基于PASCO系统的光传感器的应用研究

周菊林,梅孝安,李 蓓

(1.湖南农业大学 工学院,长沙410128;2.湖南理工学院 物理与电子学院,湖南 岳阳 414006)

PASCO系统是一个物理实验的综合平台,它通过力热电光方面的传感器采集测量数据,再通过计算机软件进行过程监控和数据处理,形成实时测量的图表或曲线,尤其是可以实时测量一些瞬态变化的物理量,以便实时监控[1].PASCO系统主要由传感器、数据采集接口、数据采集软件三部分组成.光传感器用来测量白天光的相对强度,转动传感器测出光所在位置,系统能测出干涉光、衍射光及偏振光的光强与位置之间的关系曲线图[2,3].

1 实验装置和测量结果

1.1 双缝干涉

通过单缝的一束光线,经双缝形成一对相干光,互相叠加产生干涉现象.根据公式

其中d是双缝间距,λ是单色光波长,k为条纹级数.L为零级明条纹到k级明条纹间的距离,D是狭缝到屏的距离,则dL=kλ D.实验装置图如图1，原理图见图2，实验光源为激光. D = 1 10mm ,d = 0 .04mm 时测量曲线见图3，计算结果见表1.

图1 双缝干涉实验装置图

图2 双缝干涉实验原理图

图3 双缝干涉实验位置与光强曲线图(实验光源为激光)

表1 双缝干涉实验波长的计算

1.2 光栅衍射实验

光栅是由等宽度、等间距和排列平行的多个狭缝组成,如下图所示,G为光栅,其光栅常量为d,S为光源,位于透镜L1的物方焦平面上,从L1射出的平行光垂直入射到光栅G上,这样与光栅法线成θ角的平行光线经透镜L2后将会聚于像方焦平面上的Pθ点.产生衍射亮条纹条件即光栅方程为

其中θ为衍射角,λ为待测光波的波长,k为光谱级数.实验装置见图4、原理图见图5，测量曲线见图6.

图4 光栅衍射实验装置图

图5 光栅衍射实验原理图

图6 光栅衍射实验角位置与光强曲线图(实验光源为汞灯)

表2 光栅衍射实验计算表(光源为汞灯)

1.3 光的偏振实验(光源为激光)

光的偏振实验结果见图7.

图7 光的偏振实验角位置与光强曲线图

2 结果分析及应用研究

在双缝干涉实验中由于光传感器感受到的1、2级干涉光强太弱,导致取点不是很精准,所以根据1、2级光强位置算出的激光波长相差较大,但平均值偏离真值较小.在光栅衍射实验中调出的衍射光谱线虽有一定的宽度,但测出的衍射角较精准,计算出的相对误差较小.在光的偏振实验中可以清楚看出相邻两次光强最大和最小相差181°,与理论值的180°相比,误差很小,吻合良好.

在实际生活中,光传感器的应用非常普遍,从楼道里的声光感应开关、家用的光控自动开闭的小夜灯,到数码产品上的广泛应用.这些应用有的是利用检测到的反射光强来进行感应,例如条形码的扫描、自动聚焦显微镜以及办公用的激光打印机.另一些便携式电子产品如日常用的数码相机、手提电脑和手机等则是利用光传感器来测量环境光量[5],如利用手提电脑中光传感器感应到的环境光强来自动调整电脑屏幕的背光,使用户能达到看着舒适的目的,而背光的舒适范围则取决于室内的光线强度,室内光强越强则屏幕的亮度要随之增加,而在室内光线较暗的条件下,屏幕的亮度则也要随之减小,这样才能达到看着舒服的目的.另一个普遍应用则是手机中的环境光强感应,在手机应用中电量显得非常重要,每节约一毫安,电池的寿命和客户的满意度都会随之增加,随着手机的日益普及,电池节能也越来越受到关注,利用光传感器来适当调节手机屏幕的背光强度能大大提高手机的使用时间,统计数据表明电池的寿命延长至少 6倍以上.随着生活质量的不断提高,越来越多的照明系统也采用了光传感器,利用智能照明控制系统实现对多个照明设备进行分区域控制以便营造更舒适的照明环境[6],同时还能达到节电节能、提高光源的使用寿命、保护环境等目的.随着数字电路的普遍应用,光传感器将越来越广泛地用来改善人们的生活.

[1] 刘 艳.基于于PASCO平台的声光衍射法测定液体中的声速[J].科技资讯,2010,23:38～40

[2] 金 立,史建君,张晓波,等.基于PASCO系统的分光计实验[J].实验室研究与探索,2010,11:267～269

[3] 郑少燕,林淑淇,李德安,等.基于PASCO系统的加速度研究[J].物理实验,2013,04:24～26

[4] 杨述武.普通物理实验(三、光学部分)[M].北京:高等教育出版社,2005:214～222

[5] 李 健,刘立英,等.基于PASCO实验平台的超声光栅实验设计及应用[J].物理实验,2012,07:33～35

[6] 吴林斌,吕 瀚,郑伟智,等.光传感器及其应用分析[J].硅谷,2013,09:21～23