光電檢測試驗(yàn)講義

實(shí)驗(yàn)一光敏電阻特性參數(shù)測量及暗光街燈實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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(qiáng)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(diǎn)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(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：光敏電阻是最典型的光電效應(yīng)器件，即其電導(dǎo)率隨光照強(qiáng)度而發(fā)生變化。半導(dǎo)體光電導(dǎo)器件是利用半導(dǎo)體材料的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的光電探測器件。本實(shí)驗(yàn)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(qiáng)度的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(shè)計(jì)了暗光街燈演示實(shí)驗(yàn)。其原理是當(dāng)環(huán)境變暗時光敏電阻的阻值增大，當(dāng)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(diǎn)亮小燈泡，從而達(dá)到與暗光街燈相似的目的。三、實(shí)驗(yàn)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(fù)載），萬用表。四、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）光敏電阻特性測試萬用表圖萬用表圖1.1暗、亮電阻的測定圖1.2伏安特性測量電路mAUI實(shí)驗(yàn)二硅光電池的光電特性測量及轉(zhuǎn)速測定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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(qiáng)而變化的規(guī)律。2、進(jìn)一步了解和掌握硅光電池的動態(tài)響應(yīng)特性及其應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理： 硅光電池是一種利用光生伏特效應(yīng)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(guān)系，而開路電壓與光照度的對數(shù)成正比。本實(shí)驗(yàn)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(dāng)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于變速電機(jī)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(yīng)地將輸出周期性的光電流信號。將此信號進(jìn)行調(diào)整、放大或?yàn)V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(jìn)而計(jì)算出變速電機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)控制2，電機(jī)2，斬光器，半導(dǎo)體激光器，示波器。四、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）硅光電池光電特性測量mAmAV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(shí)驗(yàn)＋1＋12VIC示波器或?yàn)V波器－12V圖2.3硅光電池轉(zhuǎn)速測量實(shí)驗(yàn)電路按圖2.3所示連接各單元。將“電機(jī)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(jī)2”上端，“電機(jī)2”下端（靠近實(shí)驗(yàn)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(diǎn)亮。先轉(zhuǎn)動偏振片轉(zhuǎn)盤，使透過它的激光束最強(qiáng)；或者將偏振片轉(zhuǎn)盤旋出，撤去。適當(dāng)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(jī)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(yīng)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(jī)轉(zhuǎn)速不宜過快），據(jù)此測定波形的頻率，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(jī)每轉(zhuǎn)一周可斬光得到8個波形），即為電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，重復(fù)上述測量實(shí)驗(yàn)，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(dá)到穩(wěn)定不會隨意轉(zhuǎn)動即可。實(shí)驗(yàn)三硅光電池測光及激光器偏振光強(qiáng)度分布測量實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?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(yīng)用。2、進(jìn)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(qiáng)度分布，拓展硅光電池在光學(xué)元件的透射率、液體透明度或濁度等測量方面的應(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(dāng)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(qiáng)度最大；如兩者偏振軸垂直，則透射光強(qiáng)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(qiáng)度，如圖3.2所示。由于硅光電池可對不同的光強(qiáng)度進(jìn)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(qiáng)度的分布狀況。三、實(shí)驗(yàn)所需單元：直流穩(wěn)壓電源，硅光電池，硅光電池測光電路，數(shù)字電壓表，手電筒，激光器等光源，半導(dǎo)體激光器，偏振片，放大電路。四、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）測光實(shí)驗(yàn)+5V+5V數(shù)字電壓表圖3.1硅光電池測光實(shí)驗(yàn)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(dāng)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(shí)驗(yàn)者可自行設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定某一光照亮度閾值（即測定電壓值），當(dāng)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(yù)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(qiáng)度分布測量按下圖所示連接各單元。+5V+5V數(shù)字電壓表(2)檢查無誤后，開啟電源。點(diǎn)亮激光器。適當(dāng)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(jī)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(qiáng)度發(fā)生改變；當(dāng)透射激光束最亮?xí)r，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(yīng)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(zhǔn)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圖3.2激光器偏振光強(qiáng)度分布測量原理圖激光器偏振片偏振光硅光電池偏振光04590135180225270315圖3.3(5)考察激光器偏振光強(qiáng)度的分布情況，并分析原因。 表3.2激光器的偏振強(qiáng)度分布角度022.54567.590112.5135157.5180電壓(V)實(shí)驗(yàn)四CCD視頻圖像采集及紅外遙控LED彩燈實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、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(yīng)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(yīng)用。二、實(shí)驗(yàn)原理：利用英聯(lián)圖像識別軟件，可將來自CCD傳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(shí)驗(yàn)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(yīng)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(shí)驗(yàn)所需單元：CCD攝像頭，CCD專用通訊線，計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)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口，另一端與計(jì)算機(jī)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(shí)驗(yàn)儀的主電源。(3)用鼠標(biāo)依次點(diǎn)擊“英聯(lián)圖像識別軟件”—“Image”—“圖像”—“從設(shè)備讀入圖像圖一如圖一設(shè)置好端口，點(diǎn)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(shí)驗(yàn)過程中，出現(xiàn)識別誤差，關(guān)閉軟件窗口，重新測量：2、如實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)(1)按圖4.1所示連接各單元。