实验四硅光电池的特性测试
一、实验目的：
1、熟悉硅光电池的结构与工作原理；
2、掌握实验测试硅光电池光电特性的方法；
3、了解硅光电池的光电特性。
二、实验原理：
硅光电池按基底材料不同分2DR型和2CR型。2DR型硅光电池是以P型硅作基底（即在本征型半导体中掺入三价元素硼、镓等），然后在基底上扩散磷而形成N型并作为受光面。2CR型光电池则是以N型作基底（在本征型硅材料中掺入五价元素磷、砷等），然后在基底上扩散而形成P型并作为受光面。构成P-N 结后，再经过各种工艺处理，分别在基底和光敏面上制作输出电极，涂上二氧化硅作保护，即成光电流。如图4-1(a)所示。
图4-1 硅光电池结构及工作原理图
光电池的主要功能是在不加偏置的情况下能将光信号转换为电信号。硅光电池的工作原理如图4-1(c)所示。有光照时，光电池外接上负载电阻R L，此时在P-N结内出现两种方向相反的电流：一种是光激发产生的电子-空穴对，在内建电场的作用下，形成的光生电流I p，它与光照有关，其方向与P-N结反向饱和电流I0相同；另一种是光生电流I p流过负载电阻R L产生电压降，相当于在P-N结施加正向偏压，从而产生正向电流I D，总电流是两者之差。即：
三、实验仪器及部件：
光电池、直流稳压电源、采样电阻、照度测量器件、照度表、光源、微安表、F/V 表。
四、实验步骤：
1、了解所需单元、部件在实验仪上的位置、观察光电池的结构。
2、测量光电池的短路电流：
按图4-2接线，装上光源，对准光电池，关闭发光管电源，移出遮光罩，光电池完全被遮盖，微安表显示的电流值即为暗电流，即照度为0时。
开启光源，改变照度（方法如实验一），并记录电流表的读数填入下表，作出照度—电流曲线。
表4-1 短路电流与光照度关系表
3、测量光电池的开路电压：
按图4-3接线，装上电源，对准光电池，关闭发光管电源，移出遮光罩，光电池完全被遮盖，电压表显示的电压为照度为0时的电压。开启光源，改变照度（方法如实验一），并记录电流表的读数填入下表并作出照度—开路电压曲线。
表4-1 开路电压与光照度关系表
)
1(/0--=-=kT qV P D p L e I I I I I
4、测量光电池的伏安特性：
了解光电池在照度一定的情况下，它的输出电流与电压随负载变化的关系。
图4-4 测量硅光电池的伏安特性
按图4-4接线，负载电阻R L的阻值可用万用表测得。开启电源，调节光强至1000L X，记录选择不同R L值记录电流表/电压表读数，并填入下表：
表4-2 硅光电池产生的光电流与负载电压关系表照度：1000L X
根据表中数据作出I-U曲线。
五、思考题：
1、硅光电池与硅光敏二极管有何区别?
2、当照度增加到一定时，硅光电池的开路电压为什么不再随入射照度的增加而增加？
3、试分析由表4-2作出的I-U曲线。
硅光电池的特性及其应用 一、实验目的 1、初步了解硅光电池机理 2、测量硅光电池开路电动势、短路电流、内阻和光强之间关系 3、在恒定光照下测量光电流、输出功率与负载之间关系 二、实验原理 在P 型半导体上扩散一薄层施主杂质而形成的p-n 结（如右图），由于光照，在A 、B 电极之间出现一定的电动势。在有外电路时，只要光照不停止，就会源源不断地输出电流，这种现象称为光伏效应。 实验表明：当硅光电池外接负载电阻L R ，其输出电压和电流均随L R 变化而变化。只有当L R 取某一定值时输出功率才能达到最大值m P ，即所谓最佳匹配阻值LB L R R ，而LB R 则取决于硅光电池的内阻Ri= SC OC I V ，因此OC V 、SC I 和i R 都是太阳能电池的重要参数。 FF 是表征硅光电池性能优劣的指标，称为填充因子。 FF 越大，硅光电池的转换效率越高。 FF= VocIsc Pm (1) 图b 是硅光电池的等效电路，在一定负载电阻L R 范围内硅光电池可以近似地视为一个电流源PS I 与内阻i R 并联，和一个很小的电极电阻S R 串联的组合。 三、实验内容 图a 开路电动势、短路电流 与光强关系曲线 图b 太阳能电池等效电路
1、测量开路电动势OC V 与光强D I 的关系，将数据记录表1，并绘制并绘制D I ～OC V 曲线。(将功能开关切换到OC V ) 2、短路电流SC I 的测量 将功能开关切换到SC I ，调节DC 0-1V 电源S U 输出，使微安表读数0I 为10.00-18.00μA （建议取10.00μA ）。 在某一光强D I 下，改变可调电阻R ，使流过检流计（G ）的电流G I 为零。此时AB 两点之间和AC 两点之间的电压应相等,即AB V =AC V 。因而I R=00r I ,即短路电流 SC I =I = R r I 0 0 (r 0为微安计内阻，为10K Ω) 测量不同光强下，短路电流SC I 与光强D I 的关系，将数据记入表2，并绘制SC I ～D I 曲线。 测量开路电压OC V 线路图 测量短路电流SC I 线路图
硅光电池特性测试实验报告 系别：电子信息工程系 班级：光电08305班 组长：祝李 组员：贺义贵、何江武、占志武 实验时间：2010年4月2日 指导老师：王凌波 2010.4.6
目录 一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结
