Эксперимент n2 «люкс-амперные характеристики фоторезистора». Приборы и оборудование.

Лабораторная работа выполняется на комбинированном учебном комплексе ФКЛ-17МК.

Для постановки опыта по снятию световой характеристики необходимо измерять зависимость фототока I, протекающий через фоторезистор, от освещенности Е при различных длинах волн и при фиксированном значении рабочего напряжения U=1 В. Для этого следует, подключая перемычкой в схему рис. 29 соответствующие светодиоды, изменять световой поток, вращая многофункциональную ручку «УПРАВЛЕНИЕ 3».

Параметры излучения оцениваются в энергетических единицах (Люксах) по показаниям люксметра, входящего в состав комбинированного цифрового измерительного прибора. Измерителями фотосигнала тока и напряжения, прикладываемого к фоторезистору служат чувствительный цифровой микроамперметр и вольтметр, также входящие в состав измерительного блока.

Длины волн излучения светодиодов.

Цвет	Длина волны максимума спектральной характеристики λ, нм
Фиолетовый	410
Синий	450
Зеленый	540
Желтый	580
Красный	650

Рис. 29. Блок — схема эксперимента по снятию люкс-амперных характеристик фоторезистора.

Порядок выполнения.

1. Перед включением установки в сеть проверить целостность всех соединительных сигнальных и сетевых проводов. Все работы по подключению комплекса к компьютеру следует выполнять только при отключенных от сети приборах. Используя стандартный USB провод из комплекта подключить выход USB учебной установки с свободному USB порту ПК. Разобраться с принципиальными блок-схемами опытов, в назначении кнопок, переключателей и ручек прибора.

2. Соединить монитор с системным блоком ПЭВМ, подключить клавиатуру и мышь к системному блоку используя стандартные провода для подключения. Подключить системный блок ПЭВМ и монитор к сети ~220 В.

3. Включить установку в сеть ~220 В с помощью прилагаемого силового сетевого кабеля евро-стандарта. Поставить переключатель есть на панели учебного модуля в положение «ВКЛ», при этом должен загореться сигнальный индикатор «СЕТЬ».

4. Загрузить операционную систему согласно стандартным процедурам загрузки.

5. При необходимости, настроить компьютер для работы с учебной установкой согласно прилагаемому руководству к среде LabVisual.

6. Запустить программу LabVisual для работы с учебной установкой для данного эксперимента пользуясь ярлыком на рабочем столе либо другим способом, указанным лаборантом.

Проведение эксперимента.

7. С помощью многофункциональных кнопок «РЕЖИМ РАБОТЫ» выбрать «FOTORESISTOR*2 EXPERIMENT N2».

8. Подключить к схеме с помощью перемычки фиолетовый светодиод, соединив контакты XS1 – XS2 схемы.

9. Нажатием кнопки «ЗАПУСК» включить режим снятия люкс-амперных характеристик фоторезистора. При запущенной среде LabVisual 2.5 автоматически запустится подпрограмма рис. 18.2 для снятия люксамперных характеристик фоторезистора.

10. Вращая многофункциональную ручку «УПРАВЛЕНИЕ 3». снять световую характеристику фоторезистора, т. е. зависимость фототока I_F от интенсивности излучения E при заданной длине волны λ и при постоянном значении приложенного напряжения U=1 В (рабочее напряжение U=1 В устанавливается автоматически), называемой часто люкс-амперной характеристикой. Характеристика приблизительно должна иметь вид аналогичный рис. 13. Убедиться в наличии участка насыщения на ВАХ.

Рис. 30. Световая люкс-амперная характеристика фоторезистора, получаемая на учебной установке ФОЭЛ-5К. Пример для фиолетового света λ=410 нм.

11. Подключить к схеме с помощью перемычки синий светодиод, соединив контакты XS1 – XS3 схемы.

12. Повторить п. 10 для синего светодиода и всех возможных длин волн (5 штук).

13. Из построенных световых люкс-амперных характеристик фоторезистора определить спектральные чувствительности для каждой длины волны падающего света λ для фиксированного значения рабочего напряжения U=1 Вольт. Для этого для каждой длины волны падающего света λ на люкс-амперной характеристики необходимо выбрать линейный участок и оценить спектральную чувствительность S как тангенс угла наклона прямой к оси абсцисс tgα (см. рис. 30).

14. При ручном анализе данных легко получить расчетную формулу , где в качестве ΔI_F и ΔE для повышения точности рекомендуется брать максимально возможные приращения. Однако, для проведения наилучших оценок рекомендуется воспользоваться методом наименьших квадратов. ВСЕ РАСЧЕТЫ ПРОИЗВОДИТЬ В СИ.

15. При необходимости, для сохранения результатов измерения в файл данных, следует пользоваться специальным полем в программе «Данные для сохранения», занося в две колонки через пробел значения фототока и светового потока, полученные для каждого измерения с помощью приборов (рис. 28).

16. Рис. 31. Анализ световой люкс-амперной характеристики фоторезистора с помощью компоненте LabVisual MagicPlot. Пример для фиолетового света λ=410 нм.

    Для выполнения п. 13 — 14 в среде LabVisual следует воспользоваться компонентом LabVisual MagicPlot, вызвать который можно нажатием кнопки «АНАЛИЗИРОВАТЬ». При этом откроется окно программы для анализа данных рис.20.

