徐蓓蓓,宦 強(qiáng)

(華東師范大學(xué)物理系,上海200241)

1 引 言

光電器件具有很多的應(yīng)用場(chǎng)合,而不同器件在光與電信號(hào)的轉(zhuǎn)換上又會(huì)呈現(xiàn)出各種特性,要研究這些內(nèi)容則需要一套使用方便、測(cè)量準(zhǔn)確、不受環(huán)境光照影響的儀器.現(xiàn)研制出的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換特性儀,在結(jié)構(gòu)上具有4個(gè)方面的創(chuàng)新點(diǎn):1)螺桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu),可精細(xì)地調(diào)節(jié)光電器件間的距離;2)暗箱結(jié)構(gòu),可避免環(huán)境光照的干擾和影響;3)讀數(shù)結(jié)構(gòu),可直接讀出光電器件在暗箱內(nèi)所處的位置;4)更換器件的接口結(jié)構(gòu),可方便地更換不同的光電測(cè)量器件.

圖1 螺桿傳動(dòng)

2 儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

2.1 螺桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

本實(shí)驗(yàn)儀器在變化光電器件的位置上,采用了螺桿傳動(dòng)結(jié)構(gòu)來(lái)調(diào)節(jié)和控制器件的位移.

螺桿傳動(dòng)由直螺桿、螺母和機(jī)架組成,如圖1所示.螺桿為主動(dòng)件,作轉(zhuǎn)動(dòng)用;螺母為從動(dòng)件,即當(dāng)螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),將帶動(dòng)嚙合在旁的螺母作左右移動(dòng).該裝置主要用于將主動(dòng)件的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)閺膭?dòng)件的直線運(yùn)動(dòng),即將轉(zhuǎn)矩力轉(zhuǎn)換成推動(dòng)力.而手搖鼓輪與螺桿連接,當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪搖把時(shí),螺桿隨之轉(zhuǎn)動(dòng).在普通螺桿傳動(dòng)中,螺桿轉(zhuǎn)動(dòng)1圈則帶動(dòng)螺母移動(dòng)1個(gè)螺距.現(xiàn)將光電器件分別置于機(jī)架上的固定端和可移動(dòng)端,通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)鼓輪可任意、細(xì)致地改變光電器件的間距.

2.2 暗箱結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

本實(shí)驗(yàn)儀器中的暗箱設(shè)計(jì)如圖2所示.為了能在正常的環(huán)境光照條件下做實(shí)驗(yàn),即不用將儀器刻意地置于避光處,對(duì)暗箱的要求是既不能射入環(huán)境光,又要求能很方便地打開(kāi)或關(guān)閉暗箱,以便對(duì)箱內(nèi)的光電器件進(jìn)行更換;同時(shí)還要滿足箱內(nèi)的光電器件間距能根據(jù)需要進(jìn)行變化.圖2中一粗一細(xì)2個(gè)超過(guò)半圓的筒是套在一起的,組合成了可開(kāi)可閉的暗箱,圖2中展示了暗箱開(kāi)啟和閉合的狀態(tài).具體制作是將較細(xì)的1根塑料管垂直橫截面切去1/4,制作成留有270°周邊長(zhǎng)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(nèi)的間距約3 mm,兩圓筒開(kāi)口邊緣均粘有遮光毛條,既便于讀數(shù)指針與箱內(nèi)的可移動(dòng)器件進(jìn)行連接,又防止指針在左右移動(dòng)時(shí)射入干擾的環(huán)境光,如圖3所示.

圖2 暗箱

圖3 主要結(jié)構(gòu)

暗箱主體和遮光罩的兩端分別嵌在金屬支架兩邊的2個(gè)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(jìn)行旋轉(zhuǎn),起到開(kāi)、閉暗箱的作用.暗箱內(nèi)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制作

由于發(fā)光器件和接收器件是安裝在暗箱中,在實(shí)驗(yàn)時(shí)不能用測(cè)量長(zhǎng)度的工具直接在暗箱外面測(cè)得兩器件的間距.所以設(shè)計(jì)了外接的讀數(shù)指針與暗箱內(nèi)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(shù)端是安置在暗箱外,而金屬條的另一端則穿過(guò)大小2個(gè)半圓筒間的狹縫后與暗箱內(nèi)的接收器件相連,當(dāng)遮光罩處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí),使得實(shí)驗(yàn)者在暗箱外即可知道接收器件在暗箱內(nèi)的準(zhǔn)確位置,同時(shí)又使得環(huán)境光照不會(huì)影響到暗箱內(nèi)的接收器件.

2.4 更換器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

因本實(shí)驗(yàn)在測(cè)量上需要研究各種光敏器件的光電轉(zhuǎn)換特性,考慮到更換器件的方便,現(xiàn)設(shè)計(jì)了統(tǒng)一的接插口裝置,見(jiàn)圖5.即當(dāng)暗箱外的遮光罩旋轉(zhuǎn)至開(kāi)啟狀態(tài)時(shí),能根據(jù)需要很方便地拔下原器件或插上新的器件,則對(duì)研究問(wèn)題起到了便利作用.整臺(tái)儀器的外形如圖6所示.

圖6 實(shí)驗(yàn)儀器實(shí)物圖(暗箱開(kāi)啟狀態(tài))

3 測(cè)量數(shù)據(jù)

3.1 硅光電池的光照特性測(cè)試方法

在研制成的本儀器上,現(xiàn)按圖7的電路做了硅光電池光照特性的測(cè)試.在實(shí)驗(yàn)時(shí),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(kāi) K2,然后關(guān)閉遮光罩后旋轉(zhuǎn)手動(dòng)鼓輪,通過(guò)分壓原理測(cè)出小燈泡與硅光電池在不同間距時(shí)的開(kāi)路電壓UOC,或接通 K2后測(cè)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(shí)驗(yàn)時(shí),光電器件間距每次可變化2 cm左右,測(cè)出相應(yīng)得到的開(kāi)路電壓和短路電流.電源電壓取4.5 V左右,測(cè)出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1.利用光照度與光照距離成平方反比的關(guān)系,設(shè)光照距離為26 cm時(shí)光照度為J0.

圖7 實(shí)驗(yàn)電路圖

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

3.2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)畫(huà)出硅光電池的光照特性曲線,見(jiàn)圖8.曲線的擬合結(jié)果驗(yàn)證出開(kāi)路電壓與光照度之間為對(duì)數(shù)關(guān)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(guān)性.即從測(cè)試的結(jié)果可見(jiàn),該新型的光電信號(hào)轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)儀能符合實(shí)驗(yàn)的要求,同時(shí)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(hào)轉(zhuǎn)換特性實(shí)驗(yàn)儀的設(shè)計(jì)和研制,并通過(guò)對(duì)硅光電池這一典型器件的性能測(cè)試和數(shù)據(jù)分析,在驗(yàn)證了硅光電池的光照特性基礎(chǔ)上,同時(shí)也檢驗(yàn)了該儀器的適用性.

4 結(jié)束語(yǔ)

[1] 楊介信,宦強(qiáng).普通物理實(shí)驗(yàn)(電磁學(xué)部分)[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2] 馬葭生,宦強(qiáng).大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)[M].上海:華東師范大學(xué)出版社,2001.