KYCSY10G型試驗指導(dǎo)書-光電檢測

1、I儀器說明（儀器使用前請詳閱本章） 3一 實驗工作臺部分 3二 信號源及儀表顯示部分 3三 處理電路部分 4四 實驗操作須知 15n實驗內(nèi)容 16實驗一光敏電阻特性實驗實驗三光敏二極管特性實驗實驗十光纖位移傳感器特性實驗實驗十一光纖位移傳感器位移測量實驗十四光電耦合式傳感器轉(zhuǎn)速測量實驗十六熱釋電紅外傳感器特性實驗實驗十七熱釋電紅外傳感器人體探測實驗十八PSD光電位置傳感器一一位移測量附錄儀器工作臺布局圖 光電傳感實驗原理-1 -儀器說明（儀器使用前請詳閱本章）KY2 CSY10G型光電傳感器系統(tǒng)實驗儀是為了滿足現(xiàn)代光電傳感器實驗教學(xué)課程所需而研制的實驗儀器 ，它集各經(jīng)典與新型光電傳感器件、被測

2、體、信號源、儀表顯示、處理電 路、信號采集與處理及實驗所需的溫度源、位移、光源、旋轉(zhuǎn)裝置等機(jī)構(gòu)中于一體，可以方 便地對各光電器件進(jìn)行光電特性、光照特性、 溫度特性、 光頻特性、伏安特性及應(yīng)用演示等 二十四種實驗，并可根據(jù)實驗原理自主開發(fā)出更多的實驗內(nèi)容。本實驗系統(tǒng)主要由實驗工作臺、 信號源及儀表顯示、處理電路、數(shù)據(jù)采集及處理、 圖象 采集與數(shù)字處理五部分組成。一實驗工作臺部分： 位于實驗儀的頂部，裝配了實驗所需的各種光電器件、溫度源、光源、旋轉(zhuǎn)裝置、位移平臺、各種支架等。 （詳見附錄二儀器工作臺布局圖）1 光敏電阻：CdS材料制成的半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件，其電阻值隨光照強(qiáng)度從nM Q至nKQ ;2光

3、敏二極管：由具有光敏特性的PN結(jié)制成的光生伏特器件，不同材料的光敏二極管具有不同的光譜范圍；3 .光敏三極管：具有 NPN或PNP兩種結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體光生伏特器件，引出兩個電極，較之光 敏二極管具有更高的靈敏度；4. 紅外接收管：對紅外光敏感的光電器件；5 .光電池：根據(jù)光生伏特效應(yīng)原理制成的半導(dǎo)體PN結(jié)光電器件，光譜響應(yīng)范圍在 50100卩m波長之間；6. 光斷續(xù)器：透過型的紅外發(fā)射一一接收器件；7. 光纖位移傳感器：導(dǎo)光型近紅外發(fā)射一一接收傳感器，可測量位移、轉(zhuǎn)速、振動等，連接于儀器下方大面板的光纖入口處，多模光強(qiáng)型，量程2mm在其線性范圍內(nèi)精度 5%;8. PSD光電位置傳感器：一維半導(dǎo)體式

4、光點位置敏感器件，測試范圍w25mm ,靈敏度0.01mm，精度 1%;9. CCD電荷耦合圖像傳感器：物體輪廓與圖像監(jiān)測，光敏面尺寸4mM 3.5mm ;10. 熱釋電紅外傳感器：光譜響應(yīng) 715 ym,光頻響應(yīng)0.510Hz探測距離5m ;11. 光柵傳感器：光柵衍射及光柵距測試、光柵莫爾條紋精密位移測試；二. 信號源及儀表顯示部分：1.5A, 土 2V 土1 直流穩(wěn)壓電源：土 12V提供儀器處理電路溫度源的工作電源，最大輸出10V,檔距2V,分五檔輸出，提供直流信號源，最大輸出電流1.5A;2 .溫度源：直流電加熱器，溫升W100C;3 .光源：12V安全電壓，高亮度鹵鎢燈，各色高亮度L

5、ED發(fā)光管及激光光源；4 .位移裝置：位移范圍 25mm,精度10 m;5 .測速電機(jī)：轉(zhuǎn)速 02400轉(zhuǎn)/分；6.慢速電機(jī)：控速電機(jī)及遮熱葉片組成；7 .數(shù)字式電壓/頻率表：3 1/2位顯示，分2V、20V、2KHz、20KHz四檔，靈敏度50mV,頻率顯示 5Hz 20KHz；8 .微安表：0100,精度42.5%;9.試件插座：位于光電器件板上，可供實驗者插入隨機(jī)所帶附件中提供的光電器件進(jìn)行實 驗比較，光電器件板上的傳感器與儀器下部面板上的傳感器接口處的接線端是相通的， 實驗時傳感器接線可從下部面板端口引出，另外“光敏電阻H”、“光電池H”、“光敏二極管n”、“發(fā)光二極管川”與試件插座相

6、并接，“光敏三極管n”與“紅外接收”相并聯(lián)，“發(fā)光二極管n”與“紅外發(fā)射”相并聯(lián)，實驗時接入的其他試件可插入試件插 座，也可插入相關(guān)傳感器的備用插座；三. 處理電路部分：1. 實驗選配單元：實驗者可利用儀器提供的電源、電位器、三極管、部分光電器件、儀表 及實驗連接線組成光電器件的光譜、照度、伏安特性等測試電路。2. 光敏燈控電路： 由光敏電阻作光電敏感器件的照明燈自動控制電路， 由光照強(qiáng)度來決定 是否燈亮。3 .光敏管亮燈控制電路： 由光敏二極管、 光敏三極管作光電敏感器件的照明燈自動控制電 路，由光照強(qiáng)度來決定是否燈亮。4. 光耦合器處理電路： 通過光電耦合式傳感器將光信號轉(zhuǎn)換為脈沖信號，

