光电技术实验指导书

光电技术与器件课程实验指导书目录第一次实验实验一光敏二极管特性测量实验1实验二光敏三极管特性及参数测量实验2第二次实验实验三光敏电阻特性及参数测量实验3实验四光敏电阻暗光街灯实验4第三次实验实验五光电耦合器性能测试实验5实验六光电耦合器控制开关实验6第四次实验实验七PSD特性参数测量实验7实验八PSD微振动检测实验8第五次实验实验九硅光电池的光电特性测量实验9实验十硅光电池测光实验10实验十一硅光电池转速测定实验11第六次实验实验十二光电断续器性能测试实验12实验十三光电断续器斩光频率（速度）测量实验13第七次实验实验十四光栅衍射演示实验14实验十五光栅周期测定实验15实验十六光栅衍射法激光波长测定实验16第八次实验实验十七红外光电接近开关实验17实验十八红外遥控LED彩灯实验18备注每次实验2课时。实验一光敏二极管特性测量实验一、实验目的了解红外发光二极管（红外LED）的发光特性，测量和掌握不同照度下光敏二极管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏二极管的伏安特性。二、实验原理光敏二极管是一种光电效应器件，可以应用于光伏和光电导工作模式，主要用于可见光及红外光谱区。通常是在反偏置条件下工作，即光电导工作模式，这样可以减少光生载流子渡越时间及结电容，可获得较宽的线性输出和较高的响应频率。实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏二极管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元直流稳压电源，光敏对管（红外LED，光敏二极管），电阻，数字电压表，电流（毫安）表，激光器（由“激光器”单元的VOUT插孔端及亮度旋钮控制，下同）。四、实验步骤1按图11所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。2光电特性测量。在某一电压U（如3V电源）时，用毫安表（电流值刻度读数值当前量程）测定电流随光照强度（如暗处、日光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。表11光敏二极管的光电特性（3V电源时）光照状况全暗日光灯照射台灯斜照射台灯正照射激光照射电流值IMA3伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U的大小（如15，20，25，30，40，50V等，可用面板上的“振动控制”或“电机控制”单元分压获得，即VIN端接入3V或5V，调节旋钮，获得不同的VOUT端电压，后同），用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化情况，在图12上绘制出IU曲线族。图11光敏二极管特性测量电路MAVRUI增大IU图12光敏二极管的伏安特性注意施加的电压尽量不要超过5V。不能过分用力地插入或拔出接插线，因为这可能导致部分插孔松动，造成实验结果的不准确。请仔细插入或拔出接插线（后同）。实验二光敏三极管特性及参数测量实验一、实验目的测量和掌握不同照度下光敏三极管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏三极管的伏安特性。二、实验原理光敏三极管的工作原理与光敏二极管类似，同属内光电效应器件，但其光电特性和伏安特性比光敏二极管灵敏。实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏三极管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元直流稳压电源，光敏三极管，红外LED，电阻，数字电压表，电流（毫安）表，半导体激光器。