第一篇：光電二極管特性參數(shù)的測(cè)量及原理應(yīng)用(精)

工作總結(jié)實(shí)驗(yàn)報(bào)告 / / 光電池/光敏電阻/光電二極管特性參數(shù)的測(cè)量 指 導(dǎo) 人：朱小姐 實(shí)驗(yàn)類型：工作檢驗(yàn)及年終總結(jié) 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：搏盛科技光電子半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模轰N售技能的考察，產(chǎn)品及相關(guān)知識(shí)的了解情況，年終總結(jié) 實(shí)驗(yàn)日期：2011 年 12 月 26 日 姓 名：陳帥 職位：銷售工程師 手機(jī)號(hào)：159******** Email: chenshuaisz1688@163.com 概述 光電效應(yīng)是指入射光子與探測(cè)器材料中的束縛電子發(fā)生相互作用，使束縛電子變成為自由 電子的效應(yīng)。光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)與外光電效應(yīng)兩類。入射光子引起探測(cè)器材料表面發(fā)射 電子的效應(yīng)稱為外光電效應(yīng)。入射光子激發(fā)的載流子（電子或空穴）仍保留在材料內(nèi)部的效應(yīng) 稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)器件有光電導(dǎo)探測(cè)器（例如光敏電阻）、光生伏特器件（光電池、光電二極管、光電三極管）。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)量三種內(nèi)光電效應(yīng)器件（光敏電阻、光電池、光電二極管）的特性參數(shù)。注意事項(xiàng) a 做實(shí)驗(yàn)請(qǐng)關(guān)燈，以達(dá)到良好的測(cè)量效果。b 拆卸數(shù)據(jù)線時(shí)不要用力硬拽，拆不下來請(qǐng)轉(zhuǎn)個(gè)角度拆。c 請(qǐng)?jiān)谧约旱膶?shí)驗(yàn)桌上做實(shí)驗(yàn)，不要到別的實(shí)驗(yàn)桌旁干擾同事做實(shí)驗(yàn)，更不要?jiǎng)铀说?儀器。d 請(qǐng)勿觸摸光學(xué)鏡片的表面。e 測(cè)量時(shí)不要碰導(dǎo)線，否則數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。更不能用力拉扯導(dǎo)線，導(dǎo)致接頭脫落。f 實(shí)驗(yàn)完畢關(guān)閉所有電源開關(guān)。實(shí)驗(yàn)報(bào)告 報(bào)告開頭請(qǐng)?zhí)钊胄彰?、職位、手機(jī)號(hào)、實(shí)驗(yàn)日期。實(shí)驗(yàn)完成后，請(qǐng)將報(bào)告打印出來，在有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖表的頁腳簽名，然后交到朱 小姐辦公 桌上。Word 文件請(qǐng)以“實(shí)驗(yàn)報(bào)告+姓名”命名，發(fā)到朱小姐郵箱。請(qǐng)?jiān)谠┕?jié)前完成。簽名: 第 1頁

光敏電阻的特性曲線測(cè)量 一.目的要求 測(cè)量 CdS（硫化鎘）光敏電阻的伏安特性和光照特性。實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到：

1、使用 Excel 或繪圖軟件 Origin 繪制出伏安特性特性曲線

2、繪制出光照特性曲線

3、理解光敏電阻的光電特性 二.實(shí)驗(yàn)原理 某些物質(zhì)吸收了光子的能量產(chǎn)生本征吸收或雜質(zhì)吸收，從而改變了物質(zhì)電導(dǎo)率的現(xiàn)象稱為 物質(zhì)的光電導(dǎo)效應(yīng)。光電導(dǎo)效應(yīng)只發(fā)生在某些半導(dǎo)體材料中，金屬?zèng)]有光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻 是基于光電導(dǎo)效應(yīng)工作的元件。光敏電阻具有體積小，堅(jiān)固耐用，價(jià)格低廉，光譜響應(yīng)范圍寬 等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于微弱輻射信號(hào)的探測(cè)領(lǐng)域。由于光敏電阻沒有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，只要把它當(dāng)作電阻值隨光照度而變化的可變電阻器對(duì)待即可，使用時(shí)既可加直流電壓，也可以 加交流電壓。因此光敏電阻在電子電路、儀器儀表、光電控制、計(jì)量分析以及光電制導(dǎo)、激光 外差

探測(cè)等領(lǐng)域中獲得了十分廣泛的應(yīng)用。如圖，光功率為 P 的光照射到光敏電，則光敏層單位時(shí)間所吸收： 阻上，假設(shè)光全部 被吸收 的光量子數(shù)密度 N 應(yīng)為 N = P hνbdl（1）光敏層每秒產(chǎn)生的電子數(shù)密度 Ge 為： G e = ηN（2）η為有效量子效率，表示入射光子轉(zhuǎn)換為光電子的效率。它定義為： η = 單位時(shí)間內(nèi)光電轉(zhuǎn)換產(chǎn)生的有效電子空穴對(duì)數(shù) 單位時(shí)間內(nèi)入射光量子數(shù)（3）理想情況下，入射一個(gè)光量子產(chǎn)生一對(duì)電子空穴，η=1。實(shí)際上，η <1。光敏層內(nèi)電子總產(chǎn)生率應(yīng)為熱電子產(chǎn)生率 Gt 與光電子產(chǎn)生率 Ge 之和： G e + Gt = ηN + rt（4）在熱平衡狀態(tài)下，半導(dǎo)體的熱電子產(chǎn)生率 Gt 與熱電子復(fù)合率 rt 相平衡。導(dǎo)帶中的電子與 價(jià)帶中的空穴的總復(fù)合率 R 應(yīng)為： R = K f(?n + ni(?p + p i（5）式中，Kf 為載流子的復(fù)合幾率，Δn 為導(dǎo)帶中的光生電子濃度，Δp 為導(dǎo)帶中的光生空穴 濃度，ni 與 pi 分別為熱激發(fā)電子與空穴的濃度。同樣，熱電子復(fù)合率與導(dǎo)帶內(nèi)熱電子濃度 ni 及價(jià)帶內(nèi)空穴濃度 pi 的乘積成正比。即 簽名: 第 2頁

rt = K f ni p i（6）在熱平衡狀態(tài)載流子的產(chǎn)生率應(yīng)與復(fù)合率相等。即 ηN + K f ni pi = K f(?n + ni(?p + pi（7）在非平衡狀態(tài)下，載流子的時(shí)間變化率應(yīng)等于載流子的總產(chǎn)生率與總復(fù)合率的差： d?n = ηN + K f ni pi ? K f(?n + ni(?p + pi = ηN ? K f(?n?p + ?pni + ?npi（8）dt 下面分為弱光與強(qiáng)光照射兩種情況討論式（8）： ①在弱光照射下 光生載流子濃度Δn 遠(yuǎn)小于熱激發(fā)電子濃度 ni，光生空穴濃度Δp 遠(yuǎn)小于熱激發(fā)空穴的濃 度 pi，并考慮到本征吸收的特點(diǎn)，Δn=Δp，式（8）可簡(jiǎn)化為 d?n = ηN ? K f ?n(ni + pi dt（9）?t 利用初始條件 t = 0 時(shí)，Δn = 0，解微分方程得： ?n = ητN(1 ? e 式中τ=1/Kf(ni+pi，稱為載流子的平均壽命。τ（10）由式（10）可見，光激發(fā)載流子濃度隨時(shí)間按指數(shù)規(guī)律上升，當(dāng) t >>τ時(shí)，載流子濃度Δ n 達(dá)到穩(wěn)態(tài)值Δn0，即達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)： ?n 0 = ητN（11）（12）光激發(fā)載流子引起半導(dǎo)體電導(dǎo)率的變化為： ?σ = ?n0qμ = ητqμN(yùn) 式中，μ為電子遷移率μn 與空穴遷移率μp 之和。光敏電阻受光照后阻值會(huì)變小也可以這么定性理解：當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí)，固體材料吸收 的能量使部分價(jià)帶電子遷移到導(dǎo)帶，同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴。這樣材料中的載流子數(shù)目增加，材料的電導(dǎo)率也就增加。當(dāng)光敏電阻兩端加上電壓 U 后，光電流為： I ph = A 為與電流垂直的截面積，d 為電極間的距離。A ?σ U d（13）由式（12）與式（13）可知：在一定

