光电器件特性及应用部分实验.doc

目目 录录 前 言 1 一 光电器件特性及应用部分实验 光电传感实验台说明 2 实验一 光敏电阻实验 4 实验二 光敏二极管的特性实验 8 实验三 光敏三极管特性实验 11 实验四 硅光电池实验 15 实验五 光调制解调实验 18 实验六 PSD 位置传感器实验 21 实验七 光纤位移传感器实验 24 实验八 光纤温度传感系统特性实验 28 实验九 光纤压力传感系统特性实验 33 二 光调制实验及应用实验 实验十 电光调制实验及应用 37 实验十一 磁声光调制实验及应用 45 实验十二 声光调制实验及应用 55 三 OEMS 光电测量及技术实验系统 实验十三 CCD 传感器阵列原理及驱动实验 63 实验十四 CCD 阵列的主要特性参数 69 实验十五 光电转换器件的调制传递函数 MTF 的测量 73 实验十六 光电信号的二值化及其应用 76 实验十七 传感器阵列的非均匀性校正研究 80 实验十八 利用可编程逻辑器件设计 CCD 驱动信号源 81 1 前前 言言 激光器的出现 解决了光频载波的产生问题 从此电子技术的各种基本概念 如放大与调制 调制与解调 直接探测与外差探测 信频 和频与差频等等 几乎都移到了光频段 电子学与光学之间的鸿沟在概念上消失了 产生了光频段 的电子技术 习惯称为光电子技术 光电子技术实验是光信息技术专业学生的一门重要专业实验课程 我院光电 子实验中心引进了湖北众友公司生产的 ZY13OFSens12SB 型光电传感器实验台和华 东师范大学生产的电光调 制实验仪 磁光调制实验仪 声光调制实验仪及重庆大学的 OEMS 光电测量及技术 实验系统 ZY13OFSens12SB 型光电传感器实验台 集中了目前常用的光敏元件和传感器 采用模块式组合 大部分是光电基础实验 重点分析光敏器件和光电传感器的特 性和应用场合 学生通过实验应该学会合理的选择传感器的原理和方法 为培养 动手能力 还安排有仪器的拆装实验 培养学生对新型光电子仪器的认识程度与 兴趣 电光调制实验 磁光调制实验和声光调制实验主要是研究光调制的特性 规 律及其应用 OEMS 光电测量及技术实验系统 介绍了如何测量物体的尺寸及对图像传感器 进行非均匀性校正的基本原理及方法 通过实验 让学生掌握 CCD 的基本工作原 理 并学会测试其特性参数 这些实验仪器由于都是新引进设备 有一个消化熟悉的过程 加之时间紧张 本讲义难免存在缺点和错误 请读者批评指正 谢谢 西南科技大学理学院光电子实验中心 2007 年 3 月 11 日 2 光电传感器实验台说明光电传感器实验台说明 ZY13OFSENS12SB 光电传感器实验仪主要有主机箱 传感器装置 实验模板 实验桌四大 部分组成 一 主机箱 一 主机箱 供电电源 AC220V 50HZ 额定功率 200W 1 提供实验所需的电源 0 12V 连续可调直流稳压电源 0 5V 连续可调直流稳压电源 15V 12V 5V 稳压电源 2 压力源 气压量程 4 20KPa 通过调节玻璃转子流量计可以控制气压输出大小 3 显示部分 电流表 量程 DC20 A DC200 A DC20 mA 和 DC 200mA 四档切换 电压表 量程 DC200mV DC2V 和 DC20V 三档切换 光功率计 量程 200 W 2mW 和 20mW 三档切换 光照度计 量程 200Lx 2000Lx 和 20000Lx 三档切换 转速表 0 9999rpm 计时器 秒表 9999S 气压表 4 40 KPa 4 温控仪 PID 位式调节仪 0 200 二 传感器装置二 传感器装置 1 光敏器件 光敏电阻 光敏二极管 光敏三极管 红外光敏二极管 光接受 硅光电池 反射式光耦 红外发射与红外光敏三极管组合 红外线热释电探头 3 光照度计探头 光功率计探头 2 传感器 光纤传感器 位移 压力 温度 PSD 位置传感器 线阵 CCD 测径系统 可选 光栅位移传感器 可选 3 光源 普通白炽灯光源 普通发光二极管 红外发射管 半导体激光管及各种滤色镜 三 实验模板三 实验模板 光电器件实验 一 模板 光电器件实验 二 模板 光电器件实验 光开关 模板 光电器件实验 光调制 模板 光电传感器转速测量实验模板 光纤位移传感器实验模板 PSD 传感器实验模板 光纤温度压力传感器实验模板 四 实验桌四 实验桌 放置主机箱 实验模板 各种实验器件等 实验桌尺寸为 1600 800 740 mm 4 实验一实验一 光敏电阻实验光敏电阻实验 一 一 实验目的实验目的 了解光敏电阻工作原理 光照特性 伏安特性和光谱响应特性 二 二 实验内容实验内容 1 光敏电阻暗电阻和亮电阻的测量 2 光敏电阻光照特性测量 3 光敏电阻伏安特性测量 4 光敏电阻光谱特性测量 三 三 实验仪器实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 普通光源 一个 遮光筒 一个 cds 光敏电阻 一个 光照度计探头 一个 光电器件实验 一 模板 一个 滤色片 七色 一套 支架 一套 导线 若干 四 四 实验原理实验原理 光敏电阻是用光电导体制成的光电器件 又称光导管 它是基于半导体光电效应工作的 光敏电阻没有极性 纯粹是一个电阻器件 使用时可加直流电压 也可以加交流电压 当无 光照时 光敏电阻值 暗电阻 很大 电路中电流很小 当光敏电阻受到一定波长范围的光照 时 它的阻值 亮电阻 急剧减少 因此电路中电流迅速增加 光敏电阻的暗电阻越大 而亮电阻越小 则性能越好 也就是说 暗电流要小 光电流 要大 这样的光敏电阻的灵敏度就高 实际上 