一种简易光谱实验仪的设计与实现

摘要：

针对传统光谱仪在实验教学方面存在的问题，设计了一种成本低、体积小的简易光谱实验仪。该光谱实验仪可以探测340～1 000 nm光谱范围内的光。基于光敏三极管良好的光电特性和光谱特性，用中心波长不同的窄带滤光片将入射光分光后分别照射到相应的光敏三极管上。定量反映光照度的各光敏三极管所产生的光电流，经电路转换成电压并放大后被计算机实时采集，利用相应VB程序的处理，在程序界面上实时呈现光谱图。通过探测卤钨灯的光谱，与传统光谱仪探测的光谱图相比较，观察得到两者光谱图包络基本一致，满足了教学实验仪的需求。

关键词：

光谱； 光敏三极管； 窄带滤光片

中图分类号： O 433.1文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.018

引言

光谱仪[1]是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光的色散、吸收、散射等现象得到与被分析物质有关的光谱[2]，从而对物质成分、结构进行分析、测量。目前，光谱仪的种类繁多，有棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影或电脑化自动显示数值仪器的显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。光谱分析[3]方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。但是传统的光谱仪存在着体积大、结构复杂、使用环境受限、价格昂贵等不足。虽然目前已经出现便携式的微型光谱仪[4]，如性能好、体积小、质量轻、稳定性强的光纤光谱仪[5]，但是这种光谱仪价格仍十分昂贵。这些价格高昂的光学仪器[6]限制了广大中小学生以及一些高等院校的学生对光谱的认识和研究。目前，在中小学教育的课本中有很多涉及光学的知识，为培养学生的观察能力、思维能力及探索精神，课堂演示实验[7]是一种非常重要的教学手段，但由于仪器和时间等方面的限制，中小学生只能以考试为目的从课本上了解这些知识。同样，一些相关专业的大学生由于仪器数量有限而无法更好地进行光谱实验，这大大降低了学生对光学的兴趣。对这些学生而言，他们并不需要分辨率高，技术高端的光谱实验仪。因此本文研究的是一种价格低廉，原理简单，使用环境不受限，操作容易，便于携带的简易光谱实验仪，且可以探测从近紫外到红外范围的光源光谱。这种实验仪不仅可以让广大中小学生在课堂上了解光谱图，也同样可以解决一些高等院校学生相关方面的光学实验。

1简易光谱实验仪原理

本文采用窄带滤光片、光敏三极管和简单的电路制作简易光谱实验仪，通过USB采集卡将数据采集到电脑上，经电脑处理后呈现出光谱图，简易光谱实验仪工作原理如图1所示。

窄带滤光片是一种从复合光中分离出某一窄波段单色光的滤光片。复合光通过不同波长的窄带滤光片后，得到不同波长的单色光。每片窄带滤光片的半宽度不能重叠，否则影响每个波长的分辨率，且窄带滤光片的带宽越小越好，这样可以增加滤光片数目，即可以分离出更多波长的单色光，增加了采集点，提高了简易光谱仪的精确度。

利用光敏三极管的光谱特性和光电特性[8]制成简易电路，如图2所示。通过窄带滤光片得到的单色

电压值U。通过多次测验得到光照度E和光敏三极管光电流ISS之间的关系，即可以通过计算电路得到光照度E和输出电压U的关系式。一般来说光敏三极管的光电特性曲线的线性度不如光敏二极管好，但是这里运用了具有良好光谱特性和光电特性的光敏三极管。

复合光通过不同中心波长的窄带滤光片，得到相应波长的单色光照射到每个对应的光敏三极管上。由于每种波长的单色光的光照度不一定相同，从而得到各自对应的光电流，用电路将其转换成电压并放大。再用USB采集卡实时采集每个波长单色光所对应电路得到的电压值并送入计算机。将实验得到的每种波长单色光的光照度E和其对应电路采集到的输出电压U的关系式，用VB编程写入计算机。采集到的电压经过VB程序处理后，将相应的波长和光照度显示在程序界面上，并连接各点形成光谱图。

2光敏三极管的光电特性及测试原理

卤钨灯发出的复合光经过某种中心波长的窄带滤光片后产生对应波长的单色光，用照度计[10]测得此时该波长单色光的照度值，然后将放置的照度计换成检测电路，得到对应输出电压U，又U=ISS×RSS，从而得到光电流ISS。再调节变压器，改变变压器输出电压，即改变卤钨灯的光强，从而改变了该种波长单色光的照度值，再次得到输出电压，重复多次。因为不同波长的窄带滤光片的透过率并不相同，且光敏三极管对不同波长光的灵敏度不同，光敏三极管的光谱特性如图4所示。更换不同中心波长的窄带滤光片，即从复合光中分离出相应波长的单色光，重复上述过程，测得不同波长单色光的照度E与电压值U的关系。如图5所示为经过415 nm、550 nm、610 nm、900 nm的窄带滤光片处理后的对应单色光的光照度和输出电压的实验数据图。

由图5可知经过窄带滤光片后产生的单色光的光照度E和其检测电路的输出电压U成良好的线性关系，即光照度E和光敏三极管的光电流ISS之间呈良好的线性关系。从图4可拟合得U=An×E+U暗，即ISS×RSS=An×E+I暗×RSS，其中An为该波长下光照度E和光电流ISS之间的关系系数。根据实验数据进行线性拟合，得到每种波长光对应的关系系数An，然后将相应的关系式编入程序。因为窄带滤光片的透过率并不是百分之百，再加上照度计本身的误差，所以这里用照度计测得的光照度小于实际光照度，假设忽略照度计本身误差，则测得的光照度等于实际光照度乘以窄带滤光片透过率。实验时，卤钨灯与窄带滤光片的距离L、窄带滤光片与光敏三极管和照度计感应区的距离D以及光敏三极管和照度计的感光面积均保持不变，否则会增加误差。

3简易光谱实验仪的结构及测试结果

简易光谱实验仪的结构如图6所示。简易光谱实验仪的主体为一个19 cm×15 cm×6 cm的不透光的长方体外壳，外壳一面钻有9个直径为10 mm的圆形孔，用于放置装有窄带滤光片的支撑架，在长方体外壳中放置制作好的电路板，电路板上的每个光敏三极管正对应一个圆形孔，即每个光敏三极管上都有一种波长的窄带滤光片，再在外壳一侧开电源线孔和并行线孔，用于接电源和USB采集卡。

本实验装置所采用的窄带滤光片为365 nm、415 nm、490 nm、550 nm、610 nm、650 nm、780 nm、850 nm、940 nm，其直径为20 mm，每片滤光片波峰的透过率均大于75%，如图7所示为简易光谱仪

4结论

基于光敏元器件和VB程序的简易光谱实验仪不仅可以用于可见光的光谱观测，还能用于近红外和近紫外光光谱的观测。可以根据需要增加窄带滤光片的数目，随着窄带滤光片带宽的减小，滤光片的可增数目越多，从而提高仪器精确度。该简易光谱仪具有结构小巧、操作容易、价格低廉、原理简单、使用环境不受限制等优点，可以直接带入课堂向中小学生更直观更省时的展示各种光源光谱图，也解决了高等院校学生由于实验设备不足而无法更好了解光谱的问题。在作为教学实验仪方面有着极其广泛的应用前景。

参考文献：

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