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光电技术实验指导书光电技术实验指导书 第一章第一章 CSY-998G 光电传感器实验仪说明光电传感器实验仪说明 CSY-998G 光电传感器实验仪主要有主机、传感器与器件、光源等部分组成 一、主机：由大面板、小面板和顶板。供电电源 AC220V，50Hz。额定功率 200W。 1、大面板：各类实验电路 2、小面板： 1）各种直流稳压电源和恒流源。 015V 连续可调直流稳压电源。 05V 连续可调直流稳压电源。 15V、+5V 稳压电源。 AC12V 交流电源 020mA 连续可调恒流源 2）显示表： 电流表：DC20A、200A、20mA 、200mA(量程四档切换) 电压表：DC200mV、2V、20V（量程三档切换） 光照度计：1-1999Lx 3、顶板 顶板：由安装架、支架、滑轨等组成。 二、传感器与器件 光敏电阻（CdS 光敏电阻、额定功率：100mW、暗阻1M、tr 20ms 、tf 30ms、p：580nm） 光敏二极管（Vr：20v、I D0.1A、IL：50A、tr tf ：10ns p：880nm） 光敏三极管（VCEO：50v、I D0.1A、IL：5mA、tr tf ：15ns p：880nm) 硅光电池（VOC：300mv、I D110-8A、ISC：5A、：300-1000nm、p：880nm) 反射式光耦（输入：IFM=20mA、VR=5V、VF=1.3V 输出： VCEO=30V、ICEO=0.1A、VCES=0.4V 传输特性：CTR（%）=5、 tr tf ：5us） 红外热释电探头 光照度计探头 Y 型光纤 PSD 位置传感器 普通白炽灯 普通发光二极管 红外发射二极管（VR ：5V、VF：1.4V、IR：10uA、PO：2mw） 半导体激光器（波长：635um、功率 1-3mw） 三、实验仪器尺寸 实验仪器台尺寸为：520400350（mm） 。 第二章第二章 实验指导实验指导 实验一实验一 光电基础知识实验光电基础知识实验 一一 、实验目的、实验目的 通过实验使学生对光源，光源分光原理、光的不同波长等基本概念有具体认识。 二二 、基本原理、基本原理 本实验中备有普通光源和激光光源。普通光源（白炽灯）光谱为连续光谱( 白炽灯的 另一个特性是做灯丝的钨有正阻特性，工作时的热电阻远大于冷态时的电阻，在灯的启动 瞬时有较大的电流 )。 利用分光三棱镜后，可以提供红色，黄色，绿色，蓝色等多种波 长的光辐射。激光光源是半导体激光器，发射出波长为 630 纳米的红色光激光特性: 单色性 方向性 相干性等。 三三 、需用器件与单元：、需用器件与单元： 主机、普通光源、分光装置(三棱镜)、半导体激光器。 四四 、实验步骤、实验步骤 图 11 分光实验 1根据图 1-1 进行组装和接线，用实验线将主机中 AC12V 交流电源输出与普通光源 相连接。合上主机的总电源开关。 2松开图 11 中光源或三棱镜的升降固定螺钉，调节高度使光束对准三棱镜，转动 光源罩 遮光筒 光敏 元件 三棱 镜 狭缝端盖(前端盖) 涡轮 涡杆 棱镜座 涡轮涡杆座 升降固定螺钉 升降固定螺钉 V 光敏元件性能实验 - + Vcc R 光 敏 元 件 A - + 主机 接主机 AC12v 前端盖 后端盖 后端盖 三棱镜座使三棱镜毛面在后面，二个工作面（光面）的棱在前面。然后调节涡杆角度使折 射的投射面（狭缝端盖）上出现清晰的光谱。如果光谱不清晰可轻微旋转光源罩（灯丝方 向）和松开升降杆固定螺钉转动一个角度（光束方向）使光束对准三棱镜的工作面要点:光 束对准棱镜工作面灯丝方向。 3、关闭主机总电源开关。将图 1-1 中的普通光源取下，换上半导体激光源（旋下前 端盖小孔） ，将激光源与主机激光电源相应连接注意颜色极性。打开主机总电源开 关，根据步骤 2 调节观察投射面现象（单色性） 。 五五 、思考题、思考题 1 解释实验现象。 2 半导体激光器的特性有哪些？半导体激光器的发散角一般为 510,你如何利用 实验装置和直尺完成最简易的发散角测量实验方法。 实验二实验二 光敏电阻实验光敏电阻实验 一、一、 实验目的：实验目的： 了解光敏电阻的光照特性、光谱特性和伏安特性等基本特性。 