光電檢測試驗講義

1、實驗一 光敏電阻特性參數(shù)測量及暗光街燈實驗一、實驗目的：1、了解光敏電阻的電阻特性，掌握光敏電阻的伏安特性及其隨光照強度的變化規(guī)律。2、利用光敏電阻的電阻變化特性，將之作為街燈自動點亮與熄滅的傳感器件，掌握基于光敏電阻的暗光街燈的工作原理及應用。二、實驗原理：光敏電阻是最典型的光電效應器件，即其電導率隨光照強度而發(fā)生變化。半導體光電導器件是利用半導體材料的光電導效應制成的光電探測器件。本實驗旨在測定光敏電阻在不同光照環(huán)境下的電阻值，并測定其伏安特性隨光照強度的變化規(guī)律。根據(jù)實驗測定，光敏電阻的電阻值隨光亮度的增大而迅速減小。利用這一特性，設計了暗光街燈演示實驗。其原理是當環(huán)境變暗時光敏電阻的阻

2、值增大，當亮度降低到一定值時，即光敏電阻值增大到某一閾值時，光電傳感電路系統(tǒng)自動點亮小燈泡，從而達到與暗光街燈相似的目的。三、實驗所需單元：直流穩(wěn)壓電源，光敏電阻，數(shù)字電壓表，電流（毫安）表，暗光街燈電路，小燈泡（負載），萬用表。四、實驗步驟： （一）光敏電阻特性測試萬用表圖1.1 暗、亮電阻的測定圖1.2 伏安特性測量電路mAUI (1) 光敏電阻的暗、亮電阻測定。如圖3.1所示，用萬用表從光敏電子兩端測定它在不同光照條件下的電阻值，將測得的結(jié)果填入表格。光 照 狀 況全 暗日光燈照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射光敏電阻值(kW)(2) 光敏電阻伏安特性測定。按圖1.2所示連接各元件和單

3、元，檢查連接無誤后，開啟電源。用一擋光物（如黑紙片或瓶蓋）遮住光敏電阻（視為全暗），分別接插不同的電壓U值（可調(diào)電壓的獲?。和ㄟ^面板“電機控制1”或“電機控制2”的Vin輸入5V，Vout可輸出如0.5，1.0，1.5，2.0，2.5，3.0，3.5，4.0， 4.5，5.0V等不同電壓值），利用電流表測定流過光敏電阻的電流值I，數(shù)字電壓表測定U值。 改變光敏電阻的光照強度（如全暗、日光燈、手電筒、激光照射），重復測定I與U的關系，可得到圖1.3所示的伏安特性關系曲線族。 (3) 分析上述測量結(jié)果， 進一步了解光敏電阻的光敏特性，掌握其中的變化規(guī)律。IU圖1.3 光敏電阻的伏安特性光照強度注意

4、：5V電源光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射電流值(mA)（二）光敏電阻暗光街燈實驗負載5V圖 1.4 暗光街燈實驗電路(1) 按圖1.4所示連接各元件和單元，連接5V電源。(2) 檢查連接無誤后，開啟電源。(3) 用一擋光物（如黑紙片或瓶蓋）慢慢靠近實驗臺上的光敏電阻，也即將光敏電阻上的部分光線擋住時，可觀察到小燈泡慢慢由暗變亮；當光敏電阻完全被擋住時，或者室內(nèi)燈光全部熄滅時，小燈泡亮度達到最亮。這一實驗過程與暗光街燈的自動亮暗控制完全相同。適當調(diào)節(jié)該單元的“增益”旋鈕，可改變小燈泡的亮滅區(qū)間。五、注意事項：直流電源應確認為5V，否則有可能毀壞小燈泡。如房間內(nèi)光線

5、太強（可用手遮擋）或太暗（可采用手電筒照射完成暗光街燈實驗），以使光敏電阻正常工作。實驗二 硅光電池的光電特性測量及轉(zhuǎn)速測定實驗一、實驗目的：1、了解硅光電池的工作原理，掌握硅光電池的短路電流、開路電壓等特性及其隨光強而變化的規(guī)律。2、進一步了解和掌握硅光電池的動態(tài)響應特性及其應用。二、實驗原理：硅光電池是一種利用光生伏特效應的p-n 結(jié)光電器件，不需加偏壓即可把光能轉(zhuǎn)換成為電能。硅光電池的短路光電流與光照度（光通量）成線性關系，而開路電壓與光照度的對數(shù)成正比。本實驗旨在測定硅光電池的短路電流和開路電壓及其變化規(guī)律。當激光束直接照射到硅光電池上時，后者將輸出連續(xù)的光電流信號；而如果激光束被固定