一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 设计实验1：硅光电池光控开关电路设计实验 设计实验2：简易光照度计设计实验 三、实验仪器 1、硅光电池综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、光照度计 1台 4、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 5、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 6、三相电源线 1根 7、实验指导书 1本 8、20M 示波器 1台 四、实验原理 1、硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解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产生机理。 零偏反偏正偏 图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合
《控制工程实验》实验报告 实验题目：一阶单容上水箱对象特性的测试 课程名称：《控制工程实验》 姓名： 学号： 专业： 年级： 院、所： 日期： 2019.04.05
实验一一阶单容上水箱对象特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K、T和传递函数； 3. 掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 1. 实验装置对象及控制柜 1套 2. 装有Step7、WinCC等软件的计算机 1台 3. CP5621专用网卡及MPI通讯线各1个 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图1 所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F 1-1和F 1-6 全开，设上水箱 流入量为Q 1,改变电动调节阀V1的开度可以改变Q 1 的大小，上水箱的流出量为 Q 2，改变出水阀F 1-11 的开度可以改变Q 2 。液位h的变化反映了Q 1 与Q 2 不等而引起 水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1 作为被控过程的输入变量，h为其输出变量， 则该被控过程的数学模型就是h与Q 1 之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有： (1) 变换为增量形式有： (2) 其中：，，分别为偏离某一平衡状态的增量； A为水箱截面积
图1 单容自衡水箱特性测试结构图（a）及方框图（b） 在平衡时，Q 1=Q 2 ，=0;当Q 1 发生变化时，液位h随之变化，水箱出口处的 静压也随之变化，Q 2 也发生变化。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q 2 与h成正比关系，与阀F 1-11 的阻力R成反比，即 或 (3) 式中: R为阀F 1-11 的阻力，称为液阻。 将式(2)、式(3)经拉氏变换并消去中间变量 Q2，即可得到单容水箱的数学模型为 (4) 式中 T 为水箱的时间常数，T＝RC；K 为放大系数，K＝R；C 为水箱的容量系数。若令 Q1（s）作阶跃扰动，即，=常数，则式(4)可改写为: (5) 对上式取拉氏反变换得 (6) 当 t—>∞时，，因而有
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验 一．实验目的 （1）建立单容水箱阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用作图的方法分别确定它们的参数（时间常数T 、放大系数K ）。 二．实验设备 CS2000型过程控制实验装置， PC 机，DCS 控制系统与监控软件。 三、系统结构框图 单容水箱如图1-1所示： 丹麦泵 电动调节阀 V1 DCS控制系统手动输出 h V2 Q1 Q2 图1-1、 单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过DCS 控制系统监控画面——调整画面，（调节器或其他操作器），手动改变（调节阀的开度）对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 五．实验内容步骤 1)对象的连接和检查：
(1)将CS2000 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。 (2)打开以水泵、电动调节阀、孔板流量计组成的动力支路（1#）至上水箱的出水阀门.关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门。 (3)打开上水箱的出水阀至适当开度。 2)实验步骤 (1)打开控制柜中水泵、电动调节阀、24V电源的电源开关。 (2)打开DCS控制柜的电源，打开电脑，启动DCS上位机监控软件，进入主画面，然后进入实验一画面“实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验”。 注满水箱打开出水阀打开阀门，连通电动调节阀 关闭支路阀打开上水箱打开上水箱打开电源 进水阀出水阀 打开泵的开关打开调节阀开关打开24V电源打开DCS控制柜电源
综合设计实验小论文 硅光电池特性研究