二、二、 基本原理：基本原理： 在光线的作用下，电子吸收光子的能量从键合状态过渡到自由状态，引起电导率的变 化，这种现象称为光电导效应。光电导效应是半导体材料的一种体效应。光照愈强，器件 自身的电阻愈小。基于这种效应的光电器件称光敏电阻。光敏电阻无极性，其工作特性与 入射光光强、波长和外加电压有关。 三、三、 需用器件与单元：需用器件与单元： 主机、安装架、发光二极管光源、光敏电阻探头、光照度计及探头、分光装置。 四、四、 实验步骤：实验步骤： 1、亮电阻和暗电阻测量 （1）图 2-1 是光敏电阻实验原理图 （2）按图 2-2 光照度实验安装接线。将照度计探头与 主机小面板上照度计显示表 Vi 口相连接。将图 2-2 中 的光敏元件的探头换成照度计探头。打开主机电源，然 后，顺时针慢慢调节 020mA 可调电流源旋钮，使照度 计显示为 100Lx。 （3）撤下照度计探头，换上光敏电阻探头及电路（图 22） 。顺时针慢慢调节 05V 可 调电源，使电压表显示 5V（如调不到 5V 则 Vcc 改接 015V 可调电压源） 。 （4）在光敏电阻与光源之间用遮光筒连接，10 秒钟后，读取电压表（量程为 20V 档） 和电流表（量程为 20mA 档）的值分别为亮电压 U亮 亮和亮电流 I亮亮。 （5）将 020mA 可调电流源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，10 秒钟后，读取电压表 （量程为 20V 档）和电流表（量程为 20A 档）的值分别为暗电压 U暗 暗和暗电流 I暗暗。 （6）根据以下公式，计算亮阻和暗阻 R亮 亮=U亮亮 / I亮亮 ； R暗 暗=U暗暗 / I暗暗 （7）光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻；在不同的工作电压下有不同的亮阻 和暗阻。如有兴趣可重复以上实验步骤做实验。 2 2、光照特性测量、光照特性测量 当光敏电阻的工作电压（Vcc）为+5V 时，光敏电阻的光电流随光照强度变化而变化， 它们之间的关系是非线性的。改变光源电流大小可得到不同的光照度值(实验方法同以上 实验，照度计探头和光敏电阻探头交替使用)，测得数据填入表 21，并作出光电流与光 照度 I-Lx 曲线图。 表 21 光照度 （LX） 20406080100120140160180 电流 mA 3 3、伏安特性测量、伏安特性测量 在一定的光照强度下，光敏电阻的光电流随外加电压的变化而变化，实验时，在给定 光照强度为 50Lx、100Lx、150Lx 时，图 22 改变光敏电阻的工作电压值U0.5v（由 电压表监测） ，测得不同光照度下流过光敏电阻的电流值,将数据填入表 2-2，并作不同照 度下的三条伏安特性曲线。 表 2-2 型号：G5528 电压 （U） 00.511.52 2.533.544.55 I (mA) 光照度 （Lx） 图 23 光敏电阻光照特性实验曲线 50 电流 （mA） 100 电流 （mA） 照 度 （Lx ） 150 电流 （mA） 4 4 、光谱特性测量、光谱特性测量 光敏电阻对不同波长的光，接收的光灵敏度是不一样的，这就是光敏电阻的光谱特性。 实验时安装接线同图 1-1（Vcc 接主机 5V 电压源） ，光敏电阻前端盖换成狭缝端盖，旋动 涡杆，观察对应各种颜色的光透过狭缝时的电流值并记录数据填入下表 23。 表 2-3 光敏电阻 型号 GL-5528 颜色 波长 (nm) 电 流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 思考题： 为什么测光敏电阻亮阻和暗阻要经过 10 秒钟后读数，这是光敏电阻的缺点，只能应用 于什么状态？ I(mA ) 图 2-4 光敏电阻伏安特性 VCC 实验三实验三 光敏二极管的特性实验光敏二极管的特性实验 一、实验目的一、实验目的： 了解光敏二极管工作原理及光生伏特效应。 二、基本原理：二、基本原理： 当入射光子在本征半导体的 p-n 结及其附近产生电子空穴对时，光生载流子受势垒 区电场作用，电子漂移到 n 区，空穴漂移到 p 区。电子和空穴分别在 n 区和 p 区积累，两 端便产生电动势，这称为光生伏特效应，简称光伏效应。光敏二极管基于这一原理。如果 在外电路中把 p-n 短接，就产生反向的短路电流，光照时反向电流会增加，并且光电流和 照度成线性关系。 