光电检测实验指导

种均质的半导体光电器件,种均质的半导体光电器件,其结构如图1-1所示。光敏电阻采用梳状结构是由于在间距很近的实验一光敏电阻特性实验实验原理:利用具有光电导效应的半导体材料制成的光敏传感器叫光敏电阻，又称为光导管。是电阻之间有可能采用大的灵敏面积,提高灵敏度。光敏电阻应用得极为广泛，可见光波段和大气透过的几个窗口都有适用的光敏电阻。利用光敏电阻制成的光控开关在日常生活中随处可见。当内光电效应发生时，光敏电阻电导率的改变量为：Aa二Ap-e•卩+An-e•卩pn在上式中，e为电荷电量，Ap为空穴浓度的改变量，An为电子浓度的改变量，卩表示迁移率。当两端加上电压U后，A光电流为：I,=・Ab•Uphd式中A为与电流垂直的表面，d为电极间的间距。在一定的光照度下，Aa为恒定的值，因而光电流和电压成线性关系。光敏电阻的伏安特性如图1-2所示，不同的光照度可以得到不同的伏安特性，表明电阻值随光照度发生变化。光照度不变的情况下，电压越高，光电流也越大，光敏电阻的工作电压和电流都不能超过规定的最高额定值。u/v图1-2光敏电阻的伏安特性曲线光敏电阻的光照特性则如图1-3所示。不同的光敏电阻的光照特性是不同的，但是在大多数的情况下，曲线的形状都与图1-3类似。由于光敏电阻的光照特性是非线性的，因此不适宜作测量型的线性敏感元件，在自动控制中光敏电阻常用作开关量的光电传感器。0I) IC'C'I：0I) IC'C'I：'2000 J000A(10—10mJ图1-4几种光敏电阻的光谱特性实验所需部件:稳压电源、光敏电阻、负载电阻（选配单元）、电压表、各种光源、遮光罩、激光器、光照度计（做光照特性测试，由用户自备或选配）实验步骤:测试光敏电阻的暗电阻、亮电阻、光电阻观察光敏电阻的结构,用遮光罩将光敏电阻完全掩盖,用万用表欧姆档测得的电阻值为暗电阻R暗,移开遮光罩，在环境光照下测得的光敏电阻的阻值为亮电阻R亮，暗电阻与亮电阻之差为光电阻，光电阻越大，则灵敏度越高。在光电器件模板的试件插座上接入另一光敏电阻，试作性能比较分析。图1-5光敏电阻的测量电路图1-5光敏电阻的测量电路按照图1-5接线，分别在暗光及有光源照射下测出输出电压暗和U亮，电流L暗=U暗/R,亮电流L亮=U亮/R,亮电流与暗电流之差称为光电流，光电流越大则灵敏度越高。光敏电阻的伏安特性测试按照图1-5接线，电源可从直流稳压电源+2〜+12V间选用，每次在一定的光照条件下，测出当加在光敏电阻上电压为+2V；+4V；+6V；+8V；+10V；+12V时电阻R两端的电压UR和电流数据，同时算出此时光敏电阻的阻值，并填入以下表格，根据实验数据画出光敏电阻光敏电阻伏安£特性测试数据表（暗光）工作电压24681012Ur（伏）电阻（欧姆）电流的伏安特性曲线。光敏电阻伏安特性测试数据表（正常环境光照）电压（伏）24681012Ur（伏）电阻（欧姆）电流光敏电阻伏安特性测试数据表（有光源照射）电压（伏）24681012Ur（伏）电阻（欧姆）电流光敏电阻的光照特性测试按照图1-5接好实验线路，负载电阻R选定1K,光源用高亮度卤钨灯，（实验者可仔细调节光源控制旋钮，得到不同的光源亮度），每确定一种亮度后改变测试电路工作电压从0V-12V.从电源电压UCC=2V开始到UCC=12V，每次在一定的外加电压下测出光敏电阻在相对光CCCCU照度从“弱光”到逐步增强的电流数据，即：I=R ，同时求出此时光敏电阻的阻ph1.00KQ

U—U值，即：R R。这里要求尽量多的测点（不少于15个）不同照度下的电流数据,gIPh尤其要在弱光位置选择较多的数据点，以使所得到的数据点能够绘出较为完整的光照特性曲线。光敏电阻光照特性测试数据表（电压：）照度Ur（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电压：）照度ur（伏）光电流光敏电阻光照特性测试数据表（电压：）照度Ur（伏）光电流根据以上实验数据画出光敏电阻的一组光照特性曲线。光敏电阻的光谱特性：用不同的半导体材料制成的光敏电阻有着不同的光谱特性，见图1-4。当不同波长的入射光照到光敏电阻的光敏面上，光敏电阻就有不同的灵敏度。光源激光红黄绿蓝白光电阻I光电阻II图1-6发光管连接电路据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线:照图光源激光红黄绿蓝白光电阻I光电阻II图1-6发光管连接电路据记入下表，据此作出两种光电阻大致的光谱特性曲线:6.光敏电阻的温度特性:光敏电阻与其他半导体器件一样,性能受温度影响较大.随着温度的升咼电阻值增大,灵敏度下降。请按图（5）测试电路，分别测出常温下和加温（可用电烙铁靠近加温或用电吹风加温，电烙铁切不可直接接触器件）后的伏安特性曲线。注意事项:实验时请注意不要超过光电阻的最大耗散功率Pmax，PMA=LU光源照射时灯胆及灯杯温度均很咼，请勿用手触摸，以免烫伤。

