光电信息技术实验报告

1、光电信息技术实验姓名：XXX 班级：XXX学号：XXX指导老师：XXXX 实验一 阿贝原则实验一、 实验目的1. 熟悉阿贝原则在光学测长仪中的应用。二、 基本原理1. 阿贝比较原则 万能工具显微镜结构及实物图所示。万能工具显微镜的标准件轴线与被测件轴线不在一条直线上，而处于平行状况。产生的阿贝误差如下： 一阶误差，即阿贝误差2结论 1）只有当导轨存在不直度误差，且标准件与被测件轴线不重合才产生阿贝误差（一阶误差）。 2）阿贝误差按垂直面、水平面分别计算。 3）在违反阿贝原则时，测量长度为的工件所引起的阿贝误差是总阿贝误差的。 4）为了避免产生阿贝误差，在测量长度时，标准件轴线应安置在被测件轴线

2、的延长线上（阿贝原则）。 5）满足阿贝原则的系统，结构庞大。3.阿贝测长仪阿贝测长仪中，标准件轴线与被测件轴线为串联形式，无阿贝误差，为二阶误差，计算形式如下：三、 实验内容1. 万能工具显微镜进行测长实验1）仪器：万能工具显微镜，精度：1微米。用1元的硬币，分别测它们的直径，用数字式计量光栅读数及传统的目视法读数法。每个对象测10次，求算数平均值和均方根值。2）实验步骤：瞄准被测物体一端，在读数装置上读一数；瞄准被测物体另一端，在读数装置上再度一数（精度1微米）；两次读数之差即为物体长度。四、 实验数据次数12345678910左侧/mm-12.665-12.665-12.665-12.66

3、6-12.666-12.664-12.665-12.666-12.653-12.662右侧/mm8.6918.6998.7018.6998.7008.6998.6998.7008.6848.689直径/mm20.35620.36420.36620.36520.36620.36320.36420.36620.33720.351五、 数据处理计算平均直径：D=11020.356+20.364+20.366+20.365+20.366+20.363+20.364+20.366+20.337+20.351=20.360mm计算均方根值：x=110(20.3562+20.3542+20.3652+20.

4、3662+20.3662+20.3632+20.3642+20.3662+20.3512+20.3372)=20.360mm六、 实验小结 通过这次实验，理解了阿贝原理以及产生阿贝误差的原因，初步使用万能工具显微镜，对阿贝原理和阿贝误差产生原因有了较为深刻的理解，同时熟悉了阿贝原则在光学测长仪中的应用。实验二 激光平面干涉仪实验一、 基本原理 仪器：PG15-J4型激光平面干涉仪1台 内容：玻璃材料的平面度测量 精度：100nm激光平面仪原理图仪器结构 平面干涉仪基于双光束等厚干涉原理进行精密观测。如图3.1所示，图中s是扩展光源，位于准直透镜L1的前焦面上，发出的光束经透镜L1准直后射向玻璃

5、片M，再从玻璃片反射垂直投射到楔形平板G上。入射光束在楔形平板下表面的反射光透过平板上表面和玻璃片反射向L2.按照确定定域面的作图法，可知定域面在楔形平板内部的BB的位置。如果平板不是太厚，且平板两表面的楔角不是太大时，定域面非常接近平板下表面，这样如调节显微镜L2对准平板下表面，就可在显微镜像平面E上观察到楔形平板产生的等厚条纹。 平面干涉仪结构如图3.2所示。由组合星点G1发出的单色光经棱镜G2后，投向主镜表面折射为平行光后，射向主镜下表面（A面）及被测光学表面，A面和被测光学平面反射回来的光重叠相干后，经棱镜G2反射，进入接收件。星点可由激光管G5、棱镜G6、光源强度调节发散镜G7组成。

6、接收件可以由人眼G10，成像物镜G15和测微目镜G11，或由分光棱镜G12、可动小孔G13和摄像头G14组成的摄像。二、 实验内容1.玻璃材料的平面度测量。1） 测量局部误差 2） 测量整个面形误差（用） 光圈数 不足一个光圈数平面度测量2.实验步骤： 参考图3.1和3.2，1）移开成像物镜G15和测微目镜G11，旋转调整左右螺旋8，使平板绕水平面的横轴或纵轴微小摆动，出瞳S2绕S1转动直到S2和S1接近重合。2）装上成像物镜G15和测微目镜G11，继续旋转调整左右螺旋8，直到G11视场中干涉条纹清楚。3）测量e和H，计算平面度和粗糙度。三、 实验数据起始位置（mm）He对准位置（mm）距离（