三、三、 需用器件与单元：需用器件与单元： 主机、安装架、光敏二极管探头、光源、光照度计及探头、分光装置。 四、四、 实验步骤：实验步骤： 1、光照特性的测试 根据图 2-2 安装接线（注意接线孔的颜色相对应），测量光敏二极管的暗电流和亮 电流。 （1）暗电流测试：打开主机电源，将主机中的 05V 可调稳压电源的调节旋钮顺时 针方向慢慢旋到底（5V），将 020mA 可调电流源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底，读 取主机上电流表（20A 档）的值即为光敏二极管的暗电流。暗电流基本为 0A，一般光 敏二极管小于 0.1A，暗电流越小越好。 （2）光电流测试： a. 关闭主机总电源，撤下光敏二极管探头，换上光照度计探头。 b.打开主机电源，顺时针方向慢慢地调节 020mA 可调电流源（光源），使主机上照 度计的读数为 100Lx。 c.撤下照度计探头，换上光敏二极管探头，读取电流表值，即为 100Lx，一定工作电 压 5V 下的光电流。重复 a、b、c 实验步骤，把测量值填入表 3-1，并作出一定工作电压时 I-Lx曲线。 表 3-1 照度 Lx 51015.707580 I（mA ） LX I(mA) 图 3-1 光敏二极管光照特 特性实验特性 2、光谱特性测试 实验方法与光敏电阻的光谱特性实验方法一样。将数据填入表 3-2。 表 32 光敏二极管 型号 2CU2B 颜色 波长 (nm) 电 流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 实验四实验四 光敏三极管特性实验光敏三极管特性实验 一 、实验目的：实验目的： 了解光敏三极管结构、性能和 V-I 特性。 二、二、 基本原理：基本原理： 在光敏二极管的基础上，为了获得内增益，就利用晶体三极管的电流放大作用，用 Ge 或 Si 单晶体制造 NPN 或 PNP 型光敏三极管。其结构使用电路及等效电路如图 4-1 所示。 图 4-1 光敏三极管结构及等效电路 光敏三极管可以等效一个光电二极管与另一个一般晶体管基极集电极并联 ：集电极- 基极产生的电流，输入到共发三极管的基极在放大。不同之处是，集电极电流（光电流） 有集电结上产生的 i控制。集电极起双重作用；把光信号变成电信号起光电二极管作用； 使光电流再放大起一般三极管的集电结作用。一般光敏三极管只引出 E、C 两个电极，体 积小，光电特性是非线性的，广泛应用于光电自动控制作光电开关应用。 三、 需用器件与单元：需用器件与单元： 主机、光敏三极管、光源、照度计及探头、分光装置 四、四、 实验步骤：实验步骤： 1、光敏三极管伏安特性 光敏三极管在不同的照度下的伏安特性就象一般晶体管在不同的基极电流输出特性一 样。光敏三极管把光信号变成电信号。 （1）将图 2-2 中的光敏元件换成光敏三极管，按图接线（注意接线孔颜色相对应）， 主机的电流表的量程在实验过程中需要进行切换，从 A 到 mA 档，电压表的量程为 20v 档。 （2）首先缓慢调节 020mA 电流源（光源电压）,使光源的光照度在某一照度值 （2、4、6、8 Lx）,再调节主机 0-5v 电源改变光敏三极管的电压,测量光敏三极管的输出 电流和电压。填入表 4-1表 4-4，并作出一定光照度下的光敏三极管的伏安特性曲线 （可多做几组族线） 表 41 在 2Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 表 42 在 4Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 表 43 在 6Lx 照度下 U (V) 1 00.511.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 表 44 在 8Lx 照度下 U (V) 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I (mA) 1 2、光敏三极管的光照特性测量 实验方法同实验三（参照实验三中的 1光照特性的测试）。将实验数据填入表 4-5， 并作出 I-Lx 特性曲线。 