四、实验步骤1按图21所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。2光电特性测量。在某一电压U（如3V）时，用毫安表测定电流随光照强度（如暗处、日光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。3伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U的大小（如15,20,25,30,40,50V等），用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化关系，将结果绘制成曲线图。注电压不得超过5V。4请比较光敏三极管与光敏二极管特性的异同，并分析原因。图21光敏三极管特性测量电路UMAVRI光电特性IU伏安特性图22光敏三极管的特性曲线光照强度实验三光敏电阻特性及参数测量实验一、实验目的了解光敏电阻的电阻特性，掌握光敏电阻的伏安特性及其随光照强度的变化规律。二、实验原理光敏电阻是最典型的光电效应器件，即其电导率随光照强度而发生变化。半导体光电导器件是利用半导体材料的光电导效应制成的光电探测器件。本实验旨在测定光敏电阻在不同光照环境下的电阻值，并测定其伏安特性随光照强度的变化规律。三、实验所需单元直流稳压电源，光敏电阻，数字电压表，电流（毫安）表，万用表。四、实验步骤1光敏电阻的暗、亮电阻测定。如图31所示，用万用表从光敏电子两端测定它在不同光照条件下的电阻值，将测得的结果填入表31。表31光敏电阻的阻值变化2光敏电阻伏安特性测定。按图32所示连接各元件和单元，检查连接无误后，开启电源。用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）遮住光敏电阻（视为全暗），分别接插不同的电压U值（如15,20,25,30,40,50V等），利用电流表测定流过光敏电阻的电流值I，数字电压表测定U值。改变光敏电阻的光照强度（如全暗、日光灯、台灯、激光照射），重复测定I与U的关系，可得到图33所示的伏安特性关系曲线族。3分析上述测量结果，进一步了解光照状况全暗日光灯照射台灯斜照射台灯直照射激光照射光敏电阻值K万用表图31暗、亮电阻的测定图32伏安特性测量电路MAUIIU图33光敏电阻的伏安特性光照强度光敏电阻的光敏特性，掌握其中的变化规律。实验四光敏电阻暗光街灯实验一、实验目的利用光敏电阻的电阻变化特性，将之作为街灯自动点亮与熄灭的传感器件，掌握基于光敏电阻的暗光街灯的工作原理及应用。二、实验原理根据实验测定，光敏电阻的电阻值随光亮度的增大而迅速减小。利用这一特性，设计了暗光街灯演示实验。其原理是当环境变暗时光敏电阻的阻值增大，当亮度降低到一定值时，即光敏电阻值增大到某一阈值时，光电传感电路系统自动点亮小灯泡，从而达到与暗光街灯相似的目的。三、实验所需单元直流稳压电源，光敏电阻，三极管放大电路，小灯泡（负载），万用表，数字电压表。四、实验步骤1按图41所示连接各元件和单元，连接3V电源。2检查连接无误后，开启电源。3用一挡光物（如黑纸片或瓶盖）慢慢靠近实验台上的光敏电阻，也即将光敏电阻上的部分光线挡住时，可观察到小灯泡慢慢由暗变亮；当光敏电阻完全被挡住时，或者室内灯光全部熄灭时，小灯泡亮度达到最亮。这一实验过程与暗光街灯的自动亮暗控制完全相同。适当调节该单元的“增益”旋钮，可改变小灯泡的亮度。五、注意事项直流电源应确认为3V，否则有可能毁坏小灯泡。如房间内光线太强或太暗，请作适当调整，以使光敏电阻正常工作。负载3V图41暗光街灯实验电路实验五光电耦合器性能测试实验一、实验目的了解由红外发射管接收管构成的光电耦合器的工作原理和特性，测定并掌握其中的接收元件的伏安特性。二、实验原理光电耦合器是一种“电光电”耦合器件，它由红外LED及与之对准但有一定距离的接收管组成。