实验时各种不同波长光源选用的高亮度LED在不发光时均为透明材料封装，查看颜色及亮度均可从其顶端透镜前观察。用做光源时也应将透镜发光点对准光敏器件。实验二光敏电阻的应用 暗光亮灯电路实验原理:图2-1所示即为“光敏灯控”实验单元内的实际电路,在放大电路中,当光照度下降时晶体管T基极电压升高，T导通，集电极负载LED流过的电流增大,LED发光，这是一个暗通电路.。实验所需部件:光敏电阻、光敏灯控电路（也可自行用实验选配单元接线）、发光二极管、电压表实验步骤:按照仪器面板所示，将光敏电阻对应接入“光敏灯控”单元的“光敏入”，“发光管”端口与工作台上实验模板上的发光管相接。调节“暗光控制”电位器，，使在实验室光照环境下发光管不亮。然后改变光照条件，分别用白纸、带色的纸和遮光罩改变光敏电阻的光照，当光照变暗到一定程度时发光管跳亮。这就是日常所用的暗光街灯控制电路的原理。 图2-1光敏灯控电路根据图2-1暗通电路原理,试设计一个亮通控制电路.实验三光敏二极管特性实验实验原理:光敏二极管与半导体二极管在结构上是类似的，其管芯是一个具有光敏特征的PN结，具图3-1光敏二极管原理有单向导电性，因此工作时需加上反向电压。光敏二极管的伏安特性相当于向下平移了的普通二极管，无光照时，有很小的饱和反向漏电流，即暗电流，此时光敏二极管截止。当受到光照时，饱和反向漏电流大大增加，形成光电流，它随入射光强度的变化而变化。光敏二极管结构见图3-1图3-1光敏二极管原理实验所需部件:光敏二极管、稳压电源、负载电阻（实验选配单元中可变电阻）、遮光罩、光源、电压表（自备41/2位万用表）.、微安表（或自备41/2位万用表上的200mA档）、照度计（自备或另购）实验步骤:按图3-2接线，要注意光敏二极管是工作在反向工作电压的。由于硅光敏二极管的反向电流非常小，所以应视实验情况逐步提高工作电压，如有必要可用稳压电源上的土10V或±12V串接。1.暗电流测试用遮光罩盖住光电器件模板，选择合适的电路反向工作电压，选择适当的负载电阻。打开

仪器电源，调节负载电阻值，微安表显示的电流值即为暗电流，或用41/2位万用表200mV档测得负载电阻R上的压降U暗，则暗电流L暗=U暗/R。一般锗光敏二极管的暗电流要大于硅光敏二极管暗电流数十倍。可在试件插座上更换其他光敏二极管进行测试做性能比较。图3-2光敏二极管测试电路光电流测试图3-2光敏二极管测试电路缓慢揭开遮光罩，观察微安表上的电流值的变化,（也可将照度计探头置于光敏二极管同一感光处，观察当光照强度变化时光敏二极管光电流的变化）或是用41/2位万用表200mv档测得R上的压降U光,光电流L光=U%/R。如光电流较大，则可减小工作电压或调节加大负载电阻。伏安特性测试实验按图3-2连接实验线路,光源选用高亮度卤素灯,分别调节至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。负载电阻用万用表确定阻值1K欧姆。将可调光源调至一种照度，每次在该照度下，测出加在光敏二极管上的各反向偏压与产生的光电流的关系数据，其中光电流I=UKo（1KQ为取样电阻），在三种光照度下重复上述实ph1.00Ko验。光敏二极管伏安特性测试数:据表（照度：弱）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数据表（照度：中）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏二极管伏安特性测试数:据表（照度：强）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流根据实验数据画出光敏二极管的伏安曲线。

l.Q-札―BOOTLg0.J 15WL1qg EffilLx_*iQ20 30 10 5O'图3-3光敏二极管的伏安特性曲线光照度特性测试实验电路见图3-2。光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度，每选一种照度就选择3种反向偏压测试记录，测出光敏二极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中I=注（1K。为取样电阻）。Ph1.OOKQ根据实验数据画出光敏二极管的光照特性曲线。图3-4光敏二极管的光照特性曲线光敏二极管光照特性测试数据表（电压：）根据实验数据画出光敏二极管的光照特性曲线。图3-4光敏二极管的光照特性曲线照度U（伏）光电流光敏二极管的光照特性亦呈良好线性，这是由于它的电流灵敏度一般为常数。而光敏三极管在弱光时灵敏度低些，在强光时则有饱和现象，这是由于电流放大倍数的非线性所至，对弱信号的检测不利。故一般在作线性检测元件时，可选择光敏二极管而不能用光敏三极管。注意事项:本实验中暗电流测试最高反向工作电压受仪器电压条件限制为土12V（24V）,硅光敏二极管暗电流很小，虽然提高了反向电压，但还是有可能不易测得。测试光电流时要缓慢地改