7、mm）对准位置（mm）距离（mm）0.7331.2050.4721.7811.048四、 数据处理局部误差：1=He*2=142.942nm 面形误差：2=N*2=31508N五、 实验小结 在这次实验中，我对激光干涉仪的基本结构和操作方法有了了解，由直接观察曲面上的条纹分布，可以粗略地判断不平整度。导致H和e的测量都有很大误差的原因是实验中干涉形成的条纹较粗，影响最终实验精准度。实验四 光电直读光谱仪实验一、 实验目的1. 掌握光栅式光谱仪分光的基本原理。2. 熟悉光电直读光谱仪光电系统和机械结构。3. 掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。二、 基本原理1. 平面衍射光栅的分光原理光栅方程式如

8、图5.1所示，当一束平行的复合光入射到光栅上，光栅能将它按波长在空间分解为光谱，这是由于多缝衍射和干涉的结果。光栅产生的光谱，其谱线的位置是由多缝衍射图样中的主极大条件决定的。相邻两刻线对应的光线22和光线11的光程差为： （1）相干光束干涉极大值的条件为： （2）入射与出射光在光栅法线同侧取”+”号，在异侧取”-”号。 由式（1）和（2）可得相邻两光线干涉极大值的条件-光栅方程为： （3）式中 -入射角 -衍射角 -刻痕间距，通常称为光栅常数 -光谱级次， （3）式可改写为： （4）2. 光栅式单色仪光学系统切尔尼-特纳系统光学系统原理图光栅中心位于入射光线与出射光线的对称轴上，两个球面反射

9、镜的焦距均为300mm，入射与出射狭缝位于球面镜的焦面。平面反光镜作为折光镜将出射光线折转90°，以使出缝与入缝90°的垂直分布，可以避免因为光源与光电接收器距离过劲=近而互相干扰。复色光源经入射狭缝照明在球面镜（一）上，此镜将平行光投射到光栅上，光栅将复色光衍射分光，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面镜（二）上，此镜将接收的平行光束聚焦在出缝处，从而得到一系列按波长排列的光谱。透过出缝射出的光束只是光谱宽度很窄的一束单色光。扫描机构运行时，光栅随之旋转，这样就可以得到所选择的单色光。光路中的光阑和挡光板起限制视场外多余光束的作用，以利于减少仪器的杂散光。3. C

10、CD作探测器的光电直读光谱仪如图所示：光谱仪结构图1.入射狭缝及调焦筒 2.平面反射镜3.光栅旋转手轮 4.波长计数器5.球面反射镜（一） 6.球面反射镜（二）7.CCD探测器 8.调焦螺母9调焦筒紧固螺钉线 10.滤光片（CB550）主要参数及技术指标波段范围：330-1100nm焦距： 180mm平面光栅：300线/mm；闪耀波长:500nm 600线/mm；闪耀波长:500nm 1200线/mm；闪耀波长:500nm相对孔径：D/f=1/3.8三、 实验内容1. 分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数。2. 了解编VC+采集软件，及计算机界面设计。3. 用

11、CCD探测器的光电直读光谱仪进行光源光谱采集。4. 用光电池做探测器的光电直读光谱仪进行光源采集。四、 实验步骤 进行汞灯光谱实验开启汞灯高压电源，调整聚焦透镜使光源像聚焦到调整光谱仪输入狭缝，调整狭缝大小（大约0.5mm）使输出电压在合适范围内；用VC+采集汞灯光谱曲线。用数据文件记录光谱曲线，根据光谱曲线确定汞灯峰值波长钠灯特征谱线图：可见光波段扫描，得到白炽灯光谱图：五、 实验小结 从实验结果来看，本实验中用光电直读光谱仪观察了汞灯、钠灯、白炽灯的光谱图，光电直读光谱仪扫描结果比较直观，但不是很精确，只能用来粗略观察使用。实验五 光谱法物质成分分析实验一、 实验目的1. 熟悉用光电倍增管

12、作传感器的光电直读光谱仪的基本结构和光学系统。2. 掌握光电直读光谱仪的基本光谱实验。3. 了解光电倍增管传感器的前置放大电路，单片机A/D转换程序，以及串行通讯电路。4. 熟悉分光光度计基本原理。5. 掌握吸收光谱法检测物质浓度。二、 基本原理1. 平面衍射光栅分光原理2. 光电倍增管式光电直读光谱仪（1） 原理图光电直读光谱仪（2） 主要技术参数 波长范围 （可扩展为） 光栅 平面光栅 ，刻线面积， 闪耀波长 （可按用户要求选配其他规格的光栅） 波长准确度 波长重复性 焦距 相对孔径 分辨率 （光栅） 线色散倒数 （） 杂散光 （He-Ne激光器，在处测定） 狭缝 宽度 连续可调整，高度共