摘要:当今世界能源日益短缺，开发太阳能资源成为世界各国能源发展的主要课题。硅光电池可将太阳能转换为电能，实现太阳能的利用。本实验的目的主要是探讨太阳能电池的基本特性，测量太阳能电池下述特性：1、在没有光照时，太阳能电池主要结构为一个二极管，测量该二极管在正向偏压时的伏安特性曲线，并求得电压和电流关系的经验公式。2、测量太阳能电池在光照时的输出特性并求得它的短路电流( I SC)、开路电压( U OC)、最大输出功率 P m及填充因子 FF，填充因子是代表太阳能电池性能优劣的一个重要参数。3、光照效应：（1）测量短路电流 I SC和相对光强度J /J0之间关系，画出 I SC与相对光强J /J0之间的关系图。（2）测量开路电压U OC和相对光强度J /J0之间的关系，画出U OC与相对光强J /J0之间的关系图 关键字:硅光电池 PN结相对光强开路电压短路电流 1 实验原理 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，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。 1.1 PN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
实验1 二阶双容中水箱对象特性测试实验 一、实验目的 1、熟悉双容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线； 2、根据由实际测得的双容液位阶跃响应曲线，分析双容系统的飞升特性。 二、实验设备 AE2000B 型过程控制实验装置、实验连接线 图1 双容水箱系统结构图 三、原理说明 如图1所示：这是由两个一阶非周期惯性环节串联起来，被调量是第二水槽的水位h 2。当输入量有一个阶跃增加?Q 1时，被调量变化的反应曲线如图2所示的?h 2曲线。它不再是简单的指数曲线，而是呈S 形的一条曲线。由于多了一个容器，就使调节对象的飞升特性在时间上更加落后一步。在图中S 形曲线的拐点P 上作切线，它在时间轴上截出一段时间OA 。 这段时间可以近似地衡量由于多了一个容量而使飞升过程向后推迟的程度，因此称容量滞后，通常以τ C 代表之。 设流量Q 1为双容水箱的输入量，下水箱的液位高度h 2为输出量，根据物料动态平衡关系，并考虑到液体传输过程中的时延，其传递函数为： 2112()()* ()(*1)(*1) s H S K G S Q S T S T S e τ-==++
图2 变化曲线 式中K=R3，T1=R2C1，T2=R3C2，R2、R3分别为阀V2和V3的液阻，C1和C2分别为上水箱和下水箱的容量系数。由式中的K、T1和T2须从由实验求得的阶跃响应曲线上求出。具体的做法是在图3所示的阶跃响应曲线上取： 1）h2（t）稳态值的渐近线h2(∞)； 2）h2（t）|t=t1=0.4 h2(∞)时曲线上的点A和对应 的时间t1； 3）h2（t）|t=t2=0.8 h2(∞)时曲线上的点B和对应 的时间t2。 然后，利用下面的近似公式计算式2-1中的参数 K、T1和T2。其中：2 () K O h R ∞ == 输入稳态值 阶跃输入量 图3 阶跃响应曲线 4）12 12 t t T T 2.16 + +≈ 对于式（2-1）所示的二阶过程，0.32〈t1/t2〈0.46。当t1/t2=0.32时，为一阶环节；当t1/t2=0.46 h 0.4 0.8 2 h h 1 h 2 2 2
硅光电池基本特性的研究 太阳能是一种清洁能源、绿色能源，许多国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究和利用。硅光电池是一种典型的太阳能电池，在日光的照射下，可将太阳辐射能直接转换为电能，具有性能稳定，光谱范围宽，频率特性好，转换效率高，能耐高温辐射等一系列优点，是应用极其广泛的一种光电传感器。因此，在普通物理实验中开设硅光电池的特性研究实验，介绍硅光电池的电学性质和光学性质，并对两种性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 [实验目的] 1．测量太阳能电池在无光照时的伏安特性曲线； 2.测量太阳能电池在光照时的输出特性，并求其的短路电流I SC、开路电压 U OC、最大FF 3.测量太阳能电池的短路电流I及开路电压U与相对光强J /J0的关系，求出它们的近似函数关系； [实验原理] 1、硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解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产生机理。 零偏反偏正偏 图 2-1. 半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，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，
第一节 单容自衡水箱液位特性测试实验 一、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验设备 1．实验对象及控制屏、SA-11挂件一个、SA-13挂件一个、SA-14挂件一个、计算机一台（DCS 需两台计算机）、万用表一个； 2．SA-12挂件一个、RS485/232转换器一个、通讯线一根； 3．SA-21挂件一个、SA-22挂件一个、SA-23挂件一个； 4．SA-31挂件一个、SA-32挂件一个、SA-33挂件一个、主控单元一个、数据交换器两个，网线四根； 5．SA-41挂件一个、CP5611专用网卡及网线； 6．SA-42挂件一个、PC/PPI 通讯电缆一根。 三、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 Q 1-Q 2=A dt dh (2-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A dt h d ? (2-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏 离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面积。 