光耦的输入量和输出量均为电流，但两者在电气上完全绝缘。本实验将测定光耦的接收器的伏安特性，其测定原理与光敏二极管、三极管的伏安特性测定相似。三、实验所需单元直流稳压电源，光电耦合器，电阻，数字电压表，电流（毫安）表。四、实验步骤1按图51所示连接各元件和单元。2检查无误后，开启电源。发射管的控制电压（015V）,可借用面板上的“分压单元”分压获得，即VIN端接入3V，将VOUT端与光耦发射器正端连接。注意发射器控制电压绝对不得超过16V,否则可能烧坏光电耦合器3当发射器电压为0V时（全暗），接收器测量电路分别接插不同的电源电压（如15,20,25,30,40,50V），以获得不同的电压U值。利用电流表测定流过接收器的电流值I，用数字电压表测定U值。之后，改变发射器电压（015V），以获得不同强度的红外光，重复测定I和U的关系，将实验结果绘制在图52中，得到光耦接收器在不同红外光照下的IU关系曲线族图。4将测得的曲线族与实验一的光敏二极管伏安特性曲线族比较，考察分析两者的异同。注意发射器控制电压不得超过16V。接收器电压不得超过5V。UI图51光耦接收器伏安特性测量电路VMAR015VIU图52光耦接收器的伏安特性发射器电压实验六光电耦合器控制开关实验一、实验目的利用光电耦合器的性能，将之作为光电控制开关系统的传感器件，以实现电气上绝缘的光耦式继电控制。二、实验原理当光耦的反射管流过电流时即发出红外光，接收器受此光照后将产生相应的光电流，光电流足够大时，接收器达到饱和状态，其发射极输出高电平，从而控制后续的继电器开启，实现电气上绝缘的光耦式继电控制。三、实验所需元件和单元直流稳压电源，光电耦合器，电阻，按钮，数字电压表，继电器。四、实验步骤1按图61所示实验电路连接各元器件及各单元。连接12V电源端，并将实验电路的“K”输出端与继电器的“IN”端相连。2检查无误后开启稳压电源。按一下面板上的控制按钮，发射管发出红外光，电路开始工作，可听到继电器开启的“嗒”声；再按一下按钮，发射管关闭，继电器再次发出“嗒”声，表示已关闭。3利用上述控制开关，即可将继电器用于控制其他电路系统或负载的开启与关闭，如小灯泡（3V电源）的点亮，彩灯（5V电源）的点亮等。实验者也可自行设计多种控制对象，达到光耦式继电控制的目的。图61光电耦合器控制开关实验电路12VKR3V按钮接继电器实验七PSD特性参数测量实验一、实验目的了解光电位置敏感元件（PSD）的原理，测定并掌握PSD的光电特性和位置敏感特性。二、实验原理PSD元件是一种对入射在光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出光电流信号与光点在光敏面上的位置有关，且与光的聚焦无关，只与光的能量重心有关，此即PSD的位置敏感特性。此外，PSD的总输出光电流大小随光照强度而增大。三、实验所需单元直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，数字电压表，电流（毫安）表或万用表。四、实验步骤1PSD位置敏感特性测定。按图71所示电路将PSD元件的上端或下端（虚线）与毫安表相连。检查无误后开启稳压电源。取下激光器，插头连接到“激光器”单元VOUT端，将之点亮，通过PSD座的观察窗使激光束照射到PSD上，手动激光器，使光斑从左至右沿光敏面移动，在此过程中记录毫安表或万用表的读数，将光电流的变化情况填入表71。2PSD光电特性测定。按图72所示电路将PSD元件的上端和下端与毫安表或万用表相连。检查无误后开启稳压电源。通过PSD座的观察窗，用不同的光源（如日光灯、台灯、激光等）照射到PSD光敏面上，以表72记录PSD光电流的变化情况。3分析掌握PSD的光电敏感特性与位置敏感特性及其变化规律。