大多数光敏电阻的暗电阻往往超过 1M 欧 甚 至高达 100M 而亮电阻即使在正常白昼条件下也可降到 1k 以下 可见光敏电阻的灵敏度 是相当高的 5 光照特性 伏安特性和光谱特性是光敏电阻的基本特性 五 五 实验步骤实验步骤 1 亮电阻和暗电阻测量 1 图 1 1 是光敏电阻实验原理图 A V 5V Cds光敏电阻 图 1 1 光敏电阻实验原理 2 根据图 1 2 的光学系统装置图 安装好普通光源和光照度计探头 代替图中光敏电 阻 及遮光筒 将主机箱的 0 12V 的可调电源与普通光源的两个插孔相连 将可调电源的调 节旋钮逆时针方向慢慢调到底 将照度计探头的两个插孔 红色 和 黑色 与主 机箱照度计输入端 对应连接 打开主机箱电源 顺时针方向慢慢调节 0 12V 可调 电源幅度旋钮 使主机箱照度计显示 100Lx 关闭电源 6 光敏电阻遮光筒前盖光源 A V VA 光敏器件 光敏接收器件 光敏接收器件0 5V可调 硅光电池 R1 Vcc R2 R3 R4 光电器件实验 一 光敏器件输入 主机箱 电流表 主机箱 0 5V电压 主机箱 0 12V电压 VCC 图 1 2 光敏电阻实验接线图 3 撤下照度计连线及探头 换上光敏电阻 将光敏电阻的两个插孔通过连线连到主实 验模块上光敏器件输入端 电流表输入端 插孔与模块上左下对应安培表输入端 红色 相连 电流表输入端 插孔与模块上左下对应安培表输入端 黑色 相连 电压表输入端 插孔与模块上左边对应电压表输入端 红色 相连 电压表输入端 插孔与模块上 左边对应电压表输入端 黑色 相连 模块上 0 5V 电源输入端与主机箱上对应相连 4 光敏电阻与光源之间用遮光筒连接 打开电源 调节 0 5V 电源幅度调节旋钮 使 电压表显示 5V 20V 档 10 秒钟左右 可观察主机箱上的定时器 读取电流表的值 亮电 流 I亮和电压表的值 U测 5 将 0 12V 可调电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底后 调节 0 5V 电源幅度调 节旋钮 使电压表显示 5V 20V 档 10 秒钟左右读取电流表的值 暗电流 I暗和电压表的 值 U测 关闭电源 6 根据以下公式 计算亮阻和暗阻 照度为 100Lx U测为 5V U I R 测 亮 亮 U I R 测 暗 暗 7 光敏电阻在不同的照度下有不同的亮阻和暗阻 在不同的测量电压 U测 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 光照特性测量 7 光敏电阻的测量电压 U测 固定时 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 调节光源 0 12V 电压得到不同的光照度 测量方法同以上实验 测得 数据填入表 1 1 并作曲线图 光照度 Lx 10030050070090011001300 电流 mA 表 1 1 3 伏安特性测量 在一定的光照强度下 光电流随外加电压的变化而变化 测量时 根据表 1 2 给定光 照度 调节 0 5V 电压 由电压表监测 测得流过光敏电阻的电流 记录数据填入表 1 2 并作不同照度下的三条伏安特性曲线 表 1 2 4 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 实验时线路接法同图 3 2 在光路装置中先用照度计窗口对准遮光筒 调节 0 12V 电源输出 幅度旋钮 得到 100Lx 的照度 然后旋下光源前盖 更换不同的滤光片 可得到对应各种颜色 的光 作光谱特性时 需调节 0 5V 电源输出幅度旋钮 使光敏电阻工作在固定电压 5V 下 根据光敏电阻在某一固定工作电压 5V 同一照度 100Lx 不同波长 颜色 时测量流 过光敏电阻的电流值 就可作出其光谱特性曲线 实验数据填入表 1 3 颜色波长 nm 100Lx 照度下的电流 红 650 橙 610 黄 570 绿 530 电压 V 电流 A 光照度 Lx 1 252345 100 300 500 8 青 480 蓝 450 紫 400 表 1 3 六 实验报告六 实验报告 1 分析光敏电阻的工作原理 2 分析光敏电阻的光照特性 并画出光照特性曲线 3 分析光敏电阻的伏安特性 并画出伏安特性曲线 4 分析光敏电阻的光谱特性 并画出光谱特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 光敏电阻和普通电阻主要有什么不同 它有哪些特点 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 VCC 为电源输入 接主机箱 0 5V 可调的正负极 A 两端测试孔为电流输出端口 V 两端测试孔为电压输出端口 9 实验二实验二 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 光照特性 伏安特性和光谱相应特性 二 实验内容二 实验内容 1 光敏二极管光照特性测量 2 光敏二极管伏安特性测量 3 光敏二极管光谱特性测量 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 普通光源 一个 遮光筒 一个 光敏二极管 一个 光照度计探头 一个 光电器件实验 一 模板 一个 滤色片 七色 一套 支架 一套 导线 若干 四 基本原理四 基本原理 光敏二极管是一种光伏探测器 主要利用了 PN 结的光伏效应 对光伏探测器总的伏安特 性可表达为 exp 1 