7、并可通過儀表直 接顯示。5. PSD光電位置處理電路：PSD光電位置傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過運(yùn)放、濾波等處理，使 其更加線性，便于測量。6. 光纖變換電路：提供光纖傳感器紅外發(fā)射、接收、穩(wěn)幅、變換，輸出模擬信號電壓與頻 率變換方波信號， 四芯航空插座上裝有光電轉(zhuǎn)換裝置和由兩根多模光纖 （一根接收， 一根發(fā)射）組成的光強(qiáng)型光纖傳感器。7熱釋電紅外探測電路：熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生的電信號經(jīng)過三級運(yùn)放、濾波等處理，使其更加線性，便于測量。8紅外檢測電路：將紅外接收管轉(zhuǎn)換的電信號進(jìn)行放大、濾波，轉(zhuǎn)化為便于儀表測量的信號。四. 實驗操作須知：1.使用本儀器前，請先熟悉儀器的基本狀況，對各傳感器激勵信號的大小

8、、信號源、 顯示儀表、位移及旋轉(zhuǎn)裝置的工作范圍做到心中有數(shù)，儀器面板上的紐子開關(guān)都應(yīng) 選擇好正確的倒向，實驗時，傳感器接入光電轉(zhuǎn)換 /處理電路相應(yīng)的傳感器接口， （按 照傳感器與處理電路的相應(yīng)圖形對應(yīng)接入即可）按照實驗內(nèi)容正確操作，確認(rèn)無誤后 開啟電源。2 實驗者可利用儀器提供的試件插座和實驗方法對相同種類不同型號的光電傳感器進(jìn)行性能測試比較，實驗選配單元中的可變電阻可用在光敏器件的測試電路中，具體阻值 在實驗中應(yīng)由萬用表，尤其是在做伏安特性、光照特性等實驗時。3 實驗操作時，在用實驗連接線接好各系統(tǒng)并確認(rèn)無誤后方可打開電源，各信號源之間嚴(yán)禁用連接線短路，如開機(jī)后發(fā)現(xiàn)信號燈、數(shù)字表有異常狀況，

9、應(yīng)立即關(guān)機(jī)，查 清原因后再進(jìn)行實驗，請注意當(dāng)高亮度光源打開時對儀器有一定的干擾，特別是在小 信號數(shù)據(jù)采集時應(yīng)避免開燈，光源燈頭及電源線接頭應(yīng)注意保持接觸良好。4請按照說明安裝好圖像捕捉卡及實驗軟件，安裝圖像卡時計算機(jī)內(nèi)不能有其它圖像卡驅(qū)動程序，否則要引起文件沖突，按照安裝說明正確安裝圖像卡的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序，正確進(jìn)行選項設(shè)置，視頻源的制式一定要選為“ PAL_B，這樣才能獲得清晰穩(wěn)定的圖像，在詳細(xì)了解了實驗軟件內(nèi)容和操作方法后進(jìn)行實驗，圖像卡的視頻線及數(shù)據(jù)采 集卡的通信線務(wù)請連接正確。5 請?zhí)貏e注意，固體激光器電源插頭（3V電壓供電）不能插入 CCD電源的插孔（12V供電），否則會燒壞激光器

10、，光電實驗儀器在實驗時應(yīng)注意背景光的影響，必要時許多實 驗都應(yīng)在暗光下進(jìn)行。6本實驗儀為教學(xué)實驗用儀器，而非測量用儀器，各傳感器在其工作范圍內(nèi)有一定的 線性和精度，但不能保證在整個信號變化范圍都是呈線性變化，限于實驗條件，有 些實驗只能作為定性演示，能完成實驗指導(dǎo)書中的實驗內(nèi)容，則整臺儀器正常。7 .本儀器需防塵，以保證實驗接觸良好，儀器正常工作環(huán)境溫度-10 C40C。實驗一 光敏電阻特性實驗一.實驗?zāi)康模?了解光敏電阻的工作原理。2 掌握使用本儀器測定光敏電阻的各種特性。3 .了解從實驗曲線中獲取物理特性的方法。實驗原理:利用具有光電導(dǎo)效應(yīng)的半導(dǎo)體材料制成的光敏傳感器叫光敏電阻,種均質(zhì)的半

11、導(dǎo)體光電器件，其結(jié)構(gòu)如圖（1）所示，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。光敏電阻應(yīng)用得極為廣泛，可見光 波段和大氣透過的幾個窗口都有適用的光敏電阻，利用光敏電阻制成的光控開關(guān)在日常生活中隨處可見，當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時，光敏電阻電導(dǎo)率的改變量為：光捕電極又稱為光導(dǎo)管，是= p e 亠幕n en圖（1）在上式中，e為電荷電量，,p為空穴濃度的改變量，.n為電子濃度的改變量，II表示遷A移率，當(dāng)兩端加上電壓 U后，光電流為：I phUp d光敏電阻在未受到光照射時的阻值稱為暗電阻,此時流過的電流稱為暗電流，光敏電阻式中A為與電流垂直的表面，d為電極間的

