空气比热容比的测定-西安电子科技大学理学院.doc

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1、2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作实验一 空气比热容比的测定气体的定压比热容与定容比热容之比称为气体的绝热指数，它是一个重要的热力学常数，在热力学方程中经常用到，本实验用新型扩散硅压力传感器测空气的压强，用电流型集成温度传感器测空气的温度变化，从而得到空气的绝热指数；要求观察热力学现象，掌握测量空气绝热指数的一种方法，并了解压力传感器和电流型集成温度传感器的使用方法及特性。【实验目的】1用绝热膨胀法测定空气的比热容比。2观测热力学过程中状态变化及基本物理规律。3了解压力传感器和电流型集成温度传感器的使用方法及特性。【实验仪器】1、FD-NCD型空气比热容比测定仪本实验采用的

2、FD-NCD型空气比热容比测定仪由扩散硅压力传感器、AD590集成温度传感器、电源、容积为1000ml左右玻璃瓶、打气球及导线等组成。如图1、图2所示。图1 FD-NCD空气比热容比测定仪1.充气阀B2.扩散硅压力传感器3.放气阀A 4.瓶塞5.AD590集成温度传感器6.电源 7. 贮气玻璃瓶8.打气球 图2 测定仪电源面板示意图绝热膨胀1.压力传感器接线端口2.调零电位器旋钮 3.温度传感器接线插孔 4.四位半数字电压表面 板（对应温度） 5.三位半数字电压表面板（对应压强）2AD590集成温度传感器AD590是一种新型的半导体温度传感器，测温范围为-50C150C。当施加4V30V的激励

3、电压时，这种传感器起恒流源的作用，其输出电流与传感器所处的温度成线性关系。如用摄氏度t表示温度,则输出电流为 （1）=1A/C，对于I, 其值从273278A略有差异。本实验所用AD590也是如此。AD590输出的电流I可以在远距离处通过一个适当阻值的电阻R，转化为电压U，由公式IU/R算出输出的电流，从而算出温度值。如图3。若串接5K电阻后，可产生5C的信号电压，接02V量程四位半数字电压表, 最小可检测到0.02C温度变化。3扩散硅压力传感器图3 AD590电路简图扩散硅压力传感器是把压强转化为电信号，最终由同轴电缆线输出信号，与仪器内的放大器及三位半数字电压表相接。它显示的是容器内的气体

4、压强大于容器外环境大气压的压强差值。当待测气体压强为P0+10.00KPa时，数字电压表显示为200mV，仪器测量气体压强灵敏度为20mV/KPa，测量精度为5Pa。可得测量公式：P1=P0+U/2000 (2)其中电压U的单位为mV，压强P1、P0的单位为105Pa4、气压计该气压计用来观测环境气压。5、水银温度计【实验原理】理想气体的压强P、体积V和温度T在准静态绝热过程中，遵守绝热过程方程：等于恒量，其中是气体的定压比热容和定容比热容之比，通常称=为该气体的比热容比（亦称绝热指数）。如图4所示，我们以贮气瓶内空气（近似为理想气体）作为研究的热学系统，试进行如下实验过程。（1）首先打开放气

5、阀A，贮气瓶与大气相通，再关闭A，瓶内充满与周围空气同温（设为）同压（设为）的气体。（2）打开充气阀B，用充气球向瓶内打气，充入一定量的气体，然后关闭充气阀B。此时瓶内空气被压缩，压强增大，温度升高。等待内部气体温度稳定，即达到与周围温度平衡，此时的气体处于状态I（,）。（3）迅速打开放气阀A，使瓶内气体与大气相通，当瓶内压强降至时，立刻关闭放气阀A，将有体积为V的气体喷泻出贮气瓶。由于放气过程较快，瓶内保留的气体来不及与外界进行热交换，可以认为是一个绝热膨胀的过程。在此过程后瓶中的气体由状态I（,）转变为状态II（,）。为贮气瓶容积，为保留在瓶中这部分气体在状态I（,）时的体积。图4 实验装

6、置简图图5 气体状态变化及P-V图（4）由于瓶内气体温度低于室温，所以瓶内气体慢慢从外界吸热，直至达到室温为止，此时瓶内气体压强也随之增大为。则稳定后的气体状态为III（,）。从状态II状态III的过程可以看作是一个等容吸热的过程。由状态IIIIII的过程如图5所示。III是绝热过程，由绝热过程方程得: （3） 状态I和状态III的温度均为T0，由气体状态方程得 （4） 合并式（3）、式（4），消去V1、V2得 （5）由式（5）可以看出，只要测得、就可求得空气的绝热指数。【实验内容】1.打开放气阀A，按图1连接电路，集成温度传感器的正负极请勿接错，电源机箱后面的开关拨向内。用气压计测定大气压强

