流I取值在0～800 mA，可调电源E1取值在0～12 V，故我们选取的电阻R1为0.6 Ω.

主电路的右半部分代表光电流信号，同样将光敏二极管电路中串联一只电阻器R2，数据采集卡输入通道CH1采集电阻器R2两端电压UR2，UR2与R2成正比，其中，E2为稳压电源，E2的调节范围在0～12 V，电阻R2的取值基于D-GD-III型光传感器特性综合实验仪，由于本实验是将数据采集卡连接到实验仪上，而实验仪中的电阻R2为固定值1 kΩ.

1.2 实验系统软件结构

基于LabVIEW的测控软件包括参数设定、数据采集、I-U曲线实时显示、数据记录及保存和数据分析等功能，其中光敏二极管的光电流和光照电流的前面板如图2所示，参数设定模块可对R1两端的电压UR1和R2的两端电压UR2进行设定，数据采集模块可对UR1和UR2值进行测量，I-U关系曲线模块把UR1和UR2值分别还原为电流IR1和电压IR2后实时显示，数据记录及保存模块把IR1，IR2值和实验参数量写入用户文件，数据处理主要完成对UR1按照标定系数转换成为电流IR1，对UR2按照标定系数转换为IR2，画出IR1-IR2曲线.

图2 光敏二极管的光电流和光照电流前面板图

2 实验结果

2.1 光敏二极管的光照特性曲线

所谓光敏二极管的光照特性就是测定光敏二极管在不同的外加电压U下，光电流Iph随光照的变化情况.

图3为由图2采集数据导出的Origin数据处理软件所做的图像[5]，其中实线为Origin软件直线线性拟合，y=kx+b，其中拟合的斜率

k=0.034 52b=-0.008

图3 利用Origin软件拟合的光照特性曲线

2.2 光敏二极管的伏安特性曲线

光敏二极管的伏安特性是指测定在不同光照下光电流Iph随电压U的变化.

由于本校实验过程中所用的光电传感器实验箱的稳压电源E2电压不能从0～12 V逐渐调节，本文选择的电压点为 2 V,4 V,6 V,8 V,10 V,12 V，图4为光敏二极管伏安特性数据采集曲线，光照电流分别在0.6 A,0.7 A,0.8 A，图4为由图2采集数据导出的Origin数据处理软件所做的图像.

图4 利用Origin软件绘制的伏安特性曲线

3 讨论与分析

图5和图6分别是学生利用描点法绘制的光敏二极管光照曲线和伏安曲线，学生使用的是D-GD-III型光传感器特性综合实验仪，其中图5在E2=6 V,E2=8 V时的两条光照曲线，从图中可以看出，每条曲线均需要记录大概40个数据点，数量很大与理论图像相比较，结果比较相似，将图3和图5进行比较，结果比较相似，与理论结果相比，图3更加吻合.

图5 描点法绘制光敏二极管光照曲线

图6是光照电流分别在600 mA,700 mA,800 mA的光敏二极管的伏安曲线，共需要记录18个点，通过与图4和图6进行对比，采用该实验系统所得到的图与教学仪器得到的结果基本符合，并且更加接近理论结果.

图6 描点法绘制光敏二极管伏安曲线

4 结论

本文将数据采集器与传统的实验仪器相结合，测了光敏二极管的光照特性曲线和伏安特性曲线，利用数据采集器采集数据，通过计算机进行数据分析，利用Origin数据处理软件进行数据处理，将该实验方法与使用传统实验仪器测量数据的实验方法进行比较，发现该实验方法大大提高了实验数据测量的精度和实验效率，学生可以针对不同的实验内容，自己设计合适的实验电路，对有关物理量进行测量和分析.这样既丰富了物理实验课程的内容，又可以充分调动学生参与实验的积极性和主动性.