13、分五档 外形尺寸 长*宽*高 （主机） （控制器）3. 分光光度计如图所示，分光光度计是in性物质荧光光谱光强研究或物质分子吸收光谱的研究。主要由光源（氘灯D、钨灯W），发射单色器（光栅C、球面发射镜、）、调制盘CH、光电倍增管B、试样池及组成。分光光度计光学系统：分光光度计实物图：为了实现线性化测量，光栅光谱仪中设计了正弦机构。如图所示光栅垂直定位于一个转盘上，光栅、转盘以及摇杆（正弦杆）连接成一体形成一个构件，摇杆和丝杆组成正弦机构。（1） 透过率测试原理：让进行波长扫描（保持同样的波长接收），可得试样在不同波长下的透过率曲线其中：为透过试样的光强（探测器接收），为入射光强（探测器接收），

14、为透过率。（2） 吸收光谱测量原理：吸收光谱反映了物质本质特性，特定的气体、液体物质有特定的吸收光谱。吸收度的定义为：和的定义同上。用分光光度计测得和，自动计算可得吸收光度曲线，它就反映了物质的吸收光谱。（3） 分光光度法检测溶液浓度-朗伯比尔定律：式中为溶液浓度，、和的定义同上，为常数，它与入射光波长以及溶液的性质、液层厚度和温度有关，为溶液厚度。 分光光度计可测得溶液浓度，用相对法 已知标准溶液浓度，再测得、就可算得。三、 实验内容1. 分析光栅式光电直读光谱仪基本光学系统，绘制光路图和机构图，记录基本参数（焦距、主要尺寸）。2. 了解VC+采集软件，以及计算机界面设计，包括：对话框、光谱

15、曲线显示。3. 用双光束紫外可见分光光度计进行高锰酸钾溶液浓度测定。1） 吸收光谱法检测高锰酸钾溶液浓度。 首先配置已知浓度的高锰酸钾溶液，再配置另一浓度的高锰酸钾溶液，用分光光度计获得高锰酸钾溶液的吸收度曲线，以确定最大吸光度的波长值（绘制下图）。由于实验仪器故障，我们在进行本实验时，无法得到实验数据，所以无实验结果分析，在此抱歉。四、实验小结 通过本次实验掌握了吸收光谱法检测物质浓度和光电直读光谱仪的使用方法；但是由于实验仪器故障，需要返厂维修，我们无法得到正确的实验数据。在黄鹰老师和陈晶田老师的同意下，我们跳过此实验，在此抱歉。实验六 光电透过率测量实验一、实验目的 1. 学习典型光电系

16、统的设计方法2. 理解激光透过率测量的原理3. 设计激光透过率测量系统的各部分电路二、实验原理 透过率的测量是光学测量的一项重要内容， 在物质结构分析、 物体的化学性质、 生物医学等领域得到了广泛的应用。 一般情况下， 辐射源的辐射要受到中介媒质 （大气， 光学系统元件等） 的吸收，辐射等，只有一部分辐射功率透过媒质， 最后被探测器接受。 当以平行辐射束在媒质中传播时， 若媒质有吸收，则在传播一段距离之后，在垂直于传播方向单位面积上的辐射能通量将减少。 实验证明，对于在均匀吸收媒质，如果不考虑散射时，被吸收的辐射能通量的相对值m 距离时， 辐射能通量就衰减为原来值得1/ e 。 除去吸收外，

17、散射也是辐射衰减原因之一。 设有一辐射能通量为f 的平行辐射束， 入射到包含许多微粒质点的非均匀媒质上， 由于媒质内微粒的散射而衰减的相对值 / dff 与通过的距离 dx 成正比，即： 将上式从 0 到 x 积分，得到在 x 处的辐射能通量： 该式称为散射定律，式中 (0) f 为在 x=0 处的辐射功率，m 为散射系数，与吸收情况相似，媒质散射也是辐射能通量按指数规律衰减。 如果传播媒质中同时存在吸收和散射，则辐射能通量为f 的入射辐射在传播 x 距离之后，透过的辐射能通量为： 上式称为比尔朗伯定律。式中，激光透过媒质后的光强与透过前的光强的比值称为透过率。 又称透射率或透射系数。如前所述

