基于虛擬儀器的光電傳感器實驗系統

曹顯瑩 曲陽 郭春來

(哈爾濱石油學院實驗中心 黑龍江 哈爾濱 150000)

光敏傳感器是將光信號轉換為電信號的傳感器，也稱為光電式傳感器，它可用于檢測直接引起光強度變化的非電量，如光強、光照度、輻射測溫、氣體成份分析等；也可用來檢測光能轉換成光量變化的其他非電量.光敏傳感器具有非接觸、響應快、性能可靠等特點，因而在工業自動控制及智能機器人中得到廣泛應用.光敏二極管，響應速度快、頻率響應好、靈敏度高、可靠性高，廣泛應用于可見光和遠紅外探測，以及自動控制、自動報警、自動計數等領域中的生產設備和檢測裝置.

為了增加學生對光敏傳感器的了解，大學物理實驗課開設了光電傳感器特性測量實驗，實驗教學設備和測試方法都比較傳統，目前我校使用的實驗教學設備是某公司生產的D-GD-III型號的光電傳感器特性綜合實驗儀，測量方法是學生通過測量數據點，然后繪制光敏傳感器的光照曲線和伏安曲線，因此，學生在測量過程中需要大量的數據點，比如，在繪制光照曲線時，學生一般需要記錄40個數據點，在記錄的過程中學生普遍感到枯燥而厭煩，難免在記錄過程中出現錯誤，在繪制圖像時，需要將眾多的數據點繪制到計算紙上，這個過程不僅耗時而且繁瑣，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，有些學生為了使自己的測量結果接近實驗結果，個人的主觀因素對實驗結果影響較大，學生會對實驗儀器、理論知識出現懷疑，如果在這時我們能將傳統的實驗儀器與計算機結合，利用計算機進行控制、采集、記錄、分析數據，使用Origin數據處理軟件進行處理數據，不僅省時還能得到更客觀的實驗數據和直觀的圖像.

虛擬儀器技術是現代儀器技術與計算機技術相結合的產物，利用計算機軟件代替傳統儀器的硬件實現信號分析、數據處理和顯示等多種功能[1].虛擬儀器利用 LabVIEW 圖形化語言，具有開發效率高、界面美觀友好、擴展性強等特點[2].

基于虛擬儀器等特點，本文基于美國國家儀器公司(簡稱NI)的NI USB-6003數據采集器[3，4]，結合目前使用的D-GD-III型號的光電傳感器特性綜合實驗儀，使用LabVIEW設計了測量光電傳感器特性實驗系統，介紹了使用NI USB-6003數據采集卡的實驗方法，信號采集的電路設計，數據分析，利用Origin數據處理軟件處理實驗數據，并與使用傳統實驗儀器測量數據的實驗方法進行對比，發現該實驗方法測量方便靈活，實時直觀，并具有較好的擴展性.學生可以利用該實驗方法，自己設計合適的實驗電路，對有關物理量進行測量和分析.

1 測量光敏二極管基本特性的實驗系統

1.1 實驗系統的硬件結構

實驗系統原理框圖如圖1所示，核心是1臺NI USB-6003數據采集器，有2個模擬信號輸入通道CH0和CH1，采樣速率100 kHz，雙通道采集時每通道可達到50 kHz的采樣率，采樣精度為16位.輸入數據采集卡的兩路信號作為CH0的光照信號和CH1的光電流信號.

圖1 實驗系統原理框圖

主電路的左半部分為光照信號，利用一只可調電源向小燈泡A供電，電路中串接一只電阻器R1，實驗過程中通過調節可調電源來調節小燈泡A的光強，此時利用數據采集卡輸入通道CH0采集電阻器R1兩端電壓UR1，UR1與R1成正比，其中，本實驗所用的小燈泡的規格為12 V，10 W，輸出電流I取值在0～800 mA，可調電源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，同樣將光敏二極管電路中串聯一只電阻器R2，數據采集卡輸入通道CH1采集電阻器R2兩端電壓UR2，UR2與R2成正比，其中，E2為穩壓電源，E2的調節范圍在0～12 V，電阻R2的取值基于D-GD-III型光傳感器特性綜合實驗儀，由于本實驗是將數據采集卡連接到實驗儀上，而實驗儀中的電阻R2為固定值1 kΩ.

1.2 實驗系統軟件結構

基于LabVIEW的測控軟件包括參數設定、數據采集、I-U曲線實時顯示、數據記錄及保存和數據分析等功能，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，參數設定模塊可對R1兩端的電壓UR1和R2的兩端電壓UR2進行設定，數據采集模塊可對UR1和UR2值進行測量，I-U關系曲線模塊把UR1和UR2值分別還原為電流IR1和電壓IR2后實時顯示，數據記錄及保存模塊把IR1，IR2值和實驗參數量寫入用戶文件，數據處理主要完成對UR1按照標定系數轉換成為電流IR1，對UR2按照標定系數轉換為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 實驗結果

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采集數據導出的Origin數據處理軟件所做的圖像[5]，其中實線為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.

由于本校實驗過程中所用的光電傳感器實驗箱的穩壓電源E2電壓不能從0～12 V逐漸調節，本文選擇的電壓點為 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據采集曲線，光照電流分別在0.6 A,0.7 A,0.8 A，圖4為由圖2采集數據導出的Origin數據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分別是學生利用描點法繪制的光敏二極管光照曲線和伏安曲線，學生使用的是D-GD-III型光傳感器特性綜合實驗儀，其中圖5在E2=6 V,E2=8 V時的兩條光照曲線，從圖中可以看出，每條曲線均需要記錄大概40個數據點，數量很大與理論圖像相比較，結果比較相似，將圖3和圖5進行比較，結果比較相似，與理論結果相比，圖3更加吻合.

圖5 描點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個點，通過與圖4和圖6進行對比，采用該實驗系統所得到的圖與教學儀器得到的結果基本符合，并且更加接近理論結果.

圖6 描點法繪制光敏二極管伏安曲線

4 結論

本文將數據采集器與傳統的實驗儀器相結合，測了光敏二極管的光照特性曲線和伏安特性曲線，利用數據采集器采集數據，通過計算機進行數據分析，利用Origin數據處理軟件進行數據處理，將該實驗方法與使用傳統實驗儀器測量數據的實驗方法進行比較，發現該實驗方法大大提高了實驗數據測量的精度和實驗效率，學生可以針對不同的實驗內容，自己設計合適的實驗電路，對有關物理量進行測量和分析.這樣既豐富了物理實驗課程的內容，又可以充分調動學生參與實驗的積極性和主動性.