变光照度，以免测试电路中的微安表指针打表，如微安表量程不够大，可选用万用表的200mA电流档。实验四光敏管的应用 光控电路实验目的:图4-1光敏二极管光控电路图4-1光敏二极管光控电路实验所需部件:光敏二极管或光敏三极管、光控电路、高亮度卤素光源、电压表、电阻器（实验选配）、三极管实验步骤:图（12）为一常用的由光敏管组成的光控电路，其原理与前述光敏电阻光控电路相似，电路接线时须注意光敏管的极性。接通电源后调节控制电路,使其在自然光下负载发光管不亮。分别用白纸\带色的纸和遮光罩改变光敏管的光照，观察控制电路的亮灯情况。思考题：作为灯控器件的光敏二极管与光敏三极管接线方式。实验五光敏三极管特性测试实验原理：光敏三极管是具有NPN或PNP结构的半导体管，结构与普通三极管类似。但它的引出电极通常只有两个，入射光主要被面积做得较大的基区所吸收。光敏三极管的伏安特性和光敏二极管的伏安特性类似，如图所示。但光敏三极管的光电流比同类型的光敏二极管大1+hFE倍，零偏压时，光敏二极管有光电流输出，而光敏三极管则无光电流输出。原因是它们都能产生光生电动势，只因光电三极管的集电结在无反向偏压时没有放大作用，所以此时没有电流输出（或仅有很小的漏电流）。光敏三极管的工作电路如图5-1所示。集电极接正电压，发射极接负电压。实验所需部件：光敏三极管、稳压电源、各类光源、电压表（自备41/2位表）、微安表（或自备42/1工ER微安表图5-1光敏三极管测试电路位万用表工ER微安表图5-1光敏三极管测试电路实验步骤：判断光敏三极管C、E极性：方法是用万用表20K电阻测试档，红表棒接发射极，黑表棒接集电极，无光照时显示光照增强时电阻迅速减小至1-2K欧姆；若将黑表棒接发射极，红表棒接集电极，则不论光照变化与否万用表始终显示8。伏安特性测试实验 图13按图5-1连接好实验线路，光源选用高亮度卤素灯，负载电阻选用1K欧姆。分别调节光照至“弱光”、“中光”和“强光”三种照度。每次在该光照条件下，测出加在光敏三极管的偏置电压U与产生的光电流I的关系数据。其中光电流为I= （1KCE C c1.00KQ

Q为取样电阻），然后选用另两种照度后重复上述实验。光敏三极管伏安特性测试数据表（照度：弱）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏三极管伏安特性测试数据表（照度：中）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流光敏三极管伏安特性测试数:据表（照度：强）电压（伏）24681012UR（伏）电阻（欧姆）光电流根据实验数据画出光敏三极管的伏安特性曲线。4Q304030E-/LI2000Lx图5-2光敏三极管的伏安特性图4Q304030E-/LI2000Lx图5-2光敏三极管的伏安特性图5-3光敏三极管的光照特性实验线路如图5-1所示。光源选用高亮度卤素灯，由实验者按照从“弱-强”仔细调节光源电位器取得多种光照度，每选一种照度选择3种反向偏压测试记录，测出光敏三极管在相对光照度为“弱光”到逐步增强的光电流数据，其中I二片（1K。为取样电阻）。Ph1.OOKQ记录下表光敏三极管光照特性测试数据表（电压：）照度UR（伏）光电流光敏三极管光照特性测试数据表（电压：）