18、，其计算公式为： 三、系统组成框图与说明1.系统框图 激光透过率测量系统得原理框图如下：由经过调制的激光器发出的一定波长的激光经过介质后衰减，光强减小，分别测量出激光通过介质前后的光强， 即可测出激光通过此介质的透过率。 光电传感器将入射的光信号转变成电信号，经信号处理电路，如 IV 转换电路、滤波电路、积分电路，将交流信号变成直流信号， 该直流信号的大小与入射到光电传感器上的光信号的强度成正比， 通过测量该直流电流的大小即可测量出激光通过介质的透过率。 1. 各部分电路说明 驱动与调制电路：为满足半导体激光器对驱动信号的频率要求，可以设计一个可调谐的方波发生器。方波发生频率从 32KHZ 到

19、 125HZ.。方波发生器实际上是由以 NE 555 为核心的组成。 555 时基电路和 R16、R13、C12 等组成一个无稳态多谐振荡器，它的振荡频率此多谐振荡器产生的波形是具有一定占空比的方波，其中 将原理图中的参数带入公式可计算出从 555 产生的方波信号频率为 32KHZ.。参考电路如下： 本实验中，半导体激光器的调制频率采用 1KHz。 光电传感 I/V 转换电路： 光电传感器采用光电池， 由于光电池采用无偏置电路， 输出信号为电流，所以后续的电路采用低噪声、低偏置电流放大器 CA3140 设计了如图 3 所示的 I/V 转换电路。由电路的虚短与虚断特性计算可知： 带通滤波电路:

20、本方案设计一个 2 阶压控电压源带通滤波器，要求中心频率 f=1khz,增益Av =2，品质因数 Q=10，原理图如图所示。带通滤波器的性能参数：积分电路：积分电路的作用是将输入的交流信号变成直流信号，可以采用 AD536A 芯片。AD536A 能够计算直流和交流信号的真有效值。在工作时，如果输入的是幅值缓慢变化的直流信号，则它可以进行精确的转换。当输入直流信号的幅值变化较快时，由于直流误差(平均误差)和纹波误差的存在，AD536A 的实际输出值将与理想的输出值略有差异。 当采用如图 5 所示的两极滤波电路时， 在不增加稳定时间的情况下， 可更有效地减小纹波。 对于恒定的纹波， 可以通过减小

21、C6、C4 和 C5 的值来进一步缩短稳定时间。 由于直流误差与滤波器无关，而仅与 C6 有关，所以在选择 C6 时，只要考虑其直流误差即可。经过 AD536 后输出的是直流信号，与入射到光电传感器上的光信号的强度成正比。三、实验内容 实验内容： 1、 实验背景介绍和整体演示； 2、 学生自己动手调节光路，电路不作设计由已经有的模块来完成，记录不同波片的透过率。 实验数据标准样品0.90.790.50.320.10电压（mV）897.6840.0516343114透过率0.89760.8400.5160.3430.114相对误差/%0.266.33.27.214载物台上无样品时，V0=1000

22、mV误差分析1.电阻阻值与标称值不相符；2.探测器受外界扰动；3.探测器的灵敏度有限。 实验小结 实验中测量了并计算样品的光谱透过率，熟悉了光电探测系统的基本组成，掌握了透过率的测量原理及方法，并且基本完成了测量任务。实验七 摄像机原理实验一、实验目的 1 理解摄像机的工作原理2 掌握视频信号的构成3 设计简单的叠加图形二、电视摄像原理 一幅图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉特性，总可以看成是由许多小单元组成。在图像处理系统中， 这些组成画面的的细小单元称为象素， 象素越小， 单位面积上的象素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。 电视系统中， 把构成一幅图像的各象素传送一遍称为一个帧处理，

23、图像的每帧由许多象素转变成相应的电信号， 再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去， 接受端接收后又同时进行转换， 恢复出原发射的信号。 1.电视扫描 只有对一幅图象进行分解和同步扫描之后，才可能对这幅图象进行传递和再现。因此，一个完整的电视信号不但应有反映象素亮度的视频信号还应有保证与摄象管内电子束进行同步扫描的复合同步信号，以及在扫描逆程时关闭电子束的复合消隐信号！ 根据人眼的生理特点，在不产生亮度闪烁感和保证有足够的清晰度的情况下，扫描频率应该在 48Hz 以上， 扫描行数须在 500 以上，为了使图象清晰度不下降，又要减小系统的带宽， 人们又提出了隔行扫描技术！隔行扫描方式是将一帧（