照度下，光敏電阻兩端所加電壓與光電流為線性關(guān)系，伏安特性曲線符合歐姆定律。光敏電阻具有與普通電阻相似的伏安特性，但它的電阻值是隨入 射光照度變化的?？梢詼y(cè)出在不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關(guān)系曲 簽名: 第 3頁

線，即光敏電阻的伏安特性曲線，伏安特性曲線過零點(diǎn)，其斜率為某光照度下的電阻值。圖 1 不同光照下光敏電阻的伏安特性曲線 弱光照射下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo) g 為： g = ?σ bd ητqμbd ητqμ = N = P l l hνl 2（14）可以看出，弱光照下的半導(dǎo)體材料的電導(dǎo)與光功率 P 成線性關(guān)系。光照度越大，電導(dǎo)越大，電阻的阻值越小。將式（14）兩邊微分得： dg = ηqτμ dP hνl 2（15）由此可得半導(dǎo)體材料在弱光照射下的光電導(dǎo)靈敏度： S g = d g ηqτμλ = dP hcl 2（16）可見，在弱光照射下的半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度與光電導(dǎo)材料兩電極間的長(zhǎng)度 l 的平方 成反比，為與材料性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)。電導(dǎo)隨光照量變化越大的光敏電阻就越靈敏。在一定外加電壓下，光敏電阻的光電流與光通量之間的關(guān)系稱為光照特性。光敏電阻阻值 隨光照的增加而減小。當(dāng)照度很低時(shí)，光敏電阻的光照特性近似為線性關(guān)系，斜率大致相同。隨光照度的增高，光照特性從線性漸變到非線性。當(dāng)照度變得很高時(shí)，曲線近似為拋物線性。圖 2 光敏電阻的光照特性曲線 簽名: 第 4頁

②在強(qiáng)光照射下 Δn>>ni，Δp>>pi，式（8）可以簡(jiǎn)化為： d?n = ηN e,λ ? K f ?n 2 dt ? 2 t ? tanh ? τ ? 1（17）? ηN 利用初始條件 t = 0 時(shí)，Δn = 0，解微分方程得： ?n = ? e,λ ? K ? f 白色 LED 光源 準(zhǔn)直透鏡 起偏器P1（18）式中 τ = 1 起偏器P2 聚焦透鏡 光敏元件轉(zhuǎn)盤 ηK f N e,λ 為強(qiáng)光照作用下載流子的平均壽命。在強(qiáng)光照情況下，半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)與光功率為拋物線關(guān)系： ? ηbd ? ? g = qμ ? ? hνK l 3 ? P f ? ? 兩邊微分得： dg = 1 2 1 2 數(shù)字檢流計(jì)（19）1 ? ηbd ? ? P dP qμ ? 2 ? hνK f l 3 ? ? ? 1 2 LM07電器箱 1 ? 2（20）1 2 半導(dǎo)體材料在強(qiáng)光照射下的光電導(dǎo)靈敏： S g 1 dg 1 ? ηbd ? ? 2 ? P = = qμ ? dP 2 ? hνK f l 3 ? ? ?（21）在強(qiáng)光照射下半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)靈敏度不僅與材料的性質(zhì)有關(guān)而且與光照度有關(guān)，是非 線性的。從圖 2 可以看出，光照度越高，光電導(dǎo)靈敏度越低。三.實(shí)驗(yàn)裝置 儀器設(shè)備主要有：導(dǎo)軌、光具座、LED 光源、CdS 光敏電阻、電源箱、數(shù)字檢流計(jì)、硬紙 片。光源為發(fā)光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且改變電源電壓可 以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡 L1，這樣點(diǎn)光源經(jīng)透鏡 L1 為出 射平行光，再經(jīng)棱鏡 L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環(huán)境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒 內(nèi)，遮光筒開有一小孔，供發(fā)光二極管的光照入。光照度的變化通過轉(zhuǎn)動(dòng)偏振片 P1 和 P2 的夾角達(dá)到減光效果，由馬呂斯定律： I = I 0 cos 2 α（22）I0 為當(dāng)兩偏振片平行時(shí)的出射光強(qiáng)。當(dāng)兩偏振片之間有夾角α?xí)r，光強(qiáng)就按式（22）減小，也就是起到減光效果。I 為通過偏振片后的光強(qiáng)。簽名: 第 5頁

實(shí)驗(yàn)所用光敏電阻為最常見的CdS(硫化鎘光敏電阻。它的光譜響應(yīng)特性最接近人眼光譜光視效率,峰值響應(yīng)波長(zhǎng)為0.52μm,在可見光波段范圍內(nèi)的靈敏度最高,因此,被廣泛地應(yīng)用于燈光的自動(dòng)控制,照相機(jī)中電子快門的自動(dòng)測(cè)光等。

三種光敏電阻的光譜響應(yīng)特性

四.實(shí)驗(yàn)步驟、測(cè)量?jī)?nèi)容

(1將發(fā)光二極管的底座鎖定螺絲順時(shí)針擰緊,固定在滑軌上。打開發(fā)光二極管的電源盒背面的開關(guān),將電源盒面板上的旋鈕順時(shí)針旋到底(即光照度開到最大。將透鏡L1滑動(dòng)到距離發(fā)光二極管9厘米處(L1透鏡的焦距,將底座的鎖定螺絲順時(shí)針擰緊在滑軌上。

(2光路同軸等高調(diào)節(jié):將所有的器件調(diào)到同一高度,光束穿過各器件的中心。(3在光敏電阻前立一張硬紙片。一邊滑動(dòng)透鏡L2,一邊觀察紙上的光斑,使光斑聚成盡可能小的光點(diǎn)。如果聚光效果仍不夠好,可以在滑動(dòng)透鏡L2的同時(shí),稍微滑動(dòng)透鏡L1,以達(dá)到良好的聚光效果。

(4撤掉硬紙片,將光敏電阻的黑色扇形擋板轉(zhuǎn)開,露出光敏電阻黃色轉(zhuǎn)盤上的小孔,觀察光是否照進(jìn)小孔。將導(dǎo)線的一端插入轉(zhuǎn)盤上“光敏電阻”背面的插口。背面有三個(gè)插口,要插入到“光敏電阻”正背后的那個(gè)插口。插入即可,不必旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)線另一端連接到“LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的“光電阻”接口,將“MT數(shù)字檢流計(jì)”電控箱背面的導(dǎo)線接到“LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的“光電流”接口,將電控箱上面板上的光電阻開關(guān)撥到“開”的位置。

(5打開“LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”的電源開關(guān)。面板右上角的“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕可調(diào)節(jié)“供給電壓”(對(duì)光敏電阻施加的外部電壓。

(6將兩只偏振片P1、P2轉(zhuǎn)盤上的0°刻度線與標(biāo)線對(duì)齊。打開“MT數(shù)字檢流計(jì)”的電源開關(guān)。面板上顯示的是光電流數(shù)值。如果光電流顯示為1,表示數(shù)值溢出了,請(qǐng)將增益旋鈕逆時(shí)針旋到最小。將“供給電壓”從10V→8V→6V→4V→2V→0V依次遞減,把相應(yīng)的光電流數(shù)值填入表1中。

(7旋轉(zhuǎn)兩偏振片中的一只,每次轉(zhuǎn)15°,直到兩偏振片的光軸夾角為90°。每次轉(zhuǎn)角度后,將“供給電壓”從10V→8V→6V→4V→2V→0V依次遞減,把相應(yīng)的光電流數(shù)值填入表1中。注意:由于經(jīng)常旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)盤,螺絲可能脫扣。即使兩只轉(zhuǎn)盤上 的0°刻度線與標(biāo)線對(duì)齊,并不代表真實(shí)情況是這樣?？梢赞D(zhuǎn)動(dòng)其中一只偏振器的刻度盤,當(dāng)光電流最大時(shí),視作兩偏振片的光軸夾角為0°,然后再依次轉(zhuǎn)15°。

五.數(shù)據(jù)記錄與繪圖

表1不同光照下加在光敏電阻兩端的電壓與流過它的電流的關(guān)系αcos2αI(μA U=0V U=2V U=4V U=6V U=8V U=10V 90°0 75°0.07 60°0.25 45°0.5 30°0.75 15°0.93 0°1 根據(jù)表1中的數(shù)據(jù),使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出如圖1所示的光敏電阻伏安特性曲線。1μA=1×10-6A 對(duì)表1中的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合,電腦算出直線的斜率,將斜率填入表2中。斜率的倒數(shù)即光敏電阻在不同光照度下的電阻值,將計(jì)算出的電阻值也填入表2中。1KΩ=1×103Ω

表2光敏電阻阻值與光照度的關(guān)系

αcos2α伏安特性曲線的斜率k電阻R=1/k(KΩ 90°0 75°0.07

60°0.25 45°0.5 30°0.75 15°0.9 0°1 根據(jù)表2的數(shù)據(jù),使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出光敏電阻的光照特性曲線: 五.觀察與思考

1、隨著溫度的升高,光敏電阻的暗電阻和靈敏度會(huì)怎樣?