7、，用水银温度计测环境室温。开启电源，让电子仪器部件预热20分钟，然后旋转调零电位器旋钮，把用于测量空气压强的三位半数字电压表指示值调到“0”，并记录此时四位半数字电压表指示值。2.关闭放气阀A，打开充气阀B，用充气球向瓶内打气，使三位半数字电压表示值升高到100mV150mV。然后关闭充气阀B，观察、的变化，经历一段时间后，、指示值不变时，记下（，），此时瓶内气体近似为状态I（,）。注：对应的温度值为T.3.迅速打开放气阀A，使瓶内气体与大气相通，由于瓶内气压高于大气压，瓶内V体积的气体将突然喷出,发出“嗤”的声音。当瓶内空气压强降至环境大气压强时（放气声刚结束），立刻关闭放气阀A，这时瓶内气

8、体温度降低，状态变为II。4.当瓶内空气的温度上升至温度T时，且压强稳定后，记下（，）此时瓶内气体近似为状态III（,）。5.打开放气阀A,使贮气瓶与大气相通，以便于下一次测量。6.把测得的电压值、（以mV为单位）填入如下数据表格，依公式（2）计算气压值、依（5）式计算空气的绝热指数值。7.重复步骤24，重复3次测量，比较多次测量中气体的状态变化有何异同，并计算。注意事项：1.实验中贮气玻璃瓶及各仪器应放于合适位置，最好不要将贮气玻璃瓶放于靠桌沿处，以免打破。2.转动充气阀和放气阀的活塞时，一定要一手扶住活塞，另一只手转动活塞，避免损坏活塞。3.实验前应检查系统是否漏气，方法是关闭放气阀A，打

9、开充气阀B，用充气球向瓶内打气，使瓶内压强升高1000Pa2000Pa左右(对应电压值为20mV40mV)，关闭充气阀B，观察压强是否稳定，若始终下降则说明系统有漏气之处，须找出原因。 4.做好本实验的关键是放气要进行的十分迅速。即打开放气阀后又关上放气阀的动作要快捷，使瓶内气体与大气相通要充分且尽量快底完成。注意记录电压值。【问题讨论】1.本实验研究的热力学系统，是指那部分气体？2. 实验内容2中的T值一定与初始时室温相等吗？为什么？若不相等，对有何影响？3.实验时若放气不充分，则所得值是偏大还是偏小？为什么？【拓展】在上面的实验中，环境温度 (室温)假设为是恒值。瓶中气体处于室温不变情况下

10、而得出测量公式（4）。实际测量中，室温是波动的，高灵敏度测温传感器观测时（如本实验所用的AD590，温度每变化0.02C，电压变化0.1mV），这种变化很明显。那么，P1 ,P2 值短时间内不易读取。为了得出更细致的测量公式，让我们再回顾瓶内气体状态变化过程：设充气前室温为，充气后，瓶内气体平衡时室温为，气体状态为I（,）放气后，绝热膨胀，气体状态为II（，），等容吸热瓶内气体平衡时室温为，气体状态变为III（，），其中为贮气瓶容积，为保留在瓶中这部分气体在状态I（，）时的体积。瓶内气体状态变化为：绝热膨胀等容吸热 I（,） II（，） III（，）III是绝热过程，由绝热过程方程得 I、II

11、I两状态，由理想气体状态方程得 n为气体的摩尔数，R为气体的普适常数合并上三式，消去V1、V2得 （6）由式（6）可知，只要测得、就可求得空气的。很显然，用现有仪器只能得出、的粗略值，那么用公式（6）将毫无意义。为了得出温度的较精确而直观值，需要解决这样两个问题：1.定出测量公式（1）中的I具体值；2.把温度传感器改装成为真正的数字温度计。 实验二 热敏电阻温度特性及热敏电阻温度计的设计热敏电阻是对温度变化表现出非常敏感的一种半导体电阻元件，它能测量出温度的微小变化，并且体积小，工作稳定，结构简单。因此，它在测温技术、无线电技术、自动化和遥控等方面都有广泛的应用。利用热敏电阻作为感温元件，并且