12、間距。在一定的光照度下，.七為恒定的值，因 而光電流和電壓成線性關(guān)系。受到光照射時的阻值稱為亮電阻，此時流過的電流稱為亮電流，亮電流與暗電流之差稱為光電流，一般暗電阻越大，亮電阻越小，光敏電阻的靈敏度越高，光敏電阻的暗電阻一般在兆 歐數(shù)量級，亮電阻在幾千歐以下，暗電阻與亮電阻之比一般在102106之間。一般光敏電阻（如硫化鉛、硫化鉈）的伏安特性曲線如圖（2）所示，由該曲線可知，所加的電壓越高，光電路越大，而且沒有飽和現(xiàn)象，在給定的電壓下，光電流的數(shù)值將隋光照增強(qiáng)而增大，在設(shè)計光敏電阻變換電路時， 應(yīng)使光敏電阻的工作電壓或電流控制在額定功 耗線之內(nèi)。圖（2）光敏電阻伏安特性曲線光敏電阻的光電流與

13、光照強(qiáng)度之間的關(guān)系， 稱為光敏電阻傳感器的光照特性， 不同類型 的光敏電阻，其光照特性也不同，多數(shù)光敏電阻傳感器光照特性類似于圖（ 3）的特性曲線， 光敏電阻的光照特性呈現(xiàn)出一定程度的非線性特性， 光敏電阻的光照度一一電阻值的典型特 性曲線如圖（4）所示，低照度a區(qū)曲線斜率較大，中間照度區(qū) b區(qū)可近似視為直線區(qū)，也是光敏電阻的主要工作區(qū)， 因而光電流隨光照度增長較快，在高照度區(qū)，電阻值隨照度下降慢，光電流隨照度增長也變慢。0 .30 -0B0-0Hd0.05 -00.2 0.4 0. 6 0. B 1.0光圖（3）光敏電阻光照特性曲線圖（4）光敏電阻照度一電阻特性曲線幾種常用光敏電阻的光譜特性

14、曲線如圖（5）所示，對于不同波長的光，光敏電阻的靈敏度是不同的。從圖中可以看出，硫化鎘的峰值在可見光區(qū)域， 而硫化鉛的峰值在紅外區(qū)域。 因此，在選用光敏電阻時應(yīng)當(dāng)把元件和光源的種類結(jié)合起來考慮，才能獲得滿意的結(jié)果。圖（5）光敏電阻光譜特性曲線當(dāng)光敏電阻元件溫度升高時，光敏電阻的阻值會下降，并且暗電阻比亮電阻下降更多。環(huán)境溫度對低照度時電阻值的影響比在高照度時影響更大，因此，當(dāng)環(huán)境溫度升高時，光敏電阻的亮電阻與暗電阻之差值會減小，這意味著光敏電阻的光電流會有所降低，圖（6）示出了 CdS光敏電阻在光照度一定時光電流與環(huán)境溫度的關(guān)系曲線，可以看出環(huán)境溫度上升時CdS光敏電阻的光電流會有所下降。圖（

15、6）光敏電阻溫度特性曲線三實驗所需部件：直流穩(wěn)壓電源、光敏電阻、負(fù)載電阻（選配單元）、數(shù)字電壓/頻率表、各種光源、遮光罩、固體激光器、光照度計（自備或選配）四實驗步驟：1 .測試光敏電阻的暗電阻、亮電阻并計算光電阻，觀察光敏電阻的結(jié)構(gòu)，用遮光罩將光敏- 33 -電阻完全掩蓋，用萬用表歐姆檔測得的電阻值為暗電阻R暗，移開遮光罩，在環(huán)境光照下測得的光敏電阻的電阻值為亮電阻R亮，暗電阻R暗與亮電阻R亮之差為光電阻R 光,光電阻越大，則光敏電阻靈敏度越高。然后在光電器件模板的試件插座上接入另一光敏圖（8）光敏電阻測量電路電阻，試作性能比較分析。圖（7）發(fā)光管連接電路2 .測試光敏電阻的暗電流、亮電流、

16、光電流，按照圖（8）接線，分別在暗光及環(huán)境光照射下測出輸出電壓U 暗和U亮，電流I暗=口暗/R，亮電流I亮=0亮/ R,亮電流I亮與暗電流I暗之差稱為光電流I光，光電流越大則靈敏度越咼。3 .光敏電阻的伏安特性測試，按照圖（8）接線，電源可從直流穩(wěn)壓電源土2土 12V間選用，每次在一定的光照條件下，測出當(dāng)加在光敏電阻上電壓為+2V、+4V、+6V、+8V+10V、+12V時電阻R兩端的電壓U,和電流I，同時計算出此時光敏電阻的阻值，并填 入以下表格，根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的伏安特性曲線。光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（暗光）工作電壓2V4V6V8V10V12VU（ V）I （mAR 光（Q ）光

17、敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（正常環(huán)境光照）工作電壓2V4V6V8V10V12VU （V）I （mAR 光（Q ）光敏電阻伏安特性測試數(shù)據(jù)表（有光源照射）工作電壓2V4V6V8V10V12VU （V）I （mAR 光（Q ）4 .光敏電阻的光照特性測試，按照圖（8）接好實驗線路，負(fù)載電阻R選定1K,光源用高亮度鹵鎢燈（實驗者可仔細(xì)調(diào)節(jié)光源控制旋鈕，得到不同的光源亮度），從電源電壓Ucc=2V開始到UcC=12V,每次在一定的外加電壓下測出光敏電阻在相對光照度從“弱光”到逐步增強(qiáng)的電流數(shù)據(jù)，即:1 phUr1.00 2，同時求出此時光敏電阻的阻值，即:Rg二Ucc Ur。這里要求盡量多測試（不少于1

18、5個）在不同照度下的電流數(shù)據(jù)，尤1 Ph其要在弱光位置選擇較多的數(shù)據(jù)點，以使所得到的數(shù)據(jù)點能夠繪出較為完整的光照特性 曲線。光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度UR （伏）光電流光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度UR （伏）光電流光敏電阻光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度UR （伏）光電流根據(jù)以上實驗數(shù)據(jù)畫出光敏電阻的一組光照特性曲線。5 .光敏電阻的光譜特性測試， 不同的半導(dǎo)體材料制成的光敏電阻有著不同的光譜特性，見圖（5）,當(dāng)不同波長的入射光照到光敏電阻的光敏面上，光敏電阻就有不同的靈敏度。照圖（8）接線，其工作電源可選用直流穩(wěn)壓電源的負(fù)電源， 用高亮度LED（紅、黃、綠、 藍(lán)、白