2、光敏電阻效應(yīng)有什么可能的應(yīng)用? 光電池的特性曲線測(cè)量 目的要求

測(cè)量光電池的光照特性和伏安特性。實(shí)驗(yàn)要求達(dá)到:

1、測(cè)量光電池在光照狀態(tài)下的短路電流I sc、開路電壓U oc、最大輸出功率P max、填充因子

FF

2、了解光電池的光伏特性和黑暗狀態(tài)下的伏安特性(二極管特性 實(shí)驗(yàn)原理

1839年,法國科學(xué)家貝克雷爾(Becqurel就發(fā)現(xiàn),光照能使半導(dǎo)體材料的不同部位之間產(chǎn)生電位差。這種現(xiàn)象后來被稱為“光生伏打效應(yīng)”,簡(jiǎn)稱“光伏效應(yīng)”。具有光生伏特效應(yīng)的半導(dǎo)體材料有很多,例如硅(Si、鍺(Ge、硒(Se、砷化鎵(GaAs等半導(dǎo)

體材料。利用這些材料能夠制造出具有各種特點(diǎn)的光生伏特器件,其中硅光生伏特器件具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等特點(diǎn)使它成為目前應(yīng)用最廣泛的光生伏特器件。常見的光生伏特器件有光電池、光電二極管、光電三極管、CCD等。

光生伏特器件工作基于PN結(jié)的光伏效應(yīng)。PN結(jié)的基本特征是它的電學(xué)不對(duì)稱性。在結(jié)區(qū)有一個(gè)從N側(cè)指向P側(cè)的內(nèi)建電場(chǎng)存在。

熱平衡下,多數(shù)載流子(N側(cè)的電子和P側(cè)的空穴的擴(kuò)散作用與少數(shù)載流子(N側(cè)的空穴和P側(cè)的電子由于內(nèi)電場(chǎng)的漂移作用相抵消,沒有凈電流通過PN結(jié)。此時(shí),用電壓表量不出PN結(jié)兩端有電壓,稱為零偏狀態(tài)。當(dāng)照射光激發(fā)出電子一空穴對(duì)時(shí),電勢(shì)壘的內(nèi)建電場(chǎng)將把電子一空穴對(duì)分開,從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷堆積,形成光生伏特效應(yīng)。如果說光導(dǎo)現(xiàn)象是半導(dǎo)體材料的體效應(yīng),那么光伏現(xiàn)象則是半導(dǎo)體材料的“結(jié)”效應(yīng)。也就是說,實(shí)現(xiàn)光伏效應(yīng)需要有內(nèi)部電勢(shì)壘,當(dāng)照射光激發(fā)出電子一空穴對(duì)時(shí),電勢(shì)壘的內(nèi)建電場(chǎng)將把電子一空穴對(duì)分開,從而在勢(shì)壘兩側(cè)形成電荷堆積,形成光生伏特效應(yīng)。這個(gè)內(nèi)部電勢(shì)壘可以是PN結(jié)、PIN結(jié)、肖特基勢(shì)壘結(jié)以及異質(zhì)結(jié)等。這里我們主要討論P(yáng)N結(jié)的光伏效應(yīng),它不僅最簡(jiǎn)單,而且是基礎(chǔ)。

如果PN結(jié)正向電壓偏置(P區(qū)接正,N區(qū)接負(fù),則有較大正向電流流過PN結(jié)。如果把PN結(jié)反向電壓偏置(P區(qū)接負(fù),N區(qū)接正,則有一很小的反向電流通過PN結(jié),這個(gè)電流在反向擊穿前幾乎不變,稱為反向飽和電流。

PN 結(jié)的伏安特性為:(10?=T k eu s d B e I I 式中I d 是暗(指無光照電流,I so 是反向飽和電流,U 是偏置電壓(正向偏置為正,反向偏置為負(fù),e 是電子電荷量,k B 是波爾茲曼常數(shù), T 是絕對(duì)溫度。

PN 結(jié)光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)及作用原理如圖所示:

(a光伏探測(cè)器的典型結(jié)構(gòu)(b工作原理

假定光生電子一空穴對(duì)在PN 結(jié)的結(jié)區(qū),即耗盡區(qū)內(nèi)產(chǎn)生。由一內(nèi)電場(chǎng)的作用,電子向N 區(qū)、空穴向P 區(qū)漂移運(yùn)動(dòng),被內(nèi)電場(chǎng)分離的電子和空穴就在外回路中形成電流。為了說明光功率轉(zhuǎn)換成光電流的關(guān)系,我們?cè)O(shè)想光伏探測(cè)器兩端被短路,并用一理想電流表記錄光照下流過回路的電流,這個(gè)電流常常稱為短路光電流。

和光電導(dǎo)探測(cè)器不同,光伏探測(cè)器的工作特性要復(fù)雜一些,通常有光電池和光電二極管之分。也就是說,光伏探測(cè)器有著不同的工作模式。光電池又叫光伏電池,它可以把外界的光轉(zhuǎn)為電信號(hào)或電能。實(shí)際上這種光電池是由大面積的PN 結(jié)形成的,即在N 型硅片上擴(kuò)散硼形成P 型層,并用電極引線把P 型和N 型層引出,形成正負(fù)電極。為防止表面反射光,提高轉(zhuǎn)換效率,通常在器件受光面上進(jìn)行氧化,形成二氧化硅保護(hù)膜。

在光照狀態(tài)下,一個(gè)PN 結(jié)光伏探測(cè)器可等效為一個(gè)理想恒流源(光電流源、理想二極管、并聯(lián)電阻R sh、電阻R S 所組成,那么光電池的工作如圖: IPh 為光電池在光照時(shí)該等效電源輸出電流。Id 為光照時(shí)，通過光電池內(nèi)部二極管的電流。I 為光電池的輸出電流，U 為輸出電壓。由基爾霍夫定律： IRS + U ?(I ph ? I d ? I Rsh = 0 可得： I(1 + Rs U = I ph ? ? Id Rsh Rsh ? keuT ? ? I SO ?e B ? 1? ? ? ? ? 假設(shè) Rsh = ∞ 和 Rs = 0，可簡(jiǎn)化為： I = I ph ? Id = I ph 短路時(shí)： U = 0，I ph = I SC 而開路時(shí)： I = 0，I SC ? eu ∞ ? k T ? I SO ?e B ? 1? = 0 ? ? ? ?（1）可以得到： U OC = 1 I In(SC + 1 β I SO 式（1）即為在 Rsh = ∞ 和 Rs = 0 的情況下，光電池的開路電壓 UOC 和短路電流 ISC 的關(guān)系式。其中 UOC 為開路電壓，ISC 為短路電流。短路電流和開路電壓是光電池的兩個(gè)非常重要的工作 狀態(tài)，它們分別對(duì)應(yīng)于 RL = 0 和 RL = ∞ 的情況。當(dāng)光電池外接負(fù)載電阻 R L 時(shí)，負(fù)載所獲得的功率為：PL=IL2RL 負(fù)載電阻 RL 所獲得的功率 PL 與負(fù)載電阻的阻值有關(guān)。讓我們來看以下三種情況：（1）當(dāng) RL=0（電路為短路）時(shí)，U=0，輸出功率 PL=0；（2）當(dāng)∞＜RL＜0 時(shí)，輸出功率 PL＞0。（3）當(dāng) RL=∞（電路為開路）時(shí)，IL=0，輸出功率 PL=0； 顯然，存在著最佳匹配負(fù)載電阻 RL=Ropt。在最佳負(fù)載電阻情況下，負(fù)載可以獲得最大的 輸出功率 Pmax。Ropt 取決于光電池的內(nèi)阻。簽名: 第 11頁