12、配有温度显示装置的温度仪表称为热敏电阻温度计。热敏电阻能把温度信号变成电信号，从而实现了非电量的测量。值得提出的是，电量测量是现代测量技术中最简便的测量技术，不仅测量装置简单、造价低、灵敏度高、而且容易实现自动化控制，是测量技术的一个重要的发展趋势。【实验目的】 1研究热敏电阻的温度特性 2进一步掌握非平衡电桥电路原理及应用3、了解负温度系数热敏电阻的温度特性 4、设计和安装一台热敏电阻温度计，并对这台温度计的测量误差进行测试和评价【实验原理】内容1 热敏电阻的温度特性 1、测量原理 热敏电阻的基本特性是它的温度特性，许多材料的电阻随温度的变化而发生变化，纯金属和许多合金的电阻随温度增加而增加

13、，它们具有正的电阻温度系数。另外像炭、玻璃、硅和锗等材料的电阻随温度的增加而减小，具有负的电阻温度系数。在半导体中原子核对价电子的约束力要比金属中大，因而自由载流子数少，故半导体的电阻率较大而纯金属的电阻率较小。由于半导体中载流子数目是随着温度的升高而按指数规律急剧增加，载流子越多，导电能力越强，电阻率就越小，因此半导体热敏电阻的阻值随着温度的升高电阻率将按指数规律减少。如温度由变至时，由铂丝材料制成的电阻，其阻值变化10倍左右；而热敏电阻的阻值在上述温度变化相同的情况下变化可达到倍。实验表明，在一定温度范围内，半导体材料的电阻率和绝对温度T的关系可表示为：其中、b为常数，仅与材料的物理性质有

14、关。 由欧姆定律得热敏电阻的阻值： （1） 上式中令 、S、L分别为热敏电阻的横截面积和电极间的距离。 对式（1）取对数有：或写作 (线性变化关系) 式中，改变被测样品的温度,分别测出不同的温度T以及对应的值，重复710次，可用图解法、计算法或最小二乘法求出A、a、b值。2、测量电路 测量电路如图a所示，利用惠斯通电桥测定被测样品在不同温度下的阻值，由电路平衡可知，被测样品的电阻为： 在用实验测量热敏电阻时, 不能单独构成一桥臂，应按照图b所示的电路。适当选取、 和，使得桥路的电阻变化关系在测量范围之内，并使所在桥臂总电阻的变化很小，且使检流计的偏转与温度的变化尽量呈线性关系 。3、实验内容：

15、 热敏电阻的温度特性研究，通过电路进行测量求出a、b值。图b （1）按图a实验装置接好电路，安装仪器。 （2）在容器内盛入水，开启直流电源开关，在电热丝中通以2.5A3.0A的电流；对水加热，使水温逐渐上升，温度由水银温度计读出。热敏电阻的两条引出线连接到惠斯通电桥的待测电阻的两接线柱上。 （3）测试的温度从20开始，每增加5，测量电阻阻值，直到60止。内容2 热敏电阻温度计的设计1、测量原理1.1负温度系数热敏电阻的温度特性图2 非平衡电桥图1 负温度系数热敏电阻的温度特性热敏电阻按其温度特性可分为正温度系数型、负温度系数型及开关型三大类。其中负温度系数热敏电阻其以锰、钴、铜和铝等金属氧化物

16、为主要原料，采用陶瓷工艺制成。这些金属氧化物都具有半导体性质，温度低时，载流子数目小，因此阻值高；温度高时，载流子数目急剧增加，因此阻值急剧下降，如图1所示，其方程可表示为： （1）1.2非平衡电桥非平衡电桥电路如图2所示，当R1=R2（对称电桥）及Rt=R3时，电桥平衡，G指零如果Rt的阻值发生变化，则电桥的平衡条件被破坏，G中就有电流通过，指针发生偏转，偏转越大，说明Rt变化也越大。 根据桥路的基尔霍夫方程：解出： （2）由式（2）看出，在R1（R2），R3 ，Rg 及Ucd恒定条件下，Ig的大小唯一地由Rt值来决定，因而有可能根据G 偏转的大小来直接指示温度的高低。图3 热敏电阻温度计的

17、实验电路图1.3 热敏电阻温度计的实验电路热敏电阻温度计的实验电路如图3 所示，1.4. 电路参数的设计与计算图3 电路中需要设计计算的参数有四个，下面分别介绍：(1) Ucd 是桥路的工作电压，一般取1.3V。(2) R3值的确定R3 放在下限温度t1的温度场中，它的阻值为Rt1，放在上限温度t2的温度场中，它的阻值为Rt2，Rt1和Rt2都可以在热敏电阻的温度特性曲线上查到。确定R3大小的原则是，当热敏电阻处于t1温度时，微安表应指零。这样，在R1=R2的条件下，R3必须等于Rt1。(3) R1的确定若温度计的测温上限Rt2，微安表应满偏即： (3)将（3）式代入（2）式中得： （4）由（