19、）作為光源，發(fā)光電源可選用直流穩(wěn)壓電源的正電源。 發(fā)光管的接線可參照圖（7）。 限流電阻用選配單元上的 1K100K檔電位器，首先應(yīng)置電位器阻值為最大，開啟電源后緩慢調(diào)小阻值，使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，當(dāng)發(fā)光管達(dá)到最高亮度時不應(yīng)再改變限 流電阻阻值，依次將各發(fā)光管接入光電器件模板上的發(fā)光管插座。發(fā)光管與光敏電阻頂 端可用附件中的黑色軟管連接（透鏡對透鏡），分別測出光敏電阻在各種光源照射下的光電流，再用固體激光器作為光源，測得光電流，將測得的數(shù)據(jù)記入下表， 據(jù)此作出兩種光電阻大致的光譜特性曲線：光源激光紅黃綠藍(lán)白光電阻1光電阻II6 .光敏電阻的溫度特性測試，光敏電阻與其他半導(dǎo)體器件一樣，性能受

20、溫度影響較大隨著溫度的升高電阻值增大，靈敏度下降。請按圖（8）測試電路，分別測出常溫下和加溫何用電烙鐵靠近加溫或用電吹風(fēng)加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件）后的伏安特性曲線。五.注意事項：1 .實驗時請注意不要超過光電阻的最大耗散功率P MAX, Pmax=LU2 .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。3 .實驗時各種不同波長光源選用的高亮度LED在不發(fā)光時均為透明材料封裝，查看顏色及亮度均可從其頂端透鏡前觀察。用做光源時也應(yīng)將透鏡發(fā)光點對準(zhǔn)光敏器件。實驗三光敏二極管特性實驗一. 實驗?zāi)康模? .熟悉光敏二極管的結(jié)構(gòu)和光電轉(zhuǎn)換原理。2 .掌握光敏二極管的暗電流及光電流的測試方法

21、。3. 了解光敏二極管的特性， 當(dāng)光電管得工作偏壓一定時，光電管輸出光電流與入射光的照度（或通量）的關(guān)系。二. 實驗原理：光敏二極管是一種光生伏特器件，用高阻P型硅作為基片，然后在基片表面進(jìn)行摻9）所示。雜形成PN結(jié)，N區(qū)擴(kuò)散區(qū)很淺為 1um左右，而空間電荷區(qū)（即耗盡層）較寬，所以保證 了大部分光子入射到耗盡層內(nèi)，光被吸收而激發(fā)電子一一空穴對，電子一一空穴對在外 加反向偏壓的作用下，空穴流向正極，形成了二極管的反向電流即光電流。光電流通過 外加負(fù)載電阻 RL后產(chǎn)生電壓信號輸出。光敏二極管原理如圖（光圖（9）在無光照的情況下，若給PN結(jié)一個適當(dāng)?shù)姆聪螂妷?，則反向電壓加強(qiáng)了內(nèi)建電場，使P N結(jié)空間

22、電荷區(qū)拉寬，勢壘增大，流過P N結(jié)的電流（稱反向飽和電流或暗電流）很小，它（反向電流）是由少數(shù)載流子的漂移運(yùn)到形成的。當(dāng)光敏二極管被光照時，滿足條件hv = Eg時，則在結(jié)區(qū)產(chǎn)生的光生載流子將被內(nèi)場拉開，光生電子被拉向N區(qū)，光生空穴被拉向P區(qū)，于是在外加電場的作用下以少數(shù)載流子漂移運(yùn)動為主的光電流。顯然，光電流比無光照時的反向飽和電流大得多，如果光照越強(qiáng)，表示在同樣條件下產(chǎn)生的光生載流子越多，光電流就越大，反之，則光電流越小。當(dāng)二極管與負(fù)載電阻RL串聯(lián)時，則在RL的兩端便可得到隨光照度變化的電壓信號，從而完成了將光信號轉(zhuǎn)變成電信號的 轉(zhuǎn)換。光敏二極管在無光照時， 在所加反向電壓作用下， 仍會有

23、反向電流流過， 這種電流的數(shù)值很小，稱為暗電流。暗電流值是光敏二極管傳感器的重要參數(shù)之一，它影響光敏二極管的光電變換質(zhì)量和工作穩(wěn)定性，因此希望它數(shù)值越小越好。在無輻射作用的情況下，PN結(jié)硅光敏二極管的正、反向特性與普通PN結(jié)二極管基本一樣，均為圖（10）所示的伏安特性曲線，當(dāng)有光照時, 曲線如圖（11）所示。PN結(jié)硅光敏二極管的反向輸出特性圖（10）光敏二極管伏安特性曲線L0-4-100CU廉5W豐.a111i -2DD0LZ1020 M 柿反向電圧U/T圖（11）輸出特性曲線圖（12）所示為典型光電二極管的短路電流一光照度特性曲線,定義光敏二極管的光譜響應(yīng)為以等功率的不同單色輻射波長的光作用