在平衡时，Q 1=Q 2，dt dh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 图2-1 单容自衡水箱特性测试系统 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化 （a ）结构图 （b ）方框图 。由流体力学可知，流体在紊流情况下，液位h 与流量之间为非线性关系。但为了简化起见，经线性化处理后，可近似认为Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11的阻力R 成反比，即 ΔQ 2=R h ? 或 R=2 Q ??h (2-3)
234 实验五十二 硅光电池特性的研究 一、实验目的 1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．了解LED 发光二极管的驱动电流 和输出光功率的关系； 3．掌握硅光电池的工作原理及其工 作特性。 二、仪器设备 1．TKGD ―1型硅光电池特性实验仪； 2．信号发生器； 3．双踪示波器。 三、实验原理 1．引言 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太 阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电 探测器的一个基本单元，深刻理解硅光电池的工作原 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产生机理。 图1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗 尽区，当P 型和N 型半导体材料结合时，由于P 型材 料空穴多电子少，而N 型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材料中的 电子向P 型材料这边扩散，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E g 有关。发光波长λp 可由下式确定： 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E g 有一个宽度，因此发光二极管发出 光的波长不是单一的，其发光波长半宽度一般在25～ 40nm 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 的关系由下式决定： 式(2)中，η为发光效率，E p 是光子能量，e 是电荷常数。 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。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。系统采用的发光二极管驱动（1） （2） g p E hc /=λe I E p p /η= 零偏 反偏 正偏 图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图 3. LED 发光二极管的正弦信号调制原理
实验四控制系统频率特性的测试 一．实验目的 认识线性定常系统的频率特性，掌握用频率特性法测试被控过程模型的原理和方法，根据开环系统的对数频率特性，确定系统组成环节的参数。二．实验装置 （1）微型计算机。 （2）自动控制实验教学系统软件。 三．实验原理及方法 （1）基本概念 一个稳定的线性定常系统，在正弦信号的作用下，输出稳态与输入信号关系如下： 幅频特性相频特性 （2）实验方法 设有两个正弦信号： 若以) (y tω为纵轴，而以tω作为参变量，则随tω的变xω为横轴，以) (t 化，) (y tω?所确定的点的轨迹，将在 x--y平面上描绘出一条封闭的xω和) (t 曲线（通常是一个椭圆）。这就是所谓“李沙育图形”。 由李沙育图形可求出Xm ，Ym，φ， 四．实验步骤 （1）根据前面的实验步骤点击实验七、控制系统频率特性测试菜单。（2）首先确定被测对象模型的传递函数, 预先设置好参数
T1、T2、ξ、K （3）设置好各项参数后，开始仿真分析，首先做幅频测试，按所得的频率范围由低到高，及ω由小到大慢慢改变，特别是在转折频率处更应该多取几个点 五.数据处理 （一）第一种处理方法： （1）得表格如下： （2）作图如下： （二）第二种方法： 由实验模型即，由实验设置模型根据理论计算结果绘制bode图，绘制Bode图。 （三）误差分析 两图形的大体趋势一直，从而验证了理论的正确性。在拐点处有一定的差距，在某些点处也存在较大的误差。 分析： （1）在读取数据上存在较大的误差，而使得理论结果和实验结果之间存在。 （2）在数值应选取上太合适，而使得所画出的bode图形之间存在较大的差距。 （3）在实验计算相角和幅值方面本来就存在着近似，从而使得误差存在，而使得两个图形之间有差异 六.思考讨论 （1）是否可以用“李沙育”图形同时测量幅频特性和想频特性