照度ur（伏）光电流>1/.）光敏二极管光照特性测试数据表（电压:照度Ur（伏）光电流根据实验数据画出光敏三极管的光照特性曲线。思考题:）光敏二极管光照特性测试数据表（电压:照度Ur（伏）光电流根据实验数据画出光敏三极管的光照特性曲线。光敏三极管工作的原理与半导体三极管相似，为什么光敏三极管有两根引出电极就可以正常工作？实验六光敏三极管对不同光谱的响应实验原理:在光照度一定时，光敏三极管输出的光电流随波长的改变而变化，一般说来，对于发射与接收的光敏器件，必须由同一种材料制成才能有此较好的波长响应，这就是光学工程中使用光电对管的原因。图6-2实验所需部件:光敏三极管、发光二极管（包括红外发射管、各种颜色的LED）、试件插座、直流稳压电源、电压表（自备41/2位）实验步骤:按图6-2接好光敏三极管测试电路，电路中的光敏三极管为红外接收管，光源采用红外发光二极管，必须注意发光二极管的接线方向。发光二极管的光都是通过顶端的透镜发射的，因此实验时必须注意二极管与三极管的相对位置。（顶端透镜相对）接好如图1-6所示的发光二极管电路，注意发光二极管限流电阻阻值的调节（电位器阻值的调节一定要按从大到小的原则），发光二极管可插在试件插座上。实验中发光源可用多种颜色的LED。用黑色胶管将发光二极管与光敏三极管对顶相连，并用遮光罩将它们罩住，如果光谱一致的话则测试电路输出端信号变化较大，反之则说明发射与接收不配对，需更换发光源。调整发光二极管发光强度（可调节电位器）或改变与光敏管的相对位置，重复上述实验。注意事项:发光二极管限流电阻一定不能太小，否则将损坏发光管。

实验七光电池特性测试.实验原理:光电池的结构其实是一个较大面积的半导体PN结，工作原理是光生伏特效应，当负载接入PN两极（电路中的E）后即得到功率输出。在一定光照度下，硅光电池的伏安特性呈非线性。—I—I~~n團7-1光电池结构原理及测试电路当光照射硅光电池的时候，将产生一个由N区流向P区的光生电流iph同时由于PN结二极管的特性，存在正向二极管管电流id，此电流方向与光生电流方向相反。所以实际获得的电流为：phDph0(eVphDph0(eV)[exp -1(nkT丿B图7-3硅光电池光照特性曲线式中V为结电压，l0为二极管反向饱和电流，n为理想系数，表示PN结的特性，通常在1和2之间，kB为波尔兹曼常熟，T为绝对温度。短路电流是指负载电阻相对于光电池的内阻来讲是很小的时候的电流。在一定的光照度下，当光电池被短路时，结电压V为0从而有：IISCph负载电阻在20欧姆以下时，短路电流与光照有比较好的线性关系，负载电阻过大，则线性会变坏。开路电压则是指负载电阻远大于光电池的内阻时硅光电池两端的电压，而当硅光电池的输出端开路时有i=o，由（3）（4）式可得开路电压为：V=倬gOCq、V=倬gOCq■SC+1仃丿图7-3为硅光电池的光照特性曲线。开路电压与光照度之间为对数关系，因而具有饱和性。因此，把硅光电池作为敏感元件时，应该把它当作电流源的形式使用，即利用短路电流与光照度成线性的特点，这是硅光电池的主要优点。实验所需器件:两种光电池、各类光源、实验选配电路、电压表（41/2位）自备、微安表（毫安表）、激光器、照度计（用户选配）实验步骤:图7-1为光电池结构原理及测试电路，图中E为光电池。光电池短路电流测试：光电池的内阻在不同光照时是不同的，所以在测得暗光条件下光电池的内阻后（图7-1左），应选用相对小得多的负载电阻。（这样所测得的电流近似短路电流），试用阻值为1、5、10、20、30Q或更大的的负载电阻接入测试电路。打开光源，在不同的距离和角度照

射光电池，记录光电流的变化情况，可以看出，负载电阻越小（小于20欧姆），光电流与光强的线性关系就越好。光电池光电特性测试：光电池的光生电动势与光电流和光照度的关系为光电池的光电特性。用遮光罩盖住光电器件模板，用电压表或41/2位万用表测得光电池的电势，取走遮光罩，打开光源灯光，改变灯光投射角度与光电池的距离，即改变光电池接收的光通量，测量光生电动势与光电流的变化情况，并将测试数据填入下表：照度光生电势光电流可以看出，它们之间的关系是非线性的，当达到一定程度的光强后，开路电压就趋于饱和了。硅光电池的伏安特性测试按照图7-1所示连接好实验线路，其中负载电阻用选配单元中的可调电阻（从0。调至5K0）,由实验者自行连接到电路中。光源用高亮度卤素灯，分别选用“弱光”“中光”和“强光”三种照度。将可调光源打开，每次在一定的照度下，调节实验选配单元中的可调电阻并用万用表确定阻值，然后测出一组硅光电池的开路电压UOC和取样电阻R1两端的电压UR1,则光电OC R1流I=Uri/R］（R］为取样电阻的阻值），改变负载电阻，测出尽可能多的数据点，以绘出完整的伏安特性曲线。,然后再另两种光照度下重复上述实验。硅光电池伏安特性测试数据表（照度：中）硅光电池伏安特性测试数据表（照度：强）硅光电池伏安特性测试数据表（照度：中）硅光电池伏安特性测试数据表（照度：强）Rx1（欧姆）Uoc（伏）UR1（伏）光电流根据实验数据画出硅光电池的伏安特性曲线。当光电池负载为电阻时，光照射下的光电池的输出电压与电流的关系，见图7-3。曲线的横坐标值为光电池开路电压值，纵坐标为短路电流值。当接入负载电阻Rl时，负载线Rl与伏安特性曲线的交点为工作点，此时光电池的输出电流与电压的乘积为光功率。在上述试验中，分别测得在不同负载条件下，光电池的输出功率，求得最佳工作点。将光电池分别串、并联,测出其工作性能与输出功率,并得出定性的结论。

