第15章-基于LabVIEW的光照度测量实验-最终核验版

第15章基于LabVIEW的光照度测量实验长安大学本章导览①测量链路光强→电阻→电压→采集→照度LED发光改变光强光敏电阻光强→阻值恒流电路阻值→电压DAQmx采集换算模块电压→照度显示记录曲线与表格②本章三节分别解决哪个环节15.1/15.2硬件光如何变成电阻，电阻如何变成电压15.3软件电压如何被采集并换算回照度15.4实验用4个LED造出已知光强，逐级核对③与热敏电阻实验的关系采集系统功能与热敏电阻实验相似，只是传感器转换功能不同——本次实验是将电阻值转换为照度。15.1工作原理■

元件是什么光敏电阻是用硫化镉或硒化镉等半导体材料制成的特殊电阻器，其工作原理是内光电效应。■

为什么能测照度光敏电阻器对光线十分敏感：在无光照射时，呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。因此测出阻值，就能实现光照度的测量。■

实验室怎么模拟光强在实验时，通过改变开启LED灯的个数来模拟光照度的变化，记录光照度和光敏电阻值。LED光照度不高，实验时需要用遮光板遮住LED灯。15.1特性系数的定义符号含义γ特性系数，其上下标表示对应的光照度范围R光敏电阻的阻值（Ω），其上标表示所处环境的光照度E光照度适用范围在光照度范围为1lx–10lx时，光敏电阻的特性系数15.1光强-电阻特性曲线■

读图横轴为光照度（lx），纵轴为阻值（Ω），两轴均取对数刻度。■

量程对应0.1lx–100lx范围内，光敏电阻阻值范围为290kΩ～1kΩ。■

元件参数实验所用光敏电阻型号为P380-5R，环境温度25℃时，其阻值范围为1kΩ～2MΩ。图15.1光敏电阻特性曲线15.2.1传感器选型项目参数型号P380-5R材料硫化镉/硒化镉半导体常温阻值（25℃）1kΩ～2MΩ0.1–100lx阻值290kΩ～1kΩ光敏电阻P380-5R主要参数■实验所用硬件（教材清单）·光敏电阻试验模块×1·NIELVISII+实验平台×1·专用模块实验板×1·遮光罩×1·导线若干工作原理：内光电效应光敏电阻器对光线十分敏感，在无光照射时呈高阻状态；当有光照射时，其电阻值迅速减小。15.2.2恒流法测量电路■

电路组成如图15.2，可变电阻R₂代表光敏电阻，采用差分测试连接方式。■

参考电压参考恒流法测量热敏电阻，电阻计算公式一样，恒流模块内部实际的参考电压仍然是5V。■

采集通道光敏电阻两端经AI0+/AI0−差分接入模拟输入端子。图15.2恒流法测量电路15.3.1功能分析与界面布局■

程序基础采集系统是在NIexample中已有的VoltageContinuousInput.vi上修改。■

左侧程序自带的硬件配置、采样参数配置和文件保存配置功能。■

右侧右侧增加了光照曲线显示图；电压曲线下增加了光照值、光敏电阻值和恒压/分压切换选项，以满足实验要求。图15.3光照度测量系统界面15.3.2数据是怎么一步步变成照度的DAQmx读取数组索引第0通道波形提取取电压求均值电阻计算电阻-照度转换移位寄存器历史浏览①取数在DAQmx读取函数后面通过数组索引获取第0通道的数据。②换算原始数据是波形文件，需通过波形提取函数获得内部的电压信号；与热敏电阻计算方式完全一样，将电压信号经过均值和电阻计算。③输出通过电阻-照度转换模块实现照度测量；在循环内部增加移位寄存器，实现历史采集数据的浏览。15.3.2程序框图（图15.4）■

取数在DAQmx读取函数后面通过数组索引获取第0通道的数据。■

提取电压原始数据是波形文件，需要通过波形提取函数获得内部的电压信号。■

均值与电阻计算与热敏电阻计算方式完全一样，将电压信号经过均值和电阻计算。■

移位寄存器在循环内部增加移位寄存器，实现历史采集数据的浏览。图15.4光敏电阻测量后面板15.3.2电阻-照度转换式与函数封装■换算式教材式（15-2）：由阻值R计算照度E，式中0.835即特性系数γ。■函数封装按照上式，光敏电阻与照度的转换函数代码如图15.5所示，并封装为函数GetLightFromRes.vi。■输入与输出从图15.5的代码看：输入为阻值Res，输出为Light（光照度）。式（15-2）电阻-照度换算式（教材原式）图15.5光照度-电阻转换代码15.4.1实验步骤1断电连线：连线时需要关闭电源，检查线路连接无误后再打开电源。2分色布线：建议电源采用红线和黑线，信号线用黄色或绿色。3设定电流：实验搭建的恒流电路电流大小为0.5mA。4遮挡环境光：实验环境光照较强，需用塑料盖将光敏电阻和发光二极管盖住。5逐级改变光强：用4个LED灯点亮的数量改变光强，记录光照度和光敏电阻值。第二种做法在所有LED灯点亮后打开遮光板测量实验室光照，然后盖住遮光板，逐步关闭LED灯，观察照度采集情况。15.4.1硬件搭建■

采集通道AI0+/AI0−接光敏电阻两端；AI1、AI2通道在热敏电阻实验中使用。■

供电电源提供+5V与+15V两路，与GND共地。■

两个实验区实验板左侧为热敏电阻实验区，右侧为光敏电阻实验（恒流源）区。■

光源与开关光敏电阻区配有光源开关与灵敏度调节，用于模拟不同光照条件。图15.6恒流法光照实验硬件搭建15.4.2结果分析■

高峰段图15.7中存在一个高峰区域，这是室内照度，接近200lx。■

左侧台阶其左侧4个台阶对应的照度是1–4个LED灯亮的照度情况。■

右侧下降段右侧是LED灯逐步关闭的结果。实验表明光敏电阻可实现照度的测量。图15.7光照实验结果15.4.2实验数据记录开灯情况点亮1个LED点亮2个LED点亮3个LED点亮4个LED室内光照光敏电压（V）4.9033.8283.2152.8051.009光敏电阻（Ω）9805.57646.86430.55607.42021.7光照度（lx）29.1439.2848.8357.14193.55表15.1光照实验数据记录■

读表LED点亮数量越多，光照度越大，光敏电压与阻值越小最后一列为所有LED点亮后打开遮光板测得的室内光照：193.55lx，对应阻值2021.7Ω思考题（1）利用光敏电阻模块和ELVISII+平台成功搭建了系统硬件环境，完成了光敏电阻的数据采集系统，实现了光照度的测量。但本次实验的照度比较小，如何实现室外太阳光的照度测量？（2）如何采用DAQ助手自行构建一套光敏传感器的采集系统，实现采集数据中电阻和光照度的自动记录？（3）如何构建一套针对大范围光照度的电路？选择合适的传感器，并设计相应的电路，实现晴天和阴天的光照度采集，并与照度计对照，评价测试系统的性能。（4）使用生产者和消费者的方式来设计光敏实验的采集系统，并完成实验报告。本章小结■

工作原理（15.1）光敏电阻利用半导体的光电效应，阻值随入射光强弱而变化，通过测量阻值实现光照度的测量。■

硬件系统设计（15.2）P380-5R光敏电阻试验模块+NIELVISII+平台，采用恒流法测量电路，差分测试连接。■

软件系统设计（15.3