24、于光敏二極管時,其電流靈敏度或響應(yīng)程度與波長的關(guān)系為光譜響應(yīng)，圖（13）為光敏二極管的光譜特性曲線。波長/nm?粥腐哩擔(dān)宇浜輕圖（13）光敏二極管傳感器的短路光電流也是隨環(huán)境溫度而有微小改變的。溫度上升，短路光電流也隨之均勻增大。三實驗所需部件：光敏二極管、直流穩(wěn)壓電源、負(fù)載電阻（實驗選配單元中可變電阻 卜遮光罩、光源、數(shù)字電壓/頻率表（自備4 1/2位萬用表）.、微安表（或自備4 1/2位萬用表上的200mA檔）、照 度計（自備或另購）四實驗步驟：1 按圖（14）接線，要注意光敏二極管是工作在反向工作電壓的，由于硅光敏二極管的反向電流非常小，所以應(yīng)視實驗情況逐步提高工作電壓，如有必要可用穩(wěn)壓

25、電源上的土10V或土 12V串接。2 光敏二極管的暗電流測試，用遮光罩蓋住光敏二極管，選擇合適的電路反向工作電壓，選擇適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻。 打開儀器電源，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻值，微安表顯示的電流值即為暗電 流，或用4 1/2位萬用表200mV檔測得負(fù)載電阻 R上的壓降U暗，則暗電流I暗=U暗/R。 一般鍺光敏二極管的暗電流要大于硅光敏二極管暗電流數(shù)十倍，可在試件插座上更換其他光敏二極管進(jìn)行測試做性能比較。3 光敏二極管的光電流測試，緩慢揭開遮光罩，觀察微安表上的電流值的變化，（也可將照度計探頭置于光敏二極管同一感光處，觀察當(dāng)光照強(qiáng)度變化時光敏二極管光電流的變化）或是用4 1/2位萬用表200mv檔測得R上

26、的壓降U光,光電流I光=U光/R,如光電流 較大，則可減小工作電壓或調(diào)節(jié)加大負(fù)載電阻。4. 光敏二極管的伏安特性測試，按圖（14）連接實驗線路，光源選用高亮度鹵素?zé)?，分別調(diào)節(jié)至“弱光”、“中光”和“強(qiáng)光”三種照度，負(fù)載電阻用萬用表確定阻值1K歐姆，將可調(diào)光源調(diào)至一種照度，每次在該照度下，測出加在光敏二極管上的各反向偏壓與產(chǎn)生的 光電流的關(guān)系數(shù)據(jù)，其中光電流Iph 士（ 1KQ為取樣電阻），在三種光照度下p1.00KQ重復(fù)上述實驗。光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：弱）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：中）電壓（伏）24681012Ur

27、 （伏）電阻（歐姆）光電流光敏二極管伏安特性測試數(shù)據(jù)表（照度：強(qiáng)）電壓（伏）24681012Ur （伏）電阻（歐姆）光電流根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的伏安曲線。5 光敏二極管的光照度特性測試，按圖（14）接線，光源選用高亮度鹵素?zé)?，由實驗者按照從“?強(qiáng)”仔細(xì)調(diào)節(jié)光源電位器取得多種光照度，每選一種照度就選擇 3種反向偏壓測試記錄，測出光敏二極管在相對光照度為“弱光”到逐步增強(qiáng)的光電流數(shù)據(jù)，其中Ph =Ur1.00K1（1K為取樣電阻）光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度UR （伏）光電流光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度Ur （伏）光電流光敏二極管光照特性測試數(shù)據(jù)表（電壓：）照度

28、UR （伏）光電流根據(jù)實驗數(shù)據(jù)畫出光敏二極管的光照特性曲線。6 .光敏二極管的光譜特性測試，不同的半導(dǎo)體材料制成的光敏二極管有著不同的光譜特性，見圖（13）,當(dāng)不同波長的入射光照到光敏二極管的光敏面上，光敏二極管就有不同的靈敏度。照圖（14）接線，其工作電源可選用直流穩(wěn)壓電源的負(fù)電源，用高亮度LED（紅、黃、綠、藍(lán)、白）作為光源，發(fā)光電源可選用直流穩(wěn)壓電源的正電源。發(fā)光管的接線可參照圖（7）。限流電阻用選配單元上的1K100K檔電位器，首先應(yīng)置電位器阻值為最大，開啟電源后緩慢調(diào)小阻值， 使發(fā)光管逐步發(fā)光并至最亮，當(dāng)發(fā)光管達(dá)到最高亮度時不應(yīng)再改變限流電阻阻值，依次將各發(fā)光管接入光電器件模板上的發(fā)

29、光管插座。發(fā)光管與光敏二極管頂端可用附件中的黑色軟管連接（透鏡對透鏡） ，分別測出光敏二 極管在各種光源照射下的光電流， 再用固體激光器作為光源， 測得光電流，將測得的數(shù) 據(jù)記入下表，據(jù)此作出兩種光電阻大致的光譜特性曲線：光源激光紅黃綠藍(lán)白光電流1光電流II7 .光敏二極管的溫度特性測試，光敏二極管與其他半導(dǎo)體器件一樣，性能受溫度影響較大隨著溫度的升高電阻值增大，靈敏度下降。請按圖（14）測試電路，分別測出常溫下和加溫 （可用電烙鐵靠近加溫或用電吹風(fēng)加溫，電烙鐵切不可直接接觸器件）后的伏安特性曲線。五.注意事項：1 本實驗中暗電流測試最高反向工作電壓受儀器電壓條件限制為土12V （ 24V）,

