光電探測實驗報告

1、實驗一 光敏電阻特性實驗實驗原理:光敏電阻又稱為光導管,是一種均質(zhì)的半導體光電器件,其結(jié)構(gòu)如圖(1)所示。由于半導體在光照的作用下,電導率的變化只限于表面薄層,因此將摻雜的半導體薄膜沉積在絕緣體表面就制成了光敏電阻，不同材料制成的光敏電阻具有不同的光譜特性。光敏電阻采用梳狀結(jié)構(gòu)是由于在間距很近的電阻之間有可能采用大的靈敏面積,提高靈敏度。實驗所需部件:穩(wěn)壓電源、光敏電阻、負載電阻（選配單元）、電壓表、各種光源、遮光罩、激光器、光照度計（由用戶選配）實驗步驟:1、 測試光敏電阻的暗電阻、亮電阻、光電阻觀察光敏電阻的結(jié)構(gòu),用遮光罩將光敏電阻完全掩蓋,用萬用表測得的電阻值為暗電阻R暗,移開遮光罩，在

2、環(huán)境光照下測得的光敏電阻的阻值為亮電阻，暗電阻與亮電阻之差為光電阻，光電阻越大，則靈敏度越高。在光電器件模板的試件插座上接入另一光敏電阻，試作性能比較分析。2、 光敏電阻的暗電流、亮電流、光電流按照圖(3)接線，電源可從+2+8V間選用，分別在暗光和正常環(huán)境光照下測出輸出電壓V暗和V亮則暗電流L暗=V暗/RL,亮電流L亮=V亮/RL，亮電流與暗電流之差稱為光電流，光電流越大則靈敏度越高。分別測出兩種光敏電阻的亮電流，并做性能比較。圖（2）幾種光敏電阻的光譜特性3、 伏安特性: 光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關系。按照圖(3)分別測得偏壓為2V、4V、6V、8V、10V、12V時的光電流，

3、并嘗試高照射光源的光強，測得給定偏壓時光強度的提高與光電流增大的情況。將所測得的結(jié)果填入表格并作出V/I曲線。偏壓2V4V6V8V10V12V光電阻I光電阻II注意事項: 實驗時請注意不要超過光電阻的最大耗散功率P MAX, P MAX=LV。 光源照射時燈膽及燈杯溫度均很高，請勿用手觸摸，以免燙傷。實驗時各種不同波長的光源的獲取也可以采用在儀器上的光源燈泡前加裝各色濾色片的辦法，同時也須考慮到環(huán)境光照的影響。 實驗二 光敏管的應用-光控電路實驗目的:了解光敏管在控制電路中的具體應用。實驗所需部件:光敏二極管或光敏三極管、光控電路、光源、電壓表、電阻器、三極管實驗步驟:1. 圖(10)為一常用

4、的由光敏管組成的光控電路，其原理與前述光敏電阻光控電路相似，電路接線時須注意光敏管的極性。接通電源后調(diào)節(jié)控制電路,使其在自然光下負載發(fā)光管不亮。2. 分別用白紙帶色的紙書本和遮光罩改變光敏管的光照，觀察控制電路的亮燈情況。實驗三 光纖傳感器-位移測試實驗原理:本實驗儀中所用的為傳光型光纖傳感器,光纖在傳感器中起到光的傳輸作用，因此是屬于非功能性的光纖傳感器。光纖傳感器的兩支多模光纖分別為光源發(fā)射及接收光強之用，其工作原理如圖(22)所示。光纖傳感器工作特性曲線如圖(23)所示。一般都選用線性范圍較好的前坡為測試區(qū)域。實驗所需部件: 光纖、光電變換器、放大穩(wěn)幅電路、近紅外發(fā)射及檢測電路（光纖變換

5、電路內(nèi)）、反射物（電機葉面）、電壓表.實驗步驟:1. 將光纖、光電變換塊與光纖變換電路相連接,注意同一實驗室如有多臺光電傳感器實驗儀,由于光電變換塊中的光電元件特性存在不一致,則光纖變換電路中的發(fā)射接收放大電路的參數(shù)也不一致，故請做實驗之前將光纖光電變換塊和實驗儀對應編號,不要混用,以免影響正常實驗。2. 光纖探頭安裝于位移平臺的支架上用緊定螺絲固定,電機葉片對準光纖探頭,注意保持兩端面的平行。3. 盡量降低室內(nèi)光照,移動位移平臺使光纖探頭緊貼反射面，此時變換電路輸出電壓Vo應約等于零。4. 旋動螺旋測微儀帶動位移平臺使光纖端面離開反射葉片，每旋轉(zhuǎn)一圈(0.5毫米)記錄Vo值,并將記錄結(jié)果填入