6、于變速電機軸上的斬光器斬光，則光電池接收到的是被調(diào)制的頻率為f0的光信號，相應地將輸出周期性的光電流信號。將此信號進行調(diào)整、放大或濾波，即可得到較理想的波形。 該信號的頻率可由示波器測得，進而計算出變速電機此時的轉(zhuǎn)動頻率（速度）為：f = f0/N (其中N為斬光器葉片或通孔的數(shù)量)。三、實驗所需單元：直流穩(wěn)壓電源，硅光電池，數(shù)字電壓表，數(shù)字電流表，手電筒，激光器等光源，電壓/頻率表，硅光電池測光電路，電機控制2，電機2，斬光器，半導體激光器，示波器。四、實驗步驟： （一）硅光電池光電特性測量mAV圖 2.1 硅光電池短路電流測量圖 2.2 硅光電池開路電壓測量(1) 短路電流測定。按圖2.1

7、所示連接各單元。用電流表測定硅光電池在不同光照下（全暗、日光等照射、手電筒照射、激光照射）時的短路電流大小，將結(jié)果記錄至表2.1。(2) 開路電壓測定。按圖10.2所示連接各單元。用數(shù)字電壓表測定硅光電池在不同光照下（全暗、日光等照射、手電筒照射、激光照射）時的開路電壓大小，將結(jié)果記錄至表2.2。(3) 分析考察硅光電池的短路電流和開路電壓的變化規(guī)律。表 2.1 硅光電池的短路電流光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射短路電流 (mA) 表 2.2 硅光電池的開路電壓光 照 狀 況全 暗室內(nèi)光照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射開路電壓 (V)（二）轉(zhuǎn)速測定實驗12VI

8、C示波器或濾波器12V圖 2.3 硅光電池轉(zhuǎn)速測量實驗電路(1) 按圖2.3所示連接各單元。將“電機控制2”單元的輸入端“VIN”連接到5V電源端，輸出端“VOUT”連接“電機2”上端，“電機2”下端（靠近實驗者的那一端）接地。(2) 檢查無誤后開啟電源。連接激光器插頭，調(diào)節(jié)亮度旋鈕使其點亮。先轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，使透過它的激光束最強；或者將偏振片轉(zhuǎn)盤旋出，撤去。適當調(diào)節(jié)激光器高度，使激光束投射到硅光電池的光敏面上。調(diào)節(jié)“速度”旋鈕，使電機旋轉(zhuǎn)。(3) 用示波器觀察斬光波形（注：大致為方波。由于硅光電池的響應頻率較低，故而波形可能出現(xiàn)疊波，這是正?，F(xiàn)象，因此電機轉(zhuǎn)速不宜過快），據(jù)此測定波形的頻率，

9、即為斬光頻率，將斬光頻率除以8（斬光器有8個通孔，故電機每轉(zhuǎn)一周可斬光得到8個波形），即為電機的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，重復上述測量實驗，將轉(zhuǎn)速結(jié)果記入表2.3。表2.3 硅光電池測轉(zhuǎn)速結(jié)果序 號1234轉(zhuǎn)速(轉(zhuǎn)/秒)注：激光器安裝時，固定螺絲別擰過緊，螺絲擰緊會將激光器外殼接地而造成短路，激光器不亮，只要達到穩(wěn)定不會隨意轉(zhuǎn)動即可。實驗三 硅光電池測光及激光器偏振光強度分布測量實驗一、實驗目的：1、深入了解硅光電池的工作原理及靜態(tài)特性，掌握其在環(huán)境光亮度測量中的應用。 2、進一步掌握硅光電池的特性。了解偏振片的透光特性，考察了解激光器的偏振光強度分布，拓展硅光電池在光學元件的透射率、液體透明度或

10、濁度等測量方面的應用。二、實驗原理：根據(jù)硅光電池在不同光照條件下的電流與電壓特性，可將之作為測定環(huán)境光強度的傳感器件。環(huán)境光照變化時，將引起硅光電池光電流或電動勢的變化，測定后兩者的變化值，即可獲知環(huán)境光照的變化情況。通常使用的激光器發(fā)出的激光束均為偏振光，當光束被一塊偏振片遮擋住時，如果兩者偏振軸方向一致，則透過偏振片的光束強度最大；如兩者偏振軸垂直，則透射光強度最弱甚至為零；轉(zhuǎn)動偏振片的角度，即可獲得不同的透射光強度，如圖3.2所示。由于硅光電池可對不同的光強度進行測定，因此，通過旋轉(zhuǎn)偏振片，采用測光方法可測定激光器偏振光強度的分布狀況。三、實驗所需單元：直流穩(wěn)壓電源，硅光電池，硅光電池測