由于 UOC 和 ISC 均隨光照度的增強(qiáng)而增大，所不同的是 UOC 與光照度的對(duì)數(shù)成正比，ISC 與光 照度成正比(在弱光下，所以 Ropt 亦隨光照度變化而變化。UOC、ISC 和 Ropt 都是光電池的重要參 白色 LED光源 數(shù)。填充因子 FF 是表征光電池性能優(yōu)劣的指標(biāo)，可用下式表示： 光敏元件轉(zhuǎn)盤 準(zhǔn)直透鏡 起偏器P1 起偏器P2 聚焦透鏡 FF = Pmax U OC I SC 電 壓 調(diào) 節(jié) 電 阻 調(diào) 節(jié) 填充因子一般在 0.5~0.8 之間 數(shù)字檢流計(jì) 實(shí)驗(yàn)裝置 明 光 電 池 開 開 光 開 儀器設(shè)備主要有：導(dǎo)軌、光具座、LED 光源、光電池、電源箱、數(shù)字檢流計(jì)、硬紙片。電 關(guān) 關(guān) LM07電器箱 關(guān) 阻 光電流 南京浪博科教儀器研究所 光電池接口 ：光電池黑暗狀態(tài)下的電壓 數(shù)字檢流計(jì)接口 光電阻接口 ：光電池光照狀態(tài)下的電壓 光源為發(fā)光二極管，它具有效率高、體積小、耗電少、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，且改變電源電壓可 以改變 LED 燈亮度。為了充分利用光源，在光源后放置了透鏡 L1，這樣點(diǎn)光源經(jīng)透鏡 L1 為出 射平行光，再經(jīng)棱鏡 L2 聚焦到光敏電阻上。為了減少環(huán)境光的影響，將光敏電阻置于遮光筒 內(nèi)，遮光筒開有一小孔，供發(fā)光二極管的光照入。實(shí)驗(yàn)步驟：（1）將發(fā)光二極管的底座鎖定螺絲順時(shí)針擰緊，固定在滑軌上。打開發(fā)光二極管的電源盒背 面的開關(guān)，將電源盒面板上的旋鈕順時(shí)針旋到底（即光照度開到最大）。將透鏡 L1 滑動(dòng)到距離 發(fā)光二極管 9 厘米處（L1 透鏡的焦距），將底座的鎖定螺絲順時(shí)針擰緊在滑軌上。（2）光路同軸等高調(diào)節(jié)：將所有的器件調(diào)到同一高度，光束穿過各器件的中心。（3）在光電池前立一張硬紙片。一邊滑動(dòng)透鏡 L2，一邊觀察紙上的光斑，使光斑聚成盡可能 小的光點(diǎn)。如果聚光效果仍不夠好，可以在滑動(dòng)透鏡 L2 的同時(shí)，稍微滑動(dòng)透鏡 L1，以達(dá)到良 好的聚光效果。（4）撤掉硬紙片，將光電池的黑色扇形擋板轉(zhuǎn)開，露出光電池的小孔，觀察光是否照進(jìn)小孔。簽名: 第 12頁

將導(dǎo)線的一端插入轉(zhuǎn)盤背面的插口。背面有三個(gè)插口，要插入到 “光電池” 正背后的那個(gè)插口。插入即可，不必旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)線另一端連接到“LM07 光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上 的“光電池”接口。（5）將“LM07 光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”面板右上角的“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針旋到最 小。在做光電池光照特性實(shí)驗(yàn)時(shí)，不要調(diào)節(jié)“供給電壓”的旋鈕，否則穩(wěn)壓電源將給光電池供 電，而不是光電池本身放電。（6）打開“LM07 光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”的電源開關(guān)。將電控

箱面板上的光電阻開關(guān) 撥到“關(guān)”的位置。將光電池的明開關(guān)撥到“開”位置，暗開關(guān)撥到“關(guān)”位置，將面板上“電 阻調(diào)節(jié)”旋鈕逆時(shí)針旋到底（阻值最?。?。將 U1/U2 開關(guān)撥到“U1”，此時(shí)“電壓測(cè)量”顯示的 讀數(shù)為 0，表明此時(shí)流經(jīng)光電池的電流為短路電流。如果光電流顯示為 1，表示數(shù)值溢出了，逆時(shí)針旋下光電檢流計(jì)的鈕旋，但不要旋到底。（7）順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電阻調(diào)節(jié)”旋鈕，將電阻由最小逐步調(diào)到最大。每調(diào)一次電阻值，記錄下 光電流和輸出電壓 U1，把數(shù)據(jù)填入下表中。如果光電流顯示為 0，請(qǐng)順時(shí)針旋光電檢流計(jì)的鈕 旋。注意：明狀態(tài)時(shí)，光電檢流計(jì)所測(cè)電流為負(fù)，這與由檢流計(jì)的方向有關(guān)，只用記錄絕對(duì)值，不必記錄正負(fù)號(hào)。由于經(jīng)常旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)盤，螺絲可能脫扣。即使兩只轉(zhuǎn)盤上的 0°刻度線 與標(biāo)線對(duì)齊，并不代表真實(shí)情況是這樣。表1 輸出電壓 U1(V 不同負(fù)載下，光電池的光電流、輸出電壓、輸出功率的變化情況 光電流 I(μA 負(fù)載電阻=U1/I（K ?）輸出功率 P=U1I（μW）光電池的輸出電壓與光電流的關(guān)系 簽名: 第 13頁

光電池的輸出功率和負(fù)載電阻的關(guān)系 找出上圖中的功率最大值，利用公式 FF = Pmax 計(jì)算出光電池的填充因子。式中的短路 I scU oc 電流 Isc 為表 1 中的最大電流，開路電壓 Uoc 為表 1 中的最大電壓。（8）旋轉(zhuǎn)兩偏振片中的一只，每次轉(zhuǎn) 15°之后：逆時(shí)針旋“電阻調(diào)節(jié)”的旋鈕到底（電阻接近零）記下此時(shí)的短路光電流 Isc；，再順時(shí)針旋 “電阻調(diào)節(jié)” 的旋鈕到底（電阻達(dá)到最大值 33kΩ），記下此時(shí)的開路電壓 UOC 表2 開路電壓 UOC、短路光電流 Isc 與光照度的關(guān)系 α cos2α Isc(μA U(V OC 0° 15° 30° 45° 60° 75° 90° 線性關(guān)系。1 0.93 0.75 0.5 0.25 0.07 0 理論上，光電流與光照度之間有線性關(guān)系： dJ / J = 6.26di / i 請(qǐng)用你的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作圖看是否為 簽名: 第 14頁

光電池 光照度與短路光電流的關(guān)系 UOC 與光照度 J/J0 的關(guān)系是近似函數(shù) U OC = β ln(電池的輸出電流與開路電壓都在減小。J +C J0 可以看出，當(dāng)光照度減弱時(shí)，光 光照度與開路電壓的關(guān)系（9）關(guān)掉 LED 光源。將光電池的明開關(guān)撥到“關(guān)”位置，將暗開關(guān)撥到“開”位置。旋轉(zhuǎn)黑 色扇形擋板遮住光電池的入射孔，使光電池處于黑暗狀態(tài)。黑暗狀態(tài)下的光電池工作如圖 2。黑暗狀態(tài)下的光電池等效

電路 在黑暗狀態(tài)下光電池在電路中就如同二極管。此時(shí)加在光電池兩端的正向偏壓 U 與通過 它的電流 I 之間的關(guān)系式為： I d = I s 0 eeU / k BT ? 1 簽名:(第 15頁

式中I d 是暗(指無光 照電流,I so 是反向飽和電流,U是偏置電壓(正向偏置為 正,反向偏置為負(fù),e是電子電荷量,k B 是波爾茲曼常數(shù), T是絕對(duì)溫度。

(10把“電阻調(diào)節(jié)”的旋鈕順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到最大(阻值33kΩ。將U1/U2開關(guān)撥到“U2”,此時(shí)測(cè)量負(fù)載電阻兩端的電壓U2,電流I=U2/33kΩ。此時(shí)光電池如同二極管在工作。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕,“供給電壓”將顯示出對(duì)光電池施加的正向偏壓U的大小,計(jì)算出通過它的電流,填入表中。

表3 U U2I=U2/33kΩ(μA

根據(jù)數(shù)據(jù)使用Excel或繪圖軟件Origin繪制出光電池電流與正向偏壓U的曲線。由圖可看出,黑暗狀態(tài)下光電池的工作狀態(tài)與二極管加正向偏壓下類似。

觀察與思考

1、光伏器件與光電導(dǎo)探測(cè)器件有何不同?