17. Импортировать сохранённый ранее вами файл данных в подпрограмму с помощью команды Project — Import Text Table. При этом откроется стандартное диалоговое окно выбора файла рис. 21.

18. Для построения графика следует использовать команду команду Table — Create Fit Plot - Marker, Line&Marker для отображения данных в виде экспериментальных точек. При этом должно открыться диалоговое окно выбора колонок для построения графика. В качестве данных для оси Х по умолчанию выбрать колонку А, в качестве данных для оси Y по умолчанию выбрать колонку B для построения зависимости В=В(А) рис. 22.

19. После настройки графика закрыть данный диалог нажатием кнопки Close.

20. В появившемся окне графика данных щелкнуть правой кнопкой мыши в области окна и выбрать наилучший масштаб для отображения автоматически: Scale: Best View рис. 23.

v

21. Рис. 32. Выбор интервала экспериментальных данных для дальнейшего анализа методом наименьших квадратов с использованием линейной функции.

    Провести анализ линейного участка кривой с помощью встроенной в компонент линейной функции. Для этого следует в правой части окна нажать кнопку Add – Line для добавления линейной функции вида y(x)=a∙x+b см. рис. 31. После добавления, на вкладке «Fit Curves» отобразится название функции, цвет и стиль линии её отображения.

22. Поставить флажок «Edit Interval» для редактирования диапазона данных, который будет использоваться для аппроксимации (линейный участок кривой), при этом на графике отобразится текущий интервал (по умолчанию в интервал для аппроксимации входят все экспериментальные точки).

23. «Зацепить» правую границу интервала, и, удерживая нажатой левую кнопку мыши, переместить границу так, чтобы нелинейный участок насыщения, который не должен участвовать в анализе, вышел из диапазона. Проверить также левую границу интервала, и при необходимости повторить указанные выше действия для неё рис. 32.

24. Рис. 33. Аппроксимация экспериментальных данных «на глаз» с помощью линейной функции.

    По умолчанию, сразу после добавления аппроксимирующей кривой, на график добавляется прямая линия с некоторыми начальными параметрами (в нашем случае a=0 (наклон) и b=0). Задачу анализа можно существенно упростить, если более правильно выбрать эти начальные параметры. Компонент LabVisual MagicPlot позволяет сделать это графически. Для этого нужно зацепить какую либо точку аппроксимирующей кривой (в нашем случае две большие точки на линии) и, удерживая нажатой левую кнопку мыши, перемещать линию к экспериментальным точкам, по возможности таким образом, чтобы «на глаз» экспериментальные точки ложились на линию аппроксимации наиболее точно (рис. 33).

25. Обратите внимание, что при перемещении аппроксимирующей прямой линии, значения параметров кривой а и b также меняются в соответствии с расположением этой линии.

26. Для окончательного выполнения аппроксимации встроенными в компонент методами наименьших квадратов, нажмите кнопку «Fit One Curve». При этом будет автоматически проведен анализ наилучшим способом, а в информационном окне о параметрах отображены найденные значения тангенса наклона прямой к оси Ox (параметр а) и значение параметра b (отрезок отсекаемый прямой от оси Oy) рис. 34. Информацию о найденных параметрах также можно получить на вкладке Report (Отчет) компонента MagicPlot, откуда отчет может быть скопирован как текст и вставлен в любое другое приложение (текстовый редактор) для дальнейшего оформления.

Рис. 34. Аппроксимация экспериментальных данных методом наименьших квадратов с помощью линейной регрессии.

27. Пример текстового отчета, генерируемого компонентом:

LAST FIT

Data Points Number: 20

Fitted Curves Number: 1

Parameters Number: 2

Degrees of Freedom (DoF): 18

Data Total Sum of Squares (TSS): 2.6562e-6

Weighting: No

Iterations: 13

Convergence: 0

RESULTS

Residual Sum of Squares (RSS, χ^2): 6.2632e-38

Reduced RSS: 3.4795e-39

Residual Standard Deviation: 5.8988e-20

Coefficient of Determination R^2: 1

Adjusted R^2: 1

DATA INTERVALS

From To

0 38.299

FITTED CURVES

Line Curve 1 a=3.16e-5±1.1437e-21 b=5.3e-5±2.542e-20

FITTED PARAMETERS

Parameter Curve 1 a Curve 1 b

Value 3.16e-5 5.3e-5

Std. Dev. 1.1437e-21 2.542e-20

CORRELATION MATRIX

Parameter Curve 1 a Curve 1 b

Curve 1 a 1 -0.8549

Curve 1 b -0.8549 1

Информация о найденных параметрах аппроксимирующей кривой выводится в строчке FITTED CURVES.

28. Оценка параметра a представляет собой спектральную чувствительность S_λ на данной длине волны при рабочем напряжение U=1 В.

29. По окончании работы следует закрыть программу-оболочку LabVisual и все открытые подпрограммы, закрыть виртуальную среду VirtualBox (при работе в среде Linux).

30. Выключить компьютер, нажав на кнопку, находящуюся в крайнем нижнем левом углу экрана. Из доступных действий выбрать «ВЫХОД»--> «ВЫКЛЮЧИТЬ КОМПЬЮТЕР».

31. Отключить установку от сети, поставив переключатели «СЕТЬ» на панели установки в положение «выкл» и вынуть сетевые вилки из розеток.