iiDiisoeu kBTi 式中 i 中是流过探测器总电流 iso 二极管反向电流 e 是电子电荷 u 是探测器两端电压 kB 为玻耳兹曼常数 T 器件绝对温度 当入射光的强度发生变化 通过光敏二极管的电流随之变化 于是在光敏二极管的二端 电压也发生变化 光照时导通 光不照时 处于截止状态 并且光电流和照度成线性关系 10 五 五 实验步骤实验步骤 1 光照特性测量 根据图 2 1 接线 光敏二极管即为图中光敏探头 测量光敏二极管的暗电流和亮电流 电流表输入端 与模块上左下对应安培表输入端 红色 相连 电流表输入端 与模块上左下对应安培表输入端 黑色 相连 电压表输入端 与模块上左边对应电压表 输入端 红色 相连 电压表输入端 与模块上左边对应电压表输入端 黑色 相连 模 块上 0 5V 电源输入端与主机箱上对应相连 暗电流测试 将主机箱中的 0 12V 可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底 打 开主机箱电源 顺时针方向慢慢地调节 0 5V 可调电源输出电压 使电压表显示 5V U测 读取主机箱上电流表 20 A 档 的值即为光敏二极管的暗电流 亮电流测试 a 关闭主机箱电源 撤下光敏二极管 换上光照度计探头 用连接线将照度计探头的两 个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔 分别相应连接 照度计探头与光源 之间用遮光筒连接 b 打开主机箱电源 顺时针方向慢慢地调节 0 12V 可调电源 光源电压 使主机箱上 照度计的读数为 100Lx c 撤下照度计探头 换上光敏二极管 读取电流表值 即为照度 100Lx U测5V 光敏 二极管工作电压 时的亮电流 光敏探头遮光筒前盖光源 A V VA 光敏器件 光敏接收器件 光敏接收器件0 5V可调 硅光电池 R1 Vcc R2 R3 R4 光敏器件输入 主机箱 电流表 主机箱 0 5V电压 主机箱 0 12V电压 VCC 光电器件实验 一 图 2 1 光敏二极管特性实验接线图 11 重复 a b c 实验步骤 把测量值填入表 2 1 并作出曲线 照度 Lx 100200300400500600700800 I 亮 A 表 2 1 2 伏安特性测量 在一定的光照强度下 光电流随外加电压的变化而变化 测量时 根据表 2 2 给定光 照度 调节 0 5V 电压 由电压表监测 测得流过光敏二极管的电流 记录数据填入表 2 2 并作不同照度下的三条伏安特性曲线 表 2 2 3 光谱特性测量 光谱特性测试用七种颜色的滤光片代替不同波长的光 实验方法与亮电流测试方法基本一样 不同点就是拧下光源前盖 更换不同颜色的滤色 镜 调节光源电压 在相同照度 800 Lx 下 测得光电流 填入表 2 3 并作出曲线 颜色 nm 光电流 I A 照度 Lx 红 650 橙 610 黄 570 绿 530 青 480 蓝 450 紫 400 800 表 2 3 六 实验报告六 实验报告 1 分析光敏二极管的工作原理 2 分析光敏二极管的光照特性 并画出光照特性曲线 3 分析光敏二极管的伏安特性 并画出伏安特性曲线 电压 V 电流 A 光照度 Lx 1 252345 100 300 500 12 4 分析光敏二极管的光谱特性 并画出光谱特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 自己分析一下实验中用到的光敏二极管的特点 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 VCC 为电源输入 接主机箱 0 5V 可调电源输出的正负极 A 两端测试孔为电流输出端口 V 两端测试孔为电压输出端口 实验三实验三 光敏三极管特性实验光敏三极管特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解光敏三极管工作原理 光照特性 伏安特性和光谱相应特性 二 实验内容二 实验内容 1 光敏三极管的光照特性测量 2 光敏三极管的伏安特性测量 3 光敏三极管的光谱特性测量 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 普通光源 一个 遮光筒 一个 光敏三极管 一个 光照度计探头 一个 光电器件实验 一 模板 一个 滤色片 七色 一套 支架 一套 导线 若干 13 四 实验原理四 实验原理 在光敏二极管的基础上 为了获得内增益 就利用了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 3 1 所示 B E 光 P N N EJ SiO2 E C V RL C B E I I 1 i a 光敏三级管结构 b 使用电路 c 等效电路 图 3 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和集电极并联 集电极 基极产生的电流 输入到三极管的基极再放大 不同之处是 集电极电流 光电流 由集电 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 五 五 实验步骤实验步骤 1 光照特性测量 根据图 3 2 接线 光敏三极管即为图中光敏探头 测量光敏三极管的暗电流和亮电流 电流表输入端 与模块上左下对应安培表输入端 红色 相连 电流表输入端 与模块上左下对应安培表输入端 黑色 相连 电压表输入端 与模块上左边对应电压表 输入端 红色 相连 电压表输入端 