题目要求

要求如下：

1）绘制光敏三极管的光照特性曲线图以及伏安特性曲线图；

2）100lx的光照条件下，得到伏安特性的线性模型（U=kI+b），计算线性度并判断该三极管是否适合当作测量元件。

3）若该三极管适合当测量元件，请分析三极管可以测量什么物理量，并给出方案；若该三极管不适合当作测量元件，请给出三极管的其他应用，并给出方案。

题目回答

第一题

import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np
from pylab import mpl
mpl.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"]
V = np.array([0, 2, 4, 6, 8, 10])
lx = np.array([0, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100])
I = np.array([
[0, 0, 0, 0, 0, 0],
[0, 17.5, 18, 18.4, 18.7, 20.6],
[0, 29.2, 29.8, 30.4, 30.7, 31.2],
[0, 41.6, 42.6, 43.2, 43.9, 44.3],
[0, 57.3, 58.6, 59.6, 60.5, 61.5],
[0, 71.5, 72.7, 73.2, 74.1, 75.1],
[0, 88.9, 91, 92.6, 94, 95.2],
[0, 102, 104.3, 106, 107.5, 109.1],
[0, 118.4, 121.2, 123.3, 125.2, 126.8],
[0, 135.4, 138.6, 141.1, 141.3, 145],
[0, 161, 164.8, 167.5, 170.1, 172.2],
])

 # 绘制光照特性曲线图
plt.figure(figsize=(20, 6))

# 绘制伏安特性曲线图
plt.subplot(1, 2, 1)
for i, illuminance in enumerate(lx):
plt.plot(V, I[i], label=f'{illuminance}lx')
plt.title('伏安特性曲线图')
plt.xlabel('电压 (V)')
plt.ylabel('电流 (μA)')
plt.legend()

 plt.figure(figsize=(8, 6))
for f, V in enumerate(V):
plt.plot(lx, I[:,-f], label=f'{V}lx')
plt.title('光照特性曲线图')
plt.xlabel('电压 (V)')
plt.ylabel('电流 (μA)')
plt.legend()
plt.tight_layout()
plt.show()

第二题

from sklearn.linear_model import LinearRegression
V_100lx = V.reshape(6,1) 
I_100lx = I[-1]
V_100lx,I_100lx

output：(array([[ 0],
        [ 2],
        [ 4],
        [ 6],
        [ 8],
        [10]]),
        array([  0. , 161. , 164.8, 167.5, 170.1, 172.2]))

 model = LinearRegression()
model.fit(V_100lx, I_100lx)
slope = model.coef_[0]
intercept = model.intercept_

r_squared = model.score(V_100lx, I_100lx)
predicted_currents = model.predict(V_100lx)
linearity = r_squared * 100
print('斜率为','%2f'%slope, '\n截距为','%2f'%intercept,'\n线性度为', '%2f'%linearity)

output：斜率为 12.728571
        截距为 75.623810
        线性度为 48.566287

 plt.figure(figsize=(18, 6))
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(V, I[-1], 'o-', label='100lx 下的伏安特性')
plt.plot(V,slope*V+intercept,label='100lx 下的拟合曲线')
plt.title('伏安特性曲线图 (100lx)')
plt.xlabel('电压 (V)')
plt.ylabel('电流 (μA)')
plt.legend()

plt.tight_layout()
plt.show()

第三题

鉴于线性度较低，这表明该光敏三极管可能不太适合直接用作精密的测量元件，尤其是在需要高精度线性响应的场合。不过，光敏三极管在变化的光照条件下能产生不同的电流响应，这一特性仍然使其在一些应用场合中非常有用。例如，它可以被用于光电耦合器的受光接受光信号，将光信号转化成电信号。

在光电耦合器输入端加入电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的光敏三极管上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电—光—电的转换。利用三极管单向导通以及其具有饱和区的原理，光电耦合器可以做到单向电信号导通，抗干扰性强，且电流输出稳定可靠。