表 4-5 照度 Lx 5101520253035405060 I（mA） I(mA ) 外加电压(V) 图 4-2 光敏三极管伏安特性实验曲线 3、 光敏三极管的响应波长（光谱特性） 光敏三极管响应波长（光谱特性）的实验方法参照光敏电阻的光谱特性实验。将实验 数据列入表 4-6，并作出光谱特性曲线。 表 46 光敏三极管 型号 3DU33 颜色 波长 (nm) 电流 红630760 橙590630 黄560590 绿500560 青470500 蓝430470 紫380430 五、思考题：五、思考题： 光敏二极管、光敏三极管的应用场合？ LX I(mA) 图 4-3 光敏三极管光照特性实验曲线 实验五实验五 光电池实验光电池实验 一一 实验目的实验目的 了解光电池的光照特性，熟悉其应用。 二二 基本原理基本原理 光电池是根据光生伏特效应制成的，不需加偏压就能把光能转换成电能的 p-n 结的光 电器件。当光照射到光电池 P-N 结上时，便在 P-N 结两端产生电动势。这种现象叫“光生 伏特效应” ，将光能转化为电能。该效应与材料、光的强度、波长等有关。 三三 需用器件与单元需用器件与单元 主机、安装架、发光二极管光源、照度计及探头、硅光电池。 四、实验步骤四、实验步骤 1、光照特性（开路电压、短路电流） （1） 、光电池在不同的照度下，产生不同的光电流和光生电动势。它们之间的关系就 是光照特性。按图 5-1 安装接线（注意接线孔的颜色相对应） ，实验时，为了得到光电池 的开路电压 Voc 和短路电流 Is 不能同时（同步）接入电压表和电流表，要错时（异步） 接入电路来测量数据。 （2） 、打开主机总电源，测出照度为 0 Lx、5 Lx、10 Lx.时测量得到的开路电压、 短路电流数据（注意为得到开路电压和短路电流不能同时测量电压和电流注意为得到开路电压和短路电流不能同时测量电压和电流）填入表 5-1， 并作出曲线图。 表 51 强度（Lx） 051015. . 95100 电流（mA） 电压（mV） Voc(mv)Is(mA) 100Lx 图 5-2 硅光电池开路电压 短路电流实 验特性 实验六实验六 光开关实验光开关实验（透射式）（透射式） 一、实验目的：一、实验目的： 了解透射式光电开关组成原理及应用。 二、基本原理：二、基本原理： 光电开关可以由一个光发射管和一个接收管组成光耦或光断续器。当发射管和接 收管之间无遮挡时，接收管有光电流产生，一旦此光路中有物体阻挡时光电流中断， 利用这种特性可制成光电开关用来测速、计数、控制等。 三、需用器件与单元：三、需用器件与单元： 主机、光藕、电机、示波器（自备）。 四、实实验步骤：验步骤： （1）将主机的大面板上的光电转速与光电转速实验模块相连接（插孔颜色相对），并 且把 Vo 输出与示波器相连。引入 5V 电源到光电转速实验模块。将 0-12V 电压源引到电机 电源上。 （2）开启主机电源，将 0-12V 电压源的调节旋钮慢慢的顺时针旋转，同时观察示波器 的显示。 实验七实验七 红外线反射式光电开关红外线反射式光电开关（光耦）（光耦） 一、实验目的一、实验目的 了解红外线光电接近开关的组成及基本原理。 二、基本原理二、基本原理 红外线光电接近开关中有一个红外发射二极管和光敏三极管组成。当物体接近时， 发射管发射的红外线被物体反射到接收管上，被接收管接收产生光电流，经采样放大和控 制电路，可作为自动开关。 三、需用器件和单元三、需用器件和单元 主机、反射式光耦 四、实验步骤四、实验步骤 （1） 按照图 71 接线，注意插孔颜色，探头上的插孔红蓝为发射（红为正、蓝为负） ， 黄黑为接收（黄为正、黑为负） 。 （2）打开主机电源，用手接近或离开光耦探头，观察实验模板上的指示灯和继电器的工 作现象。 五、思考题：五、思考题： 用普通发光二极管、光敏三极管、在光开关实验模板上完成透射式开关实验。 实验八实验八 热释电红外传感器实验热释电红外传感器实验 一一 、实验目的：、实验目的： 了解热释电红外传感器基本原理和在实际中的应用。 二二 、基本原理：、基本原理： 当已极化的热电晶体薄片受到辐射热时候，薄片温度升高，极化强度下降，表面电 s p 荷减少，相当于”释放”一部分电荷，故名热释电。释放的电荷通过一系列的放大，转化 成输出电压。如果继续照射，晶体薄片的温度升高到 Tc(居里温度)值时，自发极化突然消 失。不再释放电荷，输出信号为零,见图 8-1。 