注意事项:光电池串、并联时请注意电压极性，以免电压相互抵消或短路。实验八光电池应用 光强计实验所需部件:光电池（或串或并均可）、光强测试电路单元（内电路如图20）实验步骤:图8-1为“光电池光强测试”单元内的电原理图。光电池接入时请注意极性。发光二极管已在电路中接入。调节光电池受光强度，分别在光照很暗、正常光照和光照很强时观察两个发光二极管不亮、稍亮、两个都很亮，这样就形成了一个简易的光强计。图8-1光电池光强测试电路思考题：如何将此电路改造成可更细分光照强度的光强计?实验九红外光敏管应用 红外检测实验所需部件:團红外检测电路红外光敏二极管及三极管、红外检测电路单元、红外发射管、光源、其他热源、LED发光二极管團红外检测电路实验步骤:图9-1为“红外检测”实验单元内的电原理图，将红外光敏二极管（或红外光敏三极管）接入电路“红外光敏”端口，单元电路上的“发光管”端口接光电器件模板上的发光二极管作为电路输出状况显示之用，接入时注意元件极性。打开光源照射红外光敏管，观察电路输出端电压是否有变化。所接LED发光管有什么变化。将红外发光管按照图1-6接通并照射红外光敏管，看电路是否动作。红外发光二极管,看电路是否能动作。注意事项：因红外发射管的发射光谱是不可见光，所以如以红外发射管作为光源照射电路不动作可能是光功率偏小，或者是红外发射与红外接收光敏管光谱特性不太一致，光敏接收管光电流小而使电路不动作。实验十光纤位移传感器原理实验原理:

本实验仪中所用的为导光型光纤传感器,光纤在传感器中起到光的传输作用，因此是属于非功能性的光纤传感器。光纤传感器的两支多模光纤分别为光源发射及接收光强之用，其工作原理如图10-1所示。光纤传感器工作特性曲线如图10-2所示。一般都选用线性范围较好的前坡为测试区域。实验步骤:观察光纤结构：一支发射、另一支为接图i0_实验步骤:观察光纤结构：一支发射、另一支为接图i0_t光纤位移传感器工作原理图收的多模光纤，两端合并处为半圆形结构，光纤质量的优劣可通过对光照射观察光通量的大小而得出结论。光纤传感器的光电变换组件内发射的光源是近红外光,接收电路接收近红外信号后经稳幅及放大输出。判断光电变换器上两个光纤安装孔位置具体为发射还是接收可采用如以下办法:将光纤变换器单元电压输出VO端接电压表输入端，光电变换组件的四芯航空插头接入光纤变换器四芯插座，将双支光纤的其中一根插入光纤安装孔中的一孔，观察电压表输出情况。将接通电源的红外发光管顶端靠近光纤探头，如VO端有电压输出则此孔为接收放大端，如单独插入另一孔,光纤探头靠近接通电源的红外光敏三极管，如光敏三极管有反应则说明此孔为红外光源发射。将两根光纤均装入光电变换组件,装入时注意不要过分用力,以免影响到组件中光电管的位置。分别将光纤探头置于全暗无反射和对准较强光源的照射，光纤变换器输出电压应分别为零和最大值。注意事项:双支光纤三端面均经过精密光学抛光,其端面的光洁度直接会影响光源损耗的大小,需仔细保护。禁止使用硬物、尖锐物体碰触，遇脏可用镜头纸擦拭。如非必要，最好不要自行拆卸，观察光纤结构一定要在实验老师的指导下进行。实验十一光纤传感器 位移测试实验所需部件:光纤、光电变换组件、光纤变换电路、电压表、反射片（电机叶片）、位移平台实验步骤:将光纤、光电变换组件与光纤变换电路相连接,注意同一实验室如有多台光电传感器实验仪,由于光电变换组件中的光电元件特性存在不一致,则光纤变换电路中的发射\接收放大电路的参数也不一致，仪器出厂时单元电路都是与光电组件单独调配的，故请做实验之前将光纤\光电变换块和实验仪对应编号,不要混用,以免影响正常实验。光纤探头安装于位移平台的支架上用紧定螺丝固定,电机叶片对准光纤探头,注意保持两端面的平行。尽量降低室内光照度,移动位移平台使光纤探头紧贴反射面，此时变换电路输出电压Vo应约等于零。旋动螺旋测微仪带动位移平台使光纤端面离开反射叶片，每旋转一圈（0.5毫米）记录Vo值，并将记录结果填入表格，作出距离X与电压值mv的关系曲线。从测试结果可以看出，光纤位移传感器工作特性曲线如图10-2所示分为前坡I和后坡II。前坡I范围较小，线性较好。后坡工作范围大但线性较差。因此平时用光纤位移传感器测试位移时一般采用前坡特性范围。根据实验结果试找出本实验仪的最佳工作点。（光纤端面距被测目标的距离）思考题：如何利用光纤传感器位移测试的原理，设计一个光纤传感器压力测试单元？（提示：压力致使物体产生形变）。实验十二光纤传感器应用 测温传感器实验原理:光纤变换电路中的近红外接收 放大部分如接收热源中的近红外光，输出电压就会随温度变化。实验所需部件:光纤、光电变换块、光纤变换电路、电压表、热源、移动平台。实验步骤:将一根光纤插入实验十中已确定的光电变换块中的接收孔，并将端面朝向光亮处，使输出电压Vo变化，确定无误，并用紧定螺丝固定位置。将光纤探头端面垂直对准一黑色平面物体（最好是黑色橡胶、皮革等）压紧，此时光电变换器V。端输出电压为零。将光纤探头放入一个完全暗光的环境中，电路V。端输出为零。用手指压住光纤端面，即使在暗光环境中，电路也有输出，这是因为人体散射的体温红外信号通过光纤被近红外接收管接收后经放大后转换成电信号输出。将光纤探头靠近热源（或是探头垂直与散热片紧贴），打开热源开关，观察随热源温度上升，光电变换器V。端输出变化情况。注意事项:光纤探头应避免太靠近热源电加热丝，以免损坏探头及护套。实验者请勿用手直接触摸加热片，以免烫伤。思考题：能否根据实验十一光纤传感器位移测试的原理做一个光纤测温实验装置？（提示：将器件在温度场中感受到的温度变化量转化为光纤探头反射面间距变化，如常用的双金属片组件）。实验十三光纤传感器---转速与振动测试实验所需部件:光纤、光电变换组件、光纤变换电路、测速电机、电压/频率表、示波器实验步骤:光纤变换电路中Fo端输出为整形电路输出，它可以将光纤探头所测到脉动信号整形为