24、一幅）电视图象分成两场进行扫描。第一场扫出光栅的第 1，3，5，7等奇数行，称为奇数场；第二场扫第 2，4，6，8等偶数行，称为偶数场。每一帧图象经过两场扫描，所有象素即可扫完，电视电子束的扫描轨迹也称为扫描光栅，如上图所示。下图所示为行扫描电流波形及水平(行)扫描示意图。场扫描锯齿电流及场偏转轨迹如上图所示 2.亮度视频信号 视频输出的电压大小， 反映了一行中对应象素的明暗程度， 视频信号具有正负极性之分，对于正极性视频信号， 象素越亮信号的幅度越大， 而对于负极性视频信号则相反， 象素越亮，信号的幅度越小！ 3.复合消隐信号 电视系统中扫描正程期间传送图像信号，逆程期间不传送图像信号。电子

25、束逆程扫描在荧光屏上出现回扫线， 将对正程的图像造成干扰， 影响图像的清晰度。 因此需使电视机在行、场扫描逆程期间电子束截止，以消除行、场逆程回扫线，即实现消隐。行消隐脉冲的宽度一般为 12us,场消隐脉冲宽度一般为 25TH，如下图： 4.复合同步信号 在电视系统中 为了使电视机重现的图像与摄像机拍摄的图像完全一致， 要求接收端与发送端的电子束扫描必须同步。如果收、发端扫描不同步，则重现的图像变形或不稳定，严重时图像混乱不能正常收看。完整的同步信号如下： 视频同步信号同步脉冲叠加在消隐脉冲之上，亮度视频信号则是插在相连的消隐脉冲之间。5.开槽脉冲 从上述说明中， 我们可以看到场同步信号的宽度

26、远比行同步的要宽的多， 同时要比行周期还要宽， 这对于接受方获取同步信号是很不利的。因此， 为了解决这个问题， 作到准确同步， 我们将场同步信号开槽， 信号形成一系列的锯齿形状。 这些锯齿脉冲中也包含有行同步信号，称为“开槽脉冲”。6.均衡脉冲 另外， 电视视频信号中的行场同步信号的提取是不同。 行同步信号是幅度比较法获得的，通过限幅电路来获得同步； 我们看到， 场同步信号脉宽比行的要大的多， 因此通过对符合同步信号进行积分后，用比较电路就可以获得场同步信号。 为了保证奇偶场的场同步积分后波形相同，在场间又引入均衡脉冲！ 三、电视信号图象叠加原理视频信号及时间叠加是视频信号中混入一定形状的图形

27、或时间信号， 从而在屏幕的特定位置上与图象信号同时进行显示的设备。 本实验是要在视频信号中叠加一个十字线， 其基本原理如下： 首先提取视频信号中行场同步信号， 然后对行、 场同步信号进行计数， 产生一个与行场同步信号有稳定关系的控制信号， 用这个控制信号控制模拟开关， 模拟开关的输出就在 2 路输入信号 （十字线与视频信号） 间的快速切换， 由于人眼视觉的暂留效应， 在显示器屏幕上看起来就是一幅叠加了十字线的图像！ 下面是电视信号叠加图像的原理框图： 普通摄像头输出的是复合视频信号，因而首先必须进行分离。 1、视频信号同步分离电路（1）、LM1881 芯片简介 为了使用方便， 我们使用集成视频

28、信号同步分离电路 LM1881， 下面简单说明 LM1881 的功能。 LM1881 视频信号同步分离器能够从幅度为 0.5V 到 2V 的标准负同步 NTSC、PAL 和 SECA信号中提取定时信号，包括混合和场的同步脉冲定时和奇偶场信息。LM1881 的工作原理如下图：LM1881 的使用十分方面，只需要直流 5V 到 12V 的单电源提供电压，在使用的过程中，除了在 8 脚用电容耦合电源和在 6 脚用耦合电容设置电流外， 只仅仅需要在 2 脚耦合信号输入耦合一个电容和在 6 脚设置一个电阻， 他们是用来确定内部电流的； 如果输入信号扫描频率不是 15.734kHz，那么通过调节 6 脚可

29、以保证 LM1881 器件能够使用。从该芯片中我们可以得到四种主要的同步信号： 混合同步信号 （包括场行扫描时间信息）， 场同步脉冲， 冲激或钳位脉冲和奇偶输出。 实验仪器电路板中使用集成芯片 LM1881 分离出行场同步信号的电路如下： LM1881 构成的行场分离电路其中：hs 表示复合同步输出vs 表示场同步输出EVEN/ODD 表示奇偶场同步输出2、控制电路 控制电路的功能是要计算出叠加图像的场、行位置值。实际上使用计数器就可以实现。本实验仪使用大规模可编程逻辑电路 EPM7128SLC84 来实现对 hs、vs 信号的计数。 3、叠加图形 模拟开关工作原理示意图： 假设模拟开关有二路