2、最佳匹配負(fù)載電阻隨光照度的增大如何變化? 光電二極管特性曲線的測(cè)量

目的要求

測(cè)量光電二極管在不同光照度下的特性曲線。實(shí)驗(yàn)原理

光電二極管又稱光敏二極管。制造一般光電二極管的材料幾乎全部選用硅或鍺的單晶材料。由于硅器件較鍺器件暗電流、溫度系數(shù)都小得多,加之制作硅器件采用的平面工藝使其管芯結(jié)構(gòu)很容易精確控制,因此,硅光電二極管得到了廣泛應(yīng)用。

硅光電二極管的封裝有多種形式。常見的是金屬外殼加入射窗口封裝。入射光通過窗口玻璃照射在管芯上。窗口玻璃又有凸透鏡和平面之分。凸透鏡有聚光作用,有利于提高靈敏度。而且由于聚焦位置與入射光方向有關(guān),因此還能減小雜散背景光的干擾。缺點(diǎn)是靈敏度隨方向而變,因此給對(duì)準(zhǔn)和可靠性帶來問題。采用平面玻璃窗口的硅光電二極管雖然沒有尖銳的對(duì)準(zhǔn)問題,但易受雜散光干擾的影響。硅光電二極管的外型及靈敏度的方向性如圖所示。

(a硅光電二極管的外形;(b靈敏度隨角度的變化

發(fā)光二極管管芯是一個(gè)具有光敏特性的PN 結(jié),它被封裝在管殼內(nèi)。發(fā)光二極管管芯的光

敏面是通過擴(kuò)散工藝在N 型單晶硅上形成的一層薄膜,稱為p +n 結(jié)構(gòu)。光敏二極管的管芯以及

管芯上的PN 結(jié)面積做得較大,而管芯上的電極面積做得較小,PN 結(jié)的結(jié)深比普通半導(dǎo)體二極管做得淺,這些結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)都是為了提高光電轉(zhuǎn)換的能力。另外,與普通半導(dǎo)體二極管一樣,在硅片上生長(zhǎng)了一層SiO 2保護(hù)層,它把PN 結(jié)的邊緣保護(hù)起來,從而提高了管子的穩(wěn)定性,減少了暗電流。

硅電二極管的典型結(jié)構(gòu)

在無輻射(暗室中的情況下,PN 結(jié)硅光電二極管的正、反向特性與普通PN 結(jié)二極管的特性一樣,其電流方程為:([] 1exp ?=kT qU I I d

I d 為U 為負(fù)值(反向偏置時(shí)且|U|>>kT/q 時(shí)(室溫下kT/q ≈0.26mV ,很容易滿足這個(gè)條件的電流,稱為反向電流或暗電流。無光照時(shí),電路中也有很小的反向飽和漏電流,一般為1×10-8~1×10-9A(稱為暗電流,此時(shí)相當(dāng)于光敏二極管截止。

硅光電二極管的伏安特性曲線當(dāng)光輻射作用到光電二極管上時(shí),光電二極管的全電流方程為:[]/exp(1(exp(1,e kT qU I d hc

Φq I d ?+???=αληλ式中η為光電材料的光電轉(zhuǎn)換效率,α為材料對(duì)光的吸收系數(shù)。

光電二極管為基本的光生伏特器件之一。下圖為光伏探測(cè)器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線。在第一象限里,是正偏壓狀態(tài),本來暗(指無光照電流i D 就很大,所以光電流不起重要作用。作為光電探測(cè)器,工作在這一區(qū)域沒有意義。

光伏探測(cè)器在不同偏置電壓下的輸出特性曲線

在第三象限里,光伏探測(cè)器是反偏壓狀態(tài)。這時(shí),I d =I so(二極管的反向飽和電流,稱為暗電流(對(duì)應(yīng)于光功率P=0,數(shù)值很小。此時(shí)的光電流是流過探測(cè)器的主要電流,對(duì)應(yīng)于光導(dǎo)工作模式。通常把光導(dǎo)工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電二極管,它的外回路特性與光電導(dǎo)探測(cè)器十分相似。

在第四象限中,光伏探測(cè)器的外偏壓為零。流過探測(cè)器的電流仍為反向光電流,隨著光功率的不同,出現(xiàn)明顯的非線性。這時(shí)探測(cè)器的輸出是通過負(fù)載電阻R L 上的電壓或流過R L 上的電流來體現(xiàn)。因此,把這種工作模式稱為光伏工作模式。通常把光伏工作模式的光伏探測(cè)器稱為光電池。

光敏二極管與普通二極管一樣,它的PN 結(jié)具有單向?qū)щ娦?因此,光敏二極管工作時(shí)應(yīng)加上反向電壓。當(dāng)有光照射時(shí),PN 結(jié)附近受光子的轟擊,半導(dǎo)體內(nèi)被束縛的價(jià)電子吸收光子能量而被擊發(fā)產(chǎn)生電子一空穴對(duì)。這些載流子的數(shù)目,對(duì)于多數(shù)載流子影響不大,但對(duì)P 區(qū)和N 區(qū)的少數(shù)載流子來說,則會(huì)使少數(shù)載流子的濃度大大提高,在反向電壓(P 區(qū)接負(fù),N 區(qū)接正作用下,反向飽和漏電流大大增加,形成光電流,該光電流隨入射光照度的變化而相應(yīng)變化。光電流通過負(fù)載R L 時(shí),在電阻兩端將得到隨人射光變化的電壓信號(hào)。光敏二極管就是這樣完成光電轉(zhuǎn)換的。

反向電壓偏置電路

光電二極管的工作區(qū)域應(yīng)在圖所示的第3象限與第4象限,看著不方便。采用重新定義電流與電壓正方向的方法(以PN結(jié)內(nèi)建電場(chǎng)的方向?yàn)檎?把特性曲線翻轉(zhuǎn)成如圖所示。

光電二極管的輸出特性曲線

Si光電二極管具有一定的光譜響應(yīng)范圍。常溫下,Si材料的禁帶寬度為1.12(eV,峰值波長(zhǎng)約為0.9μm,長(zhǎng)波限約為1.1μm,由于入射波長(zhǎng)愈短,管芯表面的反射損失就愈大,從而使實(shí)際管芯吸收的能量愈少,這就產(chǎn)生了短波限問題。Si光電二極管的短波限約為0.4μm。

Si光電二極管的光譜響應(yīng)范圍 實(shí)驗(yàn)步驟

(1將發(fā)光二極管的底座鎖定螺絲順時(shí)針擰緊,固定在滑軌上。打開發(fā)光二極管的電源盒背面的開關(guān),將電源盒面板上的旋鈕順時(shí)針旋到底(即光照度開到最大。將透鏡L1滑動(dòng)到距離發(fā)光二極管9厘米處(L1透鏡的焦距,將底座的鎖定螺絲順時(shí)針擰緊在滑軌上。

(2光路同軸等高調(diào)節(jié):將所有的器件調(diào)到同一高度,光束穿過各器件的中心。(3旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)盤,使光照進(jìn)光電二極管的小孔。在光電二極管前立一張硬紙片。一邊滑動(dòng)透鏡L2,一邊觀察紙上的光斑,使光斑聚成盡可能小的光點(diǎn)。如果聚光效果仍不夠好,可以在滑動(dòng)透鏡L2的同時(shí),稍微滑動(dòng)透鏡L1,以達(dá)到良好的聚光效果。撤掉硬紙片。

(4將導(dǎo)線的一端插入轉(zhuǎn)盤背面的插口。背面有三個(gè)插口,要插入到“光敏電阻”正背后的

那個(gè)插口。插入即可,不必旋轉(zhuǎn)。導(dǎo)線的另一端連接到“LM07光電池光敏電阻綜合實(shí)驗(yàn)儀”電控箱面板上的“光電池”卡口。

(5將光電檢流計(jì)的“增益”旋鈕逆時(shí)針旋到最小。將電控箱面板上的光電阻開關(guān)撥到關(guān)的位置,將光電池的明開關(guān)撥到關(guān)位置,暗狀態(tài)撥到開位置,順時(shí)針旋“電阻調(diào)節(jié)”到底,使電阻最大。將U1/U2開關(guān)撥到“U2”。此時(shí),光電二極管內(nèi)部線路接成了反向電路。