因此，热释电传感器只能探测交流的斩波式的辐射（红外光辐射要有变化量） 。当面 积为 A 的热释电晶体受到调制加热，而使其温度 T 发生微小变化时，就有热释电电流。 ，A 为面积，P 为热电体材料热释电系数，是温度的变化率。 dt dT APi dt dT 特点：当入射辐射为恒定辐射时，热释电传感器不响应，只能脉冲辐射工作。 三三 需用器件与单元：需用器件与单元： 主机、红外热释电 四四 实验内容：实验内容： 图 8-1 热释电效应 （1）按图 8-2 接线：将红外热释电探头的三个插孔相应地连到实验模板热释电红外 探头的输入端口上（红色接 D、黄色接 S、黑色接 E） 。 （2）打开主机电源，手在红外热释电探头端面晃动时，探头有微弱的电压变化信号输出， 经两级电压放大后，可以检测出较大的电压变化，再经电压比较器构成的开关电路，使指 示灯点亮。观察这个现象过程。 实验九实验九 光源及光调制解调实验光源及光调制解调实验 一、实验目的：一、实验目的： 了解光调制解调的原理。 二、基本原理：二、基本原理： 光束是一种电磁波，具有振幅、相位、强度和偏振等参量和良好的相干性。 如果能够应用某种物理方法改变光波的这些参量之一，使其按照调制信号（如数字 信号）的规律变化，那么该光束就受到了调制，达到“运载”信息的目的。 实现光束调制的原理有振幅调制、频率调制、相位调制、强度调制、脉冲调制、脉 冲编码调制。从方法来说，即有电光调制、声光调制、磁光调制、直接调制等。本实验用 的是脉冲电光调制。 三、需用器件与单元三、需用器件与单元 ： 主机、红外发射二极管、光敏三极管 四、实验步骤：四、实验步骤： （1）按照图 91 接线： 在光脉冲调制实验中，将红外发射二极管探头的两个插孔与光调制实验模板的发射的输入 插孔相连，光敏三极管探头的两个插孔与光调制实验模板的接收输入口相连，再引入工作 电源。 （2）打开主机电源，将两个探头（发射和接收探头）对准，可以看到实验模板上的输入 脉冲指示和输出脉冲指示一起发亮。如果两个探头中间被挡住或没有对准，不同时发光。 实验十实验十 激光定位实验激光定位实验 一、实验目的：一、实验目的： 了解 PSD 光电位置敏感器件的原理与其在激光定位中的应用。 二、基本原理：二、基本原理： PSD 为一具有 PIN 三层结构的平板半导体硅片。其断面结构如图 10-1 所示，表面层 P 为感光面，在其两边各有一信号输入电极，底层的公共电极是用与加反偏电压。当光点入 射到 PSD 表面时，由于横向电势的存在，产生光生电流，光生电流就流向两个输出电极， 0 I 从而在两个输出电极上分别得到光电流和，显然。而和的分流关系则 1 I 2 I 210 III 1 I 2 I 取决于入射光点到两个输出电极间的等效电阻。假设 PSD 表面分流层的阻挡是均匀的，则 PSD 可简化为图 10-2 所示的电位器模型，其中、为入射光点位置到两个输出电极间 1 R 2 R 的等效电阻，显然、正于光点到两个输出电极间的距离。 1 R 2 R 因为 )/()(/ 1221 XLXLRRII 210 III 所以可得 )2/( 01 LXLII )2/( 02 LXLII LIIIX)/( 012 图 10-2 图 10-1 当入射光恒定时，IO恒定，则入射光点与 PSD 中间零位点距离 X 与I2-I1成线性关系， 与入射光点强度无关。根据这一线性特性，就可以从输出电压值知道激光点的位置，从而 实现激光定位。 三、需用器件与单元：三、需用器件与单元： 主机、半导体激光器、PSD 传感器 四、实验步骤：四、实验步骤： 1、按图 10-3 接线， PSD 传感器上的与其他插孔颜色不一样的插孔接 Vr，另外两个 可以随意接。在电路中，Vo1 接 Vi3、Vo2 接 Vi4、Vo3 接 Vi5、Vo4 接小面板的电压表（量 程选择 20V 档） 。 2.打开主机电源，转动测微头使激光光点在 PSD 上的位置从一端移向另一端。此时电 压变化可在5v（可以大于5v）之间，若未达到此值，可调输出增益旋钮（Rw2） 。调节测 微头，注意转动方向与位移关系，使激光光点在 PSD 的其中一端点上。 3.反向转动测微头使光点向 PSD 另一端位移，每转动 0.2mm 记录一个数据填入表 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