硅光电池特性的研究 一、实验目的 1．掌握PN 结形成原理及其工作机理； 2．掌握硅光电池的工作原理及其工作特性。 二、仪器设备 MD-GD-3型硅光电池特性实验仪； 三、实验原理 1．引言 目前半导体光电探测器在数码摄像﹑ 光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解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﹑光伏电池产生机理。 图1是半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P 型和N 型半导体材料结合时，由于P 型材料空穴多电子少，而N 型材料电子多空穴少，结果P 型材料中的空穴向N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向P 型材料这边扩散，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．硅光电池的工作原理 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于 把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电 探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等 的能源。 光电池的基本结构如图2，当半导体PN 结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 零偏 反偏 正偏 图 1. 半导体PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区 图 2.光电池结构示意 硅光零偏 图 3.光电池光电信号接
1、学习掌握硅光电池的工作原理 2 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2 3、硅光电池光电特性测试实验 4 5、硅光电池负载特性测试实验 6 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪 器 、学习掌握硅光电池的基本特 性 1 、硅光电池综合实验仪 1 个 2、光通路组件 1 只 3、光照度计 1 台 4、 2#迭插头对（红色， 50cm) 10 根 四、 实验原理 1、硅光电池的基本结构 零偏 反偏 、硅光电池伏安特性测试实验 、硅光电池时间响应测试实验 5 、 2#迭插头对（黑色， 50cm) 10 根 6、 三相电源线 1 根 7、 实验指导书 1 本 8、 20M 示波器 1 台 正偏 实验系列四、硅光电池特性测试 实验 光通路组件 功能说明： 分光镜： 50%透过 50%反射镜，将平行光一半给照度计探头，一半给等测光器件，实验测试 方便简单，照度计可实时检测出等测器件所接收的光照度。 一、实验目的 光调制控制输入端 图 2 硅光电池光通路组件 图 2-1. 半导体 PN 结在零偏﹑反偏﹑正偏下 、硅光电池开路电压测试实验
2、硅光电池的工作原理 硅光电池是一个大面积的光电二极管， 它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能， 因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 当半导体 PN 结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入 射光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 结两端加负载时就有一光生电流流过负载。 流过 PN 结两端的 电流可由式 1 确定 eV I I s (e kT 1) I p 式( 1)中 Is 为饱和电流， V 为 PN 结两端电压， 从式中可以看到，当光电池处于零偏时， V=0，流过 时(在本实验中取 V=-5V)，流过 PN 结的电流 I=Ip-Is 光电池必须处于零偏或反偏状态。光电池处于零偏或反偏状态时，产生的光电流 光功率 Pi 有以下关系： I p RP i 电压表如显示不( b 同) 的电压值。即为硅光电池的开路电压特性。 (4) 伏安特性 在硅光电池输入光强度不变时， 测量当负载一定 的范围内变化时， 光电池的输出电压及 电流随负载电阻变化关系曲线称为硅光电池的伏安特性。 (5) 负载特性 ( 输出特性 ) 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。 (5) 光谱特性 一般光电池的光谱响应特性表示在入射光能量保持一定的条件下， 光电池所产生短路电 流与入射光波长之间的关系。一般用相对响应表示，实验中硅光电池的响应范围为 400~1100nm ，峰值波长为 800~900nm ，由于实验仪器所提供的波长范围为 400~650nm ，因此， 实验所测出的光谱响应曲线呈上升趋势 五、实验步骤 1、硅光电池短路电流特性测试 (1) T 为绝对温度， Ip PN 结的电流 I=Ip ； ，因此，当光电池用作光电转 换器时， 为产生的光电流。 当光电池处Ip 与输入 (2) 3、硅光电池的基本特 性 (1) (2) 短路电流 不同的光照的作用下， 开路电压 毫安表如显示不同的电流值。即为硅光电池的短路电流特性。 (3) 不同的光照的作用下， 光照特性 光电池在不同 光照度下， 其光电流和光生电动势是不同的， 硼扩散层 N 型硅片
计算机控制技术实验报告 实验一单容自衡水箱液位特性测试实验 班级： 姓名： 学号：