6、表格,作出距離X與電壓值mv的關系曲線。從測試結(jié)果可以看出,光纖位移傳感器工作特性曲線如圖(23)所示分為前坡和后坡。 前坡范圍較小，線性較好。后坡工作范圍大但線性較差。因此平時用光纖位移傳感器測試位移時一般采用前坡特性范圍。根據(jù)實驗結(jié)果試找出本實驗儀的最佳工作點。（光纖端面距被測目標的距離）實驗四. 光電位置敏感器件-PSD傳感器實驗原理:PSD(position sensitive detector)是一種新型的橫向光電效應器件,當入射光點照在器件光敏面上時,激發(fā)光生載流子而產(chǎn)生電流I，光生電流的大小與光點的大小無關,只和光點在器件上的位置有關系。當光點位于器件中點(原點)時,光生電流I1

7、=I2，根據(jù)這一原理,將PSD器件兩極電流I1、I2變換成電壓信號后再進行運算即可知道光點的位置。PSD器件工作原理見圖(27)實驗所需器件: PSD基座(器件已裝在基座上)、固體激光器、反射體、PSD處理電路單元、電壓表實驗步驟:1. 通過基座上端圓形觀察孔觀察PSD器件及在基座上的安裝位置,連接好PSD器件與處理電路,開啟儀器電源,輸出端Vo接電壓表,此時因無光源照射,PSD前聚焦透鏡也無因光照射而形成的光點照射在PSD器件上,Vo輸出的為環(huán)境光的噪聲電壓,試用一塊遮光片將觀察圓孔蓋上,觀察光噪聲對輸出電壓的變化。2. 將激光器插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激

8、光束照射到反射面上時的情況，光束應與反射面垂直。旋轉(zhuǎn)激光器角度，調(diào)節(jié)激光光點，（必要時也可調(diào)節(jié)PSD前的透鏡）使光點盡可能集中在器件上。3. 仔細調(diào)節(jié)位移平臺，用電壓表觀察輸出電壓VO的變化，當輸出為零時，再分別測兩路信號電壓輸出端VO1、VO2的電壓值，此時兩個信號電壓應是基本一致的。4. 從原點開始，位移平臺分別向前和向后位移10mm,因為PSD器件對光點位置的變化非常敏感，故每次螺旋測微儀旋轉(zhuǎn)5格（1/10mm）,并將位移值（mm）與輸出電壓值（V0）記錄列表，作出V/X曲線，求出靈敏度S，SV/X。根據(jù)曲線分析其線性。位移電壓注意事項：實驗中所用的固體激光器光點可調(diào)節(jié)，實驗時請注意光束

9、不要直接照射眼睛，否則有可能對視力造成不可恢復的損傷。每一支激光器的光點和光強都略有差異，所以對同一PSD器件，光源不同時光生電流的大小也是不一樣的。實驗時背景光的影響也不可忽視，尤其是采用日光燈照明時，或是儀器周圍有物體移動造成光線反射發(fā)生變化時，都會造成PSD光生電流改變，致使單元V0輸出端電壓產(chǎn)生跳變，這不是儀器的毛病。如實驗時電壓信號輸出較小，則可調(diào)節(jié)一下激光器照射角度，使輸出達到最大。實驗五 光敏三極管對不同光譜的響應實驗原理： 在光照度一定時，光敏三極管輸出的光電流隨波長的改變而變化，一般說來，對于發(fā)射與接收的光敏器件，必須由同一種材料制成才能有此較好的波長響應，這就是光學工程中使

10、用光電對管的原因。 實驗所需部件：光敏三極管、發(fā)光二極管（包括紅外發(fā)射管、各種顏色的LED）、試件插座、直流穩(wěn)壓電源、電壓表（自備4 1/2位）實驗步驟：1、 按圖（14）接好光敏三極管測試電路，電路中的光敏三極管為紅外接收管，電路中的光源采用紅外發(fā)光二極管，必須注意發(fā)光二極管的接線方向。發(fā)光二極管的光都是通過頂端的透鏡發(fā)射的，因此實驗時必須注意二極管與三極管的相對位置。(頂端透鏡相對)2、 接好如圖（15）所示的發(fā)光二極管電路，注意發(fā)光二極管限流電阻阻值的調(diào)節(jié)（電位器阻值的調(diào)節(jié)一定要按從大到小的原則），發(fā)光二極管可插在試件插座上。實驗中發(fā)光源可用多種顏色的LED。3、 用黑色膠管將發(fā)光二極管