18、4）式得： （5）上式中的Rg和Igm由实验室给出。（4）R4的确定测量前，必须将K2扳至“校”，目的是校准工作电压Ucd，使其刚好等于设计值。“校”的目的也是为了校准刻度值，使Rt=Rt2时，Ig=Igm与（3）式相符。一般作法是将R4的值固定为Rt2，这样当K2扳至“校”时，就相当于把感温元件置于温度为t2的温度场中，此时微安表应满偏。如果未能指向满偏，则说明Ucd未能达到设计值，需仔细旋转电位器R的旋钮，直至微安表满偏。再将K2扳至“测”，进入测量状态。图4 定标曲线1.5 制作定标曲线描绘出一条定标曲线，如图4所示。既能显示电流值，又能显示温度值。2、实验内容2.1 设计电路参数Ucd

19、，R1（R2），R3 和R4 。2.2 把R1（R2 ），R3 和R4 调到设计值，并且安装成一台热敏电阻温度计。2.3 用一只酒精温度计（作为标准）对这台热敏电阻温度计进行校验（与后边互应），对其测量误差做出判断。注意事项：1、在测量热敏电阻是时，采用图b所示作为一桥臂，调整相应的电阻，使得 所在桥臂的电阻变化很小，且使检流计的偏转尽量与温度的变化成线性关系。2、注意不能超过检流计和温度计的量程。3、应保证在热敏电阻允许温度范围内多次测量，可采用图解法、计算法或最小二乘法求出a、b值。【问题讨论】1、在测半导体热敏电阻时，当桥路达到平衡后，撤去电源，对电路会产生什么影响？(电流计指针是否偏转

20、)为什么？实验三 硅光电池特性及应用研究光电池是一种光电转换元件，它不需外加电源而能直接把光能转换为电能。光电池的种类很多，常见的有硒、锗、硅、砷化镓、氧化铜等。其中应用最广的是硅光电池。硅光电池是根据光生伏特效应而制成的光电转换元件，它的用途主要有两个方面：一是作为光辐射探测器件，在气象、农业、林业等部门探测太阳光的辐射，或在工程技术、科学研究等领域，用于各种光电自动控制和测量装置。二是作为太阳能电源装置，可为某些仪器仪表或设备提供轻便的电源。对人照地球卫星而言更是无可替代的电源。它有一系列的优点：性能稳定，光谱响应范围宽，转换效率高，线性相应好，使用寿命长，耐高温辐射，光谱灵敏度和人眼灵敏

21、度相近等。深入学习硅光电池的工作原理和具体使用特性可以进一步领会半导体PN结原理光电效应理论和光伏电池的机理。【实验目的】1掌握PN结形成原理及其单向导电性等工作机理。2掌握硅光电池的工作原理、光照特性与输出特性等基本特性。3测绘硅光电池的特性曲线，用补偿法测定光电池的短路电流及负载电流。4利用硅光电池的光电转换特性，完成其以下简单应用验证马吕斯定律 测定溶液的透射率【实验仪器】1THKGD-1型硅光电池特性实验仪。图1 硅光电池特性实验仪框图硅光电池特性实验仪框图如图1所示。超高亮度LED在可调电流和调制信号驱动下发出的光照射到光电池表面,功能转换开关可分别打到零偏、负偏或负载。2函数信号发

22、生器、双踪示波器。3硅光电池（2DR65型，面积15mm2，温度20时，开路电压大于500mV，短路电流为3155mA，光谱峰值在0.451.1mm范围内），直流电位差计（或数字电压表），电流计，毫安表，电阻箱，滑线电阻，光具座及光源，直流电源，导线等。 【实验原理】1PN结的形成及单向导电性如果采用某种工艺，使一块硅片的一边成为P型半导体，另一边为N型半导体，由于P区有大量空穴（浓度大），而N区的空穴极少（浓度小），因此空穴要从浓度大的P区向浓度小的N区扩散，并与N区的电子复合，在交界面附近的空穴扩散到N区，在交界面附近一侧的P区留下一些带负电的三价杂质离子，形成负空间电荷区。同样，N区的自