30、硅光敏二極管暗電流很小，雖然提高了反向電壓， 但還是有可能不易測得。 測試光電流時要緩慢地改變光照度，以免測試電路中的微安表指針打表，如微安表量程不夠大， 可選用萬用表的200mA電流檔。實驗十光纖位移傳感器特性實驗一.實驗?zāi)康模?.了解光纖位移傳感器的結(jié)構(gòu)。2 熟悉光纖位移傳感器的工作原理。二實驗原理：反射式光纖位移傳感器的工作原理如圖（28）所示，光纖采用 Y型結(jié)構(gòu)，兩束多模光纖一端合并經(jīng)切割打磨組成光纖探頭，在傳感系統(tǒng)中，一支為接收光纖，另一支為光源光纖，光纖只起傳輸信號的作用。當(dāng)光發(fā)射器發(fā)生的紅外光，經(jīng)光源光纖照射至反射體，被反射的光經(jīng)接收光纖至光電轉(zhuǎn)換器，光電元件將接收到的光信號轉(zhuǎn)換

31、為電信號。其輸出的光強(qiáng)決定于反射體距光纖探頭的距離，通過對光強(qiáng)的檢測而得到位置量。光纖傳感器工作特性曲線如圖（29）所示。一般都選用線性范圍較好的前坡為測試區(qū)域。PiH 0 1234567位移mm)圖（2 8）三實驗所需部件：光纖傳感器、光電變換器（放大穩(wěn)幅電路）換組件），反射物（電機(jī)葉面或其它反射物件）四.實驗步驟：圖（29）、近紅外發(fā)射及接收電路單元（外引光電變、數(shù)字電壓表1 觀察光纖傳感器的結(jié)構(gòu)：一支為發(fā)射、另一支為接收的多模光纖，兩端合并處為圓形結(jié)構(gòu)，光纖質(zhì)量的優(yōu)劣可通過對光照射觀察光通量的大小而得出結(jié)論。2 光纖傳感器的光電變換組件內(nèi)發(fā)射的光源是近紅外光，接收電路接收近紅外信號后經(jīng)穩(wěn)

32、幅及放大輸出。判斷光電變換器上兩個光纖安裝孔位置具體為發(fā)射還是接收的辦法為， 將光纖變換器單元電壓輸出 Vo端接數(shù)字電壓表輸入端，光電變換組件的四芯航空插頭 接入光纖變換器四芯插座，將兩支光纖的其中一根插入光纖安裝孔中的一個，觀察電壓表輸出情況。參考圖（7）將接通電源的紅外發(fā)光管頂端靠近光纖探頭，如VO端有電壓輸出則此孔為接收放大端，如單獨(dú)插入另一孔，光纖探頭靠近接通電源的紅外光敏三極管，如光敏三極管有反應(yīng)則說明此孔為紅外光源發(fā)射。3 將兩根光纖均裝入光電變換組件，裝入時注意不要過分用力，以免影響到組件中光電管的位置。分別將光纖探頭置于全暗無反射和對準(zhǔn)較強(qiáng)光源的照射，光纖變換器輸出電壓應(yīng)分別為

33、零和最大值。五.注意事項1 兩支光纖三端面均經(jīng)過精密光學(xué)拋光，其端面的光潔度直接會影響光源損耗的大小，需仔細(xì)保護(hù)。禁止使用硬物、尖銳物體碰觸，遇臟可用鏡頭紙擦拭。如非必要，最好不要自行拆卸，觀察光纖結(jié)構(gòu)一定要在實驗老師的指導(dǎo)下進(jìn)行。實驗十光纖位移傳感器一一位移測量一.實驗?zāi)康模?學(xué)習(xí)光纖位移傳感器測量微小長度量。二實驗原理：本實驗儀中所用的為導(dǎo)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(qiáng)之用，一支發(fā)射近紅外光，經(jīng)過反射片的反射傳入另一支接收端。三. 實驗所需部件：光纖傳感器、光電變換器（放大穩(wěn)幅電路）、近紅外發(fā)

34、射及接收電路單元（外引光電變換組件），反射物（電機(jī)葉面或其它反射物件）、數(shù)字電壓表四實驗步驟：1 .將光纖傳感器、光電變換組件與光纖變換電路相連接，輸出端Vo接數(shù)字電壓表。2 光纖探頭安裝于位移平臺的支架上用固定螺絲固定，電機(jī)葉片對準(zhǔn)光纖探頭，注意保持兩端面的平行。3 盡量降低室內(nèi)光照度，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(yīng)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)果填入表格，作出距離X與電壓值mv的關(guān)系曲線。位移（mm）電壓（V）5.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（29）所示分為

35、前坡I和后坡n,前坡I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。五.注意事項：1. 同一實驗室如有多臺光電傳感器實驗儀，由于光電變換組件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，儀器出廠時單元電路都是 與光電組件單獨(dú)調(diào)配的，故請做實驗之前將光纖光電變換塊和實驗儀對應(yīng)編號 ，不要混用,以免影響正常實驗。實驗十四光電耦合式傳感器一一轉(zhuǎn)速測量一.實驗?zāi)康模?了解光電開關(guān)的原理和應(yīng)用。二實驗原理：光耦合器件是由發(fā)光與受光器件組成，輸入端與輸出端在電氣上是絕緣的，

36、只能由光來傳遞信號。光耦合器又分光電耦合器和光斷續(xù)器兩種，所用的發(fā)光、受光器件都相似。光電耦合器主要用于電路的隔離，光斷續(xù)器主要是用來測試目標(biāo)物體的有無，功能的不同使它們的安裝結(jié)構(gòu)不同，本實驗儀中的光耦合器件為光斷續(xù)器。圖（30）為光斷續(xù)器原理圖。V+rd q* M K圖（30）三. 實驗所需部件：光斷續(xù)器、測速電機(jī)、數(shù)字電壓 /頻率表、示波器、光電耦合單元四. 實驗步驟1 觀察光斷續(xù)器的結(jié)構(gòu)，這是一種透過型的光斷續(xù)器，近紅外發(fā)光二極管發(fā)出的光信號經(jīng)光敏達(dá)林頓電路接收放大整形后輸出，光斷續(xù)器發(fā)射光電源信號由光耦電路中的土12V電源提供（光耦合器單元中 VI、V2端口）。2 按照儀器面板所示符號