实验一 单容自衡水箱液位特性测试实验 一、实验目的 1．掌握单容水箱的阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线； 2．根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数； 3．掌握同一控制系统采用不同控制方案的实现过程。 二、实验原理 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。阀门F1-1、F1-2和F1-8全开，设下水箱流入量为Q 1，改变电动调节阀V 1的开度可以改变Q 1的大小，下水箱的流出量为Q 2，改变出水阀F1-11的开度可以改变Q 2。液位h 的变化反映了Q 1与Q 2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q 1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q 1之间的数学表达式。 根据动态物料平衡关系有 Q 1-Q 2=A dt dh (1-1) 将式(2-1)表示为增量形式 ΔQ 1-ΔQ 2=A dt h d ? (1-2) 式中：ΔQ 1，ΔQ 2，Δh ——分别为偏 离某一平衡状态的增量； A ——水箱截面积。 在平衡时，Q 1=Q 2，dt dh ＝0；当Q 1 发生变化时，液位h 随之变化，水箱出 口处的静压也随之变化，Q 2也发生变化。 由流体力学可知，流体在紊流情况下， 液位h 与流量之间为非线性关系。但为 了简化起见，经线性化处理后，可近似 认为Q 2与h 成正比关系，而与阀F1-11 的阻力R 成反比，即 ΔQ 2=R h ? 或 R=2Q ??h (1-3) 图1-1 单容自衡水箱特性测试结构图及方框图 式中：R ——阀F1-11的阻力，称为液阻。 将式(1-2)、式(1-3)经拉氏变换并消去中间变量Q 2，即可得到单容水箱的数学模型为
硅光电池特性研究实验 【实验原理】 在p 型硅片上扩散一层极薄的n 型层，形成pn 结，再在该硅片的上下两面各制一个电极(其中光照面的电极成“梳状”，并在整个光照面镀上增透膜，利于光的入射)，这样就构成了硅光电池，如图5.7.1(a)所示。光电池的符号见图5.7.1(b)。 当光照射在硅光电池的光照面上时，若入射光子能量大于硅的能隙时，光子能量将被半导体吸收，产生电子一空穴对。它们在运动中一部分重新复合，其余部分在到达pn 结附近时受pn 结内电场的作用，空穴向p 区迁移，使p 区显示正电性，电子向n 区迁移，使n 区带负电，因此在pn 结上产生电动势。如果在硅光电池两端连接电阻，回路内就形成电流，这是硅光电池发生光电转换的原理。 硅光电池(以下简称光电池)的简化等效电路如图5.7.2所示。 (1)在无光照时，光(生)电流0ph I =，光电池可以简化为二极管如图5.7.3。根据半导体理论，流 经二极管的电流d I 与其两端电压的关系符合以下经验公式 0(1)V d I I I e β==- （5.7.1） 式中：β和0I 是常数。 (2)有光照时，ph I >o ，光电池端电压与电流的关系为
0(1)V d ph ph I I I I e I β=-=-- (5.7.2) 由式(5.7.2)，可以得到以下结论： ①当外电路短路时，短路电流sc ph I I =-，光电流全部流向外电路。 ②当外电路开路时，开路电压1ln 1ph oc o I V I β??= +????即1ln 1sc oc o I V I β??=+????，开路电压oc V 与短路电流sc I 满足对数关系；如果sc I 与光通量(或照度)有线性关系，则oc V 与光通量也满足对数关系。 由于二极管的分流作用，负载电阻愈大，光电池的输出电流愈小，实验可以证明这时输出电压却愈大。因此，在入射光能量不变化的情况下，要从光电池获取最大功率，负载电阻要取恰当的值。 【预习要求】 (1)通过预习，了解硅光电池的工作原理，大致了解实验内容。 (2)写预习报告，按要求在数据记录纸上画好待填表格。 【实验报告要求】 (1) 记录实验过程，包括实验步骤、各种实验现象和数据处理等。 (2)分析各实验结果并要得到结论。可就实验中涉及的、你感兴趣的1～2个问题作较深入讨论。 (3)实验曲线可用计算机绘制(推荐用Excel 软件)，也可手画。 ①用原始数据表5.7.1的数据，画出InI~v 曲线。如果是直线，计算β和O I (利用条件I>>O I )，写出在没有光照情况下光电池的端电压(正向偏压)与电流之间的经验公式，由此可以间接验证经验公式(5.7.1)。 ②利用数据表5.7.2的数据，作出Isc 与光通量?的关系曲线，设?与1/L2的比系数等于1，由曲线得到什么结论? ③根据表5.7.3，画出sc I α-曲线，它是什么曲线? ④根据表5.7.4、5.7.5，在一张图上分别画出光电池输出电压与负载电阻、输出电流与负载电阻的关系曲线，并由此在同一图上得到负载电阻与输出功率的关系；确定光电池的最大输出功率Pm 以及最大输出功率时的负载电阻Re(最佳匹配电阻)。 ⑤利用表5.7.6、5.7.7、5.7.8、5.7.9，在一张图上分别画出上下两片光电池的伏安特性以及它们串、并联后的伏安特性，从四条曲线能得到什么结论? ⑥根据表5.7.10，画出sc I λ-关系图，此图说明什么? 【思考题】 (1)光电流与短路电流有什么关系? (2)对实验中所用滤光片的透射曲线应有什么要求? (3)严格地说，本实验得到的光电池光谱特性并不能准确描述光电池对入射光中各频率分量的响应特性，或者说，这样得到的光谱特性，还包含了其他因素的影响，这些影响因素是什么? (4)通过实验，对光电池总体有什么认识? (5)硅光电池是一种半导体元件，人们在研究半导体元件的外特性时，通常要研究它们的温度