23、由电子也要向P区扩散，并与P区的空穴复合，在交界面附近一侧的N区留下一些带正电的五价杂质离子，形成正空间电荷区。这些离子是不能移动的，因而在P型半导体和N型半导体交界面两侧形成一层很薄的空间电荷区，也称为耗尽层，这个空间电荷区就是PN结。正负空间电荷在交界面两侧形成一个电场，称为内电场，其方向从带正电的N区指向带负电的P区，如图1所示。空间电荷区的内电场一个方面对多数载流子的扩散运动起阻挡作用，另一方面对少数载流子（P区的自由电子和N区的空穴）起推动作用，使它们越过空间电荷区进入对方区域。少数载流子在内电场作用下的定向运动称为漂移运动。在一定条件下，载流子的扩散运动和漂移运动达到动态平衡。达到

24、平衡后，空间电荷区的宽度基本上稳定下来，PN结就处于相对稳定的状态。若在PN结上加正向电压，即外电源的正极接P区，负极接N区，也称为正向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向相反，内电场被削弱，多数载流子的扩散运动增强，形成较大的扩散电流（正向电流），PN结处于导通状态。在一定范围内，外电场愈强，正向电流（由P区流向N区的电流）愈大。正向偏置时，PN结呈现的电阻很低，一般为几欧到几百欧。若在PN结上加反向电压，即外电源的正极接N区，负极接P区，也称为反向偏置。此时外加电压在PN结中产生的外电场和内电场方向一致，也破坏了扩散和漂移运动的平衡。外电场驱使空间电荷区两侧的空穴和自由电子

25、移动，使得空间电荷增强，空间电荷区变宽，内电场增强，使多数载流子的扩散运动很难进行。但另一方面，内电场的增强也加强了少数载流子的漂移运动。由于少数载流子数量很少，因此反向电流不大，即PN结呈现的反向电阻很高，可以认为PN结基本上不导电，处于截至状态。反向电阻一般为几千欧到十几兆欧。由于少数载流子是由于价电子获得热能（热激发）挣脱共价键的束缚而产生的。环境温度愈高，少数载流子的数量愈多，所以温度对反向电流的影响较大。由以上分析可知，PN结具有单向导电性。在PN结上加正向电压时，PN结电阻很低，正向电流较大，PN结处于正向导通状态；加反向电压时，PN结电阻很高，反向电流很小，PN结处于截至状态。图

26、1 半导体PN结在零偏、负偏、正偏下的耗尽区图1是半导体PN结在零偏、负偏、正偏下的耗尽区。扩散的结果使得结合区两侧的P型区出现负电荷，N型区带正电荷，形成一个势垒，由此而产生的内电场将阻止扩散运动的继续进行，当两者达到平衡时，在PN结两侧形成一个耗尽区，耗尽区的特点是无自由载流子，呈现高阻抗。当PN结反偏时，外加电场与内电场方向一致，耗尽区在外电场作用下变宽，使势垒加强；当PN结正偏时，外加电场与内电场方向相反，耗尽区在外电场作用下变窄，势垒削弱，使载流子扩散运动继续形成电流，此即为PN结的单向导电性,电流方向是从P指向N。2. LED的工作原理当某些半导体材料形成的PN结加正向电压时,空穴

27、与电子在PN结复合时将产生特定波长的光，发光的波长与半导体材料的能级间隙Eg有关。发光波长可由下式确定： （1）式(1)中h为普朗克常数，c为光速。在实际的半导体材料中能级间隙Eg有一个宽度，因此发光二极管发出光的波长不是单一的，其发光波长宽度一般在2540nm左右，随半导体材料的不同而有差别。发光二极管输出光功率P与驱动电流I的关系由下式确定： （2）式(2)中，为发光效率，Ep为光子能量，e为电子电量。图2 发光二极管驱动和调制电路框图 图3 LED发光二极管的正弦信号调制原理输出光功率与驱动电流呈线性关系，当电流较大时由于PN结不能及时散热，输出光功率可能会趋向饱和。系统采用的发光二极管

28、驱动和调制电路框图如图2所示。本实验用一个驱动电流可调的红色超高亮度发光二极管作为实验用光源。信号调制采用光强度调制的方法，发送光强度调节器用来调节流过LED的静态驱动电流，从而改变发光二极管的发射光功率，静态驱动电流调节范围为020毫安，对应面板上的发送光强度显示值为02000单位。正弦调制信号经电容、电阻网络及运放跟随隔离后耦合到放大环节，与发光二极管静态驱动电流叠加后使发光二极管发送随正弦波调制信号变化的光信号，如图3所示。变化的光信号可用于测定光电池的频率响应特性。3硅光电池的工作原理光电转换器件主要是利用物质的光电效应，即当物质在一定频率的照射下，释放出光电子的现象。当光照射金属、金