(6逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕到底。將兩偏振片夾角旋為0°,此時(shí)光照度最大。光電二極管受光照會(huì)產(chǎn)生負(fù)電壓,“供給電壓”將顯示出這個(gè)初始負(fù)電壓,請(qǐng)記錄下數(shù)值。順時(shí)針旋轉(zhuǎn)“電壓調(diào)節(jié)”旋鈕,增大反向偏壓,發(fā)現(xiàn)U2(負(fù)載電阻兩端電壓隨之升高,到飽和值之后將保持不變。注意:因?yàn)槭冀K有光電二極管的反向電壓存在,故加載在光電二極管兩端的反向偏壓等于“供給電壓”的顯示值減去初始負(fù)電壓(即加上初始負(fù)電壓的絕對(duì)值。將兩偏振片的夾角改為30°,重復(fù)上述步驟,記錄數(shù)值。

注意:由于經(jīng)常旋轉(zhuǎn)偏振器的轉(zhuǎn)盤,螺絲可能脫扣。即使兩只轉(zhuǎn)盤上的0°刻度線與標(biāo)線對(duì)齊,并不代表真實(shí)情況是這樣。

數(shù)據(jù)記錄與繪圖: 表1不同光照度下,負(fù)載電壓U2與加載在光電二極管兩端的反向偏壓U的變化關(guān)系α=0°與α=30°時(shí)

加載的反向偏壓 α=0°時(shí)的 負(fù)載電壓U2 α=30°時(shí)的

負(fù)載電壓U2 將上表中的數(shù)據(jù)輸入到Excel或繪圖軟件Origin,繪制出不同光照度下,負(fù)載電壓U2與加載在光電二極管兩端的反向偏壓U的關(guān)系:

第二篇：GPS測(cè)量原理及應(yīng)用

GPS測(cè)量原理及應(yīng)用

實(shí)習(xí)報(bào)告

專 業(yè)：12級(jí)測(cè)繪工程專業(yè)

班 級(jí)：1220502 姓 名：方 明

學(xué) 號(hào)：201220050208 指導(dǎo)教師：吳良才

目錄

一、前言.............................................................................................................3

1.1 實(shí)習(xí)目的.................................................................................................3

1.2 實(shí)習(xí)內(nèi)容.................................................................................................3

1.3 實(shí)習(xí)分組情況.........................................................................................3

二、GPS接收機(jī)認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí).................................................................................4

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?.......................................................................................4

2.2 儀器設(shè)備及精度指標(biāo)...........................................................................4

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及操作.....................................................................................4

三、GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)采集.....................................................................5

3.1 技術(shù)設(shè)計(jì).................................................................................................5

3.2 測(cè)區(qū)情況及測(cè)前準(zhǔn)備.............................................................................5

3.3 選點(diǎn)情況.................................................................................................5

3.4 觀測(cè)的作業(yè)要求.....................................................................................6

3.5 具體操作步驟.........................................................................................6

四、GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理.......................................................................7

4.1 數(shù)據(jù)傳輸.....................................................................................................7

4.2 數(shù)據(jù)處理.....................................................................................................7

4.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入.............................................................................................7

4.2.2 基線解算.............................................................................................7

4.2.3 自由網(wǎng)無約束平差...............................................................................8

4.3 成果輸出報(bào)表..............................................................................................8

五、基站架設(shè)以及RTK測(cè)圖............................................................................9

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?........................................................................................9

5.2 儀器設(shè)備.................................................................................................9

5.3 RTK測(cè)圖步驟.........................................................................................9

5.3.1 基準(zhǔn)站設(shè)置....................................................................................9

5.3.2 移動(dòng)站設(shè)置....................................................................................9

5.3.3 點(diǎn)測(cè)量............................................................................................9

5.3.4 數(shù)據(jù)傳輸.......................................................................................10

5.4 南方CASS繪圖....................................................................................10

六、實(shí)習(xí)體會(huì).....................................................................................................11

一、前言.1 實(shí)習(xí)目的

通過實(shí)習(xí)，結(jié)合課堂教學(xué)我們可以掌握GPS接收機(jī)的操作方法，掌握利用GPS技術(shù)進(jìn) 行控制測(cè)量、地形測(cè)量和放樣等測(cè)繪工作方法。加深對(duì)課堂所學(xué)理論知識(shí)的理解，產(chǎn)生對(duì)GPS測(cè)量技術(shù)的感性認(rèn)識(shí)，并培養(yǎng)和提高利用所學(xué)理論知識(shí)動(dòng)手解決實(shí)際問題的能力。

1.2 實(shí)習(xí)內(nèi)容

這次實(shí)習(xí)的主要實(shí)習(xí)內(nèi)容主要有四項(xiàng)：

1．GPS接收機(jī)認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)；熟悉南方靈銳S86 GPS接收機(jī)的基本操作，對(duì)GPS接

收機(jī)工作原理有個(gè)認(rèn)識(shí)。

2．GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)采集；在校區(qū)進(jìn)行GPS網(wǎng)的布設(shè)，并進(jìn)行靜態(tài)相對(duì)定

位數(shù)據(jù)采集。

3.GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理；利用南方GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件，對(duì)所采集的樣本

數(shù)據(jù)進(jìn)行基線解算和網(wǎng)平差。

4.基站架設(shè)以及RTK測(cè)圖，利用GPS RTK測(cè)量技術(shù)進(jìn)行碎部點(diǎn)測(cè)量，并用數(shù)據(jù)處理軟

件對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。以組為單位，進(jìn)行地形圖的繪制。

1.3 實(shí)習(xí)分組情況

?

本次實(shí)習(xí)班級(jí)分6組進(jìn)行 ?

本組成員情況介紹：

組長(zhǎng)：方 明

組員：郭建雄、陳亞棟、付超遠(yuǎn)、帥蘇芳、鄒輝霞、王安迪 ?

靜態(tài)采集的數(shù)據(jù)以組為單位，每個(gè)組數(shù)據(jù)一樣； ?

動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK測(cè)圖以組為單位，每個(gè)組一份圖。

二、GPS接收機(jī)認(rèn)識(shí)學(xué)習(xí)

2.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/p>

(1)了解GPS接收機(jī)組成的各個(gè)部分（接收機(jī)天線、主機(jī)及其操作面板、電源

等）及其連接；

(2)掌握GPS接收機(jī)數(shù)據(jù)采集的操作，包括整平對(duì)中、開機(jī)、輸入點(diǎn)號(hào)、天

線高、查看接收機(jī)工作狀態(tài)、關(guān)機(jī)等；

(3)通過認(rèn)識(shí)實(shí)習(xí)，為以后的GPS靜態(tài)相對(duì)定位和RTK測(cè)圖實(shí)習(xí)做好知識(shí)和技

術(shù)上的準(zhǔn)備。

2.2 儀器設(shè)備及精度指標(biāo)

本次實(shí)習(xí)采用南方靈銳S86 GPS接收機(jī)

接收機(jī)的精度指標(biāo)：

靜態(tài)平面精度：3mm+1ppm

靜態(tài)高程精度：5mm+1ppm

RTK平面精度：1cm+1ppm RTK高程精度：2cm+1ppm

2.3 實(shí)驗(yàn)步驟及操作

（1）安置儀器：在任意點(diǎn)上放置三角架，安放基座和天線，整平對(duì)中；（2）天線與主機(jī)的連接；

（3）熟悉開機(jī)、關(guān)機(jī)、量取天線高；主機(jī)面板菜單的各項(xiàng)功能；輸入點(diǎn) 號(hào)、天線高，查看接收機(jī)工作狀態(tài)等。

三、GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)采集

3.1 技術(shù)設(shè)計(jì)依據(jù)

依據(jù)GPS測(cè)量規(guī)范及實(shí)習(xí)任務(wù)書，具體內(nèi)容為：

（1）等級(jí)：國家E級(jí)；

（2）點(diǎn)數(shù)：4個(gè)點(diǎn)組成兩個(gè)三角行，有同步環(huán)有異步環(huán)；（3）GPS控制點(diǎn)：依據(jù)ECIT CAMP GPS 2014網(wǎng)點(diǎn)選擇；

（4）成果：以:組為單位，完成設(shè)計(jì)、選點(diǎn)、觀測(cè)，每人分別進(jìn)行數(shù)據(jù)處理

和質(zhì)量控制，并提交各自的結(jié)果。

3.2 測(cè)區(qū)概況及測(cè)前準(zhǔn)備

測(cè)區(qū)概況：本次實(shí)習(xí)測(cè)區(qū)范圍為東華理工大學(xué)廣蘭校區(qū)，測(cè)區(qū)內(nèi)總體地勢(shì)較為平坦，部分地區(qū)有較大起伏，利于基準(zhǔn)站和移動(dòng)站的架設(shè)，但由于校區(qū)內(nèi)樹木、房屋等高大地物的影響，導(dǎo)致接收機(jī)接收衛(wèi)星信息叫空曠地區(qū)差些。

