光电传感器基本特性的计算机数据采集

根据2010年教育部高等学校物理学指导委员会所提出的理工科类大学物理实验课程教学的基本要求:“注意加强数字化测量技术和计算技术在物理实验教学中的应用”，目前，国内众多的高校都在大学物理实验课中开设了一些应用计算机进行控制、采集、记录、分析的物理实验，典型的就是将数据采集器作为微机实时测量技术引入到实验教学中，如美国PASCO的物理学实验系统［1］。近几年来，在我校大学物理实验课的教改中，也逐步引入了通用计算机数据采集系统［2］，并结合我们原有的传统设备，开设出了好几个应用通用数据采集系统进行实时控制、采集的自组实验［3］。本文以大学物理实验中“光敏电阻基本特性的测量”实验为例，介绍了使用计算机进行数据采集的实验方法、信号采集电路设计、实验结果及数据分析等过程。

1 计算机数据采集

本实验采用北京金宇联讯科技有限公司生产的JZ－3B型LabCorder通用数据采集分析仪，它由计算机、外置数据采集器和数据采集分析软件3部分构成，是集计算机、数据采集、记录、分析和结果显示为一体的多功能智能仪器。LabCorder数据采集分析仪具有双通道－5～+5V电压采集、1路开头控制等功能。在物理实验中常需进行模拟量的数据采集，该仪器模拟信号的输入范围为±5V;输入阻抗≥100MΩ;输入信号幅度可经模拟信号接口卡中的高性能仪用放大器调到1、10、100、1000等合适的放大倍数，保证最佳转换精度。LabCorder数据采集分析仪的虚拟仪器面板在测量中可同时用作X－Y 函数关系显示、多通道分离显示及多通道复合显示，测量结束后可将数据导出保存，以便使用配套软件将采集数据进行相关的分析、处理。物理实验中的待测信号可以是电压、电流、电阻等多种物理量，但数据采集中输入给计算的只能是电压信号。因此要根据不同的实验内容，结合计算机输入电压的量程、阻抗等参量设计出合适的信号采集电路［2］。

2 光敏电阻基本特性的测量

光电传感器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。它可以用于检测直接应其光量变化的非电量，也可以用于检测能转换成光量变化的其他非电量。由于其具有性能可靠、能实现非接触测量等优点，因而在监测和控制领域获得广泛应用。因此，对其特性的研究极为重要。

而光敏电阻作为光电传感器的一种，是利用物体的导电率会随着外加光照的影响而改变的性质而制作的一种特殊电阻。它的特点是灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且工艺简单，价格便宜等，正是这些优点，使光敏电阻被广泛应用于照相机日光控制、光电自动控制、光电藕合、光电自动检测、电子光控玩具、自动灯开关及各类可见光波段光电控制测量场合。让学生能在学校里提前接触这类元件是很有必要性的，因此我们在大学物理实验课上开设光敏电阻基本特性测量实验。这是一个定性分析实验，要求做三个方面特性的测量并进行分析:

2.1 光敏电阻阻值与光强的关系的测量(如图1)

图1 光敏电阻阻值与光强的关系的测量

2.2 伏安特性的测量(如图2)

2.3 光照特性的测量(如图3)

图2 伏安特性的测量

图3 光照特性的测量

目前大学物理实验中常用的手工记录方法使得学生需要测量并记录大量实验数据，其中项目1需要大概15组数据，项目2和3均需要3个表格，每个表格又需要8组以上的数据，才能得到三条图线并进行比较得出结果，数量大但操作机械，所以学生普遍都感到枯燥而厌烦。而采用计算机进行快速、准确的数据采集就弥补了这方面的缺陷，改变了这种被动局面，取得很好的实验结果。

3 实验方法与结果

3.1 光敏电阻的光照特性的测量

所谓光敏电阻的光照特性就是测定光敏电阻在不同的外加电压U 下，光电流Iph随光照的变化情况。因此输入数据采集器的两路信号就应该是作为CH1的光照信号和CH2的光电流信号。

我们先来看光照信号，我们原先用的就是恒流源提供的流经LED光源的电流。由于数据采集器输入的只能是电压信号，我们就对电路做了如下的设计:先通过串联一个电阻R取其两端电压作为CH1信号，如图4所示。

图4 光照信号设计图

图5 光电流信号设计图

下面我们来确定参数R:由于I＜20mA，而u＜5V，故我们取R为250Ω。

同样光电流我们也是采用在光敏电阻电路中串联电阻取电压的方法，如图5所示:

由于在本实验中的稳压电源E＜20V，为了使得串联R后尽量不影响原电路，就需要满足:R＜＜R光敏电阻，且 u＜5V。下面我们来看一下 R光敏电阻的值。

实验中所用的光敏电阻的实际阻值范围波动较大，通过实验可以测得在本校大学物理光学实验室条件下的阻值变化范围如下:

表1 光敏电阻与光强的关系

由于我们采用的光照是由恒流源控制的LED光源，而该光源要求流经的电流不得高于20mA，综合上述要求我们确定参数R取1kΩ。

实验过程中，我们只要把X输入置于CH2，把Y输入置于CH1，功能选择开关置于数据采集，采样率转到10点/秒，而后改变恒流源的输出值，就可以得到采集图像，不仅能让学生得到直观的感性认识、节约时间，又能让学生掌握一种现代的测量方法。

以下是我们在E=10V，所得到的光敏电阻的光照特性曲线:

图6 光敏电阻光照特性数据采集曲线

图7为由图6采集数据导出的EXCEL文档所做的图象，可以看出两者结果一致，与理论图线相当接近。

3.2 光敏电阻的伏安特性的测量

光敏电阻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。两路采集信号就应该是R光敏电阻两端的电压及其流经的电流。电流信号的处理同光照特性中的光电流，即引入R，取uR为CH2输入信号。而在原电路中由于只有E和R，而E作为稳压电源，内阻很小，我们可以近似地把E的值当作R光敏电阻两端的电压。但是由于E的取值范围为0～20V，因为不得直接作为CH1信号，我们采取的方法就是串联一个r，然后取其两端电压作为CH1信号。电路如图8所示。

图7 光敏电阻光照特性数据

图8 光敏电阻伏安特性测量电路

现在需要满足的是

综合上述要求，我们取R=200Ω，r=100Ω。

实验中，当接线完成后，我们把X输入置于CH1，把Y输入置于CH2，功能选择开关置于数据采集，采样率转到10点/秒，而后改变稳压电源的输出值，就可以得到我们所需要的采集图像，精度高，时间少，又能避免枯燥重复的机械工作，提高学生的实验兴趣。

图9 光敏电阻伏安特性数据采集曲线

以下是我们得到的ILED=10mA时的光敏电阻的伏安特性曲线:

图10为由图9采集数据导出的EXCEL文档所做的图象，可以看出两者结果一致，呈现出非常高的线性关系，与理论图线完全一致。

至于原实验项目1的测量，从原理上看，若是也采用数据采集器进行的话，与光照特性测量的电路完全一致，完全可以让学生从另两个项目中经过分析得出。当然该实验也可以作为设计性实验，先用原先方法测量项目1，从而来确定电路参数，继而来设计整个信号采集电路，这样对提高学生分析、处理能力大有好处。

图10 光敏电阻伏安特性数据

4 结束语

从上面的实验过程可以看出，将计算机数据采集技术运用于物理实验教学中，大大提高了实验中数据测量的精度和实验的效率，也能使学生接触这种现代化技术，为他们今后的发展打下更好的基础。而如果作为设计性实验［4］，学生可以针对不同的实验内容，自己设计出合适的实验电路，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［5］。