29、属氧化物或半导体材料的表面时，会被这些材料内的电子所吸收，如果光子的能量足够大，吸收光子后的电子可挣脱原子的束缚而溢出材料表面，这种电子称为光电子，这种现象称为光电子发射，又称为外光电效应。有些物质受到光照射时，其内部原子释放电子，但电子仍留在物体内部，使物体的导电性增强，这种现象称为内光电效应。 图4 光电池结构示意图光电二极管是典型的光电效应探测器。当PN结及其附近被光照射时，就会产生载流子（即电子-空穴对）。结区内的电子-空穴对在势垒区电场的作用下，电子被拉向N区，空穴被拉向P区而形成光电流。同时势垒区一侧一个扩展长度内的光生载流子先向势垒区扩散，然后在势垒区电场的作用下也参与导电。当入

30、射光强度变化时，光生载流子的浓度及通过外回路的光电流也随之发生相应的变化。在入射光强度的很大动态范围内这种变化能保持较好的线性关系。4硅光电池的伏安特性硅光电池是一个大面积的光电二极管，其基本结构如图4所示，当半导体PN结处于零偏或负偏时，在它们的结合面耗尽区存在内电场。当没有光照射时，光电二极管相当于普通的二极管。其伏安特性是 （3）式(3)中I为流过二极管的总电流，Is为反向饱和电流，e为电子电荷，k为玻耳兹曼常量，T为工作绝对温度，V为加在二极管两端的电压。对于外加正向电压，I随V指数增长，称为正向电流；当外加电压反向时，在反向击穿电压之内，反向饱和电流基本上是个常数。当有光照时，入射光

31、子将把处于介带中的束缚电子激发到导带，激发出的电子空穴对在内电场作用下分别飘移到N型区和P型区，当在PN结两端加负载时会有光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式（4）确定： （4）此式表示硅光电池的伏安特性。式（4）中I为流过硅光电池的总电流，Is为反向饱和电流，V为PN结两端电压，T为工作绝对温度，Ip为产生的反向光电流。从式中可以看到，当光电池处于零偏时，V=0，流过PN结的电流I=Ip；当光电池处于负偏时，流过PN结的电流。因此，当光电池用作光电转换器时，光电池必须处于零偏或负偏状态。光电池处于零偏或负偏状态时，产生的光电流Ip与输入光功率Pi有以下关系： （5）式（5）中R为响应

32、率，R值随入射光波长的不同而变化，对不同材料制作的光电池R值分别在短波长和长波长处存在一截止波长，在长波长处要求入射光子的能量大于材料的能级间隙Eg，以保证处于介带中的束缚电子得到足够的能量被激发到导带，对于硅光电池其长波截止波长为，在短波长处也由于材料有较大吸收系数使R值很小。图5光电池光电信号接收框图图5是光电池光电信号接收端的工作原理框图，光电池把接收到的光信号转变为与之成正比的电流信号，再经I/V转换模块把光电流信号转换成与之成正比的电压信号。当发送的光信号被正弦信号调制时，则光电池输出电压信号中将包含正弦信号，据此可通过示波器测定光电池的频率响应特性。5硅光电池的负载特性图6 硅光电

33、池负载特性的测定光电池作为电池使用如图6所示。在内电场作用下，入射光子由于内光电效应把处于介带中的束缚电子激发到导带，而产生光伏电压，在光电池两端加一个负载就会有电流流过，当负载很小时，电流较小而电压较大；当负载很大时，电流较大而电压较小。实验时可改变负载电阻RL的值来测定硅光电池的负载特性。6利用硅光电池的光电转换特性，完成其以下简单应用验证马吕斯定律在研究负载特性的光路中插入两个偏振器，旋转两者之间的夹角，测量其短路电流I的变化规律，验证马吕斯定律。测定溶液的透射率利用不同浓度的盐溶液，测出溶液浓度与透射率之间的实验曲线，求出该曲线的经验公式。光电池在一定光照下，负载无限大（开路）时，其极