实验一 单容自衡水箱特性的测试 一、实验目的 1. a 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相应的方法确定被测对象的特征参数K 、T 和传递函数。 二、实验设备 1. A3000高级过程控制实验系统 2. 计算机及相关软件 三、实验原理 由图2.1可知，对象的被控制量为水箱的液位h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量Q 1，Q 2为流出水箱的流量。手动阀QV105和闸板QV116的开度（5~10毫米）都为定值。根据物料平衡关系，在平衡状态时： 0Q Q 2010=- （1） 动态时则有： dt dV Q Q 21=- （2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与h 的关系为Adh dV =，即： dt dh A dt dV = （3） A 为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得： QV116 V104 V103 h ?h QV105 QV102 P102 LT103 LICA 103 FV101 M Q 1 Q 2 图2.1单容水箱特性测试结构图
图2.2 单容水箱的单调上升指数曲线 dt dh A =-21Q Q （4） 基于S 2R h Q =，R S 为闸板QV116的液阻，则上式可改写为dt dh A R h Q S =-1，即： 或写作： 1 )()(1+=TS K s Q s H （5） 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。式（5）就是单容水箱的传递函数。 若令S R s Q 01)(=，R 0=常数，则式（5）可改为： T S KR S R K S R T S T K s H 0011/)(0+-=?+= 对上式取拉氏反变换得： )e -(1KR h(t)t/T 0-= （6） 当∞→t 时0KR )h(=∞，因而有=∞=0R )h(K 阶跃输入 输出稳态值。当t=T 时，则)h(KR )e -(1KR h(T) 001∞===-0.6320.632。式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2.2所示。 当由实验求得图2.2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应的时间，就是水箱的时间常数T 。该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T ，由响应曲线求得K 和T 后，就能求得单容水箱的传递函数。 1KQ h dt dh AR S =+
硅光电池特性测试实验 一、实验目的 1、学习掌握硅光电池的工作原理 2、学习掌握硅光电池的基本特性 3、掌握硅光电池基本特性测试方法 4、了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1、硅光电池短路电路测试实验 2、硅光电池开路电压测试实验 3、硅光电池光电特性测试实验 4、硅光电池伏安特性测试实验 5、硅光电池负.载特性测试实验 6、硅光电池时间响应测试实验 7、硅光电池光谱特性测试实验 三、实验仪器 1、光电探测综合实验仪 1个 2、光通路组件 1只 3、硅光电池封装组件 1套 4、光照度计 1台 5、2#迭插头对（红色，50cm） 10根 6、2#迭插头对（黑色，50cm） 10根 7、三相电源线 1根 8、实验指导书 1本 9、20M 示波器 1台 四、实验原理 1、硅光电池的基本结构目前半导体光电探测器在数码摄像﹑光通信﹑太阳电池等领域得到广泛应用，硅光电池是半导体光电探测器的一个基本单元，深刻理解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产生机理。 零偏反偏正偏
图4-1是半导体PN结在零偏﹑反偏﹑正偏下的耗尽区，当P型和N型半导体材料结合时，由于P型材料空穴多电子少，而N型材料电子多空穴少，结果P型材料中的空穴向N型材料这边扩散，N型材料中的电子向P型材料这边扩散，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、硅光电池的工作原理 硅光电池是一个大面积的光电二极管，它被设计用于把入射到它表面的光能转化为电能，因此，可用作光电探测器和光电池，被广泛用于太空和野外便携式仪器等的能源。 光电池的基本结构如图3，当半导体PN结处于零偏或反偏时，在它们的结合面耗尽区存在一内电场，当有光照时，入射光子将把处于价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结两端加负载时就有一光生电流流过负载。流过PN结两端的电流可由式1确定
成绩： 实验名称：实验二一阶单容上水箱对象特性测试实验 仿真实验：PID参数整定 实验小组：A大组第二小组 组员姓名：__ _____ ____ 组员学号：_________ 指导老师：_____ ___ __ 实验日期：__ 2015/5/9 _____ ______ _ 信息工程学院自动化系