表71PSD的位敏特性光斑位置左中右光电流A表72PSD的光敏特性光照条件全暗日光灯台灯激光MAMA图71PSD位置敏感特性测量电路图72PSD光电特性测量电路光敏区域光斑PSD光电流A实验八PSD微振动检测实验一、实验目的深入了解光电位置敏感元件（PSD）的工作机理，了解PSD的动态响应特性，掌握采用PSD元件测量微振动的原理与方法。二、实验原理激光器发出的激光束照射到“振子”偏心轮上，一部分被偏心轮漫反射，经透镜聚焦PSD光敏面上，PSD两端输出一定的光电流。当偏心轮随电机高速旋转时，光斑位置在PSD光敏面将作周期性微振动，造成光电流的周期性微小变化，通过放大电路将光电流转换成电压信号，即可得到反映偏心轮振子振动的波形。三、实验所需元件和单元直流稳压电源，半导体激光器，PSD元件，PSD光电流/电压转换电路，低通滤波器，电机，振子（偏心轮），示波器。四、实验步骤图81PSD微振动测量实验电路1按图81所示电路连接各部分。连接好“低通滤波器”单元的正负电源。2检查无误后开启稳压电源。点亮激光器，适当调节激光斑在偏心轮上的上下左右位置，使PSD光敏面上的光斑大致位于图示位置。3将面板上“振动控制”单元的输入端“VIN”接5V电源端；将“振动控制”单元的输出端“VOUT”与“振子”上端连接，“振子”下端（靠近实验者的那一端）接地。顺时针调节频率旋钮，偏心轮电机开始转动，可在示波器上看到振动波形，即偏心轮的包络线（参见图81）。适当调节“增益”旋钮，使振动波形不失真。4将“PSD电流/电压转换”单元的输出端与“低通滤波器”单元的输入端连接，用示波器观察滤波前后的波形及其差别。5频率测定。可从示波器上测得振动周期，取其倒数即为频率值。据此实际上还测定了电机的转速。精细调节“振动控制”单元的“频率”旋钮，改变振子的频率，重复上述实验。将实验结果填入表81。振幅的测定实验请实验者自行设计。表81PSD测振结果序号123415V15VIC示波器或低通滤波器光敏区域光斑大体位置PSD振动频率HZ实验九硅光电池的光电特性测量实验一、实验目的了解硅光电池的工作原理，掌握硅光电池的短路电流、开路电压等特性及其随光强而变化的规律。二、实验原理硅光电池是一种利用光生伏特效应的PN结光电器件，不需加偏压即可把光能转换成为电能。硅光电池的短路光电流与光照度（光通量）成线性关系，而开路电压与光照度的对数成正比。本实验旨在测定硅光电池的短路电流和开路电压及其变化规律。三、实验所需单元直流稳压电源，硅光电池，数字电压表，电流（毫安）表，台灯，激光器等光源。四、实验步骤1短路电流测定。按图91所示连接各单元。用电流表测定硅光电池在不同光照下（全暗、日光等照射、台灯照射、激光照射）时的短路电流大小，将结果记录至表91。2开路电压测定。按图92所示连接各单元。用数字电压表测定硅光电池在不同光照下（全暗、日光等照射、台灯照射、激光照射）时的开路电压大小，将结果记录至表92。3分析考察硅光电池的短路电流和开路电压的变化规律。表91硅光电池的短路电流光照状况全暗日光灯照射台灯斜照射台灯直照射激光照射短路电流MA表92硅光电池的开路电压光照状况全暗日光灯照射台灯斜照射台灯直照射激光照射开路电压VMAV图91硅光电池短路电流测量图92硅光电池开路电压测量实验十硅光电池测光实验一、实验目的深入了解硅光电池的工作原理及静态特性，掌握其在环境光亮度测量中的应用。二、实验原理根据硅光电池在不同光照条件下的电流与电压特性，可将之作为测定环境光强度的传感器件。环境光照变化时，将引起硅光电池光电流或电动势的变化，测定后两者的变化值，即可获知环境光照的变化情况。三、实验所需单元直流稳压电源，硅光电池，放大电路，数字电压表，台灯，激光器等光源。四、实验步骤图101硅光电池测光实验电路1按图101所示电路连接各单元。2检查无误后开启电源，将增益调整到适当位置，在不同光照环境条件下，读出电路的输出电压，将结果记入表101。