光电技术实验指导书

1、光电技术实验指导书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, 50Hzo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020111A连续可调恒流源2）显示表 电流表DC20J1A、200jiA、20niA、200mA量程四档切换 电 压表DC200mV>

2、; 2V、20V （量程三档切换）光照度计 1-1999LX3.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21MC、tr 20ms、tf 30ms> 入p580nm） 光敏 二极管（V120v、ID<0,1gA> IL50jiA、tr tf 10ns Xp880mn） 光敏三极管（VCEO50v、I D<0.1j1A、IL5mA、tr tf 15ns 入p880nm 硅光电池（VOC300mv> ID<110-8pA> ISC5pA> 入300-1000nm、入p880nm

3、 反射式光耦（输入 IFM20mA、VR5V、 VF1.3V 输出 VCEO30V、ICEO0.1pA> VCES0.4V 传输特 性CTR（）5、trtf5us）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（VR5V、VFL4V、IRlOuA、PO2mw）半导 体激光器（波长635um、功率l-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。

4、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 特性是做灯丝的鸨有正阻特性，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）o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

5、开图1 1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）o3、关闭主机总电源开关。将图中的普通光源取下，换上半导体激光源（旋下 前端盖

6、小孔），将激光源与主机激光电源相应连接（注意 颜色一极性）。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5。10。,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、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、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

7、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100Lxo（3）撤下照度计探头，换上光敏电阻探头及电路（图22） o顺时针慢慢调节05V可调电源

8、，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20niA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20jiA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。

9、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 mA3 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、lOOLx. 150Lx时，图2-2改变光 敏电阻的工作电压值AU=0.5v (由电压表监

10、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 2.533.544.55IniA光照度(Lx)图23光敏电阻光照特性实验曲线50电流(niA) 100电流(niA)照度(Lx ) 150电流(niA) 44、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(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2-3o表2-3光敏电

11、阻型号GL-5528颜色波长mn电流 红 630 760 橙 590 630 黄 560 590 绿 500 560 青 470 -500蓝430 470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IniA 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

12、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-11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（2

13、0gA档）的值即为光敏二极管的暗电流。暗电流基本为OpA, 一般光 敏二极管小于O.ljiA,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lOOLxoc.撤下照度计探头，换上光敏二极管探头，读取电流表 值，即为lOOLx, 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 51015.7075801(iiiA ) LX IniA 图 3-1 光敏二极管光照特特性实验特性

14、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 630 760 橙 590 630 黄 560 590 绿 500 560 青 470 -500蓝430 470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

15、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（p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

16、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MA到niA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41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

17、U V 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I niA 1 表 43 在 6Lx 照度下 U V 1 00.511.52.02.53.03.54.04.55 I niA 1 表 44 在 8Lx 照度下 U V 1 00.51.01.52.02.53.03.54.04.55 I niA 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 （niA） IniA 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

18、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inn电流 红 630 760 橙 590 630 黄 560 590 绿 500 560 青 470 -500 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 IniA 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

19、光能转换成电能的P-11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

20、）、打开主机总电源，测出照度为OLx、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（niA）电压 （mV） VocmvIsniA lOOLx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

21、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

22、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

23、。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sp 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

24、，P为热电体材料热释电系数，是温度的变化率。dtdTAPi 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） o（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

25、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

26、，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

27、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，01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 III1121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1R2R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 XLXLRRII210 III所 以可得 2/01 LXLII 2/ 02 LXLII LIIIX/ 012图10-2图10-1当入射光恒

28、定时，IO恒定，则入射光点与PSD中间零位点距离X与12-11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，Vbl 接 Vi3、Vb2 接 Vi4、Vb3 接 Vi5、Vb4 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） o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 0.2nmi记录一个数据填