一实验名称 1、一阶单容上水箱对象特性测试实验 2、仿真实验：PID参数整定 二实验目的 1．认识实验系统，了解本实验系统中的各个对象。 2．测试一个水箱的对象特性。 3．学会PID参数整定的基本原则。 4．使用稳定边界法和衰减曲线法去整定参数。 三实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号）。同时，记录对象的输出数据或阶跃响应曲线，然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法，不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q 1，出水量为Q 2 ，水箱的液面高度为h， 出水阀V 2 固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T为水箱的时间常数（注意：阀V 2 的开度大小会影响到水箱的时间常数）， T=R 2*C，K=R 2 为过程的放大倍数，R 2 为V 2 阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输 入流量Q 1（S）=R O /S，R O 为常量，则输出液位的高度为： 当t=T时，则有： h(T)=KR 0(1-e-1)=0.632KR =0.632h(∞) 即 h(t)=KR (1-e-t/T) 当t—>∞时，h（∞）=KR ，因而有 K=h（∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2 所示。当由实验求得图1-2所示的
硅光电池特性测试实验报 告 系别：电子信息工程系班级：光电08305 班组长：祝李组员：贺义贵、何江武、占志武实验时间：2010年4月2日指导老师：王凌波 目录
一、实验目的 二、实验内容 三、实验仪器 四、实验原理 五、注意事项 六、实验步骤 七、实验数据及分析 八、总结
一、实验目的 1学习掌握硅光电池的工作原理 2、 学习掌握硅光电池的基本特性 3、 掌握硅光电池基本特性测试方法 4、 了解硅光电池的基本应用 二、实验内容 1硅光电池短路电路测试实验 2、 硅光电池开路电压测试实验 3、 硅光电池光电特性测试实验 4、 硅光电池伏安特性测试实验 5、 硅光电池负载特性测试实验 6、 硅光电池时间响应测试实验 7、 硅光电池光谱特性测试实验 设计实验1硅光电池光控开关电路设计实验 设计实验2:简易光照度计设计实验 三、实验仪器 1 硅光电池综合实验仪 1 个 2、 光通路组件 1 只 3、 光照度计 1 台 4、 2#迭插头对（红色， 50cm ) 10 根 5、 2#迭插头对（黑色， 50cm ) 10 根 6、 三相电源线 1 根 7、 实验指导书 1 本 8 20M 示波器 1 台 四、实验原理 1硅光电池的基本结构 目前半导体光电探测器在数码摄像、光通信、太阳电池等领域得到广泛应用， 硅光电池 是半导体光电探测器的一个基本单元， 深刻理解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产生机理。 图2-1.半导体PN 结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区 图2-1是半导体PN 结在零偏、反偏、正偏下的耗尽区，当 P 型和N 型半导体材料结合 时，由于P 型材料空穴多电子少，而 N 型材料电子多空穴少，结果 P 型材料中的空穴向 N 型材料这边扩散，N 型材料中的电子向 P 型材料这边扩散，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 零偏 反偏 正偏
硅光电池特性及应用研究 一、 实验目的 1. 了解和研究硅光电池的主要参数和基本特性。 2. 测量太阳能电池板的负载特性及短路电流SC I 、开路电压OC U 并计算最大输出功率m p 和填充因子FF 。 二、 实验仪器 硅光电池，太阳能电池板，光学导轨及支座附件，光源，电源，光功率计，聚光透镜，5 图1 三、 实验原理 太阳能是一种新能源，对太阳能的充分利用可以解决人类日趋增长的能源需求问题。目前，太阳能的利用主要集中在热能和发电两方面。利用太阳能发电目前有两种方法，一是利用热能产生蒸汽驱动发电机发电，二是太阳能电池。太阳能的利用和太阳能电池的特性研究是21 世纪的热门课题，许多发达国家正投入大量人力物力对太阳能接收器进行研究。本实验通过对太阳能电池的电学性质和光学性质进行测量，联系科技开发实际，有一定的新颖性和实用价值。 硅光电池在没有光照时其特性可视为一个二极管，在没有光照时其正向偏压U 与通过电流I 的关系式为： )1(-=U o e I I β， (1) (1)式中，o I 和β是常数。 由半导体理论，二极管主要是由能隙为E C －E V 的半导体构成，如图2所示。E C 为半导体导电带，E V 为半导体价电带。当入射光子能量大于能隙时，光子会被半导体吸收，产生电子和空穴对。电子和空穴对会分别受到二极管之内电场的影响而产生光电流。 图2
假设硅光电池的理论模型是由一理想电流源（光照产生光电流的电流源）、一个理想二极管、一个并联电阻sh R 与一个电阻s R 所组成，如图3所示。 图3 图3中，ph I 为硅光电池在光照时该等效电源输出电流，d I 为光照时，通过硅光电池内部二极管的电流。由基尔霍夫定律得： 0)(=---+sh d ph s R I I I U IR ， （2） （2）式中，I 为硅光电池的输出电流，U 为输出电压。由（2）式可得， d sh ph sh s I R U I R R I --=+ )1(， （3） 假定∞=sh R 和0=s R ，硅光电池可简化为图4所示电路。 图4 这里，)1(0--=-=U ph d ph e I I I I I β。 在短路时，U ＝0，sc ph I I =； 而在开路时，I ＝0，0)1(0=--oc U sc e I I β； ∴ ]1l n [1 += I I U sc OC β， （4） （4）式即为在∞=sh R 和0=s R 的情况下，硅光电池的开路电压OC U 和短路电流SC I 的关系式。其中OC U 为开路电压，SC I 为短路电流，而0I 、β是常数。可看出开路电压OC U 与