34、间电压称开路电压，开路电压的大小与入射光的强度的对数成正比。若负载电阻为零（即短路），光电池的输出电流称短路电流。短路电流的大小与光强成线性关系，若光电池内阻越小，线性关系就越好。【实验内容】1硅光电池零偏和负偏时光电流I与输入光功率Po间关系测定打开仪器电源，调节发光二极管静态驱动电流，其调节范围为020mA（相应于发光强度指示02000），将功能转换开关分别打到零偏和负偏，将硅光电池输出端连接到I/V转换模块的输入端，将I/V转换模块的输出端连接到数显电压表头的输入端，分别测定光电池在零偏和负偏时光电流与入射光功率的关系。记录数据并在同一张坐标纸上作图，确定硅光电池在零偏和负偏时光电流I与

35、输入光功率Po间的函数关系。2硅光电池输出接恒定负载时产生的光伏电压与输入光信号关系测定将功能转换开关打到“负载”处，将硅光电池输出端连接恒定负载电阻（如取10K）和数显电压表，从020mA（指示为02000）调节发光二极管静态驱动电流，实验测定光电池输出电压随输入光强度变化的关系曲线。3硅光电池伏安特性测定在硅光电池输入光强度不变时（取发光二极管静态驱动电流为15mA），测量当负载从0100k的范围内变化时，光电池的输出电压随负载电阻变化关系曲线。4硅光电池频率响应的测定将功能转换开关分别打到“零偏”和“负偏”处，将硅光电池的输出连接到I/V转换模块的输入端。令LED偏置电流为10mA（指示

36、为1000），在信号输入端加正弦调制信号，使LED发送调制的光信号，保持输入正弦信号的幅度不变，调节函数信号发生器频率，用示波器观测并记录发送光信号的频率变化时，光电池输出信号幅度的变化，测定光电池在零偏和负偏条件下的幅频特性，并测定其截止频率。将测量结果记录在自制的数据表格中。比较光电池在零偏和负偏条件下的实验结果，分析原因。【问题讨论】1光电池在工作时为什么要处于零偏或负偏？2光电池对入射光的波长有何要求？3当单个光电池外加负载时，其两端产生的光伏电压为何不会超过0.7伏？4如何获得高电压、大电流输出的光电池？ 5光电池和光电倍增管作为光电检测器在光学仪器中有着广泛的应用。两者作为检测器各

37、有什么优劣？实验四 音频信号光纤传输实验 在信号传输技术中，光纤传输具有衰减小、频带宽、抗干扰性强、安全性能高、体积小、重量轻等优点，所以在长距离传输和特殊环境等方面由于光纤传输具有同轴电缆无法比拟的优点而成为首选设备。光纤传输技术的广泛应用是直到1966年，英国标准实验室的英籍华人高锟博士提出，低损耗的玻璃纤维可以作为光信息的传输介质才得以开始的。玻璃纤维问世后，在世界各国出现了一个研究光纤通讯的高潮。1975年，美国亚特兰大实验系统的光纤通讯实验成功。1983年，美国贝尔实验室在美国东、西海岸铺设了长度分别为600公里和270公里的两条光纤通讯的主干线。此后，世界其他国家也先后建立了许多中

38、短距离的光纤通讯系统。1972年，我国开始进行光纤通讯研究，而今已广泛用于邮电、电视等部门。现在光纤通讯已成为全球电信和数据通信网的支柱。本实验系统是集光电子技术，光纤传输技术，模数/数模转换技术和接口技术等多种技术于一体。通过该实验系统的各种实验的操作，对学生知识面和增强他们综合运用多种知识解决实际问题都具有十分重要的作用。图1是一个光纤通讯系统示意图。在发射端直接把信号调制到光波上，将电信号变换为光信号，然后将已调制的光波送入光缆中传输，在接收端将光信号还原成电信号。整个过程与一般无线电通讯过程十分相似。在光纤与发送器、光纤与接收器之间装有耦合器，当传输距离较长时，还需用连接器把两根更光纤

39、连接起来。【实验目的】1.了解音频信号光纤传输系统的组成及选配各主要部件的原则。2.熟悉光纤传输系统中半导体电光/光电转换器件基本性能及主要特性的测试方法。3.训练如何在音频光纤传输系统中获得较好传输质量及其调试技能。【实验仪器】OFC-型音频信号光纤传输系统，由八大部分组成:1.光信号发送器 2.光纤信道 3.光信号接收器 4.光功率指示器 5.调制信号发生器(可产生正弦波,三角波,矩形波,语音信号) 6.频率计 7.数字毫伏表 8.直流电流表 9.数字电流表；【实验原理】1系统的组成图2所示为一个音频信号直接光强调制光纤传输系统的结构原理图。它主要包括半导体发光二极管（LED）或者半导体激