3实验者可自行设计实验，设定某一光照亮度阈值（即测定电压值），当环境光照亮度小于阈值时，即提供警示信号，提醒人们以提高环境光亮度，预防近视等的发生。表101硅光电池测光光照状况全暗日光灯照射台灯斜照射台灯直照射激光照射测定电压V3V数字电压表实验十一硅光电池转速测定实验一、实验目的进一步了解和掌握硅光电池的动态响应特性及其应用。二、实验原理当激光束直接照射到硅光电池上时，后者将输出连续的光电流信号；而如果激光束被固定于变速电机轴上的斩光器斩光，则光电池接收到的是被调制的频率为F0的光信号，相应地将输出周期性的光电流信号。将此信号进行调整、放大或滤波，即可得到较理想的波形。该信号的频率可由示波器测得，进而计算出变速电机此时的转动频率（速度）为FF0/N其中N为斩光器叶片或通孔的数量。三、实验所需单元直流稳压电源，硅光电池，放大电路，调速单元，变速电机，斩光器，半导体激光器，示波器。四、实验步骤图111硅光电池转速测量实验电路1按图111所示连接各单元。将“电机控制”单元的输入端“VIN”连接到5V电源端，输出端“VOUT”连接“电机”上端，“电机”下端（靠近实验者的那一端）接地。2检查无误后开启电源。连接激光器插头，调节亮度旋钮使其点亮。先转动偏振片转盘，使透过它的激光束最强；或者将偏振片转盘逆时针旋出，撤去。适当调节激光器高度，使激光束投射到硅光电池的光敏面上。调节“速度”旋钮，使电机旋转。3用示波器观察斩光波形（注大致为方波。由于硅光电池的响应频率较低，故而波形可能出现叠波，这是正常现象，因此电机转速不宜过快），据此测定波形的频率，即为斩光频率，将斩光频率除以8（斩光器有8个通孔，故电机每转一周可斩光得到8个波形），即为电机的转速。调节电机的转速，重复上述测量实验，将转速结果记入表111。表111硅光电池测转速结果序号1234转速转/秒15VIC示波器或滤波器15V实验十二光电断续器性能测试实验一、实验目的了解由红外LED光敏管构成的光电断续器的特性，测量和掌握不同照度下其中的光敏管的光电特性，测量和掌握不同照度下光敏管的伏安特性。二、实验原理实验过程中通过改变环境光照强度和反偏电压，测定通过光敏管的光电流大小，从而获得其在不同光照强度和不同反偏电压下的光电特性及伏安特性，得到相应的关系曲线。三、实验所需单元直流稳压电源，光电断续器，电阻，数字电压表，电流（毫安）表，激光器。四、实验步骤1按图121所示连接各元件和单元。检查接线无误后，开启稳压电源。2光电特性测量。在某一电源电压（如3V）时，用毫安表测定电流随光照强度（如暗处、日光灯照射、台灯照射、激光照射等）的变化情况，记录测定的数据，将结果绘制成曲线图。3伏安特性测量。在某一光照下，改变电压U（如15,20,25,30,40,50V等）的大小，用毫安表测定电流的变化，数字电压表测定U值，记录测定的数据；改变光照强度（如日光灯照射、台灯照射、激光照射等），重复测量电流随电压的变化关系，将结果绘制成曲线族。注电压U不得超过5V。UMAVR图121光敏二极管特性测量电路II光电特性IU伏安特性图122光电断续器光敏管的特性曲线光照强度实验十三光电断续器斩光频率（速度）测量实验一、实验目的进一步学习光电断续器的性能，掌握基于光电断续器的斩光频率（速度）测量系统的工作原理及应用。二、实验原理光电断续器中的红外LED与光敏管相对设置。当红外LED发出红外光时，如光敏管处于反偏状态，则光敏管将输出连续的光电流信号；如果用挡块将红外光遮挡，光电流为零。因此，如果用斩光片将红外光周期性斩断，则光敏管将输出同频率的周期性光电流信号。将光电流信号放大，即可测得其频率，从而推算出斩光频率或电机转速。三、实验所需单元直流稳压电源，光电断续器，放大电路，继电器，电机，斩光器，示波器。四、实验步骤1按图131所示连接各元器件和实验单元。检查无误后开启电源。2遮挡调试。将放大电路“K”两端与继电器“IN”两端连接。