30、输入信号 VideoIn 1、VideoIn 2， 当选择信号 VideoSe 为高电平时，模拟开关输出为 VideoIn 1，当 VideoSe 为低电平时，模拟开关输出为 VideoIn 2。一、 实验内容（1） 用示波器观察复合视频信号的波形。（2） 用示波器观察场同步、行同步信号的波形并画出这两个波形图。（3） 按动S1S5，观察实验现象。（4）在实验仪的面包板上，用中小规模集成电路实现在监视屏幕上任一位置的叠加一横线或竖线。具体实现过程：用两片74HC161通过并行方式组成一个256进制计数器，用此计数器对hs信号进行计数，计数器的进位输出与CD4053的第10脚相连，通过控制CD4

31、053的输出在原图像和横线的快速切换，就可以在显示器上叠加一条横线的图像。二、实验小结 通过观察实验现象，理解了摄像机的工作原理和视频信号的组成；掌握了视频信号中叠加图像、文字的原理和方法，并在视频信号中叠加了时间和日期、十字线等图像，基本完成实验目标。实验八 光谱透过率测试实验一、实验目的（1）了解单色仪结构、原理和使用方法；进一步了解锁定放大器的工作原理以及其使用方法。（2）掌握单色仪的定标方法及用单色仪测定滤光片光谱透过滤的方法。深入理解微弱信号检测的原理。（3）学会设计检测试样的光谱透过率的方法。二、实验原理1. 单色仪工作原理光栅单色仪的光路结构如图1所示，入射到光栅单色仪的自然光或

32、复色光，经入射狭缝S1后投射到球面反射镜M1上。S1处于M1的聚焦面上。因此反射光为平行光束。这束平行光束经闪耀光栅G分光后，分成不同波长的平行光束以不同的衍射角投向球面反射经M2。球面镜M2起照相物镜的作用，这些平行光束经过M2、M3反射后成像在他的聚焦面上，从而得到一系列的光谱。出射狭缝位于球面镜M2的聚焦面上。根据它开启的宽度大小，允许波长间隔非常狭窄的一部分光束射出狭缝S2。图1 WDG30型光栅单色仪原理图当旋转转轮带动光栅旋转时，可以在狭缝S2处得到光谱纯度高的不同波长的单色光束。这样单色仪就起到了将入射的复色光分解成一系列独立的单色光的作用。使用单色仪时首先要用标准光源对单色仪的

33、读数进行校准，本实验光源采用的是高压汞灯，它有404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、577nm、579.1nm几条特征谱线，根据这些谱线可以对单色仪的读数进行校准。2. 锁定放大器工作原理本实验选用南京大学生产的HB-211型精密双相锁定放大器，它是一种新型正交锁定放大器，能精确地测量被淹没在嗓声、干扰背景中的微弱信号。该锁定放大器采用了多点信号平均和相敏检波联合使用的技术，完成对被测信号同相分量和正交分量的检测。并具有动态范围大、漂移小等特点。仪器原理框图如图2所示，主要包括以下几大部分：输入信号部分、参考信号部分、信号处理部分、单片机功能控制及测量值显示PC机接口

34、部分、电源及其它部分。图2 HB-211型精密双相锁定放大器原理框图（1）输入信号通道输入信号通道由低噪声前置放大器，量程控制放大器，高通、低通滤波器三部分组成。高通、低通滤波器，是由运算放大器和R,C组成的二阶高通、低通滤波器，原理图如图3所示。由高通、低通滤波器组成带通滤波器，根据待测信号的频率选择高通、低通滤波器的载止频率，组成以待测信号频率为中心的带通特性，抑制干扰，提高仪器的过载能力和动态范围。高通、低通滤波器通截止频率可调。组成的滤波器只能放大被测信号及其频率附近带宽内的噪声，使远离信号频率的噪声或干扰被抑制，达到减小干扰或解除过载的目的。图3 高通、低通滤波器原理图（2）参考信号

35、通道锁定放大器是利用相关接收原理，从噪声或干扰背景中检测微弱信号，因此，他必须要有一个参考信号通道。参考通道的作用是将外部输入的参考信号(同步信号)，加工成信号处理部分要求的同频方波。经锁相环和分频器组成的倍频电路。对输入信号进行倍频(2f工作模式)或不倍频(f工作模式)。f,2f工作模式根据测量要求，由单片机控制。f,2f电路的输出去触发宽带相移电路。相移量0°,90°,180°,270°由单片机控制，调节面板旋转能产生0100°的相移量，此相移器调节的相移量是移动方波的上升沿，用此上升沿去触发由锁相环构成的倍频和分频电路。（3）信号处理部分