11、與光敏三極管對頂相連，并用遮光罩將它們罩住，如果光譜一致的話則測試電路輸出端信號變化較大，反之則說明發(fā)射與接收不配對，需更換發(fā)光源。4、 調(diào)整發(fā)光二極管發(fā)光強度（可調(diào)節(jié)電位器）或改變與光敏管的相對位置，重復上述實驗。注意事項：發(fā)光二極管限流電阻一定不能太小，否則將損壞發(fā)光源。實驗六 光柵衍射實驗光柵距的測定實驗目的：了解光柵的結(jié)構(gòu)及光柵距的測量方法。實驗所需部件：光柵、激光器、直尺與投射屏（自備）。實驗步驟：1、 激光器放入光柵正對面的支座中用緊定螺絲固定，接通激光電源后使光點對準光柵中點。2、 在光柵后面安放好投射屏，觀察到一組有序排列的衍射光斑，與激光器正對的光斑為中央光斑，依次向兩側(cè)為一

12、級、二級、三級衍射光斑。如圖（28）所示。請觀察光斑的大小及光強的變化規(guī)律。3、 根據(jù)光柵衍射規(guī)律，光柵距D與激光波長、衍射距離L、中央光斑與一級光斑的間距S存在下列的關系：（式中單位：L、S為mm，為nm, D為m）根據(jù)此關系式，已知固體激光器的激光波長為650nm，用直尺量得衍射距離L、光斑距S，即可求得實驗所用的光柵的光柵距。（測出五組數(shù)據(jù)，取平均值）測距實驗：1、按照光柵衍射公式，已知光柵距、激光波長、光斑間距，就可以求出衍射距離L。2、將激光對準衍射光柵中部，在投射屏上得到一組衍射光斑，根據(jù)公式求出L。3、調(diào)整投射屏與光柵的距離，并盡可能試用不同的激光器，將測得的各參數(shù)L、S、D、填

13、入表格，以驗證公式。序號12345L(mm)S(mm)D(m)實驗數(shù)據(jù)表實驗七 光電池應用-光強計實驗所需部件:光電池(或串或并均可)、光強測試電路單元實驗步驟:1. 圖(20)為光電池測光實驗電路單元的原理圖。光電池接入時請注意極性。發(fā)光二極管已在電路中接入。2. 調(diào)節(jié)光電池受光強度，分別在光照很暗、正常光照和光照很強時觀察兩個發(fā)光二極管不亮、稍亮、兩個都很亮，這樣就形成了一個簡易的光強計。實驗八 電荷耦合圖像傳感器-CCD攝像法測徑實驗實驗原理：電荷耦合器件（CCD）的重要應用是作為攝像器件，它將二維光學圖像信號通過驅(qū)動電路轉(zhuǎn)變成一維的視頻信號輸出。當光學鏡頭將被攝物體成像在CCD的光敏面

14、上，每一個光敏單元（MOS電容）的電子勢阱就會收集根據(jù)光照強度而產(chǎn)生的光生電子，每個勢阱中收集的電子數(shù)與光照強度成正比。在CCD電路時鐘脈沖的作用下，勢阱中的電荷信號會依次向相鄰的單元轉(zhuǎn)移，從而有序地完成載流子的運輸輸出，成為視頻信號。 用圖像采集卡將模擬的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，在計算機上實時顯示，用實驗軟件對圖像進行計算處理，就可獲得被測物體的輪廓信息。實驗所需部件：CCD攝像頭、被測目標（圓形測標）、視頻線、圖像采集卡、實驗軟件實驗步驟：1、 根據(jù)圖像采集卡光盤安裝說明在計算機中安裝好圖像卡。并按要求正確設置。2、 在被測物前安裝好攝像頭，連接CCD穩(wěn)壓電源，視頻線正確連接圖像卡與攝像頭。3、 檢查無誤后進入測量程序，啟動圖像采集后，屏幕窗口即顯示被測物的圖像