11、光電路，數(shù)字電壓表，手電筒，激光器等光源，半導體激光器，偏振片，放大電路。四、實驗步驟： （一）測光實驗+5V數(shù)字電壓表圖 3.1 硅光電池測光實驗電路 (1) 按圖4.1所示電路連接各單元。(2) 檢查無誤后開啟電源，將增益調(diào)整到適當位置，在不同光照環(huán)境條件下，讀出電路的輸出電壓，將結(jié)果記入表3.1。(3) 實驗者可自行設計實驗，設定某一光照亮度閾值（即測定電壓值），當環(huán)境光照亮度小于閾值時，即提供警示信號，提醒人們以提高環(huán)境光亮度，預防近視等的發(fā)生。表3.1 硅光電池測光光 照 狀 況全 暗日光燈照射手電筒斜照射手電筒直照射激光照射測定電壓 (V)（二）激光器偏振光強度分布測量(1) 按下

12、圖所示連接各單元。+5V數(shù)字電壓表(2) 檢查無誤后，開啟電源。點亮激光器。適當調(diào)整激光器姿態(tài)，調(diào)整斬光片，使激光束穿過斬光片的通孔照射到硅光電池上（此時同時調(diào)整電機轉(zhuǎn)盤的位置，使激光器的光全部打在硅光電池上）。(3) 轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，可發(fā)現(xiàn)透過偏振片的激光強度發(fā)生改變；當透射激光束最亮時，將之記為起始角度位置。(4) 記錄起始角度位置時的數(shù)字電壓表的讀數(shù)(對應于激光亮度)，然后逆時針轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，每轉(zhuǎn)動22.5° （轉(zhuǎn)盤上的孔與固定盤的孔每對準一次）， 記錄一次電壓讀數(shù)，列于表3.2，或按比例繪制在圖3.3的角度線上。圖 3.2 激光器偏振光強度分布測量原理圖激光器偏振片偏振光硅

13、光電池偏振光0°45°90°135°180°225°270°315°圖3.3 (5) 考察激光器偏振光強度的分布情況，并分析原因。 表3.2 激光器的偏振強度分布角 度022.54567.590112.5135157.5180電壓 (V)實驗四 CCD視頻圖像采集及紅外遙控LED彩燈實驗一、實驗目的：1、掌握電荷耦合器件（CCD）的成像原理、特性及其在攝像監(jiān)控方面的應用。2、了解光敏三極管的光電特性，掌握由“紅外LED光敏三極管對”構(gòu)成的紅外遙控系統(tǒng)的原理及應用。二、實驗原理：利用英聯(lián)圖像識別軟件，可將來自CCD傳

14、感器采集的圖像信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，并在監(jiān)視器上顯示圖像尺寸，辨識形狀。光敏三極管和普通晶體三極管相似，具有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路的電流控制，更主要的是受光信號的控制。實驗中發(fā)射電路驅(qū)動紅外LED發(fā)射連續(xù)或編碼脈沖光信號，由光敏三極管接收，轉(zhuǎn)換為相應的電信號，經(jīng)放大或解碼電路處理后，驅(qū)動控制對象工作。三、實驗所需單元：CCD攝像頭，CCD專用通訊線，計算機系統(tǒng)，視頻軟件 ，被側(cè)體（三角型、圓形、矩形）等。直流穩(wěn)壓電源，電阻，紅外LED，光敏三極管，紅外遙控電路，LED彩燈，按鈕，繼電器，四、實驗步驟： （一）視頻圖像采集(1)將CCD專用通訊線一端接到儀器頂板上的四芯插

15、口，另一端與計算機串口相連。（CCD的供電電源，內(nèi)部已連接為+5v）(2) 調(diào)節(jié)好CCD攝像頭與被測體工件，裝上被測體如圓形，開啟實驗儀的主電源。(3) 用鼠標依次點擊“ 英聯(lián)圖像識別軟件”“Image”“ 圖像”“從設備讀入圖像 圖一如圖一設置好端口，點擊“確定”，過幾秒以后會出現(xiàn)圖二對話框從圖二中我們可以看出，被測體“形狀” “半徑” “圓心” “面積”。 注：1、如實驗過程中，出現(xiàn)識別誤差，關閉軟件窗口，重新測量：2、如實驗過程中，出現(xiàn)識別誤差，調(diào)整被測體和CCD圖象傳感器的位置，保持CCD攝像頭和被測體的依附面垂直。3、調(diào)整周圍環(huán)境光照對被測體的影響。（二）紅外遙控LED彩燈實驗 (1) 按圖4.