36、信号处理部分是本仪器的核心，对信号进行多点平均和相关处理，从而能达到从噪声或干扰背景中检测信号，信号处理部分的原理框图如图4所示。图4 信号处理部分原理框图由信号通道输出的信号，设为,为输入信号的振幅，为相对于参考信号的相位差。此信号经由参考信号通道输出的f,2f方波控制的四点平均器进行信号平均。多点信号平均器相当于一个带通放大器，带通的中心频率由参考方波的频率决定，当参考信号频率发生变化时，此带通放大器的中心频率也随着变化。因此，多点信号平均器相当于一个跟踪滤波器，能抑制干扰和噪声。本仪器采用的多点信号平均器是由一个电阻和四个由开关控制的电容器组成，在一个周期内四个开关轮流接通，即每一个电阻

37、电容组成的积分器在四分之一的周期内对信号进行积分。把与参考信号(触发开关的同步信号)同频率的正弦波在四个电容器上积分，在电容上的稳态电压分别为:式中为放大倍数，为输入信号的幅值，为输入信号相对于参考信号的相位差。多点信号平均器的输出信号,通过放大后，与参考信号的调相方波进行相敏检波，相敏检波器是开关式的相敏检波器，对于控制开关的同频信号相对于的相位差分别为0°、90°、180°、270°的输出波形对应的直流分量分别是: 、。是放大倍数。相敏检波器的开关同步信号是参考信号输出的调相方波。与的相位差分别为0°、90°、180°、

38、270°四个频率为1024Hz的周期依次改变，每一种相位占四分之一周期，因此，相敏检波器的同步开关用控制，输出信号通过低通滤波和放大后，在多点信号平均器中进行同步积累，由于模拟多点信号平均器的同步开关信号与调相同步开关是同一个1024Hz的信号控制的，能保证严格同步。如图4所示。多点信号平均器的输出波形，多点信号平均器内四个电容上轮流输出的电压分别为、。其中K为总放大倍数。这波形中包含了被测信号的同相分量和正交分量。（4）同相、正交分量测量电路被测信号用直角坐标分量表示，就需测量出同相分量和正交分量信号平均器的输出信号，通过两个电位器进行分压后，分成两路，分别输给同相分量通道和正交分

39、量通道的相敏检波器(PSD)，两通道的电路完全一样，由相敏检波器(PSD)和低通滤波器组成，所不同的正交PSD只响应多点信号平均器输出波形中的电压，同相PSD只响应电压。通过低通滤波器后，最后的输出的直流电压为：同相分量，正交分量，很显然，这两个量是相敏的，可以作为矢量电压表使用，或任何一路都可以作为单通道锁定放大器使用。上述两通道的低通滤波器的时间常数，通过单片机控制。本仪器的测量显示是由A/D变换及单片机处理后。在液晶屏上同时显示，两分量。三、实验仪器锁定放大器、光栅单色仪、溴灯、斩光器、高压汞灯、会聚透镜、滤光片等。锁定放大器的使用1.信号输入2.接地端子3.时间常数的选择4.参考模式f

40、，2f的使用5.直角坐标分量,和极坐标,的测量。二、 实验内容及步骤1.实验内容主要包扩单色仪的定标和光谱特性的测量。光谱特性的测量即利用宽光谱的卤素灯溴灯作光源，分别测量探测器在直接接收单色仪出射光和透过被测样品时的光谱响应，从而求出几种样品的光谱透过率。2.实验步骤（1）校准单色仪按图5装置摆好光路，调整透镜尽量使得汞灯的光能聚焦在单色仪的入射狭缝，使透镜高压汞灯单色仪观察出光狭缝图5 单色仪校准装置示意图更多的光能进入单色仪。在单色仪出射狭缝从小到大旋转光栅单色仪的转轮，可以观察到汞灯精细明亮的6条特征谱线，实际波长依次为404.7nm、407.8nm、435.8nm、546.1nm、5

41、77nm、579.1nm。记下每条谱线单色仪对应的读数，为消除误差，测量23次取平均值。（2）光谱透过率测量按照图6所示装置放置好实验仪器，溴灯聚焦后的光斑落在单色仪入射狭缝上。调制器输出的信号（根据使用斩波器内外径选择合适的档位和输出端口）接锁定放大器参考信号输入端。探测器的输出接锁定放大器信号输入A端口。将锁定放大器的接地端子与大地连接，设置好仪器的各功能项。溴灯调制器单色仪探测器样品信号输入锁定放大器A B参考输入调制信号输出图6 光谱透过率测试装置示意图 测量样品的光谱透过率，调节单色仪，在可见光范围内，每隔一定波长（10或20nm）记录探测器的光谱响应值（为确保数据准确可测多组）。在