37、一一對應(yīng)連接好光斷續(xù)器的光源激勵電源，Vo輸出端接數(shù)字頻率表2KHz檔，開啟電機(jī)，用示波器觀察光斷續(xù)器輸出端Vo的轉(zhuǎn)速波形。3 .將Vo端輸出的電壓波形接入 “整形入”端口，從整形電路輸出的為標(biāo)準(zhǔn)的 5VTTL電平，此信號可用做數(shù)據(jù)采集頻率計數(shù)信號。4 .電機(jī)轉(zhuǎn)速（轉(zhuǎn)/秒）=頻率表讀數(shù)十2五. 思考題：，試想如果將光斷續(xù)器作為光電耦1 .光電耦合器與光斷續(xù)器主要是元件安裝位置上的差別合器是否可能？在結(jié)構(gòu)上應(yīng)做什么改變？實驗十六熱釋電紅外傳感器特性實驗一.實驗?zāi)康模?了解熱釋電人體紅外傳感器的結(jié)構(gòu)和基本原理。2 熟悉集成運(yùn)放的線性應(yīng)用和非線性應(yīng)用。二實驗原理：熱釋電器件是目前唯一能夠用于熱成像探

38、測技術(shù)中的紅外光傳感器，如圖（32）所示,屬于熱電型器件，當(dāng)熱電元件PZT受到光照時能將光能轉(zhuǎn)換為熱能，受熱的晶體兩端產(chǎn)生數(shù)量相等符號相反的電荷，如果帶上負(fù)載就會有電流流過，輸出電壓信號。內(nèi)都瓏草圖（3 2）對于一般的電介質(zhì)， 在電場作用消失后，極化狀態(tài)隨即消失， 帶電粒子又恢復(fù)原來的狀 態(tài)。而有一類稱做“鐵電體”的電介質(zhì)在外加電場作用消失后，仍保持著極化狀態(tài)，稱其為“自發(fā)極化”。當(dāng)紅外輻射照射到已經(jīng)極化的鐵電體薄片時，引起溫度升高，表面電荷減少,相當(dāng)于熱“釋放” 了部分電荷。 釋放的電荷經(jīng)過處理電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。如果輻射持續(xù)作用，表面電荷將達(dá)到新的平衡，不再釋放電荷，也不再有電壓信號輸出。

39、因此，熱釋電不同 于其它光電器件，在恒定輻射作用的情況下輸出的信號電壓為零。只有在交變輻射的作用下才會有信號輸出。三.實驗所需部件：熱釋電紅外傳感器、慢速電機(jī)、熱釋電紅外探測電路單元、電加熱器、數(shù)字電壓表四實驗步驟：1 將菲涅爾透鏡裝在熱釋電紅外傳感器探頭上，探頭方向?qū)?zhǔn)慢速電機(jī)支座下透孔前的熱源方向，按圖標(biāo)符號將傳感器接入處理電路，接好發(fā)光二極管（顯示實驗單元探測狀態(tài)）輸出端 Vo 接數(shù)字電壓表 20V 檔。2 開啟電源，待單元電路輸出穩(wěn)定后開啟熱源，同時將慢速電機(jī)葉片撥開不使其擋住熱源透射孔。3 隨著熱源溫度緩慢上升，觀察熱釋電紅外傳感器的 Vo端輸出電壓變化情況，可以看出傳感器并不因為熱

40、源溫度上升而有所反應(yīng)。4 開啟慢速電機(jī)，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速旋鈕，使電機(jī)葉片轉(zhuǎn)速盡量慢，不斷地將透熱孔開啟一一遮擋，此時會發(fā)現(xiàn)輸出電壓也隨之變化，當(dāng)達(dá)到告警電壓時 ，則發(fā)光管閃亮。5 逐步提高電機(jī)轉(zhuǎn)速，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速加快，葉片斷續(xù)熱源的頻率增高到一定程度時 ，傳感器又會出現(xiàn)無反應(yīng)的情況，請分析這是什么原因造成的？ （可結(jié)合熱釋電紅外傳感器工作電路 原理分析 ）五注意事項：1 慢速電機(jī)的葉片因為是不平衡形式， 加之電機(jī)功率較小，所以開始轉(zhuǎn)動時可能需要用手 撥動協(xié)助轉(zhuǎn)動。實驗十七 熱釋電紅外傳感器人體探測一.實驗?zāi)康模? .了解熱釋電人體紅外傳感器的應(yīng)用。二實驗所需部件： 熱釋電紅外傳感器、慢速電機(jī)、熱釋電紅外探

41、測電路單元、數(shù)字電壓表 四實驗步驟：1 將熱釋電紅外傳感器的安裝方向調(diào)整 180。面對儀器前實驗者， 連接傳感器探頭與處理電路輸出端Vo接電壓表。2 開啟電源，待電路穩(wěn)定后，實驗者從探頭前經(jīng)過，移動速度從慢到快，距離從近到遠(yuǎn)，觀察傳感器的反應(yīng)，記錄下傳感器最大探測距離。3 在探頭前裝上菲涅爾透鏡 ，重復(fù)步驟2，并嘗試在探頭的不同視場范圍進(jìn)入 ，記錄下裝透鏡后最大的探測距離和探測角度， 加深對菲涅爾透鏡作用的了解 （實際應(yīng)用中， 菲涅爾 透鏡是必需的）。實驗十八PSD光電位置傳感器一一位移測量.實驗?zāi)康?1 .了解PSD光電位置傳感器的結(jié)構(gòu)。2. 掌握PSD光電位置傳感器的工作原理。.實驗原理：