測(cè)前準(zhǔn)備：通過一天時(shí)間將控制點(diǎn)位選好，以備靜態(tài)測(cè)量時(shí)使用。其次，需要分配每個(gè)小組的任務(wù)，并將測(cè)量時(shí)的一些注意事項(xiàng)協(xié)調(diào)好。然后，通過GPS接受儀器對(duì)所選的控制點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)點(diǎn)位保證觀測(cè)兩個(gè)時(shí)段。當(dāng)外業(yè)測(cè)量結(jié)束后，運(yùn)用南方GPS處理軟件進(jìn)行內(nèi)業(yè)計(jì)算，得出每個(gè)控制點(diǎn)的坐標(biāo)和高程

3.3 選點(diǎn)情況

小組選點(diǎn)情況如圖： JX51——0001（北門）

JX52——0002（國防科技樓旁）JX54——0004（西大門）JX64——0005（東大門）

3.4 觀測(cè)的作業(yè)要求

（1）觀測(cè)的時(shí)段長(zhǎng)度≥45min,幾何圖形強(qiáng)度因子PDOP<6；

（2）天線的對(duì)中誤差≤3mm，天線應(yīng)整平：基座上的圓氣泡居中，天線定向

標(biāo)志應(yīng)指向正北，定向誤差不宜超過±5°；

（3）觀測(cè)組應(yīng)按調(diào)度規(guī)定時(shí)間進(jìn)行作業(yè)，保證同步觀測(cè)同一組衛(wèi)星； ④每時(shí)段開機(jī)后應(yīng)量取天線高，并及時(shí)輸入點(diǎn)名（點(diǎn)號(hào)）及天線高，關(guān)機(jī)后

再量取一次天線高作校核，兩次互差<3mm,取平均值作為最后結(jié)果，并

記錄在外業(yè)觀測(cè)記錄紙上；

（4）儀器工作正常后，應(yīng)及時(shí)填寫外業(yè)觀測(cè)記錄紙中的有關(guān)內(nèi)容；

（5）作業(yè)期間，觀測(cè)人員不能擅自離開測(cè)站，并應(yīng)防止儀器受震動(dòng)或被移動(dòng)，防止人和其他物體靠近天線，遮擋衛(wèi)星信號(hào)。雷雨過境時(shí)應(yīng)關(guān)機(jī)停測(cè)，并卸下天線以防雷擊；

（6）觀測(cè)中應(yīng)保證接收機(jī)工作正常，數(shù)據(jù)記錄正確，觀測(cè)結(jié)束后，應(yīng)及時(shí)將

數(shù)據(jù)下載到計(jì)算機(jī)上。

3.5 具體操作步驟

（1）在選好的觀測(cè)站點(diǎn)上安放三腳架。注意觀測(cè)站周圍的環(huán)境必須符合以下的條件，即凈空條件好，遠(yuǎn)離反射源，避開電磁場(chǎng)干擾等。因此，安放時(shí)用

戶應(yīng)盡量避免將接收機(jī)放在樹蔭、建筑物下，也不要在靠近接收機(jī)的地方

使用對(duì)講機(jī)，手提電話等無線電設(shè)備。

（2）小心打開儀器箱，取出基座及對(duì)中器，將其安放在腳架上，在測(cè)點(diǎn)上對(duì)中、整平基座。

（3）從儀器箱中取出接收機(jī)，將其安放在對(duì)中器上，并將其鎖緊，再分別取出

采集器及其托盤，將它們安裝在腳架上。

（4）按開機(jī)鍵。三秒之內(nèi)按F1進(jìn)入設(shè)置工作模式。

（5）進(jìn)入設(shè)置工作模式后選擇靜態(tài)模式，然后修改截止角（15°），采樣頻率

10s，采樣模式為自動(dòng)（6）按F1確定就可以采集了

（7）注意儀器在采集的時(shí)候data鍵會(huì)閃爍，要是沒有閃爍那就可能儀器的存儲(chǔ)已滿，要進(jìn)行刪除里面以前的數(shù)據(jù)。

（8）開始進(jìn)行觀測(cè)，要記住開始時(shí)間，量取儀器高。

四、GPS靜態(tài)相對(duì)定位數(shù)據(jù)處理

4.1 數(shù)據(jù)傳輸

? 用數(shù)據(jù)線讓接收機(jī)與計(jì)算機(jī)連接

? 利用“靈銳助手”或者與接收機(jī)機(jī)型對(duì)應(yīng)的軟件傳輸數(shù)據(jù) ? 修改點(diǎn)名以及天線高

4.2 數(shù)據(jù)處理

4.2.1 數(shù)據(jù)導(dǎo)入

應(yīng)用南方測(cè)繪GPS數(shù)據(jù)處理軟件

新建一個(gè)工程，用于存儲(chǔ)文件，增加觀測(cè)數(shù)據(jù)將數(shù)據(jù)都導(dǎo)入。

4.2.2 基線解算

常用設(shè)置中將截止角設(shè)為15度，歷元間隔為10。然后處理全部基線。處理完畢后查看每條基線的整數(shù)解，若其小于3，則需要查看此基線的基線殘差圖，去除部分多余的衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行單獨(dú)處理這條基線，直到整數(shù)解滿足大于3的條件為止。7

4.2.3 自由網(wǎng)無約束平差

首先進(jìn)行網(wǎng)平差設(shè)置，選中三維平差、二維平差、水準(zhǔn)高程擬合，重置中央子午線為117度，高程擬合方案為曲面擬合。之后進(jìn)行網(wǎng)平差，生成成果報(bào)告。

4.3 成果輸出報(bào)表（見附錄）

五、基站架設(shè)以及RTK測(cè)圖

5.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?/p>

（1）掌握基準(zhǔn)站的架設(shè)；

（2）掌握RTK系統(tǒng)的構(gòu)成，基準(zhǔn)站和流動(dòng)站組成的各部件及其連接；（3）掌握RTK基準(zhǔn)站和流動(dòng)站的位置；（4）掌握RTK測(cè)圖的基本原理；

（5）掌握南方CASS成圖的 軟件的使用。

5.2 儀器設(shè)備

南方靈銳S86 GPS接收機(jī)；S730手簿；腳架、基座；對(duì)中桿。

5.3 RTK測(cè)量的基本步驟

5.3.1基準(zhǔn)站設(shè)置

在已知點(diǎn)上架設(shè)腳架，固定基座，嚴(yán)格對(duì)中整平后，測(cè)量?jī)x器高。開機(jī)，將接

收機(jī)調(diào)整為基準(zhǔn)站模式，設(shè)置差分格式為CMR、電臺(tái)頻道為3。觀察DX和

TX指示燈，TX燈閃表示基準(zhǔn)站向外發(fā)送數(shù)據(jù)，DX燈閃表示基準(zhǔn)站接收衛(wèi)星

信號(hào)。

5.3.2移動(dòng)站設(shè)置

（1）將移動(dòng)站主機(jī)連接在碳纖維對(duì)中桿上，將接收天線接在主機(jī)上，調(diào)節(jié)GPS

接收機(jī)至移動(dòng)站模式。

（2）打開主機(jī)，主機(jī)開始自動(dòng)初始化和搜索衛(wèi)星，當(dāng)達(dá)到一定條件后，主機(jī)上

的RX指示燈開始1秒閃1次，表明已經(jīng)收到基準(zhǔn)站差分信號(hào)。

（3）打開手簿，啟動(dòng)工程之星軟件。

（4）設(shè)置文件保存路徑，新建文件和文件。

（5）連接儀器，搜索到移動(dòng)站對(duì)應(yīng)的接收機(jī)信號(hào)，通過藍(lán)牙將移動(dòng)站和手簿連

接在一起。

（6）電臺(tái)設(shè)置。

（7）設(shè)置移動(dòng)參數(shù)：設(shè)置差分格式，CMR，設(shè)置天線高。

5.3.3 點(diǎn)測(cè)量

將對(duì)中桿放在目標(biāo)點(diǎn)上，使水準(zhǔn)器的氣泡置中。當(dāng)達(dá)到固定解時(shí)按下手

簿上的A鍵進(jìn)行點(diǎn)的采集；按兩下手簿上的B鍵可以查看采集的點(diǎn)的坐標(biāo)等。

5.3.4 數(shù)據(jù)傳輸

在野外采集的數(shù)據(jù)都會(huì)自動(dòng)保存在手簿的“我的電腦→Flashdisk→Jobs”中。

我們需要的測(cè)量成果文件是以*.dat為后綴的文件，此文件自動(dòng)存儲(chǔ)在我們新

建工程文件下的DATA文件中。

5.4 南方CASS繪圖

打開南方CASS→繪圖處理→展野外測(cè)點(diǎn)點(diǎn)號(hào)→將測(cè)量成果文件.dat導(dǎo)入CASS中。

根據(jù)草圖將圖完成。

展野外點(diǎn)點(diǎn)號(hào)分布圖（成果圖見附錄）

六、實(shí)習(xí)體會(huì)