40、光器(LD)及其调制和驱动电路组成的光信号发送器。传输光纤，由光电二极管(SPD)、I-U变换电路和功放电路组成的光信号接收器三部分。信号源发出的电信号(语音、图像、数据等)输入光发送器驱动电路后按一定的方式调制成光信号，经光纤光缆传输到远处光接收器的光检测器，再经放大解调等处理将信号恢复成原始信号并输出。信号源可以是载波机、影视图像发射设备、计算机等。组成该系统时光源LED的发光中心波长必须在传输光纤呈现低损耗的、或附近，本试验采用发光中心波长为的GaAs半导体发光二极管作为光源，峰值响应波长为的硅光电二极管作为光电检测元件。1.1 光纤 光纤是光导纤维的简称。是用各种导光材料（如石英、玻璃

41、、塑料等）制成的，具有约束和引导光波在其中沿轴向传输的“光波导”功能。光纤传输主要是利用光纤的全反射原理来传输信号的。光纤直径一般在几微米到几十微米，由称为“纤芯”和“包层”的同轴圆形双层结构组成，光线在这种光纤中的传播情况(按几何光学模型)见图3。纤芯的折射率为，包层的折射率为，由于，只要光纤端面处的外来光满足入射角大于临界角这一角度要求，就能在光纤的纤芯和包层的界面上产生全反射，通过连续不断的全反射，光波就可以曲折地从光纤的一端向光纤的另一端传输。为了保护光纤，通常还将光纤制成单芯或多芯的光缆，用保护套包裹光纤。在光缆中还要加入抗张力的钢丝或强力塑料芯，以提高其抗张力强度。实验中所用光纤长

42、度约为50m，连同LED一道封装在有机玻璃盒内，实验中注意保护。1.2 半导体发光二极管(LED)光纤通讯系统中对光源器件在许多方面均有特殊要求，目前能满足要求的光源器件主要有半导体发光二极管(LED)和半导体激光器（LD）。光纤传输系统中常用的半导体发光二极管如图2 所示，它是一个N-p-P三层双异质结构（简称DH结构）的半导体器件。其中中间层p通常是由直接带隙的GaAs（砷化镓）P型半导体材料组成，其带隙较窄，称为有源层。两侧分别由AlGaAs的N型和P型半导体材料组成，它们的带隙较宽。光纤通讯系统中使用的半导体发光二极管的光功率是敬称为尾线的光导纤维输出的光功率，出纤光功率与LED驱动电

43、流的关系称为LED的电光特性。为了避免和减少非线性失真，使用时应先给LED一个适当的偏置电流，其值等于这一特征曲线的线性部分中点所对应的电流值，而调制信号的峰峰值应位于电光特性的直线范围内。对于非线性失真要求不高的情况下，也可把偏置电流选为LED最大允许工作电流的一半，这样可使LED获得无截止畸变幅度最大的调制，这样有利于信号的远距离传输，LED电光特性及信号调制输出见图5。1.3 半导体光电二极管(SPD)光电二极管(SPD)和半导体二极管也类似，核心仍是p-n结。但结构上有较大不同，主要表现在其外壳上有一能让光线射入光敏区的窗口。并且，它还常常工作在反向偏置电压状态或无偏压状态如图6所示。

44、在反偏电压状态下，p-n结的空间电荷区的势垒增高、宽度加大、结电阻増加、结电容减小，有利于提高光电二极管的高频响应性能。无光照时，反向偏置的p-n结只有很小的反向漏电流，称为暗电流。当有光子能量大于p-n结半导体材料的带隙宽度的光波照射到光电二极管的管芯时，p-n结各区域中的价电子吸收光能后将挣脱价键的束缚而成为自由电子，同时也产生一个自由空穴，这些由光照产生的自由电子-空穴对统称为光生载流子。在远离空间电荷区（也称耗尽区）的p区和n区内由于电场强度很弱，光生载流子只有扩散运动，它们在向空间电荷区扩散的途中因复合而消失，所以无法形成光电流。形成光电流主要是靠在空间电荷区内的光生载流子，因空间电荷区内的电场很强，在此强电场作用下，光生自由电子-空穴对将以高速分别向p区和n区运动，很快越过该区达到电极并沿外电路闭合形成光电流。光电流的方向是从二极管的负极流向它的正极（p区到n区），并且在无偏电压短路的情况下与入射的光功率成正比。因此，采用在p-n结中增加空间电荷区内的宽度的方法来提高光电转换效率。实验所用的PIN光电二极管的p-n结除了具有较宽的空间电荷区外，还具有很大的结电阻和很小的结电容，这些特点使得P