42、光電位置敏感器件（PSD是基于光伏器件的橫向效應(yīng)的器件，是一種對入射到光敏面上的光電位置敏感的光電器件。 因此，稱其為光電位置敏感器件（Position Sensitive Detector，簡稱為PSD，如圖（33）所示為PIN型PSD器件的結(jié)構(gòu)示意圖，它由三層構(gòu)成，上面為 P 型層，中間位I型層，下面為 N型層。在上面的 P型層上設(shè)置有兩個電極，兩電極間的P型層除具有接受入射光的功能外還具有橫向分布電阻的特性。即P型層不但為光敏層，而且還是一個均勻的電阻層。當(dāng)光束入射到PSD器件光敏層上距中心點得距離為xA時，在入射位置上產(chǎn)生與入射輻射成正比的信號電荷，此電荷形成的光電流通過電阻P型層分別

43、由電極1和2輸出，設(shè)P型層的電阻是均勻的，兩電極間的距離為2L,流過兩電極的電流分別為I1和I2，則流過N型層上電極的電流10為I1和I2之和，即10=11+12。若以PSD器件的幾何中心點 O為原點，光斑中心距原點O的距離為xA,則/1=1012 二 ID如 滋二笄Zsr17-1-11利用上式即可測出光斑能量中心對于器件中心的位置xA,它只與電流I1和I2的和、差及其比值有關(guān)，而與總電流無關(guān)。圖（3 4）PSD器件已被廣泛地應(yīng)用于激光自準(zhǔn)直、光點位移量和振動的測量、平板平行度的檢測和二維位置測量等領(lǐng)域。目前，PSD器件已有一維和二維兩種 PSD器件。本儀器用的是一維PSD器件，主要用來測量光

44、斑在一維方向上的位置或移動量的裝置，圖（34）為一維PSD器件的原理圖，其中和為信號電極， 為公共電極。它的光敏面為細(xì)長的矩形條。圖（35）為其等效電路，它由電流源 Ip、理想二極管 VD結(jié)電容Cj、橫向分布電阻 RD和并聯(lián)電阻 Rsh組成，PSD 器件屬于特種光伏器件，它的基本特性與一般硅光伏器件基本相同，如光譜響應(yīng)、時間響應(yīng)和溫度響應(yīng)等與前面講述的 PN結(jié)光伏器件相同。作為位置傳感器 PSD有其獨(dú)特特 性，即位置檢測特性， PSD的位置檢測特性近似于直線，圖（ 36）所示為一維PSD位置檢測 誤差特性曲線，由曲線可知，越接近中心位置測量誤差越小，因此，利用PSD來檢測光斑位置時，盡量使光點

45、靠近器件中心。I -Rdf1 1L411T vVd匕J11悴/T (Rsh1圖（35）+15 -圖（36）三.實驗所需器件:PSD光電位置單元、數(shù)字電壓表PSD組件（器件已裝在基座上）、固體激光器、反射體、 四.實驗步驟:1 .通過PSD基座上端圓孔觀察 PSD器件及在基座上的安裝位置 ，PSD光電位置傳感器的“11和“ 12 ”兩端對應(yīng)接入 PSD光電位置單元的“ 11”和“ 12”兩輸入端，輸出端 Vo接數(shù)字 電壓表20V檔。2 確認(rèn)接線無誤后，開啟儀器電源，此時因無光源照射，PSD器件前端的聚焦透鏡也無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

46、將觀察圓孔蓋上，觀察光噪聲對輸出電壓的變化。3 將激光器電源插頭插入“激光電源”插口，激光器安裝在基座圓孔中并固定。注意激光束照射到反射面上時的情況，光束應(yīng)與反射面垂直。激光束照射到反射面后PSD組件上的透鏡將漫反射的激光光線聚焦到PSD器件表面，旋轉(zhuǎn)激光器角度，調(diào)節(jié)激光光點，（必要時也可旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié) PSD前的透鏡）使光點盡可能集中在PSD器件上。4從原點開始，位移平臺分別向前和向后位移，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（Uo）記錄列表，作出 U/X曲線，求出靈敏度 S, S= U/ X。根據(jù)曲線分析其線性。位移(

47、mm)電壓(V)五.注意事項:1.實驗中所用的固體激光器光點可調(diào)節(jié)，實驗時請注意光束不要直接照射眼睛，否則有可能對視力造成不可恢復(fù)的損傷。每一支激光器的光點和光強(qiáng)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和光點在PSD器件上的上下位置，使輸出達(dá)到最大。圖(1)光敏電阻的測量電路圖(2)發(fā)光管連接電路注：圖1-5和圖1-7中的虛線表

48、示電源和選配電阻根據(jù)實驗要求自由選擇。附錄儀器工作臺布局圖111 +J 岳真W二二lU F :卜i15附錄光電傳感實驗原理它的物理基礎(chǔ)是基光電傳感器就是將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的光敏器件或光電變換裝置, 于一些光敏物質(zhì)的光電效應(yīng)及其對各種類型光電效應(yīng)的有效利用。可見光信息源、紅外光信息源、紫外光信息源等都直接或間接輻射出一定功率的光能， 包含有一定信息量的光能量由光電傳感器接收后， 光電傳感器能夠按一定的規(guī)律將光能中所 包含的模擬或數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電信號， 從而可以以電信號的形式還原出光能中所攜帶 的信息。 這樣就可以利用成熟的電子信息處理手段將這種攜帶光信息的電信號進(jìn)行傳輸、 存 儲、顯示和處理， 更方便地予以利用， 光電傳感器所輸出電信號應(yīng)能實時地追隨所接收