用手缓慢转动斩光片，每转过一个透光孔位置，继电器发出“嗒”的开关声，说明电路工作正常。3频率（速度）测量。撤去继电器。将“电机控制”单元的输入端“VIN”连接到5V电源，输出端“VOUT”连接“电机”上端，“电机”下端接地。调节“速度”旋钮使电机转动，用示波器从“K”的下端及接地端观察斩光波形（注大致为方波，由于光敏管响应频率较低，可能出现叠波，这是正常现象，故电机转速不宜过快），据此测定波形的频率，即为斩光频率，将斩光频率除以8（斩光器有8个缺口，故电机每转一周可斩光得到8个波形），即为电机的转速。调节电机的转速，重复上述测量实验，将转速结果记入表131。表131光电断续器斩光频率（转速）测定结果序号1234斩光频率HZ转速转/秒R图131光敏二极管特性测量电路3V遮挡片或斩光片12VK接继电器遮挡时接示波器（斩光时）实验十四光栅衍射演示实验一、实验目的了解激光照射时光栅的衍射特性。二、实验原理图141光栅衍射演示实验原理图根据衍射规律，当激光照射光栅时，将产生如图所示的衍射光斑图样。光斑的分布及间距与光栅距D、激光波长、衍射距离L等存在一定的关系。三、实验所需单元直流稳压电源，半导体激光器，衍射光栅，投射屏。四、实验步骤1将激光器移至衍射光栅实验区的激光器座上，适当调节激光器姿态，使激光器与衍射光栅对准。2连接无误后，开启电源。点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级衍射光斑。3请实验者思考分析光斑的大小、分布及强度的变化规律。激光束D衍射光斑光栅LS实验十五光栅周期测定实验一、实验目的了解激光照射时光栅的衍射特性，掌握光栅距的测定方法。二、实验原理图151光栅衍射实验及光栅距（光栅周期）测定原理图根据衍射规律，光栅距D与激光波长、衍射距离L、一级光斑和中央光斑的间距S之间存在如下关系D/S2根据上述关系式，在已知激光波长的情况下，利用衍射距离L、中央光斑的间距S等参数，即可计算测定衍射光栅的光栅距D。三、实验所需单元直流稳压电源，半导体激光器，衍射光栅，直尺，投射屏。四、实验步骤1将激光器移至衍射光栅实验区的激光器座上，适当调节激光器姿态，使激光器与衍射光栅对准。2连接无误后，开启电源。点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级衍射光斑。请分析光斑的大小及强度变化规律。3光栅距测量。已知激光波长为067M,用直尺或卷尺测量L和S的值，即可计算出光栅距D的大小。调整投射屏的距离L，多次测量，将结果记表181。表151光栅距测量结果（已知067M）序号1234LMMSMMDM激光束D衍射光斑光栅LS实验十六光栅衍射法激光波长测定实验一、实验目的了解激光照射时光栅的衍射特性，掌握激光波长的测定方法。二、实验原理图161光栅衍射法激光波长测定原理图根据衍射规律，光栅距D与激光波长、衍射距离L、一级光斑和中央光斑的间距S之间存在如下关系D/S2根据上述关系式，在已知光栅距D的情况下（由上一实验测定），利用衍射距离L、中央光斑的间距S等参数，即可计算测定激光波长。三、实验所需单元直流稳压电源，激光教鞭或其他激光器，衍射光栅，直尺，投射屏。四、实验步骤1用手持激光教鞭等代替上一实验的激光器。将激光器对准衍射光栅。2点亮激光器，可在前方投射屏（或墙壁）上观察到衍射光斑的排列，与激光器正对的光斑为中央光斑，从中央光斑两侧向外依次为一级、二级、三级衍射光斑。请分析光斑的大小及强度变化规律。3激光波长测量。上一实验已知测得光栅距D，用直尺或卷尺测量L和S的值，即可计算出激光波长的大小。调整投射屏的距离L，多次测量，将结果记表161。表161激光波长测量结果（已知DM）序号1234LMMSMMM激光束D衍射光斑光栅LS实验十七红外光电接近开关实验二、实验目的在光敏二极管光电特性和伏安特性测定的基础上，学习掌握由