42、光路中放入待测样品，放入样品的时候尽可能使得光线正入射到样品，以免发生反射或样品等效厚度发生变化，重复上述步骤。3.数据处理分别整理用锁定放大器和高精读万用表测得数据，绘出被测样品光谱透过率曲线。由于探测器后的放大电路有一定直流偏置，用万用表测量和锁定放大器的测量数据在计算透过率时有所不同。用锁定放大器测量时，透过率，其中是放入待测样品后测得的电压值、为未放待测样品的电压值。三、 实验数据与数据处理1、 使用汞灯进行单色仪校准2、样品的光谱透过率测量Vr1为样品1的电压测量值Vr2为样品2的电压测量值Vr为不加样品的电压测量值由此可以绘出样品1的光谱透过率曲线样品2的光谱透过率曲线3、滤光片的

43、带宽特性测量1号片中心波长为633nm，电压随波长变化特性：波长/nm380420460500540580600610Vr/mV0.10.10.10.110.110.120.120.12波长/nm620625630635640650690730Vr/mV0.130.510.690.320.140.130.120.101号片电压随波长变化曲线：5号片中心波长为532nm，电压随波长变化特性：波长/nm380420460500510520525530Vr/mV0.10.10.10.10.10.110.190.99波长/nm535540550590630670710Vr/mV1.490.650.10

44、.10.10.10.15号片电压随波长变化曲线：四、 实验小结实验中使用了锁定放大器，实验数据比较准确。样品1和样品2在短波长区域透过率都很低，明显属于长波长透过率材料；其中样品2在700nm附近有100%的透过率峰值。滤光片的带宽测量中，1号和5号滤光片的3dB带宽为20nm左右，窄带滤波特性较好。实验过程中，影响实验测量的准确性主要是由于实际测得的标准电压值有抖动，。实验九 红外报警器设计实验一、 概述红外报警器是利用工作在红外波段的光电探测器制作的一种光电探测系统，它能替代人看守仓库或监视一定范围的场所，当有人或异物进入时，便可发出声光报警，告诉主人出现了意外情况，以便采取应急措施。红外

45、探测器及偏置报警电路放大及处理驱动电路红外光发射源图1-1 主动式红外报警器原理框图常用的红外报警器，按其工作方式可分为主动式和被动式两种。图1-1为主动式红外报警器的原理框图。由红外光源发出的红外辐射被红外探测器接收，红外辐射信号变为电信号，经信号放大和处理电路后送报警电路。这种报警器实际上分为发送和接收两个部分，分开放置。当没有人和物进入这两部分时，红外辐射没有被阻断，报警器处于一种状态，不报警。一旦有人或物进入这两部分之间，红外辐射被阻断，报警器立即翻转到另外一种状态，即可发出声光报警，或以其它方式报警。图1-2 被动式红外报警器原理框图被动式红外报警器的原理框图如图1-2所示，这种报警

46、器实际上只有接受部分，当有人和物体进入其监视范围内时，人或物体发出的红外辐射被红外探测器接收后，经过信号放大和处理，就会发出报警。因此在设计和选用红外报警器时，必须根据不同的应用场合，做出合理的选择。这种选择是多因素综合的结果，答案不是唯一的。二、 设计方案 要求设计一个主动式红外报警器，所以必须选择合适的红外发光二极管和光电二级管（或光电三级管），主要使它们的发光波段和接收波段能够互相对应。 首先查阅光电手册，经过多种因素考虑选择红外发光二级管 HG413，其发光波段集中在0.95um 附近，相应的接收器件选择2CU1光电二极管。其光谱响应曲线的峰值在0.88um附近，到0.95um时仍然有

47、70%的峰值响应故可选用。因为没有响应峰值在0.95um的光电二极管。也只好这样配置。 根据红外发光二极管 HG413 的参数，和红外报警的要求，设计发射部分电路如图5-1所示。图2-1红外报警器发射部分原理图这是一个由555电路组成的多谐振荡器，振荡频率为3.1kHz。调节R3的大小可限制通过HG413 的电路，从而决定发射强度，也就决定了接收距离。本设计中R3使用100欧可变变阻器，方便调节。图2-2红外报警器接收部分原理图红外报警器接收部分如图5-2 所示。这里RL是光电二极管2CU的偏置电路，RC是交流耦合电路，A1构成电压跟随器。A2及其外围阻容元件构成有源滤波器。A3 构成反相比例放大器。D3 和R7、C3组成半波整流滤波电路，由2CU接