实验十一光传感器光线照度测量实验
一. 实验目的
通过本实验了解和掌握光传感器测量照度的基本原理和方法。
二. 照度传感器及工作原理简介
照度为照射到表面一点处的面元上的光通量除以该面元的面积。
量的符号为e(ev)；单位为勒[克斯]，符号为lx，1lx＝1lm／㎡。
其数学表达式为：
式中，da--接收到dφv光通量的微面积元。
照度是表示受光面被照明程度的物理量。
照度的单位采用专门名称勒克斯。
照度传感器以光电效应为基础，将光信号转换成电信号的装置。
根据爱因斯坦的光子假说：光是一粒一粒运动着的粒子流，这些光粒子称为光子。
每一个光子具有一定的能量，其大小等于普朗克常数h乘以光的频率γ。
所以不同频率的光子具有不同的能量。
光的频率越高，其光子能量就越大。
光线照射在某些物体上，使电子从这些物体表面逸出的现象称为外光电效应，也称光电发射。
逸出来的电子称为光电子。
光电效应一般分为外光电效应、光电导效应和光生伏打效应三类，根据这些效应可制成不同的光电转换器件(并称光敏元件)。
照度传感器是以光伏特效应来工作的。
光伏特效应
在光照下，若入射光子的能量大于禁带宽度，半导体pn结附近被束缚的价电子吸收光子能量，受激发跃迁至导带形成自由电子，而价带则相应地形成自由空穴。
这些电子一空穴对，在内电场的作用下，空穴移向p区，电子移向n区，使p区带正电，n区带负电，于是在p区和n区之间产生电压，称为光生电动势，这就是光伏特效应。
利用光伏特效应制成的敏感元件有光电池、光敏二极管和光敏三极管等。
其应用极为广泛。
利用光敏二极管的光伏特效应可以制作照度传感器。
光敏二极管的结构与一般二极管相似，装在透明玻璃外完中，它的pn结装在管顶，可直接受到光照射，光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。
光敏二极管在电路处于反向偏置，在没有光照射，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流。
反向电流小的原因是在pn结中，p型中的电子和n型中的空穴(少数裁流子)很少。
当光照射在pn结上，光子打在pn结附近，使pn结附近产生光生电子和光生空穴对，使少数载流子的浓度大大增加，因此通过pn结的反向电流也随着增加。
如果入射光照度变化，光生电子-空穴对的浓度也相应变动，通过外电路的光电流强度也随之变动，可见光敏二极管能将光信号转换为电信号输出。
四.实验仪器和设备
1. drvi可重组虚拟实验开发平台1套
2. 蓝津数据采集仪（ldaq-epp2）1套
3. 开关电源（ldy-a）1套
4. 光传感器1个
五. 实验步骤及内容
1. 启动服务器，运行drvi主程序，开启drvi数据采集仪电源，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi采集仪主卡检测"进行服务器和数据采集仪之间的注册。
联机注册成功后，分别从drvi工具栏和快捷工具条中启动"drvi微型web服务器"和"内置的web服务器"，开始监听8600和8500端口。
2. 打开客户端计算机，启动计算机上的drvi客户端程序，然后点击drvi快捷工具条上的"联机注册"图标，选择其中的"drvi局域网服务器检测"，在弹出的对话框中输入服务器ip地址（例如：192.168.0.1），点击"发送"按钮，进行客户端和服务器之间的认证，认证完毕即可正常运行客户端所有功能。
图11.1 环境监测-光照强度测量实验（服务器）
3. 在drvi软件平台的地址信息栏中输入如下信息"http://服务器ip地址:8600/gccslab/index.htm"，打开web版实验指导书，在实验目录中选择"光传感器光线照度测量"实验，参照实验原理和要求设计该实验。
4. 点击附录中该实验脚本文件"服务器端"的链接，将参考的实验脚本文件贴入drvi软件平台中并运行，点击面板中的"开关"按钮，打开实验台上的光源开关，调节光的亮度，观察不同的亮度情况下信号波形及光照强度测量值，分析并记录实验结果。
服务器端实验效果示意图如图11.1所示。
5. 对于客户端的分析，首先设定数据共享服务器的ip地址，然后在确保数据共享服务器端8500端口打开的前提下，点击"开关"按钮进行网络数据采集，观察数据共享服务器端光照强度随外界条件变化而变化的情况，并记录实验结果。
客户端实验效果示意图如图11.2所示。
图11.2 环境监测-光照强度测量实验（客户端）
五. 注意事项
由于光照强度变化非常快，并且对环境光线的影响也非常敏感，因此观察到的光线照度应是一个在一定范围内波动的数据，误差的计算应使用相对误差的概念。
（有条件的话可参考标准照度计读数。
）
六. 实验报告要求
1. 根据实验内容整理实验结果，并分析和说明其检测原理。
七. 思考题
1. 分析测量误差，应用于测光照度的传感器还有哪些？简述其工作原理。
附录：
1. 该实验的实验信号处理框图如图11.3所示
图11.3 环境光照强度测量实验信号处理框图。