与模块上左边对应电压表输入端 黑色 相连 模 块上 0 5V 电源输入端与主机箱上对应相连 14 光敏探头遮光筒前盖光源 A V VA 光敏器件 光敏接收器件 光敏接收器件0 5V可调 硅光电池 R1 Vcc R2 R3 R4 光电器件实验 一 光敏器件输入 主机箱 电流表 主机箱 0 5V电压 主机箱 0 12V电压 VCC 图 3 2 光敏三极管特性实验接线图 暗电流测试 将主机箱中的 0 12V 可调稳压电源的调节旋钮逆时针方向慢慢旋到底 打 开主机箱电源 顺时针方向慢慢地调节 0 5V 可调电源输出电压 使电压表显示 5V U测 读取主机箱上电流表 20 A 档 的值即为光敏三极管的暗电流 关闭电源 亮电流测试 a 关闭主机箱电源 撤下光敏三极管 换上光照度计探头 用连接线将照度计探头的两 个插孔与主机箱上的照度计输入的两个插孔 分别相应连接 照度计探头与光源 之间用遮光筒连接 b 打开主机箱电源 顺时针方向慢慢地调节 0 12V 可调电源 光源电压 使主机箱上 照度计的读数为 100Lx c 撤下照度计探头 换上光敏三极管 读取电流表值 即为照度 100Lx U测5V 光敏 二极管工作电压 时的亮电流 重复 a b c 实验步骤 测量不同照度下的亮电流值 填入表 3 1 并作出光照特性曲 线 照度 Lx 100200300400500600700800 I 亮 mA 15 表 3 1 2 伏安特性测量 在一定的光照强度下 光电流随外加电压的变化而变化 测量时 根据表 5 2 给定光 照度 100 Lx 调节 0 5V 电压 由电压表监测 测得流过光敏三极管的电流 记录数据填 入表 5 2 并作出伏安特性曲线 表 3 2 3 光敏三极管的光谱特性测量 光敏三极管对不同波长的光 接收灵敏度光不一样的 它有一个峰值响应波长 当入射 光的波长大于峰值响应波长时 相对灵敏度要下降 光子能量太小 不足以激发电子空穴对 当入射光的波长小于峰值响应波长时 相对灵敏度也要下降 这是由于光子在半导体表面附 近就被吸收 并且在表面激发的电子空穴对不能到达 PN 结 因而使相对灵敏度下降 实验时通过滤色片的得到不同波长的光 不同波长的光在相同的照度下 检测出对应的 光敏三极管的电流大小 则得到不同波长的灵敏度 光敏三极管响应波长 光谱特性 的实验方法与亮电流测试方法基本一样 不同点就是 拧下光源前盖 更换不同颜色的滤色镜 调节光源电压 在相同照度 100 Lx 下 测得光电 流 填入表 3 3 并作出光谱特性曲线 颜色 nm 光电流 mA 照度 Lx 红 650 橙 610 黄 570 绿 530 青 480 蓝 450 紫 400 100 表 3 3 电压 V 电流 mA 光照度 Lx 0 511 522 5 100 16 六 实验报告六 实验报告 1 分析光敏三极管的工作原理 2 分析光敏三极管的光照特性 并画出光照特性曲线 3 分析光敏三极管的伏安特性 并画出光照伏安曲线 4 分析光敏三极管的光谱特性 并画出伏安特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 自己分析一下实验中用到的光敏三极管的特点 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 VCC 为电源输入 接主机箱 0 5V 可调的正负极 A 两端测试孔为电流输出端口 V 两端测试孔为电压输出端口 17 实验四实验四 硅光电池实验硅光电池实验 一 实验目的一 实验目的 了解硅光电池的光照特性 伏安特性和光谱特性 熟悉其应用 二 实验内容二 实验内容 1 硅光电池的光照特性实验 2 硅光电池的光谱特性实验 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 普通光源 一个 遮光筒 一个 硅光电池 一个 光照度计探头 一个 光电器件实验 一 模板 一个 滤色片 七色 一套 支架 一套 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 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 五 实验步骤五 实验步骤 1 光照特性测量 18 硅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 1 按图 4 1 接线 将光源两个插孔接入主机箱 0 12V 可调电源的相应插孔上 逆时 针方向调节可调电源的旋钮到底 将光电池的两个插孔接到实验模板的硅光电池上 根据颜 色对应连接 硅光电池遮光筒光源 A V VA 光敏器件 光敏接收器件 光敏接收器件0 5V可调 硅光电池 R1 Vcc R2 R3 R4 光电器件实验 一 光敏器件输入 主机箱 0 5V电压 VCC 主机箱 0 12V电压 图 4 1 光电池实验接线图 2 将照度计探头两个插孔接到主机箱的照度计输入端的相应插孔上 打开主机箱电源 将照度计探头用遮光筒与光源连接起来 调节接入光源的 0 12V 电源调节旋钮 使照度计显 示 100Lx 拿去照度计探头 把硅光电池连到遮光筒上 将主机箱的电压表接到光电实验器 件模板的硅光电池的电压表接口上 测出 100Lx 照度下的开路电压 把电压表的引线断开后 将主机箱的电流表串接到实验模板上 硅光电池的电流表接口上 测出 100Lx 照度下的短路 电流 重复以上方法 测出照度为 200Lx 600Lx 时的硅光电池的开路电压和短路电流 将 数据填入表 4 1 并作出光照特性曲线图 