這次實(shí)習(xí)中最主要的就是GPS靜態(tài)測(cè)量。GPS靜態(tài)測(cè)量，是利用測(cè)量型GPS接收機(jī)進(jìn)行定位測(cè)量的一種。主要用于建立各種的控制網(wǎng)。進(jìn)行GPS靜態(tài)測(cè)量時(shí)，認(rèn)為GPS接收機(jī)的天線在整個(gè)觀測(cè)過程中的位置是靜止，在數(shù)據(jù)處理時(shí)，將接收機(jī)天線的位置作為一個(gè)不隨時(shí)間的改變而改變的量，通過接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)的變化來求得待定點(diǎn)的坐標(biāo)。在測(cè)量中，GPS靜態(tài)測(cè)量的具體觀測(cè)模式是多臺(tái)接收機(jī)在不同的測(cè)站上進(jìn)行靜止同步觀測(cè)，時(shí)間由40分鐘到十幾小時(shí)不等。通過實(shí)習(xí)，熟悉并熟練掌握GPS儀器的使用及進(jìn)行控制測(cè)量的基本方法, 鞏固課堂所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)測(cè)量學(xué)的基本理論的理解。了解GPS原理以及在測(cè)繪中的應(yīng)用,能夠用有關(guān)理論指導(dǎo)作業(yè)實(shí)踐，做到理論與實(shí)踐相統(tǒng)一，提高分析問題、解決問題的能力，從而對(duì)控制測(cè)量學(xué)的基本內(nèi)容得到一次實(shí)際應(yīng)用，使所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步鞏固、深化。學(xué)會(huì)GPS進(jìn)行控制測(cè)量的基本方法并對(duì)GPS數(shù)據(jù)的處理，培養(yǎng)實(shí)際動(dòng)手能力。

經(jīng)過了這次實(shí)習(xí)我們認(rèn)識(shí)到GPS靜態(tài)相對(duì)定位對(duì)網(wǎng)形選擇的要求是很高的。首先在選擇基線時(shí)要注意在任意三角形內(nèi)所選基線至少有兩點(diǎn)要相互通視。再就是流動(dòng)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)的距離不能超過20KM。在進(jìn)行對(duì)中和正平，保證接線連接正確之后，準(zhǔn)備開機(jī)。要保證進(jìn)行測(cè)量的幾組，同時(shí)開機(jī)，確保測(cè)量的準(zhǔn)確性。測(cè)量的時(shí)候，要記錄儀器高、點(diǎn)位置和時(shí)間段。我們采取的時(shí)間段是60分鐘，所以一次測(cè)量60分鐘之后，進(jìn)行換站，下一步測(cè)量。

附錄1

GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)處理成果輸出報(bào)表

GPS靜態(tài)數(shù)據(jù)網(wǎng)型

東華理工大學(xué)GNSS網(wǎng)平差結(jié)果 施工單位：12級(jí)測(cè)繪工程 負(fù) 責(zé) 人：方明

負(fù) 責(zé) 人：2014年12月14日

2014年12月14日

文件名

觀測(cè)日期

開始

結(jié)束

點(diǎn)名

天線高

天線高

機(jī)號(hào)

00013482.STH 2014年12月14日 13時(shí)57分 14時(shí)57分 0001

1.5774

1.5000

W1386782639

00023481.STH 2014年12月14日 12時(shí)40分 13時(shí)40分 0002

1.4971

1.4200

W1386782643

00023482.STH 2014年12月14日 13時(shí)56分 14時(shí)56分 0002

1.4971

1.4200

W1386782643

00043481.STH 2014年12月14日 12時(shí)40分 13時(shí)42分 0004

1.4981

1.4210

W1386782658

00053481.STH 2014年12月14日 12時(shí)40分 13時(shí)42分 0005

1.4238

1.3470

W1386789841

00053482.STH 2014年12月14日 13時(shí)56分 14時(shí)57分 0005

1.4238

1.3470

W1386789841

基線簡(jiǎn)表

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00013482-00023482 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 59分鐘 歷元間隔:10 高度截止角:15.0 三差解

0.012 0.008 0.009

-0.031

0.063

0.039

0.080

1/7 雙差浮點(diǎn)解

0.012 0.008 0.009

229.450

101.620

13.463

251.307

1/21148 雙差固定解 33.44 0.009 0.003 0.009

229.470

101.623

13.465

251.327

1/27627

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00043481-00023481 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 59分鐘 歷元間隔:10 高度截止角:15.0 三差解

0.011 0.008 0.008

-0.000

0.001

0.000

0.001

1/0 雙差浮點(diǎn)解

0.011 0.008 0.008

-4.642

-146.737

236.273

278.170

1/24904 雙差固定解 16.43 0.012 0.004 0.011

-4.639

-146.720

236.276

278.163

1/23309

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00053481-00023481 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 60分鐘 歷元間隔:10 高度截止角:15.0 三差解

0.006 0.005 0.004

368.991

-29.742

348.149

508.180

1/87354 雙差浮點(diǎn)解

0.009 0.007 0.006

368.781

-29.570

348.240

508.080

1/58062 雙差固定解 10.51 0.011 0.003 0.010

368.792

-29.578

348.226

508.078

1/46900

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00053482-00023482 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 59分鐘 歷元間隔:20 高度截止角:15.0 三差解

0.010 0.007 0.007

0.028

-0.058

-0.035

0.073

1/8 雙差浮點(diǎn)解

0.010 0.007 0.007

368.795

-29.631

348.201

508.067

1/52151 雙差固定解

4.51 0.017 0.010 0.014

368.804

-29.586

348.230

508.091

1/30255

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00053481-00043481 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 61分鐘 歷元間隔:10 高度截止角:15.0 三差解

0.009 0.007 0.006

0.028

-0.059

-0.036

0.074

1/8 雙差浮點(diǎn)解

0.009 0.007 0.006

373.414

117.144

111.955

407.056

1/43572 雙差固定解 10.53 0.011 0.005 0.010

373.431

117.135

111.947

407.066

1/35563

中誤差 水平

垂直

X增量

Y增量

Z增

量

長(zhǎng)度

相

對(duì)誤差

00013482-00053482 觀測(cè)量L1 L2 P2同步時(shí)長(zhǎng) 60分鐘 歷元間隔:10 高度截止角:15.0 三差解

0.012 0.011 0.003

-136.186

132.812

-335.497

385.673

1/33339 雙差浮點(diǎn)解

0.047 0.046 0.010

-138.597

131.763

-334.890

385.644

1/8138 雙差固定解 17.95 0.026 0.016 0.021

-139.362

131.213

-334.766

385.626

1/14570 重復(fù)基線報(bào)告

基 線 名

質(zhì)量

中誤差

X

Y

Z

基線長(zhǎng) 相對(duì)

誤差 長(zhǎng)度較差 長(zhǎng)度限差

重復(fù)基線

0.0127

0.0064

0.0039

0.0022

508.0843

25.0ppm

12.72

8.61

00053481-00023481

10.51 0.0108

368.7917

-29.5778

348.2256

508.0780

1/46900

00053482-00023482

4.51 0.0168

368.8045

-29.5856

348.2299

508.0907

1/30255

剔除基線后重復(fù)基線

剔除基線后重復(fù)基線

0.0127

0.0064

0.0039

0.0022

508.0843

25.0ppm

12.72

8.61

00053481-00023481

10.51 0.0108

368.7917

-29.5778

348.2256

508.0780

1/46900

00053482-00023482

4.51 0.0168

368.8045

-29.5856

348.2299

508.0907

1/30255

基線解詳細(xì)情況

1.00013482--00023482 Gnss基線解算結(jié)果 Ver 1.00 基線 雙差固定解 測(cè)

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