标准的5VTTL电平输出，以供仪器中的数据采集卡计数之用。根据实验十二的结果将光纤探头安装在距电机反射叶片最佳工作点处。开启转速电机，调节转速，用示波器观察Vo端输出电压波形和经过整形的Fo端输出方波的波形，如Fo端无输出则可能是Vo端输出电压过高,可适当降低放大增益，直至Fo端有方波输出为止。用示波器或频率计读出电机的转速。示波器探头接于光电变换器Vo端，放大器增益置最大，根据实验十二结果，探头安装在距反射叶片的最佳工作点处。开启电源与旋转电机，调节示波器，以能稳定地观察输出波形为好。读出相邻输出波形峰值之差，根据位移测试标定结果，判断旋转电机叶片的抖动情况，得出电机转动是否平稳的结论。注意事项：电机叶片转动时Vo输出电压峰值之差是比较小的，观察时可提高示波器的灵敏的，而且要特别注意背景光的影响。实验十四. 光耦合器件 光断续器实验原理: V+rHrD立芜K图14T透过型光断续器工作原理图光耦合器件是由发光与受光器件组成, V+rHrD立芜K图14T透过型光断续器工作原理图实验所需部件:光断续器、转速电机、电压/频率表、示波器整形电路实验步骤:观察光断续器的结构：这是一种透过型的光断续器,近红外发光二极管发出的光信号经光敏达林顿电路接收放大整形后输出,光断续器发射光电源信号由光耦电路中的±12V电源提供。（光耦合器单元中V1、V2端口）按照仪器面板所示符号一一对应连接好光断续器的光源激励电源及Vo端与频率表的实验接线，开启电机，用示波器观察光断续器输出端Vo的转速波形。将Vo端输出的电压波形接入“整形入”端口，从整形电路输出的为标准的5VTTL电平，此信号可用做数据采集频率计数信号。电机转速（转/秒）=频率表读数三2思考题:光电耦合器与光断续器主要是元件安装位置上的差别,试想如果将光断续器作为光电耦合器是否可能?在结构上应做什么改变?实验十五菲涅尔透镜性能实验实验原理:

菲涅尔透镜是一种精密的光学器件,专门是用来与热释电红外传感器配套使用。其结构如图15-1所示。它由经过特殊设计的透镜组构成，上面的每个透镜单元都只有一个不大的视场，相邻两个单元透镜的视场即不连续也不重叠,都相隔一个盲区。当热源在透镜前运动时,顺次从某一单元透镜视场进入又退出，透镜的功能就是将连续的热源信号变成断续的辐射信号，使热释电传感器能正常工作。实验所需部件:菲涅尔透镜、激光器（或其它经过聚焦的光源）实验步骤:仔细观察菲涅尔透镜结构，用激光器从正面照射菲涅尔透镜，用一白纸放在透镜下做投射光背景面。当激光光点照射到透镜正面并相对移动时，白纸上的投射光会出现一个接一个的断续光斑，而光斑始终都是集中在透镜中部的。实验十六红外光传感器 热释电红外传感器性能PZT—oD「胃PZT—oD「胃°S图応-1热释电红外传感器结构原理图如图16-1所示,主要由滤光片、ZT热电元件、结型场效应管FET及电阻、二极管组成.。其中滤光片的光谱特性决定了热释电传感器的工作范围。本仪器所用的滤光片对5Mm以下的光具有高反射率,而对于从人体发出的红外热源则有高穿透性,传感器接收到红外能量信号后实现了“热-电”的转变,就有电压信号输出。实验所需部件:热释电红外传感器、慢速电机、热释电红外探测电路单元、电加热器、电压表实验步骤:将菲涅尔透镜装在热释电红外传感器探头上，探头方向对准慢速电机支座下透孔前的热源方向，按图标符号将传感器接入处理电路,接好发光二极管（显示实验单元探测状态）。开启电源，待单元电路输出稳定后开启热源，同时将慢速电机叶片拨开不使其挡住热源透射孔。随着热源温度缓慢上升，观察热释电红外传感器的Vo端输出电压变化情况。可以看出传感器并不因为热源温度上升而有所反应。开启慢速电机，调节转速旋钮，使电机叶片转速尽量慢，不断地将透热孔开启——遮挡。此时用电压表或示波器观察输出电压端Vo就会发现输出电压也随之变化。当达到告警电压时，则发光管闪亮。逐步提高电机转速，当电机转速加快，叶片断续热源的频率增高到一定程度时，传感器又会出现无反应的情况,请分析这是什么原因造成的？（可结合热释电红外传感器工作电路原理分析）注意事项：慢速电机的叶片因为是不平衡形式,加之电机功率较小,所以开始转动时可能需要用手拨动协助转动。

实验十七红外光传感器 热释电红外传感器人体探测实验所需部件:热释电红外传感器、菲涅尔透镜、探测单元、电压表实验步骤:将实验十六中传感器的安装方向调整180°面对仪器前实验者，连接传感器探头与处理电路,输出端Vo接电压表。开启电源,待电路稳定后,实验者从探头前经过,移动速度从慢到快,距离从近到远,观察传感器的反应，记录下传感器最大探测距离。在探头前装上菲涅尔透镜,重复步骤（2）,并尝试在探头的不同视场范围进入,记录下装透镜后最大的探测距离和探测角度。加深对菲涅尔透镜作用的了解（实际应用中，菲涅尔透镜是必需的）。实验十八.光电位置敏感器件 PSD传感器实验原理:PSD（positionsensitivedetector）是一种新型的横向光电效应器件,当入射光点照在器件光敏面上时,激发光生载流子而产生电流I,光生电流的大小与光点的大小无关，只和光点在器件上的位置有关系。当光点位于器件中点（原点）时，光生电流I1=I2，根据这一原理，将PSD器件两极电流Ii、I2变换成电压信号后再进行差分运算即可知道光点的位置。PSD器件工作原理见图18-1实验所需器件:PSD组件（器件已装在基座上）、固体激光器、反射体、PSD处理电路单元、电压表实验步骤:通过基座上端圆形观察孔观察PSD器件及在基座上的安装位置，连接好PSD器件与处理电路，开启仪器电源,输出端Vo接电压表,此时因无光源照射,PSD前聚焦透镜也无因光照射而形成的光点照射在PSD器件上,Vo输出的为环境光的噪声电压，试用一块遮光片将观察圆孔盖上，观察光噪声对输出电压的变化。将激光器插头插入“激光电源”插口，激光器安装在基座圆孔中并固定。注意激光束照射到反射面上时的情况，光束应与反射面垂直。激光束照射到反射面后PSD组件上的透镜将漫反射的激光光线聚焦到PSD器件表面，旋转激光器角度，调节激光光点，（必要时也可旋转调节PSD前的透镜）使光点尽可能集中在器件上。仔细调节位移平台，用电压表观察输出电压U。的变化，当输出为零时，再分别测两路信号电压输出端UO1、UO2的电压值，此时两个信号电压应是基本一致的。从原点开始，位移平台分别向前和向后位移，因为PSD器件对光点位置的变化非常敏感,故每次螺旋测微仪旋转5格（1/10mm），并将位移值（mm）与输出电压值（U0）记录列表，作出U/X曲线，求出灵敏度S，S=AU/^X。根据曲线分析其线性。位移电压