光照度 Lx 100200300400500600 19 短路电流 A 开路电压 V 表 4 1 2 光谱特性 光电池在不同波长的光照下 产生不同的光电流和光生电动势 用不同颜色的滤色片得 到不同波长的光 滤色片更换 拧下光源前盖 分别拧上红 橙 黄 绿 青 蓝 紫七种 滤色片 在相同的照度 100Lx 之下 将测量结果填入表 4 2 并作出光谱特性曲线图 波长 nm 红橙黄绿青蓝紫 电动势 mV 电流 mA 表 4 2 六 实验报告六 实验报告 1 分析硅光电池的工作原理 2 分析硅光电池的光照特性 并画出光照特性曲线 3 分析硅光电池的光谱特性 并画出光谱特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 硅光电池的受光面为什么是蓝色的 它有什么作用 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 VCC 为电源输入 接主机箱 0 5V 可调的正负极 硅光电池 为硅光电池的输入端口 按测试孔颜色接入 A 两端测试孔为电流输出端口 V 两端测试孔为电压输出端口 20 21 实验五实验五 光调制解调实验光调制解调实验 一 实验目的一 实验目的 了解光调制解调的原理 二 实验内容二 实验内容 1 光脉冲调制实验 2 光音频调制实验 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 发光二极管 一个 光敏三极管 一个 遮光筒 一个 光调制解调实验模板 一个 支架 一套 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 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 如声音信号 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 本实验用的是电 光调制和声光调制 五 实验步骤五 实验步骤 1 光脉冲调制 1 按照图 5 1 接线 在光脉冲调制实验部分 将发光二极的两个插孔与光电器件实验 模板的光发射的输入插孔按对应颜色相连 光敏三极管的两个插孔与实验模板的光接收输入 插孔按对应颜色相连 再将实验模板的 5V 和 插孔与主机箱的 5V 电源相连 22 脉冲 发生器 输入 脉冲 指示 R1 R3 R5 光 发 射 光 接 收 输 出 脉 冲 指 示 R4 R2 R8 R7 R6 RW1 R9 RW1 R10 R11 扬 声 器 光 发 射 光 接 收 Vcc Vcc 话 筒 输 入 光脉冲调制实验光音频调制实验 调制强度调整解调灵敏度调整话筒 Vcc 5V 光电器件实验 光调制 光发射光接收 RP1RP2 图 5 1 光脉冲调制 2 打开主机箱电源 将发光二极管和光敏三极管对准 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 则观察不到此现象 2 用声音调制光信号 按图 5 2 接线 将光脉冲实验的接线相应的移到光音频调制实验上 对准发射管和接收 管的光路 对准实验模板上的话筒讲话 调节音频调制强度和灵敏度电位器旋钮 使模板上 的扬声器发出说话声实现了光调制 灯干扰或其它光线干扰时 需要加上遮光筒挡住外界的 杂散光的干扰 若用纸或手挡住光路 再对着话筒讲话时 模板上的扬声器不发出声音 调 制中止 23 脉冲 发生器 输入 脉冲 指示 R1R3 R5 光 发 射 光 接 收 输 出 脉 冲 指 示 R4 R2 R8 R7 R6 RW1 R9 RW1 R10 R11 扬 声 器 光 发 射 光 接 收 Vcc Vcc 音 频 输 入 光脉冲调制实验光音频调制实验 RW1音频 调制强度 RW2音频解 调灵敏度 话筒输入 Vcc 5V 光电器件实验 光调制 光发射 光接收 图 5 2 声音调制 六 实验报告六 实验报告 1 描述光脉冲调制的实验现象并进行分析 2 描述光音频调制的实验现象并进行分析 七 实验思考题七 实验思考题 以上实验中用到的调制方式是内调制还是外调制 怎样提高系统的工作质量 你有那些方法 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 5V 和 为 5V 电源的引入端 接主机的 5V 光发射 为发光二极管接入端 按测试孔颜色接入 光接收 为光敏三极管接入端 按测试孔颜色接入 24 实验六实验六 PSDPSD 位置传感器实验位置传感器实验 一 实验目的一 实验目的 了解一维 PSD 光电位置敏感器件的原理与应用 二 实验内容二 实验内容 使用一维 PSD 测量输出电压与位移的关系 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 PSD 传感器实验模板 一个 PSD 传感器及位移装置 一套 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 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 6 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 从而 0 I 在两个输出电极上分别得到光电流和 显然 而和的分流关系则取决于 1 I 2 I 012 III 1 I 2 I 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 6 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的等效电阻 1 R 2 R 显然 1 R 正比于光点到两个输出电极间的距离 2 R 图 6 1 断面结构图 6 2 电位器模型 25 因为 1221 IIRRLXLX 012 III 所以可得 10 2 IILXL 20 2 IILXL 210 XIIIL 当入射光恒定时 恒定 则入射光点与 PSD 中间零位点距离 X 与成线性关系 0 I 21 II 与入射光点强度无关 通过适当的处理电路 就可以获得光点位置的输出信号 五 实验步骤五 实验步骤 1 按图 6 3 接线 将实验模块的 15V 和 插孔与主机箱中的 15V 稳压电源 和 分别对应相连 再将实验 PSD 传感器装置中的半导体激光器的两个插孔与实验模板 的激光电源的插孔根据颜色对应连接 实验模板的 PSD I2 接 PSD 传感器的蓝色插孔 Vref 基准源接 PSD 传感器的黄色插孔 PSD I1 接 PSD 传感器的红色插孔 2 将 PSD 传感器实验模板单元电路连接起来 即与接 与接 与接 1o V 1 i V 2o V 2i V 4o V 5i V 与接 将主机箱的电压表接到实验模板的和 上 5o V 6i V 7o V PSD I1 Vref PSD I2 R1 R2 R8R9 R6R7 R3 R4R5 R10 RP2 R12R16 R11 R15RP1R14 Vo1 Vo2Vi2 Vi1 Vo3 Vo4 Vi5 Vo5 15V 15V Vo7 Vi6 15V 15V RP1 输出幅度调整 PSD 传 感 器 实 验 激光电源输出 主 机 箱 15V 15V 主 机 箱 电 压 表 5V 零点调整 RP2 图 6 3 PSD 位置传感器实验接线图 3 打开主机箱电源 实验模板开始工作 调整升降杆和测微头固定螺母 转动测微头使 激光光点能够在 PSD 受光面上的位置从一端移向另一端 最后将光点定位在 PSD 受光面上的 正中间位置 目测 调节零点调整旋钮 使电压表显示值为 0 转动测微头使光点移动到 PSD 受光面一端 调节输出幅度调整旋钮 使电压表显示值为 4V 或 4V 左右 4 从 PSD 一端开始旋转测微头 使光点移动 取 X 0 5mm 即转动测微头一转 读取 图 6 1图 6 2 26 电压表显示值 填入表 6 1 画出位移 电压特性曲线 位移量 mm 00 511 522 533 544 5 输出电压 V 表 6 1 1 根据表 6 1 所列的数据 计算中心量程 2mm 3mm 4mm 时的非线性误差 2 如有兴趣 可以做实验原理中在入射光恒定的情况下 不变的实验 0 I 六 实验报告六 实验报告 测量 PSD 位移传感器位移值与输出电压的关系 填入表中 并画曲线图进行分析 七 实验思考题七 实验思考题 试分析一下二维 PSD 的工作原理 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 15V 15V 为电源引入口 接主机的 15V 15V 激光器电源输出 为 PSD 位移装置激光器提供电源 PSDI1 Vref PSDI2 为 PSD 位移装置的 PSD 传感器引入端 按顺序连接 Vo7 为输出电压检测点 接主机箱电压表 27 实验七实验七 光纤位移传感器实验光纤位移传感器实验 一 实验目的一 实验目的 了解光纤位移传感器工作的原理及其性能 二 实验内容二 实验内容 光纤位移传感器输出电压与位移的关系实验 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 光纤位移传感器实验模板 一个 PSD 传感器及位移装置 一套 螺旋测微头 一个 反射面 一个 反射式光纤 一根 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 如图 7 1 是线性位移测量装置 光源探测器 输入光纤输出光纤 被测物体 a d b 图 7 1 线性位移测量装置 28 光从光源耦合到输入光纤射向被测物体 再被反射回另一光纤 由探测器接收 设两根 光纤的距离为 d 每根光纤的直径为 2a 数值孔径为 N 如图所示 这时 2 d tg b 由于 所以式可以写为 1 sinN 1 2 sin d b tgN 很显然 当时 即接收光纤位于光纤像的光锥之外 两光纤的耦 1 2sinbdtgN 合为零 无反射进入接收光纤 当时 即接收光纤位于光锥之内 两 1 2sinbdtgN 光纤耦合最强 接收光纤达到最大值 d 的最大检测范围为 1 sina tgN 如果要定量的计算光耦合系数 就必须计算出输入光纤像的发光锥体与接收光纤端面的 交叠面积 如图 7 2 所示 由于接收光纤芯径很小 常常把光锥边缘与接收光纤芯交界弧线 看成是直线 通过对交叠面简单的几何分析 不难得到交叠面积与光纤端面积之比 即 1 1 cos 1 1 sin 1 b b 2a d 输入光纤 输出光纤 输出光纤像 本实验采用的传光型光纤 它由两束光纤混合后组成 两光束混合后的端部是工作端亦 称探头 它与被测体相距 X 由光源发出的光传到端部出射后再经被测体反射回来 由另一 束光纤接收光信号经光电转换器转换成电量 而光电转换器的电量大小与间距 X 有关 因此 可用于测量位移 图 7 2 29 五 实验步骤五 实验步骤 1 根据图 7 3 安装光纤位移传感器 光纤二束插入实验板上的座孔上 其内部已和发光 管 D 及光电转换管 T 相接 图 7 3 光纤位移传感器 2 将主机箱的电压表接到实验模块的和 