注意事项：实验中所用的固体激光器光点可调节，实验时请注意光束不要直接照射眼睛，否则有可能对视力造成不可恢复的损伤。每一支激光器的光点和光强都略有差异，所以对同一PSD器件，光源不同时光生电流的大小也是不一样的。实验时背景光的影响也不可忽视，尤其是采用日光灯照明时，或是仪器周围有物体移动造成光线反射发生变化时，都会造成PSD光生电流改变，致使单元Vo输出端电压产生跳变，这不是仪器的毛病。如实验时电压信号输出较小，则可调节一下激光器照射角度和光点在PSD器件上的上下位置，使输出达到最大。实验十九PSD器件特性——光电特性实验目的：了解PSD器件对入射光强度改变的反应及光点大小对光生电流的影响。实验所需器件激光器、激光教鞭（自备）、小型聚焦灯泡（自备）、PSD器件及放大变换电路、电压表、示波器实验步骤：1、 在实验十八的基础上调整位移平台前后位置，使光点在平台位移时均能照在PSD器件的光敏面上，如位移范围不够则可将激光器在激光器座中的位置前后作些调整。2、 开启激光电源，记录下光点位移时VO端的最大输出值。3、 保持单元电路增益不变，将光源更换成激光教鞭或聚光小灯泡，记录下不同光源照射时输出端的最大Vo值。4、 调节PSD入射光聚焦透镜（或激光器调焦透镜），使光斑放大，依次重复步骤1、2,观察输出电压的变化。5、 根据实验结果作出PSD器件光电特性的定性结论。实验二十光栅衍射实验——光栅距的测定实验目的：了解光栅的结构及光栅距的测量方法。实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。实验步骤：1、 激光器放入光栅正对面的激光器支座中，接通激光电源后调节上下左右位置使光点对准光栅组中点后用紧定螺丝固定。实验所需部件：光栅、激光器、直尺与投射屏（自备）。实验步骤：1、 激光器放入光栅正对面的激光器支座中，接通激光电源后调节上下左右位置使光点对准光栅组中点后用紧定螺丝固定。2、 在光栅后方安放好投射屏，观察到一组有序排列的衍射光斑，与激光器正对的光斑为中央光斑，依次向两侧为一级、二级、三级…衍射光斑。如图20-1所示。请观察光斑的大小及光强的变化规律。3、 根据光栅衍射规律，光栅距D与激光波长入衍射距离

L、中央光斑与一级光斑的间距S存在下列的关系：S%衍射光斑I\9光栅L激光束fd图20-1光栅衍射光斑排列（式中单位：L、S为mm,入为nm,D为pm）根据此关系式，已知固体激光器的激光波长为650nm，用直尺量得衍射距离L、光斑距S,即可求得实验所用的光栅的光栅距。4、 尝试用激光器照射用做莫尔条纹的光栅,测定光栅距,了解光斑间距与光栅距的关系。5、 将激光器换成激光教鞭，测定其波长。注意事项：激光衍射所用的光栅是包含有两组光栅刻痕互成900的光栅组组成，做实验时可以选用其中任一组光栅。实验二十一光栅衍射——测距实验续实验二十实验步骤：按照光栅衍射公式，已知光栅距、激光波长、光斑间距，就可以求出衍射距离L。将激光对准衍射光栅中部，在投射屏上得到一组衍射光斑，根据公式求出L。调整投射屏与光栅的距离，并尽可能试用不同的激光器，将测得的各参数L、S、D、入填入表格，以验证公式。实验数据表序号1234L(mm)S(mm)D(“m)实验二十二光栅莫尔条纹原理实验原理：即为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度B为:如果把两块光栅距相等的光栅平行安装，并且使光栅刻痕相对保持一个较小的夹角0即为莫尔条纹。莫尔条纹的宽度B为:B=P/sin0其中P为光栅距。光栅刻痕重合部分形成条纹暗带，非重合部分光线透过则形成条纹亮带。光栅莫尔条纹的两个主要特征是：判向作用：当指示光栅相对于固定不动的主光栅左右移动时，莫尔条纹将沿着近于栅线的方向上下移动，由此可以确定光栅移动的方向。位移放大作用：当指示光栅沿着与光栅刻线垂直方向移动一个光栅距D时，莫尔条纹移动一个条纹间距B，当两个等距光栅之间的夹角0较小时，指示光栅移动一个光栅距D,莫尔条纹就移动KD的距离。K=B/D~1/0。B=D/2sin0/2~d/0,这样就可以把肉眼看不见的栅距位移变成清晰可见的条纹位移，实现高灵敏的位移测量。实验所需部件：光栅组、移动平台实验步骤：1、 安装好主光栅与指示光栅，使两光栅保持平行，光栅间间隙要尽量小，微调主光栅角度，使莫尔条纹清晰可见，用紧定螺丝固定光栅好光栅的相对位置。2、 旋动移动平台螺旋测微仪，向前或向后，观察莫尔条纹上下移动与指示光栅位移方向的关系。3、 人工微位移测量：当指示光栅位移一个光栅距时，莫尔条纹就移动一个条纹距。调节位移平台，仔细记数条纹移动数目，根据实验二十测得的光栅距，与位移条纹数相乘，此即为指示光栅的位移距离，实验时可与螺旋测微仪的转动刻度相对照。（事实上光栅莫尔条纹