上 将实验模块的 15V 和 O V GND 插孔与主机箱中的稳压电源 15V 及其 分别对应相连 见图 7 4 图 7 4 光纤位移传感器实验连线图 调节测微头 使探头与发射面圆平板接触 打开电源开关 调 RP 使数显表显示为零 旋转测微头 使被测体离开探头 每隔 0 1mm 读出数显表值 将其填入表 7 1 X mm 0 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 U V X mm 1 11 21 31 41 51 61 71 81 92 0 U V 表 7 1 3 根据上表 作光纤位移传感器的位移特性曲线 计算在量程 1mm 时灵敏度和非线性误 30 差 六 实验报告六 实验报告 测量光纤位移传感器输出电压与位移的关系 填入表中 并做出特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 根据特性曲线 试想一下光纤位移传感可做哪些测量 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 15V GND 15V 为电源引入口 接主机的 15V 15V Vo 及其下方插孔为输出电压检测点 分别接主机箱电压表 31 实验八实验八 光纤温度传感系统特性实验光纤温度传感系统特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解光纤温度传感的原理和性能 二 实验内容二 实验内容 光纤温度传感特性实验 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 光纤温度压力实验模板 一个 温度源机箱 一个 集成温度热电偶 一个 K 型温度热电偶 一个 两相电源线 一根 光纤 一根 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 光纤温度传感器有功能型和传导型两种 功能型光纤温度传感器是利用光纤本身的特性 把光纤直接作为敏感元件 既感知信息又传输信息 例如利用光的构位变化 使温度变化时 单模光纤的纤维长度折射率与路径均发生变化 使传输光的构位也发生变化 此时可利用干 涉仪将相位变化换为振幅变化 当相位满足谐振条件时 输出光出现峰值 本实验提供的是传导型温度传感器 它由两部分组成 一部分是温度位移敏感元件 双 金属片 通过它将温度转变成位移量 另一部分是光纤位移传感器 它测量出温度变化产生 的位移变量 通过系统的温度和位移关系标定就可以测量相应的温度量 温度控制仪 PID 位式控制 说明 31 1 设定键 2 设定值减少键 3 设定值增加值 4 设定值显示器 5 测量值显示器 6 控制输出指示灯 7 自整定指示灯 8 第一报警指示灯 9 第二报警指示灯 仪表操作 1 将 K 型热电偶接入主机箱面板温度控 制中的 Ei 标准值插孔中 合上热源 开关 仪表将首先开始按 A B C 程序自检 A 所有数码管笔画及所有指示灯全部点 亮 用来检测发光系统是否正常 此时如发现 有不能点亮的发光件 请停止使用该仪表送修 此过程只持续 0 2S B PV 窗口 即上排显示窗口 显示 TYPE SV 窗口 即下排显示窗口 显示仪 表目前所应配输入类型 此过程持续 2S C 显示仪表的控制范围 SV 窗口显示下 限测量控制值 PV 窗口显示上限控制值 设定 比例带时就是根据此范围来取得比例系数的 例如 PV 窗口显示 100 SV 窗口显示 50 则范围为 150 此过程持续 2S 2 仪表进行完以上三步自检后 即投入 正常测控状态 上排 PV 窗口显示测量值 下 排 SV 窗口显示设定值 3 要想修改设定值时 请在正常的显示方 式下 按一下 SET 键 PV 窗口显示 SP SV 窗 口显示已设置的值 此时按 键向上调节设定 值 按 键向下调节设定值 长时间按住 键 或 键可实现连续快加或快减 按 SET 键来完 成确认修改 在不按任何键的状态下自动退回 到正常显示状态 仪表承认修改 4 要想修改 SP 以外的参数值 请在正 常显示方式下 按住 SET 键 3 秒以上 即可进入 内部参数设定 根据应用系统需要设置不同的 参数值 特别是 Pb Ti Td t 四项 应请有经验的操作人员设定 当然也可以通过 打开自整定参数功能来实现 PID 参数和自动整 定 5 AT 值的默认值为 OFF 将其设置成 ON 后 面板上的 AT 指示灯亮 仪表按照普通 的二位式调节仪表来控制系统 经过上下 3 个 振荡周期后 将会得出系统设定点的最佳 PID 参数值 并永久保存 除非用户自行更改 或 重新启动自整定功能而使其改变 启用自整定 时 应尽量避免引入任何的干扰信号 否则将 可能导致得出不正确的参数 破坏系统的正常 运行 注意 开启自整定功能前请先确定设 定值 自整定的参数只对应设定点在该系统的 相对参数 图 8 1 温控仪面板图 32 参数设定表 序 号 提示 符 名称 设定范 围 说明 出厂 值 1SP 控制点 设定 全范围系统预大达到值随机 2AL 1 上限报 警 全范围 测量值大于上限报警时有触点输出同时 报警灯亮 随机 3AL 2 下限报 警 全范围 测量值小于下限报警时报警灯亮 同时 无触点输出 XMT 例外 随机 4P 比例带 0 200 0 时位式控制 4 5Ti 积分时 间 1 3600S Ti 0 时切除积分作用 250 6Td 微分时 间 1 3600S Td 0 时切除微分作用 50 7T 控制周 期 1 200S 用继电器时应大于等于 20S 用固态继 电器说应等于 2S 20 8Lock 电子锁 0 2 0 所有参数均可以修改 1 所有参数均 不可修改 2 只有设定值可以修改 0 9A 自动整 定参数 ON OFF ON 开启自整定功能 OFF 关闭自整定功 能 OFF 五 实验步骤五 实验步骤 1 根据图 8 2 和图 8 3 接线 把光纤的两个头插入光纤温度压力实验模板中的 光电变换座的两个圆孔中 在温度源顶部小圆孔中安装好 K 型热电偶和集成温度热电 偶 将温度传感实验模板中的三芯插座与主机箱温控仪中下面的两相电源插座连接 用专用电源线连接 将温度源上的红色和黑色插孔分别与主机箱温控仪上冷却风 扇 12V 的 插孔相应连接 将光纤温度压力实验模板 15V 与主 机箱稳压电源 15V 相连接 光纤温度压力实验模板的 Uo 和 插 孔与主机箱电压表 2V 档 输入的 插孔相连 模板上 上下两个插孔 mA 33 按颜色对应接入主机箱电流表 20mA 档 的 输入插孔 K型热电偶 集成热电偶 接主机箱 温控仪Ei 接模块 温度传感器 加热器 冷却风扇 图 8 2 温度源接线图 图 8 3 光纤温度接线图 2 打开主机箱电源 调节光纤温度压力实验模板中 W 零点 电位器 使主机箱 上的电压表显示为 0 室温时 显示 0V 关闭主机箱电源 3 将温度源上加热器顶部的 K 型热电偶引线按颜色对应接入温控仪 Ei 传感器输 入端 将温度源上加热器顶部的集成温度热电偶引线按颜色对应接入温度压力实验模 板上的温度传感器输入端 34 4 打开主机箱电源 再打开温控仪电源开关 参照以上温度控制仪说明 设置 温控仪的控制温度为 80 待加热至 80 时 调节 WT2 使电流表显示值为 8mA 再 设置温控仪的控制温度为 40 待冷却至 40 时 调节 WT1 使电流表显示值为 4mA 5 温度从 40 开始 仪表每隔 5 记录一次电压表读数 当温度加热与冷却 平衡时 即温控仪的显示的温度稳定不变时 记下主机箱电压表的读数 填入下表 8 1 并根据实验数据作实验曲线 温控仪 常温 40 45 50 70 75 80 电压表 V 0 表 8 1 六 实验报告六 实验报告 测量光纤温度传感器的电压与温度的关系 并做出特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 你认为造成温度值和电压表读数不是完全成线性的原因有哪些 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 15V 15V 为电源引入口 接主机箱的 15V 15V Uo 为输出电压检测点 接主机箱电压表 mA 两端测试孔为电流监测端 接主机电流表 温度传感器 两端测试孔为热电偶输入端 接 K 型热电偶 主机箱 加热 220V 为温度源电源接入口 主机箱 冷却风扇 为温度源 12V 的接入端口 主机箱 传感器输入 Ei 为集成温度热电偶输入接口 发射 接收接口为光纤插入口 35 36 实验九实验九 光纤压力传感系统特性实验光纤压力传感系统特性实验 一 实验目的一 实验目的 了解光纤压力传感的原理和性能 二 实验内容二 实验内容 光纤压力传感特性实验 三 实验仪器三 实验仪器 ZY13OFSens12SB 主机箱 一台 光纤温度压力实验模板 一个 血压表 一个 光纤 一根 导线 若干 四 实验原理四 实验原理 本实验所使用的光纤压力传感器是一种传光型的复合型光纤传感器 在此光纤本 身作为信号的传输线 在实验过程中实现了压力 电 光 光 电的转换 使用压电 式传感器 压电式传感器主要是利用某些非金属晶体的压电式效应 压电效应的基本 特点是在机械应力或压力的作用下 表面极化电荷增加 将这个变化引入到测量电路 通过光电转换则光信号强弱的变化就反映了所受压力的变化 五 实验步骤五 实验步骤 1 根据图 9 1 的示意图将血压表的一端插入主机箱气压源的插孔 注意 拔除 胶管时必须用双指将气压源插孔边缘往内压 则胶管可轻松拉出 另一端接压力模 块的气压引入口 光纤的两个头分别插入光纤温度 压力传感器实验模板中光电变换 座的圆孔中 37 图 9 1 光纤压力连接图 2 将光纤温度压力传感器实验模板的 15V 与主机箱中的 15V 相连 再将光纤传感器实验模板的输出 Uo 和主机箱电压表 2V 档 的 相连 mA 上下两个插孔按颜色对应接入主机箱电流表 20mA 档 的 输入插孔 3 打开主机箱电源 再打开气压电源开关 调节转子流量计旋钮设置气压为 20KPa 血压表监测气压大小 待指针稳定后调节 WP2 使电流表显示值为 8mA 再调 节转子流量计旋钮设置气压为 4KPa 待指针稳定后调节 WP1 使电流表显示值为 4mA 4 气压从 7KPa 开始 根据表 9 1 记录主机箱电压表读数 待血压表指针稳定 后再读数 填入下表 9 1 并根据实验数据作特性曲线 压力 KPa 7891012141618 38 U V 表 9 1 六 实验报告六 实验报告 测量光纤压力传感器的气压与温度的关系 并作出特性曲线 七 实验思考题七 实验思考题 根据你的理解 光电传感的核心是什么 八 实验测试点说明八 实验测试点说明 15V 15V 为电源引入口 接主机的 15V 15V mA 两端测试孔为电流监测端 接主机电流表 发射 收接口为光纤插入口 引压口 为气压接入口 39 实验十实验十 电光调制电光调制 一 实验目的一 实验目的 了解电场和光场相互作用的物理过程 观察电光调制现象 测量电光调制特性 二 实验仪器二 实验仪器 声光调制实验仪一套 水准仪 数字示波器 三 实验原